ИТУН без общей ООС на основе параллельного повторителя

[Andrey Orloff]

Сделан макет без ООС-ного генератора тока (ИТУН), выполненного на базе известного параллельного повторителя (ПП).
Главной "фишкой" усилителя является включение мощных транзисторов оконечного каскада по схеме общая база (ОБ).
По звучанию же сей макет УМЗЧ просто отправил все мои предыдущие поделки на разборку и свалку
При выборе топологии решающее влияние оказали такие публикации, как Гибридный усилитель - проект Zarathustra и Малоискажающий повторитель напряжения.

ИТУН представляет собой параллельный повторитель со смещением в виде плавающего источника тока.
В отличие от проекта Zarathustra, где применено смещение напряжением, смещение током обеспечивает отличную стабилизацию всех напряжений переходов и позволяет существенно повысить надежность работы без принятия специальных мер по обеспечению термостабилизации транзисторов ПП.
Эксперименты с разгоном такого каскада по току покоя до 3...4 Ампер подтвержают надежность данного способа смещения (DA1 R7-R8).
Ниже представлена первоначальная схема, с которой все начиналось

И окончательная схема, к которой я пришел в результате эксперимнтов:

Вход УМ выполнен по схеме Шиклаи на U1-U4, что позволило почти полностью устранить входную нелинейность в зависимости от сопротивления источника сигнала - за идею спасибо sia_2 и belka.

Мощные оконечные транзисторы U7-U8 включены по схеме общая база, что в совокупности с плавающим источником питания УМЗЧ обеспечивает высокое выходное сопротивление (сотни килоом - единицы мегаом).

В схеме применена виртуальная средняя точка на U9-U10, R11-R12, решение заимствованно из схемотехники усилителей QUAD.

На U11, R14, C9 выполнен "транзисторный фильтр", который дополнительно чистит питание УМЗЧ, в итоге помехи и фон на выходе ИТУН отсутствуют, как класс. Без этого узла качество звучания хуже. ИТУН критичен к качеству питающего напряжения, как впрочем и любой УМ, использующий принцип "плавающий источник питания", посему в схему питания был добавлен синфазный фильтр, выполненный на ферритовых кольцах М2000 (на фото его видно, в белой термоусадке).

Ток покоя оконечного каскада составляет 600мА и для охлаждения радиаторов применены компьютерные кулеры, запитанные от интегрального стабилизатора 7909.
Резистор R6 уменьшен в 2 раза по сравнению с R5. Тут это сделано специально и позволило несколько снизить Кг в режиме большого сигнала.

Конденсаторы С18-С22 и резистор R18 повышают устойчивость схемы на ВЧ и снижают требования к качеству монтажа конструкции. При их отсутствии и работе от источника сигнала с нулевым сопротивлением иногда при резких изменениях сигнала на входе (например, переключение громкости) возникало самовозбуждение.

В ходе экспериментов с деталюшками пробовались разные типы транзисторов, но лучшим вариантом как по звуку, так и по измерениям оказался именно вариант, предложенный на схеме, хотя проверялись следующие типы транзисторов:
В позиции U1-U2: 2SA970 - 2SC2240, 2SA1015 - 2SC1815, 2SA1145 - 2SC2705, BC550 - BC560, 2SA1360 - 2SC3423, 2SA1370- 2SC3467, 2SA1380 - 2SC3502, 2SB649А - 2SD669А, KTA1024 - KTC3206, KTA1268 -KTC3200, 2N5401 - 2N5551, MJE340 - MJE350, BC639 - BC640, 2SB647А - 2SD667А.
В позиции U3-U4: 2SA1930 - 2SC5171, 2SB649А - 2SD669А, MJE15030 -MJE15031
В позиции U5-U6: 2SB817 - 2SD1047, MJL21193 - MJL21194, MJE15030 - MJE15031.

Немного фоток макета:


Мощные транзистры MJL21193/MJL21194 расположены под электролитическими конденсаторами Nichicon KG и закрыты сверху медной пластиной-экраном. Медная пластина закрыта 1,5-мм текстолитовой пластиной, поверх которой приклеены электролиты, дабы не грелись сильно.
В качестве энэргозапасающих конденсаторов применены KMG от Nippon Chemi-Con емкостью 22000мкф х 63В.

Пара картинок измерений и пояснения.
Все измерения макета проводились при питании оного от лабораторного стабилизатора MATHRIX DPS-3055T.
8-Ом нагрузка в виде последовательно соединенных резисторов 7,5 Ом (кучка МЛТ-2 впараллель) и 0,5 Ом резистора Caddock MP930 через 2,5-метровый кабель (КСПП 4х1,2) подключалась к выходу ИТУН.
Сигнал на вход звуковой карты (Echo MiaMIDI) снимался с 0,5-Ом резистора Caddock MP930.

Спект 1кГц на 8-Ом нагрузке (выходное напряжение 10Vrms):


Спектр на многотональном сигнале по методике К.Мусатова "Метод измерения реального разрешения усилителя"
Выходное напряжение порядка 5...7 Vrms на 8-Ом нагрузке.

[Svjatoslav_]

В общем сделал модель динамического смещения для этого УМ. Итог - очень плохо, возникает длинный-длинный шлейф гармоник, хотя общий Кг снижается.
Даже в "железе" пропало желание проверять. Остается чистый класс А, в перспективе на который и буду переходить в своих УМ.
Вот такие мысли про динамическое смещение, не зря ведь этот фокус мало где прижился.

Есть и золотая середина: класс АВ с большим током покоя и без динамического смещения. ))))))

[anatol0]

Интересная концепция! Любопытно будет узнать о результатах использования в активных АС.
У меня несколько вопросов:
1. Поскольку это повторитель, то какой предполагается усилитель напряжения?
2. Какая получилась мощность, можно ли снизить напряжение питания ?
3. Каковы возможные замены транзисторов ?
3. В чём преимущества виртуальной земли по сравнению с классическим двухполярным БП ?

[SAPR]

1. Поскольку это повторитель, то какой предполагается усилитель напряжения?

Это не повторитель.

[anatol0]

Это не повторитель.

Согласен, это преобразователь напряжение-ток.

[Andrey Orloff]

Есть и золотая середина: класс АВ с большим током покоя и без динамического смещения. ))))))

После некоторого прослушивания данного УМ пришел к такому выводу - пора переходить к чистому классу А , а класс АВ с большим током покоя оставлю в качестве опции.
На эти мысли натолкнул эксперимент, когда R7-R8 снизил до величины 5,62Ома. Греться стал существенно сильнее, трансы раскалялись через 40 минут прослушивания и напряжение просело до +-26В, но звук понравился - более воздушный и прозрачный стал - посему буду переходить на "печные" технологии, созрел таки.

1. Поскольку это повторитель, то какой предполагается усилитель напряжения?
2. Какая получилась мощность, можно ли снизить напряжение питания ?
3. Каковы возможные замены транзисторов ?
3. В чём преимущества виртуальной земли по сравнению с классическим двухполярным БП ?

Ну на 1) SAPR ответил,
2) - чуть более 25 Ватт на 8-Ом
3) - особо не задавался целью, но из общих соображений - малое напряжение насыщения К-Э (более высоковольтные моторолы 15032/15033 в данной архитектуре применять не стоит). Из хорошозвучащих транзисторов хороши старые Хитачи/Санио ... с комплектующими можно долго экспериментировать, т.к. на звук в безООСной схеме влияет почти всё.
4) - виртуальная земля, имхо лучше звучит и схема более дубовая выходит, не нужна защита АС, т.е. +плюсы есть и для меня они решающие.
Однако, никто не запрещает использовать и обычный расщепленный ИП с трансом со средней точкой.

Да, кстати, с током покоя я ошибся, 450мА-это суммарный ток, отжираемый схемой, а ток покоя ОК порядка 300мА.
И еще, предварительные промеры коэффициента гармоник говорят о порядке 0,2% перед началом ограничения на нагрузке 8-Ом.

Измерения Кг встали из-за плохого эквивалента нагрузки (стеклянные ПЭВЫ) такая нагрузка существенно индуктивная и нелинейная, надо делать нормальный эквивалент (типа 30 штук 3Вт 240-Ом резистров впараллель) ну и генератор тоже доводить до рабочего состояния..

Предварительно Кг при R7-R8 = 9,2 Ом (Uпит=+-29В):
Uвых=10В_________________Uвых=6В_________Uвых=3В
200Гц - 0,12%_____________0,14%__________0,06%
500Гц - 0,126%____________0,16%__________0,068%
1000Гц - 0,117%___________0,14%__________0,07%
2000Гц - 0,12%____________0,15%__________0,068%
5000Гц - 0,155%___________0,16%__________0,07%
10000Гц - 0,17%___________0,15%__________0,067%
13000Гц - 0,18%___________0,16%__________0,072%
15000Гц - 0,2%____________0,16%__________0,067%

Кг при R7-R8 = 5,62 Ом (Uпит=+-26В, напряжение просело заметно):
Uвых=10В_________________Uвых=6В_________Uвых=3В
200Гц - 0,1%______________0,022%__________0,01%
500Гц - 0,11%_____________0,027%__________0,013%
1000Гц - 0,12%____________0,028%__________0,013%
2000Гц - 0,13%____________0,030%__________0,011%
5000Гц - 0,15%____________0,044%__________0,019%
10000Гц - 0,18%___________0,072%__________0,028%
13000Гц - 0,19%___________0,083%__________0,031%
15000Гц - 0,21%___________0,094%__________0,038%

[SemenS]

Делал несколько усилов класса А. Всё хорошо, но жрут ликтричества немеряно.. Как насчёт Без ОСного УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением? стр.3-6
rm_13_09.djvu

[Svjatoslav_]

...Измерения Кг встали из-за плохого эквивалента нагрузки (стеклянные ПЭВЫ) такая нагрузка существенно индуктивная и нелинейная, надо делать нормальный эквивалент (типа 30 штук 3Вт 240-Ом резистров впараллель) ну и генератор тоже доводить до рабочего состояния..

Реальная нагрузка пожалуй, ещё более индуктивная, чем ПЭВы. Проволочные резисторы сами по себе очень линейные и стабильные. Снизить индуктивность можно параллельным подключением МЛТ-2 сопротивлением на порядок большим основного нагрузочного ПЕВа.

Предварительно Кг при R7-R8 = 9,2 Ом (Uпит=+-29В):
Uвых=10В_________________Uвых=6В_________Uвых=3В
200Гц - 0,12%_____________0,14%__________0,06%
500Гц - 0,126%____________0,16%__________0,068%
1000Гц - 0,117%___________0,14%__________0,07%
2000Гц - 0,12%____________0,15%__________0,068%
5000Гц - 0,155%___________0,16%__________0,07%
10000Гц - 0,17%___________0,15%__________0,067%
13000Гц - 0,18%___________0,16%__________0,072%
15000Гц - 0,2%____________0,16%__________0,067%

Кг при R7-R8 = 5,62 Ом (Uпит=+-26В, напряжение просело заметно):
Uвых=10В_________________Uвых=6В_________Uвых=3В
200Гц - 0,1%______________0,022%__________0,01%
500Гц - 0,11%_____________0,027%__________0,013%
1000Гц - 0,12%____________0,028%__________0,013%
2000Гц - 0,13%____________0,030%__________0,011%
5000Гц - 0,15%____________0,044%__________0,019%
10000Гц - 0,18%___________0,072%__________0,028%
13000Гц - 0,19%___________0,083%__________0,031%
15000Гц - 0,21%___________0,094%__________0,038%

Превосходные результаты. Лично мне больше понравился с R7-R8 = 9,2 Ом: при практически одинаковом показателе на 10В/15кГц не так быстро, плавнее растут гармоники от минимального значения при 3В/200Гц.
Похоже, порядок нелинейности при уменьшении номинала R7-R8 возрастает.
В перолм случае ворастание всего 0,2/0,06=3,3 раза, во втором 0,21/0,01=21 раз.
Хорошо бы это подтвердить (или опровергнуть) измерением спектра гармоник.

[Andrey Orloff]

Как насчёт Без ОСного УМЗЧ с отрицательным выходным сопротивлением?

У меня АС уже сведены под источник с высоким выходным сопротивлением, так что УМ с низким сопротивлением малоинтересен, хотя как идея, да в этом что то есть.

Лично мне больше понравился с R7-R8 = 9,2 Ом: при практически одинаковом показателе на 10В/15кГц не так быстро, плавнее растут гармоники от минимального значения при 3В/200Гц.

Это так, но звучит второй вариант все же чуть получше.
Скоро буду делать более корректные измерения, может еще с режимами/номиналами/компанентами поэкспериментирую, т.к. по симулятору при любой мощности не должно быть роста Кг в зависитмости от частоты. Может транзисторы не тянут большИй ток покоя (MJE15030/15031) этот момент также нужно проверять..
Тут еще кое какие идеи появились, это уже ИНУН, а точнее боле простой вариант белкиного высоколинейного повторителя напряжения вырисовывается, я её в железе не собирал, но планирую в качестве буфера к U-I конвертору в ЦАП попробовать. Повторитель работает на 50-Ом нагрузку и при указаных токах покоя легко её прокачивает вплоть до выходного напряжения +-12Вольт..

Схемка:


А это спектр:

[audiomun]

Превосходные результаты.

Нормальные показательные результаты.

Лично мне больше понравился с R7-R8 = 9,2 Ом

Мне нет.

при практически одинаковом показателе на 10В/15кГц

Ну и что, положим, практически такой же показатель по Кг мы получим при аналогичном выходном напряжении и частоте сигнала и для случая снижения тока покоя до 50 мА. Просто, увеличение тока покоя наиболее значительно снижает искажения ВК на малой выходной мощности, и практически почти не влияет на Кг для режима больших выходных сигналов. Даже режим А.

плавнее растут гармоники от минимального значения при 3В/200Гц.

Правильно наоборот - идти от большего к уменьшению. Тогда сразу всё встанет на свои места.

Похоже, порядок нелинейности при уменьшении номинала R7-R8 возрастает.

Аналогично, равно наоборот - он уменьшается.

В перолм случае ворастание всего 0,2/0,06=3,3 раза, во втором 0,21/0,01=21 раз.

Не возрастание, а снижение от в 3,3 раза и до в 21 раз при большем тока покоя. Если увеличить ток покоя ещё больше, то будет дальнейшее снижение Кг для оговорённых случаев - это нормально, так и должно быть.

[Svjatoslav_]

...Просто, увеличение тока покоя наиболее значительно снижает искажения ВК на малой выходной мощности, и практически почти не влияет на Кг для режима больших выходных сигналов. Даже режим А...

С точностью до наоборот.
Ток покоя увеличивают для снижения искажений на большой выходной мощности. На небольшой выходные транзисторы и так работают в невыключающемся режиме. Без дополнительных коммутационных искажений.

Подождём измерения спектра Кг.

А вобщем, каскодный выход "рулит".

[Andrey Orloff]

А вобщем, каскодный выход "рулит".

Ага, есть такое.

Размышлял на тему "Как сделан преобразователь ток-напряжение Гагарин" и пришла идея попробовать использовать вышепредложенную топологию ИТУН и для преобразователя U-I в ЦАПе на PCM63.
В симуляторе вроде бы нормально, 2 и 3 гармоники низкие, менее 145 дБ.
Схема U-I такая:


Спектр:


Есть транзисторные сборки 2SA1349/2SC3381, они будут использованы в макете в качестве U1-U4.
И еще, так как УМ у меня такой же архитектуры, то ставить регулятор громкости на его входе не имеет особого смысла и система из ЦАП и УМ приобретает такой вид:
- выходной сигнал с конвертора U-I подается через межблочный кабель (обычно использую антифазники Canare / КСПП 1х4х1,2) прямо на вход УМ ИТУН. А регулятор громкости реализуется путем изменения номинала резистора R9, на пример, на основе релейного регулятора типа R-2R.

В общем вот такая в итоге концепция домашнего хи-хи end-а вырисовывается.

[audiomun]

Ток покоя увеличивают для снижения искажений на большой выходной мощности.

Ну-ну..... Тогда рекомендую посмотреть, для наглядности, сравнительные графики зависимости Кг от тока покоя одной и той-же схемы УМ, при его выходной мощности Pвых=50 вт на нагрузку 4 Ома. В первом случае ток покоя - 2,5 А, во втором - 100 мА. Для общего развития будет весьма полезно.....Новая папка.zip

[Svjatoslav_]

Спектр совершенно разный.
Во втором случае уменьшается общий уровень Кг, вторая и третья гармоники, но резко растут консонансные 5, 7 и 9 гармоники.

[audiomun]

но резко растут консонансные 5, 7 и 9 гармоники.

Посмотри внимательнее - это чётные гармоники - 6, 8 и 10.

[Svjatoslav_]

Также ничего хорошего - заметность пропорциональна квадрату номера.

[Vjumajlo]

может еще с режимами/номиналами/компанентами поэкспериментирую, т.к. по симулятору при любой мощности не должно быть роста Кг в зависитмости от частоты. Может транзисторы не тянут большИй ток покоя (MJE15030/15031) этот момент также нужно проверять.

Может быть собака зарылась в этом? -

[audiomun]

заметность пропорциональна квадрату номера.

Какая заметность - на уровне шумов? Да ещё при -

выходной мощности Pвых=50 вт

- а при мощностях до 10 вт вообще в шумах утонет. Останется разница только практически в уровне 3-й гармоники, которая не в пользу режима А. Ладно - забыли.

Есть и золотая середина: класс АВ с большим током покоя

- Тогда как это мнение следует понимать?

[Andrey Orloff]

Может быть собака зарылась в этом?

Скорее всего в этом, но нужно проверять.
ЗЫ
вскоре планирую собрать пробный макет-полигон (для перебора деталюшек), т.к. в макете это просто не реально делать.

[Andrey Orloff]

Сделал нагрузку из кучки параллельно включеных резисторов МЛТ-2, заодно
в генераторе ЗЧ (самоделка, по мотивам из Радио) сменил ОУ с К574УД1А на OPA134. Кг генератора в среднем 0,0003%...0,0004%.
Перемерил на нормальной нагрузке Кг для варианта схемы с резисторами 9,2 Ом (ток покоя ОК около 300мА).

Кг при R7-R8 = 9,2 Ом (Uпит=+-29В):
Uвых=10В (RMS)___________Uвых=6В (RMS)____Uвых=3В (RMS)
200Гц - 0,12%_____________0,099%__________0,034%
500Гц - 0,13%_____________0,091%__________0,037%
1000Гц - 0,135%___________0,098%__________0,036%
2000Гц - 0,126%___________0,095%__________0,038%
5000Гц - 0,15%____________0,108%__________0,038%
7500Гц - 0,165%___________0,106%__________0,037%
10000Гц - 0,19%___________0,11%___________0,032%
12500Гц - 0,22%___________0,11%___________0,034%
15000Гц - 0,23%___________0,13%___________0,031%

[Vjumajlo]

Прошу прощения, - офтопный вопрос к Святославу: с каких это пор 5, 7 и 9 гармоники(особенно 5-ая, и не дай бог наличие при этом хотя бы на уровне -6-9дБ от неё 10-й и 15-й, - да-да вот так далеко) стали консонансными, т.е., по определению комфортными для уха(для восприятия музыкальных инструментальных созвучий, и тем более вокала)?
Святослав, Вам нравится голос пиявки в "Лунтике"? Не смотерли-не слышали? Послушайте. Ну, и естественно - на на досуге посуммируйте со знаками "-"/"+" эти гармоники с теми, что называются консонансными.