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]

[Mepavel]

Вопросы - почему бы не оставить скоростной интегральный ОУ на входе ? чем не устроил.

Нужен звуковой ОУ, у которого фазовый сдвиг на частоте 2-5 МГц не больше 95-100 градусов. Сейчас вот присмотрелся к LM318, но как-то не уверен в её добродушном отношении к звуку.

плавающее питание , и все питание усилителя будет +-12В, кроме Мосфетов ВК.

Не люблю я плавающие питания. Хотя я не знаю конкретно какую схему Вы имеете ввиду.

---------- Добавлено в 18:45 ---------- Предыдущее сообщение в 18:34 ----------

...Последний усилитель Литаврина гляньте....
https://forum.vegalab.ru/showthread....BD%D0%B0/page2

Спасибо, интересная ссылка. В усилителе Литаврина достигнута частота единичного усиления под 200 МГц. Но извините, я не считаю такой подход звуковым. Так же как и увеличение глубины ООС при помощи много полюсной коррекции с "хитрым" заходом за 180 градусов! Можно подумать производители звуковых ОУ совсем тёмные люди, раз не могут сделать ОУ с усилением в 130 дБ в звуковой полосе.
Мой же усилитель, повторяет ФЧХ звуковых ОУ. Т.е. с ростом частоты фаза практически монотонно увеличивается и не превышает 120-ти градусов. (на граничной частоте при малом Ucи максимум 134). Таким образом получается очень устойчивый усилитель.

[ZugDuk]

Offтопик:

Нельзя ли предусмотреть вариант прямого усиления DSD-потока, без ФНЧ на входе и с ФНЧ на выходе? Чтобы на транзисторах ВК можно было получить красивые прямоугольные импульсы частотой следования до 2.8224МГц и амплитудой до номинала питания? Тогда на вход можно будет подать сразу DSD-поток, а на выход УМ просто поставить небольшой дроссель - получится мощный ЦАП.
Это одно из применений, где можно было бы попробовать быстродействующий усилитель...

С таким предложением лучше в эту ветку.

Но извините, я не считаю такой подход звуковым. Так же как и увеличение глубины ООС при помощи много полюсной коррекции с "хитрым" заходом за 180 градусов! Можно подумать производители звуковых ОУ совсем тёмные люди, раз не могут сделать ОУ с усилением в 130 дБ в звуковой полосе.
Мой же усилитель, повторяет ФЧХ звуковых ОУ. Т.е. с ростом частоты фаза практически монотонно увеличивается и не превышает 120-ти градусов. (на граничной частоте при малом Ucи максимум 134). Таким образом получается очень устойчивый усилитель.

Судя по отзывам о звуке, звуковым получился вот этот усилок.

[Mepavel]

Чтобы на транзисторах ВК можно было получить красивые прямоугольные импульсы частотой следования до 2.8224МГц и амплитудой до номинала питания?

Можно попробовать. Вы хоть предъявите требования к форме импульса ( фронт нарастания, нагрузку, лучше бы привести схему ФНЧ на выходе).

[ZugDuk]

Можно попробовать. Вы хоть предъявите требования к форме импульса ( фронт нарастания, нагрузку, лучше бы привести схему ФНЧ на выходе).

Сразу скорректирую ТЗ. Частоты достаточно в 8 раз меньшей, т.е. ровно 352.8кГц.
На счет формы импульса вкратце объясню:
Уровень звука (амплитуда) на выходе усилителя, прямо зависит от площади которую рисуют транзисторы. Например вот на этой картинке в 1ом отсчете амплитуда = 0. Во втором она +много, в третьем -по меньше. В общем как нарисовалось, такой и звук Если транзисторы нарисуют криво, то и звук выйдет кривой , т.е. искаженный.

Какая требуется точность? Ну например такая:
У нас на входе 65536 возможных амплитуд (т.к. источник сигнала PCM с компакт диска). Один отсчет у нас 352.8кГц. Вот его полный период делим на 65536, получаем некую маленькую площадь. Вот я считаю, что круто было бы позволить транзисторам сделать ошибку в одну такую площадь, не больше. Если так сделать, звук выйдет очень хорошим. В % такое искажение, это что то вроде 0.005%.


Нагрузка примерно такая:
индуктивность 70uH последовательно, конденсатор 0.7uF на землю, 8 Ом на землю.

[Mepavel]

Какая требуется точность? Ну например такая:
У нас на входе 65536 возможных амплитуд (т.к. источник сигнала PCM с компакт диска). Один отсчет у нас 352.8кГц. Вот его полный период делим на 65536, получаем некую маленькую площадь. Вот я считаю, что круто было бы дать транзисторам сделать ошибку в одну такую площадь, не больше. Если так сделать, звук выйдет очень хорошим. В % такое искажение, это что то вроде 0.005%.

Если частота, 352.8 КГц - период 2,83447 мкс, Значит 1/65536 = 43,3 пс. Чтобы обеспечить такой фронт импульса транзистор должен работать на частоте ну допустим 4/(43.3 пс) , т.е. на частоте примерно 100 ГГц. Не знаю где Вы найдёте такой качественный источник сигнала (я уже не молчу про усилитель). На таких частотах проблема даже просто сигнал передать по волноводу.

[ZugDuk]

Не знаю где Вы даже найдёте такой качественный источник сигнала. На таких частотах проблема даже просто сигнал передать по волноводу.

Да я в курсе, что технология ШИМ гавно, но если сделать ее хорошо, то звучать будет круто. Чисто, мощно и вообще без клиппинга.

Чтобы обеспечить такой фронт импульса транзистор должен работать на частоте ну допустим 4/(43.3 пс)

А почему именно так ? Вообще 100 ГГц у меня никак не получалось насчитать, максимум, что получалось, это 352.8 КГц x 65536 = 23 ГГц.

[Mepavel]

Привожу пример схемы импульсного усилителя (левая часть звукового усилителя в первом посте). А так же картинки меандра на частоте 352,8 кГц при нагрузке на 4 ома через ФНЧ 0.7 мкГн + 0.7 мкФ.

[Mepavel]

352.8 КГц x 65536 = 23 ГГц.

Так это Вы получили период колебания, а чтобы обеспечить фронт, нужно рабочую частоту раза в 2-4 большую.

[ZugDuk]

Так это Вы получили период колебания, а чтобы обеспечить фронт, нужно рабочую частоту раза в 2-4 большую.

Ну вот это колебание, это и есть фронт для частоты 352.8 КГц. Лучше точно не нужно, потому что даже это невозможно сделать
Для начала думаю стоит стремится к времени переключения 1ns и ее одинаковости наверх и вниз (хотя даже 1ns недостижим на обычной элементной базе).

Привожу пример схемы импульсного усилителя (левая часть звукового усилителя в первом посте).

Думаю, что если глазом видно искажение меандра, то точно все плохо.
Вообще в импульсных усилках принято ставить выходные полевики одной проводимости, а для драйвера делать level shifter. Для связки BD139 / BD140 не понятны их Rise/Fall time. Интересно было бы их сравнить например с этой дешевенькой сборкой.

З.Ы. Нагрузку неправильно написал. Не 4, а 8 Ом.

[Mepavel]

Для начала думаю стоит стремится к времени переключения 1ns и ее одинаковости наверх и вниз (хотя даже 1ns недостижим на обычной элементной базе).

А зачем стремиться к этому?

Думаю, что если глазом видно искажение меандра, то точно все плохо.

На сам деле прямоугольник очень хорош. Это же работа на комплексную нагрузку.
Есть усилители Class D. У них по звуковой частоте обратная связь, и там такого меандра заглаза. И искажения в 0.2-0.5 % процента достигаются в таких усилителях легко и с куда более худшими импульсами. А сделать усилитель идеально передающий прямоугольник с фронтами несколько пикосекунд нереально. Проще сделать усилитель класса Д с искажениями 0,005%. А ещё лучше на входе обычного усилителя поставить ЦАП и тогда вообще никаких проблем. Кстати заодно решится проблема разводки малосигнальной земли и наводки на межблочники не будут влиять. Если связь оптикой - то вдобавок ещё идеальная гальваническая развязка.

[viktor8m]

А ещё лучше на входе обычного усилителя поставить ЦАП и тогда вообще никаких проблем. Кстати заодно решится проблема разводки малосигнальной земли и наводки на межблочники не будут влиять. Если связь оптикой - то вдобавок ещё идеальная гальваническая развязка.

Совершенно верно, я именно так и собираюсь сделать в моём планируемом усилителе, поскольку кроме цифровых источников у меня других нету. При этом пропадает недешёвая проблема межблочных соединений (качественные аналоговые разъёмы с двух концов и межблочный кабель часто дороже всех деталей на усилитель).

[SashaNetrusov]

Спасибо, интересная ссылка. В усилителе Литаврина достигнута частота единичного усиления под 200 МГц. Но извините, я не считаю такой подход звуковым. Так же как и увеличение глубины ООС при помощи много полюсной коррекции с "хитрым" заходом за 180 градусов! Можно подумать производители звуковых ОУ совсем тёмные люди, раз не могут сделать ОУ с усилением в 130 дБ в звуковой полосе.
Мой же усилитель, повторяет ФЧХ звуковых ОУ. Т.е. с ростом частоты фаза практически монотонно увеличивается и не превышает 120-ти градусов. (на граничной частоте при малом Ucи максимум 134). Таким образом получается очень устойчивый усилитель.

Если в полосе звука у ФЧХ по петле ООС фазовый сдвиг около нуля , то это не считается звуковой ФЧХ ?

[Mepavel]

Если в полосе звука у ФЧХ по петле ООС фазовый сдвиг около нуля , то это не считается звуковой ФЧХ ?

Считается, только в том случае, если усилитель не возбуждается за полосой. Почему то производители высококачественных звуковых ОУ делают полюс на частоте 10 Гц при усилении 130-140 дБ. И при этом у них АЧХ линейноспадающая 20 дБ/дек, а у ФЧХ 60-65 градусный запас по фазе на частоте единичного усиления. И если сравнивать звучание с другими ОУ, у которых полюс к примеру на 1 кГц, то последние звучат заметно хуже.

[Mepavel]

Сегодня решил привести очередной вариант усилителя.
В нём было решено отказаться от дискретного аналога AD797 на СВЧ-транзисторах. Поиск звукового и быстродействующего ОУ с большим запасом по фазе привёл к удивительной микросхеме LME49710. (половинке LM4562). Эта микросхема обеспечивает на 1 kHz THD+N равный 0,00003% (минус 130 дБ), при V_OUT=3 V, R=600Ω, A_V=1 !!! Для удобства привожу здесь её АФЧХ:

Как видно из ФЧХ LME49710 на 30МГц фазовый сдвиг всего лишь 120 гр., что очень впечатляет. К тому же следует обратить внимание на что, что фазовый сдвиг практически не меняется в звуковом диапазоне частот, а частота первого полюса ниже 10 Гц!
По АФЧХ и таким параметрам как: скорость нарастания (+/-) и ток короткого замыкания, мною была создана модель этого уникального ОУ - LME49710.cir, которая впоследствии использовалась в данной версии усилителя.

Вот схема данной версии усилителя Scheme_V9_AMP_RF_T.pdf и V9_Audio_Amp_RF_Tran.CIR:

Ниже представлены АЧХ и ФЧХ петлевого усиления УМ для трёх точек выходного напряжения {-29В, 0, 29В} соответственно (напряжение питания +/-33В).

Видно, что частота единичного усиления в петеле достаточно высокая (3-4 МГц) при Av=30, соответственно и глубина обратной связи очень велика. На больших выходных напряжениях, запас по устойчивости достаточно мал, что объясняется увеличением ёмкостей полевых транзисторов выходного каскада при уменьшении UСИ, но в диапазоне выходных напряжений от 0 до 80% ФЧХ практически совпадают и запас по фазе в районе 50-ти градусов.
Если требуется получить больший запас по фазе, достаточно просто увеличить резистор R18. Т.е. в реальном железе есть чем «накрутить» необходимую устойчивость. ;)

[Mepavel]

Результаты измерений нелинейных искажений на 1 кГц и 10 кГц соответственно при Pвых=100 Ватт на 4 Ома:

Интермодуляционные искажения при Pвых(ПО)=200 Ватт на двухтоновом сигнале 50 Гц и 7 кГц в соотношении амплитуд (1:1)

Меандр на частоте 10 кГц с ФНЧ по входу R1C1

[Mepavel]

Отличительной особенностью этого усилителя, является использование в "драйверных" каскадах транзисторов малой мощности (Pd=300 мВт при Ta=25C, корпус SOT-23). Т.е. по сути мощные 120-ти ваттные ключи IRF9540 и IRF540, раскачиваются слаботочными СВЧ-транзисторами BFT93 (PNP) + BFR93 (NPN). Более того, усилитель разработан так, чтобы даже при сгорании выходных транзисторов и перегрузке усилителя, максимальная рассеиваемая мощность на каждом из маломощных транзисторов схемы не превышала 100-130 мВт.
Диоды Шоттки X5, X8, X13, X14 и X15 позволяют убрать негативные эффекты при перегрузке усилителя.
Ещё одной важной особенностью усилителя, является его высокая термостабильность, которой очень тяжело добиться для ВК по схеме с ОИ или (ОЭ). Чаще всего разработчики предпочитают использовать класс С.