SMD практикум №3! Предварительный усилитель «Zero-FB» без ОС. Заказ плат и деталей (завершено)

Предлагаемый вашему вниманию стереофонический предварительный усилитель «Zero-FB» состоит из регулятора громкости с буферными каскадами без общей ООС на транзисторах, обладающих высокой линейностью и по субъективным оценкам звучащих лучше буферных каскадов на операционных усилителях.
Он предназначен для использования с высококачественными усилителями мощности звуковой частоты, выполненными на лампах, транзисторах или микросхемах.

Транзисторные симметричные буферные каскады, примененные в предварительном усилителе, могут быть использованы в других конструкциях — микшерах, темброблоках, корректорах и прочих устройствах.

Предварительный усилитель изготовлен в основном на компонентах для поверхностного монтажа и является третьим проектом в SMD практикуме, представленным автором в журнале практической электроники «Датагор».

↑ Структурная схема предварительного усилителя «Zero-FB»

Предварительный усилитель выполнен по минималистскому принципу «ничего лишнего», рис. 1. Здесь R1 – регулятор громкости, желательно высокого качества; А1 и А2 – буферные усилительные каскады, обладающие высоким входным и малым выходным сопротивлением.

В каскадах А1 и А2 испытывались лампы 6Н2П, 6Н3П, 6Н23П, операционные усилители (ОУ) LM6172, LM4562, NE5532, OPA2134, OPA2604, AD823, OP249, транзисторные двухканальные усилительные каскады с коррекцией «вперед», когда быстродействующий канал компенсирует нелинейность, возникающую в основном канале усиления [1].

Наиболее близкими по субъективному звучанию оказались каскады на лампах и транзисторах. По техническим характеристикам транзисторные каскады обошли ламповые и лишь незначительно уступали каскадам на ОУ.

Поэтому выбор пал на транзисторные буферные усилительные каскады, как более простые в реализации.

↑ Принцип работы транзисторных буферных усилительных каскадов

За основу взята схема из [1] с небольшим отличием (рис. 2), заключающемся в наличии резистора R1, задающего режим работы каскада по постоянному току.

Работа каскада проверена как в симуляторе, так и на макете. Улучшение свойств усилительных элементов достигается весьма просто, на основе преобразования входного напряжения в выходной ток, без применения обратной связи. Коэффициент гармоник на выходе каскада VT1 за счет добавления резистора R2, падение напряжения на котором компенсирует искажения выходного сигнала, уменьшается на два порядка и при амплитуде выходного сигнала 1 В составляет 0,001%!

Функционирование схемы с коррекцией ошибки поясним следующим образом. По сравнению с каскадом на составном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, схема отличается наличием резистора R2. В результате транзистор VT1 компенсирует нелинейность транзистора VT2.

Базо-эмиттерные переходы транзисторов включены последовательно, изменение напряжения Uбэ транзистора VT2, которое является напряжением ошибки, приложено через резистор R3 к эмиттеру транзистора VT1. Последний для этого напряжения включен по схеме с общей базой.

Токи коллекторов VT1 и VT2, создаваемые генератором ошибки, оказываются противофазными. Ток коллектора транзистора VT1 создает дополнительное падение напряжения на резисторе R2, которое компенсирует искажения выходного каскада транзистора VT2.

Условием компенсации нелинейности транзистора VT2 является выполнение отношения:
R5/R4=R2/R3=Ku.
Здесь номинал R2 должен быть выбран с учетом сопротивления эмиттера VT1. Учитывая, что ток эмиттера задан Uбэ транзистора VT2 и резистором R3, сопротивление Rэ (VT1) достаточно точно может быть вычислено из выражения:
Rэ (VT1)=? tR3/Uбэ=5 Ом,
где? t=26 мВ – температурный потенциал, R3 – сопротивление в кОм, Uбэ=0,55 В – напряжение база-эмиттер транзистора VT2.

Положительным моментом является то, что одновременно с уменьшением искажений происходит подавление напряжения генератора ошибки, т.е. к линейности транзистора VT2 теперь предъявляются гораздо меньшие требования.

По-другому работу узла компенсации можно представить на основе следующих рассуждений. Пренебрегаем током базы транзисторов как линейной поправкой.

Видим, что весь ток, протекающий через резистор R4, протекает и через резистор R5, поэтому сумма падений напряжения на резисторах R5, R2 совпадает с суммой падений напряжений на резисторах R3, R4, с учетом множителя Ku.

Поскольку напряжение на эмиттере транзистора VT1 много точнее следует за входным по сравнению с напряжением на эмиттере VT2, то и искажения на выходе транзистора VT1 много меньше искажений на выходе VT2.

Такая ситуация будет наблюдаться до тех пор, пока сохраняется малосигнальный режим работы транзистора VT1. В нашем случае для его расширения каскад охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор R1.

Поскольку выход каскада на транзисторе VT1 является токовым, компенсация происходит при любом сопротивлении нагрузки, что является весьма ценным свойством схемы.

↑ Предлагаемый буферный усилительный каскад

Переход к симметричной структуре усилителя (рис. 3) позволил дополнительно компенсировать четные гармоники, сведя их к минимуму.

В схеме должно выполняться условие компенсации нелинейности двух транзисторов (VT3 и VT4), включенных по переменному току параллельно:
R7/(R6||R8)=R5/(R3||R4)=Ku=2.
Запись в формуле «R6||R8» означает сопротивление параллельно включенных резисторов: R6R8/(R6+R8).
Соответственно, номинал резистора R5 должен быть выбран с учетом суммы сопротивлений эмиттеров транзисторов VT1 и VT2.

↑ Принципиальная схема предварительного усилителя

показана на рис. 4. Буферные усилительные каскады А1, А2 выполнены практически по идентичным схемам и отличаются выбранным током коллектора транзисторов VT1, VT2 (3 мА), VT5, VT6 (6 мА), а также наличием фильтра нижних частот R2, C1 на входе А1.




Несложно заметить, что в схеме (рис. 4) все-таки имеется параллельная отрицательная обратная связь через резисторы R3, R4 и R12, R13, достигаемая подключением точек соединения указанных резисторов к коллекторам транзисторов VT1, VT2 и VT5, VT6 соответственно. В таком виде звучание усилителя мне понравилось больше.

Сторонникам полного отказа от ООС рекомендую точки соединения резисторов R3, R4 и R12, R13 подключить к общему проводу. К слову сказать, коэффициент гармоник усилителя в этом случае практически не изменяется.

↑ Детали ПУ и печатная плата

Простота устройства позволяет сосредоточиться на выборе качественных элементов и их подборе.
Указанные на принципиальной схеме транзисторы можно заменить на BC856/BC857, BC866/BC867.
Постоянные резисторы SMD 1206, однопроцентные. Можно также отобрать резисторы из 5% ряда Е24.
Конденсаторы С2, С3, С7 и С8 танталовые типоразмера B; С4, С6 – типоразмера D.
Конденсаторы С5, С9 неполярные радиальные для обычного монтажа.


Размещение деталей на печатных платах показано на рис. 5.






Печатные платы выполнены из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм для буферных каскадов и 2 мм для кросс-платы.

↑ Наладка предварительного усилителя

Трудоемкость настройки усилителя напрямую связана с качеством выполненной работы по отбору элементной базы.

Вначале проверяют «ноль» на выходах буферных каскадов. Если напряжение составляет единицы милливольт, настройки не требуется. Часто уровень смещения нуля можно дополнительно уменьшить простой перестановкой базовых резисторов (рис. 4; R3, R4 и R12, R13 соответственно).

При бОльшем постоянном напряжении на выходе подбирают один из резисторов (R3 или R4, R12 или R13).
Далее добиваются минимума коэффициента гармоник подбором резисторов R7 и R18. Для измерений использовалась внешняя звуковая карта и программа SpectraPLUS.

↑ Хочу регулятор тембра!

Прекрасный предварительный усилитель с отключаемыми регуляторами тембра можно собрать на основе предлагаемых буферных каскадов и технического решения из [2]. Принципиальная схема одного канала показана на рис. 6.

Здесь А1, А2 – симметричные буферные каскады с линеаризацией характеристик, показанные на рис. 3. Коэффициент передачи каскада равен двум.

На входе буферного каскада А1 установлен фильтр нижних частот, который совместно с L1 исключает из сигнала высокочастотные составляющие, не оказывая влияния на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в звуковом диапазоне частот.

Узел регулировок весьма оригинален и заимствован от предварительных каскадов интегрального усилителя «NAD-310». Он включает в себя мостовой регулятор тембра и регулятор громкости.

Резистором R3 регулируется тембр нижних частот, R6 – тембр верхних частот, R10 – громкость. Выход регулятора тембра подключен к отводу регулятора громкости. Поэтому регулировка тембра происходит при положении движка регулятора громкости R10 от нижней (по принципиальной схеме рис. 6) части регулятора до отвода. При нахождении движка R10 выше отвода регулировка тембра автоматически отключается.

Диапазон регулировок тембров на частотах 40 Гц и 10 кГц составляет +15/-8 дБ. Очень удачное решение, исключающее возможность перегрузки УМЗЧ и не вносящее дополнительного затухания сигнала!

Переключатель (контакты реле) SA1 позволяет отключить регуляторы и установить линейную АЧХ устройства.
Для сохранения функциональной характеристики регулятора громкости к отводу вместо регуляторов тембра подключается делитель R8, R9.
На выходе усилителя включены развязывающие элементы R11, L2.

↑ Итог

Предлагаемый предварительный усилитель обеспечивает высокое качество звуковоспроизведения при простой схемотехнике.
Предложенный транзисторный симметричный усилительный каскад найдет применение в предварительных усилителях, микшерах и прочих устройствах.

Применённое простое схемотехническое решение из [1] позволяет добиться значительного снижения нелинейных искажений, устранить тепловые искажения, повысив термостабильность каскада в целом.

Использование принципа преобразования входного напряжения в ток и относительно низкоомных резисторов обеспечивает широкополостность предлагаемых каскадов.

↑ Печатные платы в LayOut

🎁pre-amplifier.7z  24 Kb ⇣ 272

↑ Весь SMD-практикум В. Мосягина на Датагоре

• SMD практикум № 1! 12 простых схем с несимметричным мультивибратором. Аналог микросхемы LM3909 из дискретных элементов
• SMD практикум № 2! Индикатор уровня заряда аккумулятора для автомобилиста

↑ Список упомянутых источников

1. Кулиш М. Линеаризация каскадов напряжения без ООС / Радио, 2005, №12, с. 16 – 19.
2. Шихатов А. Предварительные усилители // В копилку радиолюбителя. Популярные схемы и конструкции. Книга 2. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. – 176 с. (с. 55 – 71).

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации