Генератор стабильного тока в дифференциальном каскаде УМЗЧ и его роль в качестве звука

Каждый, кто хоть раз разбирал принципиальную схему серьёзного транзисторного усилителя мощности, рано или поздно упирался взглядом в один и тот же элемент в хвосте дифференциального каскада. Транзистор с несколькими резисторами, иногда стабилитрон, иногда диодная цепочка. На схеме это обозначают аббревиатурой ГСТ. Генератор стабильного тока. Звучит скромно, выглядит незатейливо, а между тем именно этот узел во многом определяет то, что мы в итоге слышим из акустики, и то, насколько громкоговоритель вообще остаётся целым после включения усилителя.

Почему простой резистор в эмиттерной цепи оказался тупиком

По сути, ГСТ это электронный эквивалент бесконечного резистора. Его задача предельно простая в формулировке и непростая в реализации: поддерживать постоянный ток через нагрузку вне зависимости от того, что происходит с напряжением на его выводах. Идеальный источник тока, по определению, обладает бесконечным внутренним сопротивлением. Реальная схема, понятно, бесконечности не достигает, однако хороший ГСТ на транзисторах способен демонстрировать выходное сопротивление в единицы и десятки мегаом, что по меркам звукового тракта практически то же самое.

Простейший прообраз ГСТ в эмиттерной цепи дифференциальной пары появился тогда, когда конструкторы поняли: обычный резистор в этой позиции рождает непримиримое противоречие. Чтобы хорошо стабилизировать ток покоя и давить синфазные помехи, резистор нужен большой, сотни килоом. Но тогда на нём падает почти всё питающее напряжение и для нормальной работы активных элементов ресурса не остаётся. Порочный круг замкнулся. Единственный выход из него предложил транзисторный ГСТ: его сопротивление переменному току на несколько порядков выше, чем постоянному.

Дифференциальный каскад как фундамент усилителя мощности

Прежде чем говорить о роли ГСТ, стоит напомнить, зачем вообще усилитель мощности строится на дифференциальном каскаде на входе. Около 1972 года окончательно сложилась трёхкаскадная архитектура УМЗЧ, которая стала отраслевым стандартом и к концу XX века охватывала, по оценкам Дугласа Селфа, не менее 99% серийных транзисторных усилителей. Схема выглядит так: дифференциальная пара на входе, каскад усиления напряжения в середине, мощный двухтактный эмиттерный повторитель на выходе. Глобальная петля отрицательной обратной связи (ООС) замыкается с выхода на инвертирующий вход дифференциальной пары.

Именно дифференциальный каскад сравнивает входной сигнал с сигналом обратной связи и управляет всей цепочкой. Он усилитель постоянного тока, не нуждающийся в разделительных конденсаторах. Он хорошо подавляет температурный дрейф, потому что оба транзистора пары находятся в одинаковых тепловых условиях и их дрейф взаимно компенсируется. Он обладает природной нечувствительностью к синфазным помехам. И вот здесь ГСТ принимает на себя роль, без которой все эти достоинства реализуются лишь частично.

Механизм подавления пульсаций питания через высокое выходное сопротивление ГСТ

Ключевой физический эффект таков: входной сигнал дифференциальной пары, в котором оба транзистора получают одинаковое приращение напряжения одновременно, называется синфазным. Его природа разнообразна: шум и пульсации питающего напряжения, температурный дрейф, электромагнитные наводки. Всё это "приходит" на оба плеча дифференциального каскада одновременно и с одинаковым знаком.

Коэффициент усиления синфазного сигнала дифференциальным каскадом определяется выражением, в знаменателе которого стоит удвоенное сопротивление эмиттерной цепи. Чем больше это сопротивление, тем глубже отрицательная обратная связь по синфазному сигналу и тем слабее он усиливается. На языке схемотехники это называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). Когда вместо резистора в эмиттерную цепь включён ГСТ с его мегаомным выходным сопротивлением, КОСС возрастает на несколько порядков. При обычном резисторе порядка нескольких килоом КОСС типичной пары составляет 40-50 дБ. ГСТ поднимает эту цифру до 80-100 дБ и выше.

Пульсации питающего напряжения для дифференциальной пары выступают именно как синфазный сигнал: они колышут потенциалы обоих коллекторов синхронно. Если бы в хвосте пары стоял простой резистор, часть этих пульсаций неизбежно протекала бы в нагрузку и дальше усиливалась всеми последующими каскадами. Каждые 20 мВ фона источника питания при коэффициенте усиления каскада напряжения в 200-400 единиц превратились бы в несколько вольт на выходе мощного каскада. ГСТ обрубает этот путь в зародыше: его высокое сопротивление переменному току не пропускает синхронные колебания тока через пару, развязывая дифференциальный каскад от питания по переменной составляющей.

Не менее важно и другое следствие. При включении ГСТ суммарный ток через эмиттеры двух транзисторов дифференциальной пары строго постоянен. Входной сигнал лишь перераспределяет этот ток между двумя плечами, не меняя суммы. Рабочая точка транзисторов не "гуляет" при изменениях питающего напряжения, транзисторы сохраняют линейность, и нелинейные искажения от модуляции тока покоя сводятся к минимуму.

Как жёсткая фиксация тока ГСТ защищает акустику от постоянного смещения

Это, пожалуй, самое неочевидное место для тех, кто привык рассматривать ГСТ исключительно как элемент подавления помех. Речь идёт о стабилизации постоянного напряжения на выходе усилителя мощности. Ни одна акустическая система не переносит постоянного смещения на клеммах: даже несколько вольт постоянки перегревают звуковую катушку и способны её уничтожить.

В трёхкаскадном УМЗЧ с глобальной ООС постоянное напряжение на выходе определяется балансом токов в дифференциальной паре. Если токи обоих транзисторов точно равны, напряжение на выходе равно нулю. В реальной схеме небольшой разбаланс неизбежен из-за технологического разброса параметров транзисторов. Но глобальная петля ООС с коэффициентом усиления разомкнутого контура в несколько тысяч единиц "видит" любое смещение на выходе, воспринимает его как ошибку и корректирует через входной дифференциальный каскад.

Вот тут ГСТ входит в игру по-новому. Поскольку суммарный ток пары жёстко зафиксирован, петля ООС действует очень точно. Малейшее постоянное смещение на выходе немедленно создаёт небольшую разность токов в плечах дифференциального каскада, которую ООС тут же компенсирует. Если бы суммарный ток "плавал" вместе с питанием, эффективность такой коррекции падала бы: ООС боролась бы одновременно и с флуктуациями тока покоя, и со смещением выхода. ГСТ освобождает петлю ООС от борьбы с питанием, позволяя ей целиком сосредоточиться на стабилизации нуля.

Практические схемы ГСТ и реальные значения выходного сопротивления

Наиболее распространённая в УМЗЧ схема ГСТ строится на одном транзисторе с делителем напряжения в цепи базы и резистором в эмиттере. Такая конфигурация даёт выходное сопротивление порядка ста килоом и более. Транзистор работает в режиме с общей базой по переменному току: изменения коллекторного напряжения почти не влияют на ток, поскольку переход эмиттер-база удерживается потенциалом базового делителя.

Улучшенная версия содержит диод или маломощный транзистор в диодном включении в цепи базового делителя. Это обеспечивает температурную компенсацию: с ростом температуры напряжение база-эмиттер основного транзистора ГСТ падает, но одновременно падает и опорное напряжение на диоде делителя, что стабилизирует ток. Применение стабилитрона в качестве опорного элемента позволяет достигнуть значительно более высокого выходного сопротивления, порой превышающего 1-2 МОм. Стабилитрон держит потенциал базы жёстко, независимо от питания, что практически полностью устраняет связь тока ГСТ с напряжением источника питания.

Схемы с каскодным включением и отрицательной обратной связью по выходному току ещё агрессивнее: выходное сопротивление таких конфигураций превышает 2 МОм, и при подобных значениях КОСС дифференциального каскада приближается к теоретическому пределу, определяемому уже не схемой ГСТ, а физической симметрией транзисторной пары.

Перечислим ключевые характеристики, по которым оценивают ГСТ в реальной разработке:

1. Выходное дифференциальное сопротивление (чем выше, тем лучше подавляется синфазный сигнал).
2. Температурная стабильность тока (определяет температурный дрейф нуля УМЗЧ).
3. Зависимость тока от питающего напряжения (чем ниже, тем лучше развязка от пульсаций).
4. Собственный шум (вносит вклад в шумовую полку усилителя).
5. Вносимые нелинейные искажения (при несимметричных схемах ГСТ способен добавлять гармоники).

Что происходит с усилителем без ГСТ в реальных условиях эксплуатации

Если убрать ГСТ и поставить обычный резистор, деградация происходит сразу по нескольким направлениям. Во-первых, КОСС дифференциальной пары снижается в десятки-сотни раз, и пульсации источника питания начинают напрямую проникать в сигнальный тракт. При коэффициенте усиления УМЗЧ в несколько десятков тысяч даже единицы милливольт фона превращаются в заметный гул на выходе.

Во-вторых, рабочая точка транзисторов пары начинает модулироваться питающим напряжением. В практике высококачественного звуковоспроизведения это означает появление интермодуляционных составляющих между полезным сигналом и гармониками частоты питающей сети, особенно неприятных на слух.

В-третьих, точность стабилизации нулевого потенциала на выходе снижается. Усилитель без ГСТ на морозе или в жару даёт большее постоянное смещение на акустических клеммах. Петля ООС справляется с этим частично, но не полностью: непостоянство тока через пару систематически сдвигает точку баланса.

Честно говоря, не всегда разработчику удаётся сразу оценить, как именно выходное сопротивление ГСТ влияет на финальный результат. Схема симулируется отлично, но в реальном устройстве обнаруживается, что недостаточно жёсткий ГСТ пропускает пульсации сетевого трансформатора прямо в звуковой тракт. Это один из тех моментов, когда разница между "работает" и "работает правильно" оказывается весьма ощутимой.

Место ГСТ в современной архитектуре высококачественных УМЗЧ

В современной схемотехнике ГСТ в хвосте входной дифференциальной пары давно воспринимается как обязательный элемент, без которого всерьёз разговаривать о параметрах усилителя затруднительно. Инженеры-практики знают: замена даже самого точного резистора на ГСТ с выходным сопротивлением 500 кОм и выше даёт измеримое улучшение коэффициента подавления пульсаций питания, хорошо видное на спектральном анализаторе.

Конструкторы операционных усилителей пошли дальше: в прецизионных ОУ второго каскада и в схемах с токовыми зеркалами ГСТ множатся, выполняя одновременно роли эмиттерного питания, активной нагрузки и источника смещения. В усилителях мощности эта логика тоже проникает: схемы с двумя входными дифференциальными каскадами на комплементарных парах, каскодные конфигурации и токовые зеркала в нагрузке окружают основной ГСТ дополнительными активными элементами, каждый из которых решает свою часть задачи линеаризации и стабилизации.

Генератор стабильного тока не усиливает сигнал, не формирует тембр и не участвует в создании звука напрямую. Он стоит в стороне, молча держит ток, и именно поэтому всё остальное работает так, как должно. Без него дифференциальный каскад превращается из прецизионного инструмента сравнения в схему, вынужденную бороться с собственными нестабильностями. С ним усилитель получает твёрдую точку опоры, от которой выстраивается всё остальное.