Русская Википедия:Усилитель Лина
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 векаШаблон:SfnШаблон:Sfn. В схемотехнике интегральных УМЗЧ малой мощности по-прежнему используются и варианты базовой схемы ЛинаШаблон:Sfn.
Изобретение Лина
Транзисторные усилители мощности 1950-х годов строились по унаследованной из ламповой схемотехники симметричной (пушпульнойШаблон:Ref+) двухтактной схеме с двумя трансформаторами (входным и выходным)Шаблон:SfnШаблон:Sfn. 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 искаженияхШаблон:Sfn. Высокий уровень коммутационных искажений был предопределён работой в режиме AB с малыми токами покояШаблон:Sfn. Снизить его, охватив усилитель петлёй отрицательной обратной связи (ООС), было практически невозможно из-за частотных и фазовых искажений в двух последовательно включённых трансформаторахШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Для того, чтобы охваченный обратной связью усилитель был устойчивым, требовалось исключить из схемы как минимум один из двух трансформаторовШаблон:Sfn. Функции согласования импедансов и расщепления фаз управляющего сигнала, которые в классической схеме исполняли трансформаторы, следовало возложить на транзисторыШаблон:Sfn. 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-транзисторыШаблон:Sfn. 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 годШаблон:SfnШаблон:Sfn.
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 ШиклаиШаблон:Sfn. 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 усиленияШаблон:SfnШаблон:Sfn. С указанными Лином компонентами усилитель способен отдать в нагрузку сопротивлением 16 Ом выходную мощность 6 ВтШаблон:Sfn. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 400 Гц достигает 1 % — слишком много по меркам ламповой аппаратуры, но существенно меньше КНИ пушпульных транзисторных схемШаблон:Sfn.
- Недостатки
Простая, элегантнаяШаблон:Sfn и при этом хитроумнаяШаблон:Sfn схема Лина имела много недостатков.
Во-первых, выходной каскад был связан с нагрузкой через разделительный электролитический конденсатор, вносивший в усиленный сигнал заметные искаженияШаблон:КакШаблон:ПочемуШаблон:Нет АИ.
Во-вторых, входной каскад предполагал подключение к источнику сигнала с определённым — не большим, но и не малым — внутренним сопротивлением, фактически работавшим в режиме генератора токаШаблон:Sfn.
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 транзисторыШаблон:Sfn. 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 великаШаблон:Sfn. 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 невозможноШаблон:Sfn — 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 позжеШаблон:Sfn.
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 каскадомШаблон:Sfn. 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 конструкцииШаблон:Sfn.Шаблон:-
Эволюция схемы
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 диодомШаблон:Sfn. В конце 1960-х датчики на кремниевых диодах стали стандартным оснащением УМЗЧШаблон:Sfn, и примерно тогда же появились первые транзисторные датчики — умножители напряжения база-эмиттерШаблон:Sfn. К концу 1970-х годов транзисторные датчики вытеснили диодныеШаблон:Sfn.
В начале 1970-х годов конструкторы УМЗЧ освоили применение транзисторных генераторов стабильного тока (ГСТ), до того использовавшихся лишь в аналоговых интегральных схемахШаблон:Sfn. 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…3000Шаблон:Sfn) и отказаться от вольтобавки. Исключение конденсатора вольтодобавки С3 устранило потенциальный источник искажений и приблизило схему к идеалу — усилителю постоянного токаШаблон:Sfn.
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 УПТШаблон:Sfn. 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)Шаблон:Sfn. 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 каскадШаблон:Sfn. 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 транзисторахШаблон:Sfn. 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 УМЗЧШаблон:Sfn.
Параллельно конструкторы — по-прежнему связанные необходимостью использовать транзисторы одной полярности — искали способы линеаризовать от природы нелинейный, асимметричный выходной каскад схемы ЛинаШаблон:Sfn. 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 транзисторахШаблон:Sfn.
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 до́рогиШаблон:Sfn. 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 ЛинаШаблон:Sfn.
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[1]. 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[2]Шаблон:Sfn.
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 транзисторовШаблон:SfnШаблон:Sfn. Комплементарные транзисторы применялись и во входном каскаде, перед КУНШаблон:Sfn.
Примечания
- Комментарии
- Источники
Литература
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
