TRANSISTOR POWER AMPLIFIER SCHEMATICS

СХЕМОТЕХНИКА ТРАНЗИСТОРНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

Как работает простой усилитель мощности (УМ)

Рассмотрим простую классическую схему, по которой было построено большинство усилителей в 60-х, 70-х годах. Данная схема приведена в книжке Атаева, Болотникова "Функциональные узлы усилителей HI FI", но по этой же схеме был построен, например, советский усилитель "Радиотехника 020".

     Он имеет следующие параметры:
     Сопротивление нагрузки - 4 Ом.
     Номинальная мощность - 50 Вт.
     Коэффициент усиления с обратной связью - 28 дБ.
     Отношение сигнал-шум (при мощности 50 Вт) - 89 дБ.
     Полоса частот в режиме малого сигнала (при 1 Вт) по уровню -3дБ - 20 Гц - 50 кГц.
     Как видно из этих данных:
     - это "медленный" усилитель;
     - его нелинейные искажения достаточно велики, а, учитывая его "медленность" можно ожидать увеличения искажений на 20 кГц до 0.2 и более %;
     - ясно, что и интермодуляционные искажения такого усилителя тоже достаточно велики.
     Что в этой схеме для чего предназначено?
     Входная цепочка из 10 мкФ, 10 кОм - обычная. Емкость - разделительная, а резистор обеспечивает на себе такое же падение напряжения из-за входного тока транзисторов дифкаскада, что и 10 кОм в цепи обратной связи, он же определяет входное сопротивление усилителя.
     Входной каскад - обычный на малосигнальных малошумящих транзисторах с большим коэффициентом усиления по току H_21e ("бета") и допустимым напряжением коллектор-эмиттер не менее 40 В.
     Цепь справа от второго транзистора дифкаскада, состоящая из резисторов 430 Ом, 10 кОм и конденсатора 50 мкФ - цепь обратной связи - определяет коэффициент усиления усилителя с обратной связью. По постоянному току он равен 1, а по переменному в звуковом диапазоне частот10/0.43+1=24 или около 28 дБ.
     Емкость на входе вместе с входным резистором 10 кОм и емкость обратной связи вместе с резистором обратной связи определяют нижнюю границу частотного диапазона усилителя, которая в данном случае высоковата.
     Вторй каскад усилителя - каскад с общим эмиттером на транзисторе КТ814В и волдьтдобавкой на емкости 100 мкФ, подсоединенной одним концом к выходу усилителя, а другим - в точке соединения резисторов по 3.9 кОм. Вольтдобавка позволяет получить больший размах выходного напряжения, но вносит свои искажения. Конденсатор 50 пФ является конденсатором коррекции "на запаздывание" и обеспечивает устойчивость, т.е. отсутствие возбуждения на высокой частоте.
     Цепочка из двух диодов D1-2 создает напряжение смещения на базах трнзисторов выходного каскада, каждое плечо которого построено на транзисторах разной проводимости, обеспечивая вместе с резисторами 0.22 Ом определенный начальный ток. Выходной каскад работает в режиме AB, т.е. начальный ток не равен нулю (в режиме B начальный ток равен нулю и выходные транзисторы закрыты в отсутствие сигнала) и существенно меньше максимальных рабочих токов.
     RC цепь с выхода усилителя на землю обеспечивает дополнительную устойчивость работы усилителя при разных нагрузках и без них.
     Объяснять, как работает дифференциальный каскад, каскад с общим эмиттером и т.д. я не буду, но в списке литературы: см. "References" - все есть.

Что можно и нужно усовершенствовать в простом усилителе?

     Между прочим, была еще более простая схема без дифкаскада на входе, но мы ее рассматривать не будем.
     Любые усовершенствования - это, как правило, усложнения, приводящие к понижнению надежности (не всегда) и увеличению стоимости. Поэтому надо ясно понимать, зачем и что делается.
     Чем нас не устраивала рассмотренная схема?
     Большие нелинейные и интермодуляционные искажения, малая полоса частот, малая скорость нарастания выходного сигнала. Последний параметр, в силу древности схемы, авторами не приводится, а знать его полезно.
     Многое лечится простой заменой старинных транзисторов в старой схеме на современные. Но теперь, когда транзисторы стоят дешево, можно внести некоторые изменения, которые приведут к хорошим результатам.
     Входной дифференциальный каскад подвергается, для начала, следующим изменениям изменениям (см. fig1):
     1) появляются эмиттерные резисторы R3, R4;
     2) вводится балансировка для установления нулевого уровня на выходе усилителя с помощью R5;
     3) резистор, служащий источником тока для дифкаскада заменяется на транзисторный источник тока (см. fig 2);
     4) нагрузочный резистор заменяется на "токовое зеркало" (см. fig 3).

     Рассмотрим эти изменения. Эмиттерные резистооры на fig 1 уменьшают коэффициент усиления какада, но при этом улучшается его линейность и расширяется его полоса усиления.
     Балансировка нужна для точной установки нуля на выходе всего усилителя. Когда в древние времена усилитель в 30 Вт считался мощным, точная балансировка усилителя не играла роли. Наличие постянного напряжения на выходе приводит к росту нелинейных искажений низкочастотной головки громкоговорителя, поэтому балансировка желательна.
     Балансировка обладает еще одним свойством: сбалансированный усилитель имеет меньший уровень нелинейных искажений.
     Ввести балансировку можно, изменяя эмиттерные резисторы и добавляя (отнимая) напряжение к напряжению эмиттер-база соответствующего транзистора (fig 1b) . Разность этих напряжений и вызывает смещение нуля на выходе усилителя. Можно изменять одно или оба нагрузочных резистора, как на fig 1c. В первом случае меняется режим транзистора по постоянному току, но снижаются искажения каскада, второй может считаться предпочтительным.
     На fig1 вместо резистора, служащего источником тока дифкаскада нарисован генератор тока в 2 мА. Генератор тока имеет бесконечное выходное сопротивление, а резистор - конечное и весьма малое: R=U/I, где U - напряжение питания (на рисунке это -U), I - требуемый ток дифкаскада. При U=40 В, I=2 mA, что является типичным, R=20 кОм. Если же использовать генератор стабильного тока (ГСТ) на транзисторе (fig2), то его выходное сопротивление при том же токе равно, примерно, U_эрли/I, где U_эрли - напряжение Эрли, равное, примерно, 200 В для NPN транзистора, как в данном случае, или 80 В для PNP транзистора. Это уже дает сопротивление в 100 кОм ( NPN транзистор). Можно схематическими ухищрениями еще увеличить это сопротивление, но, в общем-то, и этого достаточно.

На fig 2 показаны три возможные схемы для построения генератора стабильного тока. На fig 2b показана стандартная схема. Резистор R с диодом и правым резистором 1 кОм образуют делитель напряжения, задающий режим транзистора вместе с левым резистором 1 кОм, т. е. ток ГСТ. Без диода можно было бы обойтись, но он компенсирует изменение напряжениа эмиттер - база транзистора при изменении температуры, а следовательно, и температурную нестабильность тока ГСТ. На fig 2c диод и правый резистор заменены стабилитроном, но применение стабилитрона таит в себе некоторые опасности: при низких токах стабилитрон начинает сильно шуметь, и температурный коэффициент стабилитрона может иметь не тот же знак, что и напряжение эмиттер - база транзистора. На fig 2d покаазан ГСТ на полевом транзисторе. Он очень прост, но резистор R со звездочкой нужно подбирать для каждого экземпляра транзистора. Трудно, также, найти полевик с допустимым напряжение сток - исток больше 30 В, а оно должно быть больше напряжения питания. Есть еще широко применяемая схема на двух транзисторах, но она здесь не показана.
Зачем вообще нужен ГСТ? Он уменьшает коэффициент влияния истчника питания или коэффициент ослабления пульсаций и коэффициент усиления синфазного напряжения. Это все термины из описаний параметров операционных усилителей (ОУ), а для усилителя мощности, которые, в подавляющем большинстве случаев являются мощными ОУ, включеннми по схеме неинвертирующего усилителя переменного тока, это приводит к уменьшению интермодуляционных искажений.

     Зачем нужно "токовое зеркало", изображенное на fig 3?
     Оно позволяет увеличить коэффициент усиления каскада за счет двух факторов:
     - замены нагрузочных резисторов наа "динамическую нагрузку", сопротивление которой считается так же как и выходное сопротивление ГСТ на биполярном транзисторе;
     - возможности замены дифференциалььного выхода на недифференциальный путем сложения токов, что дает возможность присоединения его к недифференциальному входу второго каскада УМ и увеличивает коэффициент усиления в 2 раза.
     На fig3 приведена еще одна схема балансировки усилителя, применяемая для балансировки большинства ОУ.
     Зачем увеличивать коэффициент усиления каскада? Он был снижен эмиттерными резисторами для повышения его линейности, а для обеспечения необходимой глубины обратной связи коэффициент усиления каскада с резистивной нагрузкой получается маловат.
     На fig 1, 2, 3 показан каскад на NPN транзисторах, а в схеме "простого усилителя" наверху страницы использован каскад на PNP транзисторах. Это вызвано историческими причинами. Второй каскад усилителя должен строиться на транзисторах обратной проводимости по отношению к первому. Раньше трудно, а в СССР - невозморжно было найти высоковольтный PNP транзистор с хорошими частотными свойствами. А транзистор второго каскада должен "держать" удвоенное напряжение питания. Поэтому второй каскад делали на NPN, а первый - на PNP транзисторах. Сейчас это абсолютно все равно, даже для России, в которой так и не выпускаются высоковольтные высокочастотные комплементарные пары транзисторов, но КТ940 (NPN) и КТ9115 (PNP) сойдут за такую пару.
     Ну и, наконец, вариант двухтактного дифференциального каскада (симметричного) изображен на fig 4.

     Он позволяет симметрично раскачать второй каскад усилителя и, таким образом, повысить его коэффициент усиления без обратной связи в 2 раза. Правда, правые по схеме нагрузочные резисторы обычно оказываются не нужны. Такой каскад имеет намного меньший входной ток, т. к. базовые токи транзисторов с разной проводимостью взаимно компенсируются. Если транзисторы подобраны идеально, то через входной резистор, подсоединенный ко входу 1, и резистор обратной связи, подсоединенный ко входу 2, ток вообще не течет, и поэтому они могут принимать разные значения. А на схеме "простого усилителя" они равны. Правда, если уж на то пошло. входной резистор должен бы равнаться 20 кОм, а не 22 кОм, как на схеме, так как через резистор 2.2 кОм, неизвестно для чего там стоящий, базовый ток тоже течет. Вся эта возня с входными токами и подбором транзисторов по коэффициенту бета нужна для уменьшения напряжения смещения на выходе усилителя.
     Рассмотрим теперь, что можно сотворить со вторым каскадом. Для начала, нужно отметить, что рассматриваемые усилители во многом повторяют схемотехнику ОУ и представляют собой двухкаскадную схему с гальваническими связями. В принципе, существуют и трехкаскадные схемы, как УМ, так и ОУ. Но из двухкаскадной схемы в настоящее время можно выжать все, что необходимо, и здесь мы их рассматривать не будем. Под количеством каскадов понимается количество каскадов, усиливающих напряжение, поэтому выходной эмиттерный повторитель, присутствующий во всех УМ и имеющий коэффициент усиления менее 1, здесь не учитывается.
     Второй каскад усилителя в начале страницы представляет собой каскад с общим эмиттером и резистивной нагрузкой с вольтдобавкой (конденсатор 100 мкФ). Конденсатор 100 пФ служит для коррекции "по запаздыванию" - т. е. для обеспечения устойчивости усилителя: отсутствия самовозбуждения при замыкании контура обратной связи. Существуют и другие виды коррекции, например "по опережению"
     Два диода 1N4001 служат для подачи на базы транзисторов выходного каскада напряжения смещения и перевода его в режим АВ.
     На fig 5a показан типичный каскад более современного усилителя. Т1 здесь усилительный транзистор. Между его эмиттером и +U включен резистор местной обратной связи, которая уменьшает коэффициент усиления каскада и его нелинейные искажения и увеличивает его входное сопротивление, что увеличивает коэффициент усиления предыдущего каскада. Т2 - генератор стабильного тока, представляющий собой "динамическую нагрузку" для Т1. Такая нагрузка позволяет:
     - увеличить коэффициент усиления ккаскада, т. к. динамическое сопротивление ГСТ больше сопротивления соответствующего резистора в резистивной нагрузке;
     - увеличить размах выходного напряяжения без применения вольтдобавки;
     - сделать выходное напряжение болеее симметричным при максимальных уровнях сигнала, т. е. снизить нелинейные искажения.

     Естественно, что ГСТ может быть выполнен по любой из приведенных на fig 2 или другой схеме. Надо только учитывать, что и Т1 и Т2 должны выдерживать двойное напряжение питания.
     Два резистора и Т3 заменяют простейший генератор напряжения смещения на двух диодах. Такая схема имеет много преимуществ перед диодной. Она позволяет регулировать напряжение смещения, если заменить нижний резистор на цепочку из резистора и подстроечного резистора. Такая регулировка нужна для установки начальног тока выходного повторителя. Эта схема позволяет получить напряжение смещения, достаточное для выходных повторителей, построенных по разным схемам и на разных типах выходных транзисторов (биполярных и полевых). В случае с диодами могло потребоваться очень много диодов, которым надо обеспечивать тепловой контакт с выходными транзисторами для обеспечения температурной стабильности начального тока. Один транзистор легче прикрепить на радиатор выходных транзисторов, чем кучу диодов.
     Иногда между коллектором и эмиттером транзистора Т3 включают емкость в сотни нанофарад. Это может слегка уменьщить нелинейные искажения.
     Конденсатор С1 - корректирующий.
     На fig 5b показан каскад, который "раскачивается" симметрично, что снижает нелинейные искажения при больших уровнях и увеличивает коэффицмент усиления каскада в 2 раза. Это симметричная двухтактная схема. В качестве первого каскада для нее можно применить каскад, изображенный на fig 4. В схеме два корректирующих конденсатора: С1 и С2.
     Транзистор Т1 на fig 5a можно заменить на схему на fig 5c, где на Т4 построен эмиттерный повторитель для лучшего согласования с первым каскадом путем увеличения входного сопротвления второго каскада. Хтя применения этого повторителя, как правило, удается избежать.
     Уже упоминался параметр "скорость нарастания выходного сигнала". Для её повышения применяют каскодную схему. Два варианта второго каскада УМ с применением каскодной схемы показаны на fig 6.

     На fig 6a показана схема аналогичная схеме на fig 5a, а на fig 6b - аналогичная fig 5b - двухтактная.
     Собственно, каскод образован двумя транзисторами: Т1 и Т4 (и Т2 и Т5). Т1 включен по схеме с общим эмиттером, а Т4 - по схеме собщей базой. Кроме лучших частотных свойств такая схема обладает еще одним преимуществом: транзистор Т1 в ней может быть маломощным транзистором с высоким бета и невысоким допустимым напряжением коллектор-эмиттер, а Т4 высоковольтным средней мощности. Такие транзисторы, как правило, имеют низкий бета. Таким образом, входное сопротивление каскада увеличивается за счет высокого бета Т1 и можно не применять дополнительный повторитель, как на fig 5c. Такя схема имеет недостаток: ее максимальное выходное напряжение имеет меньший размах, чем у схем на fig 5, что снижает кпд усилителя. Если использовать раздельное питание каскадов усиления напряжения и выходного повторителя, то, выбрав напряжение питания первых на несколько вольт побольше, можно избавиться от этого недостатка.
     Цепи смещения Т4 и Т2 на fig 6a совмещены, что дает возможность не пропускать ток по земляной шине и сэкономить один резистор. к базе Т4 от источника +U идет цепочка из двух диодов и резистора. Два диода выбраны, так как нужно компенсировать температурный коэффициент двух переходов эмиттер-база: Т1 и Т4. Резистор нужен для выбора необходимого рабочего напряжения каскодной схемы. Если применить два светодиода, обладающих таким же изменением напряжения от температуры: 2 мВ на градус Цельсия, как обычный диод, но прямым падением не 0.6 В, а 1.2 - 1.8 В в зависимости от цвета, то их иожет быть достаточно для образовния цепи смещения, и резистор не нужен (см. fig 6b).
     На fig 7 показан вариант первого каскада с использованием каскодной схемы.

     Кроме некоторого улучшения частотных свойств такая схема может пригодиться при использовании низковольтных малошумящих транзисторов в качестве входных: Т2 и Т4. Если нагружено одно плечо, каскод можно использовать только в нем, но тогда оба входных транзистора должны "держать" напряжение питания.
     Рассмотрим выходые каскады. Они показаны на fig 8.
     На fig 8a показан комплементарный двухтактный эмиттерный повторитель на сдвоенных транзисторах: схема Дарлингтона. Она полностью симметрична, если комплементарные пары, действительно, имеют одинаковые параметры. Единственное отличие этой схемы от классической состоит в том, что использован один резистор между базами Т1 и Т2 - R1 вместо двух, каждый из которых соединен одним концом с эмиттером "своего" транзистора, а вторым - с выходом. Кроме простоты эта схема лучше из-за лучших условий переключения транзисторов Т1 и Т2 и, соответственно меньших переходных искажений.
     На fig 8b показан схема на транзисторах разной проводимости - схема со следящей обратной связью. Она имеет некоторые преимущества: между нагрузкой и входом находится один переход эмиттер-база, а не два, как в предыдущем случае, и, соответствннно, больше размах напряжения на нагрузке. Правда есть некоторый технологический недостаток. Обычно коллектор мощного транзистора соединен с корпусом, который прикреплен к радиатору. Транзисторы одного плеча (например Т1 и Т3) на схеме fig 8a можно посадить на один радиатор без изолирующих прокладок, которые ухудшают температурный режим транзистора, а в схеме на fig 8b - нельзя.
     На fig 8b показаны сдвоенные выходные транзисторы Т3 - Т5 и Т4 - Т6. Такое запараллеливание выходных транзисторов применяется в мощных усилителях, так как на одной паре самых мощных транзисторов трудно сделать усилитель мощнее 100 Вт. Вариант этой схемы с одной парой выходных транзисторов применен в "простом усилителе" в начале страницы.

     На fig 8c показана квазикомплементарная схема, которая была широко распространена, когда отсутствовали мощные PNP транзисторы. Она представляет собой гибрид Дарлингтона в одном плече и схемы со следящей обратной связью и, поэтому, принципиально несимметрична. Диод D1 и R4 служат для улучщения симметрии каскада.
     Существуют схемы не с двойками, а с тройками транзисторов, но они применялись, когда характеристики транзисторов были достаточно плохими, и коэффициентов усиления по току двух транзисторов не хватало, чтобы обеспечить необходимый выходной ток усилителя и входное сопротивление повторителя, достаточное для работы второго каскада усилителя.
     Существуют выходные каскады усилителей, которые усиливают напряжение, превращая его схему в трехкаскадную. Возможно, когда-нибудь дйдут руки и до них.
     Не рассмотрены выходные каскады и на приборах других типов MOSFET, IGBT, но рассмотренных возможностей хватит для создания "крутого" усилителя.