Обычно, рассматривая работу УМЗЧ,предполагают, что его нагрузка чисто активная. Однако громкоговоритель, да еще со сглаживающими фильтрами,представляет собой сложную комплексную нагрузку. При работе на комплексную нагрузку возникающий сдвиг фазы между напряжением и током на выходе усилителя приводитк тому, что при синусоидальныхвходных сигналах нагрузочная прямая превращается в эллипс. Положения рабочей точки (нагрузочная кривая) для реактивной нагрузки на выходных характеристиках триода и транзистора при усилении гармонического сигнала показаны нарис.1 и 2 соответственно. 

Как видно из рис.1, выходныехарактеристики триода практическиидеальны для комплексной нагрузки,какой является АС. Благоприятныйспектр гармоник (не выше пятой) ивысокая линейность в значительнойстепени определяют "мягкость"звучания ламповых усилителей. В тоже время, однотактныйтранзисторный усилительсовершенно непригоден для работына громкоговоритель, т.к. линиянагрузки заходит с одной стороны вобласть ограничения по допустимоймощности рассеяния на коллекторе (заштрихованнаяобласть, выше гиперболы), с другой -в нелинейные области при малых Uкэ.

Поперечный размер эллипсанагрузочной кривой зависит отиндуктивной составляющей нагрузки,а продольный - от активной. Приусилении импульсных сигналов,например типа "меандр", линиянагрузки представляет собойпараллелограмм [1], что еще большеусугубляет положение. Амплитудаскачка напряжения в моментпереключения (за счет ЭДСсамоиндукции) зависит от отношенияпостоянной времени сигнала То кпостоянной времени нагрузки T=L/R.При т>То с целью исключениявероятности пробоя выходныхтранзисторов (например вусилителях класса D с ШИМ)параллельно выходным транзисторамустанавливают обратновключенныедиоды.

На рис.3 показанынагрузочные характеристикидвухтактного выходного каскадатранзисторного УМЗЧ на семействевыходных вольт-амперныххарактеристик при чисто активнойнагрузке (прямая) и при комплекснойнагрузке (эллипс) в границахобласти безопасной работы (ОБР)транзисторов по постоянному току.

При этом максимальная мощностьрассеяния на каждый транзисторплеча выходного каскадаувеличивается пропорциональносдвигу фазы <р вектора нагрузки (рис.4).Типовое значение сдвига фазыобычно лежит в пределах 25...60°, но вредких случаях достигает 80°.

Поскольку импеданс акустическойсистемы (АС) носит индуктивныйхарактер, вектор которой Z1=RL+ZL имеетнаправление, противоположноенаправлению вектора емкостнойнагрузки (рис.4), можно подобрать RC-цепочку(компенсатор Буше) с импедансом Z2=R+Zc,компенсирующую индуктивнуюсоставляющую нагрузки. Врезультате импеданс АС становитсячисто активным и не зависит отчастоты.

Условия компенсации [1]:

где RL - эквивалент активногосопротивления громкоговорителя (4...10Ом); С = 0,1 мкФ.

Импульсный характер реальногозвукового сигнала и комплексныйхарактер импедансагромкоговорителей приводят к тому,что пиковое значение выходноготока в 5...8 раз превышаетмаксимальное амплитудное значениеIm, соответствующее работе наактивную нагрузку.

Так, например, при выходноймощности 60 Вт и сопротивлениинагрузки 4 Ом пиковое значение токана выходе может иметь зна-

чение 5,5 А при активной нагрузке и33 А при комплексной. Отсюда видно,насколько важно правильноподобрать компенсирующую RC-цепочкуи иметь достаточный запас помощности УМЗЧ.

На рис.5 представлена диаграммаработы оконечных транзисторов врежиме АВ, где Uo1, Uo2 - их начальноесмещение; lo1, lo2 - ток покоя.

При абсолютной симметрии каскадасуммарная характеристикапредставляет собой прямую линию, впротивном случае имеет место изгибв ту или другую сторону [З].

Звучание ламповой аппаратурычасто характеризуют такимиэпитетами как "бархатное", "мягкое","теплое", естественное и т.п.Чем это вызвано? В первую очередьтем, что у ламп уровень искаженийпри увеличении сигнала возрастаетмедленно, достигая величиннескольких процентов. Такуюзависимость называют "монотоннымискажением". Причем гармоникивыше третьей практическиотсутствуют. Не зря на сменуусилителям класса Hi-Fi (High Fidelity - "высокаяверность") приходятпреимущественно ламповыеусилители класса Hi End (High End - "высокийитог", "наивысший") скоэффициентом нелинейныхискажений до 1%.

В транзисторных усилителяхискажения низки только в рабочейобласти и резко возрастают припереходе ее границ. Характернойособенностью подавляющегобольшинства транзисторныхусилителей является четкоеограничение выходного сигнала приперегрузке по напряжению врезультате насыщения транзисторовпредвыходного каскада (усилителя сОЭ или с ОБ и его нагрузки -генератора тока, рис.6). Этоограничение не всегда симметрично,что приводит к резкому возрастаниювысших гармонических составляющих(до 10% и более) и жесткому, "металлическому"звуча

нию. Как известно, "меандр"содержит около 30% нечетных гармоник.При этом полезная информация навершинах сигнала на времяперегрузки полностью заменяетсяпродуктами искажений в чистом виде.В этом смысле вполне оправданораздельное, двух-или трехполосноеусиление сигналов. Так как уровеньВЧ-составляющих на 10...15 дБ ниже, ихкомпрессирования и полногопропадания не будет.

Для уменьшения искаженийподобного рода непосредственно навходе обычного УМЗЧ устанавливаютамплитудный ограничитель (Limiter).

В многополосном УМЗЧ лимитерустанавливают не на общем входе, атолько на входе усилителя НЧ. Крометого, для усилителей снестабилизированным источникомпитания необходимо учитыватьвозможное снижение напряжения сети.

Возможный вариант улучшениязвучания одноканального усилителяс использованием ограничителя иотдельных активных регуляторовтембра показан на структурнойсхеме (рис.7). В этом варианте приналадке лимитера оставляют запаспо перегрузочной способностиусилителя для СЧ- и ВЧ-составляющих.

Амплитудная модуляция частотвблизи 50, 100 и 200 Гц на максимальноймощности УМЗЧ, питающегося отнестабилизированного источника,также вносит дополнительныеискажения, придающие "басам"жесткость. Устранить этот видискажений можно питанием УМЗЧ отстабилизированного источниканапряжения с током нагрузки вимпульсе не менее 20 А илиувеличением глубины ООС нанесколько порядков в областинижних частот с помощьюинтегратора [2].

Дополнительные призвуки вносит исамовозбуждение УМЗЧ во времяпереходных процессов и при работена комплексную нагрузку.

(Продолжение следует)

(РЛ 5-99)