Žemo dažnio stiprintuvas su mažais netiesiniais iškraipymais

Vertė Andrius Vaičeliūnas.
Агеев А. УМЗЧ с малыми нелинейными искажениями. – Радио, 1987, № 2, с. 26–29.

Viena iš pačių populiariausių pastarųjų metų konstrukcijų su įsitikinimu galima pavadinti galios stiprintuvą pagrinde taip vadinamo „lygiagretaus“ stiprintuvo, sukurto maskviečio inžinieriaus A. A. Agejevo (žr. „Радио“, 1982 m., Nr. 8).

Publikuojant jo aprašymą, redakcija kreipėsi į skaitytojus su prašymu atsiųsti atsiliepimus apie stiprintuvo darbą, pasiūlymus jo patobulinimui (pagrinde tai buvo harmonikų koeficiento sumažinimas, kuris pagal šiuolaikinius matus buvo nepakankamai mažas). Sprendžiant pagal laiškus, daugelis radiomėgėjų, kurių tarpe nemažai pradedančiųjų, pakartojo šią konstrukciją ir liko ja patenkinti. Buvo redakcijos pašte ir pasiūlymų patobulinti stiprintuvą. Su vienu iš jų, labiau, mūsų požiūriu, vykusiu, mes supažindinome skaitytojus trečiajame praėjusių metų žurnalo numeryje (žr. К. Филатов ir М. Мардер straipsnį „Усовершенствование усилительного блока“).

Neliko mėginimų pagerinti stiprintuvą ir jo kūrėjui A. A. Agejevui. Ir štai jis atneša į redakciją naujo stiprintuvo maketą, su kuriuo mes šiandien supažindiname skaitytojus.

Redakcijos prašymu, įtaisas, apie kurį kalbama šiame straipsnyje, buvo bandomas Visasąjunginio mokslinių tyrimų kinofotoinstituto (НИКФИ) garso technikos laboratorijoje. Bandymų rezultatai patvirtino naujojo stiprintuvo aukštą linijiškumą ir puikų termostabilumą. Pastarasis patikrintas 45 min bėgyje sunkiausiame šiluminiame režime (esant išėjimo įtampai, 2/π karto mažesnei negu nominali). Stiprintuvo rimties srovė (200 mA) per tą laiką nesikeitė.

Kaip matyti iš straipsnio, stiprintuvo harmonikų koeficientas visame garso dažnių diapazone neviršija 0,003 %. Kai kuriems skaitytojams gali kilti klausimas: o ar reikia jį sumažinti iki tokios reikšmės? Dėl to norime priminti apie garso dažnių galios stiprintuvo skambėjimo kokybės subjektyvaus vertinimo rezultatus, pateiktus И. Беспалов ir А. Пикерсгиль straipsnyje „Качество звучания и характеристики УМЗЧ“ (žr. „Радио“, 1986 m., Nr. 1, 56, 57 psl.). Jame kalbama, kad „...tyrimai leido nustatyti... galios stiprintuvo su K_h=0,003 % pranašumą prieš galios stiprintuvą su K_h=0,03 %: klausantis aukštos kokybės programų pirmojo iš jų skambesio „lengvumą“ pažymėjo dauguma ekspertų“.

O ką apie tai galvoja aukštos kokybės skambesio mėgėjai? Galbūt kažkas dar atliko panašias ekspertizes? Tada prašome jų pasidalinti mintimis apie tuos rezultatus, išsipasakoti apie tikslingumą sumažinti iškraipymus iki tokio lygio ir apie žurnale aprašytą galios stiprintuvą su tokiomis harmonikų koeficiento reikšmėmis.

Stiprintuvo aprašymas

Skaitytojų dėmesiui siūlomas garso dažnių galios stiprintuvas, sukurtas techninių sprendimų, aprašytų [1–4], pagrindu ir sujungia jų vertingiausias savybes. Be to, jame neutralizuotas tokiam galios stiprintuvo tipui būdingas netiesinių iškraipymų šaltinis, kokiu yra operacinio stiprintuvo įėjimo talpų perkrovos procesas esant dideliems sinfaziniams signalams.

Atsiminkime, kad operacinio stiprintuvo įėjimo talpa (apytiksliai 3 pF) susideda iš kelių tiesinių ir netiesinių komponentų. Vienas iš jų – įėjimo diferencialinės kaskados lauko tranzistoriaus uždarytos p-n sandūros užtūra-santaka talpa – iš esmės netiesinis. Dirbant galios stiprintuvui ši talpa (apie 0,3 pF) intensyviai persikrauna ir, jeigu signalas sinusinis, užtūros grandinėje prateka reikšminė perkrovos srovė (sudvejinto dažnio), sukelianti operacinio stiprintuvo įėjimo grandinės elementuose atitinkamą įtampos kritimą. Susidedamas su įėjimo signalu, jis jį iškraipo. Atvesta į įėjimą antros harmonikos U₂ reikšmė, sukeliama operacinio stiprintuvo įėjimo diferencialinės kaskados talpos perkrovos proceso, kaip buvo nustatyta eksperimentiškai, gali būti įvertinta santykiu U₂=AΔRf×(U_sf/U_{sf max})², kur A=0,5×10^-12 Kl; ΔR – operacinio stiprintuvo įėjimo grandinių varžų disbalanso dydis; f – sinusoidinio signalo dažnis; U_sf – sinfazinio signalo amplitudė. Jeigu, pavyzdžiui, f=10 kHz, U_sf=U_{sf max}, ΔR=100 kOm, tai U₂=0,5 mV, o tai reiškia, kad esant 1 УЗ įėjimo signalui garso dažnių galios stiprintuvo harmonikų koeficientas, net jei nėra kitų netiesiškumo produktų, sudaro 0,05 %.

Apribojus varžų disbalansą ΔR 1 kOm ribose, tada operacinio stiprintuvo įėjimo talpų perkrovos proceso įnašo į galios stiprintuvo harmonikų koeficiento galima nepaisyti.

Principinė elektrinė galios stiprintuvo schema pateikta 1 pav.

1 pav. Principinė elektrinė galios stiprintuvo schema (padidinti)

Stiprintuvo pagrindinės techninės charakteristikos

• Nominali išėjimo galia 8 Om varžos apkrovoje 25 W
• Harmonikų koeficientas 20...20 000 Hz diapazone ne daugiau kaip 0,003 %
• Išėjimo įtampos užaugimo greitis ne mažiau kaip 40 V/μs
• Nominali įėjimo įtampa 0,7 V

Harmonikų koeficientas išmatuotas spektro analizatoriumi СК4-58, leidžiančiu registruoti iškraipymus, pradedant nuo 0,03 %. Dėl jo dinaminio diapazono praplėtimo panaudoti režektoriniai filtrai, kas leido privesti apatinę matavimo ribą iki 0,001 %. Matavimo tikslumas apsiribojo tiriamojo generatoriaus triukšmais. Realus naudoto generatoriaus Г3-102 harmonikų koeficientas neviršijo 0,003 %.

Stiprintuvo sandara

Galios stiprintuvas susideda iš dviejų kaskadų įtampos stiprintuvo (OS DA1, DA2) ir iš esmės galios stiprintuvo (VT1–VT4). Kaskados operaciniame stiprintuve DA1, DA2 maitinasi nuo identiškų šaltinių, sudarytų iš elementų VD1, VD2, R6, R7, C6, C7 ir VD3, VD4, R14, R15, C13, C14 [3]. Šių maitinimo šaltinių vidurio taškai sujungti su žemaomiu įtampos dalikliu R5R12R20, pajungtu į galios stiprintuvo išėjimą, kuo užsitikrina atsekančių potencialų padavimas į įtampos stiprintuvo kaskadas. R16C8 ir R19C10 grandinės filtruoja įtampą, maitinančią pirmas kaskadas, nuo išėjimo kaskados maitinimo grandinėse signalu sukuriamų netiesinių pulsacijų.

Kaskada operaciniame stiprintuve DA1 apimta vietiniu atgaliniu neigiamu ryšiu (R2, R4) ir stiprina signalą 10 kartų. Kadangi kaskados išėjime yra apie 1 V pastovi įtampa, kaskada atskirta nuo operacinio stiprintuvo DA2 įėjimo kondensatoriumi C5.

Antroji kaskada (DA2) kartu su išėjimo (VT1–VT4) stiprina signalo įtampą tik 2 kartus. Tokiu būdu šio operacinio stiprintuvo stiprinimo koeficientas „vartojasi“ tik į išėjimo kaskados tiesinimą. Pastaroji yra žinoma kaip lygiagretus stiprintuvas. Rezistoriai R17, R18, R25, R26 koreguoja jo amplitudinę dažninę charakteristiką aukštų dažnių srityje.

Operacinio stiprintuvo DA1 įėjimo grandinių aktyviosios varžos suderintos apie 1 kOm tikslumu, tai yra ΔR=|R3–R2||R4|≈0 (gaunasi, kad signalo šaltinis turi žemą išėjimo varžą). Taip suderintos ir antros kaskados įėjimo grandinių varžos (ΔR=|R11–R9||R13|≈0). Elementai R3, C2 sudaro žemų dažnių įėjimo filtrą su 110 kHz pjūvio dažniu. Kondensatorius C3 pagerina pirmos kaskados praėjimo charakteristiką. Elementai C4, R10 ir C9, C11, C12 koreguoja įtampos stiprintuvo amplitudinę dažninę charakteristiką.

Kaskadų stiprinimo koeficientai ir daliklio R5R12R20 perdavimo koeficientai parinkti tokiu būdu, kad sinfazinių įėjimo ir išėjimo įtampų amplitudės kiekvieno iš operacinių stiprintuvų (jų „slankiųjų“ maitinimo šaltinių atitinkamų vidurio taškų atžvilgiu) buvo lygios apytikriai ketvirčiui išėjimo įtampos amplitudės. Aprašomame galios stiprintuve amplitudinės operacinio stiprintuvo charakteristikos naudojasi mažiau kaip per pusę, tuo laiku kai įtampos stiprintuvo apribojimo lygis lygus ±50 V. Ir tai, apskritai kalbant, ne riba: pilnai realus pasirodo keturių kaskadų įtampos stiprintuvas su ±100 V apribojimo lygiu.

Kaip parodė bandymai, esant daugiau kaip ±35 V maitinimo įtampai, garso dažnių galios stiprintuvo išėjimo kaskada tampa nestabili, kadangi tranzistorių darbo taškai priartėja prie nepavojingų režimų srities ribos. Stabilizuoti galinių tranzistorių darbo režimą galima pajungus rezistorius į emiterių grandines, kaip tai pavaizduota 2 pav.

2 pav. Galinių tranzistorių darbo režimo stabilizavimo schema

Tačiau dėl tokio stabilizavimo smarkiai sumažėja galinių tranzistorių rimties srovė, kas priveda prie žymaus harmonikų koeficiento padidėjimo. Susilpninti rezistorių įvedimo pasekmes pavyko pakeitus priešpaskutinės kaskados tranzistorius į КТ814 ir КТ815 serijos tranzistorius, kurių sandūrų plotas daug mažesnis nei КТ818, КТ819 (tokiose sandūrose susidaro dideli įtampos kritimai, kas ir leidžia padidinti tranzistorių VT3, VT4 rimties srovę). Kaskadoje pagal 2 pav. schemą tranzistorių VT3, VT4 rimties srovė – 0,2 A, o viso garso dažnių galios stiprintuvo – 0,4 A. Maitinimo įtampos pakėlimas iki ±40 V padidino išėjimo galią (toje pačioje apkrovoje) iki 50 W esant harmonikų koeficientui ne daugiau kaip 0,007 ir 0,015 % atitinkamai 2 ir 10 kHz dažniuose. Nominali garso dažnių galios stiprintuvo su tokia išėjimo kaskada įėjimo įtampa – 1 V.

Stiprintuvo konstrukcija ir detalės

Stiprintuve pritaikyti kondensatoriai КМ (C2–C4, C9, C11, C12), МБМ (C1, C5, C15, C16) ir К50-6 (likusieji); rezistoriai МЛТ (R21–R24 sudaryti iš trijų 75 Om varžos rezistorių МЛТ-1). Išėjimo kaskadoje galima naudoti nurodytos schemoje serijos tranzistorius su indeksu Г (tranzistorių VT3, VT4 statinis srovės perdavimo koeficientas h21Э turi būti ne mažiau kaip 30). Įtampos stiprintuve galima pritaikyti operacinius stiprintuvus К140УД8, К544УД1, tačiau harmonikų koeficientas tuo atveju išauga apytiksliai trigubai. Stabilitronus КС515А galima keisti dviem nuosekliai sujungtais stabilitronais Д814А.

Galios stiprintuvo detalės sumontuotos ant dviejų spausdintinių plokščių iš folguoto stiklotekstolito (3 pav.): vienoje iš jų (3 pav., a) išdėstytos įtampos stiprintuvo detalės, kitoje (3 pav., b) – rezistoriai R16, R19, R21–R26 ir kondensatoriai C17, C18 (tai užkerta kelią įtampos stiprintuvo elementų kaitimui nuo šilumos, išskiriamos paminėtų rezistorių).

3 pav. Galios stiprintuvo montažinės plokštės (padidinti)

Dėl garso dažnių galios stiprintuvo patikimumo padidinimo mikroschemas DA1, DA2 reikia aprūpinti lengvais briaunotais aušintuvais su apie 8 cm² aušinančiu paviršiumi. Išėjimo kaskados tranzistoriai sustatotmi poromis (VT1 ir VT4, VT2 ir VT3), glaudžiai vienas prie kito ant radiatorių su efektyviu apie 300 cm² aušinančiu paviršiumi. Dėl išsisklaidymo, sukuriamo išėjimo kaskados srovių, sumažinimo kiekvieną tranzistorių reikia sujungti su plokšte trimis susuktais laidais. Tokius arba surištus laidus būtina naudoti ir dėl galios stiprintuvo sujungimo su išoriniais įtaisais. Kondensatoriai C19, C20 pastatomi kaip galima arčiau plokštės. Su maitinimo šaltiniu ji sujungiama per šių kondensatorių išvadus.

Maitinti abu garso dažnių galios stiprintuvo variantus galima nuo nestabilizuoto šaltinio, kurio įtampa (su apkrova) mažesnė už nurodytas schemose 10 %.

Teisingai surinkti galios stiprintuvai derinimo nereikalauja. Jų parametrai pagrinde priklauso nuo konstrukcijos racionalumo [5] ir, vadinasi, nuo radiomėgėjo patyrimo.

Papildoma literatūra

1. Карев В., Терехов С. Операционные усилители в усилителях мощности НЧ. – Радио, 1977, № 10, с. 42–43.
2. Кузнецов П., Бурмистров Ю., Валькованый А., Колесников Ю., Шадров А. „Электроника Т1-002-стерео“, – Радио, 1981, № 4, с. 32–34.
3. Агеев А. Усилительный блок любительского радиокомплекса.– Радио, 1982, № 8, с. 31–35.
4. Агеев А. Параллельный усилитель в УМЗЧ.– Радио, 1985, № 8, с. 26–29.
5. Дмитриев Н., Феофилактов Н. Схемотехника усилителей мощности ЗЧ.– Радио, 1985, № 6, с. 27–28.