Привет, Хабр! Сегодня мы познакомимся с топологией Лина, на основе которой построено множество аналоговых микросхем и транзисторных усилителей звуковой частоты. И, разумеется, соберём действующий усилитель на семи транзисторах.

В 1980-1990-е годы именно с аудиоусилителей для многих из нас начался путь в электронику. Одним требовался более адекватный усилитель для гитары, чем магнитофон, проигрыватель грампластинок или подставка от телевизора «Горизонт». Именно с таких вариантов многие начинали.


Для громкого воспроизведения аудиозаписей на дискотеке бытовой аппаратурой уже не обойтись, а раздобыть трансляционный усилитель, например, от школьного радиоузла, могли не все. Приходилось браться за паяльник и идти в библиотеку за литературой по электронике.


А для тех, кто хотел иметь у себя дома высококачественную стереосистему, собранную своими руками, даже выпускались специальные радиоконструкторы и готовые модули «Старт».


В предыдущих статьях мы встречались со множеством усилителей низкой частоты (УНЧ), но почти все они предназначены скорее для искажения аудиосигнала, чем для его воспроизведения. Потому что это предусилители в составе гитарных эффектов.

▍ КР1438УН2 — микросхема УМЗЧ

Зато для УКВ ЧМ радиоприёмника в корпусе радиоконструктора «Юность» мы использовали усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ) на микросхеме КР1438УН2 (LM386).

Вы не поверите, но этой микросхеме уже исполнилось 54 года! Её разработал инженер компании Motorola Эрни Лерой Лонг, и предназначалась она не для усиления звука, а для ЭБУ (электронного блока управления) системы впрыска топлива Conelec, применявшейся во флагманских автомобилях компании Форд.


Это очень простая микросхема, эквивалентная схема которой содержит всего 10 транзисторов, не считая стабилизатора тока I1. Для сравнения, в составе одного из первых интегральных операционных усилителей (ОУ) uA741, он же К140УД7, насчитывается 22 транзистора.


Зато у дискретного ОУ SK99 от компании Sound Scupltor тоже 10 транзисторов. И что особенно интересно, между схемами копеечной LM386 и бутикового SK99 имеется много общего.

▍ Источник стабилизированного тока

Прежде чем перейти к вопросу топологии транзисторных усилителей, обратим внимание на символ источника стабилизированного тока. Мы видим его на эквивалентных схемах множества аналоговых микросхем. Что это за секретный источник, схема которого не раскрывается?

На схеме Sound Scupltor SK99 имеются два источника тока, построенных на биполярных транзисторах структуры p-n-p Q1 и Q7, которые включены по схеме с общим коллектором.

Все мы знаем эту схему как транзисторный повторитель напряжения. Напряжение на резисторе R1 будет равняться напряжению на базе Q1 минус напряжение база-эмиттер транзистора BC560C. А на резисторе R7 то же самое, но транзистор там другой — BC556C. Хотя типичное напряжение база-эмиттер при токе в единицы миллиампер одно и то же — 0.62 вольта.


Напряжение на базах Q1 и Q7 задаётся параметрическим стабилизатором напряжения, в котором красный светодиод D3 использован в качестве стабистора — двухполюсника, представляющего собой прямосмещённый диод, в отличие от обратносмещённого стабилитрона. Будем считать, что прямое падение на D3 составляет 1.7 вольта.


Тогда напряжение на резисторах R1 и R7 составит 1.08 вольта. Согласно закону Ома, можно рассчитать токи через эти резисторы: 2.3 мА для R1 и 5 мА для R7. Таким образом, ток эмиттерного резистора определяется стабилизированным напряжением на базе транзистора и соответственно стабилизирован.

Эмиттерный ток складывается из токов коллектора и базы, причём коллекторный ток в активном режиме работы транзистора равен произведению тока базы на коэффициент усиления по току h21э.

Для BC556C при коллекторном токе в единицы миллиампер этот коэффициент находится в пределах от 420 до 800, а для BC560C — от 380 до 800. Иными словами, в среднем одна пятисотая часть тока, задаваемого эмиттерным резистором, приходится на ток базы. Весь остальной ток проходит через коллектор.

Вы спросите, зачем Sound Scupltor использовали два разных транзистора в двух одинаковых узлах? Затем, что BC560C малошумящий, и именно через него питаются входные цепи, наиболее чувствительные к шумам.

Почему бы в таком случае не воспользоваться BC560C в обоих стабилизаторах тока? Неужели производители операционных усилителей на дискретных компонентах, которые представляют собой предметы роскоши, экономят на спичках? Разница в цене транзисторов пренебрежимо мала в сравнении с ценой продукта.

При разработке промышленных образцов для массового производства обычно стараются уменьшить номенклатуру компонентов, а тут поступили наоборот. Возможно, как раз потому, что схема, в которой присутствует большее разнообразие деталей, выглядит сложнее и совершеннее.

По этой же самой причине люди, позиционирующиеся как эксперты, фотографируются и снимаются на видео на фоне книжных стеллажей и рабочих мест, где много разного оборудования.


Либо в производство просто пошла схема того прототипа, что показал наилучшие характеристики в работе. Как бы то ни было, операционные усилители на дискретных компонентах — это не шарлатанство.

Они действительно имеют более высокую скорость нарастания и спада напряжения на выходе, чем интегральные ОУ. А этот параметр важен для адекватного воспроизведения высокочастотных составляющих спектра.

Другое дело, что недорогого интегрального NE5532 на самом деле вполне достаточно для воспроизведения и обработки любого аудиосигнала в самом наивысшем качестве. Что подтверждается широчайшим применением этих ОУ в профессиональной аудиоаппаратуре и домашних стереосистемах, в том числе самых дорогих.


По словам корифея обработки сигналов Дугласа Селфа, «вероятно, не существует музыкальной записи, не прошедшей на пути к потребителю через хотя бы сотню 5532». При том, что Селф не только не отрицает ОУ на дискретных компонентах, но и разрабатывает их. Вот пример схемы из его книги.


Здесь транзисторных источников стабилизированного тока целых три. И если у Sound Scupltor SK99 функцию стабистора для получения опорных напряжений источников тока выполняет красный светодиод, то в дискретном операционном усилителе Селфа вместо него используется два последовательно соединённых универсальных импульсных диода 1N4148.

В большинстве современных аналоговых микросхем роль стабилизированного источника тока выполняет полупроводниковый прибор, называемый токоограничительным диодом. Это не что иное, как полевой транзистор с управляющим p-n переходом (JFET), затвор которого соединён с истоком. В предыдущей статье мы его как раз упоминали.

И, наконец, самое интересное. Все эти схемы построены на основе топологии, разработанной в 1956 году сотрудником лабораторий RCA, доктором Хун-Чан (Джимми) Лином. На фото он первый слева.


Основной целью доктора Лина было избавиться от дорогого и тяжёлого выходного трансформатора, подключив низкоомную катушку динамического громкоговорителя прямо к выходному каскаду.

До его разработки экономичные и хорошо звучащие двухтактные транзисторные УМЗЧ делать уже умели, но с применением двух трансформаторов: согласующего, он же фазоинвертор, и выходного.


Когда речь шла про переносной радиоприёмник, например, культовый Альпинист-407, это не составляло абсолютно никакой проблемы. И даже в карманном корпусе «Мальчиша» эти два трансформатора прекрасно помещались и никого не огорчали.


Но при повышении выходной мощности оконечный трансформатор УМЗЧ практически сводил на нет преимущества транзисторных усилителей перед ламповыми. В 1956 году спас положение доктор Лин.

Две обязательных составляющих топологии Лина — усилитель напряжения и двухтактный бестрансформаторный выходной каскад.

Оригинальная схема Лина из патента US2896029A от 21 июля 1959 года «Схемы полупроводниковых усилителей» предусматривает двуполярное питание.

Числом 52 обозначен не оконечный трансформатор УМЗЧ, а сетевой трансформатор, вторичная обмотка 53 которого питает удвоитель напряжения на диодах 50, 60 и конденсаторах 58, 62.

Такая схема питания со вторичной обмоткой без средней точки до сих пор часто применяется в активных акустических системах aka компьютерных колонках. Встречалась она и в музыкальных центрах, когда они были аналоговыми.

Мощные выходные транзисторы в оригинальной схеме Лина не комплементарные, а одного типа проводимости. Верхние транзисторы 136 и 116 образуют пару Дарлингтона, а нижние — 130 и 110 — пару Шиклаи.

Усилителем напряжения служит единственный транзистор 76, включённый по схеме с общим эмиттером. Усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью (ООС) через резистор 90. А 92 — это конденсатор вольтодобавки, благодаря которому повышается напряжение питания каскада усиления напряжения и соответственно его коэффициент усиления.

Дальнейшее развитие схемы Лина шло в нескольких направлениях.

• Во-первых, нужно было решить проблему теплового дрейфа выходного каскада. Для этого вместо резистора 66, регулирующего ток покоя выходных транзисторов, применялся сначала терморезистор, затем германиевые, а потом кремниевые диоды, после чего перешли к использованию умножителей напряжения база-эмиттер, которые мы рассмотрим далее.
• Во-вторых, для повышения коэффициента усиления стали использовать стабилизированные источники питания вместо резистора 82 в коллекторной нагрузке каскада усиления напряжения. Именно поэтому мы остановились на этих стабилизаторах тока подробно.
• В-третьих, отказались от схемы со связью каскадов по переменному току через разделительные конденсаторы и перешли к непосредственной связью между транзисторами. Получился усилитель постоянного тока — УПТ.
• В-четвёртых, развитие технологий производства полупроводниковых приборов позволило создавать комплементарные пары транзисторов, в том числе мощных. В двухтактных (пушпульных) выходных каскадах стали применять именно такие пары.
• И, наконец, в-пятых, перед каскадом усиления напряжения добавили дифференциальный входной каскад, который имеется у всех рассмотренных сегодня схем: КР1438УН2 (LM386), Sound Scupltor SK99 и дискретного ОУ Дугласа Селфа.

▍ Практическая схема

Усилитель, который я сегодня соберу, содержит все упомянутые модернизации топологии Лина, кроме дифкаскада на входе. Печатная плата с комплектом радиодеталей продаётся на Aliexpress и предназначена для китайского экзамена по электронике.


Перед нами усилитель постоянного тока. Его регулятор громкости W на входе и громкоговоритель LS на выходе подключены через разделительные электролитические конденсаторы C1 и С7 соответственно. А внутри усилителя все транзисторы связаны между собой по постоянному току.

В этой схеме усилитель напряжения является двухкаскадным. Он собран на транзисторах VT1 и VT2. Смещение базы первого транзистора регулируется подстроечным резистором RP1. Соответственно он регулирует и напряжение смещения на выходе УПТ, то есть на коллекторах выходных транзисторов VT5 и VT7.

Сопротивление RP1 следует отрегулировать так, чтобы при отсутствии входного сигнала напряжение на выходе УПТ равнялось половине напряжения питания. В данном случае усилитель питается от шестивольтовой батареи из 4 элементов АА.

Транзистор VT3 с резисторами R8, R9 и RP2 образуют умножитель напряжения база-эмиттер — двухполюсный стабилизатор напряжения с отрицательным температурным коэффициентом.

С помощью RP2 настраиваем ток покоя выходных транзисторов, измеряя общий ток, потребляемый схемой в разрыве цепи питания.

▍ Сборка, настройка, испытания

На видео можно посмотреть и послушать, как регулировки влияют на искажения аудиосигнала. Для измерения потребляемого тока используется ампервольтомметр, собранный из радиоконструктора. И генератор тестового синусоидального сигнала у нас тоже самодельный.

Благодаря отрицательным обратным связям регулировка тока смещения входного транзистора переменным резистором RP1 изменяет выходное напряжение при отсутствии входного сигнала в очень узких пределах от 2.74 до 2.80 В и практически ни на что не влияет. Это показывает прекрасную температурную стабильность схемы.

Изменение тока покоя подстроечным резистором RP2 от 4 до 100 миллиампер практически не влияет на громкость звучания, зато качественное воспроизведение звука обеспечивается при токе покоя не ниже 40 мА.

После сборки платы получается неплохой УМЗЧ, который можно использовать в составе комнатного гитарного усилителя, радиоприёмника или электронной игрушки. Напишите в комментариях, для каких ещё целей он может пригодиться.

С эмоциональной точки зрения, самоделка на дискретных элементах греет душу гораздо больше, чем на одной-двух микросхемах с минимумом обвязки. Но если посмотреть рационально, 40 миллиампер — это огромный ток, неприемлемый для автономного карманного устройства.

Однако усилитель начинает звучать уже при токе покоя 500 микроампер. Потому можно настроить единицы миллиампер, а высокочастотные переходные процессы на выходе подавить цепочкой Зобеля. Для переносного устройства лучше просто взять нормальную микросхему, а эту плату использовать в чём-нибудь стационарном.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх ????️