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.