Полевые транзисторы в согласующих усилителях

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: УМЗЧ на транзисторах; Опубликовано: 19.03.2017 18:16; Просмотров: 4990

Понравилась статья - поделись с друзьями

ИЗ ПРАКТИКИ КОНСТРУИРОВАНИЯ
А.Г. Зызюк, г. Луцк (РА №12' 2008г.)
В настоящее время велик интерес к модернизации уже имеющейся у нас аппаратуры. Рассмотрим ситуации, когда самыми простыми способами можно существенно улучшить качество звука во многих аппаратах.
Некоторые вопросы, связанные с влиянием входного сопротивления (Rвх) аудиоусилителей на качество звукового сигнала, рассматривались, например, в [1].

К сожалению, этим явлением обычно пренебрегают. Хотя согласно зарубежным источникам, коэффициент гармоник возрастает до десяти раз (!). Не менее важно и то,что они хорошо слышны. Нужно только организовать оперативное сравнение двух сигналов. Один из которых взят с «зашунтированного» (нагруженного) регулятора громкости RBX УМЗЧ, а второй - после схемы буферного (согласующего) усилителя (БУ).
И чем лучше УМЗЧ,тем сильнее их заметность и назойливость. Возникает своеобразная «каша» звуковых сигналов, которую ничем невозможно устранить. Для устранения этого остается только одно средство прекратить токоотбор с движка регулятора громкости.
В современных УМЗЧ нет мелочей. Когда схемотехника совершенная,то отчетливо слышны многие «мелочи». Они могут
быть незаметны в низкокачественных УМЗЧ. Тоже относится и к акустическим системам (АС). В хороших УМЗЧ и АС
слышно буквально «все». Начинают оказывать влияние соединительные (даже межблочные) кабели. Уже невозможно согласиться с доводами, что хорошие кабели - это «чисто рекламный проспект». Выбор пассивных радиокомпонентов (с активными и так все ясно), качество питающего напряжения тоже не второстепенные вопросы.
Кроме того, на первый план выдвигается АС и источник музыкальных сигналов. С разочарованием приходится констатировать следующий факт. Звук с компьютера, для высококачественных тестов и сравнений,в подавляющем большинстве случаев, не подходит. Качество звука, если не отвратительное, то весьма посредственное. Безусловно, главным «ограничителем» качества звука здесь является звуковая карта.
Регуляторы громкости и тембра - слабое звено
Чтобы улучшить негативную ситуацию с регуляторами громкости и тембра, используют высококачественные регуляторы. Обычно, это дискретные (многоступенчатые) резисторы. Цены на них «нагоняются» весьма высокие. Однако замена обычного потенциометра дискретным вышеуказанных искажений не устраняет. Решается другая проблема. Она связана с низкокачественным контактом подвижной части (движка) потенциометра с его графитовым покрытием. Это, конечно, тоже серьезная проблема. Она приводит к дополнительным искажениям звука, но ее решение не уменьшает проблемы «нагруженно-сти» регулятора RBX в УМЗЧ. Разрешить же данную ситуацию можно, если применить, например, очень хорошо зарекомендовавшую себя на практике схему (рис.1). У этой схемы имеется немалый потенциал для ее «развития». Первый каскад схемы выполнен на VT1 по схеме с общим стоком (ОС). Его входная емкость мала,если сравнивать с более мощными полевыми транзисторами (ПТ). И в схеме с ОС нет эффекта Миллера (умножения входной емкости). Транзистор VT2 генератор стабильного тока

(ГСТ). При сопротивлении резистора R5=510 Ом ток ГСТ равен 5 мА. Выбранные здесь типы ПТ являются самыми дешевыми в цене среди всех имеющихся на рынке. Вообще, пластмассовые КП302Б1 или КП302В1 сопоставимы по ценам с такими ПТ,как КП103. Как ни парадоксально,но «пластмасса» считается чем-то второстепенным и не очень надежным. Однако при входной емкости (С11) около 20 пФ, которая в несколько раз больше, чем у КПЗОЗ, крутизна (S) у КП302 в несколько раз больше, чем у КПЗОЗ. Но поскольку у радиолюбителей КПЗОЗ очень популярны,то пластмассовые КП302 оказываются в 5-10 раз дешев-ле,чем КПЗОЗ.
Основная неприятность всех аналогичных схем БУ в том, что на выходе данного БУ присутствует постоянное напряжение. На истоке VT1 напряжение составляет около +3 В. При отсутствии С2 это приводит к срабатыванию штатной защиты акустических систем (АС). В эксплуатации собранной воедино конструкции это не проблема. Ведь реле защиты АС подключит АС к выходу УМЗЧ после окончания всех переходных процессов. Зато в экспериментах приносятся огромные неудобства. К примеру, защита АС срабатывает всякий раз, когда переключают тумблер SA1 (рис.2) Схема рис.2 нужна была для сравнения двух сигналов. Один из которых - без БУ, второй - после БУ. Переключатель SA2 и резистор R2 нужны для имитации «нагру-женности» регулятора громкости. Этот эксперимент наиболее показателен при среднем положении движка регулятора громкости.
Решение проблемы наличия постоянного потенциала на выходе БУ в схеме рис.1 «в лоб» ничего не получится. Увеличение тока ГСТ до 30 мА действительно снижает потенциал с 3 В до 0,7 В. Но и этого напряжения явно много. Кроме того, при токе 30 мА
чрезмерно разогреваются корпуса обоих ПТ. Рассеиваемая на каждом ПТ мощность достигает 0,3 Вт, что неблагоприятно в плане надежности. Оптимальным является ток в пределах 10... 15 мА. В таком случае оба ПТ едва лишь теплые на ощупь.
Подбор ПТ по параметрам (среди однотипных ПТ) мало что дает. Здесь все дело в величине напряжения между затвором и истоком (Uзи). То есть проблема из наличия (и необходимости) напряжения смещения. Напряжение Uзи для VT1, которому соответствует ток ГСТ (и ток стока lc,VT1), как раз и создает данную проблему. Вывод затвора VT1 соединен с общим проводом. Значит,его потенциал в данной схемной комбинации изменить невозможно. Отсюда следует, что на истоке VT1 всегда будет присутствовать именно то значение Uзи, которому и соответствует данный ток Ic VT1. И этому режиму работы VT1 соответствует всегда положительное напряжение на выходе БУ. Поэтому данная схема без разделительного конденсатора С2 между БУ и входом УМЗЧ
Ситуацию можно исправить, внеся в схему определенные изменения. Увеличение тока ГСТ снижает положительное напряжение на выходе (истоке VT1) БУ. Чем больше ток ГСТ,
тем ближе режим работы VT1 к режиму с максимальным током (Iс.нач, начальным током стока). При замкнутых выводах «затвор-исток» ток Iс=Iс.нач. Такой режим работы ПТ применяется в малосигнальных схемах, где нужен малый уровень шума. Нам же необходима максимальная линейность передаточных характеристик для больших по амплитуде сигналов.
Схему рис.1 изменили так: затвор ПТ VT1 отсоединили от общего провода (рис.3),а в цепь затвора подали отрицательное напряжение смещения. Для этого использовали минусовую шину питания БУ и резисторный делитель напряжения R4R3. Теперь уже легко и просто снизить напряжение на выходе БУ. И устана-вить, по ситуации, как «немного» положительное напряжение (0...+5 мВ),так и отрицательное (0...-5 мВ). В схеме рис.3 уже нет никаких проблем с переходными процессами при переключении SA1.
На фото в начале статьи показана конструкция однока-нального БУ, собранного по схеме рис.3. На рис.4 показано размещение двух таких плат в одной из авторских конструкций стереоУМЗЧ. В этом УМЗЧ для установки БУ применен полностью автономный двуполярный блок питания. И такой подход роскошью не является. Из практики хорошо известно,что общее питание БУ и УМЗЧ от одного источника питания может приводить к появлению контурных токов по общей шине питания, появляются дополнительные наводки и шумы. Возникает фон и НЧ гул и т.д. Поэтому для

питания БУ необходим отдельный источник питания. Если нет нужных обмоток в трансформаторе БП УМЗЧ, то выход из ситуации - применение дополнительного малогабаритного трансформатора.
Главное, отдельный БП для БУ не имеет общих «точек соприкосновения» между БУ и УМЗЧ. И появляется возможность соединить БУ и УМЗЧ, по «массе», в одной-единственной точке (лишь для звуковых сигналов).
Еще кое-что о важных проблемах
К сожалению, подавляющее большинство всех конструкций УМЗЧ, как промышленных, так и самодельных выполнены на биполярных транзисторах (БТ). И это притом, что у ПТ над БТ имеются серьезнейшие преимущества.
Отрадно, что в последнее время стали чаще появляться УМЗЧ и с применением ПТ. Но в лучшем случае в них ПТ использованы в качестве выходных, иногда во входных каскадах УМЗЧ. В то же время,усилители напряжения в схемах УМЗЧ, как правило, выполнены на схемах с общим эмиттером. Вот где сокрыты проигнорированные возможности каскадов на ПТ.
Проблему входных токов БТ (на входе УМЗЧ) удалось бы решить раз и навсегда,установив во входном каскаде УМЗЧ ПТ. Автоматически снизились бы искажения «нагруженных» регуляторов, подключенных к базовым цепям БТ. Но технологичности ради в УМЗЧ больше используются БТ. Так уж сложилось...
Действительно, с БТ оказывается проще бороться с дрейфом «нуля» на выходе УМЗЧ. Пожалуй, еще каких-нибудь других преимуществ БТ над ПТ в схемах УМЗЧ отыскать невозможно. Их и не существует. Хотя,проблема
«ухода нуля» почти полностью решается применением во входном дифференциальном каскаде УМЗЧ согласованных пар ПТ («сборок»). С применением на входе УМЗЧ операционного усилителя (ОУ) с ПТ, вообще, упрощается многое. Проблема с «нулем» на выходе УМЗЧ отпадает и с применением дополнительного интегратора на ОУ.
Тот из радиолюбителей, кто поэкспериментировал с ПТ в аудиотехнике, уже никогда не подумает, что ПТ и БТ равнозначны в плане качества звука. Кроме входных каскадов УМЗЧ, наибольшую нелинейность вносят и выходные каскады УМЗЧ и промежуточные звенья УМЗЧ, усилители напряжения сигнала - это тоже слабое звено.
Стоит лишь в одном из стереоканалов УМЗЧ заменить БТ на ПТ. Сравнение обоих каналов после этого весьма разочарует в работе БТ. Если в УМЗЧ применена схема Дарлингтона из трех транзисторов, то можно, как минимум,два из трех БТ заменять одним экземпляром ПТ. При этом, скорее всего, ускорять перезаряд (заряд-разряд) входной емкости (Сзи) ПТ не потребуется. Более того, может понадобиться и обратный процесс «торможения» ПТ. Иначе слишком «быстрые» ПТ создадут проблемы с самовозбуждением УМЗЧ и выходные ПТ выйдут из строя. Для устранения самовозбуждения надо увеличивать сопротивление резисторов, включаемых в цепь затвора ПТ. Таким образом, использование почти в 90% всех УМЗЧ БТ оставляет очень широкое поле для творческой деятельности радиолюбителей. То есть, как видим, одним лишь вопросом применения согласующих БУ только на входе УМЗЧ использование ПТ никак не ограничено. Представляется возможность заменять БТ как на выходе УМЗЧ, так и в его промежуточных звеньях.
Простота же предлагаемых доработок УМЗЧ с БУ рис.3 не предполагает вносить серьезных изменений в имеющемся УМЗЧ.
Другие варианты БУ на ПТ и БТ
Один из них, достойный внимания, показан на рис.5. Его отличие от схемы, показанной на рис.3, заключается в построении ГСТ. Здесь ГСТ выполнен на БТ. Как и в схеме рис.3,в схеме рис.5 RBX также определяется значением R2. Выходное сопротивление обоих БУ зависит от крутизны (S) ПТ VT1. Оно равно 1/S. Повсеместно считается, что ГСТ не участвует в усилении сигнала. Следовательно, БТ в ГСТ не могут ухудшить качество звука. Поэтому ГСТ на БТ применяют даже в ламповых аудио-усилителях.

Особенности ГСТ
Фактически нигде не упоминается о том, что ГСТ тоже самовозбуждаются на ВЧ. Все, как обычно, предписывается неустойчивости усилительных каскадов. Несмотря на это, как показывает практика, ГСТ тоже способны генерировать на ВЧ. Обнаруживаются такие явления, порой, совсем неожиданно. Рядом работающий радиоприемник или включенный телевизор бывает неплохим индикатором самовозбуждений не только в скоростных аудиосхемах.
Самовозбуждаются и ГСТ. И чем больше каскадов содержит схема ГСТ, тем больше вероятность ее самовозбуждения на ВЧ. Что интересно, ГСТ может весьма прилично работать и на постоянном токе. То есть он хорошо функционирует как ГСТ, вместе с тем, выполняя и функцию ВЧ генератора. И совсем необязательно что он непременно будет работать в режиме постоянной генерации. Кстати, ПТ в ГСТ также самовозбуждаются. В том числе, и ПТ с затвором на основе Р-N-перехода (КПЗОЗ, КП307 и им подобные). При размашистом монтаже на ВЧ самовозбуждаются даже менее высокочастотные транзисторы
типа КП302. Не исключение из правила и простейшая схема ГСТ на ПТ, когда исток соединен через резистор с затвором. Защита от самовозбуждения резистор в цепи затвора номиналом 1 кОм. В принципе, особо удивляться самовозбуждениям ГСТ на ВЧ и не следует.
Даже в именитых конструкциях УМЗЧ,как ни странно, ГСТ выполнены по определенному шаблону и с полной уверенностью в том, что ГСТ «абсолютно устойчивы». Лишь изредка, в конструкциях последних лет можно встретить схемы, где заметны нюансы, сокрытые обычному взгляду. К сожалению, эти очень важные «тонкости» обычно идут без каких-либо комментариев.
Поскольку однокаскадные ГСТ на БТ выполняются по схеме с общей базой (ОБ), то на ВЧ такая схема нередко самовозбуждается. И неудивительно. Каскад с ОБ -самый линейный и высокочастотный усилитель напряжения на БТ. Главное, что в схеме с ОБ между входом и выходом (базой и коллектором) существует положительная обратная связь (ПОС). Нет инверсии фазы сигнала. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) обратная
связь - отрицательная,а в схеме с ОБ - ПОС. Отсюда и «активность» на ВЧ таких мирных схем, как ГСТ. Монтажные емкости также делают свое дело. Традиционно в ГСТ база БТ «наглухо» соединена с общим проводом схемы. Такое соединение обеспечено большой барьерной емкостью стабилитрона ГСТ. Чтобы не провоцировать ГСТ для работы на ВЧ,вместо стабилитрона лучше применять диоды или светодиоды, как в схеме рис.5 (HL1). При необходимости включают дополнительные элементы (дроссель или резистор) в цепь коллектора или базы.
Схема БУ с подстройкой «нуля»
В схеме рис.6 функция автоматического регулирования нулевого потенциала БУ целиком возложена на ОУ. На этом ОУ выполнен интегратор. В данном случае использован ОУ типа TL081 с ПТ во входном каскаде. Несмотря на тот факт, что ОУ не прецизионного типа, достигнуты вполне приличные параметры в поддержании «нуля» на выходе БУ. В итоге на выходе БУ постоянное напряжение не превышает 1 мВ. В режиме покоя, когда нет сигнала на входе БУ, постоянное напряжение на выходе БУ не превышает 0,5 мВ. А при выходном напряжении 5 В (эфф.) - не более 0,8 мВ.
Надо отметить, что ОУ с входными ПТ имеет всегда большое значение напряжения смещения. Оно, как правило, примерно в 10 раз больше, чем в ОУ на БТ.
Однако всяческой похвалы заслуживает современная технология ОУ на ПТ. Если сравнивать эти дешевые ОУ с отечественными КР140УД8, то последние в схемах интеграторов не устанавливаются,так как напряжение смещения у них в несколько раз больше. А шумы, без преувеличения, огромные. Даже такая «малошумящая» ИМС, как КР544УД1, уступает по многим параметрам зарубежным TL081. Небезынтересен и такой факт,что TL081 дешевле в два раза,чем КР140УД8.
Для питания БУ используется двухполярный стабилизированный источник питания. Все описанные БУ при напряжении питания ±10 В имеют ограничение выходного сигнала при напряжении более 5 В (эфф.) и больше 6 В при питании ±12 В.

Литература:
1. Зызюк А. Г. Изготовление усилителей мощности звуковой часто-ты//Радиоаматор. - 2008. - №5.