Господа, представляю вам проект "Ультима" - новый взгляд на схемотехнику и построение усилителей. Конечно, под новым взглядом я имею в виду мой собственный, субъективный. Поскольку здесь на форуме речь идёт о звуке, говорить будем именно об УМЗЧ. Я за свою практику видел много усилителей, и плохих, и хороших, и непонятных, и все они меня хоть чем-то, но не устраивали. Творческая душа категорически требовала её успокоить схемотехникой, которая была бы если и не ultimate-решением, то хотя бы его началом. В результате возникла концепция, которая получила Российский патент на изобретение в области радиотехники. Есть мнение, что упоминать об этом - признак плохого тона. Но не смотря на сие мнение, а также на тот факт что С.-Пб. Университет уже не платит госпошлину за поддержание патента в силе, вынужден вас предостеречь на всякий случай, чтоб у вас не было возможных неприятностей:
во избежание конфронтаций с существующим законодательством не используйте в коммерческих целях данную интеллектуальную собственность ни целиком, ни частично. Для законного использования существуют определённые правила.
Тем не менее вы вполне можете изготовить объект для личного удовлетворения своих музыкально-эстетических потребностей. В частности, поэтому данная тема и появилась на форуме. Здесь будет подробно освещаться ход сборки, настройки и тестирования макета - то есть всё как всегда и как положено для подобных проектов. У меня есть вполне обоснованная надежда на позитивный итог. Дело в том, что помимо различных продуктов для иных целей, были также собраны и четыре варианта УМЗЧ. Однако это были только предварительные варианты построения "а-ля Сухов", и не смотря на высокие характеристики лично меня они таки не удовлетворили. Здесь будет представлен последний вариант разработки, ещё ни разу не собиравшийся в железе. Весьма надеюсь, что он меня не подведёт 
Прежде всего - несколько слов о преимуществах и особенностях решения для ВК
- Устройство исключительно линейно, обладает высочайшей верностью синтеза выходного тока по отношению к входному даже без замыкания цепи общей отрицательной обратной связи. При замыкании цепи главной ООС конструкция вносит в конечный сигнал весьма малые искажения, и ими можно попросту пренебречь при расчётах, поскольку на переднем плане будут фигурировать искажения каскадов предварительного усиления напряжения и/или тока.
- Необходимо особо подчеркнуть беспрецедентную термостабильность модуля. Данная характеристика настолько высока, что сравнивать её фактически не с чем, исходя из реально существующих объектов. При испытаниях прототипа были получены результаты, замерявшиеся через неделю активного использования конечной аппаратуры в режимах максимальной выходной мощности. Показатели рабочей точки выходных транзисторов смещались не более чем на миллипроцент от начальных значений. Эффект достигается нюансами схемотехники.
- Также необходимо подчеркнуть отсутствие инерционных термостабилизирующих цепочек, наличием которых грешит вся современная усилительная аппаратура, и которые вносят свой довольно высокий вклад в искажения конечного сигнала, а также являются одним из факторов риска для стабильности и надежности.
- Масштабируемость. В зависимости от требуемой конечной мощности, спектра гармоник и уровня нелинейных искажений можно без каких бы то ни было изменений в каскадах предварительного усиления увеличить количество выходных модулей.
- Конструкция обладает повышенным КПД за счёт легкой масштабируемости и схемотехнического решения. Можно легко добиться максимально-возможного КПД в зависимости от требований к ВК
- Модуль не критичен и не чувствителен к перегрузкам. Разработчикам хорошо известно, что любая усилительная/силовая аппаратура требует наличия специальных быстродействующих каскадов защиты от перегрузок по току, например при коротком замыкании выхода на землю. В данном случае такой специальной защиты не требуется, поскольку можно обойтись простыми плавкими предохранителями в качестве элементарной защиты.
Другими словами, начало многообещающее, и вроде бы есть весь смысл испытать макет.
Итак, схема и её краткое описание. Для простоты и удобства схема разбита на две части. В первой части - входные каскады, во второй части - модуль ВК. Рассмотрим первую часть.
Несмотря на тот факт, что сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ Х1, в целом усилитель - инвертирующий. Нестандартное включение ОУ Х1 обусловлено тем, что вся дальнейшая часть усилителя сигнал инвертирует. Конечно, можно выполнить и неинвертирующий вариант, и стандартное включение входного ОУ, но при этом мы получим некоторое ухудшение характеристик, так что я остановился на данном варианте.
С выхода Х1 сигнал поступает на симметричный каскад сдвига уровня для управляемых генераторов тока - собственно, это усилитель напряжения. Здесь может возникнуть вопрос - почему так? Почему не ставший уже де факто стандартом "сломанный каскод"? Ответ всё тот же - да, конечно можно, но не стОит, поскольку такое включение приведёт к увеличению нелинейности как УН, так и всего УМЗЧ. Тот же самый ответ будет на вопрос "а почему не токовое зеркало?"
Должен заметить, что изначально схема УН была в ином виде. Данный вариант ультра-линеен, но ведёт к усложнению конструкции, поскольку требует двух дополнительных независимых источников питания. Ко всему прочему для УМЗЧ такая ультра-линейность - излишество, и я остановился на варианте, представленном выше. Однако первичный вариант также будет испытан при неудовлетворительных результатах макетирования основной версии. Схема такая:
После усилителя напряжения заметен стандартный генератор тока на малошумящих транзисторах. Этот генератор задаёт режим "А" выходному каскаду с начальным током покоя ~150mA, такой ток будет протекать через каждую комплементарную пару мощных выходных транзисторов в противоположном, нерабочем для конкретного плеча, полупериоде усиливаемого сигнала. Диоды D5/D6 препятствуют возникновению режима "АВ". Через эти же диоды течёт ток смещения, задающий вторую половину рабочей точки выходного каскада в режиме молчания. Для режима молчания ток покоя ВК равен 300mA. Теперь рассмотрим сам выходной каскад, он имеет свои нюансы.
Каждое плечо одного масштабируемого модуля ВК содержит ОУ и контролируемый им мощный полевой транзистор. Господа, я прекрасно знаю, что полевые транзисторы имеют бОльшую нелинейность по сравнению с простыми биполярными. Да, здесь в выходном каскаде можно было бы применить и прекрасно зарекомендовавшие себя биполяры. Но, во-первых, это приведёт к неоправданному усложнению каждого плеча модуля, а во-вторых при данном схемотехническом решении нелинейность полевиков хорошо компенсируется местной обратной связью, которая снимается с датчика тока (истоковый резистор) и подаётся на инвертирующий вход "контролёра" в лице ОУ. Выбор ОУ обусловлен не только их высокими характеристиками, но и наличием внутренней защиты входных цепей. Ток нагрузки данных ОУ может достигать 30мА, этого более чем достаточно для управления выбранными "боковиками" 1058/162
Для того, чтобы обеспечить необходимый размах напряжения на выходах ОУ, независимый от уровня сигнала на выходе УМЗЧ, все модули ВК и задающий генератор тока запитываются от плавающего источника питания, гальванически развязанного с шиной массы. Средняя точка данного независимого источника привязана к точке "f" по схеме. +12 вольт - точка "f+", -12 вольт - соответственно точка "f-". Таким образом, можно получить усилитель очень большой мощности, например киловаттный. Выходная мощность будет зависеть лишь от ОБР применяемых транзисторов, крутизны их характеристики и количества масштабируемых модулей в выходном каскаде. В общем и целом - по схеме всё. Далее посмотрим на характеристики, полученные путём SPICE-моделирования данной схемы.
Собственно, характеристики комментировать особого смысла нет. Моделирование есть моделирование. Понятно, что в железе макет покажет что-то другое 
Однако при моделировании использовались SPICE-модели от производителей для худшего варианта. В общем, моделирование как бы тоже призывает к реальному тестированию, поскольку выходные параметры усилителя для наихудшего варианта используемых компонентов наталкивают на позитивные мысли... АФЧХ и спектр гармоник для входного сигнала 20 - 20.000 Герц с множителем 10
В общем, всё это хорошо читается и неплохо смотрится, вопрос в том, что покажет макетирование. В качестве независимого эксперта любезно согласился выступить всем известный MAXIM_A, клонировавший ASR Emitter Exclusive. Пока идут все необходимые приготовления, разводка ПП и тд и тп Затем дождёмся с завода изготовленных плат и приступим. Ко всему прочему, мне крайне интересно, что покажут реальные замеры по сравнению с параметрами моделирования, поскольку диапазон гармоник на уровне нанопроцентов по всей видимости в железе недостижим, учитывая проблемы компоновки и паразитных связей.
Также прилагаю файл в формате Micro-Cap 9.0.7.0 - это базовая схема, без развязывающих фильтров, стабилизатора, защитных диодов для входов ОУ Х1 и прочих нюансов, в том числе и без защитных диодов для база-эмиттерных переходов транзисторов УН. Питается схема конечно от батареек Нагрузка - комплексная. Также нет "замедлителя" включения управляемых генераторов тока - для моделирования в нём нет особой нужды, но в железе может привести к блокировке входных цепей ОУ ВК. Нет софт-клиппера и предусилителя-ФНЧ. Нет балансировки входного ОУ. Одним словом, схема минимальна.
P.S. После предварительной отладки в симуляторе определился вариант с лучшими показателями переходной характеристики, интермодуляции и гармоник - вариант с инверсным включением ОУ УН. Выкладываю три файла: схема, показанная выше; вариант с инверсным включением ОУ УН; вариант с инверсным включением ОУ УН и буферным каскадом перед ВК. Все три файла имеют по два схемных листа. Вторые листы содержат промасштабированный ВК, комплексную нагрузку и батарейки питания конструкции.
Основная схема ULTIMA 100W.CIR
Вариант инверсного включения ОУ УН без буфера перед ВК ULTIMA 100W inv tmp1.CIR
Вариант инверсного включения ОУ УН с буфером перед ВК ULTIMA 100W inv tmp2.CIR
Проект Ультима XXI
Сообщение от .Васильев
Социальные закладки