Как звучат усилители на мосфетах

Как звучат усилители на мосфетах

Многие любители высококачественного звуковоспроизведения оценивают усилитель на полевых MOSFET транзисторах на уровне ламповых и даже выше, мотивируя, что по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах они выдают более красивое — "мягкое / ламповое" звучание, создают меньше искажений и устойчивы к долговременной перегрузке. Они превосходят классические ламповые усилители, как по коэффициенту демпфирования, так и по передаче низких и высоких частот. Частота среза таких усилителей (без ООС) значительно выше, чем у каскодного усилителя на биполярных транзисторах, что благоприятно сказывается на искажениях.

Управление выходным током у полевых MOSFET транзисторов осуществляется входным напряжением, благодаря этому быстродействие в режиме коммутации достаточно высокое, так как основных носителей заряда в цепи затвора нет. В результате упрощается общая схема включения, по сравнению с биполярным транзистором.

Ничтожно маленький управляющий ток затвора транзистора способствует установлению высокого входного сопротивление, что даёт возможность применять разделительно — переходной конденсатор очень маленькой и качественной ёмкости, это удешевляет всю конструкцию усилителя и оказывает положительное влияние на качество звукоусиления.

Мощные полевые MOSFET транзисторы имеют меньший разброс основных параметров, чем биполярные транзисторы, что как бы облегчает их параллельное включение и уменьшает общее выходное сопротивление усилителя мощности (без ООС). Но на практике, это не всегда так (см. ниже).

Высокая температурная стабильность, малая мощность управления, слабая подверженность к пробою, самоограничение тока стока, высокое быстродействие в режиме коммутации, малый уровень шума — это основные преимущества полевых MOSFET транзисторов перед вакуумными приборами и биполярными транзисторами.

С практической точки зрения выявляются существенные недостатки MOSFET транзисторов, которые ограничивают их применение в мощных усилительных выходных каскадах.

Отказ от применения мощных полевых MOSFET транзисторов (в звуковых каскадах) в пользу мощных биполярных транзисторов.

Мощный MOSFET транзистор нуждается в постоянной защите затвора шумными стабилитронами, при установке которых, дополнительный шум стабилитрона добавляется в звуковой сигнал, что частично нейтрализует их достоинства и приводит к необратимой деградации звукового сигнала.

Некоторые MOSFET транзисторы (к примеру HITACHI) имеют встроенные в корпус стабилитроны. Такой транзистор автоматически термостабилизирован, что значительно упрощает схему включения, но качество звука оставляет желать лучшего.

У мощного MOSFET транзистора при больших стабильно — постоянных токах потребления (класса "А") возникают искажения термического происхождения (на частотах ниже 100 Гц), это способствует развитию динамической компрессии звука и добавляет "инертность" в звучание.
Конечно можно мотивировать — биполярные транзисторы также имеют термо искажения. Но надо признать, их основные выбросы находятся за пределами диапазона слышимости, где вероятность воздействия на проходной сигнал значительно сокращается.

В сигнальных цепях затворов мощных полевых транзисторов необходимо применять антизвонные резисторы, которые ликвидируют разброс токов при переключении транзисторов и исключают их задержки при включении | выключении. Такое очевидное и правильное схемное решение снимает проблему полностью. В следствии этого получаем, усиленный этим транзистором негативный шум антизвонного резистора и звук приобретает дополнительную инертность.
Это явление (шум резистора при протекании электрического тока) доказано ещё сто лет назад теоремой "Котельникова — Найквиста". Об этой фундаментальной теореме как-то сразу многие забыли или не хотят знать, пологая, что рекламная популярность MOSFET транзисторов легко изменит физику тока/напряжения.

Большие индуктивности в цепи истока мощного мосфета, плюс паразитные ёмкости между затвором одного транзистора и истоком другого могут разрушить сигнал до неузнаваемости. Сильный разброс входных ёмкостей MOSFET транзисторов и неравенство пороговых напряжений вызывают разброс транзисторов по протекающему току, что исключает их параллельное применение. Следовательно необходимо эмитировать выходное сопротивление в усилителях мощности обратными связями и ставить истоковые резисторы, что негативно влияет на звук и противоречит нашей концепции.

В последствии практических экспериментов выявлено, мощный MOSFET транзистор имеет только одно преимущество — простота применения и чуть более линейные показания приборов. Однако не надо забывать, наше ухо нелинейно и усилитель изготовлен не для приборов, а для ушей и головы. Лучше один раз услышать, чем десять раз измерить.

Вот одни из лучших (список неполный) мощных IGBT и MOSFET транзисторов с которыми провели тест (в порядке убывания качества звука): EC10N20, ECW20N20, BUZ900, SPP03N60S5, 2SK956, 2SK1529, GT20D10, 2SK1530, 2SK1058, IRFP240, IRFP150.

Для любителей MOSFET транзисторов отметим, лучшие звуковые способности демонстрируют высокоскоростные транзисторы с маленькой входной/проходной ёмкостью. Но, многие высокоскоростные транзисторы могут спровоцировать резкость на СЧ/Вч. Отличные результаты звукопередачи можно получить на карбид кремниевых полупроводниках фирмы "Infineon". Мягко и красиво играют звуковые серии фирмы "FUJI". MOSFET транзисторы "IRF, IRFP" совсем непригодны для достижения высококачественного звука, но для экспериментов очень даже неплохо.

При всем том мощный биполярный транзистор "MJL21194" всегда и везде лучше всех, так как он способен пропустить относительно большой управляющий ток через переход база-эмиттер. Этот технический недостаток биполярного транзистора создаёт дополнительный поток энергии в n-p переходе, с характерными особенностями режима класса "А". Совершенно естественно, общее звучание приобретает дополнительную динамику и имеет искажения звука исключительно низких порядков, которые хорошо маскируются основным звуковым сигналом и незаметны на слух. Также этими искажениями обусловлена природная нелинейность биполярного транзистора и лампы, которая достаточно точно эмитирует нелинейность нашего слуха, и отсутствие этих искажений воспринимается как ненатуральность и резкость звука. Полевые транзисторы переключаются с высокой скоростью выдавая всплеск искажений высоких порядков, которые несовместимы с нашим слухом.

Полевой транзистор работает без утечки постоянного тока в затворе, что лишает звуковой сигнал мощной | "пробивной" токовой поддержки. В последствии этого процесса, слабый звуковой сигнал не имеет возможности преодолеть относительно большую ёмкость затвора, без участия мощного поднесущего постоянного тока и все гармонические составляющие звукового спектра вязнут в ёмкости затвора, это приводит к частичной потери звуковой информации.

Установлено, что MOSFET транзистор всегда звучит хуже NFET транзистора, который всё же имеет очень маленькую утечку тока в канале затвор-исток. Это явление ещё раз подтверждает вышесказанное — протекание звукового сигнала только по направлению протекания постоянно тока, что гарантирует мощную энергетическую поддержку сигнала и как следствие высокое качество звуковоспроизведения.

Короче говоря — чем больше ток утечки через базу (затвор), тем лучше звук. Ведь все хорошо знают закон проводимости "Ома", из которого вытекает — чем больше ток, тем меньше сопротивление. Однако непонятно — почему в полевом транзисторе, этот закон не будет работать? Совершено очевидно, если протекает большой ток, значит на пути сигнала нет реальных препятствий. А если тока нет, то есть "запор" или затвор.

Отметим, все MOSFET транзисторы изначально проектировались как переключатели и их электронный переход не предназначен для усиления сигнала. Выключатель — вот их прямое назначение. Только дешевизна и простота установки MOSFET транзистора обеспечивает им популярность в аудио изделиях, на которых сразу можно поставить "крест".

Всё то, что изложено выше справедливо для применения в однотактных повторителях мощности, но нет противопоказаний для использования этой концепции в других усилительных конструкциях. В двухтактных схемах все негативные явления удваиваются и добавляются процессы несовместимости транзисторов разной проводимости.

В наших изделиях применяются MOSFET транзисторы фирмы "FUJI" (только в сервисных цепях), так как они способны выдержать повышенное напряжение пробоя цепи затвор/исток, что обеспечивает им более надёжную защиту от перенапряжения на данном участке.

Для практического доказательства совершенства данной концепции посмотрите видео с участием усилителя "Grimmi".

Лучшее сочетание вакуумных и полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

Amplifier Guide. Part 2. Исследование Сервис-Мануалов.

То, что далее написано — скорее информация к размышлению и систематизации, чем руководство к выбору. Хотя какую то полезную информацию вы, надеюсь, сможете почерпнуть.
Также информация и выводы могут быть спорны. Никаких непреложных истин. Только ориентиры.

Тут уже не будет такого "конспекта", как в прошлой части. Хотя … .

1. Всякая фигня.
2. Входной каскад.
3. Выходной каскад.
4. Корпуса выходных транзисторов.
5. Влияние частотных свойств и петлевого Ку.
6. Примеры.

Первое, что можно посмотреть по СМ — ёмкость фильтров питания. Больше — лучше.
Но иногда поиск этой информации может превратиться в детектив. Например, в мануале на Pioneer VSX-859RDS я данной информации не нашёл.

Сразу скажу, что это "базовый" усилитель и для Hi-End ёмкость вообще ни о чём.

Входной каскад.
Вопреки расхожему мнению, основной вклад в звучание усилителя вносит не вЫходной, а входной каскад. Точнее говоря, тут по принципу "бутылочного горлышка": если выходной каскад НЕ достаточен, то определяющим звучание является он. Если достаточен, то определяющим будет входной. Только он не охвачен Обратной Связью. Нивелировать звучание входного каскада возможности нет.

Дифференциальная Пара на биполярах обычно звучит "жёстче" оной на jFET.

Про топологию "Diamond Buffer" и родственную ей "Marantz HDAM" ничего сказать не могу. Впечатление пока не сформировалось. Предварительное — слишком чисто. Стерильно чисто. Это впечатление от звучания целого аппарата среднего уровня, а не только входного каскада.

Есть и полностью симметричные дифференциальные схемы входного каскада. Но на аудиофильских усилителях я таких не встречал. Разве что Krell-Clone. А вот на современных "концертниках" применяются весьма часто.

Выходной каскад.
Выходной каскад на биполярах обычно звучит "жёстче", но и "чище" оного на MOSFET.

MOSFET "мягче", но может начать "мазать", в то время как выходники на биполярах склонны к чересчур резкому и даже "ядовитому" звучанию. Особенно если пытаются выжать предельную мощность с каждого корпуса.

Если на выходе по 1 паре обычных (в ТО-3Р) транзисторов, почти всегда "рулит" МОСФЕТ. Т.е. усилители начального уровня с выходом на МОСФЕТах звучат почти всегда интереснее аналогичных, но с выходом на биполярах. Видимо, это и является источником байки про преимущество МОСФЕТов.

Если выход более "развитый", то такого преимущества нет и дело уходит в нюансы звучания.
На усилителях высокого класса вы вряд ли с уверенностью сможете указать, какой из них с биполярами на выходе, а какой — с MOSFET.

Но использование и входа и выхода на полевиках, ИМХО, уже перебор.

Корпуса выходных транзисторов.
Транзистор в TO-3 (металл) обычно звучит лучше тр-ра с аналогичными характеристиками, но в TO-3P (пластиковый корпус). Объясняется это бОльшей теплоёмкостью подложки и большей площадью пятна контакта с радиатором. Но надо понимать, что транзисторы в ТО-3 обычно более медленные из-за увеличенных емкостей (корпус — это коллектор) при тех же показателях мощности и тока. Это может отрицательно сказаться на частотных характеристиках усилителя. Точнее говоря, увеличение емкостей, требует применения "тройки" на выходе, в то время как 1 пара транзисторов в ТО-3Р допускает применение "двойки".

Транзисторы в МТ-200 обладают как достоинствами ТО-3, так и не обладают их недостатками (увеличенными емкостями), Более того, у данных транзисторов обычно ОЧЕНЬ пологий график hfe(I). Потому они являются предпочтительными. Для меня использование транзисторов в МТ-200 является своеобразным "знаком качества" усилителя. Даже если их всего 1 пара на канал.

Два транзистора в плече звучат обычно лучше одного. Два транзистора в ТО-3Р обычно аналогичны 1 тр-ру в ТО-3 или МТ-200.
То есть 1 пара транзисторов в ТО-3Р почти однозначно говорит о "базовом" уровне усилителя. Но могут быть и исключения.

Впрочем, по остальным параметрам он вполне подходит: 14 кг при отсутствии радиаторов. В качестве теплоотвода используется корпус — решение не без недостатков, но имеющее право на существование. В результате получаем вполне приличный усилитель в сверхкомпактном для такого качества корпусе высотой всего 9см. Остальные габариты — 43 и 31 см. 2х80 @ 8 Ом, 2х130 Вт @ 4 Ом, частотный диапазон не указан, но, судя по всему, с ним всё хорошо.

Дальнейшее увеличение кол-ва транзисторов в выходном каскаде уже не столь однозначно. Возможно, просто требуется увеличение мощности и Ку драйверного и преддрайверного каскадов т.к. приходится "прокачивать" бОльшую ёмкость. Но 2 тр-ра в ТО-3Р точно лучше одного.

TRAITR — довольно интересное решение от Kenwood (TRIO): прямо в кристалле транзистора сделана структура, шунтирующая базо-эмиттерный переход. Кстати, не составных TRAITR я не видел.

За счет того, что структура термостабилизации реализована прямо в кристалле, она сверхэффективна и уменьшает также и тепловые искажения. По моим личным ощущениям, применение TRAITR (они преимущественно в ТО-3) аналогично применению 2х обычных (не TRAITR) транзисторов в ТО-3Р, или одного в ТО-3 или одного в МТ-200.

Для полноты картины надо добавить, что выходные каскады не ограничиваются только симметричными Эмиттерными Повторителями. Есть также Квазикомплиментарные (характерны для древних усилителей, когда не было хороших мощных PNP транзисторов), по схеме Шиклай (выходной тр-р работает в схеме с ОЭ), U-I (-//-, но с токозадающим резистором под Эмиттером — так любили делать в мощных концертниках 80х — 90х, заодно и органично ограничивался (зы … скороговорка) выходной ток без применения схем защиты — схема не сгорала от КЗ), ВК "Брайстон" — это когда половина транзисторов с ОЭ, половина — ЭП, … . уж не берем всякую экзотику.
В подавляющем большинстве усилителей средней ценовой категории используется выход на комплиментарных ЭП.

Применение различных сборок.
Этим в своё время грешили почти все, но особенно такие любители всего нового, как Marantz и Kenwood. И мне кажется, они даже "дружили" на этой почве :-). Причем, сборки применялись как выходные,

так и сборки УН (Усилитель Напряжения или V-Amp),

Как лично по мне, то применение сборок дает стабильно среднее качество звучания. Т.е. лучше, чем у всякого ***на, но ни в какое сравнение даже со средними усилителями на "рассыпухе".
Удивляет то, что в своё время данные сборки позиционировались более высоко, чем рассыпуха. Например, Kenwood KA-8100/8150 собраны на одной паре 2SA747 / 2SC1116 в TO-3(M), а "более высокие" Kenwood KA-9100/9150 — на TA-100WA (1977 год).

Скоростные свойства усилителя.
Почему нужны скоростные свойства, уже писал: чем выше частота пропускания всех каскадов (выше ПСН), тем большие Скорости Нарастания сигнала он может "переварить", не выходя из линейного режима. Тем меньше по амплитуде и короче по времени переходные процессы. Проще корректировать.
Если вы не пользуетесь цифровыми источниками сигнала (пользуетесь только аналоговыми), то данный параметр вам не особо интересен.

Как понять по схеме, уделено ли данному вопросу внимание?

Где-то был усилитель, в котором каскоды применены вплоть до выходного каскада. Считается одним из лучших усилителей для наушников.

— Применение или выходных "троек" или мощных каскадов раскачки совместно с "двойками" на выходе.

Со входом — выходом разобрались. Теперь самое сложное — то, что посередине — УН (Усилитель Напряжения или V-Amp).
Если входной и выходной каскады обычно стандартны: на входе обычно ДифКаскад (Дифференциальная Пара), на выходе ОБЫЧНО симметричный Эмиттерный Повторитель, то УН (то, что между ними) построены очень по разному. От простого U-I-U (ОЭ, только с резистором под Эмиттером) до трёх ДК последовательно.
Здесь можно развернуть глубокую полемику относительно того, как должен быть построен УМ. Вариантов множество. Начиная с полностью симметричных схем (включая входной каскад), заканчивая полностью асимметричными (с квазикомплиментарным выходным каскадом). Простые / сложные, Высокое петлевое / низкое, … . Это уже выходит за рамки ликбеза. Тем более, что влияние выбранной схематики третично по отношению к влиянию входного и выходного каскадов, общих характеристик и примененных деталей.

Разберем некоторые схемы.

Обладает невысоким петлевым Ку и посредственными скоростными качествами.
Зато простенькая, минимум каскадов, просто корректируется и даже может звучать, но на очень простой акустике. Может применяться, например, для многополосного усиления.

Дальше "нагоняется петлевое":
вместо резисторов во входном ДК появляются ГСТ, соотв., после нужен ЭП т.к. у такого каскада очень высокое выходное сопротивление. Также желателен каскод т.к. каскад получается шибко медленным.
-//- появляется ГСТ в следующем каскаде (раскачки напряжения)
Кто то делает каскад раскачки напряжения 2-тактным, кто-то делает 1-тактным, кто-то инвертирует с помощью токового зеркала.
Добавляется второй, а иногда и третий ДК после входного (перед "раскачкой"). А кто-то делает 2 (3?) каскада с ОЭ для увеличения петлевого Ку.
Кто-то добавляет лишнюю пару транзисторов в выходной ЭП и получает выходную "тройку", кто-то делает мощный каскад раскачки и оставляет выходную "двойку".
Кто-то ставит МОСФЕТы на выход, кто-то в драйвер, а кто-то вообще не ставит.

В общем, велико разнообразие живого мира Урала. Одних комаров только пять тысяч видов.

Fast Switching MOSFET транзисторы против аудиофильских полевиков.

Так ли хороши специализированные полевые аудио — транзисторы в выходных
каскадах УМЗЧ или их легко можно заменить на массовые Fast Switching MOSFET
транзисторы?
Оптимальный ток покоя выходного каскада на полевых транзисторах в усили-
телях мощности.

Многие любители высококачественного звуковоспроизведения уже давно оценили достоинство использования комплементарных полевых транзисторов в выходных каскадах усилителей. Интерес к MOSFET-ам в качестве усилительных приборов выходных каскадов УМЗЧ возник в 70-ые годы прошлого столетия в связи с появлением мощных комплементарных транзисторов, наиболее распространёнными из которых были транзисторы 2SK135 и 2SJ39 фирмы Hitachi.
Специализированные полевые транзисторы, т. е. разработанные специально для аудиоаппаратуры, выпускаются в сравнительно небольших количествах, достаточно дороги, а потому имеют множество китайских клонов, не имеющих никакого отношения к звукотехнике.
Однако существует большой класс мощных импульсных (Fast Switching) MOSFET транзисторов — массовых и недорогих, которые вполне успешно используются в выходных (и не только) каскадах усилителей мощности.

Широкий перечень специализированных звуковых и мощных Fast Switching MOSFET транзисторов мы охватили на странице (ссылка на страницу), там же приведены их справочные характеристики.
На этой же странице мы попытаемся разобраться — а так ли хороши эти аудиофильские полевики по сравнению с Fast Switching MOSFET.

Разобраться в этом вопросе нам помогут И. Рогов из г. Ростов-на-Дону и журнал Радио 2016 №9.

Выходной каскад усилителя – весьма нелинейный узел. И снижение его искажений очень хорошо отразится на работе усилителя и на его качестве звучания. Самые низкие искажения выходного каскада будут, конечно же, в классе А. Вот только греться выходные транзисторы при этом будут очень сильно. Чтобы снизить их нагрев обычно снижают напряжения питания, а это повышает искажения полевиков и, главное, снижает максимальную выходную мощность усилителя. Значит появляется опасность возникновения клиппинга. То есть стремление улучшить звук, приводит к возможности его сильного ухудшения.

Что же делать? А нельзя ли найти такой ток покоя выходных полевых транзисторов, чтобы и искажения были маленькими, и нагрев небольшим? Я усомнился в том, что оптимального тока покоя для полевых транзисторов не существует вообще. Какая-то оптимальная величина тока покоя, которую можно рекомендовать устанавливать в УМЗЧ, должна быть. Чтобы и качество высокое, и нагрев небольшой. Поэтому провел экспериментальную проверку влияния тока покоя выходного каскада на его искажения. Для этого я применил такую систему. Собрал высококачественный усилитель с полевыми транзисторами на выходе, по топологии Лина. Для того чтобы легче было измерять величину искажений, глубина общей ООС была уменьшена на 30 дБ. С целью линеаризации каскада усиления напряжения усилителя, вносящего наибольшие искажения, в него была введена местная ООС глубиной 12 дБ. Такая модернизация позволила более четко выделить искажения, вносимые выходным каскадом усилителя.

С целью всестороннего изучения искажений, вносимых выходным каскадом, измерялись следующие виды искажений такого специализированного усилителя:
– коэффициент гармоник;
– коэффициент интермодуляционных искажений;
– коэффициент гармоник, нормированный к номеру гармоники, вычисленный для первых одиннадцати гармоник. Далее для сравнения спектров вычислялся коэффициент, который можно назвать «фактор спектра» (ФС), показывающий ширину спектра искажений. БОльшие значения ФС соответствуют присутствию в спектре искажений большего числа высших гармоник. Если в спектре присутствует только вторая гармоника, то ФС=1.

На рисунке Рис.1 показана зависимость ФС от ширины спектра сигнала, построенная по результатам проведённых измерений.

Рис.1 Влияние ширины спектра искажений на величину фактора спектра ФС

Были проведены исследования среди наиболее популярных мощных комплементарных транзисторов, устанавливаемых в выходные каскады усилителя:

– IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier;
– 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba;
– 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi.

Во всех случаях измерялись две-три пары однотипных транзисторов. Результаты не усреднялись, но разброс результатов для однотипных транзисторов был несущественным. В пары транзисторы не подбирались.
Измерения производились для двух типов нагрузки: активной, сопротивлением 6 ом и сложной комплексной, имитирующей реальные акустические системы.

Искажения выходных транзисторов на активной нагрузке показаны на Рис.2 – Рис.4.

Рис.2 Зависимость коэффициента гармоник (THD) от величины тока покоя на активной нагрузке

Рис.3 Зависимость коэффициента интермодуляционных искажений (IMD) от величины тока покоя на активной нагрузке

Рис.4 Зависимость фактора спектра ФС от величины тока покоя на активной нагрузке. Полный спетр амплитуд гармоник — см. на рис.1

Хорошо видно, что при увеличении тока покоя величина искажений, вносимых выходным каскадом, снижается. Вместе с искажениями снижается и значение фактора спектра. Это означает, что в спектре искажений снижается содержание гармоник высоких порядков, что положительно сказывается на звучании усилителя, воспринимаемом на слух. При условии, что выходной каскад остается работать в классе АВ, можно легко найти оптимальный ток покоя, при котором искажения невелики и при увеличении тока снижения искажений практически не происходит.
Оптимальный ток получается равным 300 мА для транзисторов IR, 200 мА — для транзисторов Toshiba и 120 мА — для транзисторов Hitachi. Интересно, что последние транзисторы значительно отличаются по величине искажений. Надо сказать, что они отличаются и по работе на постоянном токе, для обеспечения работы этих транзисторов пришлось переделывать цепь смещения усилителя.

Для комплексной нагрузки также характерно наличие оптимальной величины тока покоя, близкой по значениям к оптимальным величинам тока на активной нагрузке.

Интересно отметить, что при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада в ряде случаев растут. Вполне возможно, что здесь проявляется влияние изменения крутизны выходного каскада.

Для более полного исследования и исключения случайности полученных результатов был проведен ряд дополнительных измерений. С целью их упрощения измерялся только коэффициент гармоник, который хорошо отражает нелинейность выходных транзисторов. Исследовались транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. На Рис.5 показана зависимость Кг от тока покоя для различных значений сопротивления активной нагрузки. В целом зависимость сохраняется, и значение оптимального тока покоя можно считать неизменным.

Рис.5 Зависимость коэффициента гармоник (THD) от величины тока покоя для разных сопротивлений нагрузки Rн

1. Искажения, вносимые выходным каскадом УМЗЧ, существенно зависят от тока покоя выходных полевых транзисторов.

2. Наименьшие искажения наблюдаются при работе в классе А, что полностью согласуется с теорией. В классе В искажения существенно выше, чем в классе АВ. С ростом тока покоя искажения в общем случае уменьшаются.

3. Существует оптимальное значение тока покоя, при котором искажения достаточно малы при работе транзисторов в классе АВ. В ряде случаев, при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада растут.

4. Величина оптимального тока покоя для разных транзисторов лежит в диапазоне 150…300 мА, что намного больше тех значений, которые принято устанавливать в усилителях мощности. Обычно в усилителях устанавливают ток покоя 80…100 мА, а в некоторых промышленных конструкциях даже 40…60 мА.

5. Кроме амплитуды искажений, от тока покоя зависит и их спектр. То есть при маленьком токе покоя у нас сразу две беды: большая величина Кг и широкий спектр искажений. Усилитель, ток покоя выходного каскада которого равен оптимальному, должен восприниматься на слух как хорошо звучащий.

6. Для транзисторов IRFP240/IRFP9240 оптимальный ток покоя составляет 300 мА. Для транзисторов 2SJ201/2SK1530 оптимальный ток покоя составляет 200…250 мА. Для транзисторов 2SJ162/2SK1058 оптимальный ток покоя составляет 120…150 мА.

7. Оптимальный ток покоя зависит только от типа выходных транзисторов. Другие факторы, такие как выходное напряжение или сопротивление нагрузки на его величину практически не влияют.

8. Самыми лучшими показали себя транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. Транзисторы IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier заняли второе место. Они хоть и являются переключательными, тем не менее, мало чем уступают транзисторам фирмы Toshiba. Транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi являются заметно нелинейными и не рекомендуются для высококачественного усиления.

9. При неоптимальном низком токе покоя (таком, какой часто устанавливают в усилителях) искажения, вносимые выходным каскадом, в четыре-шесть раз выше (а на слух – с учетом ширины спектра – в шесть-десять раз выше), чем при оптимальном. Поэтому для высококачественного усиления необходимо задавать ток покоя выходного каскада равным оптимальному.

Усилитель для наушников AKG K550. Класс А, MOSFET на выходе

Пару лет назад мой сын подарил мне головные телефоны AKG K520. У них был хороший звук, но абсолютно дебильное оголовье, которое сломалось через несколько сеансов пользования наушниками. Многочисленные попытки как-то укрепить конструкцию к положительному результату не привели.

Я имел неосторожность сообщить об этом сыну, на что он заявил, мол, папа, не проблема, и подарил мне наушники AKG K550 Mk III.
Мне такое направление его внимания зацепило душевные струны, и я решил сделать ответный ход: собрать и подарить ему усилитель для головных телефонов.

Проштудировал конструкции усилителей для наушников от разных гуру, и на лампах, и на микросхемах, и на транзисторах. Хотелось потратить минимум усилий и получить максимум результата, поэтому решил «замутить» на транзисторах. Прочитал на Датагорском сайте статью Андрея Зеленина «Усилитель для наушников «Green JLH». Класс А на трёх транзисторах», подумал и решил, что и двух транзисторов будет достаточно!
В итоге предлагаю вашему вниманию мою конструкцию.

Содержание / Contents

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

�� Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

↑ Технические характеристики усилителя для наушников

— номинальное входное напряжение: 1 В;
— коэффициент усиления: 2;
— сопротивление нагрузки: 32 Ом, не менее;
— входное сопротивление: 100 кОм;
— потребляемый ток: 350 мА, два канала;
— напряжение питания: 24 В, однополярное;
— работа в классе А.

Почему выбраны такие характеристики? В основном, исходя из информации, почерпнутой на просторах сайта reference-audio-analyzer.pro . Я многое узнал там про характеристики своих наушников, об источниках сигнала (ЦАПы) и о всяких других полезных штуках. Вот и подумалось, что так будет необходимо и достаточно!

↑ Моделирование схемы

Прежде чем начать работать руками, я все-таки провел некоторое время за моделированием, поигрался транзисторами, режимами работы для получения максимальной неискаженной амплитуды выходного сигнала и т. п. с целью минимизации нелинейных искажений и получением «красивого» спектра гармонических искажений с преобладанием 2-й гармоники.

Понимая, что бумага все стерпит, сильно не обольщался результатами, но, тем не менее, определил, что схема тонко реагирует на всякие отклонения от оптимальных значений номиналов в основном резисторов. Поэтому, для исключения неприятных последствий я использовал в схеме резисторы с 1% допуском.

Макетирование одного канала на «слепыше» показало, что в цепях питания желательно использовать электролитические конденсаторы большой емкости с низким значениям ESR, т. к. ток, потребляемый от источника питания, имеет значительную переменную составляющую, которая на проводниках, а значит и на дорожках будущей печатной платы будет создавать паразитную амплитудную модуляцию, отрицательно влияющую на сигнал.

↑ Схема усилителя на 2х транзисторах

↑ Перечень используемых элементов

↑ Фильтр питания

Я решил применить готовый импульсный блок питания. По идее электронный дроссель (VT1, VT2) вообще не нужен в такой схеме. Но я электронный дроссель оставил: это довольно эффективный фильтр пульсаций, плюс есть возможность в некоторых пределах менять напряжение питания схемы усилителя.
Применение полевого транзистора в фильтре питания обусловлено только тем, что «пусть все силовые транзисторы (VT1, VT2, VT5, VT6) будут одинаковыми»! По-моему, хорошее объяснение.

↑ Печатная плата усилителя

Смотри чертёж в разделе файлов.

Пробовал все доступные мне способы изготовления: лазерно-утюжный способ с использованием фотобумаги «Lomond», способ с использованием термотрансферной бумаги и способ с использованием пленочного фоторезиста.
Сразу сообщаю, что ламинатора у меня нет.

Эксперименты начались с того, что кончилась фотобумага «Lomond», а на покупку новой пачки чего-то воли не хватило, тем более, что попались статейки про термотрансферную бумагу и пленочный фоторезист. Решил попробовать новое.

↑ Термотрансферная бумага

Тонер никак не хотел держаться на меди, часть (большая или меньшая) обязательно оставалась на бумаге при любых режимах переноса.

↑ Пленочный фоторезист

Отличная технология для массового производства. Фотошаблон не меняется. Однако, если надо поправить ошибки, допущенные при проектировании, необходимо изготавливать новый фотошаблон. И опять камнем преткновения явилось отсутствие ламинатора: ну отслаивался местами фоторезист при травлении!

↑ ЛУТ на журнальной бумаге

Пришлось вернуться к классической ЛУТ, только на бумаге от женского журнала «Мери Кей», любезно предоставленного женой. Когда-то читал, что можно использовать бумагу от журнала «Лиза» и подумал, что американский журнал тоже подойдёт.

Итого, считаю фотобумагу «Lomond» лучшим вариантом, меловку от модных журналов согласен применять за неимением Ломонда.

↑ Мощность, звуковое давление, напряжения и токи в схеме усилителя

↑ О питании и звуковом давлении

Каков допустимый диапазон питающего напряжения? 12В, 15В, 18В потянет? Если да, то нужно ли менять номиналы каких-либо резисторов?
Вопрос вроде простой, а ответ на него не очень. Конечно, можно использовать источник питания с другим значением напряжения: 12В, 15В, 18В, и даже, например, 30В! Схема всё равно найдёт свою рабочую точку и будет там стоять.
Номиналы элементов при этом менять не надо.

Чем же руководствовался я при выборе напряжения питания? Это усилитель для головных телефонов. В моём случае наушники с номинальным сопротивлением 33 Ом, чувствительность средняя к напряжению: 117.85 дБ/В SPL, т. е. при подведении к ним действующего напряжения 1 Вольт создается звуковое давление 117.85 дБ.

Информация об уровнях звукового давления создаваемых различными источниками легко находится на просторах интернета.

Так что получается, что выбранные характеристики усилителя обеспечивают в пределе звуковое давление на уровне 120 дБ «почти невыносимо — болевой порог», обеспечивая при этом безопасную работу моих наушников.
При выбранном напряжении питания 24 Вольт и уровне искажений выходного сигнала не более 0,1% усилитель обеспечивает выходное напряжение (амплитудное) 3,5 Вольт.

При использовании наушников с номинальным сопротивлением 100 Ом будет гарантирована подводимая мощность к наушникам 75 мВт, что тоже немало.

Для наушников с сопротивлением 600 Ом этот усилитель, наверное, не подойдет, хотя, если бы у меня были такие наушники, я бы и в этой схеме заставил их работать по максимуму.

Опережая возможные вопросы о напряжениях, токах и мощностях в схеме привожу картинки из модели с соответствующими данными. Надо сказать, что они достаточно точно соответствуют реальным значениям — напряжения во всяком случае.

↑ Напряжения в схеме

↑ Токи в схеме

↑ Мощности в схеме

↑ Заказ деталей и корпуса

Трудился по двум направлениям: разработка схемы и разработка конструкции. Если по первому направлению я ещё что-то соображаю, то по второму мои способности более чем скромные. Поэтому я не стал ломать голову над конструкцией, а сразу заказал у китайских товарищей корпус, заточенный под усилитель для головных телефонов подходящего размера, регулятор громкости, гнездо подключения телефонов и пр.

	Алюминиевый корпус для усилителя головных телефонов Очень симпатичный корпус! Внутренний размер 135×230×48 мм. Передняя панель толщиной 8 мм. В комплекте резиновые ножки, алюминиевая ручка, выключатель питания, разъём питания, винты.
	Импульсный блок питания 24 Вольт, 1 А Вход: AC 100-265 V 50/60Hz Выход: DC 24 В 1A Защита от короткого замыкания, защита от перегрузки, защита от перегрева.
	Потенциометр RH2702, клон ALPS RK27 Металлический вал 6 мм, 8 pin (отводы для тонкомпенсации), зубчатая накатка под ручку.
	Разъёмы RCA на панель Есть попроще, есть подороже. Все вполне применимы.
	Розетка для наушников 1/4″ (6,35 мм) Монтаж в плату и/или на панель
	Свёрла для плат из карбида вольфрама Наборы от 0.3 мм до 1.2 мм и более. Отлично берут стеклотекстолит, долго не тупятся. Диаметр хвостовика: 3,175 мм (1/8»). Общая длина: 38 мм.
	Экструдированные радиаторы Размер: 25×35×12 мм. Для корпусов TO-220.
	Транзисторы BC807-40 (5C) SOT-23 PNP 45V 500mA
	Фольгированный текстолит Односторонний, разные размеры кусков.
	Термотрансферная бумага для ЛУТ Берите целыми листами А4, не свёрнутыми в рулон.
	Трубчатый припой Mechanic с флюсом внутри Хороший припой. Для тонких работ берите 0,5 мм. Доступен в диаметрах от 0,3 мм до 1,5 мм. Точка плавления 185°С. Хорошо смачивает. Блестит.

Отдал определенную сумму денег, и понял, что поступил правильно! Самому такую красоту на родине за такие деньги не сделать. Осталась на мне печатная плата, но это мы более-менее делать умеем!

↑ Теплоотводы

Мощности на полевых транзисторах модель не считает, но они просто считаются через падения напряжения на них и токи, и примерно составляют Р=0,9 Вт. Отсюда вывод, что для них необходимо использовать теплоотводы.
Я применил упомянутые выше. Каждый из этих радиаторов может рассеять тепловой мощности Р = 1.2 — 1.4 Вт, проверено моим тестером теплоотводов. Поскольку корпус закрытый, я принял коэффициент нагрузки К = 0.3 — 0.5. Это касается и мощностей силовых резисторов, поскольку при коэффициенте нагрузки 0.7, к резисторам притронуться нельзя — горячие сильно! И на плате я их расставил подальше друг от друга.
Даешь на каждый силовой компонент поменьше тепла!

↑ Источник питания

Ждал долго, посылка один раз уходила обратно в Китай, т. к. китайские товарищи в целях экономии выбрали способ пересылки отправлений без уведомления, а наша почта молчала, как рыба об лёд. Уведомление почта в итоге высылала, и примерно такого содержания: «срок хранения отправления истек, отправление отправлено обратно в Китай».

Конструктивно я поместил источник питания на планку из стеклотекстолита размерами 135×40 мм и толщиной 1,5 мм. Т.к. ответных частей разъемов китайцы в посылку не кладут, то я выпаял установленные в модуль питания разъемы и припаялся проводами прямо к дорожкам.

↑ Проверка параметров ИБП

Всё-таки получить вожделенный заказ удалось, при этом хотелось убедиться, что модуль соответствует заявленным характеристикам и обеспечивает выходное напряжение 24 В при токе 1 А. Хотелось увидеть также уровень пульсации выходного напряжения.

Здесь меня выручил разработанный и изготовленный ранее приборчик под названием «Тестер теплоотводов». Я включил его в качестве нагрузки к купленному источнику питания, установив ток нагрузки 0,5 А. Частота преобразования оказалась около 40 кГц, что выходит за диапазон слышимых частот, а пульсации выходного напряжения на этой частоте и этом токе были в размахе около 10 мВ. В первом приближении это меня полностью устраивало.

↑ Сборка усилителя

Не обошлось без накладок: неправильно разметил положение потенциометра ALPS.
Чертежа лицевой панели корпуса не было, размеры пришлось снимать самому. И я ошибся с потенциометром, сдвинул разметку для него на плате на 5 мм вправо, считая от осевой линии. Обнаружил сей факт уже после того, как протравил плату.

Переделывать не стал, с новой технологией намучился.
Спасло то, что заготовка платы была размером 150×100, а итоговая плата должна была иметь размеры 135×100, и по счастливой случайности я перенес рисунок на плату по центру заготовки. Решил установить потенциометр на плату как есть, а контур платы сдвинуть в нужную сторону (т.е. вправо) и плату обрезать по месту корпуса. Разъем телефонов пришлось припаять на проводах.
Вот так и получилось, что неправильно разведен ALPS, а «пострадал» JACK.
Трассировку платы, каюсь, не правил — двигайте под себя.

↑ Борьба с фоном

Включил, выставил подстроечным резистором R1 на фильтрах питания напряжение питания усилительной части U=18 В.

Имею жуткий 50-герцовый фон. Стал разбираться, оказалось, забыл соединить землю ALPSа с землей схемы, пришлось бросать перемычку. Фон снизился, но ненамного.
Кардинально помогло соединение корпуса ALPS и, соответственно, корпуса всего усилителя с общим проводом схемы.

Очень важным оказалось использовать хорошо экранированный провод от потенциометра до входных гнезд RCA «тюльпан». И межблочный кабель тоже должен быть хорошо экранирован.

↑ Итоги

Включил, слушаю, не утомляет, нравится. Позже, может быть, сниму характеристики. Послушаю с другими наушниками, дам другим послушать.

На усилителе понравится лежать коту: внутри около 8 Ватт тепла, снаружи корпуса градусов 35С.