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无线电电子与电气工程百科全书 HiFi 放大器中的热失真。 第2部分.无线电电子电气工程百科全书
考虑最简单的半导体电路（图 1），其中半导体二极管与传统电阻器一起形成串联电路。 这样的电路可用于 HiFi 放大器（图 2）。 如果电路已经开启很长时间，并且已经建立了一些热平衡，则输出电压 Uout 是恒定的。 随着输入信号的增加，流过电路的电流增加。 在其影响下，二极管两端的电压降略有增加，并开始升温。 加热一直持续到达到新的热平衡，然后一切都在新的条件下稳定下来。
大多数测量都是在这一刻完成的，满足于记录一个新的热平衡。 如果半导体二极管的电阻在加热的影响下没有变化，一切都会好起来的，由于负温度系数，导致二极管两端的电压降降低。 因此，电压降既有上升也有下降，而这一切都发生在不同的时间点。 随着电流的增加，电压降的增加几乎立即发生（具有皮秒和纳秒数量级的“电子”延迟时间），而它的降低取决于二极管和外壳的加热速率（缓慢，以“热”速率）。 加热的特点是有几个时间常数。 质量较小的半导体结本身升温最快。 封装在外壳中的整个二极管的加热速度要慢得多。 考虑到所有这些影响输出电压的缓慢衰减过程，很容易得出结论，二极管对电流突变的响应首先是电压突变，然后其电平将逐渐接近初始值（此外，接近率将由几个时间常数决定）。 因此，电路对常规电流浪涌的传输并不理想，会出现“尖峰”，其幅度和衰减时间常数与任何电气特性无关。 由此产生的失真纯粹是热的。 很明显，在这种情况下，我们是在谈论分立的二极管和晶体管，还是在谈论集成电路，都没有区别。 由于既有大型二极管也有微型二极管，时间常数的分布范围可能非常广泛。 让我们对最简单的射极跟随器进行同样的异常分析，其方案如图 3 所示。 让我们问自己一个问题，这样的电路是否具有低频时间常数（下限频率）和由它引起的频率相关瞬态？ 根据教科书，专家和非专家齐声回答——不！ 我们根据以往的经验，仔细研究一下。
让我们假设电路已经开启了很长时间，晶体管及其环境已经达到某种热平衡，此时晶体管上的功率 P1 被耗散，从而使晶体管的温度保持恒定。 Uce1*Ic1=P1 让我们通过显着改变输入电压来改变晶体管的工作点。 一旦晶体管的集电极电流发生变化（尽管在这里可以考虑时间常数），发射极-集电极电压也会发生变化。 晶体管现在将消耗功率 P2 Uce2*Ic2=P2, 这与上述不同，这将导致晶体管的既定温度发生变化。 为了说明在这种情况下出现的失真，从要控制的一组参数中，我们将选择最容易测量的一个 - 电压 Ueb 在稳定状态下，在射极跟随器的输出端有 Uout1=Uin1-Ueb1。 这可以很容易地用万用表测量。 第一时刻输入电压的变化几乎完全落在输出端。 但是，现在晶体管具有不同的工作点，对应于功耗 P2。 这会影响电压 Ueb (-2 mV/°C) 并导致输出电压出现偏移（漂移）（因为与之前的状态相比，晶体管现在要么更冷或更暖）。 必须将电压变化（以正确的极性）添加到输出电压，并且根据具体情况确定热时间常数。 以下是关键问题： - 热时间常数的值是多少； 晶体管在新的工作点如何升温或冷却取决于它在前一个工作点的状态。 如果晶体管工作在功率匹配状态（Uce=0,5Upit），那么它会通过冷却来响应工作点的任何变化。 因此，在这种情况下，在一些小的恒定控制电压的影响下，晶体管总是会产生一个相同类型的噪声信号，该噪声信号被添加到输出信号中。 如果晶体管的工作点不同于约定的工作点，则在新的工作点处，晶体管既可以冷却也可以升温。 在这种情况下，出现在输出端的干扰信号的极性将取决于控制信号的极性。 根据控制信号，现在可以在输出信号中添加或减去热噪声信号。 考虑一个差分放大器电路（图 4），从历史的角度来看，这也是令人感兴趣的 - 几十年前，该电路产生的热失真构成了所有热失真的主要部分。
有两种情况是可能的。 在第一种情况下，当差分放大器的功率匹配时，控制信号的作用导致两个晶体管（具有几乎相同的尺寸）冷却。 然后，在晶体管集电极上可用的放大信号中，出现一个新的同相分量（在冷却的影响下，Ueb 增加，集电极电流增加，并且， 结果，集电极电压降低）。 在不利的情况下，该分量可能会在放大器中进一步扩散，例如，“敲除”推挽输出级的工作点设置，或导致其他级的工作点发生令人不快的偏移。 通常说输出差分信号没有明显的干扰。 产生的共模信号的幅度与输入控制电压和共模电压增益成正比，这是一个很好的近似值，由集电极和发射极电阻的比率决定。 由于这些值对于音频放大器来说通常非常接近，我们可以假设共模信号被放大了几倍（例如，1 ... 10）。 因此，如果级中已经有足够高电平的差分信号，则共模电压值可以相当大。 该信号（共模）本身是听不到的，但会干扰后续阶段的工作点。 顺便说一句，导致半导体器件温度变化的环境温度变化具有完全相同的效果（例如，在炎热的晴天或寒冷天气使用放大器时）。 总结了两种考虑的影响。 因此，在设计 HiFi 放大器时，仅仅关注静态热耦合是不够的。 还需要考虑上述动态共模效应。 在第二种情况下，当差分放大器在功率不匹配的情况下工作时，在控制信号的影响下，输出端会出现瞬态，该瞬态具有热时间常数。 在幅度和频率上，它们在这种情况下与控制信号相当，它们可以被检测为有用差分输出信号的失真，以适当的方式测量或听到。 由于其中一个晶体管会升温而另一个会冷却，因此会出现反相噪声信号，这实际上与有用信号无法区分。 一个棘手的问题是热时间常数的值。 在任何目录中都没有这方面的数据，这里只能依靠一些实验事实。 其中一些实验数据发表在许多感兴趣的公司（例如，泰克、飞利浦、Ates 等）的高度专业化的短期发行出版物上。 对他们来说，这些数据并不算太意外。 “体面”尺寸的晶体管半导体 pn 结，例如 2N3055（我们还不是在讨论封装中的半导体器件本身，其尺寸也可能取决于系列和制造商）可以热跟踪（即热量）上升/冷却）频率达到上限 - 大约 1 kHz。 具有较小 p-n 结的器件（例如 BC107 甚至更小）的跟踪频率高达 90 kHz (!)。 对于表面贴装元件（SM - Surface Montage）和集成电路，截止频率甚至更高。 当然，半导体芯片和封装之间存在良好的热接触，并且根据从接触处传递的热量，封装的大热常数往往会抑制温度波动。 我认为现在很清楚，直流放大器（例如，图 3 中所示的射极跟随器，也是一种 UPT）具有与例如 200 MHz 发射器相同的较低（！）截止频率追随者。 这些音频失真不能通过传统方法测量。 测量中经常使用的“等到电路升温”的原则恰恰绕过了这里考虑的问题。 但是，当通过 HiFi 放大器收听一段音乐时，如何检测到这种效果呢？ 当然，我们最感兴趣的是效果的大小。 从进行的测量中可以看出，以这种方式在放大器中产生的次级信号（可被视为失真）可以轻松达到有用信号幅度的 5 ... 20%。 很有可能很多读者的书架上放着塑料外壳的HiFi功放，“随行人员”都还好，同时热失真也非常强。 它们不一定总是扭曲一切，而只会扭曲某些旋律和某些声音组合（在打击之后等）。 使用传统的失真测量方法，放大器看起来非常好。 作者：S.GYULA； 出版：N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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