Регулировка тока покоя транзисторов выходного унч каскада

Поиск своего звучания: выставляем ток покоя у усилителя Джона Худа

Это продолжение описания моего личного опыта в настройке усилителя А-класса JLH 1969.

В простом приближении мощность любого усилителя в первую очередь определяет сопротивление нагрузки (акустические системы, наушники) и напряжение питания оконечного каскада усилителя минус потери в полупроводниках. Естественно будем говорить о чистом сигнале без клиппинга. Особняком стоят мостовые схемы включения, когда два усилителя работают на одну нагрузку с парафазным сигналом на входе. Мостовая конфигурация, в первую очередь, стала востребована в автозвуке. Где для увеличения мощности усилителей приходилось ставить повышающие импульсные преобразователи, но это во внешних устройствах. В «головных» же используются высокоинтегрированные чип усилители с мостовым включением. Попутно мостовая схема решает вопрос ненужности разделительного конденсатора на выходе усилителя при однополярном питании.

Если же говорить о качестве звучания усилителя, то тут просто огромное количество факторов (схемотехнические решения, подбор элементов, разводка плат, питание и т.п.). Поэтому тут заглубляться дальше не будем, ибо я не специалист по усилителям точно и не готов на эту тему грамотно дискутировать.

Ток покоя в усилителе А-класса

Но предположим у нас есть усилитель. Будем считать, что он сделан правильно, компоненты подобранны качественные и так далее и тому подобное. Кроме того это усилитель А-класса. А в таких усилителях на качество звучания еще сильно влияет и ток покоя оконечного каскада, т.е. меняя эту величину можно менять и качество, в частности искажения. Естественно необходимо учитывать и другие факторы при выборе тока покоя. Если снова посмотрим на табличку от Худа

То видим, что рекомендуемые значения тока напрямую зависят как от сопротивления нагрузки, так и от напряжения питания. Также смотрим на размер входного сигнала (Vin), про него обычно забывают упомянуть. Мы помним, что по дефолту Ку данного усилителя равен 13 и дабы избежать клиппинга на выходе, в зависимости от напряжения питания, следует ограничивать и сигнал на входе. Кроме того в таблице приведено значение для RMS мощности, т.е. максимальной синусоидальной без повреждения аппаратуры в течении часа. Лучше оперировать DIN мощностью, которая как правило на четверть меньше. А если мы заглянем в документацию на любой усилитель, то увидим, что коэффициенты гармонических и интермодуляционных искажений пишут для номинальной мощности, которая еще меньше (в два и более раз) чем максимальная синусоидальная (DIM, RMS). Также в маркетинговых целях производитель может указать значения искажения для 1 W на выходе, естественно там они будут просто перфектны.

О чем это все? Дело в том, что необходимо сразу определится для какой мощности на выходе мы хотим выставить ток покоя? Если усилитель с мощностью в 10 W по DIN мы будем слушать на мощности редко превышающей половину, то и ток покоя имеет смысл выставлять для номинальной мощности (собственно как и считают производители).

В принципе, если не хочется заниматься измерениями, можно настроить усилитель как рекомендовано выше в табличке и успокоиться на этом. Если усилитель собирается для наушников, то следует пересчитать как напряжение питания, так и ток (и тут лучше прогнать в RMAA) с учетом сопротивления наушников и требуемой мощности на выходе (скорей всего это будет максимум несколько ватт). Чем выше сопротивление наушников, тем больше придется поднимать напряжение питания (не забываем про допустимые значения для применяемых компонентов), бонусом будет уменьшение емкости выходного конденсатора с увеличением сопротивления нагрузки. Также надо будет или увеличить коэффициент усиления усилителя, либо увеличить сигнал на входе него. С учетом современных реалий, скорей всего случится второй вариант.

Измерение

Самым доступным вариантом померить характеристики аудиотракта является использование программы RightMark AudioAnalyzer (RMAA). Также понадобится высококачественная аудиокарта, с как можно наименьшими собственными шумами и максимально линейна в интересующем нас диапазоне частот.

Проводить эксперименты на дорогой звуковухе не очень хочется, покупать специально для таких целей, это если реально этим занимаешься все время. У меня есть дешевая и не особо качественная внешняя карта Behringer U-Phoria UMC22 покупалась она совместно с измерительным микрофоном для анализа АЧХ помещений и акустики. Буду использовать ее и тут, я пока не ставлю задачу получить абсолютные значения характеристик усилителя, меня интересуют относительные изменения при разном токе покоя, а для этого ее хватит. Позже, если приспичит, можно будет измерить и более качественным аудиотрактом.

Настройку необходимо проводить с нагрузкой, в виде набора мощных резисторов с эквивалентным сопротивлением будущей акустики. А также позаботиться о защите входа звуковой карты от высокого напряжения на выходе усилителя (подключаем туда же). В простом случае это может быть обычный резистивный делитель напряжения. От постоянки можно не защищаться, она уже есть в усилителе. Убираем все подальше от других источников наводок и прочего (от компьютера), примерно так

Мои исходные данные такие: 30 вольт питания, 8 Ом в нагрузке.

По осциллографу чистая синусойда без клиппинга была амплитудой (полуволна) около 13,5 вольт, на входе примерно 1 вольт, что совпадает с теорией. Помним, что это максимальная мощность, моя ошибка была в том, что на таком сигнале я и пытался настроить усилитель. При таких значениях, примерная мощность усилителя аж 20W, что вдвое выше заявленных из-за слишком большого сигнала на входе.

Ток будем измерять всей платы усилителя, т.к. на ней не предусмотрен разрыв. Не страшно.

Для начала посмотрим на качество самой звуковой, соединим ее вход с выходом. У данной карты два входа, но они отличаются по параметрам и RMAA видит только один. Поэтому переводим измерения в режим МОНО (не смотрим на параметр «взаимное проникновение каналов»), все равно каждый канал усилителя надо настраивать отдельно.

Вам понравится:  Стационарная розетка сси 025

Видно, что карта звезд с неба не хватает. Но в целом для начала вполне, те же шумы на большей части лежат ниже -100дБ

А теперь посмотрим что выдает усилитель при токе покоя 1,75А, который я установил еще до измерений, как некая отправная точка. И… видим совсем не то что ожидали.

Также видим такую «красоту» в частотном диапазоне

При этом усилитель звучит, с окраской, которую возможно и воспринимают за оригинальное и интересное звучание. Еще до измерений я рискнул его подключить к колонкам и звук показался мне как от дешевого кассетного магнитофона из детства.

А как же рекомендуемые 1,3А на 8 Ом в нагрузке?

Ну что, крутим ток выше и смотрим на искажения в RMAA в реальном времени. При токе порядка 3.0-3.1 А (помним, что усилитель лучше прогреть с полчасика сначала) искажения резко пошли вниз. В целом картинка улучшилась и где-то похоже уперлись в звуковую карту

Если верить графикам третья гармоника не отстает от второй, к сожалению. Вторая нам интересна, как говорят она дает приятный «ламповый» звук и частично маскирует остальные. А вот нечетные гармоники придают звуку неприятный окрас.

Но главное, что при токе покоя в 3А потребление одного канала усилителя уже приближается к 100W! Усилитель будет кушать из розетки 200W и все это перегонять в тепло. Что-то не так.

Конечно, если мы заглянем в характеристики того же Luxman L-590AXII, то увидим, что при максимальной мощности 30W на канал он потребляет в простое 230 W. Там солидный агрегат другого уровня, у нас же простецкий усилитель по старой схемотехнике, но все равно, что-то я делаю не так. И вот тут и вспомнилось про 10% гармоник в паспортных данных при максимальной мощности у фирменных изделий.

Вспоминаем табличку от Худа, там на входе всего 0,66V в максимуме (это и есть примерно 9W). Т.е. для получения номинальной мощности для которой и проводят измерения уровень сигнала еще надо уменьшить в два раза (около 0,3V), что кстати похоже на нормальный сигнал у аппаратуры того времени (порядка 250mV).

Ок. Снизим сигнал на входе на половину, не будем так уж сильно занижать, сделаем 0,5V. Уменьшим ток и снова будем его поднимать, пока в RMAA резко не упадут шумы. У меня вышло, что при 2 ампер уже стало красиво.

Шумы ниже -110дБ. По прежнему не совсем понятна история с 3 гармоникой, но эксперименты еще не завершены, только начало. При этом это измерения для сигнала на входе усилителя близком к рекомендуемому максимуму.

Небольшие первичные итоги

Не смотря на простоту, чтобы получить хорошие результаты от данного усилителя, придется повозится с подбором компонентов и уж точно нельзя рассчитывать на то, что положат китайцы.

При старании и возможно везении, можно реализовать усилитель с отличными характеристиками. Ну и не гнаться за мощностью. Скорей всего предел данной схемы, если мы хотим получить классный звук без искажений, это порядка 5W.

Современная схемотехника усилителей с нагромождением большого количества элементов призвана к получению стабильных результатов практически без подбора и настройки. Спаял правильно и будет работать как задумывалось. При производстве это важный момент, гораздо дешевле впихнуть десяток другой дополнительных деталей, чем тратить время на настройку. Но большое число элементов в звуковом тракте также не всегда идет на пользу. Чем короче тракт, тем меньше он привнесет в звук отсебятины. Обратной стороной медали, является необходимость более скрупулезного подхода к компонентам и более сложная настройка.

При прослушивании даже такого, пока корявого усилителя на своих также экспериментальных колонках я получил массу положительных эмоций от звучания старых вещей. При этом ручка громкости редко была больше половины, обычно меньше. Т.е. мощности для прослушивания в спокойной обстановке более чем достаточно, даже на не очень чувствительной акустике.

Дабы итоговый усилитель получился менее колхозно выглядящий внутри и более удобный в сборке. Я решил нарисовать свой вариант печатных плат, под более современную элементную базу и со своими дополнениями, где будет проще заняться подбором тех же транзисторов.

Источник

AudioKiller’s site

Audio, Hi-Fi, Hi-End. Электроника. Аудио.

Материалы раздела:

Оптимальный ток покоя выходного каскада на полевых транзисторах в усилителях мощности

Интернет-версия статьи, опубликованной в журнале Радио 2016 №9

Выходной каскад усилителя – весьма нелинейный узел. И снижение его искажений очень хорошо отразится на работе усилителя и на его качестве звучания. Самые низкие искажения выходного каскада будут, конечно же, в классе А. Вот только греться выходные транзисторы при этом будут очень сильно. Чтобы снизить их нагрев обычно снижают напряжения питания. А это повышает искажения полевиков. И, главное, снижает максимальную выходную мощность усилителя. Значит появляется опасность возникновения клиппинга. То есть стремление улучшить звук, приводит к возможности его сильного ухудшения.

Что же делать? А нельзя ли найти такой ток покоя выходных полевых транзисторов, чтобы и искажения были маленькими, и нагрев небольшим?

Известный разработчик звуковой техники Дуглас Селф в книге «Проектирование усилителей мощности звуковой частоты» писал, что для низких искажений ток покоя выходного каскада на биполярных транзисторах должен быть как раз маленьким, выходные транзисторы должны работать в классе В. То есть греться минимально. Однако для выходных полевых транзисторов невозможно теоретически указать оптимальное значение тока покоя, при котором искажения выходных полевых транзисторов были бы минимальны.

Я усомнился в том, что оптимального тока покоя для полевых транзисторов не существует вообще. Какая-то оптимальная величина тока покоя, которую можно рекомендовать устанавливать в УМЗЧ, должна быть. Чтобы и качество высокое, и нагрев небольшой. Поэтому провел экспериментальную проверку влияния тока покоя выходного каскада на его искажения. Для этого я применил такую систему. Собрал высококачественный усилитель с полевыми транзисторами на выходе, по топологии Лина. Для того чтобы легче было измерять величину искажений, глубина общей ООС была уменьшена на 30 дБ. С целью линеаризации каскада усиления напряжения усилителя, вносящего наибольшие искажения, в него была введена местная ООС глубиной 12 дБ. Такая модернизация позволила более четко выделить искажения, вносимые выходным каскадом усилителя.

Вам понравится:  Схема подключения коллекторного двигателя мясорубки

Итак, перед вами результаты реальных измерений на настоящем усилителе.

Цель оптимизации – получить достаточно низкие искажения, вносимые выходным каскадом при сравнительно небольшом токе покоя, а значит и нагреве выходных транзисторов.

С целью всестороннего изучения искажений, вносимых выходным каскадом, измерялись следующие виды искажений такого специализированного усилителя:

— коэффициент интермодуляционных искажений, использующий стандартный метод SMPTE с частотами 60 Гц и 7 кГц и соотношением амплитуд 4:1;

— коэффициент гармоник, нормированный к номеру гармоники k, вычисленный для первых одиннадцати гармоник:

Этот коэффициент используется сравнительно редко. Однако в нем есть необходимость, так как этот коэффициент учитывает не только величину гармоники, но и ее номер. Чем больше номер, тем больше коэффициент. Известно, что чем выше номер гармоники, тем более она заметна и неприятна на слух. В результате нормированный коэффициент гармоник не только вычисляет искажения, он позволяет учесть ширину спектра искажений и хоршо отображает «неприятное звучание» высших гармоник. Этот параметр гораздо сильнее связан с субъективным качеством звучания, чем «обычный» Кг. Но нормированный Кг непривычен — его практически не используют (потому что он более честно показывает искажения, а производители хотят красивых рекламных чисел). Поэтому для сравнения спектров вычислялся коэффициент, который можно назвать «фактор спектра» (ФС):

Фактор спектра показывает ширину спектра искажений. Если в спектре присутствует только вторая гармоника, то ФС=1. Бо’льшие значения ФС соответствуют присутствию в спектре искажений большего числа высших гармоник. На рис. 1 показана зависимость фактора спектра от ширины спектра сигнала (график на рис. 1 построен по результатам проведенных измерений). Здесь показаны только первые одиннадцать гармоник, а вообще реальный спектр искажений при больших значениях фактора спектра содержал гармоники значительной амплитуды вплоть до двадцатой!

Для измерений использовалась звуковая карта EMU-0404 и последняя версия программы SpectraPLUS. Коэффициенты гармоник и интермодуляционных искажений вычислялись программой по встроенным алгоритмам. Нормированный коэффициент гармоник вычислялся на основе амплитуд гармоник, выдаваемых программой.

Исследовались наиболее популярные мощные комплементарные транзисторы, устанавливаемые в выходной каскад усилителя:

IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier;

2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba;

2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi.

Во всех случаях измерялись две-три пары однотипных транзисторов. Результаты не усреднялись, но разброс результатов для однотипных транзисторов был несущественным. В пары транзисторы не подбирались.

Измерения производились для двух типов нагрузки: активной, сопротивлением 6 ом и сложной комплексной, имитирующей реальные акустические системы.

Искажения выходных транзисторов на активной нагрузке показаны на рис. 2 — рис. 4.

Хорошо видно, что при увеличении тока покоя величина искажений, вносимых выходным каскадом, снижается. Вместе с искажениями снижается и значение фактора спектра. Это означает, что в спектре искажений снижается содержание гармоник высоких порядков, что положительно сказывается на звучании усилителя, воспринимаемом на слух. При условии, что выходной каскад остается работать в классе АВ, можно легко найти оптимальный ток покоя, при котором искажения невелики и при увеличении тока снижения искажений практически не происходит. Оптимальный ток получается равным 300 мА для транзисторов IR, 200 мА для транзисторов Toshiba и 120 мА для транзисторов Hitachi. Интересно, что последние транзисторы значительно отличаются по величине искажений. Надо сказать, что они отличаются и по работе на постоянном токе, для обеспечения работы этих транзисторов пришлось переделывать цепь смещения усилителя.

Искажения выходных транзисторов при работе на комплексную нагрузку показаны на рис. 5 — рис. 7.

Для комплексной нагрузки также характерно наличие оптимальной величины тока покоя, близкой по значениям к оптимальным величинам тока на активной нагрузке.

Интересно отметить, что при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада в ряде случаев растут. Вполне возможно, что здесь проявляется влияние изменения крутизны выходного каскада, описанное Д. Селфом.

Важность параметра «фактор спектра» можно продемонстрировать на таком примере. На рис. 5 у транзистора Toshiba величины Кг и IMD при токах покоя 250 мА и 2000 мА практически равны. Из этого можно сделать вывод о том, что выходные транзисторы на этих токах работают совершенно одинаково. Однако значения фактора спектра для этих токов равны ФС(250 мА)=2,6 и ФС(2000 мА)=1,08. И спектры искажений в этих случаях разные. Они близки к спектрам, показанным на рис. 1 черным и синим графиками. Спектр искажений при токе покоя 250 мА содержит как минимум девять гармоник заметной амплитуды, тогда как спектр при токе 2000 мА содержит только вторую и третью гармоники.

Транзисторы разных производителей демонстрируют совершенно разное поведение. Это позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на примерно одинаковые основные параметры транзисторов, их свойства сильно различаются. Однотипные транзисторы имеют очень близкие свойства. На рис. 8 показаны характеристики, измеренные на двух разных парах однотипных транзисторов. Различие лежит в пределах погрешности измерений.

Для более полного исследования и исключения случайности полученных результатов был проведен ряд дополнительных измерений. С целью их упрощения измерялся только коэффициент гармоник, который хорошо отражает нелинейность выходных транзисторов. Исследовались транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. На рис. 9 показана зависимость Кг от тока покоя для различных значений сопротивления активной нагрузки. В целом зависимость сохраняется, и значение оптимального тока покоя можно считать неизменным.

Вам понравится:  Сертификат на автоматический 2 полюсный выключатель

На рис. 10 показана зависимость Кг от тока покоя на активной нагрузке для различных значений выходного напряжения. Графики пересекаются в одной точке: с одной стороны, чем меньше выходное напряжение, тем выше относительные искажения «ступенька» при малом токе покоя. Поэтому маленькое выходное напряжение дает большие искажения. Это при малом токе покоя. С другой стороны меньшее выходное напряжение создает меньшую нелинейность выходных транзисторов (у полевых транзисторов крутизна зависит от напряжения) и, следовательно, меньшие искажения при достаточно большом токе. И снова графики демонстрируют примерно то же значение оптимального тока покоя.

Две последние зависимости коэффициента гармоник от температуры выходных транзисторов и от частоты тестового тона (рис 10 и рис. 11) показывают, что ни один из этих факторов не влияет на поведение транзисторов. Так что полученные результаты (рис. 2 – рис. 7) верны при любых условиях работы усилителя.

Если сравнить зависимости Кг от тока покоя, то можно заметить, что на всех графиках искажения достигают значения, равного примерно 0,25%, и дальше не уменьшаются. Это происходит потому, что величина искажений выходного каскада достигает и становится меньше величины искажений второго по уровню нелинейности узла усилителя – каскада усиления напряжения, который имеет Кг порядка 0,25%. Однако на правильность выводов данная ситуация не влияет:

1. Ищется не минимум искажений, а оптимум тока покоя. Как только искажения выходного каскада стали меньше, чем каскада усиления напряжения, то оптимум найден – главный вклад в искажения усилителя в целом вносит другой узел, следовательно, выходной каскад в дальнейшем совершенствовании не нуждается.

2. Каскад усиления напряжения дополнительно линеаризован на 12 дБ. Так что если искажения выходного каскада стали меньше чем у линеаризованного усилителя напряжения, то уж наверняка они будут гораздо меньше искажений «обычного». И их вклад в общие искажения усилителя будет весьма мал.

3. Тот факт, что при дальнейшем увеличении тока покоя сверх оптимального значения с выходным каскадом происходят какие-то изменения, показывает фактор спектра – при дальнейшем увеличении тока покоя спектр искажений сокращается. Возможно, что уменьшается и амплитуда искажений. Так что минимум искажений явно не достигнут, но однозначно достигнут оптимум тока покоя, когда искажения выходного каскада уже достаточно низкие, а нагрев выходных транзисторов небольшой.

В качестве иллюстрации оптимальности полученных значений можно привести результаты применения теории оптимизации к данной задаче. Целевая функция получается следующим образом. Имеются две переменные – ток покоя и коэффициент гармоник. Обе они проявляют свойство: чем меньше значение, тем лучше. Следовательно, переменные следует перемножать и искать минимум целевой функции. Поскольку величина Кг изменяется на порядок, а ток покоя на два порядка, то переменные следует привести к одному масштабу изменения, чтобы переменная, изменяющаяся сильнее, не «перетягивала» на себя результат. Для этого следует из величины тока покоя извлечь квадратный корень, что приведет диапазон ее изменения к диапазону изменения Кг. Таким образом получаем критерий оптимальности:

Результаты показаны на рис. 13, 14, 15. Они полностью согласуется с выводами, сделанными выше.

Выводы.

1. Искажения, вносимые выходным каскадом УМЗЧ, существенно зависят от тока покоя выходных полевых транзисторов.

2. Наименьшие искажения наблюдаются при работе в классе А, что полностью согласуется с теорией. В классе В искажения существенно выше, чем в классе АВ. С ростом тока покоя искажения в общем случае уменьшаются.

3. Существует оптимальное значение тока покоя, при котором искажения достаточно малы при работе транзисторов в классе АВ. В ряде случаев, при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада растут.

4. Величина оптимального тока покоя для разных транзисторов лежит в диапазоне 150…300 мА, что намного больше тех значений, которые принято устанавливать в усилителях мощности. Обычно в усилителях устанавливают ток покоя 80…100 мА, а в некоторых промышленных конструкциях даже 40…60 мА.

5. Кроме амплитуды искажений, от тока покоя зависит и их спектр. При низких значениях тока покоя спектр гармоник значительно расширяется, а гармоники высоких порядков хуже подавляются отрицательной обратной связью. То есть при маленьком токе покоя у нас сразу две беды: большая величина Кг и широктй спектр искажений. Качество звучания наверняка будет невысоким. Спектр оптимального тока покоя содержит небольшое количество высших гармоник, которые эффективно подавляются общей ООС. Да и значение Кг невелико. Поэтому усилитель, ток покоя выходного каскада которого равен оптимальному, должен восприниматься на слух как хорошо звучащий.

6. Для транзисторов IRFP240/IRFP9240 оптимальный ток покоя составляет 300 мА. Для транзисторов 2SJ201/2SK1530 оптимальный ток покоя составляет 200…250 мА. Для транзисторов 2SJ162/2SK1058 оптимальный ток покоя составляет 120…150 мА.

7. Оптимальный ток покоя зависит только от типа выходных транзисторов. Другие факторы, такие как выходное напряжение или сопротивление нагрузки на его величину практически не влияют.

8. Самыми лучшими показали себя транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. Транзисторы IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier заняли второе место. Они хоть и являются переключательными, тем не менее мало чем уступают транзисторам фирмы Toshiba. Транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi являются заметно нелинейными и не рекомендуются для высококачественного усиления. Оптимум тока покоя для них тоже получается каким-то расплывчатым.

9. При неоптимальном маленьком токе покоя (таком, какой часто устанавливают в усилителях) искажения, вносимые выходным каскадом, в четыре-шесть раз выше (а на слух — с учетом ширины спектра — в шесть-десять раз выше), чем при оптимальном. Поэтому для высококачественного усиления необходимо задавать ток покоя выходного каскада равным оптимальному.

Источник

Поделиться с друзьями
Радиолюбительские схемы
Adblock
detector