Динамические искажения УМЗЧ в режиме А | Звукотехника, Hi-Fi, Hi-End | Радио, электроника

Неоднократно, а вернее, периодически, на каждом новом витке развития элементной базы конструкторы звукотехники высокой верности обращаются к УМЗЧ класса А. Достоинства (основное из которых - малый коэффициент нелинейных искажений) и недостатки (основной из которых - малый КПД) усилителей этого класса хорошо известны, поэтому останавливаться на этом не будем. Обратим внимание на не вполне очевидную вещь. Зачастую к проектированию таких усилителей подходят с точки зрения расчета отдельных каскадов, полагая априори, что линейность каждого из них определяет линейность устройства в целом. Не всегда это так. Рассмотрим простой пример. Пусть транзистор работает в схеме с ОК, и его ток покоя соответствует максимуму зависимости статического коэффициента передачи (h21э) от тока коллектора. Тогда обеспечивается симметричность изменения h21э при обеих полуволнах входного напряжения в том числе и для сильного сигнала. Однако, является ли это необходимым именно для схемы с ОК, наиболее часто используемой в выходном каскаде УМЗЧ? Анализ выражения для коэффициента передачи каскада с ОК

Ku=h21эRн / (h11э+h21эRн) (1)

показывает, что при подстановке ??kT/ е и h11э=?h21э/ Iк (2) коэффициент передачи вообще не зависит от h21э (!):

Ku=1 / (1+??/ IкRн) (3)

или, с учетом того, что Iк?(Uвх-Uэб) / Rн,

Ku=1 / (1+??/ (Uвх-Uэб)) (4).

Это вполне соответствует действительности, и реально Ku эмиттерного повторителя гораздо менее выраженно зависит от h21э транзистора, чем в схеме с ОЭ (в пределах действительности вышеприведенного выражения для Iк).
Далее, рассмотрим влияние положения рабочей точки на динамику входного сопротивления транзистора в схеме с ОК. Полное входное сопротивление транзистора равно

Rвхо=h11э +h21эRн=h21э ???/ Iк+Rн) (5).



Если ток покоя, опять же, соответствует максимуму зависимости h21э(Iк), то при уменьшении тока изменение первого члена выражения в скобках на порядок больше, чем изменение h21э, и полное входное сопротивление увеличивается непропорционально изменению тока. При возрастании тока Rвхо уменьшается, как из-за ниспадающего характера зависимости h21э(Iк), так и непосредственно из-за роста Iк. Например, для транзистора КТ819Г в режиме А при токе покоя 400 мА [1] и сопротивлении нагрузки 8 Ом входное сопротивление изменяется от 30,5 кОм до 4,1 кОм при изменении тока в диапазоне 50... 750 мА. Существенная несимметричность изменений входного сопротивления в этом случае приводит к искажениям формы входного тока, если источник сигнала является генератором напряжения. При реализации каскада усиления напряжения на ОУ это приводит, как правило, к существенному возрастанию коэффициента гармоник (на порядок и более) из-за нелинейности сопротивления его нагрузки и, как следствие, перехода режима его выходного каскада в класс АВ.
Если же рабочую точку, напротив, расположить посреди восходящего участка зависимости h21э(Iк), то будет наблюдаться следующее. При любых изменениях тока порождаемые ими изменения h21э(Iк) всегда направлены на их компенсацию, т.е. происходит сужение динамического диапазона токов базы, что в пределе приближает режим цепи базы к режиму генератора тока. Поскольку транзистор как полупроводниковый прибор является именно усилителем тока, такой выбор рабочей точки позволяет существенно уменьшить динамические искажения. Естественно, что уменьшение тока покоя сопровождается соответствующим сужением диапазона токов, при которых транзистор работает в режиме А.
Обращаясь к вопросу о применении общей ООС в усилителях класса А, следует отметить, что при отсутствии динамических межкаскадных искажений появляется возможность использовать общую ООС, во-первых, для термостабилизации режимов транзисторов (достаточно тяжелых в режиме А), во-вторых, что немаловажно, для снижения неизбежно возникающих искажений, имеющих причиной тепловые процессы при усилении сигналов низких частот, в-третьих, для обеспечения возможности работы УМЗЧ в режиме АВ без существенного возрастания коэффициента нелинейных искажений и, следовательно, увеличения его перегрузочной способности, и, в-четвертых, для получения необходимого коэффициента усиления УМЗЧ в целом с обеспечением заданной частоты среза.
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы применительно к УМЗЧ с каскадом усиления напряжения и последующими каскадами, выполненными по схеме с ОК.
Прежде всего, значение тока покоя желательно выбирать соответствующим примерно середине восходящего участка зависимости h21э(Iк). При этом обеспечивается лучшее согласование каскадов и малые динамические искажения. Искажения, обусловленные неравномерностью коэффициента передачи по напряжению, как было отмечено выше, практически отсутствуют. Транзисторы должны быть подобраны в комплементарные пары по параметрам.
Далее, сужение динамического диапазона токов коллектора, при которых транзистор работает в режиме А, вследствие смещения рабочей точки, возможно компенсировать параллельным их соединением, сообразуясь, конечно, с тем фактом, что это приводит к пропорциональному снижению граничной частоты каскада.
Реализация данных принципов на основе, в общем-то, стандартного схемотехнического решения, аналогичного примененному в УМЗЧ "Вега-50У-122С", достигнута в предлагаемом усилителе мощности.



Скачать принципиальную схему УМЗЧ в высоком разрешении (tiff, 14Kb)

Его номинальная выходную мощность составляет 35Вт на нагрузке 4 Ом в режиме А и 100Вт в режиме АВ с общей ООС. Особых пояснений схема, очевидно, не требует, за исключением установки тока покоя. Для каждого транзистора выходного каскада ток покоя составляет 0,5А; общий ток покоя каскада 1,5А. Это значение устанавливается перемещением движка резистора R11 и подбором сопротивления R14. Выравнивание токов осуществляется подбором R16-R18 (R19-R21- в другом плече). Эти резисторы образуют также неглубокую местную ООС. Следует отметить сразу, что, поскольку мощность, рассеиваемая на каждом из выходных транзисторов в режиме покоя, составляет около 15Вт, недопустимо использовать конструкции теплоотводов упомянутого усилителя "Вега".
Ток покоя транзисторов VT4, VT5 устанавливается равным 150 мА подбором R13. Их установка на теплоотводы также обязательна.
Ток покоя VT2, VT3 составляет 8... 10 мА. Транзистор VT1, как датчик температуры, должен быть установлен на теплоотвод мощных транзисторов.

Литература. 1. Схемотехника УМЗЧ высокой верности. М.Корзинин. "Радио", №8 / 96.

Панкратьев Д.И.

 10.0 - 1 vote