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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Distorsione termica negli amplificatori HiFi. Parte 2. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Amplificatori di potenza a transistor Considera il circuito a semiconduttore più semplice (Fig. 1), in cui un diodo a semiconduttore, insieme a un resistore convenzionale, formano un circuito in serie. Tale circuito può essere utilizzato in un amplificatore HiFi (Fig. 2). Se il circuito è stato acceso per molto tempo e si è stabilito un certo equilibrio termico, la tensione di uscita Uout è costante. All'aumentare del segnale di ingresso, la corrente che scorre attraverso il circuito aumenta. Sotto la sua influenza, la caduta di tensione attraverso il diodo aumenta leggermente e inizia a riscaldarsi di più. Il riscaldamento continua fino al raggiungimento di un nuovo equilibrio termico, quindi tutto si stabilizza nelle nuove condizioni.
La maggior parte delle misurazioni vengono completate in questo momento, accontentandosi di registrare un nuovo equilibrio termico. Tutto andrebbe bene se la resistenza del diodo a semiconduttore non cambiasse sotto l'influenza del riscaldamento, che, a causa del coefficiente di temperatura negativo, porta ad una diminuzione della caduta di tensione attraverso il diodo. Pertanto, c'è sia un aumento che una diminuzione della caduta di tensione e tutto ciò si verifica in momenti diversi. Un aumento della caduta di tensione con un aumento della corrente si verifica quasi istantaneamente (con un tempo di ritardo "elettronico" dell'ordine di pico- e nanosecondi), mentre la sua diminuzione è determinata dalla velocità di riscaldamento del diodo insieme alla custodia ( lentamente, con una tariffa "termica"). Il riscaldamento è caratterizzato da diverse costanti di tempo. La stessa giunzione a semiconduttore, che ha una piccola massa, si riscalda più velocemente. L'intero diodo racchiuso nell'alloggiamento si riscalda molto più lentamente. Considerando tutti questi processi di lento decadimento che interessano la tensione di uscita, è facile concludere che la risposta del diodo ad un improvviso cambiamento di corrente sarà prima un improvviso cambiamento di tensione, il cui livello si avvicinerà poi gradualmente al valore iniziale (inoltre, il la velocità di avvicinamento sarà determinata da più costanti di tempo). Pertanto, la trasmissione di picchi di corrente regolari da parte del circuito non è l'ideale, compaiono "scatti" la cui intensità e costante di tempo di decadimento non sono correlate ad alcuna caratteristica elettrica. Le distorsioni risultanti sono di origine puramente termica. È ovvio che in questo caso non fa differenza se si parla di diodi e transistor discreti, o di circuiti integrati. Poiché esistono sia diodi massicci che miniaturizzati, la diffusione delle costanti di tempo può essere molto ampia. Sottoponiamo il più semplice emettitore follower alla stessa insolita analisi, il cui schema è mostrato in Fig. 3. Poniamoci una domanda, un tale circuito ha una costante di tempo a bassa frequenza (frequenza limite inferiore) e i transitori dipendenti dalla frequenza da essa causati? Sulla base di libri di testo, specialisti e non specialisti rispondono all'unisono - NO! Noi, insegnati dall'esperienza precedente, diamo un'occhiata più da vicino.
Supponiamo che il circuito sia acceso da un po' di tempo, che il transistor e il suo ambiente abbiano già raggiunto una sorta di equilibrio termico, in cui la potenza P1 viene dissipata sul transistor, mantenendo costante la temperatura del transistor. Uce1*Ic1=P1 Cambiamo il punto di funzionamento del transistor modificando in modo significativo la tensione di ingresso. Non appena cambia la corrente di collettore del transistor (sebbene qui sia possibile tenere conto della costante di tempo), cambierà anche la tensione emettitore-collettore. Il transistor ora dissiperà la potenza P2 Uce2*Ic2=P2, che è diverso da quanto sopra e ciò comporterà un cambiamento nella temperatura stabilita del transistor. Per illustrare le distorsioni che si verificano in questo caso, dall'insieme dei parametri da controllare, sceglieremo uno dei più facilmente misurabili: la tensione Ueb In regime stazionario, all'uscita dell'emettitore follower è presente Uout1=Uin1-Ueb1. che può essere facilmente misurato con un multimetro. La variazione della tensione di ingresso al primo momento cade quasi completamente sull'uscita. Tuttavia, ora il transistor ha un punto di lavoro diverso, corrispondente alla dissipazione di potenza P2. Ciò influisce sulla tensione Ueb (-2 mV/°C) e provoca un offset (deriva) nella tensione di uscita (perché il transistor ora è un po' più freddo o più caldo rispetto allo stato precedente). La variazione di tensione va sommata (con la corretta polarità) alla tensione di uscita, e la costante di tempo termica determinata caso per caso. Ecco le domande chiave: - qual è il valore della costante di tempo termica; Il modo in cui un transistor si riscalda o si raffredda in un nuovo punto operativo dipende dal suo stato nel punto operativo precedente. Se il transistor ha funzionato nello stato di adattamento della potenza (Uce=0,5 Upit), risponde a qualsiasi variazione del punto di funzionamento raffreddandosi. Pertanto, in questo caso, per effetto di qualche piccola tensione di controllo costante, il transistor produce sempre un segnale di rumore dello stesso tipo, che si somma al segnale di uscita. Se il punto di funzionamento del transistor è diverso da quello concordato, nel nuovo punto di funzionamento il transistor può sia raffreddarsi che riscaldarsi. In questo caso, la polarità del segnale di disturbo che compare in uscita dipenderà dalla polarità del segnale di controllo. A seconda del segnale di controllo, il segnale del rumore termico può ora essere aggiunto o sottratto dal segnale di uscita. Si consideri un circuito amplificatore differenziale (Fig. 4), interessante anche dal punto di vista storico: diversi decenni fa, le distorsioni termiche generate da questo circuito costituivano la parte principale di tutte le distorsioni termiche.
Ci sono due situazioni possibili. Nel primo caso, quando l'amplificatore differenziale è accoppiato in potenza, l'influenza del segnale di controllo porta al raffreddamento di entrambi i transistor (che hanno quasi le stesse dimensioni). Quindi, nel segnale amplificato presente sui collettori dei transistor, appare una nuova componente in fase (sotto l'influenza del raffreddamento, Ueb aumenta, la corrente del collettore aumenta e, di conseguenza, la tensione del collettore diminuisce). In casi sfavorevoli, questo componente può diffondersi ulteriormente nell'amplificatore e, ad esempio, "battere" l'impostazione del punto di lavoro di uno stadio di uscita push-pull, oppure causare spiacevoli spostamenti nei punti di lavoro di altri stadi. Di solito si dice che non vi è alcuna interferenza significativa nel segnale differenziale di uscita. L'ampiezza del segnale di modo comune risultante è proporzionale alla tensione di controllo in ingresso e al guadagno di tensione di modo comune, che è, con buona approssimazione, determinato dal rapporto tra le resistenze del collettore e dell'emettitore. Poiché questi valori sono generalmente abbastanza vicini per gli amplificatori di frequenza audio, possiamo supporre che il segnale di modo comune venga amplificato più volte (ad esempio, 1 ... 10). Pertanto, se nello stadio è già presente un segnale differenziale di livello sufficientemente alto, il valore della tensione di modo comune può essere piuttosto elevato. Questo segnale (modo comune) non è di per sé udibile, ma può disturbare i punti operativi delle fasi successive. A proposito, una variazione della temperatura ambiente, che porta a una variazione della temperatura dei dispositivi a semiconduttore, ha esattamente lo stesso effetto (ad esempio, quando si utilizza un amplificatore in una calda giornata di sole o in caso di gelo). Entrambi gli effetti considerati sono riassunti. Pertanto, quando si progettano amplificatori HiFi, non è più sufficiente occuparsi dell'accoppiamento termico statico. È inoltre necessario tenere conto dei summenzionati effetti dinamici di modo comune. Nel secondo caso, quando l'amplificatore differenziale funziona con un disadattamento di potenza, sotto l'influenza del segnale di controllo, si verificano transitori in uscita, che hanno una costante di tempo termica. In ampiezza e frequenza, sono in questo caso paragonabili al segnale di controllo, possono essere rilevate come distorsioni del segnale differenziale utile in uscita, misurate o udite in modo appropriato. Poiché uno dei transistor si riscalda e l'altro si raffredda, si genera un segnale di rumore antifase, che è praticamente indistinguibile dal segnale utile. Una domanda difficile è il valore della costante di tempo termica. Non ci sono dati su questo in nessun catalogo e qui si può fare affidamento solo su alcuni fatti sperimentali. Alcuni di questi dati sperimentali sono pubblicati in pubblicazioni a breve circolazione altamente specializzate di alcune aziende interessate (ad esempio, Tektronix, Philips, Ates, ecc.). Per loro, questi dati non erano troppo inaspettati. Le giunzioni pn dei semiconduttori dei transistor di dimensioni "discrete", come quelle del 2N3055 (non stiamo ancora parlando del dispositivo a semiconduttore stesso nella confezione, le cui dimensioni possono dipendere anche dalla serie e dal produttore) possono inseguire termicamente (cioè riscaldamento/raffreddamento) frequenze fino al limite superiore - circa 1 kHz. I dispositivi con una giunzione pn più piccola, ad esempio BC107, o anche più piccola, tracciano frequenze fino a 90 kHz (!). Per gli elementi a montaggio superficiale (SM - Surface Montage) e i circuiti integrati, la frequenza limite è ancora più elevata. Naturalmente, c'è un buon contatto termico tra il cristallo semiconduttore e l'involucro, e l'elevata costante termica dell'involucro tende, a seconda della quantità di trasferimento di calore dal contatto, a smorzare le fluttuazioni di temperatura. Penso che ora sia chiaro che un amplificatore DC (ad esempio, l'emettitore follower mostrato in Fig. 3, che è anche una specie di UPT) ha la stessa frequenza di taglio inferiore (!) di un emettitore da 200 MHz, ad esempio seguace. Queste distorsioni della frequenza audio non possono essere misurate con i metodi tradizionali. Il principio spesso utilizzato nelle misurazioni, "aspetta che il circuito si scaldi", aggira proprio i problemi qui considerati. Ma come si può rilevare questo effetto quando si ascolta un brano musicale attraverso un amplificatore HiFi? Naturalmente, siamo più interessati all'entità dell'effetto. Dalle misurazioni effettuate è risultato che il segnale secondario così originato nell'amplificatore (che può essere percepito come distorsione) può facilmente raggiungere il 5...20% dell'ampiezza del segnale utile. È del tutto possibile che molti lettori abbiano amplificatori HiFi con custodia di plastica seduti su scaffali che vanno bene con l'"entourage" e, nel frattempo, hanno una forte distorsione termica. Non distorcono necessariamente tutto e sempre, ma solo determinate melodie e in determinate combinazioni sonore (dopo un colpo, ecc.). E con i metodi tradizionali di misurazione della distorsione, l'amplificatore sembra molto buono. Autore: S.GYULA; Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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