пятница, 9 июня 2017 г.

О линейности разных схем выходного буфера гибридного усилителя для наушников



Добрый день :)

В поисках схемы для выходного буфера гибридного усилителя я провел много экспериментов. Среди них была и небольшая серия измерений для выходных повторителей с составными "рабочими" транзисторами. О них и хочу рассказать.


Примечание: под "рабочим" подразумеваю транзистор, образующий повторитель. На первой схеме, расположенной ниже, это транзистор VT4  Транзистор источника тока называю "вспомогательным", на схеме ниже это VT3.

Результаты этой серии измерений интересны не столько сами по себе, сколько тем как они получены. Все представленные схемы - последовательные модификации одного и того же макета. Поэтому в них, на одних и тех же функциональных местах, стоят одни и те же элементы. И речь не о совпадении типов и номиналов, а о использовании одних и тех же экземпляров. Более того, их режимы от схемы к схеме, по возможности, сохраняются. Поэтому можно предполагать, что отличия в полученных спектрах искажений связаны исключительно с изменениями в самих схемах. Это очень удобно, так как позволяет сравнить линейность схем без учета влияния входящих в них элементов.


Итак, результаты измерений:

Все началось со схемы, изображенной ниже:

Схема однотактного повторителя в классе А с токовой нагрузкой и входным буфером (для гибридного усилителя для наушников)

Выходной буфер образован обычным повторителем на транзисторе VT4 с нагрузкой в виде источника тока (транзистор VT3). Для увеличения входного сопротивления и лучшего согласования, с относительно высоким выходным сопротивлением лампового пред.усилителя (мы же рассматриваем буферы для гибридного усилителя), на входе установлен буферный каскад на транзисторе VT1. 

Рабочий режим схемы:
Напряжение питания Uпит: 24 В
Ток покоя транзистора VT1: 6 мА
Ток покоя транзисторов VT3 и VT4: 100 мА

Ниже изображены полученные для него спектры искажений.

Спектры искажений однотактного повторителя в классе А с токовой нагрузкой и входным буфером (для гибридного усилителя для наушников)

Примечание: на двух нижних графиках спектры приведены не полностью. В них присутствуют также гармоники до 7 и 8 порядка (для левого и правого графиков соответственно).

Графиков много, так как они сняты для разных нагрузок (32 Ома и 340 Ом), разных уровней выходного сигнала (1 В и 3 В), а также при работе от источников сигнала с разными выходными сопротивлениями (50 Ом и 10 кОм).

Необходимость в тестировании с разными сопротивлениями вызвана тем, что пред. усилители (ламповые и полупроводниковые) могут иметь совершенно разные выходные сопротивления, и потому очень интересно: как от этого параметра зависит уровень искажений, генерируемых буфером.

На всех графиках оранжевым цветом обозначены результаты измерений, полученных при использовании источника сигнала с сопротивлением 10 кОм, а серым - для 50-ти Омного источника


Второй вариант схемы:

Спектры искажений полученные в предыдущем эксперименте получились "некрасивыми", поэтому пришлось продолжить эксперименты и модифицировать схему:

Схема однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе (для гибридного усилителя для наушников)

В ней мы отказались от входного повторителя на транзисторе VT1 и построили составной "рабочий" транзистор буфера (VT1 и VT2). При этом, напряжение питания и токи покоя всех транзисторов соответствуют предыдущей схеме.

Не буду приводить полный набор измерений, вместо этого покажу только один график:

Спектр искажений однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе (для гибридного усилителя для наушников)

Его вполне достаточно, чтобы понять: ситуация, по сравнению с предыдущей схемой, практически не изменилась. 


Продолжаем эксперимент. Третья схема:

Она все также с составным "рабочим" транзистором, но он выполнен немного иначе: на транзисторах разных типов проводимости.

Схема однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе (для гибридного усилителя для наушников)

Режимы всех транзисторов все те же. Опять ограничусь только одним графиком измерений:

Спектр искажений однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе (для гибридного усилителя для наушников)

На первый взгляд, серьезных изменений, по сравнению с предыдущим случаем, нет. Но если посмотреть внимательнее: спектр стал более равномерным, спадает быстрее и потому укоротился. Все гармоники, кроме второй и четвертой, получились ниже чем для предыдущей схемы. Т.е. улучшения есть. 

Но все же: хвост гармоник длинный, а их уровень высокий. Поэтому пришлось добавить в схему еще один транзистор, повысив при этом входное сопротивление буфера.


Четвертая схема:

Схема однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе из трех транзисторов (для гибридного усилителя для наушников)

В схему добавился транзистор VT1, а транзистор VT2 по положению соответствует транзистору VT1 на предыдущих схемах. Его режим изменился не  сильно (ток покоя 4 мА). Напряжение питания все также 24 В, а ток покоя транзисторов VT3 и VT4 по-прежнему составляет 100 мА.

Результаты измерений:

Спектры искажений схемы однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе из трех транзисторов (для гибридного усилителя для наушников)

Очевидно, линейность значительно выросла, а зависимость уровня искажений от сопротивлений снизилась. Теперь буфер показывает хорошую линейность и при тестировании от высокоомного источника сигнала... На мой взгляд, хороший результат, за который пришлось заплатить всего одним маломощным транзистором. 


Небольшие изменения:

На самом деле, приведенная выше схема уже упоминалась в предыдущих записях, и тогда же мне предложили ее немного изменить. Вот так:

Изменение схемы однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе из трех транзисторов (для гибридного усилителя для наушников)

Я, конечно же, попробовал это сделать. Общие изменения спектров оказались небольшими, но, тем не менее, заметными. Покажу только один график, полученный при использовании высокоомного источника сигнала:

Спектр искажений измененной схемы однотактного повторителя в классе А на составном транзисторе из трех транзисторов (для гибридного усилителя для наушников)

Очень хорошо видно, что уровень второй гармоники немного снизился, но выросли гармоники других порядков, а также спектр удлинился. Вполне возможно (признаюсь, не считал) общий коэф. гармоник у этой схемы окажется немного ниже чем у предыдущей. Но при этом ее спектр гармоник меньше соответствует желаемому (минимальная длинна спектра с преобладанием гармоник с меньшими номерами).


Итог: 

В результате всех этих экспериментов для буфера была выбрана четвертая схема, и собран по ней прототип. Чуть подробнее об этом писал раньше. Уже после этого схема была модифицирована еще раз. Об этом есть отдельная заметка


С уважением, Константин М.




Ссылки на записи упомянутые в статье:

Схема выходного буфера усилителя для наушников - короткая запись о выбранной для буфера схеме и короткий рассказ о ней.

Выходной буфера гибридного усилителя для наушников. Продолжение. - в записи рассказано о повышении линейности выходного буфера за счет параллельного включения транзисторов. Приведены спектры искажений.