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

• Прайс-лист
 
• 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 )

Продолжение.

Поскольку размах выходного напряжения ОУ при макимальном напряжении питания +-18В
ограничен на уровне около +-15В, оконечный каскад усилителя должен, кроме функции усиления тока, обеспечить еще и коэффициент усиления по напряжению 3 или более. Примем Ку по напряжению оконечного усилителя равной 6 (15.5дБ). Для чувствительности УМЗЧ по входу 1 Вольт примем Ку УМЗЧ равным 27 (28.6дБ). Тогда глубина OOC на 20кГц достигнет
                             для  TL081: 46+15.5-28.6=32.9дБ
                            для OPA134: 54+15.5-28.6=40.9дБ.
Принимая запас по устойчивости усилителя от глубины ООС 8.6дБ, получим, что граничная частота оконечного каскада должна быть не хуже 3МГц/10=300кГц для TL081 и 8МГц/10=800кГц для OPA134 (делитель 10 здесь соответсвует одной декаде по частоте).
Вопреки мнению, что для малых интемодуляционных искажений необходимым условием является расположение частоты среза усилителя без ООС F1 в районе 20кГц, мне кажется гораздо более важным обеспечить такие параметры усилителя, как скорость нарастания выходного напряжения, исходную линейность усилителя, с тем чтобы меньшее число высших гармоник сигнала появлялось в цепях ОСС, и как ни странно, достаточную глубину ООС на частотах выше 20кГц.

Какая же скорость нарастания выходного сигнала была бы достаточной для избежания интермодуляционных искажений? Предлагается простой ответ: скорость нарастания выходного сигнала должна быть большей, чем максимальная скорость нарастания входного сигнала, приведенная к выходу. Предположив худший случай: меандр на входе, со скоростью нарастания равной бесконечности, и наличие входного ФНЧ 1 порядка c частотой среза 50 кГц, просчитаем скорость нарастания такого сигнала на выходе идеального усилителя:
Максимальная скорость нарастания входного сигнала будет равна:
Vmax = 2*Ain / T, где
Ain-Амплитуда входного сигнала, примем за 1.5 вольт, (т.е. имеем меандр размахом в 3В )
Т-постоянная времени входного RC фильтра, T=1/(2*PI*f)=1/315000=3,18мксек.
Тогда Vmax = 3/3.18=0.94В/мксек
ОУ на выходе при коэффициенте усиления 10 должен будет выдать 9.4В/мксек
Полный усилитель с Kу=28дБ ( 25 раз ) соответсвенно должен быть быстрее чем
23.5В/мксек. Сразу замечу, что в предлагаемом усилителе, на реальном выходном каскаде с полосой пропускания около 1МГц, получаем скорость нарастания выходного напряжения около 25В/мксек для TL081 и около 40В/мксек для OPA134.
Сравните со скоростью нарастания выходного сигнала интегральных УМЗЧ типа TDA7294 и им подобных...( 8-13В/мксек)
Почему надо сравнивать с TDA? Да потому что одной из конечных целей является попытка разработки УМЗЧ с параметрами не хуже TDA7294, сравнимой сложности, а то и проще, если вспомнить о капризности и чувствительности микросхем к разводке печатной платы, качеству источника питания итд...и стоимостью на уровне указанной микросхемы.

Теперь поговорим о реализации выходного каскада усиления мощности.

Сразу заявляю мое решение строить выходной каскад на мощных MOSFET транзисторах типа IRF540 и IRF9540. Любители MOSFET транзисторов от Санкен и Тошибы могут использовать и их.
Параметры для                                               IRF540-n-канал ,                  IRF9540-p-канал
Напряжение Сток/Исток Макс.                   100Вольт                               -100Вольт
Мах ток Истока                                              28А                                       -19А
Импульсный ток истока                               110А                                      -76А
Макс. Мощность рассеивания                     150Вт                                    150Вт
Минимальное сопротивление канала         0.077Ом                                0.2 Ом
Напряжение открывания канала                  2...4Вольт (3.5)                     -2...-4 Вольт (-3.9 )  в скобках типовое напряжение
Крутизна усиления                                       8.7 A/Вольт при токе 17А     7 A/Вольт при токе 6А.
Входная емкость                                          1700пФ                                    1100пФ
Выходная емкость                                       560пФ                                      550пФ
Проходная емкость                                     120пФ                                       250пФ
Итак: расчитываю на достоиниства MOSFET-ов : (ламповую) линейность характеристик , температурную стабильность,
         борюсь с недостатками:
1.     комплиментарность MOSFET-ов скорее не существует чем существует...
2.     даже для одного типа транзистора допускается существенный разброс таких важных параметров, как напряжение открывания канала, так и   крутизна усиления ( хотя в моей практике транзисторы одной партии имели очень схожие параметры )
3.     емкости переходов требуют достаточной мощности предыдущих каскадов, если транзисторы должны работать с высокой частотой среза.
 
Мой вариант применения MOSFET-ов в выходных каскадах заключается в каскадном соединении эмиттерного повторителя на биполярном транзисторе и MOSFET-a по схеме с общим истоком:

при таком включении резистор R4 выбирается в пределах 200 Ц 270 Ом, меньшие значения повышают граничную частоту каскада, но требуют большего тока управления от эмиттерного повторителя. Резистор R3 ограничивает максимальную скорость открывания полевого транзистора, тем самым предотвращая сквозные токи через выходные транзисторы при перегрузках или на высоких частотах. Кроме того R3 облегчает тепловой режим эммитерного повторителя, рассеивая на себе избыток напряжения питания. Ётим достигается постоянство рассеиваемой мощности и температуры на транзисторе эмиттерного повторителя. Диод D20 используется для термокомпенсации каскада и должен иметь тепловой контакт с корпусом полевого транзистора. Резистор R2 регулирует чувствительность каскада.
В сумме, вышеописанный каскад ведет себя как источник тока управляемый током с коэффициентом усиления тока от 2000 до 8000  и током отпирания от 0.5мА до 3мА в зависимости от значения резистора R2 ( 1,5k до 820 Ом).
Тем самым, подбором резистора R2 удается выравнивать коэффициенты усиления при разбросе характеристик полевых транзисторов.
Начальный ток управления и тем самым ток покоя выходных транзисторов задается вне этой схемы в предыдущем каскаде преобразования напряжения на выходе ОУ в ток управления выходным каскадом.

Итак наступило время привести полную схему предлагаемого УМЗЧ:

Итак, вниманию читателя предлагается схема УМЗЧ, имеющая следующие (теоретические и подтвержденные моделированием в PSPICE ) параметры:
Напряжение питания: от +-30 до +-45 вольт без необходимости подстройки схемы.
выходная мощность на 8Ом нагрузку при +-45в питании:        100 Вт
выходная мощность на 4Ом нагрузку при +-45в питании:   около 160 Вт ( с ограничением  пиков выходного тока на уровне 9А )
Скорость нарастания выходного напряжения для TL081: не хуже 25В/мксек
                                                                             для OPA134: не хуже 40В/мксек.
Высокий коэффициент использования напряжения питания и низкая чувствительность к его пульсациям.
Умеренные требования к биполярным транзисторам в усилителе - достаточны танзисторы с напряжением коллектор-эмиттер равным напряжению одного плеча источника питания.
Устойчивость усилителя сохраняется при подключении параллельно нагрузке емкости до 0.5мкФ.
Коэффициенты нелинейных и интермодуляционных искажений предполагается замерить на реальном усилителе.
Оценочно КНИ не хуже 0.01%.

Усилитель встраивается у меня в корпус от Technics, и использует такие компоненты оригинального усилителя как схему защиты колонок от постоянного напряжения, катушки индуктивности для развязки УМЗЧ от емкостей в нагрузке, простой трансформаторный блок питания с 8600мкФ+10000мкф конденсаторами в каждом плече двухполярного питания.

В цепи прохождения сигнала имеется только один конденсатор, входной, С1. Вместе с входными резисторами R1,R2 он образует ФВЧ с частотой среза 7Гц. я использовал пока в качестве C1 конденсатор типа MKT. Говорят MKP был бы лучше (но дороже) Ц со временем попробуем.
ФНЧ, образованный резисторами R1,R2 и конденсатором С2, должен быть настроен на частоту 50-60кГц. Правда в схеме частота среза выходит: f=1/(2Pi*(R1|R2)*C2)=110кГц, так что увеличение C2 вплоть до 1000пФ приветствуется. Обратите внимание, что С2 участвует и в формировании АЧХ, шунтируя R1 на высоких частотах начиная с f=1/2Pi*R1*C2=55кГц (или на 25кГц, при С2=1000пФ), подьем составит при равных R1 и R2 ровно 6дБ. Собственно плохого в этом ничего нет, так так подьем происходит вне звуковых частот. Кроме того на эти 6дБ глубины OOC повышается устойчивость усилителя. Поэтому исключение C2 из схемы, скажем для тестов, приведет к обратным эффектам, и, возможно, ухудшит устойчивость усилителя.