Тепловые искажения в усилителях Hi-Fi (Часть 2)

Рассмотрим наипростейшую полупроводниковую схему (рис.1), в которой полупроводниковый диод вместе с обычным резистором образуют последовательную цепочку. Такая схема может использоваться в усилителе HiFi (рис.2). Если схема давно включена, и установилось какое-либо тепловое равновесие, выходное напряжение Uвых постоянно. При увеличении входного сигнала увеличивается протекающий по цепочке ток. Под его воздействием несколько увеличивается падение напряжения на диоде, и он начинает сильнее нагреваться. Нагревание продолжается до достижения нового теплового равновесия, а затем все стабилизируется в новых условиях.
Puc.1
Puc.2 Большинство измерений завершается примерно в этот момент, довольствуясь регистрацией нового теплового равновесия. Все было бы хорошо, если бы под воздействием нагревания не изменялось сопротивление полупроводникового диода, которое, вследствие отрицательности температурного коэффициента, приводит к уменьшению падения напряжения на диоде. Следовательно, имеется как повышение, так и понижение падения напряжения, и все это происходит в разные моменты времени. Увеличение падения напряжения при увеличении тока происходит почти мгновенно (с "электронным" временем запаздывания порядка пико- и наносекунд), в то время как его уменьшение определяется скоростью прогревания диода вместе с корпусом (медленно, с "тепловой" скоростью). Нагревание характеризуется несколькими постоянными времени. Быстрее всего нагревается сам полупроводниковый переход, имеющий малую массу. Гораздо медленнее нагревается весь заключенный в корпус диод. Учитывая все эти медленно затухающие во времени процессы, влияющие на выходное напряжение, нетрудно сделать вывод, что откликом диода на скачкообразное изменение тока будет сначала скачкообразное изменение напряжения, уровень которого будет затем постепенно приближаться к исходному значению (причем скорость приближения будет определяться несколькими постоянными времени). Таким образом, передача схемой регулярных скачков тока происходит не идеально, появляются "выбросы", величина и постоянная времени затухания которых не связаны ни с какими электрическими характеристиками. Возникающие при этом искажения имеют чисто тепловое происхождение. Очевидно, что в данном случае безразлично, идет ли речь о дискретных диодах и транзисторах, или же об интегральных схемах. Поскольку среди диодов имеются как массивные, так и миниатюрные, разброс постоянных времени может быть очень широким. Подвергнем такому же непривычному анализу простейший эмиттерный повторитель, схема которого приведена на рис.3. Зададимся вопросом, имеются ли в такой схеме низкочастотная постоянная времени (нижняя граничная частота) и обусловленные ею частотно зависимые переходные процессы? Опираясь на учебники, специалисты и неспециалисты отвечают хором - НЕТ! Мы же, наученные предыдущим опытом, присмотримся к ней более внимательно.
Puc.3 Предположим, что схема включена уже достаточно давно, транзистор и его окружение уже достигли какого-то теплового равновесия, при котором на транзисторе рассеивается мощность Р1, поддерживающая постоянной температуру транзистора Uce1*Ic1=P1 Изменим рабочую точку транзистора, заметно изменив входное напряжение. Как только коллекторный ток транзистора изменится (хотя и здесь можно было бы учесть временную постоянную), изменится и напряжение эмиттер-коллектор. На транзисторе теперь уже будет рассеиваться мощность Р2 Uce2*Ic2=P2, которая отличается от вышеупомянутой, а это приведет к изменению установившейся температуры транзистора. Для иллюстрации возникающих при этом искажений, из множества подлежащих контролю параметров выберем один из наиболее легко измеряемых - напряжение Ueb В установившемся состоянии на выходе эмиттерного повторителя имеется Uвых1=Uвх1-Ueb1. которое легко измеряется, например мультиметром. Изменение входного напряжения в первый момент почти полностью попадает на выход. Однако теперь транзистор имеет уже другую рабочую точку, соответствующую рассеиваемой мощности Р2. Это оказывает влияние на напряжение Ueb (-2 мВ/°С) и вызывает смещение (дрейф) выходного напряжения (поскольку теперь транзистор становится или немного холоднее, или теплее в сравнении с предыдущим состоянием). Изменение напряжения необходимо добавить (с правильной полярностью) к выходному напряжению, и определить в каждом конкретном случае тепловую постоянную времени. Здесь возникают важнейшие вопросы:
* какая величина тепловой постоянной времени;
* - в каком направлении происходит ее изменение;
* - какая величина ее изменения? То, как транзистор нагревается или остывает в новой рабочей точке, зависит от его состояния в предыдущей рабочей точке. Если транзистор работал в состоянии согласования по мощности (Uce=0,5Uпит), то на любое изменение рабочей точки он отвечает остыванием. Поэтому в данном случае на воздействие какого-либо небольшого постоянного управляющего напряжения транзистор всегда выдает сигнал помех одного и того же вида, который добавляется к выходному сигналу. Если рабочая точка транзистора отличается от согласованной, в новой рабочей точке транзистор может как остывать, так и нагреваться. В этом случае полярность сигнала помех, появляющегося на выходе, будет зависеть от полярности управляющего сигнала. В зависимости от управляющего сигнала, тепловой сигнал помех теперь может как добавляться к выходному сигналу, так и вычитаться из него. Рассмотрим схему дифференциального усилителя (рис.4), которая представляет интерес и с исторической точки зрения - несколько десятилетий назад порождаемые этой схемой тепловые искажения составляли главную часть всех тепловых искажений.
Puc.4 Возможны две ситуации. В первом случае, когда дифференциальный усилитель согласован по мощности, воздействие управляющего сигнала приводит к остыванию обоих транзисторов (имеющих практически одинаковые размеры). Тогда в усиленном сигнале, имеющемся на коллекторах транзисторов, пояляется новая, синфазная составляющая (под влиянием остывания Ueb увеличивается, растет коллекторный ток и, как следствие, снижается коллекторное напряжение). В неблагоприятных случаях этот компонент может распространиться в усилителе дальше и, например, "сбивать" настройку рабочей точки двухтактного выходного каскада, или же вызывать неприятные смещения рабочих точек других каскадов. Обычно говорят, что в выходном дифференциальном сигнале существенных помех не имеется. Величина возникающего синфазного сигнала пропорциональна входному управляющему напряжению и коэффициенту усиления синфазного напряжения, которое в хорошем приближении определяется отношением коллекторного и эмиттерного сопротивлений. Поскольку у усилителей звуковой частоты эти значения обычно достаточно близки, можно считать, что синфазный сигнал усиливается в несколько раз (например в 1...10). Следовательно, если в каскаде уже имеется дифференциальный сигнал достаточно высокого уровня, величина напряжения синфазного сигнала может быть достаточно большой. Этот сигнал (синфазный) сам по себе не прослушивается, но он может оказать возмущающее действие на рабочие точки последующих каскадов. Между прочим, точно такое же действие оказывает и изменение температуры окружающей среды, приводящее к изменению температуры полупроводниковых устройств (например при использовании усилителя в жаркий солнечный день или же в морозную погоду). Оба рассмотренных эффекта суммируются. Таким образом, при проектировании усилителей HiFi уже недостаточно позаботиться о статических тепловых связях. Необходимо учесть и упомянутые выше динамические синфазные воздействия. Во втором случае, когда дифференциальный усилитель работает с рассогласованием по мощности, под воздействием управляющего сигнала на выходе возникают переходные процессы, имеющие тепловую постоянную времени. По величине и частоте они в этом случае сравнимы с управляющим сигналом, их можно обнаружить как искажения полезного дифференциального выходного сигнала, соответствующим способом измерить или услышать. Поскольку один из транзисторов будет нагреваться, а второй - остывать, возникает противофазный сигнал помех, практически не отличимый от полезного сигнала. Каверзный вопрос - величина тепловой постоянной времени. Данных об этом нет ни в каких каталогах, и опереться здесь можно только на некоторые экспериментальные факты. Некоторые из таких экспериментальных данных опубликованы в узкоспециальных малотиражных изданиях ряда заинтересованных фирм (например Tektronix, Philips, Ates и др.). Для них эти данные не оказались слишком уж неожиданными. Транзисторные полупроводниковые р-п переходы "приличного" размера, как например у 2N3055 (мы пока не говорим о самом полупроводниковом приборе в корпусе, размеры которого могут также зависеть от серии и фирмы-изготовителя) могут термически отслеживать (т.е. нагреваться/остывать) частоты вплоть до верхней граничной - порядка 1 кГц. Приборы с меньшим р-п-переходом, например ВС107, или того меньше, отслеживают частоты вплоть до частоты 90 кГц (!). Для элементов поверхностного монтажа (SM - Surface Montage) и интегральных схем предельная частота еще выше. Естественно, между полупроводниковым кристаллом и корпусом имеется хороший тепловой контакт, и большая тепловая постоянная корпуса стремится, в соответствии с величиной теплоотдачи контакта, приглушить темпера-турные колебания. Думаю, что теперь уже понятно, что усилитель постоянного тока (например изображенный на рис.3 эмиттерный повторитель, который тоже своего рода УПТ) имеет такую же нижнюю (!) граничную частоту, как и, например, эмиттерный повторитель на 200 МГц. Эти звукочастотные искажения невозможно измерить традиционными методами. Часто применяемый при измерениях принцип "подождем, пока прогреется схема", как раз и обходит рассматриваемые здесь проблемы. Но как можно обнаружить этот эффект при прослушивании музыкального произведения через усилитель HiFi? Конечно, больше всего нас интересует величина эффекта. Из проведенных измерений выяснилось, что возникающий таким путем вторичный сигнал в усилителе (который может восприниматься как искажение) легко может достигать 5...20% амплитуды полезного сигнала. Вполне возможно, что у многих, читателей имеются усилители HiFi в пластмассовом корпусе, покоящиеся на книжных полках, у которых все в порядке с "антуражем", и между тем, они имеют очень сильные тепловые искажения. Они не обязательно искажают всегда и все, а только определенные мелодии и в определенных звукосочетаниях (после удара и т.п.). А при традиционных методах измерения искажений усилитель выглядит очень хорошо.






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.