Úvod

Odborníci i veřejnost si často kladou otázku, jak je to s infrazvukem a ultrazvukem. Panuje převážně názor, že obě oblasti nás nemusejí zajímat, neboť slyšíme pouze zvuk, který je v akustickém pásmu. Mnozí se pak podivují, že živý koncert skýtá naprosto jedinečný zážitek, kdežto jeho záznam je poněkud ochuzen.

Celá problematika sahá do samotných počátku přenosu, reprodukce a záznamu zvuku. První přístroje byly postaveny na bázi elektronek, později se přidaly první tranzistory, které vedly k integraci a vznikly první integrované části přístrojů.  Dlouhou dobu se jednalo o přístroje analogové, které postupně začaly doplňovat a později vytláčet přístroje digitální. Dnes máme signál i přístroje analogové i digitální.

Na problematiku šířky pásma mají jednoznačný názor převážně výrobci zesilovačů, kteří se omezili na akustické pásmo a vše ostatní popírají, stejně jak "Tranzistorový zvuk", který vzniká převážně v oblasti nad akustickým pásmem. Jakékoliv rozšíření přenášeného pásma by výrobcům zesilovačů nabouralo zažité zvyklosti a mohlo přivodit mnohé komplikace, proto je často fakta nezajímají. Výrobci elektronkových zesilovačů naopak zastávají názor, že právě ty jejich zesilovače jsou ty lepší, s tvrzením, že měření zkreslení není tím pravým obrazem kvality zesilovačů.

Jinak je tomu u Hi-Fistů, hudebníků a odborníků z oblasti věd lékařských, kteří nejenom slyší a vnímají odlišnosti akustického vjemu při přítomnosti infrazvuku a ultrazvuku, ale jsou schopni jeho vliv změřit a zadokumentovat. Zde byly při vývoji SACD a DVD-audia provedeny rozsáhlé studie pod vedením T. Ooahashiho.

V německém Deutsches Institut für Normung (DIN) v roce 1973 vytvořili celosvětový standard, normu DIN 45500 pro Hi-Fi, která nikterak nepostihovala "Tranzistorový zvuk", nebyly metody, jak jej měřit, byli jen zarytí Hi-Fisti, kterým tento zvuk vadil a dodnes vadí. Vznikla řada měřících metod s možností měřit zkreslení, ale žádná metoda nedokázala sjednotit poslechové hodnocení s měřením elektronickými přístroji. Někdy při poslechu nevadí zkreslení jednotky procent a jindy je lidské ucho citlivé k setinám procent. Obecně lze říci, že ucho bývá citlivější na zkreslení vzniklé v polovodičových zesilovačích se silnou zápornou zpětnou vazbou.

Abych objasnil samotné příčiny vzniku zkreslení, zabývám se v příspěvku chováním diferenciálního stupně v zesilovači se silnou zápornou zpětnou vazbou, jehož vlastnosti lze názorně simulovat pomocí moderních simulačních programů. Pochopení samotné podstaty vzniku nežádoucího zkreslení může pomoci lépe posoudit vlastností zesilovače stejně jako vhodně  řešit jeho topologii.

Walter Jung: OP Amp Audio

Již Walter Jung a mnozí další se zabývali řešením problematiky zesilovačů se silnou zpětnou vazbou. Jejich pozornost byla soustředěna na vstupní diferenciální zesilovač a na jeho dynamickou saturaci.

Odvodili velikost vstupního diferenciálního napětí, kdy dochází k dynamické saturaci vstupní diferenciální dvojice tranzistorů.

.

Topologie W. Marshalla Leacha

W. Marshall Leach se dlouhodobě věnoval zesilovačům s nízkým zkreslením TIM (transient intermodulation distortion). K dosažení šířky pásma alespoň 400kHz používal tranzistory s FT=8,5MHz, rychlost přeběhu cca 60V/s, následně vstupním R-C filtrem upravoval výslednou šířku pásma tak, aby nebyla větší jak 220kHz.

W. Marshall Leach však nikdy nikomu nedoporučoval, aby měřil zesilovač při frekvencích nad 20kHz při plném výkonu. Koncové tranzistory jsou tepelně velmi namáhané a mohlo by dojít k jejich zničení

Vymezení rozsahu simulací

Pro účely příspěvku jsem simulaci omezil na pásmo od řádu  jednotek Hz až do řádů stovek kHz.  Nezabýval jsem se jednotlivými druhy zkreslení jako jsou TIM (transient intermodulation distortion), SID (slew induced distortion) ani DIM (dynamic intermodulation distortion), stejně tak limitací, přechodovým zkreslením a pro koncové tranzistory nebezpečnými příčnými proudy.

.

Omezil jsem se pouze na zkoumání poměrů vstupního diferenciálního zesilovače, které dostatečně popíší následující simulace:

1. - frekvenční závislosti zesílení Au dané topologie.
2. - závislost kolektorových proudů na Udif.
3. - závislost proudového zesílení na Udif.
4. - linearita v závislosti na velikosti Udif.

Frekvenční závislosti zesílení Au

Různé topologie tranzistorových zesilovačů včetně integrovaných mají různé charakteristiky závislosti Au na frekvenci, pro všechny však nad jistou mez platí pokles zesílení s rostoucí frekvencí.

.

Budeme vycházet z maximálního výstupního napětí, například Uef=20V, pak Uš=28V, dle obr. 8 při zesílení cca 70dB na 1kHz. Tomuto odpovídá Udif=10mV. Při frekvenci 200kHz však zesílení pokleslo na 54dB a pro dosažení stejného výstupního napětí Uš=28V je již zapotřebí Udif=56mV. Samozřejmě pro odlišné zapojení platí odlišné hodnoty.

.

Závislost kolektorových proudů na Udif

Chování vstupního diferenciálního zesilovače znázorněného na obr. 10 popisuje dostatečně obr. 11, kde je znázorněna závislost kolektorových proudů na Udif a jejich první derivace, jež  vyjadřují závislost proudového zesílení na Udif.

.

Závislost proudového zesílení vstupních tranzistorů na Udif

Walter Jung a W. Marshall Leach považovali za saturaci vstupních tranzistorů, jimiž teče proud 1mA, napětí Udif =57mV.

Na grafech je patrné, že s rostoucím proudem se hranice pro saturaci zvyšuje.  První derivace prozrazuje závislost proudového zesílení i jeho pokles v závislosti na velikosti Udif. 

.

Dynamická saturace

Vycházíme z akustického signálu, jehož amplituda i frekvence jsou trvale proměnné, obě hodnoty mohou nezávisle na sobě dosahovat maxima.

V případě nejvyšších frekvencí s velkou amplitudou nastane stav, že zesilovač má při dané frekvenci bez zpětné vazby malé zesílení a pro dosažení požadovaného napětí na výstupu potřebuje velké Udif. V našem případě vyšlo při frekvenci 200kHz a výstupním napětí Uš=28V Udif=56mV.

Jak vyplývá z následujících grafů, můžeme v tomto případě již mluvit o zkreslení, způsobeném saturací obou vstupních tranzistorů.

Saturaci můžeme nazvat "Dynamickou saturací", neboť trvá pouze po čas rychlé napěťové změny akustického signálu, která obsahuje vysoké harmonické.

V praxi jsou většinou vyšší harmonické s menší amplitudou, kterou můžeme při výpočtu a simulaci přiměřeně zohlednit.

.

Stanovení počátku dynamické saturace

Jak je patrné do Udif=10mV nedochází k viditelné změně tvaru signálu. Dále již můžeme vidět Udif=25mV a již počátek dynamické saturace. Pro náš případ je zesílení při 100kHz rovno cca 60dB a tomu odpovídá Udif=28mV.

Se zvyšováním Udif nad hodnotu 20mV až 30mV při proudu obou tranzistoru po cca 7,5mA již dochází ke změně tvaru výstupního signálu. Při použití menších kolektorových proudů se tato hranice úměrně sníží a naopak.

Pro názornost a lepší vyjádření poměrů na vstupní diferenciální dvojici tranzistorů jsem v grafech použil:

• Modře - vstupní napětí: Hodnota=Udif
• Zeleně - vyjádření kolektorového proudu tranzistoru: Hodnota=I1-IC2, hodnota je dále upravena vynásobením *11 tak, aby byla vyjádřitelná ve společném grafu. Je zatížena chybou IB, ale pro demonstrativní účely poměrů diferenciálního stupně nehraje roli.
• Červeně - zvýraznění tvarového zkreslení, které vzniká při dynamické saturaci. Obdobně, jako se ve statistice počítá kvadratická či střední kvadratická odchylka, jsem použil pro účely přesnějšího stanovení počátku a průběhu Dynamické saturace výraz: Hodnota=∆Ic/∆Udif*Ic, hodnota je rovněž upravena tak, aby byla vyjádřitelná ve společném grafu, vynásobením *11.

.

Nárůst zkreslení a počtu lichých harmonických

Zvyšováním Udif nad hranici cca 40mV, velmi rychle dochází ke ztrátě zesílení, u Udif´=75mV již můžeme pozorovat rychlý nárůst třetí harmonické, čímž získáváme jasnou odpověď na hodnocení tranzistorových zesilovačů hudebníky, že kvinta - třetí harmonická - je u těchto zesilovačů dominantní!

.

Závěr

Bez simulačních programů se dnes v elektrotechnice neobejdeme, napomáhají nám nejenom simulovat chování elektrických obvodů, ale i lépe porozumět jejich funkci. Je vhodné pracovat s programy, které jsou "SPICEcompatible", aby byly výsledky vzájemně srovnatelné.

Věda a lidské poznání jde dnes za pomocí výpočetní techniky mílovými kroky kupředu, stále však zůstává a vždy bude zůstávat řada zdánlivě jednoduchých nevyřešených problému.

Jeden z nevyřešených či nezodpovězených problémů byl i "Tranzistorový zvuk". Sice jsem se omezil pouze na chování diferenciálního stupně, který nejčastěji stojí na vstupu ať již klasického zesilovače, či operačního zesilovače. Právě diferenciální stupeň je pro chování zesilovače se silnou zpětnou vazbou ten rozhodující.

Vlivy jednotlivých topologií, stejně jak vlivy jednotlivých prvků budou brzy popsány v následujících článcích.

Zdroj: Walter Jung, W. Marshall Leach

Federmann Bohumil. Tranzistorový zvuk a počítačové simulace příčin jeho vzniku. In Perspektivy elektroniky 2009 : 26. 3. 2009. Rožnov pod Radhoštěm : SŠIEŘ R.p.R., 2009, s. 19-25. ISBN 978-80-254-4052-0. Roznovska_Středni

Podívejte se na články se stejnou tématikou.

Diskuse