УМЗЧ на ВЧ и СВЧ транзисторах с малыми нелинейными искажениями

[Mepavel]

Введение

Скрытый текст

Вступление

Скрытый текст

Идея данной разработки возникла с тех пор, как я почувствовал существенную разницу в звучании операционных усилителей (ОУ). Так например, после замены в темброблоке ОУ К544УД2 на LM833 для меня открылся совершенно другой уровень качества звучания. А именно высокая детальность и читаемые «верхи». В свою очередь следующим моим этапом была замена LM833 на LM4562. Последняя микросхема обеспечивала превосходное, чистое и прозрачное звучание без малейшего намёка на искажения. Причём если поставить ручки тембра в средние положения, то услышать разницу звучания с темброблоком и без него практически невозможно. Чего нельзя сказать о LM833 (и уж тем более микросхемах отечественного производителя). В средних положениях ручек тембра наблюдалось бедное (серое) звучание, с заметной потерей прозрачности.
Что касается усилителей мощности, то самым прилично звучащим (хоть и неудачным) в моей практике я считаю усилитель на ОУ с раскачкой по шинам питания, где в качестве драйвера использовалась микросхема OP27 от Analog Devices. Даже 60-ти ваттный усилитель на LM49810 звучал заметно хуже. LM3886 вообще ничем не порадовала, кроме как простотой схемы включения.

[свернуть]

Какой звук усилителя можно считать качественным?

Скрытый текст

Я слушаю больше рок-музыку. Поэтому применительно к ней выскажу два требования для усилителя:
1. Чистые и чёткие высокие частоты.
2. Малые гармонические составляющие.
Эти требования по идее должны способствовать читаемости и уменьшению «песка» (грязи) в звуке.

[свернуть]

В чём секрет высококачественных звуковых ОУ?

Скрытый текст

Насколько я понимаю – увеличение граничной частоты и линеаризация передаточной характеристики, нередко сопровождающаяся большим усилением на постоянном токе при разомкнутой ООС.

[свернуть]

[свернуть]

Текущая версия проекта

Скрытый текст

Усилитель V7_Audio_Amp_RF_T

Электрическая схема УМЗЧ и результаты виртуальных испытаний в MicroCap 9

Схема изначально базировалась на классическом УМЗЧ с раскачкой по шинам питания. В качестве драйвера использовалась нелинейная модель ОУ OP37.
Выходной каскад (ВК) было решено делать только на быстродействующих DMOS транзисторах, включённых по схеме c общим истоком. Такое построение ВК должно обеспечивать больший КПД усилителя и устойчивость (думаю многим известно, что схемы истоковых (да и эммитерных) повторителей склонны к самовозбуждению).
Но как оказалось не всё так просто. Чтобы обеспечить высокую граничную частоту усилителя, необходимо добиться минимальной задержки прохождения сигнала, через весь тракт. В данном случае OP37 уже обеспечивал большую задержку, в добавок он не имеел выводов коррекции. Поэтому в конечном итоге пришлось отказаться от использования микросхем.
Далее оказалось большой проблемой раскачать затворы полевых транзисторов в ВК (IRF530 и IRF9530), поэтому пришлось использовать двухтактные двухкаскадные эмиттерные повторители на BFQ19+BFQ149 и BD139+BD140.
Драйвер усилителя выполнен на маломощных СВЧ транзисторах с граничной частотой >= 5 ГГц. Благодаря этому обеспечивается достаточное быстродействие и чувствительность на высоких частотах.

Результаты моделирования

Тестовые условия: напряжение питания - +/-33 В; нагрузка - активная 4 Ома; средняя синусоидальная мощность 110 Ватт; пиковая мощность - 220 Ватт.

АФЧХ усилителя с открытой обратной связью в 3-х критических точках выходного напряжения v(OUT) {-29V, 0, +29V}

Гармонические составляющие на частоте 1 кГц и 10 кГц, дБ

Интермодуляционные искажения (сигналы 7 кГц и 50 Гц в соотношении 1:1, пиковая мощность 220 Ватт)

Основные параметры усилителя:

• Напряжение питания - двухполярное +/- 33 В
• Номинальное сопротивление нагрузки – 4 Ома
• Номинальная выходная (средняя синусоидальная Ps) мощность – 110 Ватт
• Коэффициент усиления по напряжению - 30 раз
• Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 105 дБ (180 000 раз)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 1 кГц и мощности 110 Вт – минус 100 дБ (0,001%)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 10 кГц и мощности 110 Вт – минус 81 дБ (0,009%)
• Уровень интермодуляционных составляющих (при 7 кГц и 50 Гц (1:1) в пике огибающей 140 Ватт) – минус 94 дБ (0,002%)
• Входная ёмкость - 1 пФ
• Частота единичного усиления (Ft) - 30 МГц
• Запас по фазе (при Ku=30) - 46 - 68 градусов

[свернуть]

Архивные варианты усилителей

Скрытый текст

Один из первых удачных вариантов Audio_Amp_RF_T

Скрытый текст

Основные файлы проекта: Audio_Amp_RF_T_CIR.zip, Audio_Amp_RF_T_PDF.zip

Электрическая схема УМЗЧ и результаты виртуальных испытаний в MicroCap 9

Основные параметры усилителя:

• Напряжение питания - двухполярное +/- 33 В
• Номинальное сопротивление нагрузки – 4 Ома
• Номинальная выходная (средняя синусоидальная Ps) мощность – 70 Ватт
• Коэффициент усиления по напряжению - 30 раз
• Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 124 дБ (1,63*10^6 раз)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 1 кГц и мощности 70 Вт – минус 105,8 дБ (0,00051%)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 10 кГц и мощности 70 Вт – минус 99,4 дБ (0,0011%)
• Уровень интермодуляционных составляющих (при 7 кГц и 50 Гц (1:1) в пике огибающей 140 Ватт) – минус 90.5 дБ (0,0030%)
• Входная ёмкость - 1 пФ
• Частота единичного усиления (Ft) - 10-12 МГц
• Фазовый сдвиг на частоте Ft - 135 градусов

[свернуть]

Внимание!!! В SPICE модели BFQ149 допущена ошибка. Указан неправильный тип транзистора в подсхеме.
Поэтому выложил исправленный файл библиотеки ph_rfdev.lib (лежит в архиве). Его нужно кинуть в папку MC9\LIBRARY (разумеется по желанию свой файл можно сохранить в отдельном месте).

[свернуть]

Достоинства усилителя

Скрытый текст

• Маленькая входная ёмкость (следовательно малое влияние её нелинейности)
• Высокая частота среза
• Высокая линейность
• Большой КПД
• Питание от одного двухполярного источника
• ВК на полевых транзисторах по схеме с ОИ

[свернуть]

Интересные результаты моделирования и варианты схем усилителя

Скрытый текст

• АФЧХ одного из первых вариантов усилителя - #105
• АФЧХ моего дискретного аналога AD797 - #107
• АФЧХ популярной микросхемы LM3886 - #166
• Демонстрация прокачки большой входной ёмкости DMOS-транзисторов - #254
• ViktKors исследует АФЧХ выходного каскада - #281
• Как «подзванивает» истоковый повторитель - #294
• Большие фазовые задержки классической схемы УН+Повторитель - #302
• Как ООС позволяет решить проблему фазовых задержек в УН - #310
• Вариант усилителя, в котором выходной каскад (ВК) - истоковый повторитель, а УН охвачен резистивной ООС по постоянному току - #324
• Исследование меандром 100 кГц. Демонстрация плохой устойчивости этого усилителя при больших амплитудах выходного напряжения - #326
• Первые шаги к построению концепции быстродействующих усилителей, в которых ВК на полевых транзисторах по схеме с ОИ - #338

[свернуть]

Список изменений

Скрытый текст

По второй версии усилителя

Скрытый текст

Дата 29.07.2011

• Уменьшено напряжение питания драйвера до +/-10, чтобы увеличить запас по пробивному напряжению СВЧ транзисторов.
• В усилителе произошла замена СВЧ транзисторов на самые доступные и подходящие:
  Комплиментарная пара NPN BFR92A + PNP BFT92.
  (Pd=300 мВт, Uкб = 20В, Ik= (25-35) мА, Cэ= (0.8-1.2) пФ, Cк= (0.8-1.2) пФ, Ft=5 ГГц, Корпус - SOT-23)
  И NPN BFQ19 + PNP BFQ149
  (Pd=1000 мВт, Uкб = 20В, Ik= 100 мА, Cэ= (4-5) пФ, Cк= (1.6-2) пФ, Ft=(5-5.5) ГГц, Корпус - SOT-89)
• Введена термокомпенсация тока покоя выходных каскадов в диапазоне температур -20 - 85 градусов. Ток покоя (20-80 мА)
• Оптимизирована схема драйвера на базе AD797 и получен уровень THD+IMD меньше минус 115 дБ (0.00017%) (файл MicroCap прилагается )
• Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 124 дБ (измерялось на 100 Гц)

[свернуть]

[свернуть]

[fakel]

Пытаюсь запустить трансиент - говорит матрица сингулярна

[Mepavel]

Ну вы и считаете!
Ток через утюг почти не меняется (ну постоянкой я его питаю) значит 220*0=0, только не пойму, а чего он такой горячий?

Ну и как я считаю? Через него ток покоя течёт положим 1 мА. Ток при открывании транзистора ВК увеличивается до 6 мА. Т.е. на диоде ток меняется от 1 до 6 мА в режиме работы усилителя. Я думаю это понятно и причём здесь утюг с переменным током?
Далее берём формулу
I=I0*( exp[u/ft]-1) (1)
Где I – ток диода; u – напряжение на нём, ft – термодинамический потенциал kT/q – при комнатной температуре 26 мВ; I0 – тепловой ток диода, для 1N4148 – 10^-14 А, поэтому единичкой в выражении (1) можно смело пренебречь, при прямых смещениях.
Таким образом для прямых смещений:

I=I0*exp[u/ft].

Запишем уравнения для двух токов I1 и I2, через соответствующим им падения напряжения на диоде u1 и u2.

I1=I0*exp[u1/ft]. (2)
I2=I0*exp[u2/ft]. (3)

Поделим (3) на (2)

EXP[(u1-u2)/ft]=I2/I1 (4)

Прологарифмируем выражение (4)

(u1-u2)/ft = ln(I2/I1)

Отсюда изменение напряжения равно u1-u2 = ft* ln(I2/I1) = 26 мВ * ln (6/1) = 47 мВ.
Теперь правильно?

[fakel]

Речь о том, что там нелинейные емкости взлетают при большой амплитуде под 1000 пФ

Ну так скомпенсируйте их! По Ларссену. Правда полевики придется включить повторителями

[Mepavel]

Очень плохо, что нету. При чем тут повторитель? Нагрузите схему с общим истоком на источник тока - это и будет холостой ход.

Я вообще не понимаю к чему это? Теперь уже повторитель нагружается на источник тока. В реальности нагрузка обычно 4 или 8 Ома.

Offтопик:
создается впечатление, что участь в институте и получив в общем-то неплохие знания, часть лекций Вы банально про...пустили, оттого и книжка Шкритека кажется Вам скрижалями Хогвардса

Книжка Шкритека для домохозяек. Прочитал уже половину. Вот там написано что-то про перегрузочную способность… то что её надо поднимать и т.п. А что это такое, и в каких случаях нужно поднимать перегрузочную способность? Из-за чего у JFET она больше, чем у BJT? Где ответ на этот вопрос? Это называется тупо делай как тебе говорят, не зная ни физики работы полупроводниковых приборов, ни элементарных познаний электротехники. Может в моём случае и перегружаться особо нечему? А резисторы в эмиттерах дифкаскада заваливают усиление. И искажения сразу растут!.. Потому что схема и так нелинейная, и линеаризовав и без того линейный диф. каскад, остальная часть осталась такой же нелинейной, как и была!

[ViktKors]

Ну так скомпенсируйте их! По Ларссену. Правда полевики придется включить повторителями

А мне это не наадо у меня LM-ка трудится и я вполне доволен, и ООС у нее на ВЧ вполне себе присутствует, спасибо Nick-у

Это к Топикстартеру, с его "высоким КПД"

Кстати, Вы ведь тоже профессионал - "по Ларссену" - это как? объясните, что-ли..

[Mepavel]

Пытаюсь запустить трансиент - говорит матрица сингулярна

fakel, название файла пожалуйста.
P.S. Всем участникам темы сообщаю, что перезалил схемы и теперь ведётся список изменений.

[krulfa]

Ну так скомпенсируйте их! По Ларссену. Правда полевики придется включить повторителями

Нигде ничего не "компенсируется". Просто ток перезарядки этих емкостей пускается по другому маршруту. А токи баз раскачивающих транзисторов, которые тянут ток из УНа, остаются без изменений.

[fakel]

Теперь уже повторитель нагружается на источник тока

Да не повторитель! не повторитель! не повторитель! А ОИ! Еще повторить? Линейность растет с повышением Rнагр.

Из-за чего у JFET она больше, чем у BJT?

2-3В против 26мВ. Разная физика работы

А что это такое, и в каких случаях нужно поднимать перегрузочную способность?

чтобы ДК не насыщался при перегрузке по ОООС и не создавал дин искажений с низким Iпокоя. ППК (RC цепь между ин и неинв входами рулит) рулит. Подробнее - у Дмитриева-Феофилактова.

---------- Добавлено в 23:03 ---------- Предыдущее сообщение в 23:00 ----------

Нигде ничего не "компенсируется". Просто ток перезарядки этих емкостей пускается по другому маршруту. А токи баз раскачивающих транзисторов, которые тянут ток из УНа, остаются без изменений.

Компенсируется. Ток Сзс попадает в исток и оттуда в нагрузку, проверьте в симуляторе
Из этих токов баз убирается емкостная составляющая Скб, поскольку коллекторы драйверов плавают вслед за базами

---------- Добавлено в 23:05 ---------- Предыдущее сообщение в 23:03 ----------

название файла пожалуйста

первый в архиве cir

по Ларссену" - это как?

Коллекторы драйверов на истоки ВК

[krulfa]

Из этих токов баз убирается емкостная составляющая Скб

драйверов, а не выходных транзисторов

поскольку коллекторы драйверов плавают вслед за базами

Составляющая тока перезарядки емкостей выходных транзисторов остается без изменений, а она больше в разы. Чтобы ее убрать, в том или ином виде нужно делать каскод, т.е. ставить два мощных выходных транзистора вместо одного.

---------- Добавлено в 21:11 ---------- Предыдущее сообщение в 21:07 ----------

Кстати, каскод может оказаться интересным продолжением - ток формируют один или несколько мощных RF транзисторов, у которых напряжение на коллекторе не бывает большим, а дальше как раз быстрый полевик с общим затвором, и уже не так важно, какие у него емкости и быстродействие.

[Mepavel]

[SIZE=1]А мне это не наадо у меня LM-ка трудится и я вполне доволен, и ООС у нее на ВЧ вполне себе присутствует, спасибо Nick-у
Это к Топикстартеру, с его "высоким КПД"

Проект Nick-а по стоимости дороже, чем мой усилитель, и не масштабируется по мощности. Звучание его не слышал, предполагаю, что на ВЧ лучше звучит, чем просто Лм-ка.
Вся беда использования в качестве драйвера ОУ в том, что они как правило не имеют цепей внешней коррекции. Отсюда даже при использовании OP37 c граничной частотой 40 МГц, мне пришлось уменьшать граничную частоту до 1 МГц. Да и встроенная коррекция ОУ сильно портит равномерность АЧХ. Поэтому и пришлось делать драйвер на рассыпухе. Чтобы было что покрутить).

Кстати, Вы ведь тоже профессионал - "по Ларссену" - это как? объясните, что-ли..

У меня создаётся такоё впечатление, что fakel сам не понимает как это работает, поскольку не видно никакой там компенсации. Да и объяснения он до сих пор не дал. А гугл ссылается на вегалаб))
Вообще в ВЧ и СВЧ есть компенсация нелинейности ёмкостей, или вообще просто компенсация входной-выходной ёмкости в рабочей полосе частот. Но для звуковых частот это мало подходит.

[fakel]

У меня создаётся такоё впечатление, что fakel сам не понимает как это работает, поскольку не видно никакой там компенсации. Да и объяснения он до сих пор не дал. А гугл ссылается на вегалаб))

Все понимаю, даже сам это придумал, а потом полез в инет и увидел, что все уже придумано до нас.
Объяснял неоднократно в разных ветках, смотрите у Хаксфорда про плавающий каскод. SAPR тоже продвигает компенсацию.

---------- Добавлено в 23:21 ---------- Предыдущее сообщение в 23:17 ----------

драйверов, а не выходных транзисторов

И тех и тех. Просто у ВК емкостная сост-щая теперь крутится по цепи сток-Сзс-эмиттер драйвера-коллектор драйвера-исток, не заходя в нагрузку, расположенную в истоке. В обычном же включении добавляется нагрузка-земля-ист питания-и далее на сток

---------- Добавлено в 23:21 ---------- Предыдущее сообщение в 23:21 ----------

Кстати, каскод может оказаться интересным продолжением - ток формируют один или несколько мощных RF транзисторов, у которых напряжение на коллекторе не бывает большим, а дальше как раз быстрый полевик с общим затвором, и уже не так важно, какие у него емкости и быстродействие.

КПД. Компенсация тот же каскод, только включенный по-другому

---------- Добавлено в 23:23 ---------- Предыдущее сообщение в 23:21 ----------

дальше как раз быстрый полевик с общим затвором

Лучше биполяр - меньше Rвх (выше крутизна), соответственно меньше размах напряжения на стоке нижнего этажа каскода

---------- Добавлено в 23:29 ---------- Предыдущее сообщение в 23:23 ----------

Вот
https://forum.vegalab.ru/showthread....мотать-трансы-))
оторвите транзисторную часть и промодельте АЧХ. затем переключите коллекторы драйверов на шины питания и снова промодельте

[ViktKors]

Offтопик:

Проект Nick-а по стоимости дороже, чем мой усилитель, и не масштабируется по мощности. Звучание его не слышал, предполагаю, что на ВЧ лучше звучит, чем просто Лм-ка..

Ну так Вам же достаточно и 70 ватт (LM-ка даст на 1 дБ меньше) и -80 дБ искажений. Так "загрубите" чуть никовскую схему. Выйдет много дешевле. Я так и делал себе в НЧ-каналы. Что там дорого то? Ваши СВЧ сильно дешевле?
В усилителе 90% стоимости - корпус и питание. Которые нужны любому усилителю, и Вашему в том числе.

А расклад по чуть упрощенной LM-ке с дополнительной петлей прост (в баксах):
LM-ка ...................... 10
стабы питания .......... 15
электролиты на плате..10
np0 коррекции.............3
резисторы (пусть)........5
ОУ..............................5
мелочь всякая...
итого полтинник.

И с КПД у него все в порядке

И АФЧХ ООС разведете себе какую хотите. У LM-ки она от уровня практически не плывет, в отличие от Вашей схемы.

[Mepavel]

первый в архиве cir

Зайдите в окно Tansient Analys. В главном меню выберите
Transient -> Operating Point Methods или сразу Ctrl + Shift + O.
В диалоговом окне нажмите Default и затем Ok. Возможно поможет. Сейчас скачал архив, все схемы считаются при исходных настройках параметра анализа.

2-3В против 26мВ. Разная физика работы

Классный и как обычно необоснованный ответ. Физику работы транзисторов я знаю.
Мне интересен физически механизм перегрузки диф. каскада. Что там происходит такого страшного, если дифференциальное напряжение не превышает 2 вольт? Вот если бы обратная связь обспечивала коэф. Усиления равный 1, тогда вопросов нет. Нужно защищать входные каскады от перегрузки.
Т.е. к чему всё это я! Не зная, что происходит в усилителе, многие используют такие книги – как пособие к действию! И думают, что в Analog Devices работают идиоты.

чтобы ДК не насыщался при перегрузке по ОООС и не создавал дин искажений с низким Iпокоя.

Нет у меня там таких, токов приводящих к перегрузке! Только рабочие (полезные) токи. С таким же успехом я просто последовательно с базой включаю резисторы.

ППК (RC цепь между ин и неинв входами рулит) рулит. Подробнее - у Дмитриева-Феофилактова.

Это классика! Конечно рулит, когда нет возможности спроектировать устойчивый усилитель.

[ViktKors]

Что там происходит такого страшного, если дифференциальное напряжение не превышает 2 вольт?

2 вольта дифф напряжения? И это само по себе не страшно (без эммитерных резисторов-то!)?

[Mepavel]

Компенсируется. Ток Сзс попадает в исток и оттуда в нагрузку, проверьте в симуляторе
Из этих токов баз убирается емкостная составляющая Скб, поскольку коллекторы драйверов плавают вслед за базами

Да, но и усиления по току нет никакого! Называется прямой пролаз))) Какая же это компенсация ёмоксти, когда через эту же ёмкость весь ток уходит в низкоомную нагрузку. Тогда уж последовательно с нагрузкой нужно включать индуктивность, что бы увеличить сопротивление нагрузки на ВЧ.

[fakel]

если дифференциальное напряжение не превышает 2 вольт?

Смоделируйте переходную хар-ку. Она линейна до 56мВ. (компенсация четных гармоник) далее начинаются искажения. А искажения первого каскада ничем не давятся

[Mepavel]

2 вольта дифф напряжения? И это само по себе не страшно (без эммитерных резисторов-то!)?

А что страшного, если пробивное напряжение эмиттерного перехода больше 2-х вольт? Так что подумайте) Или конкретнее пишите, где там могут возникнуть опасные токи, если на вход дифкаскада подать 2 вольта.

[fakel]

Да, но и усиления по току нет никакого!

Ага! ну так, несколько сот тысяч... мелочь

---------- Добавлено в 23:54 ---------- Предыдущее сообщение в 23:53 ----------

Так что подумайте) Или конкретнее пишите,

Mepavel? перестаньте хамить. Пока Вы - круто заваренный чайник, с пробелами в теории

[ViktKors]

Зайдите в окно ...

Выложите нормально работающую схему.
Обсуждать-то нечего.
У Вас ноль на выходе не устанавливается. И ток покоя зашкаливает (раньше зашкаливал, сейчас и понятия токого нет..). Какой уж тут анализ..

[fakel]

Вас никто обучать не обязан

---------- Добавлено в 23:55 ---------- Предыдущее сообщение в 23:55 ----------

Это я Mepavel-у