Как звучат усилители на мосфетах
УНЧ на MOSFET’ах: эксперимент №2. ПРОЛОГ
После провала первого эксперимента я несколько охладел к данной теме. Но что-то где-то подтачивало, подначивало… Заходил иногда на сайты, интересовался вопросом. Нельзя сказать, что слишком уж глубоко и целенаправленно, но всё-таки… В конце-концов зацепился за «Hi-Fi усилитель А. Зеленина на N-канальных MOSFET’ах». Особенно меня привлекло, что усилитель собран из деталей мёртвых бесперебойников. Таких деталей у меня достаточно, см., например, «Что такое ИБП?» в разделе «РАДИОпитание».
Процитирую автора:
«. Я из УПС-ов раздолбаных усилок сотворил. Там в наборе были 2N5551, 2N5401 и неразберипоймеш N-канальные МОСФЕТЫ. В принципе на выход пробовал ИРФы от 510 до 840, и то что в упсах стоит какие-то 74W** в общем поигрался от души. Все работает на ура. Всерьез усилки не доводил но, как только над ними не измывался не смог убить ни один выходник. С шумами вообще проблем нет, после первого включения даже не понял включился усилок или нет, сдуру на компе музыку включил подкинул весь дом, в час ночи. Могу выложить схему и в принципе, если найду, печатку.
Ну вот как то так. Все параметры за исключением КНИ и шумов как у Шушуринского. КНИ ниже 0.01 за шумы вообще речь не идет, их просто не слышно. Ну а в остальном классика, дифкаскад, усилитель напряжения, выходной на квазикомплементарной паре. С одной лишь разницей что в паре не биполярники а полевики. Ну и преимущество такого решения весь хлам выпаяный из теликов, мониторов, УПС-ов можно ставить и не заморачиваться поиском комплементарной пары. Вот где взять например пару к ИРФ630, ток в магазине. А туда итти надо или заказывать и ждать месяц а то и два, пока дождешься и не факт что тебе он подойдет и деньги жалко и время. А здесь в принципе без проблем, да и другие транзисторы пробовал менять на те что под руку попадутся главное чтобы Uкэ не ниже 50 вольт были это при питании +/- 35 Вольт, если мощу такую не надо можно питание поменьше ток покоя и нулевой потенциал на нагрузке подстроил и все. КТ3102 и КТ3107 тоже работают без проблем. Ну только вот субъективно ИРФ840 звучат конечно похуже остальных поэтому на них лучше усилок для саба делать..»
Конец цитаты. Стилистика и орфография автора сохранены.
На этом же сайте приведен 1-й вариант схемы:
Как всё это близко к тому, что я когда-то в молодости делал! Например, первый мой УНЧ такого типа из «РАДИО» №8, 1980 г., с.50-52, С. Филин, «Усилитель НЧ»: 
Так выглядели два канала. Здесь я оставил «термостабилизатор» VT6 прямо на плате! В дальнейшем я их крепил, конечно, к радиаторам выходных.
Зеленин сравнивает своё творение с усилителем Шушурина (см. много чего о нём в Интернете) и утверждает, что, несмотря на применение всякого разного «хлама» (без разбора!) – см. цитату выше. Верно ли? Надо проверить.
Вот первый УНЧ Шушурина:
см. «РАДИО» №6, 1978, стр. 45-46.
Было и продолжение:
см. «РАДИО» №11, 1980, стр. 27-31.
Усилитель Шушурина пошёл в серию: см., например, на http://rw6ase.narod.ru/00/us_b.html 
Кстати, у меня в музее также имеется «Амфитон-002-СТЕРЕО» в рабочем состоянии:
От усилителя на MOSFET’ах мне не надо 150 и даже 50, меня вполне устроят 20 Вт. Главное, чтобы усилитель заработал, а то я уже начал разочаровываться. В себе, конечно. Возможно, я делал что-то не так, где-то ошибся, где-то поспешил, чего-то не заметил, не додумал. Не включился, короче. И хотя УНЧ всяких имеется достаточно, всё же снова хочется сделать не́что хотя бы в макете, чтобы заценить «ети траньзисторы» на слух.
Как звучат усилители на мосфетах
Многие любители высококачественного звуковоспроизведения оценивают усилитель на полевых MOSFET транзисторах на уровне ламповых и даже выше, мотивируя, что по сравнению с усилителями на биполярных транзисторах они выдают более красивое — "мягкое / ламповое" звучание, создают меньше искажений и устойчивы к долговременной перегрузке. Они превосходят классические ламповые усилители, как по коэффициенту демпфирования, так и по передаче низких и высоких частот. Частота среза таких усилителей (без ООС) значительно выше, чем у каскодного усилителя на биполярных транзисторах, что благоприятно сказывается на искажениях.
Управление выходным током у полевых MOSFET транзисторов осуществляется входным напряжением, благодаря этому быстродействие в режиме коммутации достаточно высокое, так как основных носителей заряда в цепи затвора нет. В результате упрощается общая схема включения, по сравнению с биполярным транзистором.
Ничтожно маленький управляющий ток затвора транзистора способствует установлению высокого входного сопротивление, что даёт возможность применять разделительно — переходной конденсатор очень маленькой и качественной ёмкости, это удешевляет всю конструкцию усилителя и оказывает положительное влияние на качество звукоусиления.
Мощные полевые MOSFET транзисторы имеют меньший разброс основных параметров, чем биполярные транзисторы, что как бы облегчает их параллельное включение и уменьшает общее выходное сопротивление усилителя мощности (без ООС). Но на практике, это не всегда так (см. ниже).
Высокая температурная стабильность, малая мощность управления, слабая подверженность к пробою, самоограничение тока стока, высокое быстродействие в режиме коммутации, малый уровень шума — это основные преимущества полевых MOSFET транзисторов перед вакуумными приборами и биполярными транзисторами.
С практической точки зрения выявляются существенные недостатки MOSFET транзисторов, которые ограничивают их применение в мощных усилительных выходных каскадах.
Отказ от применения мощных полевых MOSFET транзисторов (в звуковых каскадах) в пользу мощных биполярных транзисторов.
Мощный MOSFET транзистор нуждается в постоянной защите затвора шумными стабилитронами, при установке которых, дополнительный шум стабилитрона добавляется в звуковой сигнал, что частично нейтрализует их достоинства и приводит к необратимой деградации звукового сигнала.
Некоторые MOSFET транзисторы (к примеру HITACHI) имеют встроенные в корпус стабилитроны. Такой транзистор автоматически термостабилизирован, что значительно упрощает схему включения, но качество звука оставляет желать лучшего.
У мощного MOSFET транзистора при больших стабильно — постоянных токах потребления (класса "А") возникают искажения термического происхождения (на частотах ниже 100 Гц), это способствует развитию динамической компрессии звука и добавляет "инертность" в звучание.
Конечно можно мотивировать — биполярные транзисторы также имеют термо искажения. Но надо признать, их основные выбросы находятся за пределами диапазона слышимости, где вероятность воздействия на проходной сигнал значительно сокращается.
В сигнальных цепях затворов мощных полевых транзисторов необходимо применять антизвонные резисторы, которые ликвидируют разброс токов при переключении транзисторов и исключают их задержки при включении | выключении. Такое очевидное и правильное схемное решение снимает проблему полностью. В следствии этого получаем, усиленный этим транзистором негативный шум антизвонного резистора и звук приобретает дополнительную инертность.
Это явление (шум резистора при протекании электрического тока) доказано ещё сто лет назад теоремой "Котельникова — Найквиста". Об этой фундаментальной теореме как-то сразу многие забыли или не хотят знать, пологая, что рекламная популярность MOSFET транзисторов легко изменит физику тока/напряжения.
Большие индуктивности в цепи истока мощного мосфета, плюс паразитные ёмкости между затвором одного транзистора и истоком другого могут разрушить сигнал до неузнаваемости. Сильный разброс входных ёмкостей MOSFET транзисторов и неравенство пороговых напряжений вызывают разброс транзисторов по протекающему току, что исключает их параллельное применение. Следовательно необходимо эмитировать выходное сопротивление в усилителях мощности обратными связями и ставить истоковые резисторы, что негативно влияет на звук и противоречит нашей концепции.
В последствии практических экспериментов выявлено, мощный MOSFET транзистор имеет только одно преимущество — простота применения и чуть более линейные показания приборов. Однако не надо забывать, наше ухо нелинейно и усилитель изготовлен не для приборов, а для ушей и головы. Лучше один раз услышать, чем десять раз измерить.
Вот одни из лучших (список неполный) мощных IGBT и MOSFET транзисторов с которыми провели тест (в порядке убывания качества звука): EC10N20, ECW20N20, BUZ900, SPP03N60S5, 2SK956, 2SK1529, GT20D10, 2SK1530, 2SK1058, IRFP240, IRFP150.
Для любителей MOSFET транзисторов отметим, лучшие звуковые способности демонстрируют высокоскоростные транзисторы с маленькой входной/проходной ёмкостью. Но, многие высокоскоростные транзисторы могут спровоцировать резкость на СЧ/Вч. Отличные результаты звукопередачи можно получить на карбид кремниевых полупроводниках фирмы "Infineon". Мягко и красиво играют звуковые серии фирмы "FUJI". MOSFET транзисторы "IRF, IRFP" совсем непригодны для достижения высококачественного звука, но для экспериментов очень даже неплохо.
При всем том мощный биполярный транзистор "MJL21194" всегда и везде лучше всех, так как он способен пропустить относительно большой управляющий ток через переход база-эмиттер. Этот технический недостаток биполярного транзистора создаёт дополнительный поток энергии в n-p переходе, с характерными особенностями режима класса "А". Совершенно естественно, общее звучание приобретает дополнительную динамику и имеет искажения звука исключительно низких порядков, которые хорошо маскируются основным звуковым сигналом и незаметны на слух. Также этими искажениями обусловлена природная нелинейность биполярного транзистора и лампы, которая достаточно точно эмитирует нелинейность нашего слуха, и отсутствие этих искажений воспринимается как ненатуральность и резкость звука. Полевые транзисторы переключаются с высокой скоростью выдавая всплеск искажений высоких порядков, которые несовместимы с нашим слухом.
Полевой транзистор работает без утечки постоянного тока в затворе, что лишает звуковой сигнал мощной | "пробивной" токовой поддержки. В последствии этого процесса, слабый звуковой сигнал не имеет возможности преодолеть относительно большую ёмкость затвора, без участия мощного поднесущего постоянного тока и все гармонические составляющие звукового спектра вязнут в ёмкости затвора, это приводит к частичной потери звуковой информации.
Установлено, что MOSFET транзистор всегда звучит хуже NFET транзистора, который всё же имеет очень маленькую утечку тока в канале затвор-исток. Это явление ещё раз подтверждает вышесказанное — протекание звукового сигнала только по направлению протекания постоянно тока, что гарантирует мощную энергетическую поддержку сигнала и как следствие высокое качество звуковоспроизведения.
Короче говоря — чем больше ток утечки через базу (затвор), тем лучше звук. Ведь все хорошо знают закон проводимости "Ома", из которого вытекает — чем больше ток, тем меньше сопротивление. Однако непонятно — почему в полевом транзисторе, этот закон не будет работать? Совершено очевидно, если протекает большой ток, значит на пути сигнала нет реальных препятствий. А если тока нет, то есть "запор" или затвор.
Отметим, все MOSFET транзисторы изначально проектировались как переключатели и их электронный переход не предназначен для усиления сигнала. Выключатель — вот их прямое назначение. Только дешевизна и простота установки MOSFET транзистора обеспечивает им популярность в аудио изделиях, на которых сразу можно поставить "крест".
Всё то, что изложено выше справедливо для применения в однотактных повторителях мощности, но нет противопоказаний для использования этой концепции в других усилительных конструкциях. В двухтактных схемах все негативные явления удваиваются и добавляются процессы несовместимости транзисторов разной проводимости.
В наших изделиях применяются MOSFET транзисторы фирмы "FUJI" (только в сервисных цепях), так как они способны выдержать повышенное напряжение пробоя цепи затвор/исток, что обеспечивает им более надёжную защиту от перенапряжения на данном участке.
Для практического доказательства совершенства данной концепции посмотрите видео с участием усилителя "Grimmi".
Лучшее сочетание вакуумных и полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.
HI-FI аудио усилитель на MOSFET транзисторах с выходной мощностью 300 Вт
Готов поделиться своим опытом создания усилителя RAS300 с другими энтузиастами, разделяющими мою страсть к совершенству. Этот минималистский усилитель я стремился сделать надежным и простым в эксплуатации, но, в тоже время, полностью соответствующим термину «HI-FI». Рекомендую использовать этот усилитель совместно с аппаратурой только высокого класса.
Приступая к разработке этого усилителя, я поставил перед собой цель создать продукт, наилучшим образом приспособленный для воспроизведения смеси музыкальных и речевых сигналов. Хотя электрическим характеристикам я уделял большое внимание, первостепенным требованием было достижение превосходного звучания, яркости пространственного восприятия и великолепной прозрачности тонов.
Несмотря на то, что уровень мощности для комфортного прослушивания обычно не превышает 10 Вт, я хотел сделать устройство с большим запасом по усилению, но сместить его в класс A на средних уровнях громкости, чтобы уменьшить искажения типа «ступенька» при очень малых уровнях сигнала.
В цепи прохождения сигнала нет ни одного конденсатора, что значительно улучшает характер звучания музыкальных инструментов и голоса.
В RAS300 практически полностью отсутствуют фазовые искажения, причем, далеко за пределами слышимого диапазона, что дает ощущение высочайшей прозрачности и лишенного посторонней окраски звучания.
Характеристики усилителя:
- Максимальная выходная мощность:
- 240 Вт с.к.з. на нагрузке 8 Ом
- 380 Вт с.к.з. на нагрузке 4 Ом
RAS300 состоит из двух полностью разделенных монофонических усилителей с собственным источником питания у каждого, благодаря чему сведены к нулю типичные для усилителей с общим источником межканальные перекрестные помехи.
Для того чтобы усилители были в состоянии отдавать полную мощность, трансформатор каждого источника питания должен иметь обмотки 40 В – 0 – 40 В, рассчитанные на выходную мощность 640 В•А. В отличие от многих конструкций, в которых пиковые токи обеспечиваются за счет большого запаса по емкости конденсаторов, я предпочел «сырое» напряжение с трансформатора, дающее значительный выигрыш в скорости реакции на переходные процессы.
Несмотря на достаточно скромные, на первый взгляд, характеристики RAS300, вы сразу же почувствуете дающий чувство уверенности огромный запас мощности.
Вы не услышите ничего, кроме реалистичного, неискаженного при любых уровнях звука, и я даю гарантию, что этот усилитель позволит раскрыть лучшие качества любого подключенного к нему оборудования.
Fast Switching MOSFET транзисторы против аудиофильских полевиков.
Так ли хороши специализированные полевые аудио — транзисторы в выходных
каскадах УМЗЧ или их легко можно заменить на массовые Fast Switching MOSFET
транзисторы?
Оптимальный ток покоя выходного каскада на полевых транзисторах в усили-
телях мощности.Многие любители высококачественного звуковоспроизведения уже давно оценили достоинство использования комплементарных полевых транзисторов в выходных каскадах усилителей. Интерес к MOSFET-ам в качестве усилительных приборов выходных каскадов УМЗЧ возник в 70-ые годы прошлого столетия в связи с появлением мощных комплементарных транзисторов, наиболее распространёнными из которых были транзисторы 2SK135 и 2SJ39 фирмы Hitachi.
Специализированные полевые транзисторы, т. е. разработанные специально для аудиоаппаратуры, выпускаются в сравнительно небольших количествах, достаточно дороги, а потому имеют множество китайских клонов, не имеющих никакого отношения к звукотехнике.
Однако существует большой класс мощных импульсных (Fast Switching) MOSFET транзисторов — массовых и недорогих, которые вполне успешно используются в выходных (и не только) каскадах усилителей мощности.Широкий перечень специализированных звуковых и мощных Fast Switching MOSFET транзисторов мы охватили на странице (ссылка на страницу), там же приведены их справочные характеристики.
На этой же странице мы попытаемся разобраться — а так ли хороши эти аудиофильские полевики по сравнению с Fast Switching MOSFET.Разобраться в этом вопросе нам помогут И. Рогов из г. Ростов-на-Дону и журнал Радио 2016 №9.
Выходной каскад усилителя – весьма нелинейный узел. И снижение его искажений очень хорошо отразится на работе усилителя и на его качестве звучания. Самые низкие искажения выходного каскада будут, конечно же, в классе А. Вот только греться выходные транзисторы при этом будут очень сильно. Чтобы снизить их нагрев обычно снижают напряжения питания, а это повышает искажения полевиков и, главное, снижает максимальную выходную мощность усилителя. Значит появляется опасность возникновения клиппинга. То есть стремление улучшить звук, приводит к возможности его сильного ухудшения.
Что же делать? А нельзя ли найти такой ток покоя выходных полевых транзисторов, чтобы и искажения были маленькими, и нагрев небольшим? Я усомнился в том, что оптимального тока покоя для полевых транзисторов не существует вообще. Какая-то оптимальная величина тока покоя, которую можно рекомендовать устанавливать в УМЗЧ, должна быть. Чтобы и качество высокое, и нагрев небольшой. Поэтому провел экспериментальную проверку влияния тока покоя выходного каскада на его искажения. Для этого я применил такую систему. Собрал высококачественный усилитель с полевыми транзисторами на выходе, по топологии Лина. Для того чтобы легче было измерять величину искажений, глубина общей ООС была уменьшена на 30 дБ. С целью линеаризации каскада усиления напряжения усилителя, вносящего наибольшие искажения, в него была введена местная ООС глубиной 12 дБ. Такая модернизация позволила более четко выделить искажения, вносимые выходным каскадом усилителя.
С целью всестороннего изучения искажений, вносимых выходным каскадом, измерялись следующие виды искажений такого специализированного усилителя:
– коэффициент гармоник;
– коэффициент интермодуляционных искажений;
– коэффициент гармоник, нормированный к номеру гармоники, вычисленный для первых одиннадцати гармоник. Далее для сравнения спектров вычислялся коэффициент, который можно назвать «фактор спектра» (ФС), показывающий ширину спектра искажений. БОльшие значения ФС соответствуют присутствию в спектре искажений большего числа высших гармоник. Если в спектре присутствует только вторая гармоника, то ФС=1.На рисунке Рис.1 показана зависимость ФС от ширины спектра сигнала, построенная по результатам проведённых измерений.
Рис.1 Влияние ширины спектра искажений на величину фактора спектра ФС
Были проведены исследования среди наиболее популярных мощных комплементарных транзисторов, устанавливаемых в выходные каскады усилителя:
– IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier;
– 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba;
– 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi.Во всех случаях измерялись две-три пары однотипных транзисторов. Результаты не усреднялись, но разброс результатов для однотипных транзисторов был несущественным. В пары транзисторы не подбирались.
Измерения производились для двух типов нагрузки: активной, сопротивлением 6 ом и сложной комплексной, имитирующей реальные акустические системы.Искажения выходных транзисторов на активной нагрузке показаны на Рис.2 – Рис.4.
Рис.2 Зависимость коэффициента гармоник (THD) от величины тока покоя на активной нагрузке
Рис.3 Зависимость коэффициента интермодуляционных искажений (IMD) от величины тока покоя на активной нагрузке
Рис.4 Зависимость фактора спектра ФС от величины тока покоя на активной нагрузке. Полный спетр амплитуд гармоник — см. на рис.1
Хорошо видно, что при увеличении тока покоя величина искажений, вносимых выходным каскадом, снижается. Вместе с искажениями снижается и значение фактора спектра. Это означает, что в спектре искажений снижается содержание гармоник высоких порядков, что положительно сказывается на звучании усилителя, воспринимаемом на слух. При условии, что выходной каскад остается работать в классе АВ, можно легко найти оптимальный ток покоя, при котором искажения невелики и при увеличении тока снижения искажений практически не происходит.
Оптимальный ток получается равным 300 мА для транзисторов IR, 200 мА — для транзисторов Toshiba и 120 мА — для транзисторов Hitachi. Интересно, что последние транзисторы значительно отличаются по величине искажений. Надо сказать, что они отличаются и по работе на постоянном токе, для обеспечения работы этих транзисторов пришлось переделывать цепь смещения усилителя.Для комплексной нагрузки также характерно наличие оптимальной величины тока покоя, близкой по значениям к оптимальным величинам тока на активной нагрузке.
Интересно отметить, что при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада в ряде случаев растут. Вполне возможно, что здесь проявляется влияние изменения крутизны выходного каскада.
Для более полного исследования и исключения случайности полученных результатов был проведен ряд дополнительных измерений. С целью их упрощения измерялся только коэффициент гармоник, который хорошо отражает нелинейность выходных транзисторов. Исследовались транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. На Рис.5 показана зависимость Кг от тока покоя для различных значений сопротивления активной нагрузки. В целом зависимость сохраняется, и значение оптимального тока покоя можно считать неизменным.
Рис.5 Зависимость коэффициента гармоник (THD) от величины тока покоя для разных сопротивлений нагрузки Rн
1. Искажения, вносимые выходным каскадом УМЗЧ, существенно зависят от тока покоя выходных полевых транзисторов.
2. Наименьшие искажения наблюдаются при работе в классе А, что полностью согласуется с теорией. В классе В искажения существенно выше, чем в классе АВ. С ростом тока покоя искажения в общем случае уменьшаются.
3. Существует оптимальное значение тока покоя, при котором искажения достаточно малы при работе транзисторов в классе АВ. В ряде случаев, при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада растут.
4. Величина оптимального тока покоя для разных транзисторов лежит в диапазоне 150…300 мА, что намного больше тех значений, которые принято устанавливать в усилителях мощности. Обычно в усилителях устанавливают ток покоя 80…100 мА, а в некоторых промышленных конструкциях даже 40…60 мА.
5. Кроме амплитуды искажений, от тока покоя зависит и их спектр. То есть при маленьком токе покоя у нас сразу две беды: большая величина Кг и широкий спектр искажений. Усилитель, ток покоя выходного каскада которого равен оптимальному, должен восприниматься на слух как хорошо звучащий.
6. Для транзисторов IRFP240/IRFP9240 оптимальный ток покоя составляет 300 мА. Для транзисторов 2SJ201/2SK1530 оптимальный ток покоя составляет 200…250 мА. Для транзисторов 2SJ162/2SK1058 оптимальный ток покоя составляет 120…150 мА.
7. Оптимальный ток покоя зависит только от типа выходных транзисторов. Другие факторы, такие как выходное напряжение или сопротивление нагрузки на его величину практически не влияют.
8. Самыми лучшими показали себя транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. Транзисторы IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier заняли второе место. Они хоть и являются переключательными, тем не менее, мало чем уступают транзисторам фирмы Toshiba. Транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi являются заметно нелинейными и не рекомендуются для высококачественного усиления.
9. При неоптимальном низком токе покоя (таком, какой часто устанавливают в усилителях) искажения, вносимые выходным каскадом, в четыре-шесть раз выше (а на слух – с учетом ширины спектра – в шесть-десять раз выше), чем при оптимальном. Поэтому для высококачественного усиления необходимо задавать ток покоя выходного каскада равным оптимальному.