Коммутационные искажения в усилителях мощности ЗЧ

Исследования последних лет показали, что на характер звучания транзисторных усилителей мощности 3Ч (УМЗЧ) значительное влияние оказывают так называемые коммутационные искажения (КИ). Возникают они в выходных каскадах на биполярных транзисторах, работающих в режиме АВ с отсечкой тока. В этом режиме транзистор, как известно, переходит из открытого состояния в закрытое, и наоборот. Когда он открыт, на его базе, вследствие инжекции в нее неосновных носителей из эмиттера, накапливается заряд, величина которого определяется ее диффузионной емкостью и зависит от температуры, коллекторного тока и граничной частоты усиления транзистора. Чтобы транзистор закрылся, диффузионная емкость должна разрядиться через подключенные к базе внешние цени, а это возможно только в том случае, если время запирания эмиттерного перехода больше времени разряда. Если же оно его не превышает, то создаются условия для возникновения неуправляемого базового тока и, как следствие этого, появления на выходе каскада импульсов, увеличивающих содержание гармоник высшего порядка в спектре усиливаемого сигнала. В двухтактном каскаде в течение одного периода такие условия создаются дважды. Причем с ростом частоты скважность импульсов уменьшается, а следовательно, вклад, вносимый ими в искажения, увеличивается.

Существуют различные способы предупреждения КИ, в частности, использование особого режима работы двухтактного оконечного каскада УМЗЧ с постоянным сквозным током. Устоявшегося технического названия для такого режима пока нет. Одни относят его к режиму А, другие – к модификации режима В. Первые при этом исходят из уровня и характера искажений, а вторые же — из энергетических показателей.

tranzS_021 ldsound.ru (1)

Рис. 1

Пример схемотехнической реализации усилителя 3Ч, работающего в режиме с постоянным сквозным током показан на рис.1. Это упрощенный вариант усилителя DA-A30 фирмы Mitsubishi. При положительной полуволне входного сигнала напряжение база — эмиттер транзистора VT8 уменьшается, транзисторы VT6, VT4 открываются и на базу VT8 поступает предотвращающее отсечку эмиттерного тока дополнительное напряжение. При отрицательной полуволне полезного сигнала уменьшается напряжение база—эмиттер транзистора VT7 и через открывающиеся транзисторы VT5, VT3 дополнительное напряжение поступает уже на его базу.

Таким образом, отсечка эмиттерного тока транзисторов выходного каскада исключается, а имеющим место небольшой сквозной ток практически не ухудшает экономичности усилителя. Важно только обеспечить очень высокую степень симметрии переходных характеристик отдельных плеч усилителя, поскольку ее нарушение ведет к нелинейности суммарной сквозной характеристики и росту коэффициента гармоник.

С целью снижения КИ вводят и специальные цепи, обеспечивающие плавную отсечку эмиттерного тока транзисторов выходного каскада Время разряда диффузионной емкости в этом случае увеличивается, и условий для возникновения короткого и значительного по амплитуде импульса не создается. Суммарный уровень гармоник при этом не меняется, однако спектр их смещается в низкочастотную область, где их легко устранить с помощью ООС. Данный режим широко используется в усилителях ЗЧ многих японских фирм. Но он также требует строгой комплементарности плеч усилителя и наличия балансирующих элементов.

tranzS_021 ldsound.ru (5)

Можно ли снизить КИ более простым путем? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим, какие элементы усилителя (рис.2) влияют на скорость разряда диффузионной емкости и время закрывания транзисторов выходного каскада. Прежде всего это резистор R1. Напряжение, возникающее на нем при протекании тока I1, равно: I1R1= (UG1+UG2) – (UБЭVT1+UБЭVT2) (где UБЭ — абсолютное значение напряжения на эмиттерном переходе соответствующего транзистора). Оно является напряжением смешения для транзисторов выходного каскада.

Теперь допустим, что на вход усилителя поступил увеличивающийся сигнал положительной (отрицательной) полярности. Через резисторы RH и RЭ1 (RH и RЭ2) потечет возрастающий во времени ток нагрузки IН, а напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT4 (VT3) UБЭVT4=I1R1 – (UБЭVT3+IHRЭ1) [UБЭVT3=I1R1 – (UБЭVT4+IНRЭ2) ] начнет падать, и он закроется. Скорость его уменьшения определяется двумя слагаемыми UБЭVT3 и IHRЭ1ЭVT4 и IHRЭ2), имеющими соответственно логарифмическую и линейную зависимость от тока нагрузки. Очевидно, что минимум ее будет наблюдаться при RЭ1= =RЭ2= RЭ=0. Этому случаю соответствует и минимум КИ.

tranzS_021 ldsound.ru (4)

Рис. 4

Сказанное иллюстрируется осциллограммами гармонических составляющих полезного выходного сигнала (три первые гармоники для наглядности дополнительно подавлены) при RЭ=0,47 Ом (рис.3,в) и RЭ=0 (рис.3,б) в случае подачи на вход усилителя синусоидального входного сигнала частотой 35 кГц (рис.3,а). Таким способом спектр КИ предлагаемого вниманию радиолюбителей усилителя удалось ограничить 7, 8 гармониками.

Основные технические характеристики:

Максимальная выходная мощность: 60 Вт/4 Ом или 34 Вт/8 Ом
Диапазон воспроизводимых частот: 10 – 20000 Гц
Коэффициент гармоник при выходном сигнале 0,5 (3) дБ от макс. на частоте:
1000 Гц: 0,005 (0,004) %
20000 Гц: 0,025 (0,012) %
Номинальное входное напряжение: 0,5 В
Скорость нарастания выходного напряжения (без С2): 15 В/мкс;
Отношение сигнал/помеха: 96 дБ;
Ток покоя при температуре выходных транзисторов 15-90 °С: 150-200 мА.

Принципиальная схема усилителя приведена на рис.4. Предварительное усиление обеспечивает ОУ DA1, далее следует каскад на транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме ОЭ—ОБ, имеющий высокий коэффициент использования напряжения питания и обладающий малым уровнем коэффициента гармоник. Его нагрузкой служит источник тока на транзисторе VT5. Напряжение смещения транзисторов выходного каскада создается каскадом на транзисторах VT3, VT4, управляемым разностью потенциалов между базами VT8, VT9. Такое техническое решение позволило сделать его независимым от режима работы транзисторов VT6. VT7 предоконечного каскада, что повысило термостабильность усилителя и дополнительно снизило амплитуду импульсов КИ более чем в 1,5 раза. Поскольку напряжение между базами транзисторов VT3, VT4 меньше, чем между базами кремниевых транзисторов VT8, VT9, для поддержания активного режима работы последних, один из транзисторов каскада, обеспечивающего смещение, должен быть германиевым. Температурная стабильность тока покоя выходного каскада достигается размещением транзистора VT3 на теплоотводе одного из его транзисторов. Резистор R23 выполняет функции цепи разряда диффузионной емкости. Устройство защиты собрано на диодах VD7, VD8 и транзисторах VT2, VT5. Порог его срабатывания (6,7-7 А) определяется номиналами резисторов R24, R25. Конденсаторы С5, С8 повышают устойчивость усилителя, а С6 обеспечивает апериодический характер затухания переходного процесса, возникающего в усилителе при воздействии импульсного сигнала.

tranzS_021 ldsound.ru (3)

Рис. 5

Усилитель смонтирован на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 3 мм (рис.5).

tranzS_021 ldsound.ru (2)

Рис. 6

При монтаже могут быть использованы постоянные резисторы МЛТ, С5-16. построечные — СП5-3. конденсаторы оксидные — К50-6, остальные — КД и КМ. Транзисторы VT6, VT7 снабжены пластинчатыми теплоотводами из меди толщиной 0,5 мм (рис.6). Их выводы впаивают в соответствующие точки печатной платы. Диаметр отверстия в теплоотводе, на котором установлен, транзистор КТ626В (VT7), равен 2, а КТ904Б (VT6) — 4 мм. Площадь охлаждающей поверхности теплоотводов транзисторов выходного каскада — 400 см2. На одном из них с помощью скобы закреплен транзистор КТ503Б (VT3). На месте транзистора VT1 могут работать КТ3102 с индексами А и Е, VT2 — КТ933 с такими же индексами и КТ3108А, VT3 — любой маломощный кремниевый транзистор в пластмассовом корпусе с коэффициентом h21Э=40-100, VT4 — любой маломощный высокочастотный германиевый с таким же h21Э; VT5 — КТ601А, КТ608А, КТ630 с индексами А, Б и В, VT6 — КТ907 с индексами А и Б, КТ940 с индексами А, Б, В, КТ961А, VT7 — КТ626Б, КТ933 с индексами А и Б, VT8 — КТ819, VT9 — КТ818 с индексами В и Г. Замена ОУ К140УД11 другим не рекомендуется.

Для питания усилителя нужен нестабилизированный источник напряжением ±22…±30 В с конденсаторами фильтра емкостью не менее 10000 мкФ. Мощность трансформатора питания для стереофонического варианта УМЗЧ не менее 120-180 Вт (в зависимости от напряжения питания). С усилителем его следует соединять проводами сечением не менее 1 мм2 и длиной не более 30 см.

Налаживают усилитель при отключенной нагрузке. Движок подстроечного резистора R21 перемещают в нижнее (по схеме) положение и, включив питание, устанавливают им ток покоя транзисторов выходного каскада в пределах 150-170 мА, после чего резистором R7 добиваются нулевого потенциала на выходе усилителя. Затем подключают нагрузку и проверяют параметры усилителя на соответствие указанным в начале статьи. Они получены при разбросе коэффициентов h21Э транзисторов VT8, VT9 40 %. Экспериментально испытывался образец, в котором использовались транзисторы с разбросом h21Э 350 %. Оценка качества его звучания не показала сколь — либо заметного ухудшения в передаче верхних частот и спектральной локализации звучания музыкальных инструментов, хотя измеренный коэффициент гармоник увеличился в 2,5 раза (в основном за счет повышения уровня второй гармоники). Этот опыт еще раз подтверждает тот факт, что гармонические составляющие более низкого порядка меньше влияют на верность звуковоспроизведения.

Авторы: Ломаркин А., Паршин Б.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *