Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 1) (страница 2)
реклама
Интермодуляционные искажения
До этого рассматривались случаи с одним источником сигнала синусоидальной формы, но в реальном звуковом ряде масса гармоник с далеко не синусоидальной формой. Если в усилителе присутствуют цепи с нелинейной проводимостью (а они гарантированно есть, откуда же берутся искажения?), и звуковой сигнал содержит несколько частот, то в результате получается множество гармоник с вариациями оригинальных частот, умноженными на коэффициенты 2,3,4...
Для этой симуляции параметры сигнала несколько модифицированы – в исследуемый сигнал добавлена вторая компонента с другой частотой, да и сами значения изменились, 100 Гц и 2 КГц. Сама схема осталась прежней, той же, что использовалась для проверки дефекта «ступеньки».
Схема:
Форма сигнала:
реклама
Спектр:
Сравните эту симуляцию с ранее рассмотренной «ступенькой». По картинке наглядно видно, что интермодуляционные искажения смотрятся хуже всего, бывшего ранее – спектр огромен, присутствуют самые разнообразные вариации множителей частот F1 и F2.
Коммутационные искажения
Ранее рассматривались довольно абстрактные типы искажений, свойственные различным электронным компонентам. Но каждому типу усилительных элементов присущи какие-то свои специфические моменты, которые могут оказать негативное влияние на качество работы. Для биполярных транзисторов одним из таких свойств является низкое быстродействие, проявляющееся в большом времени выключения.
Специфической особенностью работы транзисторов является накопление заряда неосновных носителей в активном состоянии. Для выключения транзистора (или просто резкого снижения тока) необходимо вывести этот заряд, что требует наличие элементов отвода тока из базы и, вообще говоря, занимает весьма приличный интервал времени. При конструировании усилителей стараются избежать перевода транзисторов в отключенное состояние, но в выходном каскаде часто об этом забывают. Причем, этой «забывчивостью» страдают и высококачественные усилители с достойной репутацией.
Схема:
реклама
На первый взгляд, схема ничем особенным не выделяется, разве что отсутствует смещение между базами Q1 и Q2, но присмотримся внимательнее – резисторы R10 и R11 запирают выходные транзисторы в те моменты, когда они должны быть выключены. Выходной каскад класса В, то есть проводит либо верхний (Q3), либо нижний (Q4) транзистор, в зависимости от полярности выходного напряжения. В модели номиналы резисторов R10, R11 выбраны заведомо большей величины, что затрудняет рассасывание заряда и транзистор выключается продолжительное время. Ранее в симуляциях было рассмотрено напряжение в контрольных точках, но в данном тесте гораздо больший интерес несет ток выходных транзисторов.
Форма сигнала:
Возьмем центральный участок. В момент перехода напряжения через ноль ток верхнего транзистора (красный график) уменьшается, но недостаточно быстро – нижний транзистор начинает открываться раньше, чем успел рассосаться заряд из верхнего транзистора. Как следствие – существует небольшое время, когда оба транзистора находятся в проводящем состоянии. Вообще-то, для усилителей это состояние считается нормальным, вспомните о классе А, но не в данном случае. Закрывание транзистора идет не плавно, а резко и бесконтрольно (ограничено временем и характером рассасывания заряда), что вызывает необходимость адекватной реакции схемы управления для формирования компенсирующего тока.
Это тоже было бы нормально, но такой режим работы (высокая частота) возникает на очень небольшой интервал времени. Увы, общее усиление всего усилителя обязано уменьшаться с ростом частоты, иначе пострадает устойчивость или все свалится в самовозбуждение. Поэтому точной компенсацией мешающего тока рассасывания одного транзистора нельзя полностью скомпенсировать другим плечом и в этот момент появится «щелчок». Вот так и возникают коммутационные помехи.
Самовозбуждение
Высококачественный усилитель должен хорошо воспроизводить как низкие, так и высокие частоты звукового диапазона, что требует большого быстродействия и запаса усиления в рабочей полосе, которая простирается дальше слышимого диапазона частот 20-20000 Гц. Если с низкими частотами обычно проблем не бывает, то расширение полосы в высокочастотную область вызывает трудности.
Любой активный (как и реактивный) элемент вызывает задержку распространения сигнала. Как следствие, при повышении частоты начинает накапливаться фазовый сдвиг и как только достигается 180 градусов, то следует самовозбуждение и усилитель превращается в генератор. Для борьбы с этим дефектом в любом усилителе ограничивают коэффициент усиления на высоких частотах. Идея заключается в том, что генерация возникнет только в том случае, если при критическом сдвиге фазы общее усиление цепи будет больше единицы, то есть цепь получает усиление на этой частоте.
При коэффициенте передачи меньше единицы, цепь ослабляет сигнал и самовозбуждение невозможно. Понятно, что разработчик схемы не допустит банального возбуждения усилителя, схема будет спроектирована должным образом. Но… кроме «тупой» генерации существует неустойчивое возбуждение. Повторюсь, критерий устойчивости состоит в обеспечении низкого коэффициента передачи на критически высоких частотах, но само понятие «коэффициент передачи» величина непостоянная, на него оказывает влияние множество факторов и он может несколько меняться в зависимости от характера и уровня сигнала. Усилитель, в основном, состоит из транзисторов, а для них одной из важнейших характеристик выступает коэффициент передачи тока hFE:
Как видно из графика, коэффициент усиления транзистора зависит от величины тока, проходящего через него. Если в усилителе не предусмотрены локальные обратные связи для ограничения коэффициента передачи, то общее усиление будет «плавать» от амплитуды сигнала. При должном запасе устойчивости - не беда, но… её повышение требует снижение усиления на высоких частотах, что прямо скажется на качестве звука – повысятся нелинейные искажения, особенно интермодуляционные. Этот запас «карман тянет», поэтому стараются добиться компромисса – и усиление не попортить, и устойчивость к самовозбуждению сохранить. Одно «но», многое зависит от разработчика.
Если тестировать собранное устройство только на статическом сигнале, да еще и без специального учета разброса и деградации параметров компонентов, то можно перейти грань стабильности и усилитель будет самовозбуждаться. Причем, особо неприятно то, что генерация будет небольшое время и только при некоторых стечениях обстоятельств. Чаще всего – при резком изменении уровня или характера сигнала, особенно при наличии высокочастотных составляющих. Сами всплески высокочастотной генерации не слышны, но их наличие вызывает изменение режима работы усилительных каскадов, что приводит к нелинейным искажениям.
И особо печально, что общая обратная связь не может устранить деструктивные последствия самовозбуждения, ведь ООС уже не работает на таких частотах. Увы, дефект возникает достаточно часто и о нём надо помнить.
Соединение с нагрузкой
Усилитель сам по себе звуковые волны излучать не может, для этого используются динамические головки или наушники. О самих динамиках речь пойдет позже, пока же поговорим о том, что соединяет их с усилителем – о проводах.
реклама
Хотя, я немного поторопился, кроме проводов существует еще несколько вещей, которые могут испортить звучание – пайка и разъемное соединение.
Пайка – соединение медных проводников с помощью мягкого припоя. С одной стороны, это самый надежный способ соединения проводников, с другой – переход медь-припой обладает некоторым эффектом полупроводника, сопротивление соединения может немного (совсем чуть-чуть) меняться от направления и силы тока, частоты сигнала. Для уменьшения такого дефекта надо сматывать проводники один на другой, и уж затем пропитывать припоем. Чем лучше смотаны проводники до пайки, тем меньший вред нанесет припой.
Разъем, как средство соединения, хуже пайки. Но в ряде случаев без него не обойтись, особенно при соединении автономных конструкций или необходимости переключения цепей. Собственно, какие-либо «особые» рекомендации дать трудно, качество соединения зависит не только от формы и покрытия контактирующих поверхностей, испортить хорошую вещь можно чем угодно. Одно точно известно – силовые разъемы это зло.
Провода… и это самое интересное, остановимся подробнее.
Медные провода тоже обладают эффектом полупроводника и вносят искажения в передаваемый сигнал. С данным дефектом можно бороться схемотехнически (большим выходным сопротивлением усилителя), но лучше использовать специальные сорта меди с низким содержанием примесей, приводящих к «полупроводниковому» эффекту, например, так называемую «бескислородную» медь.
Кроме внесения искажений, провода обладают конечным сопротивлением. Например, у одиночного провода сечением 1.5 мм2 и длиной 3 метра сопротивление порядка 0.08 Ом. Полученная цифра не впечатляет, при подключении колонки 4 Ом таким проводом, на нем потеряется всего два процента напряжения (четыре процента мощности). Хуже другое, эти 0.08 Ом суммируются с выходным сопротивлением усилителя, что изменит степень электрического демпфирования динамических головок.
Впрочем… есть еще один подводный камень, про который все почему-то забывают. При повышении частоты сигнала, передаваемого по проводу, начинает действовать волновая природа и возникает эффект вытеснения зоны проводимости в поверхностные слои проводника. Если провод не монолитный и состоит из множества тонких проволочек, то этот дефект не проявляется? Отнюдь! Если проводники электрически не изолированы друг от друга, то магнитные поля складываются, и электрический ток начинает течь по внешним слоям только тех проволочек, что находятся снаружи. Зачастую, качественные кабели не только делают из изолированных проволочек, но и с пустой центральной частью – с диэлектрическим заполнителем.
Понятное дело, что основная вредоносность этого эффекта проявляется в импульсных блоках питания и других узлах с высокочастотной коммутацией. Также его проявления есть и в обычной связи «усилитель-колонка» – если на постоянном токе и не высокочастотном сигнале сопротивление провода останется 0.08 Ом, то на верхней границе частотного диапазона сопротивление возрастет. Это было бы не так страшно, только «утоньшение» провода на высоких частотах приведет к большей заметности полупроводникового эффекта.
К чему это я? Всё просто – качественная бескислородная медь зачастую выполняется в виде жгута изолированных мелких проволочек. Не знаю, насколько повышает качество звучания отсутствие кислорода в меди, но вот устранение дефектов от влияния эффекта «скин-слоя» прослеживается весьма четко и может быть легко измерено.
В заключение этого раздела хотел бы специально обратить внимание – качество пайки и соединительных проводников важно только при протекании большого тока через них. Для сигнальных цепей применение особо качественных проводников или пайка припоем с высоким содержанием серебра не дадут никакого положительного эффекта.
Что до разъемов, то с ними всё сложнее. Любое коммутационное устройство (разъем, реле и прочее) проектируется как на максимальный ток, что очевидно, так и на минимальный. Последнее требование вызвано применяемым покрытием контактной группы. Если на какое-то соединительное устройство не указан минимальный ток, то это вовсе не означает, что его нет – просто производитель «забыл» указать сей параметр. По возможности, используйте пайку, даже «винтовое» соединение не гарантирует отсутствие окисла под контактами. Не забывайте, что, как правило, понятие «удобство сборки» вступает в конфликт с качеством.
Влияние нагрузки
Когда говорят о нагрузке усилителя, динамической головке, колонке или наушниках, подразумевают их сопротивление по постоянному току. Отчасти это правильно, но лишь отчасти. Динамическая головка - механическое устройство и ей свойственна особенность ее происхождения – инерционность. По этому вопросу проводились исследования, была получена довольно интересная и простая рекомендация – усилитель должен обеспечивать нормальное функционирование при сопротивлении нагрузки в два раза меньше номинального значения.
Данная рекомендация следует из механического (инерционного) характера работы динамической головки. Понятно, что эта особенность проявляется в небольшие интервалы времени и не сказывается на общем тепловом режиме. Однако игнорирование подобного условия приводит к печальным результатам – срабатыванию системы защиты от перегрузки или просто к работе усилителя в нештатном режиме. Увы, этой «болезнью» страдают и качественные усилители.
Проведенное исследование показало «не слишком удачный» бас на ряде усилителей, что трудно объяснить логически или экспериментально. Множество проверок давало только положительные результаты, но тестовое прослушивание упорно показывало «странность» звучания. Но после проведения теста на нагрузку в уменьшенном сопротивлении, все сразу встало на свои места – эти усилители показали резкий провал предельного уровня на низких и инфранизких частотах.
У динамической головки, кроме ее сопротивления, есть другие электрические характеристики – индуктивность, частота и добротность механического резонанса… но они хорошо известны и, как правило, легко учитываются при разработке устройства. Об этом знают, а вот тестирование на половинном сопротивлении выполняют далеко не всегда.
Динамический режим работы
Музыка даже отдаленно не напоминает монотонный синусоидальный сигнал частотой 1 кГц, которым принято тестировать усилитель. И дело здесь не в эстетике – проводили исследования по восприятию человеком разных составляющих звуковых форматов: музыки, речи. Была обнаружена высокая чувствительность к качеству передачи резких изменений уровня звука. В речевой фонограмме вырезали фронты между звуками, после чего разборчивость падала катастрофически.
Для музыки свойственны плавные переходы между частями, но и в ней встречаются моменты с довольно агрессивным изменением уровня звука. Динамическому режиму усилителя характерны следующие потенциальные проблемы:
- Термоудар.
- Низкая скорость нарастания выходного напряжения.
«Термоудар» встречается в большинстве выходных каскадов класса АВ, проявляясь в большей или меньшей степени – многое зависит от удачности конструкции теплоотводов и схемотехнического решения. Обычный вариант выходного каскада выглядит примерно так (схема упрощена до основных узлов):
Вывод «А» – предшествующая часть схемы. Для компенсации искажений, свойственных классу В (ступенька) в выходном каскаде задается небольшой ток через выходные транзисторы, что переводит усилитель в класс АВ и уменьшает уровень искажений. Осуществляется сие через введение дополнительного источника питания, приоткрывающего транзисторы выходного каскада, собранных на эмиттерных повторителях Q2-Q4 и Q3-Q5.
Такой дополнительный источник чаще всего выполняется на транзисторе (Q1 и резисторы делителя R2-R3), но встречаются варианты с гирляндами кремниевых диодов. Напряжение между выводами E и F задает ток покоя усилителя, но напрямую его выставить нельзя, приходится управлять напряжением в точках C и D, которое больше нужных точек E и F на напряжение перехода «база-эмиттер транзисторов» Q4 и Q5. Увы, точками C и D управлять по-прежнему затруднительно, вот и приходим к напряжению источника, точкам A и B.
Для стабилизации тока порядка 0.1 А требуется выдержать между точками E-F напряжение 0.1*0.6= 0.06= 60 мВ. Напряжение источника питания должно быть больше 60 мВ на величину падения база-эмиттерных переходов транзисторов, участвующих в процессе, то есть Q2, Q3, Q4, Q5 - четыре штуки. Напряжение перехода порядка 0.6 вольта, к необходимым 0.06 В надо прибавить 4*0.6=2.4 вольта. Сравните целевое напряжение 0.06 с управляющим 2.4 В, это уже потенциальная проблема.
Но речь пока идет о термостабильности, поэтому перейдем к ней. Дело в том, что напряжение база-эмиттерного перехода, как и любого p-n перехода, зависит от его температуры. Примерный коэффициент описывается зависимостью -2 мВ на 1 градус. Это означает, что при сохранении прежнего тока и повышении температуры перехода его напряжение уменьшится на 2 мВ. Какая ерунда, два милливольта! Ан нет. Транзисторы в выходном каскаде нагреваются очень сильно, не зря же их устанавливают на радиаторы.
Температура кристалла в транзисторе легко может нагреваться на 50 градусов к температуре среды, причем довольно быстро. Если перевести этот прирост температуры в изменение напряжение «база-эмиттер», то оно уменьшится на 50*2=100 мВ. Оба транзистора в паре нагреваются примерно одинаково и изменение напряжения в точках C и D составит в два раза большую цифру, 0.2 вольта. Если предположить, что источник питания смещения лишен термокомпенсации, то между C и D останется прежнее напряжение, а уменьшившееся напряжение переходов транзисторов вызовет повышение напряжение между точками E и F на 0.2В, что приведет к увеличению тока покоя с заданных 0.1 А до 0.26/0.6 = 0.43 А – уже весьма расточительно.
Прошу учесть, в рассмотрении не участвовало изменение температуры транзисторов Q2 и Q3, итог мог быть еще хуже. Выходит, что источник питания для установки тока смещения должен быть термокомпенсированным, как изображено на схеме – образцовое напряжение «база-эмиттер» транзистора Q1 зависит от температуры. При размещении транзистора Q1 на общем радиаторе с Q4 и Q5 он будет обладать примерно той же температурой и компенсировать изменение напряжения перехода «база-эмиттер». Всё хорошо, откуда проблемы?
Увы, компенсация весьма условна. Тепловой коэффициент источника примерно -2*4 = -8 мВ/градус, а нагреваются транзисторы выходного каскада неодинаково. Если с выходными Q4 и Q5 всё понятно, то с предыдущей ступенью, Q2 и Q3 ничего не ясно. С одной стороны, на них рассеивается небольшая тепловая мощность и их можно не устанавливать на радиатор. С другой, эта мощность не такая уж и маленькая, всего в 10-40 раз меньше, чем на транзисторах выходной ступени. Это важно, вернемся к этому позже, а пока поговорим о выходных транзисторах и источнике смещения.
Обычная рекомендация – устанавливать транзистор источника (Q1) на тот же радиатор, где смонтированы выходные транзисторы (Q4, Q5). При этом следует аргументация, что этим достигается термостабилизирование тока покоя. Напряжения «база-эмиттер» зависят от температуры кристалла, которая заведомо больше температуры корпуса транзистора. Но, и температура корпуса транзистора нагревается гораздо больше, чем радиатор. К этому приводит ограниченная толщина теплоотводящей пластины радиатора, на которую монтируются транзисторы, и обязательная термопрокладка.
Последняя крайне необходима из-за того, что на общий радиатор устанавливается несколько транзисторов и надо обеспечить электрическую изоляцию металла их корпуса от другого транзистора и цепей схемы. (Вообще-то, признаком хорошего тона является соединение крупных металлических узлов c цепью «земля»). Сюда же стоит прибавить сложность размещения силовых транзисторов близко друг от друга, для уменьшения перепадов температуры между силовыми транзисторами, и дополнительного транзистора термокомпенсации. Не в каждом усилителе устанавливают вентилятор для обдува радиатора, а это означает применение действительно большого радиатора и обязывает разнести силовые транзисторы друг от друга по поверхности радиатора.
В работе, при установившемся тепловом режиме, происходит следующее:
1. Температура кристалла в полтора-два раза больше температуры радиатора. Естественно, под «температурой» понимается нагрев над окружающей средой.
2. Тепловой коэффициент источника смещения рассчитан на четыре перехода, а основной нагрев происходит только в двух, на выходных транзисторах (Q4, Q5).
Первый пункт говорит, что точная термокомпенсация по температуре радиатора будет ошибаться в два(?!!) раза. Второй означает, что компенсация источника работает в два раза эффективнее, чем надо. Если сложить оба пункта, то недокомпенсация два раза сложится (точнее «перемножится») с перекомпенсацией в источнике и будет полный порядок.
Обычно, так и происходит, но если говорить про установившийся режим. А вот если применить эти же выкладки при динамическом режиме работы, когда за громким уровнем следует тихий, то вот тут-то и начинаются проблемы. Уже говорилось, но перечислю в более четкой форме:
1. Температура (перегрева) кристалла много выше температуры (перегрева) радиатора. Причем, транзистор очень быстро скидывает эту разность температур при сбросе рассеиваемой тепловой мощности.
2. Датчик тепловой компенсации находится (механически) далеко от силовых транзисторов.
3. Нагрев и охлаждение одной части радиатора относительно долго распространяется на другие участки радиатора.
В результате, тепловая компенсация источника тока покоя оооочень сильно задержана во времени от температуры транзисторов. Если в статическом режиме можно удержать ток покоя в разумных рамках, то в динамике из-за запаздывания компенсации источника смещения, возможно как значительное увеличение тока покоя (при резком повышении уровня сигнала), так и значительное его уменьшение (переход к тихой музыке). Причем, уменьшение вплоть до 0, то есть усилитель переходит из класса АВ в чистый В. Стоит добавить, что в эти моменты как раз идет тихая музыка.
Что до моего примера, то давайте «прикинем» цифры. Положим, нагрев радиатора 20 градусов (к окружающей среде), что означает температуру кристалла транзистора 40 градусов (расчеты примерны). При резком сбросе громкости звука, скорее при «очень резком и сильном» сбросе, температура радиатора в месте крепления транзистора упадет до 15 градусов, а кристалла до 20 градусов. Не забывайте, подразумевается не абсолютная температура, а перегрев к окружающей среде. Ток покоя выходных транзисторов определяется напряжением на резисторах R5+R6 и их сопротивлением.
Ранее рассчитывалось, что ток покоя 0.1 ампера получался при напряжении 60 мВ, его и пытается поддерживать термокомпенсация источника смещения на транзисторе Q1. Одно «но» – температура Q1 еще «долго» останется прежней, а вот выходные транзисторы Q4, Q5 уже остыли «в два раза». По сравнению с ранее установившейся тепловой стабильностью разница температур составила 20 градусов или -2*20*2 = -80 мВ. Складываем с 60 мВ, которые поддерживает схема смещения и получаем 60-80=-20 мВ. То есть транзисторы ушли в отсечку с нулевым током покоя. Это и называется термоудар – при медленном изменении выходной мощности система работает корректно, а резкие смены режимов работы вызывают ухудшение свойств усилителя.
Обратите внимание, я «совершенно забыл» о транзисторах предвыходного каскада, Q2 и Q3. По идее, они не должны особо нагреваться и вреда от них не ожидается. Но, они всё же нагреются. Их установка на общий радиатор не улучшит ситуацию с термоударом, ведь температуру «кристалл-радиатор» выходных транзисторов контролировать (и компенсировать) нечем. Если же их устанавливать на собственные радиаторы или без оных вовсе, то у термоудара появится еще одна составляющая, температура предоконечных транзисторов, которая только ухудшает дело.
Теперь по скорости нарастания выходного сигнала.
Для симуляции используется следующая схема:
Эмуляция ограничения скорости нарастания достигается заменой верхнего плеча выходного каскада на нерегулируемый источник тока, транзистор Q5, и шунтирование нагрузки конденсатором (C1) чрезмерно большой величины. Для более наглядной демонстрации, в качестве сигнала применяются два источника – 2 кГц и 20 кГц. При этом получается следующая форма выходного сигнала:
Напоминаю, красный график образцового сигнала, зеленый – выходного.
Скорость нарастания выходного напряжения ограничена, что вызывает отставание зеленого графика по отношению к красному. Особенно интересен фрагмент между 250 мкс и 300 мкс – зеленый график начинает отставать от красного и накапливается ошибка обратной связи. В районе 280 мкс выходное напряжение наконец-то «догнало» красный и, вроде бы, с этого момента всё должно придти в норму, но за время отставания накопилась ошибка, которую надо выбрать и зеленый график продолжает расходиться и дальше.
Так будет до тех пор, пока ранее накопленная ошибка не будет компенсирована новой ошибкой, с другим знаком. Это происходит только при 300 мкс, обратная связь «спохватывается» и начинает уменьшать напряжение. Интересно, что опять следует перерегулирование, зеленый график уменьшается даже ниже красного. Последующие два периода частотой 20 кГц повреждаются по тому же сценарию.
реклама
Страницы материала
Лента материалов раздела
Соблюдение Правил конференции строго обязательно!
Флуд, флейм и оффтоп преследуются по всей строгости закона!
Комментарии, содержащие оскорбления, нецензурные выражения (в т.ч. замаскированный мат), экстремистские высказывания, рекламу и спам, удаляются независимо от содержимого, а к их авторам могут применяться меры вплоть до запрета написания комментариев и, в случае написания комментария через социальные сети, жалобы в администрацию данной сети.
Комментарии Правила