Руководство по проектированию усилителей мощности

Входные каскады

Существуют две основные схемы входного каскада усилителя мощности. Наиболее распространенным является дифференциальный каскад, поэтому мы рассмотрим его в первую очередь.

Дифференциальная пара

Было показано [1], что несбалансированность входной дифференциальной пары должным образом ведет к значительному увеличению искажений, вносимых этим каскадом. Некоторые разработчики пытаются исправить ситуацию, включив резистор в «неиспользуемую» коллекторную цепь, но это чисто косметическое решение, поскольку каскад хоть и выглядит сбалансированным, но никакой другой полезной роли этот резистор не играет (см. рис. 1а).

Обратите внимание, что «драйверный» транзистор (sic! Так в оригинале!) служит только для сравнения топологии схем и обеспечения преобразование тока в напряжение. Однако, стоит отметить, что хотя с точки зрения электроники этот резистор и не играет никакой роли, он может облегчить компоновку печатной платы.

Использование в усилителе дифференциальной (или «длиннохвостой» по англоязычной терминологии — прим. перев.) пары означает, что он будет работать с так называемой «обратной связью по напряжению» (ОСН). Обратная связь обеспечивается напряжением, т.к. входной импеданс обоих входов является высоким (и приблизительно одинаковым), а входной ток (относительно) — пренебрежимо малым.

Резистор обратной связи и конденсатор выбираются такими, чтобы обеспечить работу схемы с максимальным усилением разомкнутой цепи обратной связи по переменному току, но с единичным усилением по постоянному току, для обеспечения стабильности каскада при напряжении 0 В (или около того) на коллекторе Q3.

Транзисторы, используемые в рассматриваемых ниже симуляциях, являются «идеальными», без внутренних емкостей и т.д. и во всех случаях имеют значение hFE = 235, измеренное с базовым током 10 мкА. Напряжение питания симулируемых схем составляет ± 12 В. Разные симуляторы дадут различные результаты, но тенденции будут одинаковыми.

Рис. 1а Косметическое добавление резистора R3 для балансировки коллекторной нагрузки

При токе коллектора Q3 = 12 мА, дисбаланс коллекторных токов дифференциальной пары составит 94 мкА для Q1 и 1 мА для Q2. Ситуацию можно улучшить, просто уменьшив сопротивление R1, но при этом параметры, на которые способен этот каскад, всё ещё не будут достигнуты.

Опять же, усиление дифференциального каскада является довольно малым и равно всего 32 (при измерении на коллекторе Q2). Применение R3 чисто косметическое. Он обеспечивает удобное средство измерения усиления дифференциального каскада, но никакой другой роли, кроме этой, не играет.

Изменение сопротивления R1, как источника тока, никак не влияет на усиление, но обеспечивает достойное улучшение коэффициента подавления пульсаций источника питания и, в частности, улучшает коэффициент подавления синфазной составляющей сигнала. Синфазным сигналом является сигнал, приходящий с одной и той же фазой и амплитудой на оба входа одновременно.

Общий коэффициент усиления этой конфигурации (измеренный на коллекторе Q3) составляет 842, однако, уменьшив R2 до 1,8 кОм, его можно повысить до 1850. При этом также улучшается согласование коллекторных токов  дифференциальной пары, но конкретная величина будет зависима от конкретного устройства и не является надежным параметром для промышленно выпускаемых изделий.

Рис. 1b Токовое зеркало и местная отрицательная обратная связь, приложенная к дифференциальному каскаду

В схеме, показанной на рис. 1b, общий коэффициент усиления увеличен до 6 860, что по сравнению с предыдущей значительно улучшило её характеристики. Дальнейшее улучшение линейности может быть достигнуто добавлением резисторов (по 100 Ом или около того) в эмиттеры транзисторов токового зеркала, что перекроет нелинейность их базо-эмиттерных переходов и обеспечит бо́льшую устойчивость к вариациям  коэффициентов усиления транзисторов. На общий коэффициент усиления это не повлияет.

Правильный выбор рабочего тока значительно улучшит ситуацию, а также поможет уменьшить искажения, особенно с применением местной отрицательной обратной связи (как показано на рисунке 1b). Это подробно обсуждалось различными авторами [1] и чуть-чуть простой логики показывает, что серьезно относящийся к этому вопросу разработчик заслуживает дополнительных плюсов к своей репутации.

Поскольку значение внутреннего сопротивления эмиттера транзистора (re) определяется протекающим эмиттерным током (Ie):

то при очень малых рабочих токах оно может быть довольно высоким. Например, re при токе 0,5 мА будет составлять около 52 Ом, увеличиваясь при уменьшении тока. Хотя это сопротивление приведет к образованию местной отрицательной обратной связи (и уменьшению доступного усиления), оно нелинейно, что ведет к развитию искажений из-за изменений силы тока при обычной работе каскада.

Увеличение тока и установка резисторов (хороших и линейных) для того, чтобы вернуть коэффициент усиления к прежнему значению, уменьшат искажения, поскольку сопротивление резисторов, если оно правильно выбрано, будет «перекрывать» изменения внутреннего сопротивления эмиттера при изменениях уровня сигнала.

При малых токах (когда изменения тока во время работы сравнительно значительны) это внутреннее сопротивление оказывает заметное влияние на характеристики каскада. Существует множество простых решений очевидно сложных проблем.

Применение токового зеркала в качестве нагрузки для дифференциальной пары вновь повышает линейность и коэффициент усиления, обеспечивая либо более глубокую местную обратную связь в другом месте, либо более глубокую общую обратную связь. Любой из этих вариантов улучшит работу усилителя при условии принятия мер по обеспечению стабильности, т.е., отсутствия самовозбуждения на любой частоте или любой амплитуды, независимо от импеданса применяемой нагрузки.

Одинотранзисторный входной каскад

Существует еще одна (не часто используемая в наши дни) версия входного каскада усилителя. Это одиночный транзистор с обратной связью на эмиттер. Многие утверждали, что эта схема существенно уступает предыдущей, однако, она обладает некоторыми очень приятными характеристиками.

Рис. 2a Входной каскад с одиночным транзистором

Так что же в ней такого хорошего? Одним словом: стабильность. Усилитель, использующий этот входной каскад, требует небольшой или вообще никакой дополнительной стабилизации (конденсатора «Миллера», известного также, как «доминирующий полюс»), который является обязательным в усилителях со входным каскадом на дифференциальной паре.

Усилитель, использующий этот входной каскад, называется схемой «обратной связи по току» (ОСТ), поскольку точка приложения обратной связи (эмиттер входного транзистора) имеет очень низкий импеданс. Вход базовой схемы является неинвертирующим и имеет относительно высокий входной импеданс, но не столь же большой, как у дифференциальной пары.

Этот входной каскад, используемый в усилителе класса A мощностью 10 Вт (разработка Джона Линсли-Худа, который больше не участвует в работе Audio Pages), а также в усилителе El-Cheapo, описанных на моих страницах проектов. «Ладно, если это так хорошо, почему его никто не использует?» Я слышал, что Вы спросили (тогда Вы должны были сказать это довольно громко, потому что Австралия отсюда далеко).

Существует одно основное ограничение этой схемы, которое было «создано» внезапно возникшим требованием ко всем усилителям мощности, чтобы они не были опозорены рецензентами и отвергнуты покупателями: способность точно воспроизводить постоянный ток.

(Я по-прежнему смущен этим требованием, т.к. точно знаю, что не слышу сигнала постоянного тока, мои динамики не могут его воспроизвести, я не знаю ни одного музыкального инструмента, который смог бы его создать и, вероятно, это был бы очень скучный звук, если бы кто-либо смог его применить.

Если вы мне не верите — подключите к громкоговорителю батарейку на 1,5 В и дайте мне знать, если я ошибаюсь. Я, вроде бы, припоминаю что-то о фазовом сдвиге, о котором говорили в то время, но, учитывая акустику, применяемую при студийной записи и для воспроизведения в обычном помещении для прослушивания, не говоря уже об «интересных» фазовых сдвигах, создаваемых диффузорами громкоговорителей, когда динамик приближается к резонансу, мне кажется, что влияние нескольких градусов низкочастотного фазового сдвига, генерируемого в усилителе, маловероятно.

Этот входной каскад не может быть подключен по постоянному току (по крайней мере, без использования схемы сдвига уровня) из-за падения напряжения между эмиттерной цепью и база-эмиттерным переходом транзистора. Поскольку такой усилитель не может быть балансным из-за наличия входного каскада с ОСТ, на входе должна быть разделительная емкость.

Кроме того, необходимо специальное построение схемы смещения и, к сожалению, она должна быть выполнена либо настраиваемой (что означает наличие подстроечного резистора), либо для отслеживания уровня постоянного тока следует применить операционный усилитель, который сравнивал бы постоянную составляющую выходного напряжения с нулевым опорным напряжением и регулировал бы входное напряжение для поддержания 0 В на выходе.

Использование таких методов не будет здесь рассматриваться, хотя они и могут обеспечить смещение по постоянному току намного ниже, чем это может быть достигнуто с использованием схемы самого усилителя. Операционный усилитель не оказывает влияния на звук (принимая во внимание результаты дискуссии о том, что даже приличные операционные усилители в любом случае влияют на звук, ухудшая его), поскольку он работает только на постоянном токе (он может иметь небольшое влияние на частоте порядка 0,5 Гц, но его вряд ли можно услышать).

Существует также мнение, что одиночный транзистор имеет более низкий коэффициент усиления, чем схема с ОСН, но это просто неверно. Коэффициент усиления каскада с разомкнутой цепью обратной связью, как минимум, выше, чем у простой дифференциальной пары в том же самом устройстве.

Рис. 2b Сравнение усиления по напряжению входных каскадов

Я смоделировал пару очень простых схем (показанных на рис. 2b), чтобы увидеть разницу между ними. Коллекторный ток для каждой из них составляет порядка 1 мА. Усиление напряжения на выходе схемы с дифференциальной парой составляет 1770 (невозможно правильно измерить усиление по напряжению отдельно входного дифференциального каскада, поскольку в обоих случаях он работает как усилитель тока).

В любом случае смещение по постоянному току меня не интересовало, т.к. на то, чтобы просто увидеть коэффициент усиления, оно влияло мало, поэтому напряжение смещения и не отображено. (Вы заметили, что коэффициенты усиления, полученные в этой симуляции, совершенно не такие, как полученные ранее для простой схемы с дифференциальной парой, т.к. я использовал другое напряжение питания (в предыдущем примере использовалось ± 12V). Это никоим образом ничего не отменяет, они просто другие.

Для сравнения, коэффициент усиления однотранзисторного каскада с разомкнутой обратной связью, составляет 2000, что несколько больше, при условии, что все остальные параметры остаются такими же. По общему признанию, добавление токового зеркала улучшит характеристики дифференциальной пары еще существеннее, но действительно ли нам нужно намного большее усиление?

Быстрый тест показывает, что можно получить усиление, составляющее 3 570. Это выглядит очень впечатляюще, но это увеличение составляет лишь чуть более, чем 4,2 дБ по сравнению с однотранзисторной схемой. По той же логике однотранзисторная схема имеет преимущество всего лишь на 1,06 dB по сравнению с простой дифференциальной парой, однако, эта разница может быть спорной…

Поскольку для обеспечения стабильности однотранзисторного каскада не требуется конденсатора Миллера (доминирующего полюсного), в нем коэффициент усиления будет сохраняться для гораздо более широкой полосы  частот, поэтому в долгосрочной перспективе он может быть намного лучше, чем дифференциальная пара.

Очевидно, требовались дальнейшие тесты, которые я выполнил. Реальная жизнь никогда не бывает похожей на симулированную версию, поэтому усиление каждой схемы было немного меньше, чем демонстрировал симулятор. Коэффициент усиления дифференциального каскада с разомкнутой обратной связью оказался равным 1000, в то время, как в однотранзисторном каскаде — 1400.

Условия испытаний немного отличались от симуляции тем, что использовалось напряжение питания ± 15 В, поэтому разница в коэффициенте усиления была примерно такой, как и ожидалось и очень близкой к результатам при питании ± 12 В, полученным в первом наборе симуляций дифференциальной пары.

Интересным был характер искажений. Для дифференциальной пары они составляли 0,7%, образованные преимущественно 3-й гармоникой. При таком же выходном напряжении однотранзисторный каскад оказался немного хуже с его 0,9% и преобладанием 2-й гармоники.

Как и ожидалось, без конденсатора Миллера дифференциальная пара была нестабильной, её удалось укротить конденсатором емкостью 56 пФ. Совершенно неожиданно для одиночного транзистора также потребовался конденсатор Миллера, но только при работе с разомкнутой обратной связью.

Когда цепь обратной связи была восстановлена, самовозбуждение исчезло. Дифференциальный каскад нельзя было использовать без конденсатора Миллера при любом усилении и по мере приближения усиления к единичному для предотвращения самовозбуждения потребовалась емкость бо́льшего номинала.

Следующим шагом было испытание каждой схемы с коэффициентом усиления около 27, поскольку он приближается к «нормальному» значению для усилителя мощности мощностью 60 Вт. Здесь дифференциальная пара  имеет явное преимущество в отношении уровня искажений, который я не мог измерить.

Однотранзисторная схема имела искажения 0,04% и опять же, это была преимущественно 2-я гармоника. В этом режиме для однотранзисторного каскада конденсатор Миллера не требуется и он продемонстрировал очень широкую полосу пропускания с небольшим увеличением усиления на частотах выше 100 кГц.

Это было также заметно с сигналом прямоугольной формы частотой 10 кГц, имевшим перерегулирование, хотя это и было достаточно похоже на положительные и отрицательные полупериоды. Дифференциальный каскад ведет себя хорошо и перерегулирования не демонстрирует (в него был установлен конденсатор Миллера емкостью 56 пФ), но усиление начало снижаться на частоте около 80 кГц, и имелись признаки ограничения скорости нарастания. В однотранзисторном каскаде такой эффект не проявлялся.

Мне представляется, что в целом это был полезный эксперимент и использование простого резистора в качестве коллекторной нагрузки каскада усилителя напряжения позволило полной схеме иметь управляемый коэффициент усиления. Если бы в качестве нагрузки использовался источник тока или что-то подобное, я бы не смог точно измерить коэффициент усиления, т.к. входные уровни были бы слишком малы.

Выводы

Основываясь на тестах, для обоих вариантов построения входного каскада есть и плюсы, и минусы и, бьюсь об заклад, что это стало неожиданностью. Дифференциальный каскад в его простой форме является явным неудачником для усиления, однако, использование токового зеркала позволяет ему обойти однотранзисторный каскад, для которого этот прием не подходит, т.к. в нем нет ничего, что можно было бы «отражать».

Для меня очень существенна стабильность и я склоняюсь к усилителю, который абсолютно не склонен к самовозбуждению, даже за счет немного большего уровня искажений. Мой собственный базовый усилитель мощностью 60 Вт, использующий дифференциальную пару во входном каскаде, с обычными нагрузками безоговорочно стабилен.

Лампы в сравнении с биполярными и полевыми моп-транзисторами

Это спор, длящийся годами и, кажется, мы не ближе к разрешению дилеммы, чем были в самом его начале. Я работал со всеми тремя классами компонентов и у каждого есть свои собственные особенности звучания. Коротко рассмотрим различия — это не исчерпывающий их список и это не значит, что перечислены основные моменты, на которые влияет мой собственный опыт (должен сознаться, и предрассудки тоже). Прошу извинить за несколько случайный порядок сравнений:

Лампы:

Лампы являются преобразователями напряжения в ток, поэтому их выходной ток управляется входным напряжением. Для получения выходного напряжения к нагрузке (анодный резистор или трансформатор) необходимо приложить переменный выходной ток.

• Лампы сами по себе являются, в сущности, относительно линейными и в ограниченном диапазоне могут работать вообще без обратной связи, по-прежнему обеспечивая сигнал высокого качества. Диапазон, как правило, более чем достаточен для предусилителей, но доведен до максимального предела в усилителях мощности.
• Относительно низкий коэффициент усиления единичной лампы означает, что потребуется либо больше ламп, либо меньшая глубина обратной связи.
• «Мягкие» характеристики искажений означают, что большинство искажений низкого порядка (включая искажения типа «ступенька», клиппирование) звучат не столь же навязчиво или утомительно, как «жесткое» искажение.
• Искажения начинаются постепенно и потеря чистоты звука эффективно предупреждает слушателя о приближении пределов, но не столь навязчиво.
• Искажения обычно поддаются измерениям при почти любом уровне мощности, но имеют низкий порядок (в основном это 2-я и 3-я гармоники, обычно присутствуют также небольшие количества дополнительных гармоник).
• Ограниченная обратная связь, в основном, из-за того, что выходной трансформатор привносит фазовый сдвиг на низкой и высокой частотах, поэтому большая глубина общей обратной связи, как правило, невозможна без самовозбуждения. Это ведет к(относительно) ограниченной полосе пропускания.
• Высокий выходной импеданс означает, что коэффициент демпфирования в усилителях мощности, как правило, довольно плох. Очень трудно достичь очень низких значений выходного импеданса.
• Лампы имеют внутри идеальный диэлектрик (в основном, вакуум плюс слюда), что обеспечивает высокую линейность емкости Миллера, однако, неизвестно, способствует ли это каким-либо слышимым преимуществам.
• Неэффективный выходной каскад, позволяющий усилителю звучать громче, чем на самом деле, основываясь на реальной мощности. Это может показаться противоречием, но ламповый усилитель имеет «податливый» выход, позволяющий ему обеспечивать более высокое колебание напряжения на высокоимпедансных нагрузках (например, высокочастотный громкоговоритель при резонансе).
• Достаточно надежны и могут выдерживать короткие замыкания без повреждений, НО при разомкнутых цепях в выходном трансформаторе могут формироваться высоковольтные выбросы напряжения, которые могут вызвать пробой изоляции в его обмотках или в ламповых гнездах (короткое замыкание — нормально, разомкнутые цепи — плохо).
• Обычно довольно терпимы к тяжелым нагрузкам, таким, как электростатические громкоговорители.
• Замечательная ностальгическая ценность, которая позволяет людям прощать недостатки и реально полагать, что усилитель на самом деле звучит лучше, чем действительно хороший твердотельный. Адекватное двойное слепое тестирование, как правило, раскрывает правду, при условии, что выходной импеданс твердотельного усилителя модифицируется под импеданс лампового!

Биполярные транзисторы:

По умолчанию биполярные транзисторы являются преобразователями тока в ток. Это означает, что для достижения изменений выходного тока они используют изменения входного тока, который меньше выходного (поэтому и происходит усиление). Опять же, чтобы обеспечить выходное напряжение, необходимо использовать резистор или другую нагрузку.

Следует отметить, что в некоторых статьях вы увидите, как автор настаивает на том, что транзисторы управляются напряжением. Однако, я считаю, что это противоречит реальности. Я всегда работал с ними, как с устройствами, управляемыми током и буду продолжать это делать.

• Транзисторы также довольно линейны в ограниченном диапазоне, но из-за более низких рабочих напряжений их, как правило, невозможно использовать без обратной связи, если требуется сигнал очень высокого качества, даже в каскадах предусиления.
• Высокое и очень высокое усиление единичного транзистора, позволяющее локальной обратной связи линеаризовать схему до применения общей обратной связи.
• В большинстве топологий обратной связи искажения начинаются внезапное и без предупреждения.
• Искажения низкие или очень низкие, при условии, что не достигается отсечки (клиппирования). Это создает как гармоники низкого порядка, аналогично ламповому усилителю, так и гармоники высокого порядка, которые могут быть очень утомительными.
• Полоса пропускания широкая или даже очень широкая, в сочетании с низким фазовым сдвигом, в основном, из-за исключения выходного трансформатора. Широкая полоса пропускания, очевидно, является преимуществом, но фазовый ответ, в отношении его общей ценности для слушателя, весьма спорный.
• Обычно большая глубина общей обратной связи, необходимой для линеаризации выходного каскада, особенно в точке смены активной области работы (0 В) выходных каскадов усилителей мощности.
• Полное игнорирование разомкнутого состояния цепи нагрузки, но требуют защиты от мгновенного повреждения вследствие короткого замыкания выходных клемм (разомкнутые цепи — норма, короткое замыкание — плохо, т.е. противоположно лампам).
• Емкость Миллера в транзисторах имеет несовершенный диэлектрик и изменяется с приложенным напряжением. Это может быть причиной того, что некоторые транзисторные усилители могут самовозбуждаться при определенном уровне напряжения (небольшие всплески самовозбуждения на волне сигнала, но только выше определенного напряжения на транзисторе). Ситуация каверзная.
• Непереносимость сложных нагрузок без принятия решительных мер для обеспечения стабильности. Это может существенно увеличить сложность конструкции.

Полевые МОП-транзисторы:

Полевые МОП-транзисторы, подобно лампам, являются преобразователями напряжения в ток и для управления выходным током требуют приложения к затвору напряжения. Выходной ток в напряжение, как и в предыдущих случаях, преобразует резистор или другая нагрузка.

Здесь я обсуждаю боковые МОП-транзисторы (предназначенные для аудио), а не переключательные типы. HEXFET и аналогичные коммутационные МОП-транзисторы (вертикальные МОП-транзисторы) на самом деле не подходят для линейного режима и обладают некоторыми интересными механизмами отказов, которые только и ждут, чтобы Вас укусить. Итак, для боковых МОП-транзисторов:

• Подобны большинству комментариев о биполярных транзисторах со следующими отличиями:
• Начало искажений (клиппирования) не столь дикое (обычно), как у биполярных транзисторов, но гораздо более неожиданное, чем у ламп. Эта разница очень незначительна и ее можно смело игнорировать.
• Могут быть не настолько линейными, как лампы или транзисторы, особенно вблизи области отсечки. Большие различия между различными типами (боковые/вертикальные).
• Более эффективны, чем лампы, но не столь же эффективны, как биполярные транзисторы. В усилителе на МОП-транзисторах размах изменений выходного напряжения всегда будут меньше, чем в усилителе на биполярных транзисторах (для того же напряжения питания), если не используется вспомогательный источник питания.
• Усиление (обычно) выше, чем у ламп, но ниже, чем у биполярных транзисторов, что ограничивает возможности применения местной обратной связи и даже общая (глобальная) обратная связь может не устранить искажений, подобных биполярным транзисторам, особеннодля вертикальных МОП-транзисторов.
• Низкие искажения (боковые типы), но чтобы обеспечить достаточную обратную связь для устранения искажений в виде «ступеньки», может потребоваться большее усиления в предыдущих каскадах.
• Очень широкая полоса пропускания (лучше, чем у биполярных транзисторов), требующая меньшей компенсации, вследствие чего полная мощность некоторых усилителей распространяется до частоты 100 кГц, однако, это значение является спорным.
• Более надежные, чем биполярные транзисторы и не страдают от последствий вторичного пробоя — для защиты от короткого замыкания могут использоваться предохранители и не требуется защита от разомкнутой цепи нагрузки.
• Разумно толерантны к тяжелым нагрузкам без чрезмерного усложнения схемы.

Чтобы усложнить вопрос: как указано выше, существуют два основных типа МОП-транзисторов: боковые и вертикальные. Это относится к внутренней структуре. Боковые МОП-транзисторы хорошо подходят для аудио (см. Проект № 101), а вертикальные (например, HEXFET) предназначены для высокоскоростного переключения и для аудио не подходят.

Из-за различий, изложенных выше, очень важно сравнивать подобное с подобными, т.к. каждый класс имеет свои сильные и слабые стороны. Кроме того, каждый из типов твердотельных усилителей имеет свою нишу, где они будут превосходить другие, независимо от технических характеристик.

Ламповые усилители являются в их окружении странным персонажем, гораздо вероятнее выбираемыми преданными поклонниками, которые ничего иного не будут использовать, тогда, как большинство пользователей твердотельных усилителей являются (или должны являться) прагматичной группой, пользующейся наиболее подходящей конфигурацией для нужной задачи.

Во время написания этой статьи не было такой вещи, как очень популярный (но неуловимый) «прямой провод с усилением». Но погодите — об этом будет дальше…

Стабильность выходного каскада

То, что эмиттерный повторитель (будь то Дарлингтона или Шиклаи) может стать генератором, как правило, на очень высоких частотах, является просто реальным фактом из жизни. Это особенно верно, если выходной кабель имеет вид настроенной цепи. Длина кабеля к динамикам, будучи совершенно безобидной на звуковых частотах, является линией передачи на некоторой частоте, определяемой ее длиной, диаметром проводника и расстоянием между проводниками.

Во всех усилителях мощности (ну, почти во всех) выходные каскады выполнены в виде эмиттерных повторителей и, когда к ним кабелем подключается динамик (или даже неиндуктивная эквивалентная нагрузка), часто возникает самовозбуждение. Это происходит почти всегда при работе усилителя и более вероятно, если ток является вытекающим.

Немного грустно, что этому печальному явлению более подвержена комплементарная пара Шиклаи по сравнению с парой Дарлингтона, возможно, потому, что управляющим элементом является драйверный транзистор (его эмиттер связан с нагрузкой), имеющий более широкую полосу пропускания.

Некоторые из «супер»-кабелей (очень любимых аудиофилами) в этом отношении часто хуже, чем обычный экранированный шнур или трехжильный сетевой шнур, из-за их способности выступать в качестве линий передачи радиочастот — рис. 8 (отсутствует в оригинальной статье! —прим. пер.) и, следовательно, являются источником указанной проблемы.

Рис. 10 Стандартная выходная схема для стабилизации усилителя мощности

Обычная цепь Цобеля (состоящая из резистора 10 Ом и конденсатора 100 нФ), как правило, ослабляет влияние внешней линии передачи кабелей и внутренней проводки усилителя к выходным клеммам и обеспечивает стабильность в большинстве нормальных рабочих условий.

Очень многие усилители могут самовозбуждаться при отсутствии нагрузки или без подключения кабелей к колонкам и цепь Цобеля, показанная на рис. 10, этому также препятствует. Причины самовозбуждения поначалу понять немного сложно, но они могут быть прослежены, в частности, до небольших величин паразитной индуктивности и емкости вокруг выходного каскада.

На очень высоких частотах эти паразитные параметры легко могут сформировать настроенную схему, вызывая сдвиг фазы между выходом усилителя и инвертирующим входом. На этих высоких частотах некоторые усилители имеют большой запас по фазе (разница между фазами усилителя сдвигается на 180°).

Любая паразитная индуктивность и/или емкость могут потребовать только нескольких дополнительных градусов сдвига фазы, чтобы вызвать самовозбуждение. Поскольку на таких высоких частотах глубина обратной связи очень мала, общий импеданс может быть намного выше ожидаемого.

На этих частотах конденсатор цепи Цобеля представляет собой, по сути, короткозамкнутую перемычку, поэтому параллельно схеме с высоким импедансом включается в работу резистор на 10 Ом. 10-омный резистор нарушает добротность (Q) настроенной(-ых) цепи(-ей) и обеспечивает сильное затухание, нейтрализуя тем самым фазовый сдвиг и восстанавливая стабильность. Лично я не рекомендую, исключать эту цепь из любого усилителя, даже если он кажется стабильным и без нее.

При емкостной нагрузке (как это происходит при подключения громкоговорителя и пассивного кроссовера) цепь Цобеля дополнительно влияет очень мало и может вообще никак не влиять. Единственный верный способ предотвратить самовозбуждение, либо резко выраженный звон при использовании кабелей с высокой емкостью — включить на выходе усилителя индуктивность.

Она должна быть зашунтирована соответствующим резистором для уменьшения добротности индуктивности. Типичная схема показана на Рис. 10. Для читателей, желающих изучить это более подробно, прочитайте «The Audio Power Interface» [2]. Во многих случаях было бы лучше использовать намного меньшее сопротивление, чем обычно применяемые 10 Ом — я думаю, около 1 Ом или порядка того.

В некоторых усилителях мощности производства National Semiconductor оптимальным значением является 2,7 Ом. В идеале кабели с низкой индуктивностью и высокой емкостью всегда должны иметь дополнительную цепь Цобеля 100 нФ/10 Ом на конце, подключаемом к громкоговорителям.

Другой альтернативой является включение резистора последовательно с выходом усилителя, но это, естественно, даст двойной эффект — уменьшит выходную мощность и коэффициент демпфирования. При значениях резисторов, достаточных для предотвращения самовозбуждения, указанные выше потери становятся чрезмерными и вся потерянная мощность должна преобразоваться в тепло на резисторе.

Выбор номинала индуктивности не составляет труда — при нагрузке 8 Ом он должен быть, как правило, не более 20 мкГн, причем, любая индуктивность больше, чем указанная, приведет к неприемлемому затуханию высоких частот. Дроссель индуктивность 6 мкГн, как показано на рис.

10, будет приводить к потерям (при условии, что его сопротивление составляет 0,03 Ом) на 0,03 дБ на низких частотах и около 0,2 дБ на частоте 20 кГц. Эти потери незначительны и слышны не будут. В отличие от этого, звон (или, в крайних случаях, самовозбуждение) выходных каскадов будет слышен (даже очень низкого уровня), как увеличение искажений, а в крайних случаях даже может разрушить выходные транзисторы.

Самовозбуждение транзисторов

Не для всех это очевидно, но самовозбуждаться может транзисторный каскад даже с единичным усилением. В операционных усилителях и усилителях мощности на выходах обычно используются эмиттерные повторители, а отказ от изоляции транзисторного каскада от влияния соединительного кабеля может заставить каскад (и регулярно заставляет) самовозбуждаться.

Для всех операционных усилителей, подключаемых к внешней периферии (к примеру, через разъемы на передней или задней панели), должен применяться последовательный резистор. Как правило, достаточно значений от 47 до 220 Ом. Я обычно использую 100 Ом, но могут потребоваться более низкие (или более высокие) значения, в зависимости от того, чего нужно достичь.

Рис. 11 Линия передачи с сосредоточенными параметрами, вызывающая самовозбуждение эмиттерного повторителя

В симуляторах и на лабораторном стенде я смог составить схему однотранзисторного эмиттерного повторителя (показанную на рис. 11), радостно самовозбуждавшуюся с нагрузкой в виде реальной линии передачи (такой как длина коаксиального кабеля) или составленной из эквивалентных ей индуктивности на 500 мкГн и емкости на 100 пФ в качестве настроенной последовательной цепи.

Рис. 12 «Осциллограмма» самовозбуждения эмиттерного повторителя в симуляторе

Этот эффект ухудшается по мере снижения импеданса источника, но даже базовый резистор-пробка самовозбуждению не препятствует. Эффективным будет только заглушение линии передачи цепью Цобеля или последовательным сопротивлением. Если Вас вдруг заинтересует, почему осциллограф подключен к точке соединения индуктивности и емкости — это позволяет последовательному резонансу усилить высокочастотный компонент, что делает его лучше видимым.

Для усилителей мощности эта проблема решается с помощью цепи Цобеля, опционально с последовательной индуктивностью. Для малосигнальных каскадов разумнее использовать резистор последовательно с выходом. Обычно номинал резистора составляет от 22 до 100 Ом и это будет видно во всех конструкциях ESP, где операционный усилитель подключается к внешней нагрузке (или даже к внутреннему кабелю).

Резистор можно использовать и с усилителями мощности, но за счет потери мощности, повышения тепловыделения и потери коэффициента демпфирования. Для усилителя мощности выходная индуктивность может быть заменена резистором на 1 Ом (иногда меньше), но так делается очень редко.

В моем собственном усилителе (последнее воплощение — Проект № 3A) я не использовал выходной индуктивности, а вместо нее поставил корректирующий конденсатор (между коллектором и базой транзистора каскада усиления напряжения) с емкостью несколько больше обычной.

Это позволило стабилизировать усилитель во всех рабочих режимах, но за счет скорости нарастания (и, как следствие, ограниченной скорости нарастания мощности на высоких частотах). Это было в значительной степени экономическим решением, поскольку пара керамических конденсаторов намного дешевле, чем индуктивность, а усилитель использовался в то время в основном для усиления музыкальных инструментов, поэтому расширенная вверх полоса воспроизведения была фактически нежелательной.

Полная пропускная способность — способность усилителя выдавать полную мощность во всем диапазоне рабочих частот — это верный способ повредить слух, высокочастотные рупорные динамики (и т.д.) в условиях живой музыки, поэтому такой компромисс не являлся ограничивающим. Однако…

Есть еще одна причина, по которой последовательная выходная индуктивность может быть полезна. Было высказано предположение (только не помню, кем именно), что радиочастоты, принятые проводами, идущими к громкоговорителям, могут через отрицательную обратную связь поступать обратно на входной каскад. Если посмотреть на типичную схему, это кажется правдоподобным, но эту теорию я проверял не слишком глубоко.

Однако, учесть основы этого при разработке не так уж и сложно. Поскольку известно, что в частотном отклике усилителя при незамкнутой цепи обратной связи должен быть доминирующий полюс (конденсатор, показанный на рис. 5 и 6), то из того, что если при замыкании цепи обратной связи он остается стабильным, следует, что по мере снижения внутреннего усиления с увеличением частоты, выходной импеданс должен повышаться (из-за меньшей глубины общей обратной связи).

Если не приняты соответствующие меры предосторожности (как показано на рис. 4) для цепи отрицательной обратной связи, вполне вероятно, что может произойти детектирование наводок радиочастотного диапазона. В моей собственной двухканальной системе (в которой используется предшественник усилителя по Проекту № 3A, описанный выше, все еще без выходной индуктивности), у меня самого недавно были проблемы с обнаружением местной AM-радиостанции.

Установка дросселей, подавляющих излучение радиочастотного диапазона (в основном, петля кабеля к динамикам, продетая 3 или 4 раза через ферритовое кольцо) полностью устранила данную проблему, поэтому я должен сделать вывод, что такое действительно вероятно или даже возможно.

Если к усилителю когда-либо будут подключаться «экзотические» (дорогие «аудиофильские») кабели, то важно использовать выходную индуктивность. Как отмечалось выше, индуктивность должна быть ограничена, чтобы предотвратить спад по высокой частоте, а для сопротивлений нагрузки до 4 Ом индуктивность не должна превышать порядка 10 мкГн.