Влияние тока выходного каскада на параметры

     В первой части "Влияния схемотехники" было обещано рассмотреть вопрос влияния начального тока транзисторов выходного каскада на параметры усилителя мощности.
     Каким образом получаются результаты рассказано в упомянутой статье.
     Это будет сделано на примере трехкаскадной схемы - последней из описанных в упомянутой статье. Можно было выбрать любую другую схему, но надо отметить, что в простейших схемах усилитель напряжения (первые каскады) и выходной эмиттерный повторитель вносят примерно одинаковый вклад в искажения, а в высококачественных: слабое звено - выходной каскад.
     Приведем еще раз трехкаскадную схему:
     Меняя резистор R25, выполняющий роль переменного, будем задавать начальный эмиттерный ток выходных транзисторов и получим графики второй и третьей гармоник выходного напряжения. Одновременно будем смотреть на форму прямоугольного импульса с частотой 100 кГц и амплитудой 1 В, что на выходе дает размах 34 вольта.
     При каждом значении тока начального тока выходных транзисторов (далее: "ток") приведены значения суммарного коэффициента гармоник - THD на частотах 1 и 20 кГц при мощности в нагрузке около 72 Вт (входное напряжение 0.7 В). Значения - приблизительные: иногда программа взбрыкивает и между двумя близкими значениями входного сигнала дает всплеск нелинейных.
     Для начала приведем картинки при рассмотренном во "Влиянии схемотехники" значении начального тока выходных транзисторов 145,9 мА.

     THD на 1 кГц - 0.0017, на 20 кГц - 0.31.
     Увеличиваем ток до двухсот миллиампер засчет увеличения R25 до 1.785 кОм.

     Что получилось? Вторая гармоника изменилась мало, а третья - почти в три раза меньше! За счет чего это получилось? Третья гармоника - нечетная, а нечетные гармоники присущи симметричным искажениям. Такими являются искажения типа "ступенька" - переходные. Переходными они называются, потому что возникают в усилителях, работающих в классах В и АВ при переходе сигнала через ноль. Именно ступенька уменьшается с увеличением начального тока. Вторая гармоника и все четные характерны для несимметричных сигналов, например - несимметричного ограничения сигнала или для сигналов, пршедщих через однотактные схемы.
     THD на 1 кГц - 0.0016, на 20 кГц - 0.36. В этом изменения незначительны.
     Прямоугольный импульс изменился мало. На нем, между прочим, заметна эта ступенька. Правда в виде всплесков на фронте и спаде. Это так называемые динамические переходные искажения.
     Увеличиваем R25 до 1.877 кОм и ток становится 404.5 мА, т. е. вырастает в два раза по сравнению с предыдущим значением

     Вторая гармоника уменьшилась боле чем в два раза, третья - более, чем в 4!
     THD на 1 кГц - 0.0040, на 20 кГц - 0.25. Опять мало изменений по сравнению с предыдущими случаями.
     Увеличиваем R25 до 2.05 кОм и ток становится 809 мА, т. е. вырастает еще в два раза.

     Вторая гармоника уменьшилась почти в два, а третья - почти в три раза.
     THD на 1 кГц - 0.0037, на 20 кГц - 0.17. Заметно, что коэффициент нелинейных искажений снизился на 20 кГц: снижаются динамические переходные искажения.
     Далее радикально переводим выходной каскад в режим А путем увеличения R25 до 4 кОм, что дает ток в 5.52 ампера. Этого достаточно, чтобы развить на резисторе 8 Ом, который у нас служит нагрузкой, напряжение (амплитудное) 44 В. А так как выходной каскад - двухтактный, то это напряжение можно развить и на 4-х омах.
     THD на 1 кГц - 0.0010, на 20 кГц - 0.0086. Сильно упали нелинейные на 20 кГц! Переходных искажений нет.
     Заодно посмотрим, как ведет себя прямоугольный импульс.

     Ступенька пропала! Что и требовалось доказать, а не изменились. Хотя изменилось поведение кривой, изображающей вторую гармонику.
     Необходимо отметить, что с увеличением начальног тока выходных транзисторов улучшается устойчивость усилителя, поэтому усилитель в режиме А может потребовать меньших корректирующих емкостей, что в свою очередь повысит быстродействие схемы.
     Почему же не делать все усилители в режиме А?
     А потому, что при 5 амперах тока каждый из выходных транзисторов должен был бы рассеивать по 250 ватт тепла! А те транзисторы, что в схеме нарисованы при 40 вольтах могут пропускать 4 ампера при идеальном охлаждении. Реально надо было бы поставить по 4 таких транзистора в каждом плече и охлаждать их вентилятором! Для электрокамина 500 Вт - немного, а для электронного устройства - даже очень прилично! А при этом еще и надежность надо обеспечивать. А она, как известно, обратно пропорциональна энергопотреблению. Работать в режиме АВ с большими начальными токами сложно из-за трудности обеспечения термостабильности. Так что, за все приходится платить!
     В заключение приведем таблицу нелинейных искажений при разных значениях тока выходной ступени:

Начальный ток выходных транзисторов Частота 1 кГц Частота 20 кГц
Мощность 1.5 Вт Мощность 72 Вт Мощность 1.5 Вт Мощность 72 Вт
145 mA 0.096 0.0017 0.033 0.31
199 mA 0.024 0.0016 0.046 0.36
404 mA 0.013 0.0040 0.028 0.25
809 mA 0.0095 0.0037 0.050 0.17
1.89 A 0.0068 0.0013 0.022 0.0089
3.1 A 0.0035 0.00094 0.015 0.099
4.0 A 0.0059 0.00085 0.0034 0.0018
5.53 A 0.0057 0.0010 0.0037 0.0086

     В последнем случае - при максимальном значении тока - искажения немного выросли, но это может быть вызвано нерасчетным режимом работы выходных транзисторов или небольшим возбуждением схемы: нужно было подобрать корректирующие конденсаторы заново.
     При 100 мВ на 20 кГц значения THD ведут себя немонотонно: это по-видимому вызвано погрешностями расчета. Они должны по теории падать.