О линейности выходных каскадов.
Выходной каскад, работающий на низкоимпедансную комплексную нагрузку может явиться слабым звеном во всей конструкции УМ. Для усилителей без ООС это скорее правило.
Предлагаю детально разобраться в возможных вариантах исполнения выходного каскада, их достоинствах и недостатках.
Известно, что для многополосных АС характерна сильная неравномерность импеданса в зависимости от частоты (до 5-6 раз). Про такие АС (а их, вообще-то, большинство) говорят иногда «требовательны к усилителю». Для них-то в первую очередь и необходимо иметь низкое, не зависящее от тока выходное сопротивление оконечного каскада.
Класс «А»
Задача эта удачно решается «в лоб» применением класса «А». К плюсам этого режима, правда, можно отнести только малое, около 0.2 Ом, выходное сопротивление и отличную линейность в мало-сигнальном режиме
Из минусов - несимметричная передаточная характеристика, нелинейное, особенно на больших уровнях, выходное сопротивление, очень плохая нагрузочная способность по току и очень плохой кпд. К серьёзнейшему недостатку класса «А» можно отнести особую требовательность к высокой чувствительности АС.
Да, есть один весьма весомый плюс - отменная «маркетинговая ценность».
На спектрограмме показано распределение гармоник каскада в классе А, работающего в сильносигнальном режиме
Можно видеть, что 2-я, 3-я, 4-я, 5-я и 6-я гармоники находятся на уровне 0.1%, 0.05% 0.017% и 0.005% 0.002% соответственно. Вроде бы и неплохо, 19 Вт в классе А, без ООС, малый уровень высоких гармоник, первозданная простота, никаких проблем с устойчивостью, мечта Hi-End пуриста…
Однако посмотрим IMD.
О ужас! Отчетливо видна интермодуляция 0.13% первого, и даже 0.007% второго порядков!!!
Даже сделав в 2 раза потише (выходная мощность упала до 5Вт) всё равно наблюдаем IMD 0.06%!
Усилитель без ООС с такими параметрами выходного каскада демонстрирует весьма замусоренное и жесткое звучание и считался бы крайне убогим даже 40 лет назад. Самое интересное, что такого плана усилители с гордой надписью «без ООС» до сих пор продаются в красивейших корпусах по ценам 2-5 к$.
Чудес не бывает, нелинейностьпередаточной характеристики автоматически приводит к появлению гармонических, и, что особенно неприятно, интермодуляционных искажений.
Хочу обратить ваше внимание на маркетинговое противоречие между ценящейся огромной нагрузочной способностью класса «АВ» (под 40-60А!) с одной стороны и так же нереально ценящимся классом «А» (при явном отсутствии у него даже удовлетворительной нагрузочной способности).
Заврались любезные наши маркетологи!
Правда, как обычно, посередине.
ЭтоКласс "АВ" с большим током покоя, который и является наиболее часто используемым в высококлассных УМ. В случае применения полевых транзисторов с большим током покоя класс «АВ» обладает хорошей линейностью, почти симметричной передаточной характеристикой, хорошим кпд и отличной нагрузочной способностью. Практически отсутствуют искажения типа «ступенька», т.к. транзисторы переходят из режима «В» в режим «А» довольно плавно (из – за наличия длинного пологого участка своей рабочей характеристики).
На рисунке выше показан спектр искажений каскада в классе АВ при подаче синуса 1кГц и выходной мощности 140 Вт. Гармоники 2-я, 3-я 4-я 5-я и 6-я и выше находятся на уровне 0.1%, 0.03%, 0.01%, 0.01% и 0.003% соответственно. При меньшей мощности (5 Вт) спектр такой:
Гармоники 2-я, 3-я 4-я 5-я и 6-я и выше находятся на уровне 0.02%, 0.03%, 0.01%, 0.03% и 0.003% соответственно.
При подаче 2-х частот 19 и 20 кГц распределение IMD выглядит немного необычно.
Общий уровень, однако, составляет всего 0.02% для разностных и 0.06% для кратных искажений.
Таким образом, для каскада "АВ" на любых уровнях громкости наблюдаем
меньшие интермодуляционные искажения и меньшие гармонические до 4-й гармоники включительно. На 5-й и 6-й гармонике каскад "А" наконец-то выигрывает, но не более чем в два раза.
Невероятно, но факт! Хорошо сбалансированный каскад в классе АВ с большим током покоя демонстрирует настолько же малые искажения, как и каскад в классе А!
Согласитесь, для класса АВ результат по искажениям достаточно неожиданный!
А что же с выходным сопротивлением?
Выходное сопротивление каскада, построенного на легендарных (скорее всего по праву РАНЬШЕства) 2SK1530 и 2SJ201 составляет всего 2-3 Ома при токе покоя 250мА. Но если брать, например, пару современных IRFP240/IRFP9240 или BUZ900/BUZ905, выходное сопротивление будет уже 0.5 Ом при токе всего 100-150 мА! Это означает линейность, близкую к каскаду в чистом классе А НО!!! с отличной нагрузочной способностью, почти симметричной передаточной характеристикой и хорошим кпд! Но, ай-яй-яй, с явно недостаточной «маркетинговой ценностью»!
В случае использования в выходном каскаде биполярных транзисторов выходное сопротивление так же составляет доли Ома, однако в этих схемах невозможно полностью избавиться от «ступеньки», равно как и от гармоник высокого порядка, порождённых экспоненциальной передаточной характеристикой биполярных транзисторов. Вообще звучание таких усилителей, даже довольно быстрых (около 90 В/мкс) мне кажется недостаточно детальным, свободным и мягким, что заставило меня уже 15 лет назад полностью отказаться от их применения в выходном каскаде.
В таблице ниже приведены типовые параметры выходных каскадов в наиболее употребимой схеме повторителя напряжения.
Режим
Элементы
КПД,
%
Тепловыделе-ние в режиме
тишины в % от
макс. вых. мощности
