Перейти к содержанию

Переходные искажения

Двухтактный каскад из NPN- и PNP-транзисторов экономичен: каждый проводит только свою половину волны. Но пока сигнал проходит через ноль, оба транзистора закрыты, и на синусоиде появляется ступенька. Это и есть переходные искажения.

Обновлено Редакция GAW

Переходные искажения (crossover distortion, искажения типа «ступенька») — искажения в двухтактном выходном каскаде, которые возникают, когда сигнал проходит через ноль и работа переходит от одного транзистора к другому. В каскаде класса B каждый транзистор комплементарной пары усиливает только свою половину волны: NPN — положительную, PNP — отрицательную (Kuphaldt, т. III, гл. 4). Транзистор начинает проводить, только когда напряжение база — эмиттер достигает своего порога, поэтому вблизи нуля оба закрыты, и выход не реагирует на вход. На синусоиде появляется ступенька.

TI в глоссарии к LM3886 определяет переходные искажения как искажения выходного каскада класса B из-за недостаточного тока смещения, который оставляет мёртвую зону при переходе входного сигнала через ноль. В микросхемах к этому добавляется ещё одна причина: медленный выходной PNP-транзистор включается с задержкой, и на высоких звуковых частотах ступенька появляется на отрицательном переходе (TI SNAS091C).

Классы A, B и AB

КлассСколько периода проводит транзисторПереходные искаженияТок покоя
Aвесь периоднетбольшой
Bполовину, 180°естьнет
ABбольше половины, меньше всего периодаубраны смещениемнебольшой

Класс B выгоден по мощности: половину времени транзистор в отсечке и не греется (Kuphaldt). Класс AB сохраняет это преимущество почти полностью: в каскад подают небольшое смещение, и оба транзистора приоткрыты вблизи нуля. Так работают интегральные усилители мощности: TDA2030A — усилитель класса AB с током покоя 50 мА типично (ST, Doc ID 1459), LM3886 TI называет квази-AB, его ток покоя — 50 мА типично и до 85 мА.

Как проявляются и лечатся

  • Сильнее на малом сигнале. Ширина мёртвой зоны постоянна, поэтому на малой амплитуде она занимает большую долю периода. Коэффициент гармонических искажений измеряют на нескольких уровнях мощности, а не только на полной.
  • Смещение. По Kuphaldt, в двухтактном каскаде без смещения ни один транзистор не проводит при входном сигнале меньше 0,7 В амплитуды; на базы подают смещение около 0,7 В или больше, например от делителя. Напряжение база — эмиттер зависит от температуры, поэтому ток покоя при нагреве меняется, и его проверяют на прогретом усилителе.

Похожий эффект бывает и у ОУ со входом rail-to-rail: вход из пары PMOS и пары NMOS даёт переходные искажения там, где работа переходит от одной пары к другой (TI SBOA182C), но это свойство входного каскада, а не выходного. Импульсные усилители класса D устроены иначе: их транзисторы работают как ключи. Пример интегрального усилителя класса AB — TDA2030A.

Частые вопросы

Откуда берётся ступенька в классе B?

Кремниевый транзистор начинает заметно проводить, только когда напряжение база — эмиттер достигает порога: у BC546 при токе 2 мА это от 0,55 до 0,7 В по даташиту onsemi. В двухтактном каскаде без смещения, пока входной сигнал находится в пределах этого напряжения вокруг нуля, закрыты оба транзистора, и выход не следует за входом. TI в глоссарии к LM3886 называет это мёртвой зоной из-за недостаточного тока смещения.

Почему переходные искажения хуже на малой громкости?

Ширина мёртвой зоны постоянна, а сигнал уменьшается. На большой амплитуде ступенька — малая доля периода, на малой она занимает значительную его часть. Поэтому коэффициент гармонических искажений двухтактного каскада проверяют не только на полной мощности, но и на малой.

Что такое класс AB?

Двухтактный каскад, в который подают небольшое начальное смещение — ток покоя. Оба транзистора приоткрыты вблизи нуля, и каждый проводит чуть больше половины периода: по Kuphaldt, больше 50 %, но меньше 100 %. Мёртвая зона исчезает ценой тока покоя: у TDA2030A он 50 мА типично, у LM3886 — 50 мА типично и до 85 мА.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Volume III — Semiconductors, ch. 4 «Bipolar Junction Transistors», section «Biasing techniques» (CC BY) — разд. «Biasing techniques»: классы работы: A — транзистор всё время в активном режиме; B — смещение таково, что воспроизводится половина (180°) волны, в двухтактной паре каждый транзистор отрабатывает свою половину; преимущество класса B — большая мощность и меньший нагрев, транзистор половину времени в отсечке; класс AB — между A и B, транзистор проводит больше 50 %, но меньше 100 % периода; разд. «Input and output coupling»: без смещения ни один транзистор двухтактного каскада не проводит при входе меньше 0,7 В амплитуды, практическая схема смещает базы делителем на 0,7 В или больше; Q3–Q4 — комплементарная пара эмиттерных повторителей
  2. Texas Instruments. LM3886 Overture Audio Power Amplifier Series, High-Performance 68W Audio Power Amplifier w/Mute (SNAS091C, May 1999, revised March 2013) — Audio Power Amplifier Glossary: Class B — два выходных прибора, каждый проводит 180° периода; LM3886 — квази-AB; Crossover Distortion — искажения выходного каскада класса B от недостаточного тока смещения, дающего мёртвую зону, где выход не реагирует на вход при переходе через ноль; в ИС также задержка включения выходного PNP на высоких звуковых частотах; ток покоя 50 мА тип., 85 мА макс.
  3. STMicroelectronics. TDA2030A 18 W hi-fi amplifier and 35 W driver (Doc ID 1459 Rev 2, July 2011) — Description: низкочастотный усилитель класса AB, драйвер для каскада на комплементарных парах; очень малые гармонические и переходные искажения; табл. 4 — ток покоя Id 50 мА тип., 80 мА макс.
  4. onsemi. BC546B, BC547A, B, C, BC548B, C Amplifier Transistors NPN Silicon (BC546/D, Rev. 8, August 2021) — VBE(on) при IC = 2 мА и VCE = 5 В — от 0,55 до 0,7 В
  5. Texas Instruments. Zero-Drift Amplifiers: Features and Benefits (SBOA182C, February 2017, revised January 2021) — рис. 1 и текст: вход rail-to-rail из дифференциальных пар PMOS и NMOS даёт некоторые переходные искажения на смене пар

Нашли ошибку?

Смотрите также