Транзисторный ламповик Сергея Рубальского

[toro]

Кто нибудь уже макетировал/отслушивал усилитель Сергея Рубальского с последнего Суховского РадиоХобби, №5-6 2014, стр.38, С.Рубальский «Транзисторная альтернатива ламповому однотакту». Отличительная функция - регулируемый уровень гармонических искажений. Собираюсь повторить схема довольно проста, и в статье описаны и классифицированы "новые" искажения в УМ и простые способы их измерения. Могу скрины с приложить если это можно здесь.

Сергей Рубальский структурировал информацию о "транзисторном ламповике",
частично с 3 -го пункта по 9 пункт ссылки на результаты, полученные в макете - "железе".
1.Статья и тут
2.Файлы эмуляции в МС10
3.Принципиальная схема ВК и варианты макетных плат 1 2 3
4. Фото макета
5. Диф фильтр
6. Спектр гармоник макета ВК
7. Регулировка спектра гармоник макета ВК, меандр
8.Искажения при мягком клиппинге в макете 1 2
9.Оценка искажений амплитудно-фазового спектра сложного сигнала в макете

Дополнительно в теме рассматривались вопросы:
1. Искажения амплитудно-частотной характеристики (полюса)
2. Зависимость линейных и нелинейных искажений
3. Связь искажений АХ и ГВЗ в динамике.
4. Искажения фазо-частотной характеристики, запас фазы, устойчивость
5. Статическое и динамическое входное сопротивление ВК в полосе частот и нагрузок и
выходное динамическое сопротивление ВК в диапазоне токов покоя
6. Статическая и динамическая амплитудные характеристики
7. Переключательные искажения
8. Амплитудные искажения.
9. Клиппинг
10. Стресс тест
11. Искажения Амплитудно-фазового спектра сложных сигналов.
12. "Транзисторный ламповик" для наушников.

[Nick-nack]

Возьмем простейший тест - allpass фильтр с изменяющейся частотой.
Просто моделируем номинал R1, частотой не кратной к сигнальной. Периодично, чтоб было видно на спектре.

На входе 1к, частота модуляции фазового сдвига - 1к7.
При константном R1 - на выходе чистый синус, со сдвинутой фазой. Где-то 18°.

Теперь вводим фазовую нелинейность, моделируя номинал R1 частотой 1к7 на +/-10 Ом. Это приводит к изменению фазы (периодическому) от 17.9° до 18.3°, <0.2%

На выходе получаем спектр с рисунка. Гармоник 1к нет, зато есть интермоды с 1к7.

Внимание вопрос - к какому спектру приведут "девиации фазы" в несколько процентов?
Конечно же к чистому

ОУ - идеальный, просьба объяснений в нем не искать

[Orion33]

Внимание вопрос - к какому спектру приведут "девиации фазы" в несколько процентов?
Конечно же к чистому

Если есть девиация, значит, есть модуляции. А спектр модуляции не может быть "чистым".

[Nick-nack]

может

[bukvarev]

Набросал небольшую модельку параметрической фазовой модуляции (в зависимости от мгновенного значения сигнала).
PH_M_test.zip
Там формулы легко понять без знания Матлаба.

Сигнал брал с частотой 10 КГц. При амплитудной модуляции частота модулирующего сигнала была 1 КГц, глубина модуляции - 80%.
На рисунках синим цветом показан неискаженный сигнал, красным - искаженный.

1. Случай несимметричной ФМ. Девиация 5% (9 градусов). Отклонение фазы от нуля возрастает с увеличением мгновенного значения сигнала, достигая 5%.
Немодулированный сигнал, амплитудно-модулированный сигнал.


2. То же, но при девиации 0,5% (0,9 градуса).


3. Случай симметричной ФМ. Девиация 5% (9 градусов). Отклонение фазы от нуля изменяется по закону неискаженного сигнала, достигая 5%.
Немодулированный сигнал, амплитудно-модулированный сигнал.


4. То же, но при девиации 0,5% (0,9 градуса).


Загружать графиками не хочу, просто приведу результаты для меньших значений девиации.
При несимметричной модуляции фазы, без АМ, с уровнем 0,1% (0,18 град.) вторая гармоника имеет уровень -60 дБ, а при модуляции фазы с уровнем 0,01% (0,018 град.) уже -80 дБ. Можно "часы сверять"

[wert]

Евгений,
благодарю за тест.
Если не сложно можно дать испытательные сигналы в wav, в формате 192 кГц 24 бит.

[bukvarev]

Если не сложно можно дать испытательные сигналы в wav, в формате 192 кГц 24 бит.

Не совсем понял вопрос. Нужны результаты моей модели в формате .wav (для разных уровней модуляции), или использовать .wav в качестве модулирующего сигнала ?
Если первое, то какой длины нужна реализация (в секундах)?
Искаженный и исходный сигналы раскинуть по каналам, или нужно по два моно файла на каждый уровень модуляции?

[wert]

Искаженный и исходный сигналы раскинуть по каналам

да, если в модели не реализовано тау, тогда по времени достаточно 10 - 20 периодов модулирующего сигнала.

[bukvarev]

Вот, архив в котором:
1. модель,
2. для каждого вида и уровня модуляции - wav файл и картинка.
Уровни модуляции - от 0,0001 (соответствует 0,01%, или 0,018 градуса) до 5%.
PH_M_test.zip

[vasa1970]

Другими словами, резонансная частота каждого динамика не измерялась, а лишь косвенно, по изменению фазы был сделан вывод об изменении резонансной частоты. В формулу резонансной частоты фаза не входит, мягко говоря. Как это связать математически?

OFF-
Одно время занимался измерениями резонансных частот конструкций- так вот знание фазы важно для отделения истинных резонансов от ложных(зависящих от закрепления вибродатчиков и изгибов конструкции)

[wert]

Другими словами, резонансная частота каждого динамика не измерялась, а лишь косвенно, по изменению фазы был сделан вывод об изменении резонансной частоты. В формулу резонансной частоты фаза не входит, мягко говоря. Как это связать математически?
OFF-
Одно время занимался измерениями резонансных частот конструкций- так вот знание фазы важно для отделения истинных резонансов от ложных(зависящих от закрепления вибродатчиков и изгибов конструкции)

Резонансная частота ДГ измерялась двумя способами:
- стандартным - по максимуму напряжения на ДГ, от генератора резистор с ДГ последовательно,
- не стандартным - с выхода генератора белый шум, от генератора последовательно с ДГ резистор, на ДГ измерение фазы. При прохождении через резонанс фаза меняет свое значение от -180 до +180 градусов, пересечение графика фазы через 0, по частотной оси точно совпадает с резонансной частотой.
Описал сие в эксперименте по девиации фазы ДГ и не стабильности резонансной частоты ДГ при изменении уровня напряжения на ДГ.

[vasa1970]

Вы мне приписали чужие cлова хотя смысл моего сообщения заключался в этом

При прохождении через резонанс фаза меняет свое значение от -180 до +180 градусов, пересечение графика фазы через 0, по частотной оси точно совпадает с резонансной частотой.

[wert]

С 2015 года в теме показываю эмуляцию и реальные измерения каскадов, усилителей, ДГ с помощью
простых и сложных сигналов, сравнивая спектры на выходе устройства со спектром на выходе генератора.

Спектры разделил на три стандартные группы:
- амплитудно-фазовый, получен с помощью стандартной функции FFT(u)
- амплитудный, получен как MAG(S) или harm(u),
- фазовый, получен как PH(FFT(u))
где u исследуемый сигнал, S - спектр.

Математические операции со спектрами используются в измерениях и эмуляции так давно, как социум начал широко использовать труды Фурье.
Используя опыт предшественников и некоторый практический опыт работы с оборудованием, где широко применены математические преобразования спектров,
в своих эмуляциях и измерениях также использовал три основные группы математических операций со спектрами, вычисляя разность спектров, определяя ошибку, вносимую исследуемым устройством:

для амплитудно-фазового спектра FFT(V(OUT)) -FFT(V(IN)) (описывает суммарные искажения формы сигнала)
для амплитудно спектра harm(V(OUT)) -harm(V(IN))
для фазового спектра PH(FFT(V(OUT))) - PH(FFT(V(IN)))

Ну а далее дело техники, используя весовые коэффициенты и нормирование можно привести полученную ошибку к относительным единицам в виде процентов, дБ, НП...
Такие простейшие операции со спектрами дали возможность увидеть усилительные каскады, усилители, акустические системы совершенно иными глазами,
кроме гармонических искажений измеряемых стандартными методами как Кг ИМ, данный метод позволяет оценить искажения самих спектральных компонент сигнала
в амплитудно-фазовом, амплитудном и фазовом спектрах.
Оценить линейные искажения в исследуемом диапазоне частот, определить нелинейные искажения компонент сигнала, как я назвал такой вид искажений - девиация (отклонение) амплитуды и фазы компонент выходного напряжения от входного сигнала через коэффициент передачи в линейном режиме.
В частности нелинейные искажения фазы компонент сигнала проявляются по разным причинам, некоторые из них:
- нестабильность комплексного коэффициента передачи из-за нестабильности емкостной и индуктивной компоненты активных элементов,
- уровня и частотной плотности сигнала воздействия,
- механические воздействия (рассыпание спектра),
- климатические воздействия
- тепловые искажения...

В теме показано много примеров нелинейной фазы различных усилителей, каскадов, звуковой волны различных ДГ и прочее.
Метод реализован на оборудовании от NI с помощью программы LabViev.
Реализовать реальные измерения своих усилителей, акустических систем, наушников, может каждый желающий.
для этого необходимо иметь ЦАП - АЦП (в крайнем случае хорошую звуковую карту, работающую в дуплексе), измерительный микрофон и Micro CAP.
Записав входной и выходной сигнал в формате wav можно провести пост обработку в Micro CAP и получить все виды линейных и нелинейных искажений амплитуды и фазы в том числе девиацию компонент сигнала.
Хорошего всем звука,
С уважением,
Сергей Рубальский

[wert]

Примеры взаимного влияния сигналов, их взаимная модуляция, изменение амплитуды и фазы под воздействием различных факторов, в том числе амплитуды соседних сигналов показывал в теме.
Ниже приведу пример взаимной модуляции сигналов казалось фазостабильным выходным каcкадом стандартной тройкой.
На входе ВК смесь двух сигналов:
- стабильный синус амплитудой 0,5 В частота 20 кГц
- ограниченный по спектру меандр 2 кГц, амплитуда меандра изменяется от 10 мВ до 36 В.
На рисунке представлены два графика
-график амплитудной девиации компоненты сигнала 20 кГц на выходе ВК, (в качестве модулирующего сигнала меандр), девиация достигает 0,07%.
-график фазовой девиации компоненты сигнала 20 кГц на выходе ВК, нелинейные искажения фазы достигли 0,5 градуса!
Уровень взаимной модуляции сигналов зависит от схемотехнического решения ВК, примененных активных элементов, режима каскада.
Выходной каскад в железе даст значительно хуже результат, добавятся все огрехи блока питания, "правильность" монтажа, качество активных элементов и проч...

---------- Сообщение добавлено 05.02.2018 в 15:10 ---------- Предыдущее сообщение было 04.02.2018 в 16:43 ----------

Если меандр 4 кГц ограничить по спектру частотой 36 кГц и проверить:
- уровень девиации фазы первой гармоники меандра от уровня самого меандра
- уровень взаимной модуляции на частоте синуса 20 кГц (уровень и фаза синуса на входе стабильны, меняется уровень меандра).
Можно увидеть, что уровень взаимной модуляции фазы компонент сигнала значительно выше уровня девиации фазы изменяющегося сигнала.
На рис. 2 представлен ВК стандартная тройка в АВ режиме.
На входе сумма сигналов - стабильный синус 20 кГц амплитудой 1 В, меандр 4 кГц, ограничен по спектру, амплитуда меандра изменяется 0,1 - 36 В.
График нелинейных искажений амплитудной характеристики демонстрирует максимальную нелинейность АХ в диапазоне выходных напряжений 0 - +/-5 В.
"Клыки" коммутационных искажений достигают 0,25%.

Графики искажений фазы.
Постоянный угол фазы ВК сохраняется до воздействия 0,5В:
- на частоте 4 кГц составляет 0,05^о
- на частоте 20 кГц - 0,2^о .
Нелинейные искажения фазы:
- на частоте первой гармоники меандра 4 кГц девиация фазы составила около 0,03^о,
- на частоте синуса 20 кГц взаимная модуляция фазы составила 0,22^о.

Меандр 4 кГц, ограниченный по спектру близок к воздействию на ВК реального сигнала,
девиация и взаимная модуляция фазы ВК значительны по уровню, но это всего лишь модель ВК,
моделирование нелинейных искажений фазы проводится почти в идеальных условиях.
Чуть позже покажу такие параметры на живом ВК, не охваченном общей ОС/с общей ОС.

На рис. 1,2 уровень взаимной модуляции фазы сигналов отличается и подтверждает, чем широкополоснее соседний сигнал, тем выше уровень взаимной модуляции.

[Hennady]

Чуть позже покажу такие параметры на живом ВК, не охваченном общей ОС.

ИМХО более интересен ВК с местной ОС....
у без ООСного качество пропорционально начальному току и в АВ - это не совсем как бы показатель...

[wert]

ИМХО более интересен ВК с местной ОС....

Согласен с вами, множество каскадов ВК с изюминками и хорошо звучащих,
но для начала понять бы стандартную базовую тройку на поле нелинейных фазовых искажений - девиации и взаимной модуляции.
Затем от базовой отталкиваться и сопоставлять результаты с ВК местной ОС и другими улучшениями...
Продолжу тест стандартной тройки ВК в режиме А.
Ранее отмечал - двухтактные ВК в режим А отличается от АВ не только отсутствием коммутационных искажений, но и отсутствием или мизерным значением фазовых нелинейных искажений в виде девиации фазы компоненты сигнала.
На рис. ВК в режиме А.
График нелинейных искажений амплитудной характеристики не содержит "клыков" коммутации плеч, искажения АХ не значительны при жестком сигнале - меандр на входе.
Графики искажений фазы
- постоянный угол фазы переместился с 0,5 В на выходе при АВ до 5 В.
- девиация фазы 1-ой гармоники меандра уменьшилась почти на порядок с 0,03^о до 0,006^о
- взаимная модуляция фазы на частоте 20 кГц уменьшилась с 0,22^о до 0,04^о .

Достаточно наглядно, двухтактный ВК в классе А отличается от АВ:
- отсутствием коммутационных искажений (стандартно),
- постоянным углом фазы в широком диапазоне выходных напряжений;
- низкими нелинейными фазовыми искажениями в виде девиации и взаимной модуляции фазы.

---------- Сообщение добавлено 07.02.2018 в 15:46 ---------- Предыдущее сообщение было 06.02.2018 в 21:03 ----------

Сотые градуса постоянного угла фазы для усилителя возможно не так страшны.
В стереобазе даже самый широкополосный инструмент будет звучать условно из одной точки на расстоянии 5 метров от слушателя.
А вот девиация фазы и взаимная модуляция фазы дают совершенно неприятный эффект, приводящий к размытию образа, источника сигнала в стереобазе.
Постом выше для ВК в режиме АВ на частоте 20 кГц взаимная модуляция фазы составила 0,22^о ,
если источник звука находится на расстоянии 5 метров, то его флуктуация составит 2 см, возможно такую флуктуацию источника сигнала сложно будет заметить.
Но короткий ВК дает незначительные искажения фазы, а вот глубокоосники способны дать искажения фазы заметные на слух.

Рассмотрим модель самого популярного усилителя среди начинающих - Ланзар.
На рис 2 приведены параметры искажений фазы усилителя Ланзар.
Постоянный угол фазы сохраняет свое значение до 4 В выходного напряжения,
- на частоте 4 кГц - 0,8^о
- на частоте 20 кГц - 4,3^о
Нелинейные искажения фазы
- девиация фазы 1-ой гармоники меандра 4 кГц - 1,7^о
- взаимная модуляция фазы 1-ой гармоники синуса 20 кГц - 3^о


Как эти параметры могут отразиться на стереобазе, на источнике сигнала?
Например, фортепиано имеет диапазон нотного ряда от 86 Гц до почти 3 кГц.
Постоянный угол фазы на частоте 86 Гц у Ланзар составляет тысячные доли градуса, на частоте 3 кГц около 0,7^о ,
если фортепиано находится от точки прослушивания в стереобазе 5 м, тогда сдвиг низкой и высокой ноты фортепиано составит 6см,
теперь добавим девиацию и взаимную модуляцию фазы на частоте 3 кГц, суммарно нелинейные искажения фазы составят около 2,5^о ,
что составит 22 см флуктуации источника сигнала.
Более высокочастотные инструменты дадут флуктуацию источника в стереобазе до пол метра.
Много это или мало?
Думаю чем меньше фазовые искажения тем лучше звук.
Усилитель Ланзар можно использовать в моно режиме, но для создания полноценной стереобазы и образов в ней усилитель судя по искажениям фазы вряд ли пригоден.

---------- Сообщение добавлено 08.02.2018 в 10:44 ---------- Предыдущее сообщение было 07.02.2018 в 15:46 ----------

Качество стереобазы обеспечивает комплексная связка: источник - усилитель - излучатель - акустические свойства среды прослушивания и конечно слушатель с субьективной оценкой...
По поводу обьективных, инструментальных оценок.
Выше приведен пример влияния нелинейных искажений фазы на размытие образа или источника сигнала усилителем на резистивную нагрузку (конечно расчет, эмуляция, валидация для идеального излучателя), собственно оценка как могут повлиять фазовые искажения усилителя на стереобазу.
На 125-130 страничках темы рассматривались различные излучатели - ВЧ, НЧ ДГ, изодинамические излучатели.
Нелинейные искажения некоторых излучателей в виде девиации фазы звуковой волны (градусах):
Динамические излучатели:
- 3 ГД38, 80 Гц (1-6 В) - 30^о, 10 кГц - 8^о,
- BH-D450, 10 кГц (1-11В) - 20^о в холодном состоянии, 3^о в прогретом.
- 6АС2, 90 Гц (0,1-11В) - 70^о, 10 кГц - 30^о.

Изодинамические излучатели
- ТДС 16 20 кГц - 1,7^о,
- ТДС7 20 кГц - 0,7^о.

Не трудно определить флуктуацию источника сигнала по горизонту, например фортепиано на расстоянии 5м от слушателя в стереобазе,
для различных пар излучателей:
1. 3ГД38
нота Ля субконтроктавы 27,5 Гц - флуктуация 2,6 метра
нота До 5-ой октавы 4,186 кГц - флуктуация источника 0,7 метра.

2. 6АС 2
нота Ля субконтроктавы 27,5 Гц - флуктуация источника 5,74 метра
нота До 5-ой октавы 4,186 кГц - флуктуация источника 2,6 метра.

3. ТДС 7
нота Ля субконтроктавы 27,5 Гц - флуктуация источника 6 см
нота До 5-ой октавы 4,186 кГц - флуктуация источника 6 см.

Можно и далее игнорировать нелинейные искажения фазы и искать тысячные доли процента Кг и ИМ в усилителях.
На мой взгляд когда в стереобазе инструменты, источники сигнала размыты, их флуктуация по горизонту достигает 5 метров на расстоянии от слушателя 5 метров,
тогда становятся бесполезными поиски Кг и ИМ даже в десятках процентов.

[wert]

Изодинамический излучатель ТДС7 на частоте 20 кГц имеет девиация фазы 0,7^о
Флуктуация источника звука в стереобазе на частоте 20 кГц на расстоянии от слушателя 5 метров составит около 6 см.
Нелинейные искажения фазы для ТДС7 я проверил только на частоте 20 кГц, надеясь, что это самый худший вариант для излучателя.
Решил измерить нелинейные искажения фазы ТДС7 на частотах 10 кГц и 160 Гц.
На рисунках графики разности фаз при уровнях напряжения на излучателе отличающиеся в 9 раз.
На частоте 160 Гц девиация фазы составила 5,75^о ,
На частоте 10 кГц девиация составила 0,15^о .

Т.е постом выше флуктуация источника в стереобазе - фортепиано нота Ля субконтроктавы на частоте 27,5 Гц составит не 6 см. а как минимум 50 см.
Т.е. изодинамические наушники на высоких частотах имеют низкую девиацию фазы, на низких частотах девиация - нелинейные искажения фазы резко увеличиватся, приводя к размытию стереобазы и источников звука в ней.

[Сергей Гапоненко]

Коллеги, я наверно пропусти самое интересное, прошу извинить, если вопрос неуместен:
"Кто нибудь уже макетировал/отслушивал усилитель Сергея Рубальского с последнего Суховского РадиоХобби, №5-6 2014, стр.38, С.Рубальский «Транзисторная альтернатива ламповому однотакту»?"

именно с этого вопроса началось обсуждение!
Так все-таки: кто повторил? Кто слушал? как впечатления?

Еще раз прошу извинить, если пропустил. 2 года дискуссий, более 100 страниц выступлений и споров.

[hippo64]

2 года дискуссий, более 100 страниц выступлений и споров.

И абсолютный ноль на выходе. Я макетировал, слушал. Мне жаль потеряного времени, ибо тривиальнейший гибрид из параллельника на выходе и лампового УН, причем любого, рвет этот "ламповик" аки Тузик грелку. От дальнейшего обсуждения воздержусь, ибо только две недели как из бани. Те люди, что меня знают лично подтвердят, что в стиле фэнтези не замечен.

[wert]

Я макетировал, слушал. Мне жаль потеряного времени, ибо тривиальнейший гибрид из параллельника на выходе и лампового УН, причем любого, рвет этот "ламповик" аки Тузик грелку.

Соглашусь с Вами, отчасти. Мой двухтактных ВК, что описан в РХ2006 также рвет все, что мне удалось когда либо слышать.
Каждое схемное решение имеет свои плюсы и минусы, в конечном итоге все сводится к качеству звука.
Стоимость и ресурсы этого качества у каждого свои.
Слушая "транзисторный ламповик" с током покоя 400 мА и однотакт Семынина с током покоя около 2А на изодинамики, предпочтение отдал однотакту Семынина.
подняв ток "транзисторного ламповика" до 1 А разницу между усилителями уже не смог услышать.
На момент разработки "транзисторного ламповика" как и все владел инструментарием оценки искажений - Кг и ИМ.
Сегодня ситуация изменилась, разработанные методы оценки амплитудно-фазовых искажений, нелинейных фазовых искажений позволяют по иному взглянуть на усилители.
Измеряя нелинейные искажения фазы ВК Семынина в железе я получаю меньшие искажения чем в "транзисторном ламповике".
и это соотносится со звуковыми ощущениями.

[Alex]

Мой двухтактных ВК, что описан в РХ2006 также рвет все, что мне удалось когда либо слышать.

Сильное заявление! Надо было не пускать всю эту чушь в печать....
Вполне хватило бы бредового цикла Симулкина, но там по крайней мере, вся редакция ухахатывалась...