Одна из проблем, с которой сталкиваются конструкторы усилителей мощности звуковой частоты, это получение достаточного по величине напряжения звукового сигнала, подаваемого на выходные транзисторы с предварительных (предвыходных) каскадов. Связано это с тем, что для получения необходимой мощности на стандартной нагрузке 4-8-16 Ом требуется выходное напряжение амплитудой в десятки, а то и полторы сотни вольт. Соответственно, такое же, точнее, несколько выше, должно быть напряжение питания оконечного каскада. И поскольку в подавляющем большинстве конструкций УНЧ выходной каскад работает по схеме эмиттерного (истокового) повторителя, то и входное напряжение должно быть таким же. Однако, питание таким же напряжением всех каскадов усилителя не всегда приемлемо, а в случае использования в предварительном усилении операционных усилителей и невозможно. В связи с этим, фактически, приходится использовать промежуточный каскад преобразования уровней сигнала, от уровня в несколько вольт, до уровня в десятки или более вольт.
Известны попытки обойтись без каскада преобразования уровней звукового сигнала, повысив выходное напряжение с операционного усилителя за счет "плавающего питания" ОУ, которое берется с выхода усилителя. В частности, в конструкциях А. Агеева "Усилительный блок любительского радиокомплекса", "Радио", 1982, №8, с. 31, и А. Агеев, "Усилитель мощности звуковой частоты с малыми нелинейными искажениями", "Радио", 1987, №2, с. 27, использовано плавающее питание операционного усилителя. Такое решение при всей своей простоте и эффективности имеет и недостатки и явное ограничение. Недостатком является высокий уровень дифференциального сигнала на входах ОУ, равный примерно половине выходного напряжения УНЧ, приводящий к дополнительным искажениям, а ограничение состоит в том, что выходное напряжение УНЧ не может превысить суммы выходного напряжения ОУ и максимально допустимого синфазного напряжения на входах ОУ.
Очевидно, что задача является разрешимой, если отказаться от схемы включения с общим коллектором (стоком) выходных транзисторов, заставив выходной каскад усиливать не только ток, но и напряжение. Очевидно, что в этом случае уменьшится и общее время задержки сигнала в цепи ООС за счет уменьшения числа каскадов усиления, что повысит устойчивость схемы к самовозбуждению и снизит динамические искажения. Схемы выходных каскадов, включенных по схеме с общим эмиттером были известны раньше, чем с общим коллектором, но это было на заре использования транзисторов, когда применялись усилители с выходным трансформатором. На некоторое время про схемы выходных каскадов с ОЭ забыли, но позже все же появились решения, которые при бестрансформаторном выходе давали все преимущества такого включения выходных транзисторов.
В 1987 году в 6 номере журнала "Радио" была опубликована схема УМЗЧ с плавающим источником питания оконечного каскада (http://floatingpower.narod.ru/index/0-5). Эта схема продемонстрировала простой и эффективный путь решения проблемы построения УНЧ с практически любой выходной мощностью, в которых высоким напряжением питается только оконечный каскад, а все каскады предварительного усиления могут быть запитаны стандартным для ОУ напряжением +/-10-18В.
Позже в Радиомир, 2002, N9, С.З была опубликована статьи А.Петрова (http://floatingpower.narod.ru/index/0-9 http://floatingpower.narod.ru/index/0-10) и Радиомир" 2003, 10 (http://floatingpower.narod.ru/index/0-11), где использовалась такая же топология.
Также известная компания-производитель звукотехники OSC начала производство УМЗЧ с топологией выходного каскада с ОЭ (ОИ) и плавающим питанием выходного каскада (http://floatingpower.narod.ru/index/0-20).
Не остались в стороне и японские конструкторы: http://floatingpower.narod.ru/index/0-15 (https://translate.google.ru/translate?hl=ru&sl=ja&tl=ru&u=http://www.ne.jp/asahi/evo/amp/Dnfb/sakadati.htm), также исследовавшие топологию с плавающим питанием оконечного каскада.
Как ни странно, но даже с учетом накопленного положительного опыта и сейчас многие "специалисты", глядя на схемы УМЗЧ с плавающим питанием оконечного каскада уверенно заявляют, что такая схема не может работать в принципе. Некоторые, зациклившиеся на типовых решениях, хоть и не могут возражать против очевидного и признавая, что такие усилители работают, все же пытаются придумывать аргументы против, голословно заявляя о якобы низких технических характеристиках. В общем случае это является следствием того, что такие, с позволения сказать, "специалисты", не способны разобраться в такой простой, но не стандартной топологии, не способны ее использовать и просто пытаются подавить "конкурентов", продвигая более понятные для себя лично решения.
Из всех аргументов "против" топологии УМЗЧ с плавающим питанием оконечного каскада принять можно только один, это необходимость отдельных источников питания для каждого канала. Но и этот аргумент нельзя принять полностью, поскольку и в традиционных схемах часто используют отдельные источники питания для каждого канала.
Еще один аргумент, часто высказывающийся, связан с тем, что значительное усиление в оконечном каскаде усложняет применение ОУ с высоким коэффициентом усиления из-за слишком глубокой ООС и опасности самовозбуждения. Но и этот аргумент не выдерживает критики, поскольку методы частотной коррекции ОУ давно отработаны, а ограничить избыточное усиление ОУ вообще не может даже упоминаться как проблема. Однако, на этот случай был разработан усилитель с выходным каскадом с плавающим питанием, у которого вообще ни один из выходных контактов не соединен с общим проводом (http://floatingpower.narod.ru/index/0-6). Данная схема отличается тем, что элементрарными методами может быть получено различное усиление оконечного каскада, от нуля и до десятков единиц по напряжению. Особо при этом можно выделить вариант с усилением, равным двум, при котором на выходе имеем дифференциальный сигнал, что может быть полезно при необходимости снижения наводок от проводников, идущих к нагрузке.
Однако, вопрос, связанный с невозможностью отказа от отдельных источников питания в схеме с плавающим питанием оконечного каскада не решается. Для тех, кому этот вопрос кажется критичным, напомним, что выходные каскады УНЧ известны давно, было опубликовано множество конструкций, где было использованы похожие решения (см. список литературы).
В качестве примера была разработана схема усилителя, в с выходным каскадом, усиливающим не только ток, но и напряжение, без использования плавающего питания. Такое решение позволяет создавать усилители, в которых только оконечный каскад питается высоким напряжением и при этом используется единый источник питания для оконечных каскадов всех каналов. Также схема обеспечивает высокую линейность и может обеспечивать различное усиление по напряжению в зависимости от номиналов компонентов. В данной схеме не ставилась цель добиться максимально возможных параметров. Основная цель была показать наглядно структуру топологии таких усилителей и получить высокостабильный усилитель с достаточно высокими параметрами, который начинающие радиолюбители смогут легко повторить, а радиолюбители, имеющие собственный опыт разработки, смогут легко модернизировать с целью достижения устраивающих их эзотерику результатов.
Принципиальная схема
Проходные характеристики
[продолжение следует]
Гармонические искажения
Печатная плата
Электронные компоненты
Источник питания
Литература (аналогичные решения):
В.Король, Предоконечный усилитель усилителя мощности звуковой частоты, "Радио", 1986, № 7, с. 40
А. Мельниченко, Простой усилитель мощности, "Радио", 1986, № 12, с. 34
А. Чантурия, Трехполосный усилитель, "Радио", 1981, № 5-6, с. 39
П. Корнев, Симметричный усилитель мощности, "Радио", 1981, № 10, с. 34
Ю. Митрофанов, Экономичный режим А в усилителе мощности, "Радио", 1986, №5, с.40