Зачем нужно быстродействие УМЗЧ

Виктор Жуковский, г. Красноармейск Донецкой обл.

Теория

— Теоретики предпочитают рассматривать механизм возник­новения динамических интермодуляционных искажений на примере типовой схемы операционного усилителя — УМЗЧ с двумя каскадами усиления напряжения, собранного по схеме рис. 1. Для проверки на склонность к таким искажениям на его вход подаётся прямоугольный сигнал, а пищей для разума служат формы сигнала в контрольных точках 1…4 схемы. На осциллограмме 4 видно, что скорость изменения выходного сигнала меньше, чем у входного, а изображение на осциллог­рамме 3 по форме напоминает разностный сигнал — напряже­ние на коллекторе VT4 подобно дифференциальному между базами VT1, VT3. Сравнение относительных величин выбро­сов на осциллограммах показывает, что максимально проявляются они на осциллограмме 3 разностного сигнала, а на выхо­де усилителя, где их обычно контролируют, нивелированы дей­ствием интегратора VT5, VT6, Скорр — осциллограмма 4.

Путём изучения подобных осциллограмм радиоинженеры вывели основные зависимости между параметрами элемен­тов и получившегося из них усилителя. Например, в усилите­лях по сходной схеме максимально достижимая скорость на­растания выходного напряжения Vнар зависит от граничной частоты единичного усиления feд, МГц, обычно более мощных транзисторов VT7 VT8 и максимального дифференциального напряжения Uдифф макс, В применённого входного каскада, выше которого этот каскад теряет усилительные свойства: Vнар=2πfедUдифф.макс [4]. Для дифкаскада на биполярных транзисторах максимальный разностный сигнал Uдифф.макс равен 2Ut, где Ut — тепловой потенциал — равен 25…26 мВ Включение Скорр для обеспечения устойчивости усилителя увеличивает динамическую входную ёмкость второго каскада, уменьшает на высоких частотах его входное сопротивление, усиление дифкаскада, сужает полосу рабочих частот пониже­нием частоты полюса точки коллектор VT1 — база VT5. С рос­том частоты усиление УМЗЧ падает, сигнал ООС уменьшает­ся, растёт разностное напряжение Uдифф  и ток, отдаваемый в нагрузку дифкаскадом. Если с ростом частоты усиливаемо­го сигнала или с увеличением требуемого выходного напря­жения разностный сигнал превышает Uдифф.макс, один из транзисторов дифкаскада переходит в режим отсечки, усиле­ние дифкаскада падает: Ku=RвxVT5/(rэVT1+ rэVT2), где rэ=Iк/ Ut — внутреннее сопротивление эмиттера, Ik — ток коллектора, мА. Выходной синусоидальный сигнал вырождается в треуголь­ный, и с дальнейшим ростом частоты сигнала его уровень уменьшается независимо от входного напряжения. При отсеч­ке тока одного из входных транзисторов через второй прохо­дит полный ток эмиттеров дифкаскада Iдк и благодаря токово­му зеркалу VT2, VT4 заряжает или разряжает динамическую входную ёмкость каскада с ОК-ОЭ — Свх. дин.=КuОЭ х Скорр. Указанная динамическая входная ёмкость может быть доста­точно большой — до десятых долей микрофарады, а ток эмит­теров обычно невелик — порядка единиц — сотен микроампер в ОУ и до единиц миллиампер в «дискретных» каскадах УМЗЧ. Ситуацию спасает то, что благодаря усилению каскада с ОЭ 3000…15000 раз изменение напряжения на динамической входной ёмкости невелико, порядка милливольт, поэтому мак­симальная скорость нарастания сигнала Vнар≈(1дк х КиОЭ)/(Скор х КuОЭ), или Vнар≈1дк/Скорр. Вследствие влияния ём­кости точки коллектора VT6 — баз VT7, VT8 скорость нараста­ния никогда не превышает полученного по приведённой фор­муле значения; разница достигает 10 %. Выполнения извест­ного условия, согласно которому верхняя частота полосы мак­симального сигнала УМЗЧ: fмакс- Vнар/2πUвых.макс, где fмакс — в МГц, Vнар — в В/мкс, Uвых макс — в вольтах, должна превышать 20 кГц, достаточно лишь для того, чтобы синусои­да с этой частотой не превращалась на выходе УМЗЧ в треу­гольник. Интересующая нас перегрузка дифкаскада имеет обратную зависимость от запаса по быстродействию. Если он достаточен, невелики и разностное напряжение, и сами выбросы.

Простым повышением тока дифкаскада увеличить ско­рость нарастания нельзя: с ростом тока уменьшаются внут­ренние сопротивления эмиттеров и увеличивается усиле­ние дифкаскада, нарушается устойчивость усилителя, а это вынуждает снова увеличивать ёмкость Скорр. Для дифкас­када на биполярных транзисторах коэффициент основной, третьей гармоники КгЗ=2(Uдифф/Uт)², [5], и при Uдифф=52мВ КгЗ=8%. С включением резисторов в цепи эмиттеров транзисторов дифкаскада падение постоянно­го напряжения на резисторе суммируется с Ut_, при этом вносимые дифкаскадом искажения уменьшаются. Приме­нение в дифкаскаде полевых транзисторов также повышает его линейность: КгЗ=3,13(Uдифф/Uотс)I, [5]; при Uдифф=52 мВ для транзисторов с иотсечки=1 В КгЗ=0,008%. После повышения перегрузочной способно­сти дифкаскада повысить Vнар можно увеличением тока 1дк и уменьшением ёмкости С1.

Хотя дифкаскад и вносит нелинейные искажения — отсут­ствующие во входном сигнале высокочастотные гармоники, они интегрируются благодаря высокому выходному сопротивлению дифкаскада и большой динамической ёмкости его нагрузки и сами по себе суммарный Kr существенно увеличить не могут. Очевидно, что диапазон изменения токов транзисторов диф­каскада и мгновенного усиления в течение периода сигнала (т.е. уровень интермодуляционных искажений) зависит от ча­стоты и напряжения разностного сигнала. Если частоты посту­пающих на входы дифкаскада сигналов не выходят за преде­лы звуковой полосы, то это ещё полбеды. Ho выходные каска­ды УМЗЧ, работающие в режиме класса AB с небольшим сме­щением, обычно тем и занимаются, что попутно с усилением сигнала подпольно генерируют более или менее широкий спектр гармоник. Поскольку для дифкаскада не имеет значе­ния, к какому из входов приложен сигнал, сигнал гармоник успешно провоцирует интермодуляционные искажения. Поэто­му, в частности, для проверки динамической линейности уси­лителей используется прямоугольный сигнал — предельно ис­кажённый синусоидальный с Kr 44%. Подаётся он на вход уси­лителя, что технически удобнее.

Можно сказать, что Vнар — показатель динамической ли­нейности входного каскада, а запас Vнар для большого сигна­ла имеет то же самое значение, что и петлевой Ku — для мало­го. Грань между «простыми» и жёсткими динамическими ин­термодуляционными искажениями определяется величиной дифференциального напряжения, для малого сигнала — абсо­лютной, для большого — относительно Uдифф. макс. Поэтому качество звучания УМЗЧ с большей скоростью нарастания признается предпочтительным.