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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Distorsión térmica en amplificadores HiFi. Parte 2. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Amplificadores de potencia de transistores Considere el circuito semiconductor más simple (Fig. 1), en el que un diodo semiconductor, junto con una resistencia convencional, forman un circuito en serie. Tal circuito se puede usar en un amplificador HiFi (Fig. 2). Si el circuito ha estado encendido durante mucho tiempo y se ha establecido cierto equilibrio térmico, la tensión de salida Uout es constante. A medida que aumenta la señal de entrada, aumenta la corriente que fluye a través del circuito. Bajo su influencia, la caída de voltaje en el diodo aumenta ligeramente y comienza a calentarse más. El calentamiento continúa hasta que se alcanza un nuevo equilibrio térmico y luego todo se estabiliza en las nuevas condiciones.
La mayoría de las mediciones se completan alrededor de este momento, contentándose con registrar un nuevo equilibrio térmico. Todo estaría bien si la resistencia del diodo semiconductor no cambiara bajo la influencia del calentamiento, lo que, debido al coeficiente de temperatura negativo, conduce a una disminución de la caída de voltaje en el diodo. Por lo tanto, hay tanto un aumento como una disminución en la caída de voltaje, y todo esto ocurre en diferentes momentos. Un aumento en la caída de voltaje con un aumento en la corriente ocurre casi instantáneamente (con un tiempo de retardo "electrónico" del orden de pico y nanosegundos), mientras que su disminución está determinada por la velocidad de calentamiento del diodo junto con la caja ( lentamente, con una tasa "térmica"). El calentamiento se caracteriza por varias constantes de tiempo. La unión de semiconductores en sí, que tiene una masa pequeña, se calienta más rápido. Todo el diodo encerrado en la carcasa se calienta mucho más lentamente. Teniendo en cuenta todos estos procesos de descomposición lenta que afectan el voltaje de salida, es fácil concluir que la respuesta del diodo a un cambio repentino en la corriente será primero un cambio repentino en el voltaje, cuyo nivel luego se acercará gradualmente al valor inicial (además, el la velocidad de aproximación estará determinada por varias constantes de tiempo). Por lo tanto, la transmisión de picos de corriente regulares por el circuito no es ideal, aparecen "disparos", cuya magnitud y constante de tiempo de caída no están relacionadas con ninguna característica eléctrica. Las distorsiones resultantes son de origen puramente térmico. Es obvio que en este caso no importa si estamos hablando de diodos discretos y transistores, o de circuitos integrados. Dado que existen diodos tanto masivos como en miniatura, la dispersión de las constantes de tiempo puede ser muy amplia. Sometamos al seguidor de emisor más simple al mismo análisis inusual, cuyo esquema se muestra en la Fig. 3. Hagámonos una pregunta, ¿tiene dicho circuito una constante de tiempo de baja frecuencia (frecuencia límite inferior) y los transitorios dependientes de la frecuencia causados por ella? Con base en los libros de texto, especialistas y no especialistas responden al unísono: ¡NO! Nosotros, enseñados por la experiencia previa, lo miramos más de cerca.
Supongamos que el circuito ha estado encendido durante bastante tiempo, el transistor y su entorno ya han alcanzado cierto equilibrio térmico, en el que la potencia P1 se disipa en el transistor, manteniendo constante la temperatura del transistor. Uce1*Ic1=P1 Cambiemos el punto de operación del transistor cambiando significativamente el voltaje de entrada. Tan pronto como cambie la corriente de colector del transistor (aunque aquí sería posible tener en cuenta la constante de tiempo), también cambiará la tensión de emisor-colector. El transistor ahora disipará la potencia P2 Uce2*Ic2=P2, lo cual es diferente a lo anterior, y esto provocará un cambio en la temperatura establecida del transistor. Para ilustrar las distorsiones que surgen en este caso, del conjunto de parámetros a controlar, elegiremos uno de los más fáciles de medir: la tensión Ueb. En estado estable, a la salida del seguidor de emisor hay Uout1=Uin1-Ueb1. que se puede medir fácilmente con un multímetro. El cambio en el voltaje de entrada en el primer momento recae casi por completo en la salida. Sin embargo, ahora el transistor tiene un punto de operación diferente, correspondiente a la disipación de potencia P2. Esto afecta el voltaje Ueb (-2 mV/°C) y provoca una desviación (deriva) en el voltaje de salida (porque el transistor ahora está un poco más frío o más caliente en comparación con el estado anterior). El cambio de voltaje debe agregarse (con la polaridad correcta) al voltaje de salida y la constante de tiempo térmico debe determinarse caso por caso. Estas son las preguntas clave: - cuál es el valor de la constante de tiempo térmica; La forma en que un transistor se calienta o se enfría en un nuevo punto de operación depende de su estado en el punto de operación anterior. Si el transistor funcionó en el estado de coincidencia de potencia (Uce = 0,5Upit), entonces responde a cualquier cambio en el punto de operación enfriándose. Por lo tanto, en este caso, bajo la influencia de una pequeña tensión de control constante, el transistor siempre produce una señal de ruido del mismo tipo, que se suma a la señal de salida. Si el punto de operación del transistor difiere del acordado, en el nuevo punto de operación el transistor puede enfriarse y calentarse. En este caso, la polaridad de la señal de interferencia que aparece en la salida dependerá de la polaridad de la señal de control. Dependiendo de la señal de control, la señal de ruido térmico ahora se puede sumar o restar de la señal de salida. Considere un circuito amplificador diferencial (Fig. 4), que también es de interés desde un punto de vista histórico: hace varias décadas, las distorsiones térmicas generadas por este circuito constituían la parte principal de todas las distorsiones térmicas.
Dos situaciones son posibles. En el primer caso, cuando el amplificador diferencial está emparejado en potencia, la acción de la señal de control conduce al enfriamiento de ambos transistores (que tienen casi las mismas dimensiones). Luego, en la señal amplificada disponible en los colectores del transistor, aparece un nuevo componente en fase (bajo la influencia del enfriamiento, Ueb aumenta, la corriente del colector aumenta y, como resultado, el voltaje del colector disminuye). En casos desfavorables, este componente puede propagarse aún más en el amplificador y, por ejemplo, "eliminar" el ajuste del punto de operación de una etapa de salida push-pull, o causar cambios desagradables en los puntos de operación de otras etapas. Se suele decir que no hay interferencia significativa en la señal diferencial de salida. La magnitud de la señal de modo común resultante es proporcional al voltaje de control de entrada y la ganancia de voltaje de modo común, que está determinada, en una buena aproximación, por la relación de las resistencias del colector y del emisor. Dado que estos valores suelen ser bastante cercanos para los amplificadores de frecuencia de audio, podemos suponer que la señal de modo común se amplifica varias veces (por ejemplo, 1 ... 10). Por lo tanto, si ya existe una señal diferencial de nivel suficientemente alto en la etapa, el valor del voltaje de modo común puede ser bastante grande. Esta señal (modo común) no es audible por sí misma, pero puede perturbar los puntos de funcionamiento de etapas posteriores. Por cierto, un cambio en la temperatura ambiente, que conduce a un cambio en la temperatura de los dispositivos semiconductores, tiene exactamente el mismo efecto (por ejemplo, cuando se usa un amplificador en un día caluroso y soleado o en un clima helado). Ambos efectos considerados se resumen. Por lo tanto, al diseñar amplificadores HiFi, ya no es suficiente cuidar el acoplamiento térmico estático. También es necesario tener en cuenta los efectos dinámicos de modo común mencionados anteriormente. En el segundo caso, cuando el amplificador diferencial opera con un desajuste de potencia, bajo la influencia de la señal de control, se producen transitorios en la salida, que tienen una constante térmica de tiempo. En magnitud y frecuencia, son en este caso comparables a la señal de control, pueden ser detectadas como distorsiones de la señal de salida diferencial útil, medidas o escuchadas de forma adecuada. Dado que uno de los transistores se calentará y el otro se enfriará, surge una señal de ruido en contrafase, que es prácticamente indistinguible de la señal útil. Una pregunta difícil es el valor de la constante de tiempo térmica. No hay datos sobre esto en ningún catálogo, y uno puede confiar aquí solo en algunos hechos experimentales. Algunos de estos datos experimentales se publican en publicaciones altamente especializadas de corta circulación de varias empresas interesadas (por ejemplo, Tektronix, Philips, Ates, etc.). Para ellos, estos datos no eran demasiado inesperados. Las uniones pn de semiconductores de transistores de un tamaño "decente", como por ejemplo 2N3055 (todavía no estamos hablando del dispositivo semiconductor en sí mismo en el paquete, cuyas dimensiones también pueden depender de la serie y el fabricante) pueden rastrear térmicamente (es decir, calor up / cool down) frecuencias hasta el límite superior - alrededor de 1 kHz. Los dispositivos con una unión p-n más pequeña, como BC107, o incluso menos, rastrean frecuencias hasta una frecuencia de 90 kHz (!). Para elementos de montaje en superficie (SM - Surface Montage) y circuitos integrados, la frecuencia de corte es aún mayor. Naturalmente, existe un buen contacto térmico entre el chip semiconductor y el paquete, y la gran constante térmica del paquete tiende, de acuerdo con la cantidad de transferencia de calor desde el contacto, a amortiguar las fluctuaciones de temperatura. Creo que ahora está claro que un amplificador de CC (por ejemplo, el seguidor de emisor que se muestra en la Fig. 3, que también es una especie de UPT) tiene la misma frecuencia de corte más baja (!) que, por ejemplo, un emisor de 200 MHz seguidor. Estas distorsiones de frecuencia de audio no se pueden medir con métodos tradicionales. El principio que se usa a menudo en las mediciones, "esperar hasta que el circuito se caliente", evita precisamente los problemas considerados aquí. Pero, ¿cómo se puede detectar este efecto al escuchar una pieza musical a través de un amplificador HiFi? Por supuesto, lo que más nos interesa es la magnitud del efecto. De las mediciones realizadas, resultó que la señal secundaria que surge de esta manera en el amplificador (que puede percibirse como distorsión) puede alcanzar fácilmente el 5 ... 20% de la amplitud de la señal útil. Es muy posible que muchos lectores tengan amplificadores HiFi con carcasa de plástico colocados en estanterías que estén bien con el "séquito" y, mientras tanto, tengan una distorsión térmica muy fuerte. No necesariamente distorsionan todo y siempre, sino solo ciertas melodías y en ciertas combinaciones de sonido (después de un golpe, etc.). Y con los métodos tradicionales de medir la distorsión, el amplificador se ve muy bien. Autor: S.GYULA; Publicación: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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