Влияние схемотехники на параметры усилителя мощности

     В статье "Схемотехника транзисторных усилителей мощности" описаны некоторые решения, применяемые при конструировании транзисторных усилителей мощности. В данной статье рассмотрено, как введение различных усложнений в базовую схему отражается на ее технических характеристиках.
     Все схемы смоделированы с помощью программы Electronics WorkBench (EWB) и не предназначены для механического повторения. Во всех схемах применены - для наглядности - одинаковые транзисторы и выставлены одинаковые режимы каскадов (где это было возможно). Влиянию начального тока выходного каскада посвящена отдельная статья: "Влияние тока выходного каскада на параметры".
     EWB считает нелинейные искажения только "в режиме малого сигнала", при этом амплитуда этого "малого сигнала" остается неизвестной. Поэтому цифры на оси искажений следует расматривать как относительные, но для нас важна качественная сторона дела.
     Отдельная статейка написана по примеру расчета усилителя: "Пример расчета усилителя мощности". Не стоит думать, что, не имея компьютера и программ типа EWB, в электронике делать нечего. Я с помощью калькулятора делаю расчет схемы по постоянному току в течение получаса, а без оного - минут за сорок, но с меньшей точностью.
     Транзисторы применены те, SPICE-модели которых у меня есть, но применение таких транзисторов, в принципе, возможно. Вообще, применение "правильных" транзисторов может дать очень многое. Например, старая схема на современных транзисторах может иметь лучшие параметры, применением транзисторов с нужными предельными частотами может повысить устойчивость схемы и т. д., но невозможно объять необъятное.
     Из-за того, что нельзя объять необъятное, во всех схемах приведен один вариант выходного каскада на составныхтранзисторах одной проводимости в каждом плече ("Дарлингтонах"), причем, их по два, а возможны и тройки и схемы составных транзисторов разной проводимости. Тройки сейчас почти не применяются, т. к. раньше возможны были силовые транзисторы с коэффициентом H21e равным 5 - 10, а примененные имеют минимальные значения H21e не менее 50. Разная проводимость оправдана тем, что у такого составного транзистора меньше напряжение насыщения, но при этом, их, как правило, не удается налепить на один радиатор без изолирующих прокладок из-за разных потенциалов коллекторов, которые обычно соединены с корпусом, но это уже отступление от темы.
     Все схемы - неинвертирующие, инвертирующее включение не рассматривается.
     Во всех схемах применен узел установки нулевого выходного потенциала, хотя применение его в простейших схемах не оправдано просто потому, что это не оправдано по цене.
     Для установки начального тока выходного каскада использован стандартный узел на транзисторном двухплюснике в качестве источника напряжения, только вместо переменного резистора используется постянный с подобранным номиналом. Не во всех схемах этот ток подобран совершенно одинаковым, но его значения близки. В основном, они находятся в районе 150 мА.
     Некоторые из приведенных схем демонстрируют относительную неустойчивость, но это "виртуальные" схемы и это не страшно - задача обеспечения устойчивости должна решаться при проектировании и отладке схемы на конкретных транзисторах. Тем не менее, я применял корректорующие конденсаторы, чтобы схема не "генерила". Приведен характер переходного прцесса, полученного путем подачи меандра с амплитудой 1 В и частотой 100 кГц.
     Каждая последующая схема является развитием предыдущей или одной из предыдущих. При этом, для наглядности коэффициенты усиления с ОС всех схем равны 100/3+1=34.33. Напряжения питания везде 50 В.
     На схемах присутствуют изображения генератора сигналов и осциллографа, которые мне просто было лень убирать. Названия элементов написаны так, как их задает EWB, поэтому они отличаются от обозначений в других местах - на других страницах. Номера элементов расставлены не по порядку и некоторые пропущены, но чтобы привести десяток схем в божеский вид пришлось бы потратить еще неделю бесплатного рабочего времени, что я сделать не готов.
     Я не рассматриваю прстейших схем без дифференциального каскада на входе из-за их неспособности обеспечить большие мощности и древности, поэтому первой схемой будет:

базовая схема с вольтдобавкой

     Для начала рассмотрим самую древнюю схему с вольтдобавкой, которую уже никто не применяет (однако вольтдобавка применяется в относительно новой и хорошей микросхеме TDA7294!).
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 3.98 мА, второго - 16.2 мА, начальный ток выходных транзисторов - 114 мА. Ток первого касада выбран чуть выше обычного, который обычно бывает 1 - 2 мА, ток второго - ниже, чем в последующих схемах, но мне лень было добиваться большего. Ток третьего каскада тоже ниже, чем в последующих схемах, но при попытках его увеличить EWB показывала ошибку (глючила - ?).
     Схема отличается от старинных наличием небольших резиторов в эмиттерных цепях транзисторов дифкасада и такого же резистора в эмиттерной цепи Q15 - усилительного транзистора второго каскада. Без них коэффициент усиления без ОС был бы чуть выше, а начальный уровень искажений (на низкой частоте - у нас она принята за 1 кГц) - несколько ниже.
     Далее приведены графики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 10 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов:

     Синий - входной сигнал, красный (далее так везде) - выходной. В дальнейшем приводится только "красный", т. к. входной всегда одинаков.
     Действующее значение синуса на входе при снятии АЧХ - 100 мВ, перепад напряжений в импульсе 1 В, так и во всех остальных случаях.
     Ну и, наконец, для чего все затевалось - графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц:
     Странное поведение второй гармоники - загиб вниз с ростом частоты - не должно смущать: если продолжить график дальше 20 кГц, она будет расти. Как видим, начальный (на частоте 1 кГц) уровень обоих гармоник примерно равен 0.05.
     Схема абсолютно устойчива (при резистивной нагрузке). Этого удалось добиться сравнительно небольшим конденсатором коррекции на запаздывание - С3, которому помогает коррекция на опережение - С5. Обычно используют только коррекцию на запаздывание, но применение смешанной коррекции или коррекции на опережение позволяет расширить полосу пропускания усилителя, но получение оптимальной коррекции не входит в нашу задачу.
     В заключение приведу режимы по постоянному току (напряжения в вольтах) во всех узлах схемы - nodes, которые обозначены на этой и всех других схемах цифрами в прямоугольничках. По этим напряжениям человек, знающий закон Ома, может определить токи в ветвях.


Node    Voltage
1      -1.1326
2      -0.30848
3      -48.982
6      -1.282
7      -1.2801
8      -0.0014617
9      1.1064
10     -48.369
11     -49.125
12     -50
13     49.753
14     -25.566
15     -48.939
16     -48.226
17     50
18     -0.54715
19     -0.0014
20     -0.65661
21     49.032
22     0
23     0.00073826
24     -0.55
25     0.56519
26     0.025777
27     -0.024279
28     -0.6288
29     -1.3465
30     0
33     -0.55

схема с динамической нагрузкой во втором каскаде

     По сравнению с предыдущей эта схема обеспечивает меньшие искажения при больших амплитудах, что из дальнейшего видно не будет, т.к. EWB не меряет их, и больший коэффициент усиления, что позволяет увеличить глубину ОС и, соответственно, снизить коэффициент нелинейных искажений.
     Не надо пугаться резистора в 3 кОм на входе - это сделано, чтобы схема легче балансировалась. Если в цепи ОС использовать конденсатор и не применять схему автоматической балансировки на ОУ AR1, то на вход надо поставить резистор в 100 кОм. Во всех последующих схемах прменено именно такое решение, а в предыдущей - нет, просто потому, что мне не удалось сбалансировать ее, возможно, из-за глючности EWB.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 3.98 мА, второго - 23.6 мА, начальный ток выходных транзисторов - 140.5 мА.
     Ниже приведены грфики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 10 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов с частотой 100 кГц:






     Далее графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц:

     Схема устойчива: хватает лишь одной коррекции на опережение.
     Начальный уровень третьей гармоники на малом сигнале почти на порядок меньше, чем в предыдущей схеме, а достигнуто это введением одного транзистора.










     И, наконец: напряжения в узлах:
Node    Voltage
1      -1.1451
2      -0.29493
3      -48.982
6      -0.75934
7      -0.75158
9       1.1191
10     -48.369
11     -49.125
12     -50
13     49.646
14    -48.271
15     -48.98
16     -48.89
17     50
18     -0.017185
19     -0.00078211
20     -2.2747
21     48.984
23     -4.9568e-006
24     -0.028686
25     0.57705
26     0.030909
27     -0.030919
28     -0.64052
29     -0.82092
30     0
31     -15
32     15
33     -0.00078697

схема с токовым зеркалом в первом каскаде

     По сравнению с предыдущей эта схема обеспечивает больший коэффициент усиления первого каскада, что позволяет увеличить глубину ОС и, соответственно, снизить коэффициент нелинейных искажений.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 3.98 мА, второго - 23.57 мА, начальный ток выходных транзисторов - 141.5 мА, т. е. режимы по току соответствуют предыдущей схеме.
     Ниже приведены графики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 10 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов с частотой 100 кГц (выходные импульсы - синие):









     Далее графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц:

     Схема устойчива, но коррекцию на запаздывание обеспечивает довольно большой конденсатор С3.
     Уровень нелинейных искажений на малом сигнале примерно такой же, как и в предыдущей схеме. Правда, поиграв номиналами и режимами, эту схему можно отладить до меньших нелинейных на малом сигнале. Добиться лучшего результата можно, применив транзистор Q15 с более высоким коэффициентом усиления по току.












     И, наконец: напряжения в узлах:
Node    Voltage
1      -1.1451
2      -0.29492
3      -48.982
4      49.909
5      49.91
6      -0.75979
7      -0.75016
8      -0.0007853
9      1.1191
10     -48.369
11     -49.125
12     -50
13     48.892
14     -48.271
15     -48.98
16     -48.89
17     50
18     -0.016689
19     -0.00078209
20     -1.4505
21     48.229
22     49.179
24     -0.027926
25     0.57706
26     0.03091
27     -0.030917
28     -0.64052
29     -0.95334
30     0
33     -3.272e-006
34     15
36     -15

схема с эмиттерным повторителем во втором каскаде

     По сравнению с предыдущей в схему введен один маломощный транзистор Q28 и сопротивление.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 2.38 мА, второго - 21.76 мА, начальный ток выходных транзисторов - 140.45 мА.
     Ниже приведены грфики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 10 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов с частотой 100 кГц (выходные импульсы синие):



     Добиться устойчивости схемы удалось только введением дополнительной RC церочки R42C8, но на прямоугольном импульсе присутствует небольшой выброс после фронта. Такое решение по коррекции обычно применяется для трехкаскадных усилителей, но здесь не удалось найти более простого решения.
     Далее графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц:

     Уровень нелинейных искажений на малом сигнале намного меньше, чем в предыдущей схеме и сильно зависит от частоты, поэтому, чтобы рассмотреть их начальный уровень пришлось ввести график нелинейных в полосе 1 - 2 кГц. Как видно, простое нововведение обеспечило выдающийся результат. Правда, если бы в предыдущих схемах во втором каскаде использовались бы транзисторы получше, чем MJE340-350, улучшение было бы не столь радикально. Но это широко распространенная пара приличной мощности и с большим допустимым напряжением Uсе, а при данных напряжениях питания и токах рассеиваемая на них мощность - около 1 Вт, и они подходят.
     Расплачиваться за введение нового каскада, хотя и не усилиающего напряжение, пришлось проблемой с устойчивостью, но что поделать!
     Достигнутый результат объясняется существенным увеличением коэффициента усиления первого каскада, который работает на гораздо большее сопротивление нагрузки. При этом уменьшается частота среза первого каскада и всего усилителя и она попадает в звуковой диапазон, что не здорово. Третья гармоника, при этом, на 20 кГц ненамного меньше, чем ранее. Поэтому, если нельзя применить более высокочастотных транзисторов, а примененные - почти идеал, то можно даже несколько снижать общее усиление за счет местных ОС и, соответственно, несколько повысить начальный уровень нелинейных искажений (на низких частотах), но при этом выигрывать в динамике.
     И, наконец: напряжения в узлах:
Node    Voltage
2      -0.29492
3      -48.981
4      49.945
5      49.945
6      -0.72908
7      -0.72783
8      -0.0007829
9      1.1191
10     -48.368
11     -48.785
12     -50
13     48.892
14     -48.271
15     -48.98
16     -48.89
17     50
18     -0.009939
19     -0.00078207
20     -0.26725
21     47.478
22     49.227
24     -0.011723
25     0.57706
26     0.030913
27     -0.030915
28     -0.64051
29     -0.84706
30     0
34     15
36     48.229
37     -8.5105e-007
38     -15
44     -1.1451
45     47.478

схема с каскодным соединением транзисторов во втором каскаде

     Каскод улучшает быстродействие второго каскада, не меняя усиления. Правда, возможность применения низковольтного и "супербета" транзистора дает возможность заодно повысить его входное сопротивление, а, следовательно, и усиление первого каскада.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 2.38 мА, второго - 24.2 мА, начальный ток выходных транзисторов - 149 мА, что почти соответствует предыдущему.
     Ниже приведены грфики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 10 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов с частотой 100 кГц:




     Устойчивости схемы удалось добиться, только введя дополнительную коррекцию в первом каскаде. После фронта импульса следует выброс. Далее графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц и 1 кГц - 2 кГц:

     Как видно, начальный уровень и второй и третьей гармоник весьма низок, но он выше, чем у предыдущей схемы, а на частоте 20 кГц он не хуже, что говорит о более высокой частоте среза усилителя и несколько меньшем коэффициенте усиления без ОС. Из картинки импульсов трудно поймать увеличение скорости нарастания, но она должна вырасти до двух раз.
     Напряжения в узлах схемы:
Node    Voltage
1      -0.29683
3      -0.033838
4      -47.812
5      -47.618
6      -47.201
7      -0.75237
8      -0.76039
9      -0.043867
12     -50
13     49.946
14     49.946
15     49.468
16     44.907
18     44.945
19     45.649
20     49.229
22     -45.74
23     44.242
24     -0.87498
25     -45.66
26     1.1232
27     0
28     -0.64385
29     0.58087
31     0.032786
32     -0.032812
33     0
34     -0.00078219
35     -0.00079474
36     -6.1137
42     -1.2808e-005
43     15
47     50
49     -15
50     -45.038
51     -1.1487
52     48.67
53     48.67

схема с каскодными соединениями транзисторов в первом и во втором каскадах

     Каскод улучшает быстродействие каскада, не меняя усиления. В первом каскаде редко применяется такое решение, так как оно приносит некоторое усложнение, а выигрыш невелик: первый каскад работает в режиме малого сигнала. Но оно может быть использовано в случае отсутствия высоковольтных качественных транзисторов типа BC546 - BC556. А в качестве транзисторов с общей базой можно использовать и менее качественные.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 3.2 мА, второго - 24.2 мА, начальный ток выходных транзисторов - 148 мА, что почти соответствует предыдущему, кроме тока первого каскада.
     Ниже приведены грфики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 10 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов с частотой 100 кГц:




     Схема более устойчива, чем две предыдущие. Обычной коррекции хватило, а величина емкости коррекции на отставание достаточно мала. Правда, после спада импульса следует приличный выброс. Далее графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц и 1 кГц - 2 кГц:

     Как видно, начальный уровень и второй и третьей гармоник весьма низок, и он примерно соответствует предыдущей схеме, а на частоте 20 кГц он лучше, чем у всех, что говорит о более высокой частоте среза усилителя. Из картинки импульсов видно, скорость нарастания тоже выше, чем у предыдущей схемы.
     Напряжения в узлах схемы:
Node    Voltage
1      -0.75686
2      -0.76467
3      50
5      -46.129
6      -46.805
7      -50
8      17.198
10     17.92
11     48.668
12     49.119
13     49.844
14     49.845
15     -0.92123
16     49.467
17     46.344
19     45.68
20     46.351
21     -0.040368
23     -0.43279
25     -7.0692e-006
26     -0.64332
27     -47.583
28     -47.631
29     0.58028
30     1.1225
33     -46.962
34     -0.00078213
35     -0.031105
36     0.032493
38     -0.032507
39     -1.1482
40     47.023
41     0
42     17.197
43     -46.783
44     -0.00078906
45     -3.3071
46     0
47     15
49     -15
     В заключение отметим, что возможен гибрид схемы с повторителем и каскодом во втором каскаде. Такие схемы есть, но их я не рассматриваю.
     Во второй части рассмотрены симметричные схемы. Статья разбита на два куска просто, чтобы размер каждого куска был поменьше. И так эта страница занимает больше 500 килобайт.

Вторая часть статьи