Влияние схемотехники на параметры усилителя мощности. Часть 2.

     В первой части "Влияния схемотехники" были рассмотрены "несимметричные" схемы. Кавычки потому, что так их не называют. Здесь исследованы "симметричные" схемы. Кавычки потому, что, хотя их так называют, тем не менее полной симметрии добиться трудно, даже, если все транзисторы "комплементарные". Если по коэффициенту H21e и, даже, по напряжению эмиттер-база их можно подобрать, то разброс частотных характеристик отдельных экземпляров учесть сложно. Но такие схемы красивы, понятны и при больших амплитудах дают симметричные ограничения. Собственно, выходной каскад и в предыдущих схемах вполне симметричен, поэтому здесь слово "симметрия" относится к каскадам усиления напряжения.
     Одна такая схема описана в книжке Левинзона - Логинова: см."References", таким образом - это довольно древняя схема. В журнале "Радио" несколько подобных схем опубликовал некто Корнев. В книжке Атаева - Болотникова: "References" приведены симметричные схемы.
     В данных схемах во входных каскадах применены другие транзисторы, c примерно идентичными с BC546 - BC556 характеристиками. Это вызвано тем, что у меня не работает SPICE модель BC546, а здесь нужны транзисторы с одинаковыми буквами - схема-то симметричная!
     Приношу извинения за то, что на схемах обозначения узлов, наименований элементов и их обозначения иногда наползают друг на друга. Это вызвано несовершенством аппаратных средств в моем распоряжении и моей возможной криворукостью. Но по смыслу почти всегда можно догадаться, что имеется в виду. Кроме того примененные элементы однотипны, например все диоды - 1N4148.
    

симметричная схема с резистивной нагрузкой первого каскада и каскодом во втором

     Эта схема схема - гибрид второй и пятой схем из первой части. от нее можно ожидать в два раза большего коэффициента усиления, чем у второй и такого же быстродействия, как у пятой.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 3.53 мА, второго - 20.4 мА, начальный ток выходных транзисторов - 150 мА.
     Ниже приведены графики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 10 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов (выходные импульсы синие - далее так везде):

     Устойчивость схемы обеспечивается коррекцией на опережение и запаздывание, причем конденсатор коррекции на запаздывание включается в оба плеча второго каскада.
     Интересно, что верхнее плечо корректируется конденсатором большего номинала, чем нижнее. Вот вам и симметрия! После фронта и спада на импульсах имеются выбросы. Хотя это могут быть сдвинутые по фазе динамические переходные искажения (в статике - "ступенька")
     По нелинейным искажениям эта схема ничем не выделяется, они на уровне втрой схемы из первой части. Таким образом существенное усложнение схемы не дало особых результатов.
     Правда, у схемы есть достоинство: входные токи транзисторов разной проводимости взаимно компенсируются (если их достаточно точно подобрать по H21e). В результате через резистор на входе ток в идеале вообще не течет, как и через резистор обратной связи. Это справедливо для всех схем, рассмотренных ниже.















     Напряжения в узлах схемы:
     Node   Voltage
1      -1.1493
2      -0.6681
3      -49.045
4      49.388
5      0.40385
6      -0.41246
7      -0.41303
8      -0.00078197
9      1.1239
10     -48.436
11     -48.862
14     48.433
15     -50
17     50
18     -0.0048703
19     -0.00078206
20     0.19474
21     48.905
24     -0.0043124
25     0.58154
26     0.033123
27     -0.033123
28     -0.6444
29     -0.49346
30     0
33     9.323e-008
35     47.104
37     -49.387
38     -47.1
39     49.292
40     48.585
41     0.4847
42     46.445
43     -49.294
44     -48.588
45     0.40358
46     -46.485
49     49.39
50     -48.905
51     15
55     48.859
56     -15

схема с каскодами в первом и втором каскадах

    
     По сравнению с предыдущей эта схема может иметь большее быстродействие, а так как коэффициент ее усиления в точности равен этому коэффициенту предыдущей схемы, то нелинейные искажения вряд ли будут меньше.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 3.48 мА, второго - 19.7 мА, начальный ток выходных транзисторов - 152.5 мА. Почти как в предыдущем случае.
     Ниже приведены грфики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 1 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов с частотой 100 кГц:


     Прямоугольный импульс выглядит получше, а амплитудная характеристика ровная за 1 МГц, а в предыдущем случае первый излом был до 1 МГц, схема устойчивее, чем предыдущая.
     Далее графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц:

     Как и предрекалось, нелинейные искажения почти такие же, как в предыдущем случае.



















     И, наконец: напряжения в узлах:
Node   Voltage
1      -1.1502
2      -0.66994
3      -49.034
5      0.40369
6      -0.41459
7      -0.41938
8      -0.00078277
9      1.1249
11     -48.85
14     48.419
15     -50
17     50
18     -0.005751
19     -0.00078207
20     -0.20094
21     48.928
25     0.58246
26     0.033589
27     -0.03359
28     -0.64521
29     -0.49851
30     0
33     -7.1591e-007
35     47.101
37     -49.409
38     -47.096
40     49.292
41     0.48784
42     46.443
45     0.40813
46     -46.482
48     0
49     49.39
50     -48.928
51     18.552
52     -48.424
53     -18.61
54     -0.0055204
57     49.41
61     48.585
65     -49.294
67     -48.588
69     48.846
70     -19.021
71     18.963
72     -15
73     15

трехкаскадная схема

     Это единственная рассматриваемая трехкаскадная схема, в которой третий каскад усиливает напряжение. Это дает возможность увеличить коэффициент усиления и глубину ОС. Кроме этого, первый и второй каскады можно питать пониженными напряжениями, так как они не должны давать максимальный размах выходного напряжения. Хотя здесь я этого не сделал - ничего не изменило бы в рамках нашей задачи.
     Что я сделал, так это снизил ток во втором каскаде до 7 ма, что дало возможность применить маломощные, но более высокочастотные высоковольтные транзисторы: 2N5551 и 2N5401. Уменьшить ток второго каскада становится возможным из-за того, что выходной каскад теперь состоит из трех транзисторов, и его максимадьный входной ток стал раз в сто меньше, чем во всех других рассммотренных схемах. Надо отметить, что применение транзисторов BC327A - BC337A в Q40 и Q44 в реальной схеме невозможно, они не прходят ни по Uкбмакс ни по допустимой мощности рассеяния. Но менять ничего не стал: слишком поздно заметил. В принципе там подошли бы BF422, BF423.
     Коэффициент усиления третьего каскада равен трем. Трехкаскадный усилитель (считаются каскады, усиливающие напряжение) требует дополнительных корректирующих цепей. В данном случае - это С10 и С14. Резисторы R64, R71 придают дополнительную стабильность.
     При данных номиналах на схеме ток первого (дифференциального) каскада - 4.18 мА, второго 6.86 - мА, начальный ток выходных транзисторов - 145.9 мА.
     Ниже приведены грфики АЧХ и ФЧХ в диапазоне 1 кГц - 300 МГц и вид прямоугольных импульсов с частотой 100 кГц:






     На прямоугольных импульсах заметны переходные искажения в виде двух всплесков. Амплитудная характеристика ничего хорошего из себя не представляет.
     Далее графики второй и третьей гармоник в полосе частот 1 кГц - 20 кГц:

     Сразу видно, что нелинейные искажения на порядок ниже предыдущей схемы и даже лучше, чем у схемы с повторителем напряжения из первой части статьи.

















     И, наконец: напряжения в узлах:
Node   Voltage
1      -0.66842
2      -0.21632
3      -49.045
4      49.314
5      0.40343
6      -0.41289
7      -0.41315
8      -0.00146
9      0.64219
10     -48.436
11     -48.862
14     48.433
15     -50
17     50
18     -0.0049408
19     -0.0014
20     -0.00075252
21     48.86
24     -0.0047918
25     0.21859
26     0.58081
28     -0.64106
29     -0.49374
30     0
33     0.00074
35     44.694
37     -49.313
38     -48.858
39     49.292
40     48.584
41     0.48443
42     44.018
43     -49.292
44     -48.584
45     0.40346
46     -48.127
48     0
49     49.39
50     -48.859
51     49.911
52     0.033236
53     49.391
54     -0.24175
55     -49.901
56     -49.34
59     48.859
60     -0.031002
Эта схема использована для иллюстрации влияния тока выходного каскада на параметры усилителя: "Влияние тока выходного каскада на параметры". Возможны и другие варианты симметричных схем, в частности можно использовать в качестве третьего каскада описанный в "Курьезе с усилителем Брагина". Также возможно применение эмиттерных повторителей между первым и вторым каскадами. Я смоделировал еще однуоригинальную симметричную схемку: "Симметричный усилитель без дифкаскада на входе".

выводы

     Если посмотреть на то, чем самая сложная схема отличается от самой простой (первой из рассмотренных), то видно, что в ней раза в два больше транзисторов и, соответственно, пассивных компонентов. То есть - она намного сложнее. Но, если взглянуть на готовые усилители, собранные по этим схемам, заметить различие сложно: единственно, что плата второго чуть больше по размерам, но не в два раза. Самыми массивными и дорогими в усилителе мощности являются трансформатор и конденсаторы блока питания и выходные транзисторы с радиаторами. Десяток входных маломощных транзисторов стоит центов 50 или доллар - как один транзистор оконечного каскада. Выше было показано, как различные усложнения влияют на параметры. Более сложные из рассмотренных схем имеют на порядок лучшие параметры, так что имеет смысл применять более сложные схемы, главное, чтобы было понятно, как они работают и что дает каждое нововведение.
     Когда я уже сваял этот материал, мне удалось заставить EWB "померить" коэффициенты нелинейных искажений (THD - total harmonic distortions) схем. Программа иногда взбрыкивает, поэтому некоторые цифры вызывают сомнения, но общая картина вписывается в то, как это бывает в жизни. THD измерялся на частотах 1 и 20 кГц и при мощностях примерно 1.5 и 72 Вт: при напряжении на входе 0.1 и 0.7 В. Как выяснилось, на нелинейные искажения на низких частотах влияет величина входной емкости. Это вызвано, скорее всего, методом расчета. Чтобы исключить влияние емкости на входе, я ее везде принял равной 200 мкФ, хотя 47 мкФ было бы достаточно. Результаты приведены в таблице:
Название Частота 1 кГц Частота 20 кГц
Мощность 1.5 Вт Мощность 72 Вт Мощность 1.5 Вт Мощность 72 Вт
Схема с вольтдобавкой 1.25 32.6 - -
Схема с динамической нагрузкой во втором каскаде 0.022 0.14 0.034 0.28
Схема с токовым зеркалом в первом каскаде 0.011 0.042 0.010 0.10
Схема с эмиттерным повторителем во втором каскаде 0.017 0.0097 0.0398 0.22
Схема с каскодом во втором каскаде 0.0089 0.013 0.069 0.25
Схема с каскодами в обоих каскадах 0.029 0.019 0.054 0.41
Симметричная схема с каскодом во втором каскаде 0.0046 0.014 0.071 0.15
Симметричная схема с каскодами в обоих каскадах 0.065 0.038 0.011 0.24
Трехкаскадная схема 0.096 0.0017 0.033 0.31

     Как видно из таблицы, схема с повторителем имеет очень низкие значения THD, как и две следующие схемы. Правда, добавление каскода в первый каскад ничего не дало. Симметричные схемы тоже имеют малый THD. И в этом случае добавление каскода в первый каскад ничего не дало. Трехкаскадная схема не имеет преимуществ перед другими за исключением большой мощности на 1 кГц. Но опртимальная коррекция и режимы могут дать лучшие результаты.
    

Первая часть статьи