Druhy provozu (třídy) zesilovačů

autor: kazzatel

Základním druhem provozu zesilovače je třída A, kdy je pracovní bod výkonových tranzistorů zvolen tak, aby klidový proud koncového stupně byl roven maximálnímu výstupnímu proudu. Výstupní součástky proto pracují s velkou trvalou ztrátou, účinnost zesilovače je malá, což je ovšem jeho jediná nevýhoda. V tomto pracovním režimu zcela odpadá problém s přechodovým zkreslením, výkonové součástky pracují v oblasti velkých proudů, mají proto dobrou linearitu a jejich vlastní zkreslení je proto malé. Napájecí napětí v závislosti na vybuzení nekolísá, budící stupeň může mít stabilizované napájení, což je výhodné z hlediska odstupů rušivých napětí a zkreslení. Zesilovače takto řešené jsou ovšem velmi nákladné, neboť musí mít podstatně více dimenzované síťové transformátory a mnohem větší filtrační kapacity ve zdroji. Mnohem rozměrnější (a tím i dražší) musí být i použité chladiče. Tato koncepce zvítězila proto pouze u těch opravdu exkluzivních a drahých přístrojů.

Mnohem lepší účinnost mají zesilovače pracující ve třídě B, popř. třídě AB. Nevýhodou je ovšem vznik přechodového zkreslení, jehož eliminace je velmi těžko řešitelným problémem. S elegantním řešením, které spojilo výhody třídy A (přechodové zkreslení) a třídy B (účinnost), přišla před asi patnácti lety firma Treshold. Jejich koncepci nazývanou třída A+ nebo také Stasis převzaly po zakoupení licence (asi velmi drahé) i firmy Technics a Nakamichi. Princip zapojení (viz obr. 1) je v podstatě velmi jednoduchý. V zesilovači jsou dva zdroje napájecího napětí. Velkým napětím je napájen napěťový zesilovač prvního stupně a výkonový zesilovač druhého stupně. Malým napětím je napájen proudový zesilovač (výstupní obvody) prvního stupně. Zdroj malého napětí nemá uzemněný střed, který je místo toho zapojen na výstup druhého výkonového zesilovače. Zesilovač proudu pracuje ve třídě A, nemá proto přechodové zkreslení, ale protože je napájen jen malým napětím, je ztrátový výkon malý. Střed zdroje malého napětí je soufázově se vstupním signálem "posouván" výstupem druhého výkonového zesilovače, který pracuje ve třídě B. Jinými slovy, zdroje malého a velkého napětí jsou vlastně zapojeny do série, takže výstupní napětí prvního zesilovače je stejné jako výstupní napětí zesilovače druhého a není limitováno malým napájecím napětím proudového zesilovače. Podmínkou je ovšem zcela přesná fázová charakteristika obou zesilovačů. Výsledkem je jen nepatrně zhoršená účinnost oproti třídě B, nevýhodou je větší složitost zapojení a větší (vlastně dvojnásobné) náklady. Většímu rozšíření (kromě ekonom. důvodů) pravděpodobně zabránila licenční politika autorské firmy.

Jinými způsoby řešení eliminací přechodového zkreslení se zabývali především japonské firmy. Principy zpravidla spočívaly v zavedení lokálních zpětných vazeb, kladných, záporných i kombinovaných, měnících klidový proud nesymetricky v obou větvích zesilovače. Tato problematika je ale již dosti složitá, proto se o ní nebudu podrobněji rozepisovat (ostatně se ani necítím dostatečně znalým).

Za nejlepší princip osobně považuji obvodové řešení v angličtině označované jako "error correction", jehož autorem není kupodivu Japonec, ale Angličan, pan Hawksfort. Jeho články a myšlenky jsou vždy naprosto dokonalé a doporučuji proto se na toto jméno v dostupné literatuře soustředit. Chybová korekce spočívá v použití lokální zpětné vazby, eliminující přechodové zkreslení v samotném místě jeho vzniku, tj. ve výstupním a budícím obvodu. Popisované řešení je natolik účinné, že zmenší toto zkreslení minimálně o jeden řád.

Požadavek na zvětšení hudebního výkonu vedl ke konstrukcím zesilovačů označovaných jako třída G. Princip je odvozen ze statického vyhodnocování přirozeného hudebního signálu, přesněji řečeno z vyhodnocování poměru střední a špičkové úrovně, případně z časového rozložením špičkových úrovní. Vychází se při něm z poznatku, že špičky "ční" ze signálu poměrně osamoceně. Je proto zbytečné zesilovač dimenzovat na sinusový výkon jejich úrovně, když je střední hodnota hudebního signálu mnohem nižší. Zesilovač je proto řešen tak, že jeho koncové tranzistory jsou zapojeny do série a do série jsou zapojeny i napájecí zdroje (v každé větvi). Při malých výstupních úrovních je energie čerpána ze zdroje s nižším napětím a výstupní proud prochází jen spodním tranzistorem. Při vyšších výstupních napětích se otevře i tranzistor horní a energetická špička čerpá energii ze zdroje vyššího napětí. Tento zdroj musí mít proto velkou filtrační kapacitu (akumulátor energie), ale vinutí napájecího transformátoru může mít malý průřez (čili velký vnitřní odpor). Prodleva mezi špičkami, která je vždy dostatečně velká, dovolí znovu nabít filtrační kondenzátory. Síťový transformátor může být proto malý (a relativně levný). Při přechodu do sepnutí vyššího napájení vzniká ale bohužel jisté zkreslení, které je podobné zkreslení přechodovému. Není sice tak slyšitelné, neboť je maskováno větší úrovní, ale právě z tohoto důvodu zesilovače řešené popsaným způsobem do vyšší kategorie nepronikly. Ze známých firem používá tento princip například firma Carver, která navíc používá v napájecím zdroji ještě jednu "fintu", o které se ale zmíním dále.

Posledním řešením je spínací zesilovač se šířkovou modulací. Princip je myslím dostatečně znám, nebudu se proto jeho popisu věnovat. Výhodou je vysoká energetická účinnost a z ní plynoucí malé rozměry přístrojů, čehož se s výhodou využívá u mobilních ozvučovacích aparatur. Nevýhodou jsou problémy s dostatečným odstíněním vysokofrekvenčního vyzařování, které tyto přístroje produkují, případně i relativně velké zkreslení na vysokých kmitočtech. Princip bude pravděpodobně v budoucnosti dále rozvíjen, až budou k dispozici výkonové spínače s ještě kratšími spínacími časy.

Vlastní obvodová řešení
Výkonový zesilovač má zpravidla blokové schéma, které vidíme na obr. 2. Prvním stupněm je vstupní zesilovač, řešený zpravidla jako diferenciální, druhým stupněm je napěťový zesilovač, dalším pak obvod pro nastavení a stabilizaci klidového proudu koncového stupně. Následuje pojistka pro omezení maximálního výstupního proudu a konečně vlastní zesilovač proudu. Celý zesilovač je pak svázaný napěťovou nebo proudovou zpětnou vazbou.

Vstupní zesilovač
Hlavní požadavky na vstupní zesilovač výkonového stupně jsou zhruba následující:

• dobrá linearita a potlačení soufázové složky

• vysoká rychlost

• teplotní stabilita

Z běžných zapojení těmto požadavkům nejlépe vyhoví diferenciální zesilovač osazený bipolárními křemíkovými tranzistory s velkým zesilovacím činitelem, o něco méně vhodné jsou tranzistory řízené polem a to ještě jen ty typy s velkou strmostí. Linearita diferenciálního zesilovače osazeného moderními křemíkovými tranzistory zpravidla vyhovuje, ale pro opravdu nejvyšší nároky lze tento parametr vhodným zapojením dále vylepšit. Pro dobrou rychlost tohoto stupně volíme vhodný pracovní bod nebo spíše větší pracovní proud (řádově jednotky miliampér). Zvětšuje se tím zpravidla i šum, ale to při dané citlivosti výkonového zesilovače příliš nevadí. Mnoho moderních výkonových zesilovačů používá tzv. celosymetrické zapojení (zesilovací řetězec není komplementární jen ve výstupní a budící části, ale i v předchozích stupních). Toto řešení má jednu velkou výhodu a tou je, že vstupní rozkmitové stupně pracují s tranzistory komplementárními a jsou proto z hlediska stejnosměrného napětí zapojeny sice v sérii, protože ale pracují v třídě A, z hlediska střídavého signálu pracují paralelně. Použijeme-li proto na patřičných zrcadlových místech součástky se stejnými parametry, bude tímto způsobem velmi dobře potlačeno vzniklé zkreslení, neboť to se sečtením signálu obou větví vyruší. Jako vstupní zesilovač je možné použít i dobrý monolitický operační zesilovač. Zdůrazňuji dobrý zesilovač, s vlastním zkreslením v řádu jednotek tisícin procenta a menším.

Napěťový zesilovač
Úkolem napěťového zesilovače je zesílení vstupního napětí na úroveň potřebnou k plnému otevření výkonových tranzistorů. Musí být navržen tak, aby měl dobrou linearitu, vysokou rychlost přeběhu a malou výstupní impedanci. Spolu se vstupním zesilovačem musí mít tento stupeň vysoký zisk naprázdno, případně i velkou šířku přenášeného pásma. Podmínku vysokého zisku naprázdno lze snadno splnit na nízkých kmitočtech. Se zvyšováním frekvence signálu ovšem přicházejí problémy. Zatěžovací impedance následujícího stupně nemá pouze reálnou složku, ale také velkou složku kapacitní (kapacita přechodů BE, kapacita plošných spojů). Současně se začnou uplatňovat i zpětnovazební (Millerovy) kapacity samotného napěťového zesilovače. Výsledkem je postupný pokles zisku směrem k vyšším kmitočtům, rezerva smyčky záporné zpětné vazby se začne zmenšovat, což charakterizuje nárůst zkreslení.

Nesmírně důležitým parametrem kvalitního nízkofrekvenčního zesilovače je jeho chování v limitaci. Osobně si myslím, že to je jedna z hlavních příčin, proč jsou mezi zesilovači slyšitelné rozdíly. Vycházejme z předpokladu, že každý výkonový zesilovač občas pracuje v limitaci. Zesilovač je sestaven z několika funkčních celků, které mají různý mezní kmitočet. Vstupní a rozkmitové stupně jsou osazeny tranzistory s mezním kmitočtem o jeden až dva řády vyšším než mají tranzistory výkonové. Při limitaci ve vnitřní struktuře zesilovače začne zpravidla nejprve limitovat výkonový stupeň. Protože tím okamžitě ztratí schopnost řízení, zesilovač se začne chovat tak, jako by byla rozpojena zpětná vazba. Zesílení se prudce zvětší, do limitace se dostane i rozkmitový stupeň, jehož bázový přechod je nyní buzen předchozím stupněm do hluboké saturace, do hluboké saturace se proto dostane i výkonový stupeň. V okamžiku, kdy se změní polarita vstupního signálu, jsou bázové přechody všech stupňů přesyceny nosiči nábojů, jejichž rekombinace je ale různě dlouhá, z limitace se nevracejí ve stejný okamžik a nejdelší dobu to trvá právě výkonovému tranzistoru. Tento jev lze částečně potlačit vnitřní kmitočtovou kompenzací rozkmitového stupně a to buď přímo v něm, nebo zavedením zpětné vazby přímo do vstupního zesilovače. Tento způsob není ale nikdy dokonalý a navíc, což je velmi nemilé, zmenšuje zisk naprázdno na vysokých kmitočtech, čímž prudce vzrůstá zkreslení. Saturace ve vnitřní struktuře zesilovače se projeví oním typickým "odtržením" a zákmity při odběhu z limitace. Toto zkreslení nemá harmonický charakter, perioda zákmitu je dána dobou rekombinace nosičů nábojů a různou velikostí vnitřních kapacit, lidské ucho je na takové zkreslení proto velmi citlivé. Subjektivně si ani nemusíme uvědomovat, že zesilovač limituje, vždyť "máme k dispozici tak velký výkon a hrajeme tak potichu", ale opak je pravdou, viz úvod (při velmi malých hlasitostech se uplatní zase přechodové zkreslení). Nejspíš proto se tak líbí elektronkové zesilovače, neboť zde se popsaný jev zdaleka tak neuplatní. Tyto zesilovače pracují s podstatně menším ziskem naprázdno, všechny stupně jsou přibližně stejně rychlé a je jich méně. Polem řízené prvky nemají saturaci, mají proto velmi krátké rozpínací časy. Převodní charakteristika elektronek je v kraji navíc velmi zakřivená, limitace není proto ostrá, ale zakulacená, což má ucho "rádo". Také výstupní transformátor nepřenáší dobře vysoké kmitočty, čímž se tento jev ještě dále potlačí. Nepochopení problematiky vede nyní různé výrobce k tomu, aby konstruovali zesilovače s malým ziskem naprázdno a z toho plynoucí malou nebo i žádnou celkovou zpětnou vazbou. Protože se od elektronkových zesilovačů jaksi odvodilo obecné povědomí, že "malá vazba = pěkný zvuk", zavádějí to výrobci i u takto řešených zesilovačů tranzistorových, což i patřičně v reklamě zdůrazňují. Pravda je ovšem taková, že tyto zesilovače mají díky výše popsanému o jeden až dva řády větší základní zkreslení a i další nectnosti (např. špatnou stejnosměrnou stabilitu).

Řešení problematiky je po pochopení problému prosté a elegantní. Je totiž nutné zabránit saturaci výstupních tranzistorů, případně potlačit hlubokou saturaci rozkmitového stupně. Saturaci koncového stupně můžeme zabránit dvěma způsoby:

1. napájet je vyšším napětím než stupně předchozí

2. zkonstruovat zesilovač tak, aby limitoval dříve stupeň rozkmitový (jedná se v podstatě jen o jinou variantu předchozího způsobu)

Snažší a lacinější je ten druhý způsob. Oba způsoby sice nepatrně zhoršují účinnost zesilovače, ale to prakticky vůbec nevadí. Potlačení saturace rozkmitového stupně lze elegantně vyřešit zavedením nelineární zpětné vazby, jak je naznačeno na obr. 3. Při malých úrovních výstupního signálu se dioda v obvodu nijak neuplatní (jen její parazitní kapacita, ale ta je zanedbatelně malá). Ve chvíli, kdy se ale kolektorové napětí T3 přiblíží napětí UB, dioda se otevře a zesílení se téměř skokově zmenší. Stejnou měrou se zmenší i zesílení celého zesilovače, nedojde proto k saturaci ani následujícího stupně. Výsledkem jsou zcela perfektní průběhy při odběhu z limitace, navíc je ještě limitace podobná přístrojům elektronkovým, neboť dioda má v propustném směru charakteristické "koleno".