Представляем Вашему вниманию перевод статьи, посвященной мощному усилителю класса А категории HI-END: F5 от замечательного разработчика Нельсона Пасса. В статье описан принцип работы усилителя плюс небольшой учебный материал для новичков.

Опубликовано в AudioExpress, май 2008

Автор Нельсон Пасс (Nelson Pass)

Перевод Нечаев Павел для www.mariolla.com

Введение

Многие из вас знают, что First Watt посвящен исследованию качества простых маломощных усилителей. Исходя из результатов исследовательской работы, за прошлые четыре года были разработаны пять усилителей, которые произведены в ограниченных количествах.
F1 и F2 демонстрируют возможность работы источника тока с однокаскадным усилителем класса А без обратной связи. Aleph J использовал JFET транзисторы для предварительного каскада и две ступени несимметричного усилителя класса А. В F3 достигнуты очень низкие искажения, используя мощные JFET в однокаскадной, несимметричной схеме класса А. F4 показал, что усилителю не обязательно требуется усиление по напряжению.
Документ посвящен F5. Нам хотелось расширить границы качества несложных двухкаскадных двухтактных FET усилителей класса А.

Краткие сведения о FET усилителях

Одна из целей данной статьи состоит в том, чтобы заинтересовать людей создавать усилители, поэтому данное учебное пособие предназначена для новичков. Часть этого материала я описал ранее («The A75», Audio Amateur 04/1992), но это было 15 лет назад, и возможно будет полезно еще раз его повторить. Вообще, все мои труды за 31 год вы можете найти на этом сайте www.passdiy.com.

Я предполагаю, что вам знакомы такие понятия как напряжение, ток и сопротивление. Если Вы уже знаете о принципах действия FET, можете смело пропустить эту главу.
На рис. 1 изображен N-канальный FET-транзистор, как «черный ящик» из квантовой механики с тремя выводами. Это устройство функционально сравнимо с вентилем, допустим с водопроводным краном. На рисунке сток (D) транзистора подключен к питанию, по аналогии – как кран к водной магистрали под давлением. Можете себе представить трубу проводом, а бак с водой - батареей или заряженным конденсатором.

Fig1

Рис. 1. Аналогия полевой транзистор-водопроводный вентиль

В продолжение метафоры – напряжение питания это давление воды, а сама вода – электрический ток. Исток (S) транзистора представляется выходом крана. Затвор (G) это вывод контроля, как ручка на вентиле, который позволяет контролировать количество тока через транзистор от стока к истоку. Для транзистора, такой функциональный контроль осуществляет напряжение между выводами затвора (G) и истока (S). Для N-канального транзистора, повышение напряжения на затворе напрямую соответствует росту протекающего тока через исток.

Да, я знаю, что некоторые из вас думают, что исток (S) должен быть наверху, а сток (D) напротив – внизу, но это не так. Вам сразу же не захочется прибегать к квантовой механике, если Ваши познания в ней ограничены.

Идея контроля тока через FET-транзистор напряжением между затвором и истоком напоминает идею ключа, и если Вы это усвоили, мы можем оставить водопроводные сравнения позади.

FET-транзисторы бывают различных типов. N-канальные и P-канальные. JFET и MOSFET транзисторы различны по напряжению, силе тока, мощности и процессах в полупроводниках. Но, тем не менее, ток от стока к истоку контролируется напряжением между затвором и истоком.

FET-транзистор это трехвыводное устройство, и пути для усиления у него тоже три. Рис. 2 отображает их на примере N-канального транзистора:

Fig2

Рис. 2. Три схемы включения полевого транзистора

Схема с общим истоком (COMMON SOURCE) позволяет получить усиление напряжения и тока. Входное напряжение (показано малым синусоидальным напряжением) приводится к затвору, выходное напряжение возникает на стоке и наблюдается на резисторе, включенном между стоком и напряжением питания. Исток заземлен, и никаких сигналов напряжения на нем нет, поэтому, собственно, схема и называется схемой с общим истоком. Отметим, что фаза выходного напряжения инвертирована относительно входа.

Схема с общим стоком (COMMON DRAIN) позволяет получить усиление лишь по току, схема также известна как истоковый повторитель, потому, что выходное напряжение через истоковый резистор практически идентично входному напряжению на затворе. На сток, как правило, подается постоянное напряжение, переменного напряжения в идеальном случае нет, такая схема носит название схемы с общим истоком.

Схема с общим затвором (COMMON GATE) позволяет получить неинвертированное усиление напряжения, входной сигнал подается на исток и снимается со стока. Затвор заземлен.

На рис. 2 приведены случаи для переменного напряжения, но не отображено значений постоянного напряжения и значений токов, при которых транзистор будет нормально функционировать. Эти значения постоянного тока часто определяются смещающими напряжение устройствами, и Вы не раз услышите, что эти слова относятся ко многим усилителям.

В схеме необходимы оптимальные устройства, смещающие напряжения. В главной, усилительной функции, FET нуждаются всего лишь в нескольких вольтах между затвором и истоком. В N-канальных транзисторах, на стоке должно быть на несколько вольт больше относительно истока. Если транзистор P-канальный, потенциал стока должен быть отрицательным по отношению к истоку.

Добавим, что затвор транзистора должен иметь потенциал относительно истока такой, чтобы ток и напряжение транзистора были в линейной области между пиками – где-то между все время включенным и все время выключенным. То есть там, где искажения минимальны. В основном, для N-канального JFET, с напряжением затвора ноль вольт или пренебрежимо малым отрицательным напряжением относительно истока, а для N-канального MOSFET напряжение затвора – положительные пара вольт. Одной из важнейших функций схемы является установка параметра условий постоянного напряжения блока усиления, чтобы устройство стабильно работало в данной области. Для каждой усилительной схемы существует, так называемая, «золотая середина», в котором значения напряжения и тока дают превосходное качество.

Рис. 3 иллюстрирует несколько примеров реальных простых схем усилителей с общим истоком с типичными значениями смещения напряжений и токов. Можете собрать обе схемы, и обе будут работать.

Fig3

Рис. 3. Примеры простых схем усилителей

На той схеме, что слева, в качестве примера приведен простой предусилитель с усилением примерно 10 раз (20 дБ). JFET самосмещен в данной схеме: 5 мА проходит через JFET, затвору относительно истока необходимо примерно -0.25 В. Мы установили резистор номиналом около 47 Ом последовательно истоку, тем самым подняв напряжение на +0.25 В, тем самым приравняв потенциал затвора к 0 В, иначе говоря заземлив его.

На правой схеме мы видим мощный MOSFET в схеме простого и мощного усилителя, выдающего 1 Ватт на нагрузку 8 Ом. 16-омный мощный резистор выполняет роль источника тока, а два 10-ти килоомных резистора на входе устанавливают значение постоянного напряжения на затворе, 4 В дают проводимость для 1 А смещающего тока. Для более информативного просмотра смотрите Zen Variations #1 (AudioXpress, март 2002).

На рис. 4 изображена пара реальных усилителей по схеме с общим стоком, линейный буфер может быть использован в активных фильтрах, а также в усилителях мощности для наушников. В обоих случаях, усиления напряжения в устройстве не будет, будет только усиление по току. Обе схемы имеют высокое входное сопротивление и малое выходное сопротивление.

Fig4

Рис. 4. Усилители по схеме с общим стоком

Схемы на основе общего затвора встречаются гораздо реже, и попадаются, как правило, в «каскодных» соединениях с другими устройствами. Дискуссии о каскодах с приведением хороших примеров можно встретить в Zen Variations 8 и 9 (AudioXpress, январь 2006, май 2006), а также в разделе «Cascode Amplifiers», опубликованного в Audio Magazine в марте 1978 года.

Упрощенная схема F5

На рис. 5 приведена схема F5, что говорится - проще некуда. Топология обычная – двухтактная комплементарная схема с использованием двух JFET-транзисторов во входном каскаде и двух мощных MOSFET-транзисторов в выходном каскаде. JFET Q1 и Q2 включены по комплементарной схеме с общим стоком, входом выступают их затворы, выходами – стоки. JFET в А-классе самосмещены на 6 мА, ток I1 выходит с их стоков и создает напряжение 3.6 В проходя через резисторы R3 и R4, оба номиналом по 600 Ом. Эти 3.6 В постоянного напряжения необходимы для смещения мощных MOSFET’ов Q3 и Q4 в состояние проводимости.

fig5

Рис. 5. Упрощенная схема F5

Коэффициент усиления Q1 и Q2 составляет около 10 раз, которое определяется значением резистора 600 Ом, разделенным на сопротивление 60 Ом, которое можно видеть между истоком и землей. Эти 60 Ом появляются при инверсии крутизны JFET-транзистора плюс 10 Ом сопротивления резистора R1 (R2). Крутизна для JFET это значение изменения выходного тока относительно изменения напряжения на входе. Усиление на данном отрезке обычно 0.02 См, или 0.02 А на вольт управления и если инвертировать это, то получим 50 Ом (R = U / I). Итак, это выглядит так, словно внутри транзистора 50 Ом (на самом деле это не так) к которым мы добавляем 10 Ом сопротивления R1 (R2) и получаем 60 Ом.

Q3 и Q4 берут на себя тяжелое бремя в данной схеме, обеспечивая большой выходной ток, необходимый для громкоговорителя. Постоянное напряжение затвор-исток этих транзисторов около 3.6 В, а токи смещения MOSFET’ов около 1.3 А.

Для подобной схемы, 1.3 А означает, что усилитель работает в классе-А с выходным током 2.6 А. Для понимания - представьте состояние Q3 и Q4 при силе протекающего тока 1.3 А, с уровня +U до –U, и при этом через нагрузку ничего не течет.

Когда положительное напряжение поступает на затворы Q1 и Q2, оно заставляет ток через Q1 возрасти, а ток через Q2 понизиться. Суммарное напряжение на R3 и R4 заставляет ток через Q3 вырасти, а ток через Q4 уменьшиться. Все это позволяет выходному напряжению стать больше нуля. В случае повышения положительного входного напряжения, мы приближаемся к точке, когда Q3 проводит 2.6 А, а Q4 проводит 0 А, и все 2.6 А протекают через громкоговоритель. Мощность, выделяемая на нагрузке 8 Ом при этом будет 54 Вт (I x I x R= 2.6 A x 2.6 A x 8 Ом = 54 Вт).

Это пиковое значение, и по сравнение с неискаженным синусоидальным напряжением, пик дважды превышен, так что эта схема будет работать с выходной мощностью 27 Вт в классе А на нагрузке 8 Ом. Токи, превышающие значение 2.6 А выключают один из транзисторов, оставляя работать второй, тем самым на токах выше 2.6 А уходя с А-класса в класс, известный как AB.
Схема работает с обратной связью, тем самым, улучшая качество. Обратная связь устанавливает коэффициент усиления, уменьшает искажения, расширяет полосу частот, а также задает выходное сопротивление усилителя (величину демпфирования).
Механизм обратной связи для этого усилителя основан на резисторах R3 и R6, две пары низкоимпедансных делителей напряжения, которые связывают выход с истоками Q1 и Q2. Низкоимпедансная обратная связь была определена (не совсем точно) как «токовая обратная связь», весьма популярная в простых высокоскоростных линейных схемах. Одним из привлекательных параметров этого устройства - отход от классической 2-х транзисторной дифференциальной пары, ток управления берется непосредственно с входного каскада.
Что отличает данный пример, так это то, что каждый JFET имеет собственную обратную связь – у этого усилителя две раздельные петли обратной связи, петля Q1/Q3 отдельна от петли Q2/Q4.
Схема на рис. 5 показывает основы и фактически работоспособна, но была замечена тенденция к нестабильности. Часто наблюдались локальные паразитные возбуждения, связанные с температурными дрейфами, продолжающиеся довольно длительные периоды. У этой упрощенной схемы также нет цепей регулировки, чтобы корректироваться против изменений, которые будут замечены между реальным FET и с тем, которым Вы столкнетесь.

Актуальная рабочая схема

Рис. 6 показывает абсолютно функциональную версию схемы с расширенными возможностями. Мы добавили R7 и R8 параллельно с R5 и R6, чтобы они совместно рассеивали заданную мощность, что позволило использовать не дорогие резисторы.
Вы врядли знаете заранее, что именно будет подключаться к усилителю, поэтому на входе усилителя установлен R9 для избавления от паразитных осцилляций на входах JFET’ов, а R10 задает нулевую точку, если к входу ничего не подключено.
R11 и R12 3-ваттные резисторы, добавленные к истокам MOSFET’ов для повышения термостабильности и служат как условный токочувствительный элемент. R13 и R14 установлены последовательно с затворами MOSFET’ов для исключения паразитных возбуждений, так же, как и в случае с R9 во входном каскаде.

fig6

Рис. 6. Работоспособная версия F5

Значения R3 и R4 теперь выросли, так как добавлены подстроечные 5-килоомные резисторы P1 и P2. Это позволяет регулировать ток смещения выходного каскада, а также постоянное напряжение на выходе.

На этом мы можем остановиться, и усилитель будет полностью функциональным. Остается добавить повышенную термочувствительность и обеспечить ограничение выходного тока.
Th1 и Th2 это маломощные термисторы номиналом 4.7 кОм, подключенные последовательно с R15 и R16 соответственно. Сопротивление термистора снижается с ростом температуры, и их расположение непосредственно вблизи транзисторов поможет компенсировать температурный дрейф. Вы можете сконструировать усилитель и без них, но получите большее время на прогрев и большее время на настройку смещения.
На положительной половине выходного каскада элементы Q5, R17, R19 и R21 будут ограничивать выход усилителя в том случае, если Вы случайно установите смещение слишком большим, или замкнете выход усилителя. Q6, R18, R20 и R22 делают то же самое в отрицательной половине усилителя.
Выходные MOSFET’ы с легкостью выдадут очень большие токи по команде Q1 и Q2, поэтому было бы мудро установить предел во избежание неприятностей.

Схема токового ограничителя предельна проста. Q5 и Q6 следят за напряжением у R11 и R12, и при 0.4 В они начинают прикрывать выходные транзисторы, тем самым уменьшая выходной ток, а при 0.6 В Q5 и Q6 полностью закрывают Q3 и Q4. 

Начиная с 1.3 А напряжение падения на 0.47-омном резисторе уже достигает 0.6 В, затем мы делим это напряжение, тем самым ограничивая максимальный ток. Делаем мы это для Q5 с помощью резистивного делителя R17 и R19, а для Q6 – R18 и R20. R21 и R22 позволяет также регулировать предельную точку на основе некоторой информации от выходного напряжения. 

Где взять этот предел? Усилитель с уровнями питания 24 В должен обеспечивать 2.5А на нагрузке 8 Ом при мощности 50 Вт. Для 4-х омной нагрузки ожидаем 5 А, на 2-омной ждем 10А. Но потому как на выходе только два транзистора нам лучше остановиться.

Посчитаем текущие значения, зададим R17 = R19 = 1 кОм. Пиковое значение 10 А дадут напряжение на резисторах R11 и R12 4.7 В. R19 и R21 должны снизить его до 0.6 В, получим формулу:

0.6 В / 4.7В = R19 / (R17 + R19), R17 уже выбран номиналом 1 кОм, поэтому можно упростить: 

0.127 = R19 / (1000 + R19), отсюда получаем номинал R19 = 150 Ом.

10 А при коротком замыкании - это 200 Вт рассеиваемой мощности на выходном транзисторе, значение для которого, мягко говоря, завышено. R21 «вытягивает» параметры так, что ток при КЗ будет ниже. Во избежание повреждений при КЗ, мы ограничиваем ток покоя на уровне 5А, оставляя фактор разрушения лишь в рассеянии (перегрева MOSFETов).
Ограничение по току в основном дает неприятный легкий «стук» (в общих чертах - при подрабатывании схемы защиты - прим.), но я считаю, что важно, где и как вносить ограничения. Если Вы конструируете этот усилитель, то, конечно же, можете выбросить эту часть схемы, но врядли сможете объяснить, откуда при КЗ у Вас взялось столько дыма из усилителя. Ну а так, у усилителя будут хоть какие-то шансы.

Читать далее HI-END усилитель мощности F5. Часть 2

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить


О нас

Мы являемся небольшой компанией, специализирующейся на разработке и производстве высококачественного HI-FI аудиооборудования.
Первые модели усилителей и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) под маркой Mariolla появились в 2008 году. За эти годы мы накопили огромный инженерный опыт, позволяющий сегодня решать самые смелые технические задачи и производить лучшее (по соотношения цена-качество) оборудование для меломанов и аудиофилов.


400075, г. Волгоград, ул. Жигулевская 14

+7-961-689-4178 Билайн

+7-917-643-0311 МТС, Viber, WhatsApp

ICQ 440-096-339

VNN84@yandex.ru

ПН-ПТ: 10:00 - 21:00 GMT+3


Мы всегда рады Вашему звонку!