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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 HiFi 증폭기의 열 왜곡. 2부. 무선전자공학 및 전기공학 백과사전
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 트랜지스터 전력 증폭기 반도체 다이오드가 기존 저항과 함께 직렬 회로를 형성하는 가장 단순한 반도체 회로(그림 1)를 고려하십시오. 이러한 회로는 HiFi 증폭기에 사용할 수 있습니다(그림 2). 회로가 오랫동안 켜져 있고 일부 열 평형이 설정되면 출력 전압 Uout은 일정합니다. 입력 신호가 증가함에 따라 회로에 흐르는 전류가 증가합니다. 그 영향으로 다이오드 양단의 전압 강하는 약간 증가하고 더 가열되기 시작합니다. 가열은 새로운 열평형에 도달할 때까지 계속되고 모든 것이 새로운 조건에서 안정화됩니다.
대부분의 측정은 이 순간에 완료되며 새로운 열평형을 등록하는 것으로 만족합니다. 가열의 영향으로 반도체 다이오드의 저항이 변하지 않으면 모든 것이 괜찮을 것입니다. 이는 음의 온도 계수로 인해 다이오드 양단의 전압 강하를 감소시킵니다. 따라서 전압 강하의 증가와 감소가 모두 있으며 이 모든 것이 다른 시점에서 발생합니다. 전류 증가에 따른 전압 강하 증가는 거의 즉시 발생하며(피코 및 나노초 정도의 "전자적" 지연 시간 사용), 감소는 케이스와 함께 다이오드의 가열 속도에 의해 결정됩니다( 천천히, "열" 속도로). 난방은 여러 시간 상수가 특징입니다. 질량이 작은 반도체 접합 자체가 가장 빨리 가열됩니다. 하우징에 포함된 전체 다이오드는 훨씬 더 천천히 가열됩니다. 시간이 지남에 따라 천천히 감쇠하고 출력 전압에 영향을 미치는 이러한 모든 과정을 고려할 때 전류의 급격한 변화에 대한 다이오드의 응답은 먼저 전압의 급격한 변화이며 그 수준은 점차 초기 값에 접근한다는 결론을 내리기가 쉽습니다. (그리고 접근 속도는 여러 시간 상수에 의해 결정됩니다) . 따라서 회로에 의한 규칙적인 전류 서지의 전송은 이상적이지 않고 "슈트"가 나타나며 그 크기와 감쇠 시간 상수는 전기적 특성과 관련이 없습니다. 결과 왜곡은 순전히 열적입니다. 이 경우 개별 다이오드와 트랜지스터 또는 집적 회로에 대해 이야기하고 있는지 여부는 차이가 없습니다. 거대 다이오드와 소형 다이오드가 모두 있기 때문에 시간 상수의 확산은 매우 넓을 수 있습니다. 가장 단순한 이미터 팔로워에 동일한 비정상적인 분석을 적용해 보겠습니다. 그 구성표는 그림 3에 나와 있습니다. 이러한 회로에 저주파 시정수(하한 주파수)와 이로 인해 발생하는 주파수 종속 과도 현상이 있습니까? 교과서를 바탕으로 전문가와 비전문가가 일제히 답변 - NO! 우리는 이전의 경험을 통해 그것을 자세히 살펴봅니다.
회로가 꽤 오랫동안 켜져 있고 트랜지스터와 그 환경이 이미 열 평형에 도달했다고 가정해 봅시다. 이 열 평형에서 트랜지스터의 온도를 일정하게 유지하면서 전력 P1이 트랜지스터에서 소산됩니다. Uce1*Ic1=P1 입력 전압을 크게 변경하여 트랜지스터의 동작점을 변경해 보겠습니다. 트랜지스터의 컬렉터 전류가 변경되자마자(여기서 시정수를 고려하는 것이 가능하지만) 이미미터-컬렉터 전압도 변경됩니다. 트랜지스터는 이제 전력 P2를 소모합니다. Uce2*Ic2=P2, 이는 위와 다르며 트랜지스터의 설정 온도가 변경됩니다. 이 경우에 발생하는 왜곡을 설명하기 위해 제어할 매개변수 세트에서 가장 쉽게 측정되는 전압 Ueb 중 하나를 선택합니다. 정상 상태에서 이미 터 팔로워의 출력에는 다음이 있습니다. Uout1=Uin1-Ueb1. 멀티미터로 쉽게 측정할 수 있습니다. 첫 번째 순간의 입력 전압 변화는 거의 완전히 출력에 떨어집니다. 그러나 이제 트랜지스터는 전력 손실 P2에 해당하는 다른 동작 지점을 갖습니다. 이것은 Ueb 전압(-2mV/°C)에 영향을 미치고 출력 전압에서 오프셋(드리프트)을 일으킵니다(트랜지스터가 이전 상태에 비해 조금 더 차갑거나 더 따뜻하기 때문입니다). 전압 변경은 출력 전압에 추가되어야 하며(올바른 극성으로) 열 시간 상수는 경우에 따라 결정됩니다. 주요 질문은 다음과 같습니다. - 열 시간 상수의 값은 얼마입니까? 트랜지스터가 새로운 동작점에서 가열되거나 냉각되는 방식은 이전 동작점에서의 상태에 따라 다릅니다. 트랜지스터가 전력 정합(Uce=0,5Upit) 상태에서 작동하면 작동점의 변화에 따라 냉각되어 반응합니다. 따라서이 경우 작은 일정한 제어 전압의 영향으로 트랜지스터는 항상 동일한 유형의 노이즈 신호를 생성하고 출력 신호에 추가됩니다. 트랜지스터의 동작점이 합의된 것과 다른 경우, 새로운 동작점에서 트랜지스터는 냉각되고 가열될 수 있습니다. 이 경우 출력에 나타나는 간섭 신호의 극성은 제어 신호의 극성에 따라 달라집니다. 제어 신호에 따라 이제 열 잡음 신호를 출력 신호에 더하거나 뺄 수 있습니다. 역사적 관점에서도 흥미로운 차동 증폭기 회로(그림 4)를 고려해 보십시오. 수십 년 전만 해도 이 회로에 의해 생성된 열 왜곡이 모든 열 왜곡의 주요 부분을 구성했습니다.
두 가지 가능한 상황이 있습니다. 첫 번째 경우, 차동 증폭기의 전력이 일치하면 제어 신호의 영향으로 두 트랜지스터(거의 동일한 치수를 가짐)가 냉각됩니다. 그런 다음 트랜지스터 콜렉터에 존재하는 증폭된 신호에 새로운 동위상 구성 요소가 나타납니다(냉각의 영향으로 Ueb가 증가하고 콜렉터 전류가 증가하며, 결과적으로 컬렉터 전압이 감소합니다). 바람직하지 않은 경우 이 구성 요소가 증폭기에서 더 확산될 수 있으며 예를 들어 푸시풀 출력 단계의 작동 지점 설정을 "노크"하거나 다른 단계의 작동 지점에서 불쾌한 이동을 유발할 수 있습니다. 일반적으로 출력 차동 신호에는 큰 간섭이 없다고 합니다. 결과적인 공통 모드 신호의 크기는 입력 제어 전압과 공통 모드 전압 이득에 비례합니다. 이는 컬렉터와 이미터 저항의 비율에 의해 결정되는 근사치입니다. 이러한 값은 일반적으로 오디오 주파수 증폭기에 매우 가깝기 때문에 공통 모드 신호가 여러 번 증폭된다고 가정할 수 있습니다(예: 1 ... 10). 따라서 스테이지에 이미 충분히 높은 수준의 차동 신호가 있는 경우 공통 모드 전압 값은 상당히 클 수 있습니다. 이 신호(공통 모드)는 그 자체로 들을 수 없지만 후속 단계의 작동 지점에 교란 효과를 줄 수 있습니다. 그건 그렇고, 반도체 장치의 온도 변화로 이어지는 주변 온도의 변화는 정확히 동일한 효과를 갖습니다(예: 더운 화창한 날 또는 서리가 내린 날씨에 증폭기를 사용할 때). 고려된 두 가지 효과가 요약됩니다. 따라서 HiFi 증폭기를 설계할 때 더 이상 정적 열 결합을 처리하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 또한 위에서 언급한 동적 공통 모드 효과를 고려해야 합니다. 두 번째 경우, 차동 증폭기가 전력 불일치로 작동할 때 제어 신호의 영향으로 열 시간 상수를 갖는 출력에서 과도 현상이 발생합니다. 크기와 주파수 면에서 이 경우 제어 신호와 비슷하며 유용한 차동 출력 신호의 왜곡으로 감지되고 적절한 방식으로 측정되거나 들립니다. 트랜지스터 중 하나는 가열되고 다른 하나는 냉각되기 때문에 역위상 노이즈 신호가 발생하며 이는 유용한 신호와 실질적으로 구별할 수 없습니다. 까다로운 질문은 열 시간 상수의 값입니다. 어떤 카탈로그에도 이에 대한 데이터가 없으며 여기에서는 일부 실험적 사실에만 의존할 수 있습니다. 이러한 실험 데이터 중 일부는 관심 있는 여러 회사(예: Tektronix, Philips, Ates 등)의 고도로 전문화된 단기 발행 간행물에 게시됩니다. 그들에게 이러한 데이터는 너무 예상치 못한 것이 아니었습니다. 2N3055와 같은 "괜찮은" 크기의 트랜지스터 반도체 pn 접합(패키지의 반도체 장치 자체에 대해서는 아직 언급하지 않았으며 그 크기는 시리즈 및 제조업체에 따라 달라질 수 있음)은 열적으로 추적할 수 있습니다(즉, 가열/냉각) 주파수는 상한(약 1kHz)까지입니다. BC107과 같이 pn 접합이 더 작거나 더 작은 장치는 최대 90kHz(!)의 주파수를 추적합니다. 표면 실장 요소(SM - Surface Montage) 및 집적 회로의 경우 제한 주파수가 훨씬 더 높습니다. 당연히 반도체 결정과 케이스 사이에는 열 접촉이 양호하며, 케이스의 열 상수가 크면 접촉점에서 전달되는 열량에 따라 온도 변동이 완화되는 경향이 있습니다. 이제 DC 증폭기(예를 들어, UPT의 일종인 그림 3에 표시된 이미 터 팔로워)가 예를 들어 200MHz 이미터와 동일한 더 낮은(!) 차단 주파수를 갖는다는 것이 분명하다고 생각합니다. 수행원. 이러한 오디오 주파수 왜곡은 전통적인 방법으로 측정할 수 없습니다. 측정에 자주 사용되는 "회로가 예열될 때까지 기다리십시오"라는 원칙은 여기에서 고려되는 문제를 정확하게 우회합니다. 그러나 HiFi 앰프를 통해 음악을 들을 때 이 효과를 어떻게 감지할 수 있습니까? 물론, 우리는 효과의 크기에 가장 관심이 있습니다. 수행된 측정에서 증폭기에서 이러한 방식으로 발생하는 5차 신호(왜곡으로 인식될 수 있음)는 유용한 신호 진폭의 20 ... XNUMX%에 쉽게 도달할 수 있음이 밝혀졌습니다. 많은 독자들이 플라스틱 케이스의 HiFi 앰프를 책꽂이에 놓고 "측근"과 잘 어울리는데도 매우 강한 열 왜곡을 가지고 있을 가능성이 큽니다. 그것들은 반드시 모든 것을 왜곡하지는 않으며 항상 특정 멜로디와 특정 사운드 조합(타격 후 등)만 왜곡합니다. 그리고 왜곡을 측정하는 전통적인 방법을 사용하면 증폭기가 매우 좋아 보입니다. 저자: S.GYULA; 간행물: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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