Добрый день, уважаемые радиолюбители.

Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами об одиннадцатой конструкции – маломощном ретро-усилителе. Начиная с текущей конструкции мы переходим к рассмотрению конструкций средней сложности. По многочисленным просьбам читателей некоторые конструкции будут выполнены в стиле ретро.

Описываемый в статье усилитель построен на германиевых транзисторах и может быть использован в составе систем воспроизведения малой мощности. Схема электрическая принципиальная усилителя представлена на схеме ниже. Рассмотрим кратко принцип её работы.

Итак, усилитель состоит из нескольких каскадов: входного дифференциального каскада (ДК), выполненного на транзисторах VT1-VT2; усилителя напряжения на транзисторе VT4; источника напряжения на транзисторе VT3 и выходного каскада на транзисторах VT5-VT8. Принцип работы некоторых каскадов мы уже рассматривали ранее в статье Усилитель на 3-х транзисторах [1], поэтому повторно этого делать не будем.

Сигнал с выхода вашего аудиоустройства через разделительный конденсатор С1 поступает на вход дифференциального каскада (ДК) – базу транзистора VT1. На второй вход дифференциального каскада (ДК) – базу транзистора VT2 поступает сигнал отрицательной обратной связи с выхода усилителя. Нагрузкой транзисторов ДК служат резисторы R6 и R7. Выход ДК выполнен по несимметричной схеме т.е. выходное усиленное напряжение снимается только с одного плеча ДК – с коллектора транзистора VT1.

Общий эмиттерный резистор R3 обеспечивает постоянство суммы токов коллектора транзисторов VT1, VT2. В более продвинутых схемах для улучшения работы ДК вместо резистора R3 устанавливается источник стабильного тока (генератор стабильного тока – ГСТ), обладающий высоким внутренним сопротивлением.

Если плечи ДК симметричны по структуре, а на входах ДК отсутствует сигнал, то ток, задаваемый резистором R3, равномерно распределяется между транзисторами VT1 и VT2. Логично предположить, что при одновременном увеличении напряжения база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 на одинаковую величину токи коллектора также должны увеличиться на одинаковую величину. Но это не так — это физически невозможно т.к. противоречит 1 закону Кирхгоффа: сумма токов, втекающих в узел, должна быть равна сумме токов, вытекающих из узла.

Получается, что увеличения коллекторного тока транзисторов VT1 и VT2 не происходит, а значит не происходит и изменения выходного напряжения ДК. Таким образом, идеальный ДК обладает нулевым коэффициентом усиления для синфазного сигнала. В реальном же ДК величина коэффициента усиления определяется величиной резистора R3 (либо внутренним сопротивлением ГСТ) – чем оно выше, тем коэффициент усиления синфазного сигнала ниже (т.е. выше коэффициент подавления синфазного сигнала). Аналогичное рассуждение справедливо и для одновременного уменьшения напряжений база-эмиттер транзисторов VT1 и VT2 на одинаковую величину.

В случае же неравенства изменений напряжений база-эмиттер суммарный ток перераспределяется между транзисторами VT1 и VT2 – в одном плече ток увеличивается, а в другом плече уменьшается на такую же величину т.е. и напряжение на коллекторе одного транзистора уменьшается, а второго увеличивается на одну и туже величину. Это говорит о том, что ДК усиливает дифференциальный сигнал [3-5].

Применение ДК на входе усилителя позволяет достаточно эффективно подавить «дрейф нуля» на выходе усилителя. Под «дрейфом нуля» в данном случае понимается самопроизвольное отклонение установленного напряжения на выходе усилителя (перед конденсатором С10) под действием дестабилизирующих факторов (наводок, изменения температуры, нестабильности питания и пр.). Также применение ДК позволяет достаточно просто организовать отрицательную обратную связь (ООС) с выхода на выход усилителя для подавления собственных нелинейных искажений усилителя.

С выхода ДК усиленный по напряжению сигнал поступает на вход второго каскада – усилителя напряжения, выполненного на транзисторе VT4. Данный каскад реализован по схеме с общим эмиттером. Нагрузкой каскада служит резистор R12. Принцип работы такого каскада мы рассматривали ранее и повторно рассматривать не будем.

Помимо нагрузочного резистора R12 в коллектор транзистора VT4 включён источник напряжения, реализованный на транзисторе VT3. Данный источник напряжения необходим для задания смещения база-эмиттер транзисторов выходного каскада (а следовательно, и тока покоя выходного каскада).

Фактически транзистор в такой схеме можно рассматривать как резистор, управляемый напряжением. В зависимости от напряжения между базой и эмиттером транзистор открывается больше либо меньше. Соответственно изменяется внутреннее сопротивление транзистора между коллектором и эмиттером, а значит и падение напряжения между коллектором и эмиттером.

Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT3 задаётся переменным резистором R10, а также резисторами R11, R23.

Резистор R23 – резистор термостабилизации. При сборке усилителя данный резистор приклеивается к корпусу, либо радиатору одного из силовых транзисторов выходного каскада VT7, VT8. Термостабилизация работает достаточно просто: при увеличении температуры транзистора резистор R23 нагревается и его сопротивление падает. Вместе с тем увеличивается напряжение между базой и эмиттером транзистора VT3 – транзистор открывается сильнее, его внутреннее сопротивление уменьшается, уменьшается падение напряжения между коллектором и эмиттером т.е. уменьшается напряжение смещения транзисторов выходного каскада. Напряжение смещения транзисторов выходного каскада – это напряжение между их базой и эмиттером. Соответственно при уменьшении смещения транзисторы выходного каскада закрываются сильнее, что приводит к уменьшению их тока коллектора, а значит и уменьшению нагрева.

Конденсатор С5 – шунтирующий. Он необходим для исключения влияния цепей источника напряжения на работу усилителя напряжения по переменному току.

С выхода усилителя напряжения усиленный сигнал, через резисторы R15, R16 поступает на вход выходного каскада, реализованного на транзисторах VT5-VT8. Основное назначение выходного каскада – усиление сигнала по току. Нижнее плечо выходного каскада выполнено на составном транзисторе VT6, VT8 по схеме Дарлингтона. Верхнее же плечо, выполнено на составном транзисторе VT5, VT7 по схеме Шиклаи.

Такой подход к построению выходного каскада в усилителях на германиевых транзисторах является типовым т.к. промышленностью практически не выпускались комплементарные пары германиевых транзисторов средней и большой мощности. В случае, когда силовые транзисторы выходного каскада усилителя имеют одинаковую проводимость, каскад называется квазикомплементарным [3-5].

С выходного каскада усиленный по мощности сигнал, через разделительный конденсатор С10 поступает на выходной разъём X3 с подключённой акустической системой.

Резисторы R8, R9, конденсатор С3 – цепочка отрицательной обратной связи. Величина коэффициента усиления по напряжению рассматриваемого усилителя напрямую определяется соотношением резисторов R9 и R8.

Резисторы R21, R22, конденсаторы C8, C9 – цепи Цобеля-Буше. Основное назначение данных цепочек – уменьшение влияния изменения импеданса акустической системы на различных частотах полосы пропускания усилителя. Кроме того, данные цепочки дополнительно повышают устойчивость усилителя в высокочастотной области.

Конденсаторы С2, С4 – конденсаторы высокочастотной коррекции. От ёмкости данных конденсаторов напрямую зависит устойчивость усилителя за пределами полосы пропускания, а также ширина самой полосы пропускания.

Конденсаторы С6, С7 – дополнительный фильтр напряжения питания усилителя.

Настройка усилителя не представляет сложности, но потребует применения двух мультиметров. Перед подачей питания необходимо выставить движок переменного резистора R11 в верхнее (по схеме) положение – это установит минимальное смещение транзисторов выходного каскада, а значит и ток покоя. Движок переменного резистора R1 необходимо установить примерно в среднее положение.

После этого в разрыв плюсового провода питания необходимо включить первый мультиметр в режиме измерения постоянного тока. Второй же мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения необходимо включить между общим минусом усилителя и точкой соединения конденсаторов С8, С9. Теперь можно подать питание и приступить к настройке.

Для настройки необходимо попеременной подстройкой резисторов R1 и R10 установить ток потребления усилителя равный 40-60 мА, и напряжение в точке соединение конденсаторов С8, С9 равное половине напряжения питания. При этом ток потребления устанавливается резистором R10, а напряжение – резистором R1. Следует отметить, что данную настройку необходимо проводить аккуратно т.к. устанавливаемые режимы взаимозависимы т.е. при изменении одного параметра будет изменяться и второй.

На этом настройку можно считать законченной. После настройки усилителя был проведён его контрольный запуск, показанный на видео далее [2].

По видео хорошо видно, что усилитель работает исправно.

В качестве рекомендации по сборке можно посоветовать установку многооборотных резисторов R1 и R10.


После проведения контрольного запуска было произведено измерение основных параметров усилителя. По результатам измерения номинальная выходная мощность усилителя равна 1.5 Вт, выходное сопротивление 0.5 Ом на частоте 1 кГц.


На следующем скрине представлена АЧХ данного усилителя. По скрину хорошо видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ простирается примерно от 38 Гц до 46 кГц. Можно сказать отличный результат, если бы не одно «но» …

…те, кто ранее работал с германиевыми транзисторами знают, что транзисторы типа ГТ403 не слишком быстродействующие. Это и есть подводный камень: примерно с частоты 15-17 кГц из-за роста коммутационных потерь и сквозного тока начинается плавный рост тока потребления при одной и той же выходной мощности. К верхней граничной частоте потребление тока возрастает примерно в 3-4 раза, что недопустимо для нормальной работы усилителя (из-за возможности пробоя силовых транзисторов выходного каскада). Таким образом, реальная полоса пропускания усилителя, ограниченная параметрами выходного каскада, примерно равна 17 кГц.  

А на следующем скрине представлен спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности.

По спектру хорошо видно, что в нём доминируют чётные гармоники с достаточно быстрым спадом уровня высших гармоник, что обычно свойственно ламповым однотактным усилителям.

Все измерения проводились с использованием аудиоанализатора R&S®UPV производства Rohde & Schwarz.

В подборке фото ниже показан внешний вид усилителя во время сборки и испытания.

А на следующих рисунках представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого усилителя (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором и третьем рисунках указано только расположение компонентов схемы). Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертеж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке транзисторов, диодов, а также полярных конденсаторов.

В архиве us-gt-1.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема электрическая принципиальная в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления устройства.

А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.

Список использованной литературы:

1. Усилитель на 3-х транзисторах
2. Видео с испытаний усилителя
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.
5. Завьялов С.А, Мурасов К.В. Схемотехника усилителей мощности низких частот: учебное пособие С.А.Завьялов, К.В.Мурасов.–Омск:Изд-во ОмГТУ,2010.−92с.