Усили́тель Ли́на — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ). Разработан (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 — 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 ( ) 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 был предопределён работой в режиме AB с малыми . Снизить его, охватив усилитель петлёй отрицательной обратной связи (ООС), 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 ), в мощных — только pnp-транзисторы . Решение задачи — первая практически работоспособная схема бестрансформаторного транзисторного УМЗЧ — было найдено разработчиком компании RCA 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 RT. Усилитель охвачен тремя петлями обратной связи: 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 .

Недостатки

Простая, элегантная и при этом хитроумная схема Лина имела много недостатков.
Во-первых, выходной каскад был связан с нагрузкой через разделительный электролитический конденсатор , вносивший в усиленный сигнал заметные искажения ^{[ как? ] [ почему? ] [ источник не указан 503 дня ]} .
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 .
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 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 . 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 годах

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 . 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 (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 годах и , 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 , был перевод выходного каскада в чистый режим А. По этому пути пошла британская компания и многочисленные любители-самодельщики, но для массового производства транзисторные усилители в режиме A были запредельно до́роги . 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 .

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 . 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 .

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 . Комплементарные транзисторы применялись и во входном каскаде, перед КУН .

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• Агеев, А. // Радио. — 1982. — № 8 . — С. 31–35 .
• Агеев, А. // Радио. — 1985. — № 8 . — С. 26–29 .
• Данилов А. А. Прецизионные усилители низкой частоты. — М. : Горячая линия-Телеком, 2004. — 352 с. — ISBN 5935171341 .
• Дорофеев М. . — М. : Патриот, Радио, 1991. — № 3 .
• Полонников, Д. Е. Операционные усилители. — М. : Энергоатомиздат, 1983.
• Cordell B. Designing Audio Power Amplifiers. — McGraw-Hill, 2011. — ISBN 9780071640244 .
• Duncan B. High Performance Audio Power Amplifiers. — Newnes, 1996. — ISBN 9780750626293 .
• Hood J. L. Valve and Transistor Audio Amplifiers. — Newnes, 2006. — ISBN 0750633565 .
• Self D. Audio Power Amplifier Design Handbook. — 3rd ed.. — Newnes, 2002. — ISBN 0750656360 .