• О магазине
 
• Как купить
 
• Адреса магазинов
 
• Оптовые продажи

• Статьи, схемы и программы
 
• Отзывы
 
• Фотогалерея

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на операционных усилителях (ОУ) и MOSFET-ах

( Sergej Schulz, Jul 2003 , отзывы на amp@users.itmr.net )

Вступление.

Начитавшись русских страниц Интернета о построении самодельных УМЗЧ соперничающих по мнениям авторов и, реже, независимых экспертных комиссий с грандами западной электронной индустрии решил и я тряхнуть стариной, и утешить свой слух каким либо самопаянным монстром. Для этого был по случаю за 25И приобретен сгоревший Technics из расчета на восстановление и дальнейшее использование вместе с компьютером для озвучивания близлежащих помещений. Но последовательные попытки обойтись малой кровью к счастью или несчастью потерпели неудачу, а потому проект разросся до того, о чем пойдет речь ниже.

А) Попытка отремонтировать Technics потерпела неудачу, так как вышеописанный усилитель не сгорел по собственной воле, а был  целенаправленно доведен до такого состояния каким то горе-твикером, обрезавшим все «земли» по входам усилителя, из-за чего скорее всего из-за самовозбуждения "поджарилась"  интегральная сборка усилителя мощности.

Б) Вторая попытка, перевести все хозяйство на TDA7294 была обречена на неудачу, из-за высокого напряжения источника питания:+-45 вольт на холостом ходу. C другим трансформатором схема на TDA7294 была таки запущена, показала себя неплохо, за исключением того, что при включении в стерео варианте появлялся зудящий фон, хотя при отключении любого из двух входов оставшийся канал вел себя прекрасно. При отсутствии осциллографа проблема была списана на неправильную разводку земли, но до новой печатки не дошло Ц лежащий прахом японский трансформатор не давал покоя.

В) Попытки соорудить усилитель от Гумели на базе ОУ TL081 кроме сгоревших выходных транзисторов принесли горькое признание о непригодности TL081 к такой схемотехнике: в моменты перегрузок ОУ изволит потреблять ток по обоим плечам питания, чем вызывает сквозной ток через выходные транзисторы с фатальными последствиями.

Г) созревши для своего собственного детища, я решил выцепить из доступных схем все лучшее, но желательно попроще. 
Так родился "первый вариант" того усилителя, модифицированный вариант которого предлагается всем желающим для повтора в этой статье.
Основное  отличие "первого варианта" заключалось в том, что ОУ подавал сигнал на эмиттерные повторители, которые практически тем самым умощняли сигнал, далее сигнал поступал на каскады с ОБ , превращался ими в ток, который в свою очередь создавал на резисторах в затворах полевых транзисторов управляющее напряжение. ( Похоже на каскад, стоящий после ОУ в усилителе Сухова, только в симметричном варианте.) Усилитель был спроектирован с помощью Демо-версии PSPICE и заработал что называется с полпинка. Его достоинством было  Ц полное отсутствие «сильноточной земли», хорошая устойчивость, позволявшая налаживание с полуметровыми проводниками питания.
Недостатками были трудности по термостабилизации из-за значительного тока потребления предвыходными каскадами: 800мВт на каждом транзисторе x8 равнялось 7Вт тепла, требовавшего  своего радиатора для всех биполярных транзисторов в схеме.
Танцы с бубном против термических проблем стоили жизни одному из полевых транзисторов. На том вариант был похоронен. Но скажем честно, музыку он играл чисто вплоть до максимальной мощности.

Д) Тут в голову стукнула идея Ц поменять местами каскады эмиттерного повторителя и каскада с ОБ. Не мучаясь скромностью Ц это было гениально. Правда теперь ток эмиттерного повторителя не имело смысла тащить до противоположного плеча питания усилителя, легче было сбросить на "землю". Попутно этот же ток обеспечил напряжение питания ОУ. Поставив последовательно туда же транзистор-ключ, получим легкую возможность введения в УМЗЧ standby-режим Ц но это я придержу для многоканального усилителя для домашнего театра. Недостаток Ц наличие сильноточной земли ( если ток эмиттерных повторителей до 60мА в паре можно назвать сильным ) и все же было решено бросить для этой земли свой проводник с общей точки источника питания. Все прекрасно, усилитель показывает в PSPICE великолепные результаты, разведена печатная плата, помаленьку распаиваются детали. Но хроническая нехватка времени тормозит проект, а интернетские хайфайщики что-то в последнее время скучают от отсутствия тем. Вот и решил я выложить свой проект на всобщее обозрение, хотя и нет пока моего героя "в железе". Ну в самом деле «Высоколинейный усилитель» от Агеева решится повторять только настоящий фанат, а перемалывать косточки более старым проектам от Сухова, Агеева, Солнцева, Сырицо по-маленьку надоедает.
Цель моей статьи прежде всего дать возможность желающим повторить эту конструкцию, а мне услышать отзывы прежде всего от людей, владеющих измерительными приборами. После доводок в смысле печатной платы, инструкций по налаживанию, надеюсь, схема станет легко повторяема и станет хорошим выбором для тех, кто думает пока только об интегральных УМЗЧ, типа TDA7294.

Немного из классики по теории устойчивости усилителей с ООС

( на ум приходят статьи Майорова из журнала «Радио» конца 70-х. ).

Итак, усилитель, еще не охваченный ООС, характеризуется ломаной коэффициента усиления А с частотами среза F1,F2, при этом начиная с частоты F1 фазовый сдвиг на выходе достигает 90°, а с частоты F2 - 180°. Прямая Б есть коэффициент усиления усилителя с обратной связью. При этом расстояние от Б до оси X покажет коэффициент усиления с OOC, а расстояние между A и Б - глубину обратной связи. Условие устойчивости усилителя состоит в том, чтобы частота F3, как точка пересечения A и Б находилась между F1 и F2. F2Т Ц обозначенная красным цветом показывает случай неустойчивого усилителя, такое может случится например, когда в усилитель вводится каскад усиления с частотой среза F2Т<F2. Уменьшение глубины обратной связи сдвинет частоту F3 влево, и при F3<F2Т имеем опять устойчивый усилитель. То есть глубиной ООС мы завязываемся на требуемую широкополосность усилителя.
Например усилитель без ООС, с частотой F1=20кГц, Ку=120дБ, условие абсолютной устойчивости требует, чтобы на частоте F2 Ку был равен 1 или 0дБ.
Вопрос: Чему равна частота F2?
Ответ: 120дБ / 20дБ/дек = 6 декад. F2=F1*10^6=20ГГц.
Неплохо, правда?

Теперь Вопрос №2: Если наш усилитель с помощью ООС приведен с Ку=120дБ до Ку=30дБ, какова минимальная частота F2, при которой усилитель сохраняет устойчивость?
Ответ: (120дБ-30дБ) / 20дБ/дек = 4.5 декад. F2=F1*10^4.5 = 632 МГц.
Скажем по сравнению с 20ГГц-Усилителем это что-то более похожее на УМ звуковой частоты?

Ёти вопросы должны помочь пытливому читателю лучше понимать рекламу изготовителей УМЗЧ.
Читаем в рекламе: УМЗЧ имеет глубину ООС на частоте 20кГц скажем 60дБ, имеет собственный Ку=30дБ. Спрашиваем сами себя Ц какова граничная частота выходных транзисторов в таком усилителе, если мы уверены, что частоту F1 задает не выходной каскад?
Ответ: Частота Fвых соответствует частоте, где глубина ООС снижается до 0дБ.
       Fвых > 20кГц*10^(60/20 )=20МГц. Или с запасом по устойчивости 6дБ
       Fвых > 40МГц
Посмотрите пожайлуста по схеме Ц какие транзисторы используются и в каком включении.
Поищите подобные транзисторы в справочниках ( иронически ).
Если уважаемый мной Агеев обещает в своем сверхлинейном усилителе глубину ООС в 80дБ на частоте 20кГц, это означает, что через четыре декады глубина ООС дойдет до 0дБ, и лишь тогда выходным транзисторам разрешается вращать фазу. А произойдет это на частоте
20кГц*10000=200МГц. Поправьте меня, если я не прав.

Еще немного о структуре УМЗЧ c глубокой ООС.
Классический УМЗЧ состоит из входного дифференциального каскада, каскада усиления напряжения и выходного каскада усиления тока. Задача распределить частоты среза покаскадно: Чаще всего частота среза F1 вручается каскаду усиления напряжения. Причина тому, что каскад усиления напряжения работает зачастую как управляемый источник тока и паразитные емкости и входные емкости выходного каскада делают частоты среза в десятки мегагерц  простыми методами просто недостижимыми.
Итак роли распределены:
скажем для F2=3MHz входной дифкаскад должен иметь частоту среза выше чем 3MHz, каскад усиления напряжения ограничивает полосу пропускания усилителя без ОС до F1=20KHz, выходной усилитель тока определяет частоту F2=3MHz.И все бы ничего, но тут появляется проблема динамических искажений, которая проявляется в том, что при резком изменении входного сигнала сигнал на выходе усилителя просто запаздывает. Тем самым сигнал обратной связи в этот момент отсутствует, и входной каскад перегружается тем сильнее, чем глубже OOC усилителя. Решение проблемы здесь:
1.     Увеличение частоты F1, что расширяет полосу пропускания усилителя без обратной связи.
2.     увеличение перегрузочной способности входного каскада чаще всего увеличением тока покоя и/или введением местной обратной связи.
Вот тут радуются поклонники изготовления усилителей на дискретных элементах: им руки развязаны как в п1. так и в п.2. А как же быть с использованием операционных усилителей в схемотехнике УМЗЧ?

Мое мнение:
F1 < 20кГц не критично, важнее достаточный Ку на частоте 20кГц и скоростные характеристики ОУ.
Против динамических искажений поможет правильный выбор ОУ прежде всего по параметрам как максимальная скорость нарастания                 выходного сигнала и граничная частота полного размаха сигнала на выходе.

Часть вторая, почти без теории.

Построим УМЗЧ с использованием ОУ на примере таких ОУ как TL081 от Texas Instruments и OPA134 от Burr-Brown. При этом полагаем построение на TL081 нормальной версии усилителя и на OPA134 "Люкс"-версии. ( Конечно бывают ОУ и получше, но меня пока вышеназванные устраивают).

Характеристики ОУ, важные для проектирования УМЗЧ:
 

	TL081	OPA134
Уровень гармонических искажений при нагрузке 2кОм и Ку=1	0.003%	0.00008%
Скорость нарстания выходного напряжения	13В/мксек	20В/мксек
Гр.частота полного размаха сигнала на выходе	100кГц	250кГц
Граничная частота усиления	3МГц	8МГц
Макс. коэффициент усиления без ООС	106дБ	120дБ
Частота среза F1	20Гц	8Гц
Коэффициент усиления без ООС на 20кГц	46дБ	54дБ

далее