Усилитель с ООС по искажениям

[deemon]

Интересно , кто-нибудь пробовал экспериментировать с такой топологией УНЧ ? Схема взята отсюда , исключены только цепи защиты : https://forum.vegalab.ru/showthread....B5%D1%82%D0%B8 , я её делал для регенератора сети , отсюда и такой мощный выход .... но потом , ради опыта , попробовал этот усилитель и для музыки . Результат оказался на удивление приличным и заслуживающим дальнейшей разработки , но сейчас , из-за нехватки времени , я эту тему пока отложил . Сейчас мне интересно чисто теоретически подумать - насколько такая схема перспективна для высоколинейного УНЧ ? Что скажут любители схемотехники ?

Принцип действия ( УНЧ без УН ) , как я думаю , дополнительно описывать не надо - я про это писал в той теме про регенератор , да притом тут и из схемы всё видно . Можно только сказать , что выходной каскад тут является "вывернутым" вариантом моего параллельного каскада с параллельным смещением Параллельное плавающее смещение здесь выполняет всё те же функции , что и в том усилителе , кроме только улучшения использованния питания - тут ВК и сам по себе работает до полного размаха питающих напряжений , так как выходные транзисторы тут работают не с ОК , а с ОЭ , но вот жёсткая связь выходных транзисторов и тут помогает улучшить параметры каскада , и особенно на ВЧ .

Симметричные пути заряда и разряда паразитных ёмкостей выходных транзисторов значительно уменьшают искажения ВК на высоких частотах , и кроме того , даже при жёстком возбуждении всего усилителя тут нет опасности выгорания транзисторов из-за сквозного тока - просто потому , что пока не закроется одно плечо выхода , другое открыться не может . И действительно - практика это подтверждает . Хотя сам усилитель получился достаточно устойчивым и не возбуждается даже на сложных нагрузках - при принудительном его возбуждении ( до полного размаха , с жёстким клиппингом ) не было зафиксировано ни одного отказа выходных транзисторов . Схема получилась "неубиваемая" , что и было одной из целей при разработке . Так что с надёжностью тут проблем нет .

Но сейчас меня сейчас больше интересует - до какого уровня можно снижать искажения в такой топологии УНЧ ? Я точных измерений не проводил пока , но ожидаемый уровень искажений в звуковом диапазоне тут должен быть порядка 0,01% , и я сейчас размышляю на тему - какие меры тут можно ещё принять для его дальнейшего снижения ? Насколько эта схема вообще перспективна в этом смысле ? Я сам хотя и не поклонник "ультралинейного" усиления , и сам слушаю без-ООСный гибрид , но в данном случае тут теоретический интерес .... просто с точки зрения схемотехники , скажем так . Например , можно подумать насчёт увеличения глубины ООС за счёт усложнения цепей коррекции и установки более совершенных ОУ , также у меня есть идея насчёт введения ещё одного селектора искажений и подачи этих искажений уже не в ВК , а прямо на выход в противофазе , и есть несколько мыслей , как это можно сделать .... кроме того , если схема покажет себя хорошо в работе - можно подумать и насчёт её упрощения . Разумеется , с сохранением качества и надёжности . Но , в принципе , и в таком виде звук получается уже неплохой . Я ожидал какой-то сухой "стерильности" звучания , но нет - напротив , звук оказался довольно "живой" и приятный . Возможно , тут сказывается отсутствие резких коммутационных искажений на ВЧ в выходном каскаде , благодаря всё той же "параллельности" и плавающему смещению , может быть и так .

[ViktKors]

- на звуковых частотах сдвиг фаз в петле будет небольшой , усиление максимальным .... затем , начиная с 50 кгц ВК начнёт валить усиление с крутизной 6дб/окт , и дойдёт до единичного усиления на частоте около 5 мгц

Ну тут получается усиление в петле ООС только 40дБ, достаточно ли это...
Вероятно от 12дб/окт падения усиления никак не уйти для более-менее приличных параметров..

Во-вторых - прекрасное поведение на ёмкостной нагрузке . Ведь подключение на выход ёмкости будет понижать частоту среза ВК , но она у нас и так низкая - то есть от ёмкости на выходе усил станет только устойчивее

Тут все так только в том случае, если мы реализуем первый полюс именно шунтированием выхода конденсатором. При этом нам, однако, нужно избавляться от миллера. То есть опять приходим к тому что было - нужны высокие токи покоя предвыхода, низкое сопоротивление цепей ООС (и соответствующие входные ОУ), сложная частотная коррекция (наличествует много полюсов).
Если мы пытаемся сделать первый полюс миллеровской коррекцией, (питание выхода от источника тока, впрочем его сопротивление порядка десятков ом - уже не совсем "источник тока"), то все старые заморочки многих полюсов исчезают, но взамен появляется одна большая новая: емкость на выходе усилителя недопустима, она мгновенно образует дополнительный второй полюс и поворачивает фазу слишком далеко. То есть выход придется качественно изолировать, а это тоже не элементарная задача.

[deemon]

Ну тут получается усиление в петле ООС только 40дБ, достаточно ли это...
Вероятно от 12дб/окт падения усиления никак не уйти для более-менее приличных параметров..

Ну , если мы сможем добиться 1% искажений у охваченного местной ООС ВК - то 40 дБ ООС нам дадут 0,01% в итоге ..... для начала неплохо , в принципе , учитывая , что это равномерные искажения по всей полосе частот , да ещё прочие преимущества ..... это уже стоило бы пробовать .

ут все так только в том случае, если мы реализуем первый полюс именно шунтированием выхода конденсатором. При этом нам, однако, нужно избавляться от миллера. То есть опять приходим к тому что было - нужны высокие токи покоя предвыхода, низкое сопоротивление цепей ООС (и соответствующие входные ОУ), сложная частотная коррекция (наличествует много полюсов).
Если мы пытаемся сделать первый полюс миллеровской коррекцией, (питание выхода от источника тока, впрочем его сопротивление порядка десятков ом - уже не совсем "источник тока"), то все старые заморочки многих полюсов исчезают, но взамен появляется одна большая новая: емкость на выходе усилителя недопустима, она мгновенно образует дополнительный второй полюс и поворачивает фазу слишком далеко. То есть выход придется качественно изолировать, а это тоже не элементарная задача.

Стопудово верно ! Сам только что про это думал ..... опять этот проклятый Миллер , чтоб ему провалиться А главное - что и тот вариант плоховат , и этот не хорош Тут надо бы что-то радикальное придумать ..... если только это вообще возможно . Избавиться от Миллера можно было бы мощным каскодом , но так мы КПД угробим .... а если мы всю коррекцию наоборот на Миллера взвалим , то получится ещё косяк - нагружая выход , мы будем менять усиление каскада , а значит , мало того , что на выходе ещё один полюс вырастет , так и Миллер тоже будет сдвигаться вверх . Сдаётся мне , что там при некоторых типах нагрузки вообще может получиться "гиратор" , и всё это засвистит само , даже без общей ООС . Не , это не дело , тут ещё подумать надо .......

[ViktKors]

... тут ещё подумать надо .......

У меня есть подходящая мысль, такой выходной каскад:



а) на 20 частей из 21-ой сделан по схеме с ОЭ (средняя точка питаний). Соответственно имеем любое усиление и все остальное, что хотелось от ОЭ.

б) на 1 часть из 21-ой сделан по схеме с ОК, и по этой цепи (с средней точки эммитерных резисторов выходников) мы имеем единичное усиление, идеальное поведение фазы, отсутствие проблем для введения ООС, низкое выходное сопротивление.
Заметьте, что шунтирование выхода конденсатором практически не влияет на этот сигнал, то есть сигнал на нагрузке соответственно падает, а сигнал ООС остается постоянным.

Это дает важное нам следствие, на ВЧ амплитуда в нагрузке падает, следовательно миллеровские емкости не перезаряжаются. То есть миллер побежден!!


Или иными словами, на звуковых частотах ток через R150 и R152 практически идентичен, и выходное напряжение на сопротивлении нагрузки R151 в 21 раз больше чем на R150, где оно практически равно входному. То есть выходной каскад усиливает сигнал в R152/(R150+R152) раз.

На ВЧ, коэффициент усиления выходников падает, и переменный ток в их коллектороной цепи практически исчезает, а в эммитерной - определяется входным напряжением и сопротивлением нагрузки R150, то есть напряжение на R150 тоже равно входному, с учетом потерь на входной емкости предвыхода и на Скб (больше не миллеровской) выходных транзисторов.

Однотактный предвыходной каскад вполне можно применить при токе покоя ~150мА, который легко реализовать, учитывая низкое напряжение питания этого каскада. Такого тока вполне хватит для обеспечения необходимой скорости нарастания сигнала на миллеровской емкости и для раскачки выходников. А низкое rэ_diff обеспечит достаточное быстродействие. Впрочем это вопрос непринципиальный и обычная двухтактная раскачка будет для многих предпочтительнее.

Важно, что исключение перезаряда миллеровских емкостей опять делает разумными требования к выходному сопротивлению предвыходных цепей, и, как следствие, к резисторам цепи ООС или к возможным цепям ОУ.

[deemon]

У меня есть подходящая мысль, такой выходной каскад:

Да , вот это здорово ! Сначала мы питание подвесили , потом смещение ... а теперь и нагрузку А почему бы и нет ? Каскад с разделённой нагрузкой , хо-хо . Нам это ничего не стоит , так почему бы и не подвесить ? НО что ещё любопытно - так как у нас теперь оба вывода нагрузки относительно земли двигаются противофазно - это можно использовать потом для подачи на нагрузку коррекции "вперёд" , то есть forvard correction , и обеспечить даже развязку этого сигнала от цепи ООС , чтобы он не влиял на работу петли основной ООС . У нас тут один вывод нагрузки имеет низкий импеданс относительно земли , а другой - как раз высокий .... туда и надо подавать . НО это на будущее , сначала надо основную схему довести до ума .

А раскачку лучше симметричной оставить ... никто же не мешает перевести её в класс А , а симметрия в любом случае не повредит .

---------- Добавлено в 10:45 ---------- Предыдущее сообщение в 10:41 ----------

Важно, что исключение перезаряда миллеровских емкостей опять делает разумными требования к выходному сопротивлению предвыходных цепей, и, как следствие, к резисторам цепи ООС или к возможным цепям ОУ.

Точнее говоря , ёмкости-то всё равно перезаряжаются , на рабочих частотах , но мы как бы последовательно с ними включаем резистор - то есть ограничиваем ток их заряда , снижая нагрузку на предвыход . Таким образом , мы снижаем частоту среза каскада , что как раз может быть полезно именно для "обратной" коррекции , то есть с первым полюсом на ВК .

[ViktKors]

... можно использовать потом для подачи на нагрузку коррекции "вперёд" , то есть forvard correction

Ну собственно для этого все это и планировалось , там правда нужно немного видоизменить схему.

Точнее говоря , ёмкости-то всё равно перезаряжаются , на рабочих частотах ..

Ну да, но на рабочих миллер все еще не важен, он нам дает дополнительные полюса килогерц так с 300, а там мы просто шунтируем выходной сигнал, получая дополнительный ноль. Правда, как и всякая сшивка, при неидеальности (то есть всегда) это чревато некоторой неравномерностью АЧХ и ФЧХ, поэтому я бы все равно оставил миллеровский полюс за пределами рабочего диапазона.


С этой схемой есть одна заморочка. Сигнал на ООС - сумма выходного сигнала и сигнала, раскачивающего выходники (их базового тока), поскольку базовый ток есть всегда, мы и получаем хорошую полосу. Но вот с точки зрения подавления искажений это не идеально, ведь мы линеаризуем не выходной сигнал, а нечно на него похожее. Чтоб уменьшить эффект, по идее, нужно уменьшить входной переменный ток. Как это реализовать, нужно подумать, возможно еще один каскад усиления (составные транзисторы в ВК), или полевик...

[deemon]

С этой схемой есть одна заморочка. Сигнал на ООС - сумма выходного сигнала и сигнала, раскачивающего выходники (их базового тока), поскольку базовый ток есть всегда, мы и получаем хорошую полосу. Но вот с точки зрения подавления искажений это не идеально, ведь мы линеаризуем не выходной сигнал, а нечно на него похожее. Чтоб уменьшить эффект, по идее, нужно уменьшить входной переменный ток. Как это реализовать, нужно подумать, возможно еще один каскад усиления (составные транзисторы в ВК), или полевик...

Есть хороший вариант - включить коллекторы предвыходников на выходное питание , вернувшись к изначальному параллельному каскаду Он же работает как симметричный составной транзистор . А первый драйвер тогда придётся немного умощнить , но это совсем не проблема - увеличим ток в источниках , и всё ...

[ViktKors]

...включить коллекторы предвыходников на выходное питание , вернувшись к изначальному параллельному каскаду.

Да не получается, лезет тот самый резонанс, даже если включить предвыход каскодом. А моя проблема еще и в том, что я пока не понимаю досконально откуда этот резонанс берется и, следовательно, как оптимально его задавить.
Увеличение Скб, шунтирование выхода, цобель - все не то, принципиально проблемы не решает, а точно сформулировать задачу, чтоб рещить ее пока не выходит

[deemon]

Да не получается, лезет тот самый резонанс, даже если включить предвыход каскодом. А моя проблема еще и в том, что я пока не понимаю досконально откуда этот резонанс берется и, следовательно, как оптимально его задавить.
Увеличение Скб, шунтирование выхода, цобель - все не то, принципиально проблемы не решает, а точно сформулировать задачу, чтоб рещить ее пока не выходит

Я так понимаю , что это из-за индуктивной составляющей в выходном импедансе эмиттерного повторителя . Там вроде паразитная ёмкость БЭ трансформируется в "индуктивность" , если мне память не изменяет - я про это в какой-то статье давно читал . На ВЧ и СВЧ это иногда используют для коррекции каскадов - если в эмиттер поставить резистор и зашунтировать его небольшим кондёром - то получается резонансный "горб" , причём , что интересно , на ВЧ он получается иногда довольно острым . И этим пользуются , чтобы скомпенсировать завал на самых верхних частотах , я и сам так иногда делал .... а тут , похоже , этот эффект на НЧ проявился

Самое интересное , что этот резонанс есть в любом повторителе , просто из-за 100% местной ООС он как бы не заметен , а когда ООС уменьшаешь и заставляешь каскад усиливать напряжение - он "вылезает" Бороться с ним надо Цобелем , как я мыслю , по-другому вряд ли выйдет ...

[ViktKors]

Там вроде паразитная ёмкость БЭ трансформируется в "индуктивность" ...

Ага, я как раз о Сбэ и думал. Но по идее тут нужно усиление, да еще и с инверсией фазы, возможно миллеровское Скб как-бы "переигрывает" Скэ..
Короче, прекращаю спекуляции на тему, пора опять открывать букварь .

---------- Добавлено в 15:03 ---------- Предыдущее сообщение в 13:41 ----------

На ВЧ и СВЧ это иногда используют для коррекции каскадов - если в эмиттер поставить резистор и зашунтировать его небольшим кондёром - то получается резонансный "горб" , причём , что интересно , на ВЧ он получается иногда довольно острым..

Это вероятно совершенно не то. В этом случае мы просто конденсатором выключаем на ВЧ местную ОС через резистор в цепи эммитера Rэ, остается только rэ_diff, и усиление возрастает в Rэ/rэ_diff раз относительно низких частот. Резонанса тут, как такового, нет. И это вроде как не наш случай...

[deemon]

Это вероятно совершенно не то. В этом случае мы просто конденсатором выключаем на ВЧ местную ОС через резистор в цепи эммитера Rэ, остается только rэ_diff, и усиление возрастает в Rэ/rэ_diff раз относительно низких частот. Резонанса тут, как такового, нет. И это вроде как не наш случай...

Случай как раз именно тот . Я же говорю - там не просто подъём на ВЧ , а именно резонансный горб получается . На АЧХ-метре он имеет ровно такой же вид , как будто мы включили в цепь последовательный контур . И при вращении подстроечного кондёра ( например 5-20 пик ) - горб двигается по частоте .... да это в общем-то известный фокус на ВЧ . Используется обычно в широкополосных усилках , чтобы расширить полосу . Иногда , кстати , приходилось дополнительными резисторами добротность гасить , чтобы расширить полосу подъёма и уменьшить высоту - резонанс получался слишком острый .

Так что я думаю , это именно тот же физический механизм работает , только из-за больших ёмкостей НЧ транзисторов эта "индуктивность" получается гораздо больше , вот и резонанс получается не на сотнях мегагерц , а на сотнях килогерц К сожалению , почему-то в литературе это не везде отражено .... но вот , например тут - отрывок из какого-то учебника для студентов : http://www.radioland.net.ua/contentid-416-page11.html

[viktor8m]

Лучше всего это отраженно в учебнике Мамонкин И. Г. Усилительные устройства на стр.182, где теоретически показано, что при нагрузке эмиттерного повторителя ёмкостью в определённом интервале величин появляется подъём (горб) на АЧХ, чего нет, если ёмкость нагрузки ниже или выше этого интервала. Причина-контур с выходной индуктивностью.

[ViktKors]

Причина-контур с выходной индуктивностью.

Это все, конечно так, только вот тут это проявлется на частотах гораздо более низких чем возможные резонансы контуров, да и в симуляторе индуктивности явно прописаны нулевыми, а резонансный пик - есть.
А причину я, кажется нашел. Эммитерный повторитель, с учетом паразитных емкостей, вполне может быть ФНЧ второго порядка, в частости за счет шунтирования емкостью нагрузки, а поскольку эта нагрузка - это не только Скб, но и включенное последовательно с ним объемное сопротивление базового перехода - в игру вступают две постоянные времени, а такой ФНЧ может иметь выброс на АЧХ, например при Чебышевской реализации. Это очень на пальцах - без емкостей эммитерных переходов это все рассыпается, поэтому нужно все взвесить, прежде чем выкладывать результаты и рекомендации к схеме.
Сейчас смотрю это все количественно, проклевывается ясность. Странно только, что осознание этих особенностей прошло мимо меня.

[viktor8m]

Это все, конечно так, только вот тут это проявлется на частотах гораздо более низких чем возможные резонансы контуров, да и в симуляторе индуктивности явно прописаны нулевыми, а пик - есть.

Дело не в паразитных индуктивностях выводов или проводников (это влияет только на частотах выше примерно 500 МГц), а в эквивалентной выходной индуктивности, образуемой эмиттерным повторителем (подобно гиратору) из-за наличия внутренней ООС, поэтому и горб на сравнительно низких частотах. Эта индуктивность с ёмкостью нагрузки действительно образует ФНЧ второго порядка.

[ViktKors]

Дело не в паразитных индуктивностях выводов или проводников (это влияет только на частотах выше примерно 500 МГц), а в эквивалентной выходной индуктивности, образуемой эмиттерным повторителем (подобно гиратору) из-за наличия внутренней ООС, поэтому и горб на сравнительно низких частотах. Эта индуктивность с ёмкостью нагрузки действительно образует ФНЧ второго порядка.

Теперь уверен, мы в действительности говорим об одном и том-же, просто мне, человеку без систематического образования в этой области, подобные взаимосвязи не кажутся очевидными. Да и именно этот учебник еще искать надо... лень.

[viktor8m]

Да и именно этот учебник еще искать надо... лень.

Зато там есть нужные формулы, как этого горба избежать. В других учебниках также говорят о выходной индуктивности, но не приводят удобных в применении формул.

[deemon]

Дело не в паразитных индуктивностях выводов или проводников (это влияет только на частотах выше примерно 500 МГц), а в эквивалентной выходной индуктивности, образуемой эмиттерным повторителем (подобно гиратору) из-за наличия внутренней ООС, поэтому и горб на сравнительно низких частотах. Эта индуктивность с ёмкостью нагрузки действительно образует ФНЧ второго порядка.

И притом , ФНЧ этот получается слабо нагружен по выходу , и из-за этого перед спадом и появляется "горб" . Мне кажется , самым разумным будет подключение между транзисторами цепи Цобеля на землю - по идее , если правильно её рассчитать - резонанс будет подавлен . Цобель , вообще-то , для того и предназначен Скоро я испытаю это на макете - тогда всё будет ясно ....

Хуже тут другое - даже если задавить резонанс , из-за этой "индуктивности" уже не получится обеспечить спад 6дБ/окт у этого каскада . Это затруднит расчёт оптимальной коррекции . Та коррекция , которая применена у меня в схеме - работает нормально , но от оптимальности она далека , однако .

---------- Добавлено в 17:20 ---------- Предыдущее сообщение в 17:14 ----------

Теперь уверен, мы в действительности говорим об одном и том-же, просто мне, человеку без систематического образования в этой области, подобные взаимосвязи не кажутся очевидными. Да и именно этот учебник еще искать надо... лень.

Так можно посмотреть в том учебнике , на который я ссылку давал - там есть формулы . Другое дело , что я , например , вообще не люблю что-то считать ( кроме грубых прикидок из общих соображений ) , мне больше нравится измерять . Как-то оно мне ближе , честно говоря .....

[viktor8m]

Эта индуктивность с ёмкостью нагрузки действительно образует ФНЧ второго порядка.

Хочу поправить сам себя, получается не ФНЧ, а всё таки параллельный контур, т.к. выходное сопротивление представляет собой индуктивность с небольшим активным сопротивлением, а ей параллельно будет включено входное полное сопротивление следующего каскада в виде параллельных входного активного сопротивления и входной ёмкости. Убрать горб, коль уменьшить входную ёмкость в данном случае нельзя, можно только уменьшением добротности получившегося контура.

[ViktKors]

Хуже тут другое - даже если задавить резонанс , из-за этой "индуктивности" уже не получится обеспечить спад 6дБ/окт у этого каскада . ...

Вот именно.

Та модель, что предлагается, просто предполагает, что входное сопротивление R преобразуется в выходную индуктивность

L = R/(2*Pi*fг)

Ну а она уже резонирует с Скб выходников. Это ладно, с этим жить еще можно.
А вот, что действительно хуже - так это то, что у нас еще один ЭП стоит перед предвыходом.
В итоге, предвыход раскачивается не активным сопротивлением R, а некоей комбинацией R и L предвыходного каскада, и порядок частоты - тот-же.
И вот тут самое паршивое. Выходное сопротивление предвыхода становиться

~ R/"бета" + L/"бета" + 2*Pi*f*f/(L*fг)

То есть даже третий порядок (по сумме каскадов) - недостижимая мечта.

То есть остается только добирать по крохам - уменьшать сопротивление входов, подбирать транзисторы с высокой fг, увеличивать их токи покоя...


Забавно выходит, когда я просто просчитывал входные сопротивления каскадов и емкости приведенные ко входу, я получал практически идентичные (и количественно тоже) данные по АЧХ, но вот то, что там возможны резонансные явления - в упор не замечал. А ведь чем считать эквивалентные высокодобротные ФНЧ, куда проще воспользоваться просто эквивалентной выходной индуктивностью.

Offтопик:
А мерять - это для меня незаменимый этап при отладке, только вот куда двигаться дальше он мне обычно не подсказывает, особенно когда проблема решается только комплексом мер.. Хорошо, что у разных людей разные подходы.

[viktor8m]

Та модель, что предлагается, просто предполагает, что входное сопротивление R преобразуется в выходную индуктивность

Немного не верно, преобразуется не входное сопротивление, а выходное сопротивление предыдущего каскада (т.е. сопротивление источника сигнала для эмиттерного повторителя). Поэтому кроме применения более высокочастотных транзисторов для уменьшения индуктивности можно увеличивать выходное сопротивление предыдущего каскада (например популярно в базу эмиттерного повторителя ставить резисторы, так убиваются два зайца, уменьшается выходная индуктивность и понижается влияние индуктивности источника сигнала).

[ViktKors]

Немного не верно, преобразуется не входное сопротивление, а выходное сопротивление предыдущего каскада (т.е. сопротивление источника сигнала для эмиттерного повторителя).

Давайте скажем так: "преобразуется активное сопротивление входных цепей ЭП" А сюда уже входит и объемное сопротивление его базы, и выходное сопротивление предыдущего каскада, и резистор между ними.

... для уменьшения индуктивности можно увеличивать выходное сопротивление предыдущего каскада

Тут не совсем однозначное высказывание.
L = R/(2*Pi*fг)
То есть увеличивая R мы не уменьшаем, а увеличиваем L.
А вот влияние индуктивности предыдущего каскада - 2*Pi*f*f/(L*fг) - действительно становиться на этом фоне менее заметно.