Усилитель Лина

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Первоначальная схема усилителя Лина, 1956 год. В авторском варианте использованы германиевые транзисторы 2N109 (V1, V2), 2N439 (V4) и 2N158 (V3, V5). Пары Дарлингтона (V2, V3) и Шиклаи (V4, V5) обведены пунктиром.

Усили́тель Ли́на — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Разработан Хун-Чан Лином (H. C. Lin) 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[1][2]. В схемотехнике интегральных УМЗЧ малой мощности по-прежнему используются и варианты базовой схемы Лина[1].

Изобретение Лина

Транзисторные усилители мощности 1950-х годов строились по унаследованной из ламповой схемотехники симметричной (пушпульной[комм. 1]) двухтактной схеме с двумя трансформаторами (входным и выходным)[3][4]. 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[3]. Высокий уровень коммутационных искажений был предопределён работой в режиме AB с малыми токами покоя[3]. Снизить его, охватив усилитель петлёй отрицательной обратной связи (ООС), было практически невозможно из-за частотных и фазовых искажений в двух последовательно включённых трансформаторах[3][5].

Для того, чтобы охваченный обратной связью усилитель был устойчивым, требовалось исключить из схемы как минимум один из двух трансформаторов[3]. Функции согласования импедансов и расщепления фаз управляющего сигнала, которые в классической схеме исполняли трансформаторы, следовало возложить на транзисторы[6]. 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[6]. 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[6][1].

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

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[7]. Термостабилизация выходного каскада возложена на термистор RT. 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[7][8]. С указанными Лином компонентами усилитель способен отдать в нагрузку сопротивлением 16 Ом выходную мощность 6 Вт[7]. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 400 Гц достигает 1 % — слишком много по меркам ламповой аппаратуры, но существенно меньше КНИ пушпульных транзисторных схем[7].

Недостатки

Простая, элегантная[1] и при этом хитроумная[6] схема Лина имела много недостатков.
Во-первых, выходной каскад был связан с нагрузкой через разделительный электролитический конденсатор, вносивший в усиленный сигнал заметные искажения[][][].
Во-вторых, входной каскад предполагал подключение к источнику сигнала с определённым — не большим, но и не малым — внутренним сопротивлением, фактически работавшим в режиме генератора тока[3].
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[9]. Усилители, построенные на этой 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[10]. 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[11] — 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[12].

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[13]. 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[14].

Эволюция схемы

Последовательные усовершенствования схемы Лина в 1965—1972 годах[15]

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, а термистор, регулировавший ток покоя выходных транзисторов, был заменён германиевым диодом[1]. В конце 1960-х датчики на кремниевых диодах стали стандартным оснащением УМЗЧ[8], и примерно тогда же появились первые транзисторные датчики — умножители напряжения база-эмиттер[16]. К концу 1970-х годов транзисторные датчики вытеснили диодные[16].

В начале 1970-х годов конструкторы УМЗЧ освоили применение транзисторных генераторов стабильного тока (ГСТ), до того использовавшихся лишь в аналоговых интегральных схемах[8]. 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[17]) и отказаться от вольтобавки. Исключение конденсатора вольтодобавки С3 устранило потенциальный источник искажений и приблизило схему к идеалу — усилителю постоянного тока[8].

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[8]. 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)[8]. 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[8]. 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[18]. 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[18].

Параллельно конструкторы — по-прежнему связанные необходимостью использовать транзисторы одной полярности — искали способы линеаризовать от природы нелинейный, асимметричный выходной каскад схемы Лина[19]. Асимметрию можно было свести к минимуму использованием комплементарных пар мощных транзисторов. Первые практические схемы на таких парах разработали в 1967—1968 годах 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[19].

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 запредельно до́роги[20]. Вскоре промышленность освоила выпуск недорогих и надёжных кремниевых транзисторов pnp-структуры, в практику вошли полностью комплементарные выходные каскады, и проблема асимметрии выходного каскада ушла в прошлое. Так, не позднее 1972 года, сложилась структурная схема трёхкаскадного модифицированного усилителя Лина[21].

Конструкции любителей-самодельщиков

С появлением комплементарных пар транзисторов, не позднее 1980 года в немецком учебнике Титце и Шенка (5-e издание, в русском переводе книга вышла в 1982 году) была опубликована схема, в которой для повышения входного сопротивления комплементарного эмиттерного повторителя диоды, задающие напряжение смещения, заменены маломощной парой комплементарных эмиттерных повторителей[22]. Однако очевидно, что такая схема появилась не позднее середины 1970-х годов — на публикацию схемы так называемого линейного «параллельного» усилителя ссылается один из авторов любительских конструкций, А. Агеев[23][24].

Появление комплементарных пар транзисторов упростило экспериментальные работы любителей-самодельщиков, особенно в технике конструирования УМЗЧ. Так, в ряде схем проблема асимметрии КУН решалась применением симметричного двухтранзисторного каскада на комплементарной паре транзисторов[25][26]. Комплементарные транзисторы применялись и во входном каскаде, перед КУН[25].

Примечания

Комментарии
  1. ↑ 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.
Источники
  1. ↑ 1 2 3 4 5 Duncan, 1996, p. 96.
  2. ↑ Данилов, 2004, с. 56—57.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 Hood, 2006, p. 142.
  4. ↑ Duncan, 1996, pp. 87, 88.
  5. ↑ Duncan, 1996, p. 88.
  6. ↑ 1 2 3 4 Hood, 2006, p. 143.
  7. ↑ 1 2 3 4 Hood, 2006, p. 144.
  8. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Duncan, 1996, p. 98.
  9. ↑ Hood, 2006, pp. 144—145.
  10. ↑ Hood, 2006, pp. 144—146.
  11. ↑ Hood, 2006, pp. 146—149.
  12. ↑ Hood, 2006, p. 150.
  13. ↑ Duncan, 1996, pp. 96—97.
  14. ↑ Duncan, 1996, p. 97.
  15. ↑ Duncan, 1996, pp. 96—104.
  16. ↑ 1 2 Duncan, 1996, pp. 99—100.
  17. ↑ Полонников, 1983, с. 35.
  18. ↑ 1 2 Duncan, 1996, pp. 98—99.
  19. ↑ 1 2 Hood, 2006, pp. 151—153.
  20. ↑ Hood, 2006, pp. 154—155.
  21. ↑ Duncan, 1996, p. 104.
  22. ↑ Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Пер. с нем. — 5-е издание. — М. : Мир, 1982. — С. 242. — 512 с.
  23. ↑ Аналоговые интегральные схемы / Под ред. Дж. Коннели. Пер. с англ. — М.: Мир, 1977. — С. 101.
  24. ↑ Агеев, 1982, с. 32.
  25. ↑ 1 2 Агеев, 1985, с. 26.
  26. ↑ Дорофеев, 1991, с. 53.

Литература