Кремний против германия в усилителях одинаковой ретро-структуры и новый германиевый кит в конце

Предлагаемый стереофонический усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) выполнен по схемотехнике более чем полувековой давности с одним каскадом усиления напряжения. Его отличительной чертой является применение «звуковых» кремниевых транзисторов.

Среди любителей высококачественного звуковоспроизведения до сих пор популярна подобная структура на германиевых транзисторах [1-4]. А высокое качество звуковоспроизведения этих усилителей объясняют «чудесными свойствами» германия.
Сравнив две конструкции с близкой принципиальной схемой, выполненные на разной элементной базе, можно на практике убедиться, так ли это.

Забегая вперёд, скажу, что в итоге получилось три достойных усилителя.
И кремний и германий хороши при верной схемотехнике. Приятного творчества!

↑ Играет германий!

В настоящее время германиевые транзисторы практически полностью вытеснены кремниевыми, имеющими лучшие параметры и самое главное, лучшую температурную стабильность. Решающей причиной смены германиевых транзисторов кремниевыми стала бОльшая стоимость и дефицит сырья.

Тем не менее, в арсеналах радиолюбителей осталось много германиевых транзисторов, поэтому не мешает еще раз оценить аудиосвойства германия с современных позиций.

Рассмотрим усилитель на германиевых транзисторах, построенный по схеме, изображенной на рис. 1. Усилитель реализован в «железе» Ж. Цихисели, опубликован в журнале AudioVideo [3]. Специалисты редакции дали высокую оценку звучанию усилителя.



Предложенная схема представляет собой усилитель постоянного тока с непосредственной связью. Предварительный каскад на транзисторе VT1 усиливает сигнал по напряжению и работает в классе А. Выходной каскад является усилителем мощности, работающим в классе АВ с небольшим током покоя. Он выполнен на мощных транзисторах VT4, VT5 одного типа проводимости. Каскад на комплементарных транзисторах VT2, VT3 играет роль фазоинвертора.
Выходной каскад с фазоинвертором можно представить как квазикомплементарную структуру.
Верхнее плечо (транзисторы VT2, VT4) представляют собой составной эмиттерный повторитель – схему Дарлингтона, а нижнее (транзисторы VT3, VT5) – усилитель со следящей обратной связью, называемый по – другому схемой Шиклаи.

Транзисторы VT2, VT4 усиливают отрицательную полуволну напряжения сигнала, а VT3, VT5 – положительную.

Недостатком квазикомплементарной структуры выходного каскада является отличие коэффициентов передачи для верхнего и нижнего плеч. Коэффициент передачи нижнего плеча чуть выше, чем верхнего, хотя их значения очень близки к единице.

Отличаются также и входные сопротивления плеч, примерно на 4 – 8%; у верхнего плеча входное сопротивление выше, чем у нижнего (см. табл. 1).

Отмеченные факторы, естественно определяют начальный уровень искажений усилителя, до охвата отрицательной обратной связью.

Чтобы получить максимально возможный размах выходного сигнала, применена положительная обратная связь (ПОС), вводимая конденсатором С2 с выхода усилителя в точку соединения нагрузочных резисторов R4 и R5, увеличивающая эквивалентное сопротивление нагрузки для переменной составляющей.

Коэффициент усиления по напряжению каскада на транзисторе VT1 определяет усиление УМЗЧ без обратной связи:

Ku=h21э (Rн~||Rвх)/rбэ1=820 (58 дБ),

где h21э – коэффициент передачи тока базы транзистора VT1,
rбэ1 – сопротивление перехода база-эмиттер транзистора VT1,
Rн~–сопротивление нагрузки VT1 с учетом действия ПОС,
Rвх – входное сопротивление оконечного каскада.

Свой вклад в начальный уровень искажений усилителя вносит также нелинейный характер сопротивления база-эмиттер транзистора VT1. Его значимость может быть уменьшена использованием предварительного усилителя с высоким выходным сопротивлением или включением последовательно с конденсатором С1 резистора для стабилизации входного сопротивления каскада на транзисторе VT1.

Расчеты показывают, что с учетом вышеописанных факторов коэффициент гармоник усилителя будет находиться на уровне 0,1…0,2%.

Дополнительная температурная стабилизация рабочей точки транзистора VT1 достигается введением местной отрицательной обратной связи по постоянному току за счет включения резистора R6 в цепь эмиттера VT1. По переменному току ООС убирается шунтированием указанного резистора конденсатором С4.

Кроме того, повышение температурной стабильности достигается применением сопротивления R3 в цепи базы VT1, а также за счет резисторов R8 и R9 в цепях эмиттеров VT2, VT3, предназначенных для ограничения обратного неуправляемого тока их коллекторов. Общая параллельная ООС по постоянному току и регулировка потенциала средней точки обеспечивается подстроечным резистором R2.

Дополнительная параллельная ООС обеспечивается цепочкой R12, C5 вынесенной за переходной конденсатор С7, благодаря чему обеспечивается широкая полоса частот, малое выходное сопротивление и низкие искажения выходного сигнала.



Для пояснения сказанного рассмотрим эквивалентную схему усилителя (рис. 2).



Если Ku велико, каскад является преобразователем тока в напряжение: Uвых=–iвхRос.

Для управления схемой от источника напряжения Uвх на рис. 2 показаны разделительный конденсатор Свх и резистор Ri, определяющий входное сопротивление усилителя.

За счет наличия трудно учитываемой входной паразитной емкости Сп, на высоких частотах схема является звеном второго порядка с декрементом затухания, зависящим от Сп и других факторов.

Результирующая амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) имеет подъем на частоте 1/(2ΠTo) (рис. 3).



В результате схема легко теряет устойчивость и переходит в состояние автоколебаний, причем не постоянных, а непредсказуемых, зависящих от многих факторов. Незначительные быстрые воздействия, например помехи в цепях питания, скачкообразные изменения амплитуды на определенной частоте, вызывают длительные, медленно затухающие колебания на частоте 1/(2ΠTo).

Для получения ровной АЧХ в полосе пропускания достаточно обеспечить взаимный наклон частотной характеристики усилителя с обратной связью и частотной характеристики разомкнутого усилителя не превышающий 20 дБ на декаду.

Получить ровную АЧХ можно включением конденсатора Сос, его емкость выбираем из отношения
СосRос=RiCп,
при этом коэффициент передачи с обратной связью становится частотно-независимым и равным Ri/(Rос+Ri), а полоса пропускания на верхних частотах определяется указанными выше постоянными времени Tп= СосRос=RiCп.

Одним из удобных и наглядных способов контроля АЧХ усилителей является проверка с помощью прямоугольных импульсов, рис. 4. Можно сразу увидеть наличие резонансных частот и оценить полосу пропускания усилителя.



Длительность фронта τ ф по уровню 0,9 характеризует верхнюю частоту:

fв=2,3/2πτ ф=0,366/τ ф,
а спад вершины импульса ∆ Uсп – нижнюю частоту:

fн=ln (Uвых/(Uвых-∆ Uсп))/2π tи=∆ Uсп/2π tи Uвых,

где tи – длительность импульса, Uвых – амплитуда импульса.

Кривая 1 на рис 4 показывает переходной процесс, вызванный неустойчивостью усилителя.

Наблюдая реакцию усилителя на осциллографе, постепенно увеличиваем Сос до тех пор, пока колебания не исчезнут, а переходной процесс не будет иметь вид кривой 2.

Обращу внимание, что время установления импульса устойчивой схемы оказывается во много раз меньше переходного процесса кривой 1.

Итак, конденсатор Сос (С5 в схеме рис. 1) служит для обеспечения «гладкости» переходных процессов и устойчивости схемы.

Чтобы гарантированно сформировать частотную характеристику каскадов, охваченных отрицательной обратной связью как характеристику апериодического (инерционного) звена первого порядка, в схему введен еще один конденсатор – С3.

Его задача получить такую характеристику петлевого усиления, чтобы она имела апериодический характер.

Теперь при скачкообразных изменениях входного напряжения с любой частотой напряжение на выходе плавно меняется по экспоненциальному закону, без выбросов и колебаний.

Полоса пропускания с обратной связью примерно равна

fос=(Ku/Kuос)/(2π Rvt1эффС3),

где Rvt1эфф – эффективная нагрузка в цепи коллектора транзистора VT1, с учетом действия ПОС.

При этом полюсы транзисторов VT2-VT5 усилителя должны лежать ниже линии Kuос. Учитывая, что fгроэ примененных транзисторов VT2, VT3 составляет всего 1 МГц, а транзисторов VT4, VT5 выходного каскада еще меньше – 0,2 МГц, в схеме с трудом удается получить fос порядка 70…100 кГц.

Чтобы обеспечить устойчивую работу усилителя на любую нагрузку, в том числе и без нее, можно рекомендовать включить на выходе цепь Зобеля, подгружающую схему в широком диапазоне частот. Представляется, ее отсутствие является следствием незнания этого схемотехнического приема на момент разработки схемы.

Для исключения искажений типа «ступенька» на базы транзисторов выходного каскада VT2, VT4 и VT3, VT5 подается небольшое смещение, создаваемое за счет протекания коллекторного тока VT1 через германиевые диоды VD1, VD2.

Требуемый ток выходного каскада (40 – 50 мА) устанавливается подбором величины резистора R13, шунтирующего диод VD2.

Для надежной работы усилителя в диапазоне температур 0…+50°С диоды VD1, VD2 должны иметь тепловой контакт с радиатором одного из выходных транзисторов VT4, VT5. Площадь охлаждения теплоотводов не менее 200 кв. см.

Цепь R7, C6 представляет собой фильтр по питанию каскада усиления напряжения.

↑ Пути улучшения известной схемы

↑ Принципиальная схема доработанного УМЗЧ на германиевых транзисторах

Принципиальная схема УМЗЧ на германиевых транзисторах, которую я повторил, показана на рис. 5.



Для устранения радиочастотных наводок на входе установлена индуктивность L1 в виде ферритовой бусинки с пропущенным через нее проводником.

Цепи параллельной отрицательной обратной связи по постоянному и переменному токам (R2, R3) и по переменному току (R14, C6), разнесены. Тем самым устранено влияние подключения нагрузки (акустической системы) на режим работы УМЗЧ по постоянному току.

Подстроечным резистором R2 «Баланс» устанавливается половина напряжения источника питания в точке симметрии, а подстроечным резистором R9 «Ток покоя» — начальный ток транзисторов выходного каскада VT4, VT5. Контроль величины тока удобно осуществить по падению напряжения на одном из резисторов R12 или R13 в цепи эмиттеров транзисторов VT4, VT5.

Оксидные конденсаторы на выходе усилителя С7 и по цепи питания С10 зашунтированы пленочными С8 и С11 соответственно.

На выходе УМЗЧ включена цепь Зобеля C9, R15.

Транзисторы для усилителя отбираются попарно не только для верхнего и нижнего плеч выходного каскада, но и для обоих каналов. Весьма желателен коэффициент передачи h21э транзисторов не менее 100. Транзисторы с самым высоким h21э ставятся на место VT1.

↑ Характеристики доработанного усилителя

↑ Рекомендуемый БП

На рис. 6 показан вариант блока питания для усилителя. Применен силовой трансформатор с напряжением на вторичной обмотке ~22,5 В и током 2,2 А.



Диодный мост KBPC1001 (100V/10A) может быть заменен на BR1001. Конденсаторы С1…С4 типа К73-17 на рабочее напряжение 630 В, С5 – импортный на напряжение 50 В и более. Конденсатор С6 пленочный К73-17 на напряжение 63 В. Резистор R1 любого типа мощностью 0,5 Вт. Светодиод HL1 – любой зеленого цвета свечения, например, АЛ307ВМ, АЛ307ГМ.

Блок питания, разработанный для усилителя, изображенного на рис. 1, отличается элементной базой. Вместо диодного моста VD1 установлены четыре германиевых диода Д305; вместо пленочных конденсаторов (С1 – С4, С6) – слюдяные КСО, а оксидный С5 состоит из восьми включенных параллельно конденсаторов типа К50-29 или Philips емкостью 1000 мкФ на рабочее напряжение 63 В.

↑ А теперь поет кремний!

Теперь проанализируем схему (рис. 7), состоящую из усилителя напряжения по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT1 и усилителя тока на комплементарных составных эмиттерных повторителях VT2, VT3.

↑ Схема усилителя аналогичной структуры, но на кремнии

Входной сигнал поступает на базу транзистора VT1 через разделительный конденсатор C1, ферритовую бусинку L1 и резистор R1.

Коэффициент передачи усилителя, охваченного отрицательной обратной связью (ООС), определяется делителем R1, R7, R9, R10:

Ku= – [(R7+R10)||R9]/R1=– 11,5 (21,2 дБ).

Постоянный резистор R7 и подстроечный R10 определяют режим работы схемы по постоянному току (напряжение в средней точке), а резистор R9 вынесен за переходной конденсатор С5, что линеаризует его характеристику. В результате правый (по принципиальной схеме рис. 7) вывод резистора R9 подключен непосредственно к акустической системе.

Чтобы при отсоединении громкоговорителя режим работы схемы по постоянному току не изменяется, введен резистор R13. Он выполняет еще одну функцию в схеме – предотвращает щелчки при подключении акустической системы.
Разделительный конденсатор на выходе дает снижение выходной мощности на низких частотах, а также ухудшение фактора демпфирования.

При емкости разделительного конденсатора С6=4700 мкФ, сопротивлении нагрузки Rн=4 (8) Ом и нижней частоте fн=20 Гц выходная мощность уменьшится в {Rн/SQRT[(Rн^2+(Ѕπ fнС5)^2]}^2 раз.
На частоте 20 Гц при Rн=4 Ом выходная мощность снизится на 15%, а при Rн=8 Ом – на 4%.

Повышение фактора демпфирования и выходной мощности на низких частотах достигается с помощью дополнительной цепи обратной связи через резистор R9.

Выбор достаточно низкоомных значений сопротивлений резисторов способствует стабильности цепи ООС во всем звуковом диапазоне.

Резисторы R6, R8 в цепях баз Дарлингтонов VT2, VT3 служат для предотвращения самовозбуждения эмиттерных повторителей на высоких частотах.

Элементы R3, R4 и C4 образуют схему «вольтодобавки», цепь ПОС для обеспечения требуемого тока базы VT2 и VT3 на пиках сигнала и улучшения качества отрицательной полуволны выходного напряжения.

Глубина ПОС через конденсатор С4 определяется отношением R4 к R3, а также величиной сопротивления резисторов R11, R12 в цепях эмиттеров транзисторов VT2, VT3.

Элементы R2, VD1 – VD3 служат для обеспечения начального смещения в цепях баз повторителей VT2, VT3. Для обеспечения температурной устойчивости усилителя необходим хороший тепловой контакт диодов VD1 – VD3 с радиаторами выходных транзисторов VT2, VT3.

Подстроечным резистором R2 устанавливают ток покоя выходного каскада в диапазоне 40 – 70 мА, рекомендуемое значение 60 мА. Его выставляют по падению напряжения на резисторах R11, R12 (12 мВ).

↑ Детали усилителя на кремнии

Транзистор VT1 типа 2N5551 может быть заменен на MPSA42, MPSA43. Желательно отобрать транзисторы с коэффициентом передачи h21э=150…250.

Комплементарные транзисторы 2SD2390/2SB1560 (Uкэ=150 В, Рк=100 Вт, Iк=10 А, fT=55 МГц, h21э=5000) в корпусе ТО-3Р, могут быть сменены на 2SD2438/2SB1587, 2SD2439/2SB1588 в таком же корпусе, а также на 2SD2589/2SB1659 в корпусе МТ-200.

Мощные транзисторы VT2, VT3 устанавливаются через теплопроводные подложки на общем радиаторе с площадью охлаждающей поверхности не менее 300 кв. см.

Конденсатор С3 — керамический на рабочее напряжение не ниже 50 В; допустима высоковольтная керамика. Индуктивность L1 в виде ферритовой бусинки выпаяна из неисправных компьютерных звуковых плат.

Многие детали для этой конструкции можно заказать в датагорском интернет–магазинчике «Радиодетали — почтой!».


Детали каждого канала УМЗЧ размещены на отдельной печатной плате, рис. 8.


Внешний вид собранной печатной платы одного канала УМЗЧ показан в аннотации статьи.

Соединение УМЗЧ в устройстве выполняют проводом сечением 0,75 – 1 кв. мм. Ответной частью на провода служат ножевые клеммы 6,3 мм (лучше изолированные), рассчитанные на указанное сечение провода. Обжим ножевых клемм выполняется специальным инструментом (рис. 9). Пассатижи или молоток не дадут качества соединения, достигаемого с помощью специнструмента.

↑ Налаживание усилителя

начинают после тщательной проверки правильности монтажа. Особое внимание уделяют правильности установки транзисторов, оксидных конденсаторов и диодов, а также качеству пайки. Для упрощения налаживания движок подстроечного резистора R2 выставляют в положение минимального сопротивления, а движок резистора R10 – равного половине номинала.

При первом включении входные гнезда X1, X2 надо закоротить, к выходу подключить эквивалент нагрузки. Режимы работы не должны отличаться от указанных на принципиальной схеме более чем на 10%.

После двадцатиминутного прогрева резистором R10 выставляют напряжение в точке симметрии равным половине напряжения питания, а резистором R2 устанавливают ток выходного каскада 60 мА, по падению напряжения на резисторах R11, R12, равному 12 мВ.

↑ Характеристики кремниевого собрата

При наличии контрольно-измерительных приборов снимают характеристики УМЗЧ.


При включении усилителя в звуковоспроизводящий тракт следует учесть, что он инвертирующий. Необходимо принять меры, чтобы тракт в целом сохранял фазу сигнала, т.е. был неинвертирующим. Например, учесть данный факт сменой полярности подключения проводов акустической системы.
Впрочем, ЦАПы некоторых проигрывателей (например, Pioneer BDP-170) инвертируют фазу входного сигнала, что, однако, никак не отражено в руководстве пользователя.

↑ Итоги

С точки зрения требований к аудиоусилителю мы имеем дело с идеальной структурой. Всего один каскад усиления напряжения и усилитель мощности на комплементарных эмиттерных повторителях обладают однополюсной АЧХ с минимальным затягиванием переходного процесса.

Достоинства усилителя (один каскад усиления напряжения) являются и его недостатками. Чтобы получить малые нелинейные искажения нужно большое усиление в петле отрицательной обратной связи, которое затруднительно получить на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.



Известным недостатком схемы является низкое входное сопротивление, что нужно учесть при подключении источников сигнала, чтобы не допустить перегрузки.

↑ Развитие представленной схемы

Можно ли улучшить характеристики усилителя? Можно, если увеличить коэффициент усиления без обратной связи.
Я выполнил в системе моделирования следующие усовершенствования усилителя (рис. 7):
 — поставил тройку выходных транзисторов вместо используемой двойки;
 — заменил резистор R4 источником тока;
 — установил дополнительный эмиттерный повторитель между усилителем напряжения и выходным каскадом.

Результаты весьма обнадеживают, позволяют проверить в работе несколько схем, но это будут совсем другие усилители.

↑ Хорошая новость - кит Datagor Project 008 «GeAmp1970»

Мы рады сообщить вам о появлении нового кита Datagor Project 008 «GeAmp1970». Усилитель на германиевых транзисторах. Набор для сборки на основе замечательной схемы по мотивам усилителя из 1970 года [1]. Кит явился результатом наших с Игорем длительных проб и обсуждений.


Мы с другом Владимиром впервые собрали подобный усилитель в восьмом классе средней школы. Он замечательно отыграл на одной из вечеринок, которая до сих пор помнится.
В дальнейшем довольно часто эта конструкция служила «разрушителем легенд» высокого качества звучания многих схем УМЗЧ, опубликованных в радиолюбительской литературе. Собираешь сложный усилитель с прекрасными характеристиками, слушаешь, а спустя некоторое время под руку попадается эта схема на пяти транзисторах, начинаются сомнения, приводящие к дальнейшему поиску…

↑ Список использованных источников

1. Иванов В. Бестрансформаторный УНЧ // Радио, 1970, №2, с. 29, 30, 3-я страница обложки.
2. Левинзон Г.Л., Логинов А.В. Высококачественный усилитель низкой частоты. – М.: Энергия, 1977. – 120 с. 
3. Цихисели Ж. Германий превыше всего (Практика AV) // AudioVideo, 2003, №6 (//www.salonav.com/Praktika/6.2003/HTM/tranz.htm).
4. Классическая схема усилителя на Ge германиевых транзисторах - Форум на Датагоре.
5. Пугачев И. Украдет ли усилитель «виртуальную глубину»? // Радиолюбитель, 2000, №9, с. 3, 4.
6. Пугачев И.С. 50 лет в строю УМЗЧ // Радиомир, 2004, №8, с. 9 – 11.
7. Пугачев И. УМЗЧ с «виртуальной глубиной» на трех транзисторах // Радиомир, 2008, №10, с. 3 – 5.

↑ Файлы

Принципиальная схема и чертеж печатной платы:
🎁a-simple-power-amplifier-audio-frequency.zip  26.54 Kb ⇣ 442

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации