Похоже, доломал

Дорисовал схему усилителя для наушников. Схема, в-общем, самая классическая — операционный усилитель и двухтактный выходной каскад на рабоче-крестьянских силовых транзисторах TIP29/TIP30. Берём любую книжку по электронике, например, того же Горовица-Хилла, и там всё можно найти.

Схема питается от блока питания ±15V, и её можно использовать не только для наушников. Если немного пересчитать выходной каскад, она вполне может потянуть небольшой громкоговоритель, желательно, импедансом повыше (от 16 ом), и может в таком режиме выдавать около 2 ватт. Это, кстати, только кажется, что мало. При громкоговорителе с нормальной чувствительностью этого вполне достаточно, чтобы домашние начали орать, чтобы сделал потише =)

В конечном счёте максимальная выдаваемая данным усилителем мощность упирается в основном в ограничения операционного усилителя OPA134 и простого выходного каскада — питание максимум от ±18 вольт, выходное напряжение на ±2 вольта меньше напряжения питания, максимальный выдаваемый ОУ ток — 34 миллиампера, плюс падение в 0.7 вольт на каждом выходном транзисторе — и получается, что сильно больше этих самых двух ватт не выжмешь. Ну, если речь о том, чтобы слушать качественный сигнал.

Немного о самой схеме (это, скорее, заметки для себя, чтобы не забыть, как это всё рассчитывать). Коэффициент усиления обуславливается соотношением номиналов резисторов R2 и R1 в цепи отрицательной обратной связи и равен 1 + R2/R1, т.е. при данных номиналах он составляет около 10. Резистор R2 я сделаю переменным, крутилку выведу наружу и помечу как Gain. Конденсаторы C1 и C2 дополнительно стабилизируют питание (в окончательной схеме я их ещё дополнительно шунтирую мелкими керамическими или полиэстеровыми конденсаторами). Конденсатор C3 закорачивает наводки радиочастот на землю, чтобы не усиливать посторонние сигналы. Выходной тракт самый обычный — диоды D1 и D2 практически любые маломощные кремниевые, их задача только в том, чтобы загнать транзисторы Q1 и Q2 в линейный режим, иначе при переходе сигнала через ноль будут искажения. Не надо использовать мощные выпрямительные, германиевые или диоды Шоттки — у них падение напряжения будет другим, чем на базе у кремниевых транзисторов. Вдобавок их надо монтировать в контакте с самими транзисторами, на теплопроводящей пасте — таким образом будет обеспечена стабильность при нагреве. Значения резисторов R3 и R4 рассчитываются исходя из максимального тока, который будет выдаваться транзисторами. Я исходил из максимальной мощности в 1 ватт, для нагрузки в 32 ома (представленной резистором R5). По закону Ома это ток около 32 миллиампер. Делим это на коэффициент усиления по току транзисторов в 30 (мыслим консервативно). Получаем около 9k ом. Мыслим, опять же, консервативно, и ставим 8k2. Выходные резисторы R6 и R7 опять же, для дополнительной стабильности. Ну, и конденсатор C4 приводит коэффициент усиления схемы к нулю для сигналов постоянного тока.

При симуляции усилителя параметры КНИ очень впечатляющие:

А теперь попробуйте повторить это же самое на лампах, ага. Всё чисто ламповое (не гибридное) с КНИ менее 0.1% есть либо наглое враньё, либо замеряно в каких-то спецусловиях, не имеющих ничего общего с реальным миром.

Конечно, понятно, что это только симуляция, и она не учитывает, например, тепловой шум от резисторов (что тоже корёжит сигнал). Но по крайней мере, это служит хорошей аттестацией того, что дизайн как минимум, неплох.

Одно мне непонятно в программе LTSpice — её очень странный подход к расчёту тепловыделения. Она продолжает упорно считать, что при максимальной громкости транзистор Q1 будет рассеивать более 8 ватт. При этом напряжение, выдаваемое усилителем на нагрузку, составляет 20 вольт от гребня до гребня, или около 7 вольт среднеквадратичных. Соответственно, это ток в 220 миллиампер или 110 миллиампер на каждый транзистор. На транзисторе высаживается около 11.5 вольт, и его тепловыделение будет около 1.3 ватт (ток в базе я не буду учитывать — там копейки). Откуда восемь ватт — непонятно.

В заключение скажу, что для наушников данный усилитель — мягко говоря, очень избыточен. Чувствительность моих 950х Сонек составляет 106 децибел на милливатт. Т.е. выдав на них 10 милливатт я получу громкость как на концерте монстров рока, а с мощностью в 1 ватт я почти с гарантией оглохну =)))

Осталось запилить схему в том же Eagle, запулить печатную плату, собрать, и вперёд. Надеюсь, найду время.

Mirrored from Лабораторный Журнал №6.

Tags:
> При этом напряжение, выдаваемое усилителем на нагрузку, составляет 20 вольт от гребня до гребня, или около 7 вольт среднеквадратичных. Соответственно, это ток в 220 миллиампер или 110 миллиампер на каждый транзистор.

А ток покоя Q1/Q2 он, интересно, какой насчитал? Может там собака порылась?
Хм. Весьма возможно.

Ток в эммитере Q1 там действительно довольно большой, но такой хитровыпендрёжной формы, что среднеквадратичное значение я подсчитать затруднюсь:



И не совсем понятно, а куда он, зараза, утекает, ибо на нагрузке его не видно. На минус через PNP-пару Q2, что ли?
На минус через Q2, куда ж ещё. Ток покоя как я понимаю задаётся напряжением на диодах D1 и D2, резисторами R6 и R7, и свойствами выходных транзисторов (ВАХ перехода база-эмиттер, и h21э). Если что-то напутано, в реальности (малы R6/R7) или в модели (крутовата ВАХ) - легко получить довольно заметный сквозной ток.
Подкрутил значения выходных резисторов до 10 ом. Придётся, видимо, смириться с более высоким выходным сопротивлением. Но зато тепловыделение стало человеческим.

Впрочем, может быть, ещё другие транзисторы попробую или другие диоды.

Как всегда, спасибо!
Так выходное сопротивление (на малом сигнале) ещё от обратной связи зависит - формулу не помню, но что-то вроде "делится на отношение open loop усиления и усиления с замкнутой петлёй ОС". В данном случае ОС довольно глубокая, поэтому выходное сопротивление всё равно окажется низким, ухудшится только КПД (на резисторах будет выделяться примерно треть мощности нагрузки) вру, КПД сохранится, просто часть (небольшая) нагрева транзисторов перейдёт на резисторы. Максимальная мощность, конечно, упадёт.
В теории ухудшатся ещё всякие переходные свойства, типа работы на ёмкостную нагрузку, но в данном случае нагрузка "слегка индуктивная", плюс есть большой запас по амплитуде сигнала, так что это вряд ли будет заметно.

Edited at 2018-05-01 07:20 pm (UTC)
Поменял транзисторы на BD139/140 -- стало совсем хорошо!
Может, параллельно одному из диодов подстроечник повесить, ом на 200-500? И подстроить ток покоя по потребности уже на живой схеме. А то подбирать диоды/транзисторы по не факт что стабильным параметрам и по неизвестной точности модели - как-то странно.
...а то доподбираешься до того, что заменишь диоды на какие-нибудь SBD, ток покоя станет околонулевым, а "ступеньку" в модели не заметишь, потому что ОС всё вытянет. А после сборки окажется, что реальная ОС не всесильна, и звук не тот :-)
Это, конечно, хорошая мысль, но я думаю, что по какой-то причине именно TIP29/30 здесь плохо работают. Может быть, SPICE-модель кривая (в LTSpice её не встроили, пришлось от производителя скачивать).

Я практически любые другие NPN/PNP транзисторы ставлю -- и всё нормально.

Ну и Горовица-Хилла надо покурить будет, не может такого быть, чтобы они не рассматривали потенциальные проблемы с двухтактным выходным трактом.
Я больше верю в "кривую модель", чем в то, что TIP29/30 - какие-то уникальные транзисторы, с характеристиками непохожими на других. Из одного кремния ведь делают, по очень близким технологиям...
В давние советские времена народ увлекался усилителями/магнитофонами/вертушками, и была такая очень простая но эффективная схема Агеева.

Она похоже на то что в посте, но на выходе там стоят две комплементарные пары транзисторов, что дает хорошую термокомпенсацию смещения, и довольно высокую линейность.
forum.cxem. net/uploads/monthly_03_2009/post-46267-1235972660.jpg

Плюс мощность гораздо выше, усилитель Агеева прекрасно работает на низкоомную нагрузку.
Я, конечно, сварщик только начинающий, но КМК, в этой схеме будет много искажений типа "ступенька" в момент перехода сигнала через ноль, т.к. отсутствуют элементы, задающие линейный режим выходному каскаду (диоды D1-D2 , как на моей схеме). Тут, похоже, чистый класс B. ОС, конечно, искажения немного вытянет, но правильнее было бы сделать класс AB.

Плюс комплементарные пары Шиклаи, это, конечно, круто, но совсем уже лютый overkill для наушников.
>>>Я, конечно, сварщик только начинающий, но КМК, в этой схеме будет много искажений типа "ступенька" в момент перехода сигнала через ноль, т.к. отсутствуют элементы, задающие линейный режим выходному каскаду (диоды D1-D2 , как на моей схеме).

В том-то и фокус что эта схема дает довольно хорошую линейность.

Дело в том что смещение создаваемое первым транзистором (V1) соответствует по величине но противоположно по знаку смещению второго транзистора (V3), более того - схема автоматически (и очень качественно) термо-компенсирована потому что транзисторы первого и второго каскада стоят на одном и том же радиаторе.

>>>Плюс комплементарные пары Шиклаи, это, конечно, круто, но совсем уже лютый overkill для наушников.

Понятно что эта схема не для наушников. Это усилитель для колонок.
> Дело в том что смещение создаваемое первым транзистором (V1) соответствует по величине но противоположно по знаку смещению второго транзистора (V3)

Но чтобы транзисторы V1/V2 вообще начали проводить, им надо подать на базу напряжение около 0.7 вольт. До этого они проводить не будут. Т.е. сигнал меньше этого напряжения они вообще не увидят.

В моей схеме эта проблема решается диодами D1-D2, подающими на базу те самые 0.7 вольт.

Тут этого нет.
???

Просто посмотрите на схему внимательно.

Если на базе V1 ноль, то на эмиттере будет +0.7 вольта. Эти +0.7 вольта поступают на базу V3, и на эмиттере V3 будет опять ноль. Аналогично и для второй части только с отрицательным смещением.

Т.е. V1 работает в качестве генератора смещения для V3, а V2 работает в этом же качестве для V4.
А, теперь понял. Просимулировал схему, разобрался.

Да, прикольно. И диодов не надо, и выходной каскад мощный получается.
ЯННП, но сильно уважаю за такую мозговитость.
Я с тобой. До сих пор не понимаю как я университетский курс радиоэлектроники сдал. Как где начинаю читать про усилители и обратную свзяь - так с тех пор сразу в сон валюсь.
Тебе просто данный вид спорта неинтересен.

Ну, а для меня это хобби, меня прёт про это читать =)