05.04.2021

Усилитель Лина


Усилитель Лина — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Разработан Хун-Чан Лином в 1956 году, массово применялся в серийных УМЗЧ 1960-х и первой половины 1970-х годов. В начале 1970-х годов конструкторы развили базовую схему Лина до так называемого модифицированного усилителя Лина — трёхкаскадного усилителя с дифференциальным входным каскадом и комплементарным двухтактным выходным каскадом. Во всех вариантах усилителя Лина усиление напряжения возложено на единственный биполярный транзистор, работающий в режиме c общим эмиттером, при этом опорным («нулевым») уровнем этого каскада служит одна из шин питания.

Модифицированный усилитель Лина, фактически являющийся высоколинейным операционным усилителем (ОУ), абсолютно доминировал в схемотехнике дискретных и интегральных УМЗЧ и классических интегральных ОУ последней четверти XX века и начала XXI века. В схемотехнике интегральных УМЗЧ малой мощности по-прежнему используются и варианты базовой схемы Лина.

Изобретение Лина

Транзисторные усилители мощности 1950-х годов строились по унаследованной из ламповой схемотехники симметричной (пушпульной) двухтактной схеме с двумя трансформаторами (входным и выходным). Эти усилители, развивавшие выходную мощность порядка нескольких сотен мВт, имели высокий коэффициент полезного действия (что обусловило их применение в переносных радиоприёмниках и слуховых аппаратах) при неустранимо высоких нелинейных искажениях. Высокий уровень коммутационных искажений был предопределён работой в режиме AB с малыми токами покоя. Снизить его, охватив усилитель петлёй отрицательной обратной связи, было практически невозможно из-за частотных и фазовых искажений в двух последовательно включённых трансформаторах.

Для того, чтобы охваченный обратной связью усилитель был устойчивым, требовалось исключить из схемы как минимум один из двух трансформаторов. Функции согласования импедансов и расщепления фаз управляющего сигнала, которые в классической схеме исполняли трансформаторы, следовало возложить на транзисторы. Дополнительную сложность представлял ограниченный ассортимент тогдашних, исключительно германиевых транзисторов: в слаботочных каскадах конструкторы могли использовать транзисторы и pnp-, и npn-структуры (пока ещё не комплементарные), в мощных — только pnp-транзисторы. Решение задачи — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного УМЗЧ — было найдено разработчиком компании RCA Хун-Чан Лином и опубликовано в сентябрьском номере журнала Electronics за 1956 год.

В классическом авторском варианте Лина — всего два каскада. Всё усиление напряжения сосредоточено в первом каскаде на транзисторе V1 (в схемотехнике УМЗЧ называемом каскадом усиления напряжения, КУН). Выходной каскад Лина — квазикомплементарный двухтактный эмиттерный повторитель, в верхнем плече которого включён составной транзистор на паре Дарлингтона, а в нижнем — составной транзистор на паре Шиклаи. Термостабилизация выходного каскада возложена на термистор VT. Усилитель охвачен тремя петлями обратной связи: вольтодобавка на конденсаторе С3 стабилизирует режим работы V1, петля ООС R8C5 в сочетании с выходным сопротивлением источника сигнала задаёт коэффициент усиления, делитель R1R2 стабилизирует напряжение средней точки эмиттерного повторителя и также участвует в задании коэффициента усиления. С указанными Лином компонентами усилитель способен отдать в нагрузку сопротивлением 16 Ом выходную мощность 6 Вт. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 400 Гц достигает 1 % — слишком много по меркам ламповой аппаратуры, но существенно меньше КНИ пушпульных транзисторных схем.

Асимметрия вольт-амперных характеристик пар Дарлингтона и Шиклаи на кремниевых транзисторах

Простая, элегантная и при этом хитроумная схема Лина имела много недостатков. Выходной каскад был связан с нагрузкой через разделительный электролитический конденсатор, вносивший в усиленный сигнал заметные искажения. Входной каскад предполагал подключение к источнику сигнала с определённым — не большим, но и не малым — внутренним сопротивлением, фактически работавшим в режиме генератора тока. Первое можно было преодолеть, перейдя с однополярного питания на двухполярное, второе — включением на вход усилителя Лина дополнительного согласующего каскада. Намного серьёзнее была проблема теплового дрейфа выходного каскада: именно из-за неё массовое внедрение усилителя Лина началось лишь в середине 1960-х годов, когда на рынке появились кремниевые транзисторы. Усилители, построенные на новейшей элементной базе, были достаточно надёжны, экономичны, не требовали наладки — но неблагозвучны. Асимметрия пар Дарлингтона и Шиклаи, малозаметная в каскадах на германиевых транзисторах, с переходом на кремниевые транзисторы оказалась недопустимо велика. Конструкторы 1960-х годов, воспитанные в рамках ламповой схемотехники, были не готовы и не способны решить эту проблему; простейшее и наилучшее решение — использование комплементарных выходных транзисторов — было пока невозможно. Мощные кремниевые транзисторы тех лет были доступны только в npn-структуре; мощные кремниевые pnp-транзисторы появились лишь в начале 1970-х годов, а комплементарные, симметричные пары npn- и pnp-транзисторов — ещё позже.

Несмотря на недостатки, схема Лина оказалась чрезвычайно долговечной. Последовательные, пошаговые усовершенствования её узлов и связей между ними продолжались десятилетиями; в начале 1970-х годов схема мутировала в модифицированный усилитель Лина, абсолютно доминировавший в схемотехнике УМЗЧ последней четверти XX века, а затем и эта схема подверглась множеству больших и малых доработок. Главная причина успеха схемы кроется в непосредственной связи каскада усиления напряжения и выходного каскада. Усилитель Лина легко трансформируется в полноценный усилитель постоянного тока (УПТ) — для этого достаточно устранить выходной разделительный конденсатор и дополнить схему входным дифференциальным каскадом. Низкоомное соединение баз и эмиттеров выходных транзисторов гарантирует щадящий режим работы даже при значительных обратных токах коллекторов (что было критично для несовершенных транзисторов 1960-х и 1970-х годов); верхний и нижний силовые транзисторы попеременно надёжно запираются. Ни одно из этих достоинств, само по себе, не уникально для схемы Лина, но Лин сумел первым свести их воедино в простой, пригодной для массового выпуска и дальнейших усовершенствований конструкции.

Эволюция схемы

Последовательные усовершенствования схемы Лина в 1965-1972 годы

Исходная схема Лина (упрощённо) Стабилизация температуры диодными или транзисторными датчиками Генератор стабильного тока в нагрузке КУН Биполярное питание Дифференциальный входной каскад Комплементарный выходной каскад

Череда усовершенствований базовой схемы началась не позднее 1961 года, когда британцы Тоби и Динсдейл опубликовали собственную версию усилителя Лина. В этом, трёхкаскадном варианте, схему дополнил входной каскад, согласующий низкое входное сопротивление КУН c выходным сопротивлением источника сигнала. Термистор, регулировавший ток покоя выходных транзисторов, был заменён германиевым диодом; в остальном КУН и выходной каскад остались неизменными. В конце 1960-х датчики на кремниевых диодах стали стандартным оснащением УМЗЧ, и примерно тогда же появились первые транзисторные датчики — умножители напряжения база-эмиттер. К концу 1970-х годов транзисторные датчики вытеснили диодные.

В начале 1970-х годов конструкторы УМЗЧ освоили применение транзисторных генераторов стабильного тока (ГСТ), до того использовавшихся лишь в аналоговых интегральных схемах. Замена нагрузочных резисторов КУН (R3, R4 в схеме Лина) на активный ГСТ позволила снизить рабочий ток КУН (в схеме Лина он был вынужденно высоким), увеличить его коэффициент усиления до практического максимума (в 1970-е годы составлявшего примерно 1000…3000) и отказаться от вольтобавки. Исключение конденсатора вольтодобавки С3 устранило потенциальный источник искажений и приблизило схему к идеалу — усилителю постоянного тока.

Примерно тогда же, по мере удешевления компонентов блоков питания, произошёл переход с однополярного питания УМЗЧ на двуполярное; с исключением из схемы разделительного конденсатора С4 она превратилась в полноценный УПТ. В новой конфигурации условный «нуль» (потенциал эмиттера) входной цепи КУН более не совпадал с общим проводом — теперь он был привязан к подверженной всевозможным помехам шине питания (обычно отрицательной). Задача согласования опорных уровней и фильтрации помех на практике оказалась несложной: вначале её решали с помощью входного каскада на одиночном транзисторе, а на рубеже 1960-х и 1970-х годов конструкторы впервые применили дифференциальный входной каскад. По странному стечению обстоятельств дифференциальный каскад, применявшийся в ламповых вычислительных машинах и промышленной автоматике с 1940-х годов, не использовался конструкторами звуковой аппаратуры до середины 1960-х годов, когда инженеры RCA популяризовали его применение в схемах на новейших кремниевых транзисторах. Превосходство дифференциального каскада над предшествовавшими ему схемами было столь велико, что уже в первую половину 1970-х годов он вытеснил их и стал непременным, безальтернативным компонентом транзисторных УМЗЧ.

Параллельно конструкторы — по-прежнему связанные необходимостью использовать транзисторы одной полярности — искали способы линеаризовать от природы нелинейный, асимметричный выходной каскад схемы Лина. Асимметрию можно было свести к минимуму использованием комплементарных пар мощных транзисторов. Первые практические схемы на таких парах разработали в 1967—1968 годы Барт Локанти и Артур Бейли, но необходимые для них pnp-транзисторы были пока дороги и ненадёжны. Конструкторы вынужденно продолжили совершенствование схемы, использовавшей лишь npn-транзисторы. В 1969 году на свет появились три альтернативные схемы, в которых асимметрия пар Дарлингтона и Шиклаи отчасти компенсировалась диодом, добавленным в пару Шиклаи; в том же году начался выпуск усилителей на «тройках Quad» — трёхступенчатых составных транзисторах.

Полностью подавить искажения, порождавшие «транзисторный звук», эти полумеры не могли; радикальным решением, в принципе исключавшим появление коммутационных искажений, был перевод выходного каскада в чистый режим А. По этому пути пошла британская компания Sugden и многочисленные любители-самодельщики, но для массового производства транзисторные усилители в режиме A были запретительно дороги. Вскоре промышленность освоила выпуск недорогих и надёжных кремниевых транзисторов pnp-структуры, в практику вошли полностью комплементарные выходные каскады, и проблема асимметрии ушла в прошлое. Так, не позднее 1972 года, сложилась структурная схема трёхкаскадного модифицированного усилителя Лина.

Комментарии

  • ↑ В русскоязычной литературе понятие «пушпул» (заимствованное англ. push-pull) нередко обобщается до всякой двухтактной схемы. В контексте ламповой и ранней транзисторной схемотехники оно, однако, имеет узкий смысл: пушпул — симметричная схема, плечи которой включены параллельно по постоянному току, а возбуждающие сигналы — противофазны. Сложение выходных токов осуществляется, как правило, выходным трансформатором.

  • Похожие новости:

    Динамическое изменение напряжения

    Динамическое изменение напряжения
    Динамическое изменение напряжения (англ. Dynamic Voltage Scaling, DVS) — технология, позволяющая уменьшать энергопотребление (а также перегрев) компьютерной системы в зависимости от её загрузки путём

    Динамические искажения

    Динамические искажения
    Динамические искажения (TIM - Transient Intermodulation) - искажения сигнала в усилителе проявляющиеся при резком изменении входного сигнала и из-за недостаточной скорости нарастания сигнала в

    Лин

    Лин
    Лин (др.-греч. Λῖνος), в древнегреческой мифологии имя нескольких персонажей, близких по характеру. По лексикону Фотия, их три: (1) сын Каллиопы, (2) сын Аполлона и Алкионы, (3) сын Псамафы и

    Способы измерения артериального давления у крыс

    Способы измерения артериального давления у крыс
    Для регистрации артериального давления у крыс и мышей используют кимографический метод с применением пневматического усилителя, разделенного металлической мембраной на 2 части, одна из которых
    Комментариев пока еще нет. Вы можете стать первым!

    Добавить комментарий!

    Ваше Имя:
    Ваш E-Mail:
    Введите два слова, показанных на изображении: *
    Популярные новости
    Купить ПЭТ оптом
    Купить ПЭТ оптом
    Полиэтилентерефталат представляет собой распространенный полиэфир и производится под разными...
    Виды тепловых пунктов
    Виды тепловых пунктов
    Тепловые пункты – высокотехнологичное оборудование, с помощью которого во внутренние системы от...
    Качественный многофункциональный инструмент и мотокосы
    Качественный многофункциональный инструмент и мотокосы
    Универсальный инструмент обеспечит эффективное и безопасное выполнение широкого спектра работ......
    Все новости