HiFi 3アンプの熱歪みスキーム、説明

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HiFi アンプの熱歪み。パート 2. 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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最も単純な半導体回路（図1）を考えてみましょう。この回路では、半導体ダイオードと従来の抵抗器が直列回路を形成しています。このような回路は、HiFiアンプで使用できます（図2）。

回路が長時間オンになっていて、ある程度の熱平衡が確立されている場合、出力電圧 Uout は一定です。入力信号が増加すると、回路を流れる電流が増加します。その影響下で、ダイオード両端の電圧降下がわずかに増加し、さらに加熱し始めます。新しい熱平衡に達するまで加熱が続き、その後、すべてが新しい条件下で安定します。

HiFiアンプの熱歪み
Pic.1

HiFiアンプの熱歪み
Pic.2

ほとんどの測定はこの時点で完了し、新しい熱平衡を記録することに満足しています。加熱の影響下で半導体ダイオードの抵抗が変化しなければ、すべて問題ありません。負の温度係数により、ダイオードの電圧降下が減少します。したがって、電圧降下には増加と減少の両方があり、これはすべて異なる時点で発生します。電流の増加に伴う電圧降下の増加はほぼ瞬時に発生しますが（ピコおよびナノ秒の「電子的」遅延時間で）、その減少はケースと一緒にダイオードの加熱速度によって決まります（ゆっくりと、「熱」速度で）。

加熱は、いくつかの時定数によって特徴付けられます。質量が小さい半導体接合部自体が最も速く加熱されます。ハウジングに囲まれたダイオード全体は、はるかにゆっくりと加熱されます。出力電圧に影響を与えるこれらすべてのゆっくりと減衰するプロセスを考慮すると、電流の急激な変化に対するダイオードの応答は、最初は電圧の急激な変化であり、そのレベルは徐々に初期値に近づきます (さらに、接近速度は、いくつかの時定数によって決定されます)。したがって、回路による定期的な電流サージの伝達は理想的ではなく、「シュート」が現れ、その大きさと減衰時定数は電気的特性とは関係ありません。結果として生じる歪みは、純粋に熱によるものです。この場合、個別のダイオードとトランジスタについて話しているのか、集積回路について話しているのかに違いがないことは明らかです。大規模なダイオードと小型のダイオードの両方があるため、時定数の広がりは非常に大きくなる可能性があります。

最も単純なエミッタフォロアに同じ異常な分析を適用してみましょう。そのスキームを図 3 に示します。このような回路には、低周波数の時定数 (下限周波数) と、それによって引き起こされる周波数依存の過渡現象がありますか? 教科書に基づいて、専門家と非専門家が一斉に答えます-いいえ！以前の経験から教えられた私たちは、それを詳しく見ていきます。

HiFiアンプの熱歪み
Pic.3

回路がかなり長い間オンになっていると仮定すると、トランジスタとその環境はすでに熱平衡に達しており、トランジスタで電力 P1 が消費され、トランジスタの温度が一定に維持されます。

Uce1*Ic1=P1

入力電圧を大きく変えてトランジスタの動作点を変えてみましょう。トランジスタのコレクタ電流が変化するとすぐに（ただし、ここでは時定数を考慮することができます）、エミッタ - コレクタ電圧も変化します。トランジスタは電力 P2 を消費します。

Uce2*Ic2=P2、

これは上記とは異なり、これによりトランジスタの確立された温度が変化します。

この場合に発生する歪みを説明するために、制御するパラメーターのセットから、最も簡単に測定できる電圧 Ueb の XNUMX つを選択します。定常状態では、エミッターフォロワーの出力には

Uout1=Uin1-Ueb1.

マルチメーターで簡単に測定できます。最初の瞬間の入力電圧の変化は、ほぼ完全に出力に落ちます。

ただし、ここではトランジスタの動作点が異なり、消費電力 P2 に対応します。これは電圧 Ueb (-2 mV/°C) に影響を与え、出力電圧にオフセット (ドリフト) を引き起こします (トランジスタが以前の状態に比べて少し低温または高温になっているため)。電圧変化を (正しい極性で) 出力電圧に加算し、ケースバイケースで熱時定数を決定する必要があります。

主な質問は次のとおりです。

- 熱時定数の値は?
- どの方向に変化しているか;
その変化の大きさは？

新しい動作点でトランジスタがどのように加熱または冷却されるかは、前の動作点での状態によって異なります。トランジスタが電力整合の状態 (Uce=0,5Upit) で動作した場合、動作点の変化に反応して冷却します。したがって、この場合、いくつかの小さな一定の制御電圧の影響で、トランジスタは常に同じタイプのノイズ信号を生成し、それが出力信号に追加されます。

トランジスタの動作点が合意されたものと異なる場合、新しい動作点でトランジスタは冷却と加熱の両方を行うことができます。この場合、出力に現れる干渉信号の極性は、制御信号の極性に依存します。制御信号に応じて、熱雑音信号を出力信号に加算または減算できます。

歴史的な観点からも興味深い差動増幅回路 (図 4) を考えてみます。

HiFiアンプの熱歪み
Pic.4

考えられる状況は XNUMX つあります。最初のケースでは、差動アンプの電力が一致している場合、制御信号の影響により両方のトランジスタ（寸法がほぼ同じ）が冷却されます。次に、トランジスタのコレクタに存在する増幅された信号に、新しい同相成分が現れます（冷却の影響により、Ueb が増加し、コレクタ電流が増加し、

その結果、コレクタ電圧が低下します)。好ましくないケースでは、このコンポーネントがアンプ内でさらに広がり、たとえば、プッシュプル出力段の動作点設定を「ノックアウト」したり、他の段の動作点に不快なシフトを引き起こしたりする可能性があります。

通常、出力差動信号には大きな干渉はないとされています。結果として得られるコモンモード信号の大きさは、入力制御電圧とコモンモード電圧ゲインに比例します。これは、コレクタ抵抗とエミッタ抵抗の比によって決定される良好な近似値です。これらの値は通常、オーディオ周波数増幅器では非常に近いため、コモンモード信号が数倍に増幅されると想定できます（たとえば、1 ... 10）。

したがって、ステージに十分に高いレベルの差動信号がすでに存在する場合、コモンモード電圧値は非常に大きくなる可能性があります。この信号 (コモンモード) はそれ自体では聞こえませんが、後続のステージの動作点を乱す可能性があります。

ちなみに、半導体デバイスの温度変化につながる周囲温度の変化は、まったく同じ影響を及ぼします（たとえば、暑い晴れた日や霜が降りる天候でアンプを使用する場合）。考慮された両方の効果が合計されます。したがって、HiFi アンプを設計する場合、静的な熱結合を考慮するだけではもはや十分ではありません。また、前述の動的コモンモード効果も考慮する必要があります。

XNUMX 番目のケースでは、差動増幅器が電力の不一致で動作する場合、制御信号の影響下で、熱時定数を持つ過渡現象が出力で発生します。この場合、振幅と周波数は制御信号に匹敵し、適切な方法で測定または聞くことで、有用な差動出力信号の歪みとして検出できます。トランジスタの XNUMX つが加熱され、もう XNUMX つが冷却されるため、実際には有用な信号と区別できない逆位相ノイズ信号が発生します。

トリッキーな質問は、熱時定数の値です。これに関するデータはどのカタログにもありません。ここでは、いくつかの実験的事実にのみ頼ることができます。これらの実験データの一部は、多くの関心のある企業 (たとえば、Tektronix、Philips、Ates など) の高度に専門化された短冊刊行物に掲載されています。彼らにとって、これらのデータは予想外ではありませんでした。

2N3055 のような「まともな」サイズのトランジスタ半導体 pn 接合 (パッケージ内の半導体デバイス自体についてはまだ話していません。その寸法もシリーズやメーカーによって異なる可能性があります) は、熱的に追跡することができます (つまり、パッケージ内の半導体デバイス自体についてはまだ話していません)。加熱/冷却) 周波数は上限 - 約 1 kHz まで。 BC107 などのより小さな pn 接合を備えたデバイス、またはさらに小さなデバイスは、最大 90 kHz (!) の周波数を追跡します。表面実装要素 (SM - 表面モンタージュ) および集積回路の場合、制限周波数はさらに高くなります。当然のことながら、半導体結晶とケースとの間には熱的接触が良好であり、ケースの熱定数が大きいため、接触部からの熱伝達量に応じて温度変動が緩和される傾向にある。

DC アンプ (たとえば、図 3 に示すエミッターフォロワ、これも UPT の一種) は、たとえば 200 MHz のエミッターと同じ低い (!) カットオフ周波数を持っていることが明らかになっていると思います。フォロワー。これらのオーディオ周波数の歪みは、従来の方法では測定できません。

測定でよく使用される「回路がウォームアップするまで待つ」という原則は、ここで検討した問題を正確に回避します。しかし、HiFi アンプを介して音楽を聴いているときに、この効果をどのように検出できるでしょうか?

もちろん、私たちは効果の大きさに最も関心があります。実行された測定から、アンプでこのように発生する二次信号（歪みとして認識される可能性があります）は、有用な信号の振幅の5 ... 20％に容易に達することができることがわかりました。多くの読者が本棚にプラスチックケースのHiFiアンプを置いている可能性は十分にありますが、これは「側近」で問題ありませんが、その間、非常に強い熱歪みがあります。それらは必ずしもすべてを常に歪ませるわけではありませんが、特定のメロディーと特定のサウンドの組み合わせ（打撃後など）のみを歪めます。そして、歪みを測定する従来の方法では、アンプは非常によく見えます。

著者: S.ギュラ; 出版物: N. ボルシャコフ、rf.atnn.ru

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