Транзисторний УМЗЧ на шляху до досконалості

Зазвичай, розглядаючи роботу УМЗЧ, припускають, що його навантаження чисто активне. Однак громкоговоритель, та ще зі згладжуючими фільтрами, є складним комплексним навантаженням. При роботі на комплексне навантаження виникаючий зсув фази між напругою і струмом на виході підсилювача призводить до того, що при синусоїдальних вхідних сигналах навантажувальна пряма перетворюється в еліпс. Положення робочої точки (навчальна крива) для реактивного навантаження на вихідних характеристиках триода і транзистора при підсиленні гармонійного сигналу показані на рис.1 і 2 відповідно.

Як видно з рис.1, вихідні характеристики триода практично ідеальні для комплексного навантаження, яким є АС. Сприятливий спектр гармонік (не вище п’ятої) і висока лінійність в значній мірі визначають "м’якість" звучання лампових підсилювачів. В той же час, однотактовий транзисторний підсилювач зовсім непридатний для роботи на громкоговоритель, оскільки лінія навантаження заходить з одного боку в область обмеження за допустимою потужністю розсіювання на колекторі (заштрихована область, вище гіперболи), з іншого – в нелінійні області при малих Uкэ.

Поперечний розмір еліпса навантажувальної кривої залежить від індуктивної складової навантаження, а подовжній – від активної. При підсиленні імпульсних сигналів, наприклад типу "меандр", лінія навантаження представляє собою паралелограм [1], що ще більше погіршує становище. Амплітуда стрибка напруги в момент перемикання (за рахунок ЕДС самоіндукції) залежить від відношення постійної часу сигналу То до постійної часу навантаження T=L/R. При t>То з метою виключення ймовірності пробою вихідних транзисторів (наприклад в підсилювачах класу D з ШІМ) паралельно вихідним транзисторам встановлюють зворотно включені діоди.

На рис.3 показані навантажувальні характеристики двотактного вихідного каскаду транзисторного УМЗЧ на сімействі вихідних вольт-амперних характеристик при чисто активному навантаженні (пряма) і при комплексному навантаженні (еліпс) в межах області безпечної роботи (ОБР) транзисторів по постійному току.

При цьому максимальна потужність розсіювання на кожен транзистор плеча вихідного каскаду збільшується пропорційно зсуву фази <р вектора навантаження (рис.4). Типове значення зсуву фази зазвичай лежить в межах 25...60°, але в рідкісних випадках досягає 80°.

Оскільки імпеданс акустичної системи (АС) має індуктивний характер, вектор якої Z1=RL+ZL має напрямок, протилежний напрямку вектора ємнісного навантаження (рис.4), можна підібрати RC-ланцюг (компенсатор Буше) з імпедансом Z2=R+Zc, що компенсує індуктивну складову навантаження. В результаті імпеданс АС стає чисто активним і не залежить від частоти.

Умови компенсації [1]:

де RL - еквівалент активного опору громкоговорителя (4...10 Ом); С = 0,1 мкФ.

Імпульсний характер реального звукового сигналу та комплексний характер імпедансу громкоговорителів призводять до того, що пікове значення вихідного струму в 5...8 разів перевищує максимальне амплітудне значення Im, відповідне роботі на активне навантаження.

Так, наприклад, при вихідній потужності 60 Вт і опорі навантаження 4 Ом пікове значення струму на виході може становити 5,5 А при активному навантаженні і 33 А при комплексному. Звідси видно, наскільки важливо правильно підібрати компенсуючу RC-ланцюг і мати достатній запас по потужності УМЗЧ.

На рис.5 представлена діаграма роботи кінцевих транзисторів в режимі АВ, де Uo1, Uo2 - їх початкове зміщення; lo1, lo2 - струм спокою.

При абсолютній симетрії каскаду сумарна характеристика представляє собою пряму лінію, в іншому випадку має місце вигин в ту або іншу сторону [З].

Звучання лампової апаратури часто характеризують такими епітетами як "бархатне", "м’яке", "тепле", природне і т.п. Чим це викликано? В першу чергу тим, що у ламп рівень спотворень при збільшенні сигналу зростає повільно, досягаючи величин кількох відсотків. Таку залежність називають "монотонним спотворенням". Причому гармоніки вище третьої практично відсутні. Не дарма на зміну підсилювачам класу Hi-Fi (High Fidelity - "висока вірність") приходять переважно лампові підсилювачі класу Hi End (High End - "високий підсумок", "найвищий") з коефіцієнтом нелінійних спотворень до 1%.

В транзисторних підсилювачах спотворення низькі тільки в робочій області і різко зростають при переході її меж. Характерною особливістю подавляючої більшості транзисторних підсилювачів є чітке обмеження вихідного сигналу при перевантаженні по напрузі в результаті насичення транзисторів попереднього каскаду (підсилювача з ОЕ або з ОБ і його навантаження - генератора струму, рис.6). Це обмеження не завжди симетричне, що призводить до різкого зростання вищих гармонічних складових (до 10% і більше) і жорсткому, "металевому" звучанню. Як відомо, "меандр" містить близько 30% непарних гармонік. При цьому корисна інформація на вершинах сигналу на час перевантаження повністю замінюється продуктами спотворень у чистому вигляді. В цьому сенсі цілком виправдано роздільне, дво- або трьохполосне підсилення сигналів. Оскільки рівень ВЧ-складових на 10...15 дБ нижче, їх компресування і повного зникнення не буде.

Для зменшення спотворень такого роду безпосередньо на вході звичайного УМЗЧ встановлюють амплітудний обмежувач (Limiter).

В багатосмуговому УМЗЧ лимитер встановлюють не на загальному вході, а тільки на вході підсилювача НЧ. Крім того, для підсилювачів з нестабілізованим джерелом живлення необхідно враховувати можливе зниження напруги мережі.

Можливий варіант покращення звучання одноканального підсилювача з використанням обмежувача і окремих активних регуляторів тембру показаний на структурній схемі (рис.7). В цьому варіанті при налаштуванні лимитера залишають запас по перевантажувальній здатності підсилювача для СЧ- і ВЧ-складових.

Амплітудна модуляція частот поблизу 50, 100 і 200 Гц на максимальній потужності УМЗЧ, що живиться від нестабілізованого джерела, також вносить додаткові спотворення, що надають "басам" жорсткість. Усунути цей вид спотворень можна живленням УМЗЧ від стабілізованого джерела напруги з струмом навантаження в імпульсі не менше 20 А або збільшенням глибини ООС на кілька порядків в області нижніх частот за допомогою інтегратора [2].

Додаткові призвуки вносить і самовозбуждення УМЗЧ під час перехідних процесів і при роботі на комплексне навантаження.

(Продовження слідує) 
(РЛ 5-99)