Мощный каскодный повторитель на транзисторах КП903

Предлагается вниманию мощный выходной буфер, работающий в режиме «безоосного» повторителя, на отечественных JFET КП903Б (А, В). Достоинствами буфера являются: низкий уровень искажений, большое входное сопротивление (определяемое входным резистором), малое выходное сопротивление (10..20 Ом) и малая входная ёмкость. Описываемый повторитель может быть подключён, например, к регулятору громкости, межкаскадному трансформатору и любому другому узлу, а также может выполнять роль выходного буфера в трансформаторном аналоговом фильтре ЦАП. Благодаря довольно высокой нагрузочной способности снижается влияние выходного соединительного кабеля и появляется возможность непосредственного подключения наушников.

Целями разработки описываемого повторителя была апробация каскодной схемы включения мощных JFET транзисторов в выходном каскаде Цирклотрона КП903 и поиск возможности применения транзисторов КП903Б (А, В) с небольшими начальными токами стока, не прошедшими отбор в указанный Цирклотрон.

«Безоосные» повторители на JFET в каскодном включении показали превосходное качество звучания, например, в таких конструкциях, как ЦАП AH-D7T на AK4497 с трансформаторным выхлопом (выходной буфер), Автотрансформаторный регулятор громкости с селектором входов и выходом дистанционного включения  (выходной буфер), Аналоговый трансформаторный фильтр с выходным буфером на JFET (выходной буфер), Два цирклотрона в едином конструктивном исполнении  (входной буфер для мостового УМЗЧ на КП904А).

Следует учитывать тот факт, что в «обычных» повторителях на JFET, несмотря на высокую линейность самих приборов, возникают искажения, вызванными изменением напряжения сток-исток полевого транзистора вместе со входным сигналом, что приводит к изменению тока затвора (следовательно, входного сопротивления) и входной ёмкости, особенно при напряжениях сток-исток, превышающих определённый порог (см. рис. 3.49 для транзистора типа BF862). На слух это воспринимается как «грязь» в звуке, которая становится заметна на высоких частотах. Для устранения этого недостатка транзисторы JFET включают по каскодной схеме (см. рис. 3.43H), где основную роль повторителя выполняет «нижний» транзистор, а «верхний» транзистор обеспечивает ограничение и постоянство напряжения между его выводами истока и стока.

При подборе транзисторов JFET в каскод необходимо учитывать следующие обстоятельства:

• начальные токи стока транзисторов должны быть не меньше требуемого (заданного) рабочего тока стока повторителя (тока покоя);
• от положения рабочей точки (от тока покоя) на проходной характеристике «нижнего» транзистора зависит его крутизна, и, следовательно выходное сопротивление буфера, определяемое как величина, ей обратная;
• чем ближе ток покоя к начальному току стока «нижнего» транзистора, тем его крутизна выше;
• напряжение затвор-исток «верхнего» транзистора при заданном токе стока (токе покоя) должно обеспечивать оптимальное рабочее напряжение сток-исток для «нижнего» транзистора: при слишком низком напряжении сток-исток (левее крутого изгиба выходных характеристик «нижнего» транзистора) его ток стока и крутизна будут снижаться, а при слишком высоком (более 5V для транзистора BF862) будет резко возрастать ток затвора (можно предположить, что для транзистора КП903 эта величина будет больше, так как изгиб его выходной характеристики начинается при гораздо более высоких напряжениях по сравнению с BF862); 
• в свою очередь, напряжение затвор-исток «верхнего» транзистора зависит от его напряжения отсечки, т.е. определяется проходной характеристикой;
• для минимизации дрейфа «нуля» на выходе транзисторы верхнего и нижнего плеч каскодного повторителя должны работать в одинаковых режимах.

Основной проблемой при построении каскодного повторителя на транзисторах КП903 является необходимость использования в качестве «верхних» транзисторы с большими напряжениями отсечки и соответственно большими начальными токами стока. Если при небольших токах покоя повторителя (в пределах 100..200 mA, как в описываемой схеме) ещё можно теоретически найти «верхние» транзисторы КП903А, В с большим напряжением отсечки, то для выходного сильноточного каскада Цирклотрона этого сделать не получится. Поэтому нужно было найти приемлемое общее решение для этих транзисторов.

Идея использования цепочки светодиодов для «сдвига» уровня напряжения затвора «верхнего» транзистора каскода была «подсмотрена» в статье Сергея Патрушина HotFET Pre — Схемотехника предусилителя на полевых транзисторах, правда вместо резисторов я применил слаботочные транзисторы JFET — для стабилизации тока через светодиоды. Cерво узел на ОУ для поддержания «нуля» на выходе буфера практически полностью заимствован из его же статьи HotFET Pre — Дрейф нуля буфера на истоковом повторителе.  Обсуждение этих материалов можно также найти здесь.

В результате получилась такая схема повторителя:

Самым сложным этапом является подбор транзисторов КП903 в пары по каналам и по плечам. Нужно измерить начальные токи стока (при напряжении 7V) и напряжения отсечки (при напряжении 15V) имеющихся транзисторов, и расположить транзисторы в порядке возрастания начального тока.

Сначала отбирается пара VT2, VT2' с минимальными начальными токами стока, или с такими, которые обеспечивают требуемый ток покоя (обычно в пределах 100..200 мА, но можно и больше). Так, например, с транзисторами, имеющими начальные токи стока 130..150 мА получится рабочий ток 120..130 мА, а с начальными токами стока 100 мА — порядка 90 мА (т.е. ток покоя в результате станет примерно в 1,1 раза меньше начального тока стока за счёт наличия в схеме резистора R4).

Следующую пару нужно выбрать в качестве VT4, VT4' — начальные токи стока этих транзисторов должны быть немного больше, чтобы можно было сбалансировать схему потенциометром R14.

Транзисторы VT1, VT1', VT3, VT3' рекомендуется подбирать вместе с подбором типов и количества светодиодов HL1..HL6. В схеме выбраны токи через светодиоды в пределах 0,5..1 мА (они определяются начальными токами стока транзисторов VT5, VT6), чтобы не нагружать выход буфера. Видимо, эти токи могут быть безболезненно увеличены до 3..5 мА. При необходимости можно подобрать номиналы резисторов R6, R15 для конкретных экземпляров VT5, VT6, чтобы снизить ток. Разные типы светодиодов (например, зелёные, красные, жёлтые, синие) при необходимости можно комбинировать в одной цепочке.

Для упрощения процедуры подбора транзисторов и количества светодиодов разработан специальный «Помощник» в файле Excel (прилагается в конце статьи), которому нужно задать значения (выделенные зелёным цветом), и получить результат (отмеченный красным):

U_LED — напряжение на одном светодиоде выбранного типа (так, прямое падение напряжения на зелёных светодиодах типа АЛ102ВМ или АЛ307В при токе 0,5..1 мА получилось примерно 1,76 В);

Uси_ниж_min — минимально допустимое напряжение сток-исток нижнего транзистора (выходная характеристика для транзисторов КП903 в справочных данных отсутствует, но экспериментально установлено, что ток стока начинает резко снижаться при напряжении меньше 4,5..5 В);

Uзи_верх - Напряжение между затвором и истоком «верхнего» транзистора при заданном рабочем токе стока (который определяется экземплярами VT2, VT2'). Чтобы примерно определить это напряжение, не прибегая к «натурным» измерениям, в «Помощнике» реализована попытка аппроксимации проходной характеристики транзистора КП903 с помощью квадратичной функции: нужно только задать: Iсн — начальный ток стока, Uотс — напряжение отсечки «верхнего» транзистора и Iс — рабочий ток повторителя. Проверка показала достаточно высокую точность оценки, в пределах 0,5 В; обычно ошибка происходит в сторону занижения рассчитанного значения Uзи, которое нужно подставить в поле значения Uзи_верх.

Результатами расчёта в итоге будут:

Uси_ниж — напряжение сток-исток «нижнего» транзистора и

n — необходимое число светодиодов в цепочке.

Конечно, это только оценочная рекомендация, и её можно скорректировать на своё усмотрение по результатам сборки «в железе».

Было собрано два экземпляра выходного буфера; режимы работы транзисторов КП903 в обоих экземплярах я свёл таблицу, которая может оказаться полезной (в таблице приведены также значения напряжений, рассчитанные «Помощником» — в графе Расч.):

Из таблицы видно, например, что транзистор VT1 КП903В в правом канале (ПК) второго экземпляра имеет самый большой начальный ток стока 430 мА и довольно большое напряжение отсечки 8,2 В (просто других транзисторов не осталось в наличии), поэтому «Помощник» «подсказал», что светодиоды HL1..HL3 использовать вообще не надо (n=0), но в конструкции всё-таки был оставлен 1 светодиод по аналогии с левым каналом, при этом напряжение на транзисторе VT2 получилось 7,1 В. Вероятно, лучше было бы поставить транзисторы VT1, VT1' с такими большими значениями в нижнее плечо VT3, VT3', но я этого делать не стал. Оптимальным можно было бы считать равенство рабочих напряжений «верхнего» и «нижнего» транзисторов (половина напряжения питания одного плеча), т.е. 6 В±1 В, так как снижение рабочего напряжения «верхнего» транзистора тоже нежелательно.

Порядок настройки приведён в описании на схеме. Во вложении находится файл с рисунком печатной платы и гербер-файлом. На плате предусмотрена возможность использования N-канальных транзисторов VT5, VT6 типа КП303 вместо P-канальных КП103 — для этого они запаиваются на плату по рисунку корпуса КП103 (правда, обозначения выводов на плате соответствовать не будут), а перемычки или резисторы R6, R15 запаиваются со смещением — на рисунке показана схема распайки, если смотреть на плату сверху:

Платы повторителя прикручиваются через стальные стойки М3 длиной 14 мм к дюралевым пластинам Д16Т размерами 12x50x100 мм с размещёнными на них транзисторами КП903. Выводы транзисторов подсоединяются к платам гибкими цветными проводами (зелёный — затвор, красный — сток, третий цвет — исток) длиной 4..5 см через 3-контактные клеммники 3,5 мм, запаянные снизу плат:

Рассеиваемая на транзисторах мощность при токах 90..130 мА невелика, поэтому повторитель может работать без дополнительных теплоотводов:

но лучше прикрутить дюралевые пластины к металлическому основанию корпуса.

Так как каскоды представляют собой источники тока, обнаружилось, что при относительно больших токах покоя 100..130 мА пульсаций в наушниках не слышно, при этом на звук совершенно не влияют ни тип, ни номиналы как электролитических конденсаторов C5, C7 (работает одинаково: вообще без них, c емкостями по 10 мкФ, 1000 мкФ Nichicon KZ Muse, 5600 мкФ Nippon Chemicon), так и плёночных C4, C6 (установка полипропиленовой плёнки 1 мкФ никак не влияет), в отличие от слаботочных вариантов такого буфера (до 15 мА), чувствительных к питанию и номиналам емкостей). Резисторы R16, R18 можно заменить перемычками.

Питание буфера выбрано ±12 В, так как максимально допустимое напряжение затвор-исток для транзисторов КП903 составляет всего 20 В (это актуально для транзисторов VT1, VT3). В самом худшем случае удвоенное напряжение питания за вычетом удвоенных падений напряжений на светодиодах не должно превышать этой величины, и при выбранном напряжении питания реальные напряжения на транзисторах не превышают максимально допустимых значений.

В стабилизаторах питания применены «обычные» электролиты и плёнка. При использовании совместно с силовым трансформатором ТТП-15 2x12V микросхемы Low Drop стабилизаторов IC1, IC2 (LT1084) практически не греются и обеспечивают необходимые выходные напряжения для работы двух каналов буфера. Если применить трансформатор с бóльшими выходными напряжениями, в качестве IС1, IC2 можно использовать более доступные LM317T. Плата стабилизаторов изготовлена методом ЛУТ.

Выходное сопротивление первого экземпляра повторителя при рабочем токе 0,12А составило 13,5 Ом (с учётом резисторов R4, R17), а максимальное неискажённое выходное напряжение — 6,5 В (амплитуда 9,3 В):

Приведённый график при построении немного сглажен — реальный «пик» в области 110 Ом имеет более резкий излом, который объясняется прекращением роста выходного напряжения с увеличением сопротивления нагрузки вследствие ограничения напряжения питания. До указанного предела максимальное напряжение растёт практически линейно, таким образом, можно сделать вывод, что повторитель имеет токовый выход.

ВАРИАНТ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВТОРИТЕЛЯ В УСИЛИТЕЛЕ ДЛЯ НАУШНИКОВ

В качестве примера рассмотрим применение описанного буфера в усилителе для наушников. Можно было бы включить его напрямую после регулятора громкости, однако уровень сигнала с ЦАП, подключённого к плееру RuneAudio, может оказаться недостаточным. Поэтому было принято решение использовать для усиления сигнала из имевшихся в наличии пермаллоевые повышающие трансформаторы 1:3 от приборов ПТ-ТС-68 (от применения для этой цели ОУ я категорически отказался):

Потребовалось только подобрать номиналы демпфирующих цепочек C1, R1 по минимуму выбросов на фронтах прямоугольного сигнала. Что характерно, ранее эти трансформаторы я пробовал использовать в гибридном Цирклотроне, но там мне их звучание не понравилось, и, списав это на недостаточное качество трансформаторов, я их оттуда убрал. Впоследствии выяснилось, что причина не в трансформаторах, а в недостаточно высоких номиналах резисторов (100 кОм) в цепях сеток входных ламп Цирклотрона! Так как обмотки трансформаторов обладают довольно высокой индуктивностью, их реактивное сопротивление на ВЧ может достигать единиц и десятков МОм. Чтобы не возникало заметных искажений, входное сопротивление следующего каскада должно быть гораздо больше! Поэтому в качестве R2 в повторителе были использованы резисторы КИМ-0,125 по 150 МОм:

Такие отечественные резисторы довольно дефицитны, но можно найти их аналоги в Китае.

В качестве повышающих пермаллоевых трансформаторов можно использовать готовые 1:3 (с номиналами демпфирующих цепочек во вторичных обмотках 300 пФ + 27 кОм) или 1:2 типа R10 (с номиналами демпфирующих цепочек 2000 пФ + 220 Ом).

К сожалению, при использовании повышающего трансформатора подключать его вход напрямую к регулятору громкости нельзя, поэтому возникает необходимость применения ещё одного — теперь уже слаботочного — каскодного повторителя в виде входного буфера с рабочим током 2 мА:

Этот буфер прекрасно зарекомендовал себя в Мостовом УМЗЧ на транзисторах КП904А и здесь подробно рассматриваться не будет. Следует лишь ещё раз заметить, что этот буфер чувствителен к типу фильтрующих конденсторов C2..C4 (и номиналам плёнки).

Усилитель для наушников собран в алюминиевом корпусе размерами 70x194x311 мм: 

Номиналы емкостей плёночных конденсаторов в сетевом фильтре питания оказывают влияние на звук:

Для защиты наушников от постоянного напряжения, задержки их подключения и индикации состояния применён простой узел, печатная плата которого выполнена методом ЛУТ:

Для подсветки кнопки сетевого выключателя изготовлена методом ЛУТ выносная платка, которая устанавливается на винтах крепления выключателя:

Выходная мощность [первого экземпляра] повторителя при работе на наушники невелика:

Как оказалось, этой мощности вполне достаточно для работы на наушники с сопротивлением 32 и 64 Ом. Есть основания предполагать, что с увеличением тока покоя повторителя вершина графика будет смещаться влево и вверх. В Интернете мне попался форум, где один из пользователей своих 100-омных наушников сообщает, что для их комфортного прослушивания ему достаточно напряжения 0,5 В (а это мощность всего 2,5 мВт)! По всей видимости, всё ещё зависит от чувствительности наушников. 

«Звучание» такого «усилителя» получилось нейтральное, сбалансированное, «мягкое» и «чистое», без каких-либо «выпячиваний». На то он и токовый выход, слушать его — сплошное удовольствие!

P.S. Вместо мощных транзисторов КП903 можно установить через клеммники на плате маломощные транзисторы JFET (например, 2SK152, 2SK363, J310, J111 и т.п.), скорректировав при необходимости номиналы некоторых резисторов для меньшего тока покоя. Можно поэкспериментировать, меняя разные транзисторы. В последней версии платы предусмотрена также запайка выводных транзисторов в корпусе TO-92 (правда, этот вариант платы не изготавливался, и поэтому не проверен). Мощные дюралевые пластины для слаботочных транзисторов, разумеется, не нужны.