Усилитель напряжения, оптимальный вариант?

[leonidNV]

Вопрос не праздный, уж очень по разному они все играют:)

Уже несколько раз в нете натыкался на подобную схемотехнику усилителя напряжения, что скажет просвещенная публика?
Будет ли данная схема лучше обычного токового зеркала?
Какие возможны проблемы?
Да и вообще напишите кто что думает по поводу "идеала" в данном вопросе, да и есть ли он?

Много ли вариантов?
- Каскод обычный.
- Каскод по Хаксфорду.
- Токовое зеркало.
- Токовое зеркало с каскодом.

Всречал даже схему где товарищь совместил токовое зеркало с каскодом по Хаксфорду. (На мой взгляд наиболее оптимальный вариант)

Данная схемка несколько особняком, но и с ней можно проделать все вышеперечисленные операции, был бы толк:)

Ваше мнение господа...

[Nick]

О какой именно "базовой" ёмкости идёт речь, Скб или Сэб и какого транзистора - включенного ОЭ или ОБ?

Главным образом Скб, того что усиливает по напряжению. Остальные ёмкости не играют большой роли, так как разности напряжений там небольшие. А вообще ток базы этого транзистора, если так можно сказать "учитывается" с помощью ПОС, практически все паразитные эффекты в нём не играют такой большой роли как в обычном каскоде.

Добавлено через 1 час 2 минуты
Вообще shkal, вы правы в некотором смысле, схема Хаксфорда будет очень линейной и при относительно высокоомной резистивной нагрузке (до 50-70к, выше уже хуже), но это без учёта ВК, если же подключить даже 3-ку в А, все преимущества уйдут на нет, если нагрузочный резистор больше 20к. Поэтому с точки зрения искходной линейности УН лучше делать как можно более сильноточным и нагружать на относительно низкоомный резистор. Это правда может ухудшить линейность при чрезмерном токе, но это можно пофиксить используя несколько транзисторов в параллель (тех что не усиливают по напряжению, как тут). Или применить транзистор с более линейной зависимостью беты от тока, на относительно больших его величинах, но этот вариант может быть хуже для ОС-ного усилителя, так как такие тра-ры обычно более медленные.

Добавлено через 25 минут

Да, понравилось.
Посимулирую по свободе.

Входная часть и УН, нагруженный на 10к (без ВК), по симуляциям даёт около 0.003% искажений при 20вольтах 20кГц...

[shkal]

Nick, давай по очереди.
Предположим для исключения лишних сущностей, что мы рассматриваем мою схему из поста 15. ВК пока не учитываем.
1) Тезис о преобладании роли Скб в нелинейности выходного сопротивления обычного каскода неверен. Возьмём транзистор 2SC3381.
У него при изменении Uкэ от 3 до 40 В выходная проводимость изменяется от 4 до 2 мкСм (т.е сопротивление от 250к до 500к), а ёмкость Скб от 5пф до 3 пф, что соответствует изменению реактивного сопротивления на частоте 20 КГц от 1.6Мом до 2.6 Мом (а включены они параллельно) . Вывод - влияние изменения ёмкости в 6 раз меньше, чем изменения выходной проводимости. Далее, нагружая УН на резистор, мы уменьшаем влияние и той, и другой нелинейности.
2) Теперь про оптимальное значение резистора нагрузки УН.
Зададимся фиксированной амплитудой сигнала на выходе УН. Тогда оптимум по искажениям определяется балансом двух факторов:
1) Уменьшая значение этого резистора, мы уменьшаем влияние нелинейности выходного сопротивленя каскода, но
2) При этом увеличиваем входные нелинейности (по Uэб), так как для достижения той-же амплитуды ны выходе требуется больший переменный ток (или большее напряжение входного сигнала, что то-же самое) Эта нелинейность имеет значительно больший порядок, чем выходная.
В моём случае (400 ом в эммитерах и 10ма) оптимум наблюдался при нагрузке порядка 75-100К, при нагрузке менее 25к уже хорошо виден "длинный хвост" входных искажений на спектраграмме.

Теперь подключаем ВК. Действительно, даже подключение первой ступени ВК , нагруженной на резистор 10к, привело в моём случае к росту 2-3 гармоник на 10-15db (причина опять же в зависимости Rкб тр-ров повторителя от Uкб). Решается эта проблема тоже стандартно, см схему.

[Nick]

1) Тезис о преобладании роли Скб в нелинейности выходного сопротивления обычного каскода неверен. Возьмём транзистор 2SC3381.
У него при изменении Uкэ от 3 до 40 В выходная проводимость изменяется от 4 до 2 мкСм (т.е сопротивление от 250к до 500к), а ёмкость Скб от 5пф до 3 пф, что соответствует изменению реактивного сопротивления на частоте 20 КГц от 1.6Мом до 2.6 Мом (а включены они параллельно) . Вывод - влияние изменения ёмкости в 6 раз меньше, чем изменения выходной проводимости. Далее, нагружая УН на резистор, мы уменьшаем влияние и той, и другой нелинейности.

A чем вы обьясните рост искажений у обычного каскода с частотой (0.039 на 1кГц и 0.14 на 20кГц http://www.essex.ac.uk/dces/research...%20cascode.pdf) ? Нагружая на меньший резистор мы конечно уменьшаем и то и другое, я с этим не спорю. Это и нужно делать.
Да, и смотреть надо ёмкость не на 20кГц, а на 40, 60 и.т.д, то есть на гармониках. А на 60кГц это уже будет 500-900к.

Добавлено через 18 минут

В моём случае (400 ом в эммитерах и 10ма) оптимум наблюдался при нагрузке порядка 75-100К, при нагрузке менее 25к уже хорошо виден "длинный хвост" входных искажений на спектраграмме.

Это очень сильно зависит от применённого транзистора, который не усиливает по напряжению. В моём случае (для одного тр-ра) оптимум находился в районе 20к (если смотреть без ВК), но если эти транзисторы параллелить, то оптимум сопротивления нагрузки сдвигается вниз, а влияние транзистора что усиливает по напряжению не увеличивается. В обычном каскоде так не получится, при низкоомной нагрузке будет сказыватся нелинейность базового тока от тока коллектора транзистора ОБ (тот что усиливает напряжение). Хотя с мосфетом вместо него у меня получались тоже хорошие результаты.

Добавлено через 3 минуты

Решается эта проблема тоже стандартно, см схему.

И на сколько это помогает (на ВЧ, с нагрузкой) ? Мне правда такое решение не подходило, так как с ОС лучше так не делать.

[Nick]

Для проверки искажений самого каскода в симуляции лучше использовать вот таку схему (я немного видоизменил, но можно переделать на зеркало, результаты будут теже). Минимум искажений на 20кГц и 20 Вольтах амплитуды на выходе, с этой схемой получился при 10-20к нагрузки (0.002%). Выше сопротивление - искажения больше (0.005 на 50к, 0.01 на 100к), ниже тоже больше (5к - 0.0033%). Возможно с другими тр-рами будет иначе, но как бы то нибыло, применение более линейного на больших токах Q2 и Q4 (или, что лучше, параллельное включение, высокочастотных низковольтных тр-ров) при выборе довольно низкоомного нагрузочного сопротивления позволяет добится искажений меньше -100дБ на 20кГц 20вольтах (по симулятору).

[shkal]

A чем вы обьясните рост искажений у обычного каскода с частотой (0.039 на 1кГц и 0.14 на 20кГц http://www.essex.ac.uk/dces/research...%20cascode.pdf) ?

Даташитом на ztx653 ztx753. У них Скб=30пф при Uкэ=10в, а у 2sc2705 Cкб=1.8пф при Uкэ=10В

Под оптимальным значением нагрузки УН я понимаю не минимальную цифру THD как таковую, а минимальное значение 2-3 гармоник, вызванных выходной нелинейностью при отсутствии видимого на уровнем шумов\помех карты длинного хвоста гармоник (до 9 -11), вызванного входной нелинейностью Uэб, несмотря на то, что эти гармоники имеют меньшую амплитуду и вносят небольшой вклад в цифирь THD. Эти искажения практически не зависят от типа тр-ра, а определяются только амплитудой входного сигнала и глубиной местной ООС (Iк*Rэ)

Далее, выходное сопротивление тр-ра обратно пропорционально току Iк,
( и кстати h21) и оптимум нагрузки изменяется соответственно.

Я не сталкивался с проблемой нелинейности зависимости Ib от Ik, существуют очень хорошие в этом смысле транзисторы, а переменная составляющая тока обычно много меньше тока покоя.

И на сколько это помогает (на ВЧ, с нагрузкой)

Хорошо помогает, точной чифры не помню, но подключение такого повторителя практически не добавляет искажений.

Мне правда такое решение не подходило, так как с ОС лучше так не делать

Почему?

Мне пока навскидку не понятно, в чём отличия вашего "вывернутого" улученного каскода по сравнению с "классическим" по Хаксфорду, поэтому всё вышенаписанное относится к моей схеме, которую я мерил.

[sia_2]

Даташитом на ztx653 ztx753. У них Скб=30пф при Uкэ=10в, а у 2sc2705 Cкб=1.8пф при Uкэ=10В

Именно по причине такой подтасовки (использованию для демонстрации заведомо неподходящих транзисторов) данный "каскод со следящей связью" меня насторожил. Далее анализ патентных источников показал наличие задолго до статьи Хоксфорда заметно более красивых в исполнении решений.

Далее, выходное сопротивление тр-ра обратно пропорционально току Iк, (и кстати h21) и оптимум нагрузки изменяется соответственно.

Для одного и того же типа - обычно да. Но в общем случае этого утверждать нельзя (см. к примеру зависимости выходных проводимостей от тока, приведенные в даташитах 2N3904/3906, они немонотонны). Обычная Spice-модель - это первое приближение и не более того. При желании можно сконструировать транзистор, эквивалентное Va (и Rвых) которого в определенной области токов будет переходить через бесконечность, а изменения емкости коллектора при напряжении выше некоторой величины, когда происходит полное обеднение коллекторного i-слоя - пренебрежимо малыми. Такие транзисторы применялись в усилителях кабельной связи.

Хорошо помогает, точной чифры не помню, но подключение такого повторителя практически не добавляет искажений.

Примерно так же построен выходной повторитель AD846.

[shkal]

sia_2,
вы не могли бы дать ссылки на указанные вами патенты, что-то никак не могу найти.

[sia_2]

Пожалуйста.

[SashaNetrusov]

...Влияние нелинейности выходного сопротивления уменьшать низким Rнагрузки. А решение проблеммы с нелинейностью переходов можно посмотреть https://forum.vegalab.ru/showthread....F0%E5%F2%F1%FF

[Nick]

Мне пока навскидку не понятно, в чём отличия вашего "вывернутого" улученного каскода по сравнению с "классическим" по Хаксфорду, поэтому всё вышенаписанное относится к моей схеме, которую я мерил.

У меня для чистоты эксперемента на схеме отсутствует входная 4-ка. Ну и то что я предложил, помоему удобней использовать, это ОБ, а не ОЭ, хотя я сильно с ним не эксперементировал. Если делать ОЭ, то лучше будет токовое зеркало, думаю это наиболее оптимальный вариант.

Добавлено через 2 минуты

Даташитом на ztx653 ztx753. У них Скб=30пф при Uкэ=10в, а у 2sc2705 Cкб=1.8пф при Uкэ=10В

Да, но это была нагрука 10ком !

Добавлено через 9 минут

Под оптимальным значением нагрузки УН я понимаю не минимальную цифру THD как таковую, а минимальное значение 2-3 гармоник, вызванных выходной нелинейностью при отсутствии видимого на уровнем шумов\помех карты длинного хвоста гармоник (до 9 -11), вызванного входной нелинейностью Uэб, несмотря на то, что эти гармоники имеют меньшую амплитуду и вносят небольшой вклад в цифирь THD. Эти искажения практически не зависят от типа тр-ра, а определяются только амплитудой входного сигнала и глубиной местной ООС (Iк*Rэ)

Это если драйвить напряжением, если током, то уже играет роль зависимость Ik от Ib. У вас R источника зависит от величины R7 и R8 (по этой схеме https://forum.vegalab.ru/attachment....&d=1217328579). Если эти резисторы высокоомные, или же туда поставить тр-ры, т.е. сделать токовое зеркало, то нелинейность Uбэ уже небудет играть большой роли. Что вообщем я и предложил в первой схеме (https://forum.vegalab.ru/attachment....6&d=1217191261). Вообще видимо это запутывает, но я говорю в основном за токовое зеркало с каскодом Хаксфорда.

Добавлено через 4 часа 47 минут

Хорошо помогает, точной чифры не помню, но подключение такого повторителя практически не добавляет искажений.

Посимулировал я эту схему, действительно на выходе УН искажения уменьшаются почти до уровня как и с неподключенным ВК. Но общие искажения остаются примерно на том же уровне. Может я правда чего не предусмотрел. Для ООС такой каскад мне кажется будет не очень из больших фазовых сдвигов на ВЧ. Ещё помоему он довольно склонен к возбуждению.

[shkal]

но я говорю в основном за токовое зеркало с каскодом Хаксфорда

Я не очень люблю токовые зеркала в этом месте по след. причинам:
1) Если токовое зеркало равновесное 1:1, то компенсация происходит, но нет усиления тока и режим по постоянке жёстко завязывается у входного каскада и УН, т.е проблема большого переменного тока раскачки (при малом сопр. нагрузки УН) и соответстующих искажений Uэб просто переноситься во входную четверку.
2) Если токовое зеркало на одинаковых тр-рах, но с усилением тока (скажем в 4 раза, что близко к требуемому )(разными резисторами в эммитерах зеркала), компенсация не происходит
3) Если делать как у тебя на разном количестве тр-ров, встаёт вопрос о согласовании характеристик Э-Б у разных транзисторов в сборке. Сборки MMPQ6xxx многокристальные, у них разброс характеристик Э-Б вообще не нормируется. Даже у однокристальных 2SA1349 2SC3381 разброс 10мв

Для ООС такой каскад мне кажется будет не очень из больших фазовых сдвигов на ВЧ

Щас посимулировал, разница в набеге фазы с обычным повторителем 30 на 40 Мгц, это не принципиально, да это и без учёта паразитов платы, резисторов и т.д. . В макете признаков подвозбуда не наблюдал.

[ИГВИН]

3) Если делать как у тебя на разном количестве тр-ров, встаёт вопрос о согласовании характеристик Э-Б у разных транзисторов в сборке.

Чтобы скомпенсировать разность характеристик, в эмиттеры параллельно включенных транзисторов нужно ставить резисторы.
На этих резисторах должно быть падение не менее 0,2V (желательно больше).

[Nick]

2) Если токовое зеркало на одинаковых тр-рах, но с усилением тока (скажем в 4 раза, что близко к требуемому )(разными резисторами в эммитерах зеркала), компенсация не происходит

Помоему происходит, но конечно не так хорошо как с одинаковыми эммитерными резисторами, но лучше чем без зеркала вообще. Сборку я в реалии не пробовал, но думаю с эммитерными резисторами должно быть нормально.

[leonidNV]

А подскажите какие транзисторы следует использовать в усилителе напряжения? Андронников помниться, пока не перешел на токовые зеркала использовал тошибовские 2SA1015 и 2SC1815 и очень их хвалил.

Какие есть варианты?

[Nick]

А подскажите какие транзисторы следует использовать в усилителе напряжения?

Так в каскоде Хаксфорда это не сильно критично. Я думаю 2SA1381/2SC3503 или типа того вполне подойдут.

[leonidNV]

Так в каскоде Хаксфорда это не сильно критично.

А каскодить тогда чем посоветуете?

Я думаю 2SA1381/2SC3503 или типа того вполне подойдут.

Их у меня к несчастью нет(даже на заказ), есть только 2SA1371/2SC3468
Как они для этих целей?

[Nick]

А каскодить тогда чем посоветуете?

В смысле каскодить ? Каскодить как раз тем что я написал, он и будет усиливать напряжение.

[leonidNV]

понял

[shkal]

В каскоде ОЭ-ОБ транзистор ОБ должен иметь минимальную Скб. Кроме того, часто ограничивающим фактором является рассеиваемая мощность, например при питании +-40в и токе УН 10ма на них будет рассеиваться почти 0.4 Вт, что исключает использование транзисторов в корпусах ТО-92, только ТО-92 МОD или ТО-126. По саньевским тр-рам см.табличку

[Nick]

В каскоде ОЭ-ОБ транзистор ОБ должен иметь минимальную Скб.

Это в обычном, в Хаксфорде это не столь критично. До меня только сейчас дошло, что leonidNV спрашивал за обычный, наверное...