Выходной каскад усилителя мощности на MOSFET, имитирующий ламповый
Автор: Семёнов М.
Источник: www.gtlab.net
Многие из нас, а особенно имевшие счастье (или несчастье!) подержать в руках электрогитару и влюбиться в нее, вставали перед выбором: лампа или транзистор?
Мнений в этом вопросе столько же, сколько спорящих. И, очень часто, выбор определяется даже не звуком, а доступностью (в частности толщиной кошелька - гитаристы не часто бывают олигархами…). Кроме того, даже лучший ламповый усилок при каждодневной работе требует частой (3-6 месяцев) смены выходных, тоже не дешевых, ламп… Еще один аргумент – вес, а при попытке сделать самому – трудность отыскания выходного трансформатора (а делать их я просто не умею…). И вот, как и многие до меня, я призадумался – а нельзя ли сделать что-нибудь похоже звучащее на транзисторах?
В чем главные особенности и отличия классического лампового выходного каскада? Мне часто доводилось ремонтировать и доводить до заданной кондиции ламповые гитарные усилки (и фирму, и самопалы), поэтому я неплохо знаком с их схемотехникой. Для себя я определил главными признаками лампового выхода неглубокую ООС (отриц.обр.связь), высокую линейность даже без ООС вообще, и высокое выходное сопротивление. Да - да, выходной пентодный каскад работает в схеме с общим катодом через трансформатор на нагрузку и из-за высокого выходного импеданса ламп представляет собой источник тока (а не напряжения, как транзисторный!), хотя и неидеальный. Очень вовремя под руку подвернулась статья Агеева (автор известного усилка и впоследствии гл. редактор ж. “Радио”) http://www.avtozvuk.com/articles/radio/intermod.htm об особенностях работы акустической системы с выходным каскадом усилка, где он обосновывает преимущества токового режима выходного каскада. Смысл в том, что интермодуляционные искажения динамической головки сильно снижаются при работе от выходного каскада с высоким выходным сопротивлением. Это одна из причин мягкого и гладкого лампового звука (это не “украшение” звука, а более высокая верность).
В результате раздумий родилась и была опробована на макете следующая схема:
Выходные MOSFET включены с общим истоком. По аналогии с лампой, MOSFET является преобразователем напряжение/ток с некоторой крутизной (более того, выходные характеристики MOSFET и выходных пентодов (EL34) и лучевых тетродов (6L6) весьма похожи!). Схема двухтактная, и, поскольку крутизна преобразования выходных транзисторов в общем случае неодинакова, подстроечник Х3 служит для симметрирования схемы (забегая вперед, отмечу, что в классе «А» это несущественно). Транзисторы Q1 и Q2 включены по схеме с общей базой и в рабочем режиме весьма линейны. В первоначальном варианте схема стабилизации тока покоя отсутствовала, ток в эмиттеры транзисторов Q1 и Q2 задавался резисторами, включенными между эмиттером соответствующего транзистора и стабилизатором питания операционника, но испытания на макете показали, что несмотря на все теории, при прогреве ток покоя выходных MOSFET все же растет. Ток покоя можно регулировать не только подстроечником Х4, но и резистором R13, в идеале их соотношение должно быть таким, чтобы напряжение на выходе интегратора Х2 было близко к 0, это уменьшит время переходного процесса при включении. Транзистор Q3 должен иметь тепловой контакт с одним из выходных транзисторов, у меня он КТ817 для удобства монтажа. VC и VE - это +12 и -12 для питания операционников, я использовал 7812 и 7912. Резисторы R10 и R9 были введены по аналогии с ламповыми усилками (неглубокая общая ОС), на макете не ставились. Операционник Х2 выполняет 2 функции: приводит постоянку на выходе к 0 и уменьшает выходное сопротивление усилка вплоть до почти 0 на субнизких частотах (выходное сопротивление стремится к 0 на постоянном токе), это сделано для имитации выходной обмотки выходного транса, которая в ламповом варианте заметно улучшает демпфирование НЧ динамика в зоне его резонанса. Диод D1 - обязательно светодиод, просто смещение. Подстроечник Х4 - настраивает ток покоя. Минимальный ток покоя, при котором все линейно и красиво - порядка 400 mA, при меньших токах появляется «ступенька», при дальнейшем уменьшении тока резко падает усиление и линейность (а как же, ООС -то нет).
Так что это довольно глубокое АВ, но для домашнего Hi End есть смысл довести ток покоя до 2-3 А при соответствующих радиаторах и, возможно, пониженном питании, при этом неидентичность характеристик выходных транзисторов не будет иметь значения. Я такой цели не ставил, поскольку имитировал выходной каскад гитарного усилка. Получилось очень прилично, даже зависимость выходного напряжения (усиления) от сопротивления нагрузки, характерная для ламповых концов. В недостатках - большой ток покоя со всеми последствиями… (Хотя, если учесть накалы ламп, и общий КПД лампового усилка, получится где-то рядом).
Выводы: Годится для гитарных комбиков и голов до 50-60 Вт. На больших мощностях возможны проблемы с отводом тепла и низким КПД.
PS Поиск аналогов я не проводил, возможно кто-нибудь такую схему уже придумал…
PPS Нашел неточность - на макете в цепях истоков у меня стоят резисторы 0.36 ом, для 16 ом выхода их можно увеличить до 0.7 ом, линейность и термостабильность возрасут. |
