Главная Контакт Ссылки
Биполярные транзисторы в УМЗЧ: что может быть хуже? Версия для печати
Написал С. Королёв   
вторник, 23 Сентябрь 2003

Как только в мощных УМЗЧ стали широко применяться биполярные транзисторы, сразу же стал проявляться "феномен транзисторного звучания", который в первом приближении заключается в том, что транзисторный УМЗЧ, формально имеющий коэффициент нелинейных искажений около сотых или даже тысячных долей процента, при прослушивании звучит гораздо хуже, чем ламповый УМЗЧ, у которого коэффициент нелинейных искажений в десятки или в сотни раз больше (1%...2%).

Ни в одной из многих публикаций по проблеме "транзисторного звука" не рассматривалось и не учитывалось должным образом неизбежное и принципиально не устранимое запаздывание по времени усиливаемого сигнала при прохождении усилительных элементов. Под этим запаздыванием понимается разница по времени между моментом прихода полезного сигнала на входной электрод транзистора и моментом появления его усиленной копии на выходном электроде. Другими словами, усилительный каскад в некотором смысле является подобием линии задержки для усиливаемого сигнале. Для мощных высокочастотных транзисторов это запаздывание можно оценить примерно в 40...50 нс, для среднечастотных мощных транзисторов - 200...400 нс. В справочниках, к сожалению, этот параметр для режима усиления не приводится.

В доказательство факта первостепенного влияния времени запаздывания на появление "транзисторного звука" проведем количественный анализ для УМЗЧ, имеющего стандартную внутреннюю архитектуру: на входе — дифференциальный каскад с коэффициентом усиления по напряжению порядка 20...50, затем — эмиттерный повторитель и однотактный усилитель напряжения с коэффициентом усиления порядка 200...400. На выходе - двух- или трехкаскадный двухтактный усилитель тока. Примерно такая архитектура характерна для большинства ОУ и УМЗЧ в виде одной микросхемы, как, например, в серии 174. Так вот, величину запаздывания можно оценить из тех соображений, что поскольку усиливаемый сигнал проходит 4...8 транзисторов (из них как минимум 2 выходных среднечастотных большой мощности с задержкой около 200 нс на каждом), это дает суммарную задержку около 400 нс. Перед выходными еще три-четыре маломощных высокочастотных транзистора дают задержку около 150 нс. Общее время задержки получается минимум 550 нс. Добавление в схему каскодных усилителей, токовых зеркал и тому подобных вещей только увеличивает время запаздывания за счет прохождения усиливаемого сигнала по дополнительным транзисторам.

На вход стандартного УМЗЧ надо подать сигнал величиной около 1 В. На выходе сигнал имеет величину около 20 В, что на нагрузке в 8 Ом дает 50 Вт выходной мощности. Если глубина отрицательной обратной связи такого УМЗЧ - 60 дБ (1000 раз), это значит, что его общий коэффициент усиления — 20000. На его входе действует как полезный сигнал величиной 1 В, тек и сигнал обратной связи величиной -0,999 В. В итоге, на входе УМЗЧ действует результирующий сигнал величиной 0,001 В, который и усиливается в 20000 раз - до 20 В. Поэтому утверждать, что обратная связь уменьшает усиление - нe совсем корректно. Обратная связь всего лишь приводит к тому, что на входе УМЗЧ складываются или вычитаются входной сигнал и сигнал обратной связи. Это явление называется интерференцией входного сигнала и сигнала из цепи ОС.

Пусть входной сигнал имеет частоту f = 20000 Гц и он меняется по синусоидальному закону

За время задержки t = 550 нс величина входного сигнала возрастает от нуля до 50 мВ. Подчеркну, что сигнал по цепи обратной связи еще не успевает вернуться с выхода УМЗЧ. Во входном дифференциальном каскаде сигнал усиливается в 20...40 раз - до величины 1...2 В и приходит на вход эмиттерного повторителя. Для него сигнал величиной 1...2 В не является большим, поэтому можно считать, что повторитель не добавляет искажения в сигнал. Далее сигнал поступает на вход однотактного (для подавляющего большинства схем УМЗЧ) усилителя напряжения, который обеспечивает основное усиление сигнале в УМЗЧ. Его усиление лежит в пределах от 200 до 500. Ясно, что при входном сигнале в 1 ...2 В не выходе транзисторного каскада мы никогда не получим сигнал величиной 500...1000 В, как вытекеет из расчетов. Следовательно, в этом каскаде полезный сигнал будет искежен самым "жутким" образом, и эти искажения ничем не будут скомпенсированы. Потом сигнал придет на вход двухтактного усилителя тока. Здесь он дополнительно исказится, и лишь затем дойдет до нагрузки, и по цепи ОС вернется на вход УМЗЧ. Но, так как выходной сигнал будет сильнейшим образом искажен, он уже не будет синусоидальным. Поэтому говорить о его противофазности по отношению ко входному нельзя. Более того, часть гармоник выходного сигнала совпадет по фазе с входным, что будет свидетельствовать о том, что ОС стала положительной, и на этих частотах возможно появление паразитной генерации. На входе УМЗЧ произойдет сложение входного сигнала и ослабленного цепью ОС, сильно искаженного выходного. Весь этот "коктейль" затем снова усилится и исказится еще больше, и так далее. Что будет в итоге - не знает никто. Ясно, что такой линейный подход не описывает реальную картину.

Попробуем численно оценить, какой входной сигнал является "сильным" для биполярного транзистора, какой -"слабым". Зависимость между входным параметром - напряжением база-эмиттер Uбэ и выходным — током коллектора Iк, имеет вид

где jт=26 мВ при комнатной температуре - так называемый термический потенциал.

Вспоминая свойства экспоненты ехр X=ех, где

которая разлагается в сходящийся ряд по X, т.е.

легко видеть, что для биполярных транзисторов слабым является такой сигнал, когда Х<<1. Другими словами, должно выполняться условие

Это значит, что величина сигнала не должна превышать 1...2 мВ. Интересно отметить, что для сигнала величиной 5 мВ (X=0,2), когда ехр(0,2)=1,22, коэффициент гармоник составляет около 11%. В случае сигнала величиной 50 мВ (X=2), ехр(2)=7,39, и приближенно коэффициент гармоник в этом случае можно оценить в 70%. Если же величина сигнала 1 В (X=40), то ехр{40)=5,05 * 1016, и в этом случае среди искажений полезный сигнал на выходе практически не обнаружится (он на 16 порядков слабее уровня помех). Поэтому считать биполярный транзистор линейным элементом можно только для входных сигналов, не превышающих 5 мВ.

В реальных УМЗЧ всегда вводится так называемая коррекция АЧХ, т.е. принудительное уменьшение усиления на высших частотах. Это уменьшает перегрузку как входного дифференциального, так и однотактного усилителей напряжения. В этом случае на низких частотах разница между значением входного напряжения в установившемся режиме и запаздывающего по цепи ОС не такая значительная. Например, если f=1000 Гц, то за 550 нс входной сигнал вырастет до 2,4 мВ (вместо 50 мВ при 20000 Гц), что не приведет к очень уж значительному росту процента искажений. Но даже на частоте 1000 Гц есть предпосылки для образования так называемых динамических искажений (превышение в 2,4 раза уровня сигнала в установившемся режиме).

Те УМЗЧ, схемы которых копируют внутреннюю архитектуру операционных усилителей, гарантированно работают без динамических искажений только на частотах, не превышающих 100...200 Гц.

Из вышеприведенного (конечно, не вполне строгого) численного анализа видно, что биполярный транзистор является существенно нелинейным усилительным элементом. Его нелинейность проявляется уже при уровнях усиливаемого сигнала в 10...15 мВ. Поскольку в УМЗЧ уровни сигнала достигают значений в десятки вольт, биполярные транзисторы начинают работать практически в ключевом режиме. В этом случае первостепенную роль начинают играть процессы, которые возникают при переходе транзисторов из полностью закрытого в полностью открытое состояние и обратно.

Численный расчет переходных процессов очень сложен даже в первом приближении, и его никто не делает для усилителей звуковых частот. Поэтому переходные характеристики разных УМЗЧ очень разнятся между собой, и все зависит от случайных факторов. Вероятно, этим можно обьяснить тот реально наблюдаемый факт, что похожие по схемам и формально близкие по параметрам транзисторные УМЗЧ значительно различаются по качеству звучания при прослушивании различных музыкальных программ.

Появление динамических искажений схематично можно описать так — реальный музыкальный сигнал является случайным сигналом с непредсказуемыми амплитудой, частотой и фазой. Обычно его представляют в виде суммы низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной составляющих, причем амплитуда низкочастотной составляющей - самая большая, среднечастотной — обычно меньше, а высокочастотной - самая маленькая из всех величина. Соответственно сигнал ОС тоже будет иметь три составляющие. Запаздывание сигнала ОС на низких и средних частотах почти не влияет на сдвиг по фазе сигнала ОС, который для этих составляющих будет строго противофазным к усиливаемому сигналу. Следовательно, коэффициент гармоник на этих частотах достаточно мал, а неизбежное запаздывание высокочастотных составляющих играет роль небольшой добавки, практически не ухудшающей общей картины. Такая ситуация возникает, например, при передаче голоса диктора на фоне медленной музыки. Качество звучания усилителя в этом случае воспринимается как высокое.

Но если мощный низкочастотный сигнал пропадает, и вместо него идет техноэлектронная музыка с большим уровнем высокочастотных составляющих, тот же усилитель уже кажется исключительно плохим. Именно непредсказуемый характер музыки определяет - хорошо, плохо или очень плохо работает усилитель. Безусловно, раз длительность переходных процессов измеряется в единицах микросекунд, стрелочные приборы не зафиксируют каких-либо искажений сигнала за столь короткий промежуток времени, а на экране осциллографа эти 100% искажения будут регистрироваться как небольшие по длительности "размытости" основной низкочастотной кривой и могут быть просто не замечены, особенно если усиливаемый сигнал - не синусоида от звукового генератора, а случайный музыкальный сигнал. Поэтому можно сказать, что динамические искажения - это кратковременные (длительностью в единицы или десятки микросекунд) 100% искажения, появляющиеся по случайному закону в зависимости от характера звукового сигнала. При большом уровне высокочастотных составляющих их уровень резко возрастает.

Теперь легко ответить на вопрос - почему эти динамические искажения отсутствовали в ламповых УМЗЧ. Для ламп уровень "сильного" сигнала начинается с 2...3 В, что в сотни раз больше, чем для биполярных транзисторов (для мощных выходных ламп уровень сильного сигнала вообще начинается с 20...30 В). Анодно-сеточные характеристики ламп достаточно точно описываются полиномами 5-й или 6-й степени, а это значит, что появление 7-й, 8-й и более высоких гармоник исключено. Для биполярных транзисторов с их экспоненциальной характеристикой получается другая картина - чем выше уровень сигнала, тем более высокочастотные гармоники появляются в его спектре, что и наблюдается на практике. На выходе транзисторных УМЗЧ уверенно регистрируются гармоники полезного сигнала с номерами до 12...15. Далее, в ламповых УМЗЧ цепь глубокой ОС никогда не охватывает 5 или 6 каскадов, а максимум два, из-за того что в ламповых УМЗЧ применяются разделительные конденсаторы для гальванической развязки между каскадами, вызывающие большие фазовые сдвиги. Для ламповых УМЗЧ глубина ОС не превышает 20 дБ, а для транзисторных УМЗЧ, в которых применяется гальваническая связь между каскадами, ОС глубиной 60...70 дБ - в порядке вещей.

В итоге, запаздывание сигнала ОС относительно соответствующего ему полезного сигнала в ламповых УМЗЧ во много раз меньше, чем в схемах на биполярных транзисторах. Меньшая глубина ОС приводит к тому, что уровни сигнала на входе усилителя в установившемся режиме и при поступлении сильного высокочастотного сигнала отличаются всего в 5...10 раз. Да и сами лампы имеют более высокий уровень порога, выше которого начинается недопустимое искажение полезного сигнала. Более того, можно сказать, что в ламповых УМЗЧ реализовано оптимальное построение схемы - в единственном оконечном каскаде происходит основное усиление сигнала от уровней порядка 5...10 В до нескольких сотен вольт. В предварительных каскадах уровень сигнала — около 1...2 В. При таком уровне нелинейность анодно-сеточных характеристик почти не сказывается.

В УМЗЧ на биполярных транзисторах сигнал, имеющий уровень единиц и десятков вольт, проходит через три-четыре транзистора. В ламповых усилителях сигнал большого (для ламп) уровня появляется только в конце пути к нагрузке. И тот факт, что схемы на биполярных транзисторах имеют иную архитектуру, чем ламповые, говорит о том, что биполярные транзисторы как усилительные элементы для УМЗЧ мало подходят. Схемы транзисторных УМЗЧ в подавляющем большинстве копируют архитектуру операционных усилителей, которые в свое время применялись в аналоговых ЭВМ на заре их развития (40...50 лет назад). Но операционные усилители в "древних" аналоговых ЭВМ выполняли иную роль, чем УМЗЧ сейчас. Поэтому архитектура схем УМЗЧ должна кардинально отличаться от архитектуры ОУ.

Безусловно, большие перспективы открываются перед УМЗЧ на полевых транзисторах. Проблема здесь только в отсутствии высокочастотных р-канальных транзисторов большой мощности, комплементарных с n-канальными. Как только эта задача будет решена, проблема "транзисторного звука" в УМЗЧ, по моему мнению, будет практически решена.

Радиолюбитель № 10 1999г.

< Пред.   След. >
up Главная | Новости | Усилители мощности | Предусилители | Акустика | Источники сигнала | FAQ | Форум | Карта сайта up
 

Mambo is Free Software released under the GNU/GPL License.