Схема базового УМЗЧ

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Рассмотрим схему на рис. 8.1. Это схема простейшего транзисторного УМЗЧ, стабилизированного обратной связью, с двуполярным питанием ±15 В. Уси­литель охвачен отрицательной обратной связью (подробнее об обратных свя­зях см. главу 12) с выхода на вход. По постоянному току эта обратная связь стопроцентная — так как ток через конденсатор" С2 не течет, то резистор R4 спокойно можно считать «висящим в воздухе». Таким образом выход с эмит­теров выходных мощных транзисторов VT4 и VT5 просто присоединен (че­рез резистор R5) ко второму входу дифференциального входного усилителя и имеет практически одинаковый с ним потенциал. Из главы 6 мы знаем, что все эмиттерные и базовые выводы дифференциального усилителя связаны между собой, поэтому на базовом выводе VT2 будет (при отсутствии сигна­ла) то же напряжение, что и на базе VT1. Последняя привязана к «земле» ре­зистором R1 — то есть имеет в состоянии покоя нулевой относительно «зем­ли» потенциал. Получается, что выход усилителя (эмиттеры выходных мощных транзисторов) также привязан к этому же потенциалу, следователь­но, на выходе в состоянии покоя будет практически нулевое напряжение и через динамик ток не пойдет.

Ток покоя дифференциального каскада задается резистором R3 и равен при­мерно 2 мА (учтите, что потенциал соединенных эмиттеров чуть ниже потен­циала баз). За счет того, что базы имеют одинаковый потенциал, равны и коллекторные токи VT1 и VT2, то есть они составляют по 1 мА. Тогда на ба­зе /?-А7-/?-транзистора VT3, включенного по самой простой схеме усиления с общим эмиттером, за счет резистора R2 потенциал составит как раз величину падения на его переходе база-эмиттер, и он будет слегка приоткрыт, обеспе­чивая за счет тока в коллекторе потенциал на резисторе R6 такой, чтобы держать на эмиттерах комплементарных выходных транзисторов (одинако­вых, но противоположной полярности— один П’Р’П, другой /?-«-/?-типа), включенных по схеме с общим коллектором, потенциал, равный нулю. Смысл диодной цепочки между базами выходных транзисторов мы рассмот­рим далее.

clip_image002

Рис. 8.1. Классическая схема усилителя звуковой частоты

Подадим на вход какой-то сигнал в виде переменного напряжения (конденса­тор С1 нужен, чтобы не пропускать постоянную составляющую). Переменное напряжение пройдет через конденсатор С1 (ток перезарядки пойдет через резистор R1) и начнет менять потенциал на базе транзистора VT1 (а следова­тельно и на его эмиттере). От этого изменится ток коллектора этого транзи­стора, отчего будет меняться падение напряжения на резисторе R2 и, соот­ветственно, на базе /?-/?-/?-транзистора VT3. Предположим, что в какой-то момент времени напряжение на входе возросло. Тогда ток через VT1 увели­чится, на резисторе R2 напряжение также возрастет, транзистор VT3 приот­кроется, ток его коллектора вырастет. Соответственно вырастет напряжение на резисторе R6 и на соединенных диодной цепочкой базах выходных тран­зисторах. При этом верхний (по схеме) выходной транзистор VT4 приоткро­ется, а нижний VT5 — призакроется, отчего напряжение на выходе также сместится в положительную сторону (так как пара выходных комплементар­ных транзисторов, в сущности, представляет собой усложненный эмиттер-ный повторитель, то сигнал она не инвертирует). При перемене полярности на входе все произойдет в обратную сторону.

Таким образом, входной сигнал передается на выход с неким коэффициентом усиления — как по току, так и по напряжению. Сразу возникает вопрос — ас каким? И еще вопросы — а зачем здесь нужна, во-первых, обратная связь, во-вторых, диоды в базовой цепи выходных транзисторов, и в-третьих, низко-омные резисторы (R7—R8) в эмиттерных цепях на выходе?

Давайте начнем с обратной связи. По постоянному току, как мы уже выясни­ли, обратная связь обеспечивает стабильность выходного напряжения по­коя — ток через динамик не идет. Кроме того, эта обратная связь поддержи­вает в нужном режиме транзистор VT3, который при ее отсутствии, как мы видели в главе б, находился бы в исключительно нестабильном состоянии. Что происходит при подаче переменного напряжения на вход? Так как при этом конденсатор С2 начинает представлять собой малое сопротивление, то часть выходного напряжения (обусловленная цепочкой R5—R4, то есть в данном случае одна тридцатая его) подается обратно \ia вход дифференци­ального усилителя в противофазе к входному сигналу. Эта часть вычитается из входного сигнала и тем самым уменьшает его. Это могло бы показаться бессмысленной тратой ресурсов, но такое состояние вещей обеспечивает ста­бильность и предсказуемость схемы — фактически коэффициент усиления этого усилителя по напряжению на звуковых частотах определяется соотно­шением R5:R4, то есть стабилен, практически независим от частоты (уже на частоте 10 Гц сопротивление конденсатора С2 не превышает 330 Ом) и равен примерно 30. Добавим, что максимальный достижимый коэффициент при рядовых используемых транзисторах составляет примерно 2—3 тысячи, но такая схема без обратной связи работала бы исключительно нестабильно — скорее всего, динамик сгорел бы при первом же включении.

У таких схем есть одна нехорошая особенность — из-за собственных емко­стей и индуктивностей участвующих в процессе компонентов (и переходов транзисторов, и резисторов, и проводников в макетном монтаже или на пе­чатной плате) фаза обратной связи за счет задержек в элементах схемы на некоторых частотах (причем даже и много выше звуковых) может меняться с отрицательной на положительную. Отчего схема начинает «гудеть» при включении питания. «Гудение» это может и не восприниматься на слух, и вы даже не поймете, отчего вдруг выходные резисторы (R7—R8) чернеют и ды­мятся, а динамик выдает «чпок», после чего замолкает навсегда. Происходит следующее: малая наводка на вход вызывает сигнал на выходе, который пе­редается опять на вход (базу VT2), но на этот раз Не в виде отрицательной обратной связи, когда выходной сигнал вычитается из входного, а за счет упомянутых задержек фаза получается такой, что выходной сигнал склады­вается с входным и усилитель переходит в режим генерации.

Заметки на полях

Похожий, но имеющий другие физические причины эффект может получить­ся, если вы подключите ко входу усилителя микрофон — звук от динамика попадает обратно в микрофон и усиливается, если он совпадает по фазе. Несомненно, вы не раз встречались с этим «микрофонным эффектом», если пытались наладить систему микрофон-усилитель в большом зале, и слыша­ли в этом случае нарастающий свист. Для предотвращения микрофонного эффекта иногда достаточно бывает заслонить микрофон рукой или помес­тить его в поролон, или даже просто изменить полярность подключения ди­намиков на выходе.

Для предотвращения этих явлений принимаются специальные схемотехниче­ские меры. Для ограничения коэффициента усиления по высокой частоте в цепь обратной связи включен конденсатор С4 (показан на схеме пунктиром), который ограничивает коэффициент передачи по цепи обратной связи для высоких частот — чем его номинал больше, тем больше ограничивает. Так как его емкость много меньше, чем конденсатора С2, то коэффициент пере­дачи по цепи обратной связи на звуковых частотах больше единицы, и уси­ление имеет место, но С4 обеспечивает завал усиления на высоких частотах (чем он больше, тем ниже усиление с ростом частоты, что и предотвращает нежелательное «гудение» усилителя на высоких частотах).

Вторая обязательная мера— правильная разводка питания (см. также главу 9). Выходные мощные каскады усиления (спаренный эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах) должен питаться от отдельных достаточ­но толстых проводов (не менее 1 мм^ — чем толще, тем лучше), соединенных прямо с источником питания, а входной дифференциальный каскад и «раска­чивающий» транзистор VT3 должны быть также соединены с источником отдельными проводниками. В точках соединения проводника «+15 В» с кол­лектором VT2, резистором R2, эмиттером VT3 (на плате или макете они должны быть физически как можно ближе друг к другу), как показано на схеме, должны быть установлены «развязывающие» конденсаторы большой емкости. В точке соединения проводников питания с резисторами R2 и R3 желательно также установить «развязывающие» керамические конденсаторы, соединенные с «землей» (на схеме они не показаны). Емкость этих конденса­торов может составлять 0,1—1 мкФ.

«Землю» также следует разводить как можно более толстыми проводниками с аналогичной разводкой. Выходные проводники к динамику также делаются как можно более толстыми. Все соединительные провода в схеме должны быть как можно короче, а вход должен соединяться с входным разъемом и регулирующим резистором экранированным проводом, экран которого будет «землей» входного сигнала.

Для того чтобы понять назначение диодов в базах транзисторов и резисторов в нагрузочной цепи, сначала попробуем ответить еще на два вопроса: какова мощность усилителя и какие меры нужно принять, чтобы обеспечить прохо­ждение этой мощности через выходные транзисторы и правильно сконструи­ровать усилитель?

Мощность усилителя

Мощность мы будем подсчитывать довольно примитивным способом, счи­тая, что динамическая головка, индуктивность которой не слишком велика, имеет на всех интересующих нас частотах сопротивление, равное ее сопро­тивлению по постоянному току (в данном случае 4 Ом). Теоретически при полном размахе синусоидального напряжения на выходе усилителя ампли­тудное значение его может составить 15 В (30 В «от пика до пика»). На са­мом деле эта величина немного меньше, так как минимум два вольта теряется с каждой (положительной и отрицательной) стороны за счет падения напря­жения на переходах выходных транзисторов VT4—VT5, на раскачивающем транзисторе VT3, на резисторах R7—R8 и т. п. Примем, что максимальная амплитуда на выходе может составить 13 В (при условии неискаженного си­нусоидального сигнала). Амплитудное значение связано с действующим зна­чением известным нам из главы 4 соотношением, то есть оно составит в дан­ном случае 13,5/1,41 = 9,2 В. Тогда действующее значение тока составит 9,2 В/4 Ом = 2,3 А, а синусоидальная мощность будет 9,2 В • 2,3 А = 21 Вт. Следу­ет подчеркнуть, что это максимальная возможная мощность, которую можно выжать из этого усилителя на нагрузке 4 Ом — реальная может быть меньше.

Для того чтобы получить указанный размах напряжения на выходе, в соответ­ствии со значением коэффициента усиления требуется входной сигнал не ме­нее 0,5 В (амплитудного значения), поэтому если вы подключите на вход стан­дартный микрофон, который обычно выдает не более единиц-десятков милли­вольт, такого размаха вы не получите — нужен микрофонный предусилитель. С другой стороны, подключение ко входу, например, выхода с диктофона или плеера вполне может вам обеспечить такой размах и даже более — фактиче­ское выходное напряжение современных источников сигнала составляет не менее 2 В. Следовательно, все выходные компоненты нужно рассчитать так, чтобы они не сгорели при максимальной возможной мощности.

Прежде всего это касается динамической головки, 4 Ом— это довольно стандартное сопротивление для динамиков, но если вы включите сюда го­ловку 4ГД-4 (то есть мощностью 4 Вт), то рискуете тем, что при максималь­ной громкости у вас диффузор ее вместе с толкателем просто улетит в пото­лок, даже не успев сгореть. Потому головка должна быть рассчитана на нужную мощность. В данном случае необязательно, чтобы был запас по мощности, вполне достаточно колонки на 15 Вт, в реальной музыке или речи максимальные мощности практически никогда не достигаются (подробнее об этом далее), а изредка появляющиеся экстремальные значения такая головка выдержит.

Куда сложнее обеспечить нормальный режим транзисторов. Сначала погово­рим о выборе транзисторов выходного каскада. Ток коллектора «раскачи­вающего» каскада на VT3 равен примерно 10 мА в точке покоя (падение на­пряжения на резисторе R6 составляет около 15 В), следовательно, чтобы обеспечить 3,3 А на выходе и тем самым полностью использовать возможно­сти источника питания, нужно иметь коэффициент hju более 230 (именно поэтому выбраны транзисторы с «супербетой»). Есть и другие выходы из этого положения (в том числе позволяющие не терять целых два вольта от питания и при этом обеспечить меньшие искажения сигнала) — предложение которых— одно изящнее другого— стало своеобразным спортом в годы главенства дискретной аналоговой техники, но мы не будем в этом копаться.

Стабильность

Теперь попробуем ответить на ранее заданный вопрос — зачем нужны диоды VD1—5 (целых пять штук!) между базами выходных транзисторов и рези­сторы R7—R8 между их эмиттерами?

Представьте себе, что диодов и резисторов этих не существует, и базы и эмит­теры комплементарных транзисторов просто соединены (рис. 8.2). Будет рабо­тать такая схема? Конечно, ведь если один из транзисторов открыт, то другой закрыт, а в промежутке они «перетягивают» друг друга (Хоровиц и Хилл, авто­ры основополагающего труда «Искусство схемотехники» [20], именно так и называют такой каскад: «push-pull», то есть «тяни-толкай»). Но если на вход подать малый сигнал, то в пределах падения напряжений база-эмиттер создает­ся мертвая зона, когда ни верхний, ни нижний транзистор не открыты, и оттого на выходном синусоидальном сигнале наличествует довольно большая (при­мерно в полтора вольта для обычных транзисторов и в три вольта для транзи­сторов с «супербетой») ступенька, как это показано на рис. 8.2.

Для нормального, без хрипов и искажений, воспроизведения звукового сиг­нала такое, естественно, недопустимо. Чтобы избежать этого, придется вы­ходные транзисторы изначально слегка приоткрыть— именно для этого и служит цепочка диодов между базами. Для обычных транзисторов достаточ­но трех диодов, для транзисторов с «супербетой» — пяти. Усилитель с таким режимом включения транзисторов еще называется «усилитель класса АВ» (см. приложение 3). При токе около 10 мА, как на схеме, падение напряжения на этих диодах превысит падение напряжения между базами транзисторов примерно на полвольта, отчего транзисторы слегка приоткроются, и через соединенные эмиттеры потечет небольшой ток. Теперь достаточно совсем малого сигнала, чтобы он повторился на выходе. Чтобы этот ток покоя меньше менялся с температурой, диоды следует приклеить или плотно при­жать к тому же радиатору, что и транзисторы.

Для достижения наилучшего эффекта можно заменить диоды подстроечным резистором (или добавить его к ним, параллельно или последовательно) и, изменяя его сопротивление, обеспечить нужный ток покоя более точно (для схемы на рис. 8.1 это порядка 50 мА). Подстроечный резистор (рис. 8.3) нуж­

clip_image002[4]

Рис. 8.2. Простейший каскад усиления по мощности на комплементарных транзисторах

но вращать очень аккуратно, при включенном в эмиттерную цепь нагрузки амперметре, чтобы не превысить ток покоя и не сжечь транзисторы. Еще лучше, чем замена диодов резисторами, будет решение с маленьким подстро­ечным резистором (порядка 100—150 Ом), включенным последовательно с диодами (их тогда надо на одну штуку меньше, чем по схеме рис. 8.1). Ино­гда вместо диодов-резисторов сооружают источник тока на маломощном транзисторе, что надежнее.

clip_image004

Рис. 8.3. Вариант замены диодов на резисторы для установки начального тока покоя

Крупный недостаток всей этой конструкции — то, что при случайном разрыве в базовой цепи транзисторов (например, нарушении контакта в подстроечнике) они оба распахнутся на «полную», и далее все будет происходить в соответст­вии с цитатой из хорошего писателя М. Анчарова: «Вы думали, что в аду воня­ет серой? Ничего подобного — в аду воняет горелой резиной». Потому упот­реблять подстроечник будет правильным только для макета, а для окончательного варианта нужно все же заменить его соответствующим посто­янным резистором. Правда, в аналогичном случае у одного моего знакомого транзистор самостоятельно выпаялся из макета и упал на стол, отчего цепь ра­зорвалась и — что самое удивительное — ничего даже не вышло из строя, в том числе и злополучный транзистор. Когда его, остывшего, посиневшего и полностью потерявшего внешний вид, впаяли обратно — все заработало!

И, наконец, зачем на рис. 8.1 показаны низкоомные резисторы R7—R8 в эмиттерной цепи (на рис. 8.2 и 8.3 они отсутствуют)? Они вносят некоторую долю стабилизирующей обратной связи в выходной каскад с целью лучшей стабилизации тока покоя, так как температурные коэффициенты диодов и эмиттерных переходов транзисторов, конечно, не равны в точности. По­скольку при токе 2 А на резисторе 0,5 Ом выделяется 2 Вт (подсчитайте са­ми!), то эти резисторы проще всего сделать самостоятельно из медной или нихромовой проволоки, как указано в главе 2. Чем выше номинал этих рези­сторов, тем выше стабильность схемы и тем лучше линейность сигнала, но тем выше и потери мощности.

О мощности выходных транзисторов

Теперь разберемся с мощностью на выходных транзисторах. Посчитать ее удобно, руководствуясь понятием КПД усилителя, который в режиме АВ ле­жит в пределах 60—70%. Почему это так, можно догадаться из следующих со­ображений: напряжение на транзисторах выходного каскада в каждый момент времени определяется разницей между напряжением источника питания (по­стоянное) и напряжением на нагрузке (меняется по синусоидальному закону). Более точный расчет см., например, в [11], а также в приложении 3. Не углуб­ляясь в математику, мы можем принять, что мощность, которая выделяется на выходных транзисторах в указанной схеме включения, примерно равна 0,7 мощности в нагрузке, то есть по 35% на каждый транзистор. Я же лично всегда просто принимал мощность на транзисторах равной выходной мощности и ни разу не ошибся. Такой расчет может показаться слишком грубым, но посколь­ку в подобных расчетах нужно всегда закладываться на худшее, то можно счи­тать, что на каждом из транзисторов будет выделяться по 10 Вт мощности.

Разумеется, ни один реальный транзистор этого не выдержит, потому их надо устанавливать на рассеивающие тепло радиаторы. Причем учтите, что с кор­пусом транзистора, как правило, электрически соединен его коллектор, так что радиаторов должно быть два— или, как чаще делают, устанавливают один общий радиатор, но добавляют электроизолирующие теплопроводящие прокладки между корпусами-коллекторами и радиатором, о которых далее. Вот о том, как их рассчитывать, мы напоследок и поговорим.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты