УМЗЧ с полевыми транзисторами IRFZ44 - Звукотехника - СХЕМЫ - Каталог схем

К настоящему времени разработано много вариантов УМЗЧ с выходными каскадами на полевых транзисторах. Привлекательность этих транзисторов в качестве мощных усилительных приборов неоднократно отмечалась разными авторами. На звуковых частотах полевые транзисторы (ПТ) работают как усилители тока, поэтому нагрузка на предварительные каскады незначительна и выходной каскад на ПТ с изолированным затвором можно непосредственно подключать к предварительному каскаду усиления, работающему в линейном режиме класса А.

При использовании мощных ПТ изменяется характер нелинейных искажений (меньше высших гармоник, чем при использовании биполярных транзисторов), снижаются динамические искажения, существенно ниже уровень интермодуляционных искажений. Однако вследствие меньшей, чем у биполярных транзисторов, крутизны нелинейные искажения истокового повторителя оказываются большими, поскольку крутизна зависит от уровня входного сигнала.

Выходной каскад на мощных ПТ, где они выдерживают короткое замыкание в цепи нагрузки, обладает свойством термостабилизации. Некоторый недостаток такого каскада — меньший коэффициент использования напряжения питания, и поэтому необходимо применять более эффективный теплоотвод.

К главным же достоинствам мощных ПТ можно отнести невысокий порядок нелинейности их проходной характеристики, что сближает особенности звучания у усилителей на ПТ и ламповых, а также высокий коэффициент усиления по мощности для сигналов звукового диапазона частот.

Из последних публикаций в журнале об УМЗЧ с мощными ПТ можно отметить статьи. Несомненным достоинством усилителя из является низкий уровень искажений, а недостатком — малая мощность (15 Вт). Усилитель обладает большей мощностью, достаточной для жилых помещений, и приемлемым уровнем искажений, но представляется относительно сложным в изготовлении и настройке. Здесь и далее речь идет об УМЗЧ, предназначенных для использования с бытовыми АС мощностью до 100 Вт.

Параметры УМЗЧ, ориентированные на соответствие международным рекомендациям IEC (МЭК), определяют минимальные требования к аппаратуре категории hi-fi. Они вполне обоснованы как с психофизиологической стороны восприятия искажений человеком, так и реально достижимыми искажениями аудиосигналов в акустических системах (АС), на которые собственно и работает УМЗЧ.

В соответствии с требованиями IEC 581-7 для АС категории hi-fi полный коэффициент гармонических искажений не должен превышать 2 % в диапазоне частот 250… 1000 Гц и 1 % в диапазоне свыше 2 кГц при уровне звукового давления 90 дБ на расстоянии 1 м. При характеристической чувствительности бытовых АС, равной 86 дБ/Вт/м, это соответствует выходной мощности УМЗЧ всего 2,5 Вт. С учетом пикфактора музыкальных программ, принимаемом равным трем (как для гауссового шума), выходная мощность УМЗЧ должна составлять около 20 Вт. В стереофонической системе звуковое давление на НЧ примерно удваивается, что позволяет отодвинуть слушателя от АС уже на 2 м. При удалении же на 3 м вполне достаточна мощность стереоусилителя 2×45 Вт.

Неоднократно отмечалось, что искажения в УМЗЧ на полевых транзисторах обусловлены, в основном, второй и третьей гармониками (как и в исправных АС). Если полагать независимыми причины возникновения нелинейных искажений в АС и УМЗЧ, то результирующий коэффициент гармоник по звуковому давлению определяется как корень квадратный из суммы квадратов коэффициентов гармоник УМЗЧ и АС. В этом случае, если полный коэффициент гармонических искажений в УМЗЧ в три раза ниже, чем искажения в АС (т. е. не превышает значения 0,3 %), то им можно пренебречь.

Диапазон эффективно воспроизводимых частот УМЗЧ должен быть не уже слышимого человеком — 20…20 000 Гц. Что касается скорости нарастания выходного напряжения УМЗЧ, то в соответствии с результатами, полученными в работе автора [3], достаточна скорость 7 В/мкс для мощности 50 Вт при работе на нагрузку 4 Ом и 10 В/мкс — при работе на нагрузку 8 Ом.

За основу предлагаемого УМЗЧ был взят усилитель в котором для «раскачки» выходного каскада в виде составных повторителей на биполярных транзисторах использовался быстродействующий ОУ со следящим питанием. Следящее питание использовалось также для цепи смещения выходного каскада.

В усилитель внесены следующие изменения: выходной каскад на комплементарных парах биполярных транзисторов заменен каскадом с квазикомплементарной структурой на недорогих ПТ с изолированным затвором IRFZ44 и ограничена глубина общей СОС до 18 дБ. Принципиальная схема усилителя показана на рис. 1.

В качестве предварительного усилителя использован ОУ КР544УД2А с высоким входным сопротивлением и повышенным быстродействием. Он содержит входной дифференциальный каскад на ПТ с р-n переходом и выходной двухтактный повторитель напряжения. Внутренние элементы частотной коррекции обеспечивают стабильность в различных режимах обратной связи, в том числе в повторителе напряжения.

Входной сигнал поступает через ФНЧ RnC 1 с частотой среза около 70 кГц (здесь внутреннее сопротивление источника сигнала = 22 кОм). который используется для ограничения спектра сигнала, поступающего на вход усилителя мощности. Цепь R1C1 обеспечивает устойчивость УМЗЧ при изменении величины RM от нуля до бесконечности. На неинвертирующий вход ОУ DA1 сигнал проходит через ФВЧ, построенный на элементах С2, R2 с частотой среза 0,7 Гц, служащий для отделения сигнала от постоянной составляющей. Местная ООС для операционного усилителя выполнена на элементах R5, R3, СЗ и обеспечивает коэффициент усиления, равный 43 дБ.

Стабилизатор напряжения двухпо-лярного питания ОУ DA1 выполнен на элементах R4, С4, VDI и R6, Сб. VD2 соответственно. Напряжение стабилизации выбрано равным 16 В. Резистор R8 совместно с резисторами R4, R6 образуют делитель выходного напряжения УМЗЧ для подачи «следящего» питания на ОУ, размах которого не должен превышать предельных значений синфазного входного напряжения ОУ, т. е. +/-Ю В. «Следящее» питание позволяет существенно увеличить размах выходного сигнала ОУ.

Как известно, для работы полевого транзистора с изолированным затвором, в отличие от биполярного, требуется смещение около 4 В. Для этого в схеме, приведенной на рис. 1, для транзистора VT3 применена схема сдвига уровня сигнала на элементах R10, R11 иУОЗ.У04на 4,5 В. Сигнал с выхода ОУ через цепь VD3VD4C8 и резистор R15 поступает на затвор транзистора VT3, постоянное напряжение на котором относительно общего провода равно +4,5 В.

Электронный аналог стабилитрона на элементахVT1, VD5, VD6, Rl2o6ecne4H-вает сдвиг напряжения на-1,5 В относительно выхода ОУ для обеспечения необходимого режима работы транзистора VT2. Сигнал с выхода ОУ через цепь VT1C9 также поступает на базу включенного по схеме с общим эмиттером транзистора VT2, который инвертирует сигнал.

На элементах R17. VD7, С12, R18 собрана цепь регулируемого сдвига уровня, позволяющая задать необходимое смещение для транзистора VT4 и тем самым установить ток покоя оконечного каскада. Конденсатор СЮ обеспечивает «следящее питание» цепи сдвига уровня путем подачи выходного напряжения УМЗЧ в точку соединения резисторов R10, R11 для стабилизации тока в этой цепи. Соединение транзисторов VT2 и VT4 формирует виртуальный полевой транзистор с каналом р-типа. т. е. образуется квазикомплементарная пара с выходным транзистором VT3 (с каналом п-типа).

Цепь С11R16 увеличивает устойчивость усилителя в ультразвуковом диапазоне частот. Керамические конденсаторы С13. С14. установленные в непосредственной близости от выходных транзисторов, служат той же цели. Защита УМЗЧ от перегрузок при коротких замыканиях в нагрузке обеспечивается плавкими предохранителями FU1—FU3. так как полевые транзисторы IRFZ44 имеют максимальный ток стока 42 А и выдерживают перегрузки до сгорания предохранителей.

Для уменьшения постоянного напряжения на выходе УМЗЧ, а также снижения нелинейных искажений введена общая ООС на элементах R7, С7. R3, СЗ. Глубина ООС по переменному току ограничена значением 18.8 дБ, что стабилизирует коэффициент гармоник в звуковом диапазоне частот. По постоянному току ОУ совместно с выходными транзисторами работаете режиме повторителя напряжения, обеспечивая постоянную составляющую выходного напряжения УМЗЧ не более нескольких милливольт.