Искажения в усилителе D класса

[magvan]

Доброе время суток!
Начинаю разбираться в усилителях D класса.

Пытаюсь понять, из-за чего получаются такие большие искажения (0.25 %) в такой простой схеме?
Собрал простейшую схему (взятую из https://www.vegalab.ru/content/view/103/52/, описание есть там же), вместо обратной связи поставил генератор треугольного сигнала 150 кГц.

Я, конечно, предполагаю что искажения можно уменьшить, заменой микросхемы, добавлением обратной(ых) связей, а главное, мне кажется, хорошим фильтром.

Начну с компаратора.
Аналоговый сигнал поступает на вход 2 микросхемы, треугольный сигнал поступает на вход 3. Микросхема сравнивает сигналы и выдает ШИМ сигнал.
Если треугольный сигнал будет больше, чем аналоговый (до разумных приделов) (Рис.1), искажение будет меньшее, но и усиление будет меньшее.
(эти рисунки далеки от точности, а особенны кривая после фильтра, но все же образно понятно)

Если треугольный сигнал будет меньше, чем аналоговый (Рис.2), то после фильтра сигнал будет похож больше на ШИМ чем на аналоговый.

А еще есть, что то между, «золотая середина» Возможно это самый лучше вариант?!?!Подскажите…

Подставлял разные значения треугольного сигнала (больше и меньше аналогово) и смотрел искажения.
1.1 В – 4.291%
1.3 В – 1.028 %
1.5 В – 0.310 %
1.7 В – 0.263 %
1.9 В – 0,248 %
2.1 В – 0.220 %
2.3 В – 0.210 %
2.5 В – 0.171 %
2.7 В – 0.169 %
2.8 В – 0.154 %
2.9 В – 0.186 %
3.1 В – 0.182 %
3.3 В – 0.194 %
3.7 В – 0.199 %
Вот и получается, чем больше треугольный сигнал, тем меньше усиление, но и меньше искажений. Вот я не знаю что с этим делать, пока оставлю меньшее искажение(2.8 В, 0,154 %).

Больше усиление, 0.310 %


Меньше усиление, 0.154 %


Меньше искажений, мне кажется, на этом этапе уже не получится, перехожу к усилительному каскаду.
Начну с подбора стабилитронов. Стабилитроны необходимы для исключения сквозного тока через мощные транзисторы выходного каскада. Этот ток, основной источник снижения КПД усилителя.

На этой картинке (стабилитроны 1N4744) видно, что протекает сквозной ток, когда один транзистор уже открылся, а второй не успел закрыться.(сильное снижение КПД)


На этой картинке один транзистор успевает закрыться перед открытием второго.



Стабилитроны не сильно влияют на искажения, но я все равно выложу полученные цифры))…
1N4744 – 0.178 %
1N4745 – 0.149 %
1N4746 – 0.166 %
1N4747 – 0.189 %
1N4748 – 0.181 %
Выходные полевые транзисторы я трогать не буду. Т.к. на мой взгляд, по графикам они работают хорошо, НО я НЕ УВЕРЕН! Как Вы думаете, они влияют на искажения?
Самое последнее и самое серьезное мне кажется это фильтр, вот только я не очень их понимаю, буду рад, если поможете разобраться, или литературуку какую ни будь, подскажите по фильтрам.
В планах:
1. Сделать что бы микросхема питалась допустим 20 В, а усилительный каскад, например, 50 В. Посмотреть что получится с искажениями.
2. Попробовать поставить другие микросхемы и сравнить искажения.
3. Пробовать подключать разные обратные связи и сравнивать искажения.

[Lemmy]

а если стабилитроны зашунтировать кондерами?

[krulfa]

Одна из проблем импульсных схем - зависимость времени выключения транзисторов от величины коммутируемого тока. Задержки включения и выключения есть в любом случае, поэтому искажения будут обязательно. Отсюда появляются сложные схемы коррекции, компенсации и обратной связи, в том числе защищенные патентами. Тема - для диссертации, на коленке ничего хорошего не выйдет.

[vladimir_ar]

Управление полевиками, мягко говоря, не оптимальное
Они открываться / закрываться будут как улитки.

[magvan]

Прочитал в «даташите» к AD817, что она питается +-15, уменьшил напряжение в схеме с +-20 до +-15 и заменил стабилитроны на 1N4744. Искажения в данный момент на 1кГц – 0.198 %.

Как я этого боялся! Выходные транзисторы оказывают большое влияние на искажения. (я в них практически нечего не понимаю, знаю что есть биполярные и полевые, и еще чуток характеристики) Хотелось бы разобраться какие транзисторы (биполярные или полевые) больше подходят для этих целей.

Решился по параметрам подобрать другие полевые транзисторы. Выходные данные ОУ AD817: напряжение на выходе 14В, сопротивление на выходе 0.5-1 кОм, ток на выходе 50 мА.

Искал транзисторы с параметрами: Vgate-to-sourse -+-20В, примерная мощность 1.3 Вт, порог затвора VGS(th) 2.0 примерно, крутизна 1-3, меньше сопротивление между S и D, и ещё меньшее сопротивление в открытом состоянии.
(Возможно, я не по тем параметрам ищу, поправьте меня, если не правильно.)

На сайте irf.com в каталогах нашел «подходящие» полевые транзисторы IRLML5203 и IRLML0030,и поставил их в схему. Показатель искажений, честно сказать, меня не по-детски удивил… 0.058 % на 1кГц.

а если стабилитроны зашунтировать кондерами?

Не совсем понимаю, как это сделать, пример подскажите, пожалуйста...

Одна из проблем импульсных схем - зависимость времени выключения транзисторов от величины коммутируемого тока. Задержки включения и выключения есть в любом случае, поэтому искажения будут обязательно. Отсюда появляются сложные схемы коррекции, компенсации и обратной связи, в том числе защищенные патентами.

Я хочу эти задержки уменьшить на сколько можно. Цель этой колонки разобраться от куда идут все искажения и как ни будь попытаться их компенсировать.(как Вы сказали)
Теперь я примерно понимаю от куда получаются искажения в «простой» схеме. Не согласованность элементов: компаратора, транзисторов, входных сигналов.(понимаю немного как их настраивать) В перспективе, буду пробовать разные обратные связи для компенсации задержек транзисторов и т.д.

Управление полевиками, мягко говоря, не оптимальное
Они открываться / закрываться будут как улитки.

когда то у меня была такая мысль)))
буду это проверять далее)))

В планах:
1. Пробовать заменять полевые транзисторы биполярными.
2. Сделать что бы микросхема питалась допустим 20 В, а усилительный каскад, например, 50 В. Посмотреть что получится с искажениями.
3. Попробовать поставить другие микросхемы и сравнить искажения.
4. Пробовать подключать разные обратные связи и сравнивать искажения.

[ZugDuk]

Выходные данные ОУ AD817: напряжение на выходе 14В, сопротивление на выходе 0.5-1 кОм, ток на выходе 50 мА.

Нужно 1А.

Хотелось бы разобраться какие транзисторы (биполярные или полевые) больше подходят для этих целей.

Полевые. Биполяры, когда их загоняют в режим насыщения, накапливают там заряды и их потом нужно из них вытаскивать, что наводит тормозню на процессы.

Искал транзисторы с параметрами: Vgate-to-sourse -+-20В, примерная мощность 1.3 Вт, порог затвора VGS(th) 2.0 примерно, крутизна 1-3, меньше сопротивление между S и D, и ещё меньшее сопротивление в открытом состоянии.
(Возможно, я не по тем параметрам ищу, поправьте меня, если не правильно.)

Меньшая входная емкость. Выше частота. Ну по размерам чтоб в корпусе ТО220 был. Хотя я сам не очень в этом шарю.

Вообще по моим прикидкам, чтобы получить приемлемое качество (около 14 бит точности) вот так тупо от ШИМ без ООС, нужно чтобы вся схема успевала переключиться с частотой несколько ГГц. На такое способны только радиочастотные транзисторы при соответствующем монтаже.

[81bas]

ИМХО, тут всё хорошо расписано и изложено: http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1071.pdf
Насчет источников искажений - на страницах 8 и 9.

[ZugDuk]

тут всё хорошо расписано и изложено: http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1071.pdf

По буржуйски все сложно, не понятно кто главный враг - мертвое время ?
А почему однотактов не делают ? Из за ЭДС самоиндукции у дросселей ?

[GELIANIN]

А почему однотактов не делают ? Из за ЭДС самоиндукции у дросселей ?

Главное достоинство усилителей класса D - габариты и КПД. Поэтому лучше делать полумостовые или мостовые схемы. Я предпочитаю мостовые.

не понятно кто главный враг - мертвое время ?

Главный враг - некачественный интегратор на выходе, преобразующий импульсы в аналоговый сигнал для АС.

[ZugDuk]

Главное достоинство усилителей класса D - габариты и КПД. Поэтому лучше делать полумостовые или мостовые схемы. Я предпочитаю мостовые.

А если бы транзисторы могли быстро и вовремя переключаться, то главным достоинством стало бы качество звука.
А КПД, если для домашки, т.е. на малой мощности нифига не выгоднее, чем у АБ. Если только совсем чуть чуть.

Главный враг - некачественный интегратор на выходе, преобразующий импульсы в аналоговый сигнал для АС.

Некачественный - это нелинейный ? Просто насколько я себе прядставлял катушки и кондеры - линейные элементы. Они вносят погрешность в АЧХ и фазу, но не увеличивают THD. А недофильтрованные ВЧ ни на что не влияют. Мы ведь их не слышим.

[RadioCat]

Искажения в Д классе неизбежны. С точки зрения наличия причин для искажений это самый неоптимальный класс. И его стоит применять только когда требуется высокий кпд и небольшие размеры, или когда нет высоких требований к качеству звука. Для саба например.
Искажает в нём практически всё, разнообразие искажений больше чем в других классах, и бороться с этими искажениями очень трудно.
Это неизбежная плата за высокий кпд.
От некоторых компонентов Д искажений не спасают ни оос, ни коррекция, ни тем более фильтры на входе и выходе. Устранить их все невозможно, если конечно не построить усилок из сложных высококачественных узлов. Но тогда смысл Д класса пропадает, при такой сложности можно сделать обычный усь с гораздо более высокими показателями.
Пути борьбы с Д искажениями - максимально высокое качество генератора с возможно более чистым спектром генерируемого сигнала, максимально высокое качество усилителя компаратора, по возможности более низкая граничная частота и малая ёмкость переходов входного каскада и каскадов с большим усилением, особенно усиления напряжения, ограничение вч спектра везде где только можно его ограничить, экранировка всего что только можно экранировать, особенно проводов и мощных транзисторов, меры по подавлению наведённой грязи в питании, и прочее веселье.
krulfa правильно сказал, по Д искажениям и борьбе с ними можно диссертацию писать.
Новичкам браться за изготовление качественного Д класса вообще не рекомендуется, потому что гемор и порча нервов гарантированы ))
Кажущаяся простота там сильно обманчива.
Поэтому если хотите качественный усик, но не уверены в своих силах и познаниях, с классом Д лучше не связывайтесь, добрый совет.

[superamplifier]

А КПД, если для домашки, т.е. на малой мощности нифига не выгоднее

выгоднее, собери на саб пол кило тот же холтон и класс Д и сравни ценник.

[RadioCat]

Некачественный - это нелинейный ? Просто насколько я себе прядставлял катушки и кондеры - линейные элементы. Они вносят погрешность в АЧХ и фазу, но не увеличивают THD. А недофильтрованные ВЧ ни на что не влияют. Мы ведь их не слышим.

Кроме THD есть много другой грязи. Недофильтрованные ВЧ вызывают паразитную модуляцию и интермодуляцию сигнала, которая воспринимается как жёсткость и неестественность звука и весьма неприятные призвуки.

[superamplifier]

Кроме THD есть много другой грязи. Недофильтрованные ВЧ вызывают паразитную модуляцию и интермодуляцию сигнала, которая воспринимается как жёсткость и неестественность звука и весьма неприятные призвуки.

можно долго спорить, доказывать и обсуждать. но каждый может взять в руки паяльник и для расширения своего кругозора собрать, послушать и сделать выводы.

[RadioCat]

можно долго спорить, доказывать и обсуждать. но каждый может взять в руки паяльник и для расширения своего кругозора собрать, послушать и сделать выводы.

Согласен. То что получится, для саба скорее всего вполне сойдёт. Тем более что по расходам действительно будет выгоднее.
Новичкам не стоит возлагать на Д большие надежды, если нужен качественный широкополосник.

[ZugDuk]

выгоднее, собери на саб пол кило тот же холтон и класс Д и сравни ценник.

Ну Холтона я собрал. Он нормально дубасит, но согласен, прилично греется. Но это потому что он не Б, а довольно много АБ.

Поэтому если хотите качественный усик, но не уверены в своих силах и познаниях, с классом Д лучше не связывайтесь, добрый совет.

Спасибо. А если хочется собрать лучший в мире усилок ?

Пути борьбы с Д искажениями - максимально высокое качество генератора с возможно более чистым спектром генерируемого сигнала

Ну как бы просто ген , который есть в любом сидюшнике и вполне себе качественный без глубокого шаманства.

максимально высокое качество усилителя компаратора

Вроде как существуют микрухи - сигма дельта АЦП с выходом в DSD формате. Это по моему и есть разновидность ШИМ. Даташиты не смотрел, но думаю, что параметры по THD у них за глаза и уши крутые. Т.е. ШИМ сигнал без искажений получить реально. А дальше нужно, чтобы он не сильно испортился до входа в выходной LC фильтр. Тоже вроде не проект манхэттен. Неискаженная передача фронтов - это эквивалент переключения с частотой несколько ГГц. Да, это кажется совершенно нереальным для нас, но радиопередатчики без пролем работают с такой частотой. Как же это им удается ? Их что не люди разрабатывали ? Чем мы хуже ?

Кроме THD есть много другой грязи. Недофильтрованные ВЧ вызывают паразитную модуляцию и интермодуляцию сигнала, которая воспринимается как жёсткость и неестественность звука и весьма неприятные призвуки.

Ну это и есть THD, а в простонародье искажняк. Возникает он на нелинейностях, но ведь катушки и кондеры - линейные элементы.

[superamplifier]

Ну Холтона я собрал. Он нормально дубасит, но согласен, прилично греется. Но это потому что он не Б, а довольно много АБ.

во первых цена, толи одна пара в классе Д толи 5 пар в Б или АБ.
во торых нагрев, радиатор с ладошку без пальцев при 800Вт нагреватся до 40 градусов, вот и экономим на радиаторе еще.

[RadioCat]

Вроде как существуют микрухи - сигма дельта АЦП с выходом в DSD формате. Это по моему и есть разновидность ШИМ. Даташиты не смотрел, но думаю, что параметры по THD у них за глаза и уши крутые. Т.е. ШИМ сигнал без искажений получить реально. А дальше нужно, чтобы он не сильно испортился до входа в выходной LC фильтр. Тоже вроде не проект манхэттен. Неискаженная передача фронтов - это эквивалент переключения с частотой несколько ГГц. Да, это кажется совершенно нереальным для нас, но радиопередатчики без пролем работают с такой частотой. Как же это им удается ? Их что не люди разрабатывали ? Чем мы хуже ?

Если бы всё было так просто.. ))) Шим сигнал без искажений (точнее с достаточно малыми искажениями) реально, но не очень просто. По крайней мере это не для начинающих, у которых даже нормальной цешки не у каждого найдёшь. Импульсные устройства всегда требуют настройки, для получения наилучших показателей.
Так же и остальное. Кроме того, есть специфические Д искажения, которые обычными средствами не обнаруживаются и количественной оценке поддаются с большим трудом. Новичку с ними не справиться.
Радиостанции делаются и настраиваются профессионалами, у которых дорогущей аппаратуры больше, чем у новичка мебели в квартире
Радиостанции работают на антенну, у которой параметры постоянные, а усилок работает на катушку, которая движется в сильном магнитном поле, т.е. представляет собой генератор, у которого непрерывно и в очень больших пределах изменяются все электрические параметры. Соответственно демодуляция сигнала происходит с погрешностями, гораздо большими чем модуляция. И т.д. и т.п. Диссертация короче

[GELIANIN]

Естественно, это не для начинающих. Но когда я собрал и настроил усилитель D-класса для автосаба, и ради эксперимента подключил его к домашней стереосистеме, то был сильно удивлён неожиданно хорошему качеству звучания, детальному, как у лампового однотактника, но с гигантским запасом по мощности. Размеры и тепловыделение тоже не могли не порадовать. Так что домашний усилитель D-класса, синхронизированный с блоком питания у меня в планах, правда не в ближайших.

[Lemmy]

Offтопик:
меня тоже удивил класс Д. правда он работал на 500кГц..