Интерес к MOSFET (в дальнейшем ПТ) как к активным приборам выходного каскада (ВК) возник в 1970-х гг. в святи с разработкой мощных латеральных (бокових – Lateral) транзисторов фирмой Hitachi. Наиболее распространенными в те годы были транзисторы 2SK135, 2SJ39. Современными аналогами этой легендарной пары являются транзисторы 2SK1058 и 2SJ162. В тот же период на их основе был разработан легендарный усилитель, который многократно повторялся радиолюбителями в различных модификациях, например [1].
Интерес к использованию полевых транзисторов не снижается и сегодня. Радиолюбителям порой непросто сориентироваться, какие же транзисторы выбрать в качестве выходных, тем более что в настоящее время имеется их большое разнообразие, как по параметрам, так и по цене. Использование в качестве выходных транзисторов типа Lateralпривлекательно, прежде всего, тем, что можно отказаться от токостабилизирующих резисторов в истоках, что способствует снижению коммутационных скажений и уменьшению выходного сопротивления.
Особенности ПТ
Компания NationalSemiconductor провела исследования наиболее популярных ПТ в качестве выходных совместно с драйвером LM4702 [2]. Несмотря на то, что ВК был охвачен глубокой ООС, тем не менее, даже по измеряемым характеристикам усилители с разными ПТ имели существенные различия. Это свидетельствует о том, что не следует так полагаться на всемогущество ООС. Некоторые особенности их применение отражены в [3]. В работе [4] автор поставил задачу исследовать современные ПТ для возможности использования в УМЗЧ без ОС: «…неправилен сам принцип ООС: сперва делать плохо, а потом исправлять. Логично сразу формировать на нагрузке высококачественный сигнал…»
Рассмотрим особенности ПТ. Обычно передаточную характеристику ПТ на активном участке выражают упрощенной формулой:
Из формулы (3) следует, что теоретически эта зависимость должна быть квадратичной. Автор [4] усомнился в универсальности приведенной формулы для всех ПТ и провел собственные исследования на десятках транзисторов одного типа. Оказалось, что на практике это далеко не так. Попытки аппроксимировать передаточную характеристику квадратичной функцией не дали приемлемого по точности результата. Тогда он представил зависимость тока стока ldот напряжения затвор-исток Ugsв виде функции:
Как оказалось, такое представление передаточной функции позволяет получить довольно точное соответствие расчётных кривых графикам передаточных характеристик, приводимым производителями транзисторов. Результаты расчётов коэффициентов аппроксимации для наиболее популярных типов транзисторов приведены в табл.1.
| Тип | Производитель | Канал | К/2 | а | Uth, B |
| EC-10N | Exicon | N | 0,962 | 1,402 | 0,621 |
| EC-10P | Exicon | P | 0,55 | 1,579 | 0,379 |
| 2SK1529 | Toshiba | N | 3,264 | 1,598 | 2,204 |
| 2SJ200 | Toshiba | P | 3,162 | 1,609 | 2,202 |
| BUZ900P | Magnatec | N | 0,522 | 1,552 | 0,037 |
| BUZ905P | Magnatec | P | 0,331 | 1,696 | 0,033 |
| 2SK1058 | Hitachi | N | 0,329 | 1,654 | 0,035 |
| 2SJ162 | Hitachi | P | 0,368 | 1,481 | 0,067 |
| IRFP240 | IR | N | 0,969 | 2,857 | 3,607 |
| IRFP9240 | IR | P | 2,937 | 1,667 | 3,679 |
Наиболее доступными на рынке стран СНГ являются транзисторы фирм Hitachi, Toshibaи IR, поэтому данные исследований приведены именно для них.
Неаудиофильскими в табл.1 являются импульсные транзисторы IRFP240 и IRFP9240. Производитель не позиционирует их как комплементарные звуковые, однако есть сведения об использовании в выходных каскадах УМЗЧ с глубокой ООС такими разработчиками, как Нельсон Пэсс, Боб Корделл и другими. Некоторые авторы вместо IRFP240 предлагают использовать IRFP340, а вместо IRFP9240 – IRFP9140.
За отсутствием не были исследованы транзисторы фирмы Toshibaтипов 2SK1530/2SJ201 [5], а также более современные 2SK3497/2SJ618 [6] с порогом отпирания 1,6 В, которые также очень хорошо зарекомендовали себя в аудиотехнике, а также транзисторы фирмы Semelab ALF08N16V/ALF0816V, ALF08N20V/ALF08P20V и фирмы ALFETACD101NDD/ACD103PDD, ALF16N20W/ALF16P20W, ALF08NP16V5 (N&Pв одном корпусе) и многие другие.
Исследование ПТ разных типов
Автор [4] поставил перед собой непростую задачу, достичь значения Кг не более 0,1% (-60 дБ) для сигналов с максимальным уровнем (40 В), а для сигналов с уровнем – 10дБ от максимального (14В) добиться Кг не более 0,01% (-80дБ) на нагрузке сопротивлением 8 Ом и демпинг-фактора (DF) не менее 30. Демпинг-фактор определялся как отношение выходного сигнала к разности входного и выходного сигналов.
Исследования проводились при напряжении питания +-55 В по схеме рис.1. Результаты исследований трех пар транзисторов указанных в табл.1 приведены в табл.2.
Как показывает табл.2, для получения Kr=0,1% и демпинг-фактора не менее 30 при выходном напряжении 40 В (пиковое) требуется по 4 транзистора 2SK 1058/2SJ162 в плече и суммарный ток покоя 1,4 А. При напряжении 14 В так и не удалось получить искажения 0,01% даже с помощью шести спаренных транзисторов в плече. Основной вклад в спектр искажений вносит вторая гармоника, которая вносит ламповую «теплоту» и многим слушателям очень нравится. Попытка скорректировать вторую гармонику вводом истоковых резисторов только ухудшала положение. На самом деле такой способ иногда помогает, если в истоках P-канальных транзисторов использовать резисторы меньшего номинала или добавлять резисторы только в истоках N-канальных транзисторов.
Пара 2SK1529/2SJ200(аналоги 2SK1530/2SJ201)показала прекрасный результат с одинарными транзисторами уже при токе покоя 1 А благодаря
своей высокой комплиментарности. При использовании по 4 транзистора в плече, искажения уменьшились более чем в 2 раза, и в 3 раза повысился демпинг-фактор. В спектре гармоник присутствует преимущественно 3-я гармоника благодаря высокой идентичности транзисторов. Введение истоковых резисторов увеличивает искажения иснижает демпинг=фактор.
Пара IRFP240/IRFP9240. Эта пара также пользуется популярностью благодаря своей доступности и дешевизне. Несмотря на свою «кривизну» (табл.1), она также показала неплохой результат. А при снижении тока покоя до 0,61 А на один транзистор результаты даже улучшились (табл.2) – это оптимальный ток для этой пары, причем в очень узкой области. У других пар транзисторов такая точка не обнаружена. Автор объясняет это тем, что именно в этойточке происходит компенсация искажений благодаря тому, что у транзистора N-типа IRFP240 выходнаявольтамперная характеристика (ВАХ) более чем квадратичная, а у транзисторов р-типа IRFP9240 до квадратичной не дотягивает (табл.1). Но для снижения искажений на малых уровнях сигнала пришлось ввести истоковые резисторы Rs сопротивлением 0,33 Ом, что привело к снижению демпинг-фактора. Эти транзисторы благодаря своей «кривизне»также вносят преимущественно 2-ю гармонику.
В (5) отмечено, что при прекрасных измеряемых параметрах УМЗЧ с ВК на этих транзисторахзвучит немузыкально (проверялось при токе покоя 300 мА), «жестко», разрушая микродинамику сигнала. Даже глубокая ООС при малых токах покояне устраняет искажения в высокочастотной области звукового диапазона (2).
По сути, автор([4) исследовал ВК для 8-омной нагрузки в режиме, близком к режиму класса «А»,для выходных напряжений до 14 В, и уверен, что если бы ВАХ ПТ были на самом деле квадратичными, то вносимые искажения были бы ничтожно малы. При попытке повторения описанных исследований необходимо учитывать, что при таком высоком напряжении питания и таких токах покоя нужны внушительные теплоотводы или их принудительная вентиляция. Отсутствие истоковых резисторов также требует более серьезного подхода к температурной стабилизации режимов, за исключением ВК на транзисторах типа Lateral.
Использование отрицательного выходного сопротивления
Исследования (5) показали, что как бы ни были малы искажения, даже у УМЗЧ без ОС с идеально настроенным корректором Хауксфорда все равно чего-то не хватает для максимально приближенного к живому звучанию. Оказалось, что именно отрицательное выходное сопротивление небольшой величины (0,2…0,3 Ом) позволяет болееточно контролировать движение диффузоров ЭДГ во всем звуковом диапазоне с минимальными искажениями огибающих звукового давления, а соответственно и передавать без искажений микродинамики все нюансы музыкальных произведений.
Как оказалось, для этого достаточно соединить последовательно любой драйвер без ОС с нагрузочным резистором 20…30 кОм (это же и его выходное сопротивление), например из (7), с выходным каскадом с правильно рассчитанным корректором Хауксфорда для источника сигнала с нулевым выходным сопротивлением. При этом оптимальное отрицательное выходное сопротивление получается автоматически.
Однако как показали дополнительные исследования, из-за модуляции нагрузки драйвера входным сопротивлением ВК происходит некоторое размытие КИЗ (кажущихся источников звука) при сохранении большой глубины сцены. Когда мой помощник, будучи уверенным, что виной всему проникание противо ЭДС на вход УМЗЧ, для увеличения развязки включил между драйвером и ВК буферный каскад, то звук «испортился». Помощник был в шоке, что его основная идея борьбы с противо ЭДС потерпела фиаско. Вот тут и пришлось разъяснить ему, что же произошло на самом деле, и подсказать, что необходимо восстановить выходное сопротивление источника сигнала, включив на входе ВК резистор, эквивалентный прежнему выходному сопротивлению драйвера.
Каким же образом можно улучшить контроль за движением диффузоров ЭДГ АС? Когда-то еще Н. Сухов в УМЗЧ ВВ один из первых в нашей стране обратил внимание на компенсатор сопротивления проводов. Но это решение обычно используется в УМЗЧ с ООС. Тем не менее, повторившие это устройство остались весьма довольны улучшением качества звучания.
Усилитель с отрицательным выходным сопротивлением (5) делает примерно то же самое, но без дополнительных ОУ и дополнительных проводов от АС. Учитывая, что импеданс акустических проводов в звуковом диапазоне частот сильно зависит отконструкции кабелей, материалов,сечения проводников, а также от скин-эффекта и эффекта близости проводников в кабеле (8), оптимальное отрицательное выходное сопротивление УМЗЧ может колебаться в небольших пределах.
УМЗЧ с корректором Хауксфорда
Чтобы свести к минимуму эту зависимость,можно ввести дополнительный третий провод небольшого сечения и подключить его к корректору искажений Хауксфорда, как показано на рис.2.
Выходной каскад рис.2 представляет собой упрощенный вариант ВК из (5), исключены элементы защиты от перегрузки и короткого замыкания в нагрузке. Ток покоя 300 мА выставляют резистором R22, а оптимальное выходное сопротивление – резистором R13 и R3 по коэффициенту передачи с входа до нагрузки 0 +(-) 0,1 дБ. Точка соединения резисторов R19, R20 подключена к дополнительному контакту (клемме) выходного разъема на АС. Резистор R27 служит для обеспечения режимов работы ВК при отключенной АС.При этом благодаря дополнительному проводу сигнал ошибки на корректор Хауксфорда снимается не с выхода ВК, а непосредственно с нагрузки. При этом имеется возможность обойтись минимальным отрицательным выходным сопротивлением, а всю «силу» корректора направить на снижение искажений, что еще больше повысит качество звуковоспроизведения.
Доработка УМЗЧ, описанного в (9).
А теперь обратимся к выходному каскаду из (9) (рис.3). От величины R1 зависит полоса пропускания, и его значение не должно быть выше 10 кОм, оптимальное значение в пределах 1…2 кОм. ВК предназначен для работы с драйвером с низким выходным сопротивлением, не выше 1 кОм. Источник тока I1 можно заменить резистором 47 кОм.
Оказывается, если и здесь использовать этотже подход, можно прекрасно скомпенсировать все капризы импеданса акустического кабеля с помощью несложной доработки. На рис.3 сопротивления проводов акустического кабеля условно обозначены как Rw1 и Rw2 и добавлен резистор R18,который служит для сохранения режимов работы ВК при отключенной нагрузке, а также добавленрезистор R20*, примерно равный омическому сопротивлению одной из жил кабеля Rw1=Rw2=Rw.
Тогда выходное напряжение в истоках Q13, Q14 будет выше на величину ошибки, равную падению напряжения на кабеле:
ΔU out=2I out·R w. (5)
Таким образом, благодаря несложной доработке, путем введения дополнительного третьего провода можно скомпенсировать импеданс акустического кабеля. А еще лучше использовать витую пару, подключив ее, как показано на рис.4.
Причем с такой доработкой все кабели (и дорогие, и дешевые) будут «звучать» одинаково. Этот прием обычно используют при разработке печатных плат УМЗЧ, сигнал ООС берут непосредственно с выхода для минимизации искажений и получения демпинг-фактора по максимуму. Резистором R10 выставляют ток покоя в пределах 80…120 мА. Благодаря глубокой ООС внутри ВК,нет необходимости делать из УМЗЧ калорифер.
Если использовать в качестве выходных транзисторов ПТ типа Lateral, то температурной стабилизации рабочей точки не требуется. В соответствии с графиками, приведенными в даташитах, их термостабильная точка находится в районе 100….120 мА.
Выход этого ВК прекрасно справляется с внешней нагрузкой. Не будем забывать, что электродинамические головки используемые в акустических системах – это не только реактивная нагрузка, но и генератор сигнала как мощный микрофон, и как генератор ЭДС из-за инерционных свойств подвижной системы. Но рассмотрение этого уже выходит за рамки данной статьи.
Диаграмма Боде показана на рис.5, из которого видно, что коэффициент передачи немного выше 1 (больше чем 0 дБ) благодаря использованию третьего провода, что свидетельствует об отрицательном выходном сопротивлении непосредственно на выходе УМЗЧ. Полоса пропускания не менее 1 МГц, зависит от суммарного сопротивления резистора R1 и выходного сопротивления драйвера.
Спектр гармоник показан на рис.6 при выходном напряжении 30 В. Причем в спектре только одна вторая гармоника уровнем 0,003%. При меньшем выходном напряжении искажения ничтожно малы.
Литература
1. Петров А. Схемотехника УМЗЧ высокой верности // Радиоаматор. – 2002. — №10.
2. NationalSemiconductor. ApplicationNote 1645, TroyHuebner, May 2007.
3. Петров А. Транзисторы MOSFETв выходном каскаде УМЗЧ // Радиомир. – 2014. — №1
4. Тищенко А. Анализ работы выходного MOSFET-каскада УМЗЧ //Современная электроника, — 2005.–№2.
5. Петров А. Выходной каскад УМЗЧ без общей ООС с независимыми регулировками тока покоя и выходного импеданса // Радиохобби. – 2013. — №5.
6. http://www/diyaudio.com/forums/solid-state/166301-toshiba-power-mosfets-2sk3497-2sj618-little-testing.html.
7. Петров А. Усилители напряжения без ООС // Радиоаматор. – 2011. — №9.
8. Петров А. Аналоговые межблочные и акустические кабели. Мифы и реальность // Радиоаматор.- 2013. — №2, №3, №4.
9. Петров А. Взгляд на искажения, вносимые УМЗЧ изнутри // Радиоаматор. – 2011. — №4.
Автор: Александр Петров, г. Минск
Источник: Радиоаматор №4, 5 2014
