О линейности выходных каскадов

Варианты исполнения выходного каскада

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, нелинейность передаточной 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. 

Класс АВ

Это  Класс "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!

Выходное сопротивление

          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.

На главную