Иной вопрос - почему до сих пор эти явления не наблюдались при измерениях и не изучались специалистами? Ответить можно примерно так:
1. Они наблюдались, однако, поскольку речь идет об усилителях постоянного напряжения и об искажениях всего в несколько процентов и только во вполне определенных обстоятельствах, их приписывали ошибкам измерения и искажениям, вызываемым самими измерительными приборами и т.п. А большинства специалистов вело себя так, как если бы увидело трехголового барана: в учебниках об этом ничего нет, УПТ не имеют нижней предельной частоты, поэтому этим не стоит и заниматься.
2. Наблюдались и изучались, но не в области HiFi, а при проектировании схем высокой точности и прецизионных методов измерений. Однако, подобно тому как нейрохирургу не до методов убоя свиней, так и специалистам, по уши погруженным в свои запутанные схемы, не было и нет дела до HiFi, так что полученные ими результаты не проникают на эту территорию. А жаль.
Вот почти школьный пример. Где-то в начале шестидесятых годов, еще в эпоху электронных ламп, разработчики схем осциллографов во всем мире столкнулись с каверзным вопросом. Каждый из усилителей постоянного тока, построенный на превосходных, новейших для того времени лампах с большой крутизной и катодом небольшой массы, обнаруживал характерный низкочастотный завал характеристики, хотя в нем и отсутствовал разделительный конденсатор, а напряжение питания имело необходимую степень стабилизации. Непонятно почему, но медленный прямоугольный сигнал на экране осциллографа имел "падающую крышу".
Серия измерений показала, что явление было обусловлено возникающим при подаче управляющего сигнала значительным вторичным изменением величины анодного тока. Работающая на полную мощность лампа при переходе от запертого состояния (малый катодный ток) к открытому (максимальный катодный ток значительной величины) испытывала существенное изменение своего теплового состояния (главным образом, катод). Если за таким критическим каскадом имелись еще каскады со значительным усилением, этот изъян был хорошо виден на экране, приводя к значительным искажениям. Вообще-то очень запутанное явление для внешнего наблюдателя выглядело так, как если бы анодный ток "всасывался" катодом, и катод от этого немного остывал. Это влекло за собой хотя и небольшое, но вполне наблюдаемое изменение параметров (например эмиссии и крутизны) на частотах ниже вполне определенной, хорошо измеряемой частоты (несколько десятков герц).
С точки зрения HiFi, этот дефект вносит искажения на низких и средних частотах - и не такие уж малые: в некоторых случаях искажения формы составляют 10...20 % (при измерениях с прямоугольными импульсами в диапазоне частот 0,1...50 Гц). Вследствие тепловой инерции на более высоких частотах такие искажения уже не обнаруживаются. Для устранения этого явления в УПТ можно использовать параллельную положительную низкочастотную обратную связь, которая компенсирует тепловое поведение лампы данного типа. Естественно, при замене типа лампы потребуется новая настройка, соответствующая новым тепловым связям. Для настройки используются медленные прямоугольные импульсы.
Возвращаясь в наши времена, отметим, что с подобного рода дефектами можно встретиться в большинстве интегральных усилителей звуковых частот (не HiFi, а например ТВ - в серии ТВА800 и т.п., особенно отметим TDA2020). Кроме того, подобного же рода изъяны имеет практически каждый из усилителей полупроводниковых осциллографов.
Почему же эти искажения в усилителях HiFi, иногда не такие уж и малые, не обнаруживаются простыми методами? Объяснение заключается в их капризном характере. Музыкант не использует генератор звука на 1 кГц, а композитор сочиняет музыкальное произведение, а не "килогерцовую сонату". Поэтому форма обычного музыкального
сигнала (с точки зрения рассматривае-мых здесь тепловых эффектов) имеет вид специального электронного квазишума, зависящего от характера исполняемого произведения. Производимый полупроводниками вторичный (паразитный) сигнал также будет шумоподо-бен, т.е. псевдослучаен. Но он находится в тесной причинной связи с управляющим сигналом. Поскольку для звуковых сигналов, проходящих через усилитель, доминирующая тепловая частота одних его частей слишком мала, а других частей - слишком велика, возникающие при этом интермодуляционные, перекрестные и переходные искажения можно было бы проследить только с помощью ЭВМ. Обычно выходные транзисторы имеют небольшую тепловую инерцию, однако частота точки излома как раз попадает в середину звукового диапазона. Не лучше положение и с маломощными транзисторами. Их тепловая постоянная времени критична с точки зрения фазовых соотношений, и может попасть (и попадает) в диапазон частот, располагающихся сразу же за полосой звуковых частот.
Обычно оконечные транзисторы усилителя мощности работают в условиях согласования по мощности (в состоянии покоя Uсе=1/2Uпит), а поэтому основная часть искажений приходится на долю предварительных каскадов. Возникающие в предкаскадах сигналы помех беспрепятственно проходят в остальные каскады усилителя. Усиливаясь, они могут вызвать и дополнительные проблемы (смещение рабочих точек, перегрузки и т.п.).
Из-за тепловых явлений, проходящий через усилитель сигнал всегда сопровождается специфическими помехами. Сигнал помех не имеет вполне определенной частоты, поскольку, с одной стороны, определяется эффективным значением музыкального сигнала, а с другой стороны, возникают компоненты сигнала искажений низких и средних частот, которые с определенной временной задержкой (зависящей от конструкции полупроводникового устройства) сопровождают, словно эхо, изменения звукового сигнала.
Вначале изменяется тепловое состояние самого полупроводникового слоя и контактов, гораздо позже и медленнее - корпуса. Легко понять, что характер искажений будет очень своеобразен, а их величину вряд ли можно предсказать, хотя она может достигать нескольких процентов величины полезного сигнала. Нетрудно понять, что на величину искажений оказывают влияние окружающая температура, а также то, что происходило с усилителем непосредственно перед данным мгновением (только что включен, "орал" уже несколько часов и т.п.). Кроме того, можно ожидать, что при усилении симфонической музыки или соло на фортепьяно с их широким динамическим диапазоном, тепловые искажения будут гораздо больше, чем при усилении попили рок-музыки, когда уровень управляющего сигнала почти постоянен. Однако тепловые искажения в обоих случаях "затягивают" музыкальную мелодию переходными эхоподобными процессами, "смазывают" ее своеобразным гулом и грохотом, существенно "размывают" фазовые соотношения (стереосигналы). Вполне понятно также, что, учитывая уз-кополосность человеческого голоса, появляющиеся в нем искажения будут хорошо слышны, что совершенно непонятно и необъяснимо с традиционной точки зрения. Любопытно, хотя после всего сказанного и не удивительно, что в выходном сигнале будет тем больше искажений высокого тона, чем меньше теплоемкость использованных в схеме полупроводниковых устройств. Но пока для такого типа искажений не разработаны терминология и техника измерений, их как бы и нет. В худшем случае. мы их просто слышим.
Из сказанного выше следует, что нужно заботиться не только об оконечных усилителях. В гораздо худшем положении находятся различного рода корректоры звука (например грампластинок) и предусилители магнитофонов, усиливающие низкие и средние частоты. Конструкторы часто совершают ошибку при проектировании таких усилителей, исходя из того, что сигнал "и без того очень маленький". Поэтому, вследствие тепловых воздействий, их рабочие точки часто оказываются в "плохом" положении.
(Окончание следует)