Fast Switching MOSFET транзисторы против аудиофильских полевиков
Так ли хороши специализированные полевые аудио транзисторы в выходных каскадах УМЗЧ или их легко можно
заменить на массовые Fast Switching MOSFET транзисторы? Оптимальный ток покоя выходного каскада на полевых транзисторах в
усилителях мощности
Многие любители высококачественного звуковоспроизведения уже давно оценили достоинство использования комплементарных полевых
транзисторов в выходных каскадах усилителей. Интерес к MOSFET-ам в качестве усилительных приборов выходных каскадов УМЗЧ возник в 70-ые годы
прошлого столетия в связи с появлением мощных комплементарных транзисторов, наиболее распространёнными из которых были транзисторы 2SK135 и
2SJ39 фирмы Hitachi.
Специализированные полевые транзисторы, т. е. разработанные специально для аудиоаппаратуры, выпускаются в сравнительно небольших количествах, достаточно
дороги, а потому имеют множество китайских клонов, не имеющих никакого отношения к звукотехнике.
Однако существует большой класс мощных импульсных (Fast Switching) MOSFET транзисторов - массовых и недорогих, которые вполне успешно
используются в выходных (и не только) каскадах усилителей мощности.
Широкий перечень специализированных звуковых и мощных Fast Switching MOSFET транзисторов мы охватили на странице
(ссылка на страницу), там же приведены их справочные характеристики.
На этой же странице мы попытаемся разобраться - а так ли хороши эти аудиофильские полевики по сравнению с Fast Switching MOSFET.
Разобраться в этом вопросе нам помогут И. Рогов из г. Ростов-на-Дону и журнал Радио 2016 №9.
Оптимальный ток покоя выходного каскада на полевых транзисторах в усилителях мощности
Выходной каскад усилителя – весьма нелинейный узел. И снижение его искажений очень хорошо отразится на работе усилителя и на его
качестве звучания. Самые низкие искажения выходного каскада будут, конечно же, в классе А. Вот только греться выходные транзисторы
при этом будут очень сильно. Чтобы снизить их нагрев обычно снижают напряжения питания, а это повышает искажения полевиков и, главное,
снижает максимальную выходную мощность усилителя. Значит появляется опасность возникновения клиппинга. То есть стремление улучшить звук,
приводит к возможности его сильного ухудшения.
Что же делать? А нельзя ли найти такой ток покоя выходных полевых транзисторов, чтобы и искажения были маленькими, и нагрев небольшим?
Я усомнился в том, что оптимального тока покоя для полевых транзисторов не существует вообще. Какая-то оптимальная величина тока покоя,
которую можно рекомендовать устанавливать в УМЗЧ, должна быть. Чтобы и качество высокое, и нагрев небольшой. Поэтому провел
экспериментальную проверку влияния тока покоя выходного каскада на его искажения. Для этого я применил такую систему.
Собрал высококачественный усилитель с полевыми транзисторами на выходе, по топологии Лина. Для того чтобы легче было измерять величину
искажений, глубина общей ООС была уменьшена на 30 дБ. С целью линеаризации каскада усиления напряжения усилителя, вносящего наибольшие
искажения, в него была введена местная ООС глубиной 12 дБ. Такая модернизация позволила более четко выделить искажения, вносимые
выходным каскадом усилителя.
С целью всестороннего изучения искажений, вносимых выходным каскадом, измерялись следующие виды искажений такого специализированного
усилителя:
– коэффициент гармоник;
– коэффициент интермодуляционных искажений;
– коэффициент гармоник, нормированный к номеру гармоники, вычисленный для первых одиннадцати гармоник.
Далее для сравнения спектров вычислялся коэффициент, который можно назвать «фактор спектра» (ФС), показывающий ширину спектра искажений.
БОльшие значения ФС соответствуют присутствию в спектре искажений большего числа высших гармоник. Если в спектре присутствует только
вторая гармоника, то ФС=1.
На рисунке Рис.1 показана зависимость ФС от ширины спектра сигнала, построенная по результатам проведённых измерений.
Рис.1 Влияние ширины спектра искажений на величину фактора спектра ФС
Были проведены подробные исследования среди наиболее популярных мощных комплементарных транзисторов, устанавливаемых в выходные каскады
усилителя:
– IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier;
– 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba;
– 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi.
Во всех случаях измерялись две-три пары однотипных транзисторов. Результаты не усреднялись, но разброс результатов для однотипных
транзисторов был несущественным. В пары транзисторы не подбирались.
Измерения производились для двух типов нагрузки: активной, сопротивлением 6 ом и сложной комплексной, имитирующей реальные акустические
системы.
Искажения выходных транзисторов на активной нагрузке показаны на Рис.2 – Рис.4.
Рис.2 Зависимость коэффициента гармоник (THD) от величины тока покоя на
активной нагрузке
Рис.3 Зависимость коэффициента интермодуляционных искажений (IMD) от
величины тока покоя на активной нагрузке
Рис.4 Зависимость фактора спектра ФС от величины тока покоя на активной
нагрузке. Полный спетр амплитуд гармоник - см. на рис.1
Хорошо видно, что при увеличении тока покоя величина искажений, вносимых выходным каскадом, снижается. Вместе с искажениями снижается
и значение фактора спектра. Это означает, что в спектре искажений снижается содержание гармоник высоких порядков, что положительно
сказывается на звучании усилителя, воспринимаемом на слух. При условии, что выходной каскад остается работать в классе АВ, можно легко
найти оптимальный ток покоя, при котором искажения невелики и при увеличении тока снижения искажений практически не происходит.
Оптимальный ток получается равным 300 мА для транзисторов IR, 200 мА - для транзисторов Toshiba и 120 мА - для транзисторов Hitachi.
Интересно, что последние транзисторы значительно отличаются по величине искажений. Надо сказать, что они отличаются и по работе
на постоянном токе, для обеспечения работы этих транзисторов пришлось переделывать цепь смещения усилителя.
Для комплексной нагрузки также характерно наличие оптимальной величины тока покоя, близкой по значениям к оптимальным величинам тока
на активной нагрузке.
Интересно отметить, что при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада в ряде случаев растут.
Вполне возможно, что здесь проявляется влияние изменения крутизны выходного каскада.
Для более полного исследования и исключения случайности полученных результатов был проведен ряд дополнительных измерений.
С целью их упрощения измерялся только коэффициент гармоник, который хорошо отражает нелинейность выходных транзисторов.
Исследовались транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. На Рис.5 показана зависимость Кг от тока покоя для различных значений
сопротивления активной нагрузки. В целом зависимость сохраняется, и значение оптимального тока покоя можно считать неизменным.
Рис.5 Зависимость коэффициента гармоник (THD) от величины тока покоя для
разных сопротивлений нагрузки Rн
Выводы.
1. Искажения, вносимые выходным каскадом УМЗЧ, существенно зависят от тока покоя выходных полевых транзисторов.
2. Наименьшие искажения наблюдаются при работе в классе А, что полностью согласуется с теорией. В классе В искажения существенно выше,
чем в классе АВ. С ростом тока покоя искажения в общем случае уменьшаются.
3. Существует оптимальное значение тока покоя, при котором искажения достаточно малы при работе транзисторов в классе АВ.
В ряде случаев, при увеличении тока покоя выше оптимального значения, искажения выходного каскада растут.
4. Величина оптимального тока покоя для разных транзисторов лежит в диапазоне 150…300 мА, что намного больше тех значений, которые
принято устанавливать в усилителях мощности. Обычно в усилителях устанавливают ток покоя 80…100 мА, а в некоторых промышленных
конструкциях даже 40…60 мА.
5. Кроме амплитуды искажений, от тока покоя зависит и их спектр. То есть при маленьком токе покоя у нас сразу две беды:
большая величина Кг и широкий спектр искажений. Усилитель, ток покоя выходного каскада которого равен
оптимальному, должен восприниматься на слух как хорошо звучащий.
6. Для транзисторов IRFP240/IRFP9240 оптимальный ток покоя составляет 300 мА. Для транзисторов 2SJ201/2SK1530 оптимальный ток покоя
составляет 200…250 мА. Для транзисторов 2SJ162/2SK1058 оптимальный ток покоя составляет 120…150 мА.
7. Оптимальный ток покоя зависит только от типа выходных транзисторов. Другие факторы, такие как выходное напряжение или сопротивление
нагрузки на его величину практически не влияют.
8. Самыми лучшими показали себя транзисторы 2SJ201/2SK1530 фирмы Toshiba. Транзисторы IRFP240/IRFP9240 фирмы International Rectifier
заняли второе место. Они хоть и являются переключательными, тем не менее, мало чем уступают транзисторам фирмы Toshiba.
Транзисторы 2SJ162/2SK1058 фирмы Hitachi являются заметно нелинейными и не рекомендуются для высококачественного усиления.
9. При неоптимальном низком токе покоя (таком, какой часто устанавливают в усилителях) искажения, вносимые выходным каскадом, в
четыре-шесть раз выше (а на слух – с учетом ширины спектра – в шесть-десять раз выше), чем при оптимальном. Поэтому для
высококачественного усиления необходимо задавать ток покоя выходного каскада равным оптимальному.
И. Рогов, г. Ростов-на-Дону, Радио 2016 №9
|
