Широкополосный УЗЧ с достаточной линейностью.

[antiluser]

Работа над этим проектом началась где то в 2001 году, тогда же в целом вырисовалась схема. Запустить же полностью готовое устройство по разным причинам получилось только летом 2005 года. В начале лета этого года провел некоторые изменения: увеличил глубину общей ООС путем снижения Кп, заменил во входных каскадах транзисторы на импорт.
Огромную помощь в работе над этим усилителем оказала серия статей по СЛ УМЗЧ С. И. Агеева в журнале «Радио», за что ему хочу сказать большое спасибо.
Схема УЗЧ приведена во вложении. Из особенностей отмечу широкую полосу пропускания, примерно 6,5…7 МГц с замкнутой ООС, 100 кГц с разомкнутой. Усиление с разомкнутой общей ООС около 456, поэтому глубина ООС даже после доработки невелика. Привожу некоторые спектры, снятые с помощью звуковой карты E-MU 0404 USB, напряжение на выходе 20 В, что соответствует расчетной номинальной мощности 100 Вт/4 Ом, нагрузка активная 4 Ом:
собственные искажения ЗК
1 кГц без нагрузки
1 кГц под нагрузкой
20 кГц без нагрузки
20 кГц под нагрузкой
двухтональный сигнал 19 и 20 кГц без нагрузки
и под нагрузкой
Такое было напряжение в сети во время замеров видно, что амплитуда из-за искажений синуса занижена, что снизило величину постоянного питающего напряжения в сравнении с расчетным.
Так же во вложении несколько фото снаружи и внутри аппарата.

[krulfa]

Что такое динамическая линейность?

Статическая линейность однозначно задается схемотехникой и ВАХ активных компонентов. Динамическая означает, что для быстро изменяющихся сигналов возникает разница: сигнал на выходе начинает отличаться от величины, предписываемой статической ВАХ. Динамическую нелинейность вносят зависимость свойств активных компонентов от частоты, нелинейность реактивных компонентов - емкостей и индуктивностей, а также тепловые искажения.
Не пытайтесь обнаружить динамические нелинейности осциллографом или на слух - дело неблагодарное. Некоторую оценку даст график зависимости КНИ от частоты. Проявление динамической нелинейности - это когда КНИ растет быстрее, чем уменьшается глубина ОООС с ростом частоты. Можно попытаться наметить точку перегиба на графике КНИ и смотреть, на какой она частоте. Чем выше, тем лучше. Но на ЗЧ эту точку вряд ли можно разглядеть, это обычно от 50 кГц и выше.

[Nikolav]

зависимость свойств активных компонентов от частоты, нелинейность реактивных компонентов - емкостей и индуктивностей,

это всё статическая нелинейность.

а также тепловые искажения

При должном построении входного каскада легко давится ООС.

Некоторую оценку даст график зависимости КНИ от частоты.

притянуто за уши.

Проявление динамической нелинейности - когда КНИ растет быстрее, чем уменьшается глубина ОООС с ростом частоты.

это не проявление динамической нелинейности. Это показатель уровня знаний разработчика.

[krulfa]

Для опубликованной схемы, ближайшей ко входу нелинейной емкостью является Скб VT17 и VT21. Ее влияние можно снизить, если поменять структуру этих транзисторов на противоположную и подключить их коллекторы на землю вместо шины питания, тогда Uкб будет большим и девиация Cкб снизится. Эмиттеры VT17 и VT21 тогда подпираются источниками стабильного тока.
Нелинейность Cкб VT18,19 лечится схемой Хаксворда, VT21, VT22 - плавающим питанием. Нелинейность выходного каскада не лечится почти ничем.
По тепловым искажением - входные ДК и источники тока VT1 VT2 делать каскодными.
Но как нетрудно догадаться, это будет уже совсем другой усилитель.

Дешевое и сердитое улучшение данной схемы - ввести индуктивную коррекцию во входные ДК, от 470 до 100 мкГн между эмиттерами. Искажения снизятся.

[misha88]

При должном построении входного каскада легко давится ООС.

Если разговор про тепловые искажения входного каскада, то тысячу раз обсуждали, никакая ООС никакого вида их не только подавить, а даже уменьшить не может, так как тепловые искажения входного каскада приводят к изменению той части коэф. усиления, на которую ООС не влияет вообще, для ОУ это называют напряжением смещения (и для дискретов можно пользоваться тем же термином), ООС на неё не действует, поэтому если напряжение смещения во время усиления не стабильно (а оно всегда нестабильно на сколько-то, даже у прецизионных ОУ, вопрос в величине, а самые малые практически нулевые изменения у ОУ с автоматической коррекцией нуля, но для звука они не пригодны), то это прямые искажения на выходе. Поэтому я бы Вашу фразу изменил на такую: При должном построении входного каскада тепловые искажения настолько малы, что не слышны, а ООС не поможет их уменьшить.

[antiluser]

Повысить линейность усилителя усложнением схемы можно. Но будет ли при этом улучшение звучания - я не уверен, не растерять бы достигнутого. Введение следящих каскадов также ведет к ухудшению динамической линейности, поэтому мной даже не рассматривалось их применение.

[Nikolav]

Offтопик:

я бы Вашу фразу изменил на такую:

Меня вполне устраивает моя формулировка.
Разговор был про искажения УМ с ОС.
Попробуй проследить нить разговора.

[fakel]

Введение следящих каскадов также ведет к ухудшению динамической линейности, поэтому мной даже не рассматривалось их применение.

Кто тебе сказал этот бред? Следящие каскады уменьшают по абсолютгой величине в 10-20 раз те нестабильности (Скб, Uкэ, Iэ), которые и приводят к дин нелинейностям

[Александр Котов]

Повысить линейность усилителя усложнением схемы можно. Но будет ли при этом улучшение звучания - я не уверен, не растерять бы достигнутого. Введение следящих каскадов также ведет к ухудшению динамической линейности, поэтому мной даже не рассматривалось их применение.

То же считаю, что введение каскодных схем портит звук. Снижению всяких нелинейностей способствют симметричные схемы - там происходит компенсация. Поэтому симметричные схемы при одинаковых объективных параметрах звучат лучше. (моя схема сейчас: http://akotov.narod.ru/amp.html )
Когда Мусатов открыл дискуссию о тепловых искажениях во входном каскаде - речь шла о схеме с одиночным дифкаскадом на входе.

---------- Добавлено в 10:34 ---------- Предыдущее сообщение в 10:32 ----------

Следящие каскады уменьшают по абсолютгой величине в 10-20 раз те нестабильности

Но есть и другие способы снижения этих нелинейностей, не портящие звук.

[SAPR]

Offтопик:

Следящие каскады уменьшают по абсолютгой величине в 10-20 раз те нестабильности (Скб, Uкэ, Iэ), которые и приводят к дин нелинейностям

Вот именно.

введение каскодных схем портит звук.

А как они портят? Просветите плз. Вот сейчас испытываю усь, где следящее питание везде. Про техн.характеристики молчу, дстаточно сказать, что треугольник частотой 1 мГц и двойной ампл. 20 В (на выходе) на нагрузку 4 Ом - влегкую. И несмотря () на все это - звук отличный.

[antiluser]

Кто тебе сказал этот бред? Следящие каскады уменьшают по абсолютгой величине в 10-20 раз те нестабильности (Скб, Uкэ, Iэ), которые и приводят к дин нелинейностям

В теме про СЛ много чего интересного было.

[fakel]

Снижению всяких нелинейностей способствют симметричные схемы - там происходит компенсация.

Не всяких, а только четных степеней

[misha88]

То же считаю, что введение каскодных схем портит звук.

Если Вы говорите про любые каскодные схемы, то не согласен, а если только про следящие (т.е. за счет ПОС), то все зависит от реализации, действительно можно напортачить и получить больше вреда, чем пользы, проблема в точности слежения, что популярными методами (каскадом ОБ) практически точно не сделать (для сигнала слежения каскад ОБ работает как каскад ОК, а его коэф. передачи не постоянен и не равен 1), наилучшие способы это реализация с помощью скоростного ОУ, плавающего питания (например как в схемах у SAPR) или каскадом Шиклаи.

Снижению всяких нелинейностей способствют симметричные схемы - там происходит компенсация.

Это только на первый взгляд, в реальности и тем более на дискретах во многих симметричных схемах (особенно с входными диф. каскадами) четные гармоники (в основном 2 и 4) действительно уменьшаются (но не компенсируются, максимум раз в 5 наверное), но нечетные и особенно комбинационные гармоники могут (и очень часто) увеличиваться, как обычно всё зависит от конкретной схемы, есть на Веге и удачные симм. схемы.

[Александр Котов]

как они портят? Просветите плз. Вот сейчас испытываю усь, где следящее питание везде. Про техн.характеристики молчу, дстаточно сказать, что треугольник частотой 1 мГц и двойной ампл. 20 В (на выходе) на нагрузку 4 Ом - влегкую. И несмотря () на все это - звук отличный.

Хотя бы тем, что сигнал проходит через еще один транзистор. Бывают подвозбуды на десятках мегагерц.
Со следящими каскодами всё ещё хуже: разницу напряжений между базами транзисторов каскада поддержать не удается в реальности и присходит модуляция сигнала. Тут нужен идеальный источник напряжения, питаемый идеальным источником тока.

[Валет]

Не пытайтесь обнаружить динамические нелинейности осциллографом или на слух - дело неблагодарное. Некоторую оценку даст график зависимости КНИ от частоты. Проявление динамической нелинейности - это когда КНИ растет быстрее, чем уменьшается глубина ОООС с ростом частоты.

Динамические нелинейности для усилителей класса АВ являются следствием коммутационных искажений ВК Они легко обнаруживаются и осциллографом и на слух.
Как они выглядят на осциллографе видно из осциллограммы в статье о ZD-50. На слух они обнаруживаются сравнением усилителей как я писал здесь, если сравнивать с усилителем класса А, даже не очень высокого качества.

Для усилителей класса АВ КНИ всегда растет быстрее, чем уменьшается глубина ОООС с ростом частоты. Это объясняется тем, что с ростом частоты работы у ОООС прибавляется – появляются дополнительные динамические (коммутационные) искажения.
Частота, начиная с которой это становится заметно, зависит от скорости нарастания УМЗЧ. Но чтобы это зарегистрировать, нужно искажения измерять в достаточно широкой полосе. В случае недостаточной полосы можно получить, наоборот, уменьшение искажений (измеренных, а не реальных!) с ростом частоты, вплоть до нуля. Например, измеренные КНИ усилителя ZD -50 отличаются от реальных, измеренных в широкой полосе, на два порядка.

[Nick]

На слух они обнаруживаются сравнением усилителей как я писал здесь, если сравнивать с усилителем класса А, даже не очень высокого качества.

Не обнаруживаются. В нормальных усилителях с сильно глубокой ОС в звуковом диапазоне, значимые компоненты искажений лежат выше звукового диапазона (там где ОС не такая глубокая), фактически вне зависимости от того что на входе. Это подтверждается измерением разностного синала. Отличие есть только в ультразвуковом диапазоне. Даже если сравнивать на реальном музыкальном сигнале.

[antiluser]

Что такое динамическая линейность?

Посмотрел определение, это зависимость ПХ цепи от скорости изменения сигнала. Вот этого и хотелось избежать.

[Валет]

Не обнаруживаются. В нормальных усилителях с сильно глубокой ОС в звуковом диапазоне, значимые компоненты искажений лежат выше звукового диапазона

Конечно, динамические искажения, как и всякие другие, имеют порог заметности. Он зависит не только от величины и спектрального состава этих искажений, (имхо, для УМЗЧ динамическими являются искажения, если им сопутствуют гармоники 8-10 порядка и выше), но и степени подавления искажений в слышимой области. Но при прочих равных условиях заметность динамических искажений (это «транзисторное звучание») выше, чем от статической нелинейности УМЗЧ. Об этом говорит и Селф:

генерация на выходе УМЗЧ гармоник усиливаемого сигнала – это зло, а генерация гармоник высокого порядка – худшее из зол. Принято считать, что n*й гармонике можно приписать коэффициент n2/4, который бы учитывал ее негативное воздействие на качество звучания [25]. Так, например, если амплитуда третьей гармоники равна амплитуде второй, то ее отрицательное влияние на самом деле в 9 / 4 = 2,25 раз неприятнее сказывается на звучании усилителя; для четвертой гармоники этот коэффициент равен 16 / 4 = 4 и т.д. Поэтому ясно, что даже небольшой уровень гармоник высокого порядка влечет за собой весьма заметное ухудшение качества звука.

[antiluser]

Хочу уточнить, что эта схема разрабатывалась и отлаживалась (на сколько возможно) только на реальном макете на картонке, в основном интуитивно, компьютера тогда вообще не было. Кг измерялся компенсационной приставкой, осциллограф был (и есть, надо бы что-то широкополосное уже купить) С1-94. Сейчас могло получиться заметно лучше с отладкой в симуляторе.

[antiluser]

Offтопик:
Одна из известных, Акулиничева, или что то с форума, посовременнее? Можете чуть подробнее?

Offтопик:
В "Радио" 1990 или 91 года была статья, по мотивам акулиничевского.

[antiluser]

Произвел некоторые доработки, которые мне посоветовал Сергей Агеев больше двух лет назад. Но только сейчас получилось осуществить. Просто процитирую:

Замечания по Вашему усилителю (минимальные доработки) 1. Коллекторы VT3, VT11 повесить на плюс 15 В+
2. Коллекторы VT4, VT12 повесить на минус 15 В+
3. Эмиттерно-базовые переходы упомянутых транзисторов зашунтировать емкостями порядка 22-33 пФ для предотвращения эффекта детектирования ВЧ (возникающего из-за того, что они вынужденно работают на малом токе) 30+
4. Стабилитроны VD3, VD4 заменить на минимум 5,6...6,2 В, лучше 7,5...8,2В+
5. Стабилитроны VD1, VD2 зашунтировать конденсаторами номиналом не менее 100 мкФ 470+
6. Транзисторы VT2, VT5, VT8, VT17 заменить на К159НТ1 или пару 2N3904 Fairchild, Motorola, National, OnSemi, или подобранных КТ368, КТ316 2N3904+
7. Транзисторы VT1, VT6, VT9, VT20 заменить на КТС3103 или 2N3906 Fairchild, Motorola, National, OnSemi, или подобранных КТ326, КТ363 2N3906+
8. Резисторы R12, R13 поднять до 2...2,7 кОм 2,7+
9. Резисторы R54, R55 поднять до 130...220 кОм 220+
10. Между эмиттерами VT5, VT8 поставить примерно 12-15 пФ 15+
11. Между эмиттерами VT6, VT9 поставить примерно 10-12 пФ 12+
12. Параллельно R47, R51 поставить 15...22 пФ.18+
13. Номинал корректирующего конденсатора С42 можно слегка увеличить, напр. до 62 пФ. Это, как ни покажется странным, улучшает вид АЧХ (расширяет полосу, уменьшает горб АЧХ) выходного повторителя.
14. Номинал резисторов R61-R64 нужно подобрать минимально возможным, при котором нет ВЧ "подзванивания" выходного каскада.
15. Резисторы R21, R22, R24, R25 после этих доработок можно будет уменьшить до примерно 130...160 Ом без ущерба для стабильности 150+
16. На схеме забыт корректирующий конденсатор, необходимый DA3.+


Перечисленные в п. 10...12 форсирующие кондеры имеют достаточно малый номинал, чтобы практически не влиять на динамическую линейность, но существенно улучшат асимптотический ход АФЧХ петлевого усиления (запас по фазе на ВЧ).

После того как подросла глубина общей ООС вылез резонанс ВК, который вызывал потерю устойчивости. Причина в непродуманной трассировке плат. Пришлось после долгих экспериментов пойти на радикальные меры - запайку сплошных полигонов "земли" дополнительными слоями медной фольги. Это, и подбор цепи коррекции почти прибило резонанс. Вот такой вид получила ПХ Видны небольшие следы резонанса на полках, лучше получить не удалось при данной конструкции. Думаю, что применение высокочастотных 2SA1216/2SC2922 пошло только во вред. Замерил еще частоту единичного усиления по петле общей ООС канал 2 - сигнал на входе цепи ООС, канал 3 - выход УЗЧ. Получилось примерно 3,8 МГц. Глубина общей ООС на 20 кГц каналы аналогично. Вышло около 43 дБ. Эти замеры с цепью коррекции C42 R80 68 пФ и 15 Ом. Окончательно поставил 62 пФ и 10 Ом, с ними слегка пошире полоса.
Замеры нелинейных искажений решил пока не приводить, надо что-то получше в качестве измерителя на ВЧ, чем E-MU 0404USB. На 1 кГц получился Кг 0,002...0,003% при нагрузке 3,8 Ом, 20 В RMS.
Плюсом ко всему решил установить для регулятора громкости ATT6 с контроллером и ДУ от Максима. И по одному на канал, прямо на плату УЗЧ для минимизации наводок.
И могу добавить, что если бы сейчас взялся за постройку, то не стал бы изобретать велосипед, а просто повторил СЛ Агеева. Что дало бы мне лично гарантированный результат по звуку.