Выходной каскад транзисторного усилителя класса АВ работает парой: один транзистор усиливает положительную полуволну сигнала, второй - отрицательную, и в идеальной картине они должны передавать эстафету друг другу ровно в момент перехода через ноль, без единого провала. На практике этот переход - самое капризное место всей схемы. Именно здесь рождается характерное для дешёвых конструкций искажение, которое на слух воспринимается как жёсткость и грязь на тихих пассажах, а на осциллограмме выглядит как маленькая, но отчётливая ступенька ровно в точке пересечения сигналом нулевой линии.
Инженеры описывают эту разницу между классами усиления через угол отсечки - долю периода входного сигнала, в течение которой транзистор остаётся открытым и проводит ток. У класса А угол отсечки равен полным 360 градусам, транзистор проводит ток весь период непрерывно, отсюда и низкий КПД, редко превышающий 25-30 процентов, зато полное отсутствие переходных искажений. У чистого класса В угол отсечки равен ровно 180 градусам, каждое плечо открыто только половину периода, а вторая половина при нулевом токе покоя как раз и попадает в ту самую мёртвую зону возле перехода через ноль. Класс АВ занимает промежуточное положение с углом отсечки чуть больше 180 градусов, обычно в диапазоне 182-200 градусов в зависимости от выставленного тока покоя, и именно это небольшое превышение над строгой половиной периода даёт перекрытие плеч возле нуля, убирающее ступеньку почти без потерь в экономичности по сравнению с чистым классом В.
Почему p-n переход транзистора создаёт мёртвую зону возле нуля
Биполярный транзистор открывается не сразу при появлении хоть какого-то напряжения между базой и эмиттером. Переход база-эмиттер представляет собой обычный p-n переход, и, как любой полупроводниковый диод, он начинает заметно проводить ток только после того, как приложенное напряжение превысит определённый порог, для кремниевых транзисторов это обычно диапазон от 0,5 до 0,8 вольта в зависимости от конкретного тока и температуры кристалла. Пока напряжение база-эмиттер ниже этого порога, транзистор находится в состоянии, близком к полностью закрытому, и практически не реагирует на изменения входного сигнала.
В классической схеме без начального смещения оба плеча выходного каскада, верхнее и нижнее, включены так, что открываются именно от этого порогового напряжения. Пока входной сигнал маленький и не превышает порог открытия ни одного из двух транзисторов, оба плеча одновременно закрыты, и на выходе каскада вместо плавно нарастающего напряжения образуется мёртвая зона, где выходной сигнал вообще не реагирует на изменения входного. Именно эта зона нечувствительности вблизи нуля и превращается на осциллограмме в характерную ступеньку, которую радиолюбители называют переходными или кроссоверными искажениями, а на слух воспринимают как резкость и потерю деталей на малой громкости, когда сигнал большую часть времени как раз и колеблется около нулевой отметки.
Как небольшое начальное смещение убирает ступеньку
Решение напрашивается прямо из формулировки проблемы: если заранее приоткрыть оба плеча выходного каскада небольшим постоянным напряжением смещения, порог мёртвой зоны исчезнет ещё до прихода полезного сигнала. Для этого между базами верхнего и нижнего транзисторов включают источник опорного напряжения, обычно построенный на умножителе Vbe, который поддерживает между базами напряжение чуть выше суммы двух пороговых напряжений открытия переходов. В результате оба транзистора выходного каскада приоткрыты даже в отсутствие сигнала и пропускают через себя небольшой постоянный ток, который и называют током покоя выходного каскада.
Когда ток покоя выставлен правильно, оба плеча остаются слегка приоткрытыми в момент перехода сигнала через ноль, эстафета между верхним и нижним транзистором передаётся плавно, без провала, и ступенька на осциллограмме исчезает. Транзисторы в этом режиме работают не строго поочерёдно, как в чистом классе В, а с небольшим перекрытием по времени, когда оба слегка приоткрыты одновременно, отсюда и происходит буква А в обозначении класса АВ: усилитель ведёт себя как гибрид экономичного класса В на большом сигнале и линейного класса А в узкой зоне вблизи нуля.
Почему нельзя просто выставить ток покоя побольше про запас
Логичный на первый взгляд ход - выставить ток покоя с большим запасом, чтобы уж наверняка не осталось и следа от ступеньки - на практике оборачивается новой проблемой, причём куда более опасной для самого усилителя. Постоянный ток через выходные транзисторы означает постоянное рассеивание тепла на кристалле даже без сигнала, просто от произведения тока покоя на половину напряжения питания. Чем выше ток покоя, тем сильнее греется кристалл, а нагрев кремниевого перехода снижает пороговое напряжение его открытия примерно на 2,2 милливольта на каждый градус повышения температуры.
Здесь и кроется ловушка положительной обратной связи по теплу. Снижение порогового напряжения при том же смещении от источника опорного напряжения означает, что транзистор открывается ещё сильнее, ток через него растёт, кристалл греется ещё больше, порог падает ещё ниже, и так далее по кругу. Этот процесс называют тепловым разгоном или тепловым пробоем, и без должной защиты он способен за секунды довести выходные транзисторы до катастрофического перегрева и выхода из строя, причём чем выше изначально выставленный ток покоя, тем ближе рабочая точка каскада к границе, за которой этот саморазгоняющийся процесс становится необратимым.
Как термокомпенсация удерживает ток покоя стабильным при нагреве
Чтобы источник опорного напряжения смещения не задавал фиксированную цифру независимо от температуры, а следовал за реальным нагревом выходных транзисторов, датчик термокомпенсации, обычно тот самый умножитель Vbe, устанавливают непосредственно на радиатор выходного каскада в максимально плотном тепловом контакте с силовыми транзисторами. По мере нагрева радиатора собственный переход база-эмиттер транзистора умножителя тоже нагревается и его пороговое напряжение падает синхронно с падением порога у силовых транзисторов, поэтому итоговое напряжение смещения между базами автоматически снижается вслед за нагревом, компенсируя тенденцию к саморазгону тока покоя.
Полной защиты такая компенсация не даёт, поскольку тепловая инерция датчика и силовых транзисторов различается: радиатор нагревается медленнее, чем кристалл транзистора внутри корпуса, и в первые секунды резкого броска мощности термокомпенсация попросту не успевает среагировать. Дополнительным барьером на этот случай служат небольшие резисторы, включённые последовательно в цепь эмиттеров каждого выходного транзистора, обычно номиналом от 0,1 до 0,47 Ом. Рост тока через транзистор увеличивает падение напряжения на этом резисторе, что снижает эффективное напряжение база-эмиттер самого транзистора и естественным образом ограничивает дальнейший рост тока без участия внешней электроники, работая как локальная отрицательная обратная связь по току прямо на уровне одного каскада.
Как рассчитывается умножитель Vbe и мощность, рассеиваемая транзисторами в покое
Умножитель Vbe устроен просто: транзистор с делителем напряжения из двух резисторов между коллектором и эмиттером умножает собственное пороговое напряжение база-эмиттер на коэффициент, заданный соотношением этих резисторов. Формула звучит так: Uвых = Uбэ × (1 + R2 / R1), где Uбэ - пороговое напряжение перехода конкретного транзистора, обычно около 0,6 вольта при токе в единицы миллиампер, а R1 и R2 - резисторы делителя, причём R2 обычно частично или полностью выполняют подстроечным для точной регулировки. Если нужно получить на умножителе напряжение смещения 2,4 вольта при Uбэ = 0,6 вольта, соотношение резисторов должно составлять R2 / R1 = (2,4 / 0,6) - 1 = 3, то есть R2 должен быть втрое больше R1: например, R1 = 1 кОм, а R2 = 3 кОм, из которых часть номинала обычно приходится на подстроечный резистор для точной настройки под конкретный экземпляр платы.
Мощность, которую выходные транзисторы рассеивают в состоянии покоя без сигнала, вычисляется простым произведением тока покоя на приложенное к плечу напряжение питания: P = Iпокоя × Uпит. Возьмём для примера усилитель с двуполярным питанием ±35 вольт и выставленным током покоя 20 миллиампер на каждое плечо. Мощность рассеивания на одном выходном транзисторе составит P = 0,02 × 35 = 0,7 ватта, что для современного мощного транзистора в корпусе с приличным радиатором совершенно некритично и не требует особых мер защиты. Но если по ошибке или из-за ухода термокомпенсации ток покоя вырастет до, скажем, 200 миллиампер, мощность рассеивания подскочит уже до 7 ватт на транзистор без всякого полезного сигнала, и вот это уже создаёт заметную дополнительную тепловую нагрузку на радиатор и повышает риск теплового разгона, о котором шла речь выше. Именно эта арифметика и объясняет, почему инженеры так настороженно относятся к завышенному току покоя даже в конструкциях с хорошим радиатором: лишний нагрев работает не сам по себе, а как топливо для саморазгоняющегося процесса.
Как выбирается конкретное значение тока покоя на практике
Универсальной цифры тока покоя, годной для любой схемы выходного каскада, не существует, поскольку оптимальное значение сильно зависит от конкретной топологии и номинала эмиттерных резисторов. Классический ориентир для расчёта, известный как критерий Оливера, связывает оптимальный ток покоя с падением напряжения на эмиттерных резисторах: для каскада Шиклаи с местной обратной связью это падение обычно составляет 5-10 милливольт. Экспериментальные измерения искажений на реальных усилителях показывают, что для такого каскада, где сопротивление эмиттерного резистора составляет около 0,33-0,47 Ом, оптимальный ток покоя обычно укладывается в диапазон 15-30 миллиампер: при меньшем токе на осциллограмме и в спектре искажений заметна ступенька, а при заметно большем токе выигрыш по линейности практически исчезает, зато нагрев и риск теплового разгона растут без всякой пользы для звука.
Практический порядок настройки тока покоя обычно выглядит так:
- Измерить падение напряжения на одном из эмиттерных резисторов известного номинала мультиметром при отсутствии сигнала на входе усилителя;
- Рассчитать реальный ток покоя по закону Ома, разделив измеренное падение напряжения на сопротивление резистора;
- Плавно подстроить сопротивление подстроечного резистора в цепи умножителя Vbe, добиваясь целевого значения тока покоя, рекомендованного для конкретной схемы;
- Дать усилителю прогреться под небольшой нагрузкой в течение 15-30 минут и повторно проверить ток покоя, поскольку без качественной термокомпенсации значение может заметно уйти после выхода на рабочую температуру;
- Финально проверить форму сигнала на осциллографе вблизи перехода через ноль на малой громкости, убедившись в отсутствии заметной ступеньки при выставленном токе покоя.
Что в итоге определяет баланс между чистотой звука и надёжностью каскада
Ток покоя выходного каскада усилителя класса АВ - это компромисс между двумя противоположными рисками, а не значение, которое можно один раз выставить с запасом и забыть. Слишком малый ток оставляет мёртвую зону p-n перехода незакрытой, и на выходе появляется ступенька со всем букетом кроссоверных искажений, слышимых именно на тихой и средней громкости, где сигнал чаще всего проходит через ноль. Слишком большой ток убирает искажения почти полностью, но одновременно подталкивает выходные транзисторы к тепловому разгону и сокращает срок службы каскада, особенно в конструкциях с упрощённой или медленной термокомпенсацией. Грамотно спроектированный усилитель находит эту золотую середину через связку умножителя Vbe на радиаторе и небольших эмиттерных резисторов, которые вместе держат рабочую точку каскада ровно там, где ступенька уже не слышна, а транзисторы ещё не рискуют пойти вразнос от собственного тепла.