Еще немного схемотехники

     В статье "Влияние схемотехники на параметры усилителей мощности" описаны некоторые схемы, применявшиеся изготовителями транзисторных усилителей мощности. Здесь добавлено еше несклько схем, которые представляют некоторый интерес. Так что это как бы третья часть упомянутой статьи. Возможно появятся и другие (части). Схем-то человечество налепило достаточно!
     Все схемы смоделированы с помощью программы Electronics WorkBench (EWB) и не предназначены для механического повторения.
     Все схемы - как и раньше неинвертирующие, хотя инвертирующее включение имеет некотрые преимущества.
     Каждая последующая схема является, как и раньше, развитием предыдущей или одной из предыдущих. При этом, для наглядности коэффициенты усиления с ОС всех схем равны 100/3+1=34.33. Напряжения питания везде 50 В, кроме третьей, где напряжение питания равно +_30 вольт.
    

схема с двумя дифкаскадами

     В принципе таких схем может быть несколько вариантов, например примененная, по-моему, Шушуриным, по-моему в "Амфитонах" и описанная в каком-то "Радио". Но давно это было! Тот Шушурин, по-моему, в Америке ваяет усилители на собственной фирме. Хотя, может, я ошибаюсь и не Шушурин это вовсе и не в "Амфитонах", а какой-нибудь Пупкин или Смит.
     Из картинки видно, что первый каскад уже был описан. Второй каскад предсталяет собой дифкаскад с токовым зеркалом и отличается от обычного тем, что не имеет общего резистора, служащего генератором тока (задающего ток дифкаскада). По сути, это два каскада из схемы "с каскодным соединением транзисторов во втором каскаде". Что дает такая схема? У нее в четыре раза больший коэффициент, чем у "схемы с динамической нагрузкой во втором каскаде", так как первый резистивный каскад полностью включен обоими плечами, а токовое зеркало второго обеспечивает использование усиления левого плеча второго каскада. Кроме того, такой каскад может обеспечить теоретический максимальный выходной ток равный сумме начальных токов обоих плеч каскада. Из этого следует, что последние можно сделать в 2 раза меньшими, чем в вышеописанных схемах. При этом уменьшится в 2 раза мощность, рассеиваемая транзисторами второго каскада Q44, 46, 26, 28. Естественно, что возможен и вариант схемы без каскодов в первом и втором каскадах.
     На рисунке показаны АЧХ и ФЧХ усилителя без ОС:

     Входное напряжение - 1 мВ (амплитуда). Коэффициент усиления без ОС больше 10 000. Первый излом АЧХ находится в районе 30 кГц. И это хорошо! А плохо было бы, если бы в районе 3 кГц или не к ночи будь помянуто - где-нибудь в районе сотен герц, как у типового операционника.














     Далее показаны АЧХ и ФЧХ усилителя с ОС:

     Как видно, схема устойчива.
     Схема имеет коэффициент нелинейных искажений на 1 кГц при амплитуде входного напряжения 0.7 В (примерно 40 Вт на 8 Ом) 0.043%, на 20 кГц - примерно 0.16%. (начальный ток выходных транзисторов - примерно 140 мА). На рисунках ниже показаны спектры гармоник для этих случаев:














    

трехкаскадная схема с дифкаскадами

     Подобная схема применялась фирмой "Электрокомпаниет", а первоначально была разработана Оталой в 1973 году. Надо отметить, что вся схемотехника транзисторных усилителей мощности была разработанав семидесятых годах. Интересный сайт бывшего работника этой норвежской фирмы со схемами: www.home.sol.no/~tersands/schematics.htm см [LINKS].
     Подобная схема применялась в усилителе ВА-6000 фирмы Фишер начала 80-х годов, описанном в книжке Прокофьева, Пахарькова "Зарубежная бытовая радиоэлектронная аппаратура" - "Массовая радио-библиотека", выпуск 1119, "Радио и связь" Москва, 88г.
     Здесь представлен некий гибрид этих двух схем. В схеме применена коррекция на опережение всех трех каскадов, как это сделано у "Электрокомпаниета", но скорректировать до полной устойчивости схему я не смог, поэтому в третьем каскаде применена обычная коррекция на запаздывание. Не показан разделительный конденсатор в цепи ОС или схема поддержания нуля на выходе, как в предыдущем случае, но это сделано просто, чтобы не перегружать рисунок.
     На рисунке показаны АЧХ и ФЧХ усилителя без ОС:

     Входное напряжение - 10 мкВ (амплитуда). Видно, что схема должна быть относительно устойчива. Коэффициент усиления без ОС чуть меньше 100 000. Первый излом АЧХ находится в районе 7 кГц. Это не так здорово, как в предыдущей схеме, но учитывая коэффициент усиления без ОС - вполне достойно! Уменьшив коэффициенты усиления первого и второго каскадов, как это сделано у Электрокомпаниета, можно добиться, чтобы гладкая АЧХ без ОС продолжалась за пределы звукового диапазона, но тогда соответственно повысятся нелинейные искажения.








     Далее показаны АЧХ и ФЧХ усилителя с ОС:

     Как видно, схема устойчива. Добиться этого на реальной схеме будет очень сложно.
     Схема имеет коэффициент нелинейных искажений на 1 кГц и 20 кГц при амплитуде входного напряжения 0.7 В (примерно 40 Вт на 8 Ом)0.0055 и 0.0054%. Замечательный результат! Коррекция на опережение, однако! Начальный ток выходных транзисторов, как и раньше - примерно 140 мА.
     Интересно, какой к.н.и. на 100 кГц? А 0.0056%! На рисунках ниже показаны спектры гармоник для 1 и 20 кГц:














     Отметим, что коррекцией на опережение можно существенно расширить полосу усиления и также сильно снизить к.н.и. на высоких частотах. Все предыдущие схемы страдали высокими искажениями на 20 кГц.
    

еще одна схема с двумя дифкаскадами и некомплементарным выходом

     Данная схема имела место быть, когда не было комплементарных пар мощных выходных транзисторов, т. е. в эпоху "развитого социализма", Аллы Пугачевой и когда пределом мечтаний были КТ808 (это транзисторы такие). Варианты подобных схем описаны в "Радио" и "В помощь радиолюбителю" (такие сборнички выходили в 70-х и 80-х годах). По-моему, первую опубликовал Акулиничев, но придумал ее наверняка не он. Могу ошибаться - давно это было.
     К этой схеме замечание о том, что она не предназначена для механического повторения, а приведена в качестве пищи для размышлений относится в особой степени. Эта схема в приведенном виде не термостабильна. Как с этим борться - ниже.
     Из картинки видно, что первый каскад уже был описан. Можно применить и обычный дифкаскад с резистивной нагрузкой. Второй каскад представляет собой дифкаскад с резистивной нагрузкой, правда, подключенной к разным шинам. В этом вся хитрость, которая и позволяет применить в выходном каскаде транзисторы одинаковой проводимости. Транзистор Q44 можно в принципе выбросить. Он служит для выравнивания напряжений на коллекторах транзисторов Q45 и Q20 в режиме покоя. Второй каскад имеет малый коэффициент усиления из-за малых номиналов нагрузочных резисторов R23, R73, что связано с обспечением нужного начального тока выходного каскада.
     На рисунке показаны АЧХ и ФЧХ усилителя без ОС:

     Входное напряжение - 1 мВ (амплитуда). Коэффициент усиления без ОС всего 3250. Первый излом АЧХ находится в районе 44 кГц. И это хорошо! И без всяких усилий!




















     Далее показаны АЧХ и ФЧХ усилителя с ОС:

     Как видно, схема устойчива.
     Схема имеет коэффициент нелинейных искажений на 1 кГц при амплитуде входного напряжения 0.5 В 0.041%, на 20 кГц - примерно 0.15%. (начальный ток выходных транзисторов - примерно 167 мА). Если выбросить Q44, эти цифры равны 0.06 и 0.14%. На рисунках ниже показаны спектры гармоник для этих случаев:
     И теперь, почему схема не термостабильна и как с этим бороться.
     Причин этому две.
     Первая - ток второго дифкаскада контролируется только резистором малого номинала: R68. Это свойство всех схем с двумя дифкаскадами. Увеличить этот резистор можно только за счет запитывания его от дополнительного более высоковольтного источника (вольт в 40). Тогда можно использовать генератор тока на транзисторе.
     Убрав температурную нестабильность тока второго каскада, проблему мы не решим. Вторая причина нестабильности в том, что режим выходных транзисторов не контролируется никаким способом, что неизбежно приведет к саморазогреву. Для введения такого регулирвания необходимо управлять током первого или второго дифкаскада в зависимости от температуры выходных транзисторов. Недостаток этого - изменение режима всех (в первом случае) или почти всех транзисторов и, соответственно, изменение их частотных параметров. Схема подходит для режима А в выходном каскаде. При этом можно обеспечить очень жесткую стабилизацию тока выходного каскада, просто поддерживая его среднее значение на нужном уровне какой-нибудь схемой сравнения.





     Как уже указывалось, малый коэффициент усиления второго каскада и всей схемы определяется малыми номиналами резисторов R23, R73,примерно равных сумме напряжений эмиттер-база пары выходных транзисторов, поделенной на половину начального тока второго дифкаскада. Если заменить выходные транзисторы на МОП транзисторы, то их рабочее напряжение затвор-исток больше и номиналы этих резисторов можно поднять раза в два, а с ними и коэффициент усиления. Такая схема приведена у "австралийсого товарища":   www.vision.net.au /~anthony - the "D.I.Y. amplifier page"
     В заключение переведем усилитель в режим А (ток выходного каскада - 5.09А, резисторы R23, R73 равны 470 Ом, конденсатор коррекции С12 - 300 пФ, добавлены корректирующие конденсаторы с баз на коллекторы Q45 и Q 20, равные 20 пФ). Нелинейные на частоте 1 кГц упали до 0.017%, правда, на 20 кГц они равны 0.17%.