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.

[wert]

R9 и R13 какой мощности резисторы? Какие ещё на схеме требуются большей мощности резисторы?

В усилителе применил резисторы мощностью
R4, R7, R8, R9 0,5 Вт
R13 2 Вт
остальные резисторы 0,25 Вт.

---------- Сообщение добавлено 23.10.2019 в 10:34 ---------- Предыдущее сообщение было 22.10.2019 в 17:00 ----------

В продолжение поста о полюсах и их векторном отображении.
Некоторые мои наблюдения.
Удалось реализовать векторное отображение полюсов усилителей в динамике и как ожидалось полюса не статически застывшие образования, а динамичны,
двигаются по диапазону частот в зависимости от уровня сигнала и его частотной плотности.
Так если воздействие это синусоидальный сигнал, то можно видеть на комплексной плоскости от частоты движение полюса в сторону звукового диапазона при увеличении напряжения воздействия.
У некоторых глубокоосников первый полюс при максимальном воздействии может достигать частоты 40 кГц!
И в общем понятно, площадь усиления никто не отменял, и все было бы не страшно, если бы полюс глубокоосника при воздействии на него не порождал спектр комплексных гармоник, которые рассыпаются от центральной частоты полюса как вправо так и влево по диапазону, попадая при помощи ОООС в звуковой диапазон.
Уровень таких гармоник, рожденных на полюсе и попавших в звуковой диапазон может достигать 30%! это в худшем случае,
наиболее удачные глубокоосники дают уровень полюсных гармоник до 1 % в звуковом диапазоне.
Безосные усилители, как правило, не дают полюсных гармоник в звуковом спектре частот и этим безосники отличаются от глубокоосников в лучшую сторону, это сказывается на качестве звука.
Полюса, созданные линейными элементами стабильные и "чисты" (нет раздвоения векторной линии на действительную и мнимую часть спектра) и при воздействии на них сигналами не генерят нелинейных искажений.
Полюса глубокоосного усилителя динамически изменяющиеся образования, нелинейны по природе, при воздействии на них генерят нелинейные искажения, причем первый полюс самый заметный.
Генерация полюсных гармоник растет при приближении частоты воздействующего сигнала к частоте вершины полюса, где проекция вектора действительной части спектра имеет максимальное значение,
а мнимой части создает зону сингулярного разрыва фазы, вектор мнимой части спектра меняет свое направление на противоположное, это уже критические зоны для работы глубокоосного усилителя.

[wert]

Чтобы убедиться в нелинейной природе полюсов глубокоосников проведен эксперимент в МС.
"измерены" искажения синусоидального сигнала у подошвы полюса и на вершине полюса, на первом, пятом и пятидесятом периоде воздействия.
На вершине полюса на первом периоде искажения составили 5%, на пятидесятом 4,8%,
у подошвы полюса 0,22% и 0,21% соответственно.
Т.е. линейные искажения на полюсах конечно присутствуют, но их доля относительно нелинейных искажений мала,
с увеличением напряжения воздействия в общих искажениях доля линейных искажений уменьшается, нелинейных растет.
Оценка нелинейных искажений созданных полюсом глубокоосника проведена в установившемся состоянии стационарным сигналом,
т.е катастрофических ошибок при расчете нелинейных искажений нет.

[wert]

Полюса разных усилителей имеют разную добротность, которая зависит от многих факторов.
В первую очередь влияют на добротность полюса емкости переходов транзисторов, эффекты Миллера, Эрли, согласованность каскадов, наличие и глубина ООС, цепи коррекции и многое другое...
В векторном отображении важны для понимания влияния полюса на звук площадь покрытия полюсом частотного диапазона, величина вектора амплитуды, угла фазы, и собственно добротность полюса и его близость к звуковому диапазону, от этого зависит его способность влиять на звук путем генерации гармоник при воздействии на полюс.
Что может воздействовать на полюс
- радиочастотные сигналы поступившие на вход усилителя либо по цепям питания, либо кондуктивные или радиопомехи при не выполнении требований ЭМС.
- напряжение коммутации плеч ВК, которое может иметь очень широкий спектр, показывал выше по теме расчет в МС и практические эксперименты, напряжение коммутации выделенное при помощи ВЧ или режекторного фильтра заметно в каскадах с режимом АБ, Б до нескольких МГц.
- широкополосное напряжение при ограничении сигнала по амплитуде при клиппинге,
- подвозбуды при глубокой ООС.
Перечисленные факторы воздействия при наличии глубокой ОООС и первого полюса с высокой добротностью неизменно дают высокий уровень гармоник в звуковом диапазоне, механизм возникновения таких гармоник описывал выше.
Безосники, мелкоосники как правило имеют первый и последующие полюса с очень низкой добротностью в векторном отображении, их полюса находятся значительно дальше от звукового диапазона чем у глубокоосника.
Полюса безосников при перечисленных выше воздействиях также генерят гармоники, но дают очень низкий уровень полюсных гармоник, попадающих в звуковой диапазон.

[misha88]

Полюса разных усилителей имеют разную добротность

Если общая добротность меньше 0.5, то о ней можно забыть, она не слышна. А если во всех каскадах использовать каскоды, первый каскад сделать с малым изменением крутизны, а полюса вывести за пределы между 100-200 Гц и 2-3 частоты, где петлевое усиление равно 1 (т.е. главный полюс ниже 200 Гц, а второй и далее выше 2-3 частоты, где петлевое усиление равно 1), то и на гуляние полюсов можно не обращать внимание, а общая добротность будет меньше 0.5 (я именно так делал в своём усилителе).

[wert]

Если общая добротность меньше 0.5, то о ней можно забыть, она не слышна.

Надеюсь прочитав мои посты вы поняли что речь идет о полюсах, полученных не в импедансных моделях в режиме постоянного тока вблизи рабочей точки, т.е. не о чисто линейных искажениях АЧХ и ФЧХ усилителей с разомкнутой ОС.
А о полюсах усилителей с замкнутой общей ООС, которые определяются в динамическом режиме анализа переходных процессов, да еще в векторном отображении.
Именно в таком представлении и указанных условиях анализа определено, полюса усилителя будь то усилитель тока или усилитель напряжения становятся динамически неустойчивыми образованиями и являются мощными генераторами нелинейных искажений при воздействии на полюс.
И примеров можно привести достаточно, когда добротность полюса усилителя менее 0,5, а генерация гармоник при воздействии на полюс очень мощная.
Причем полюса полученные при помощи пассивных элементов стабильны и естественно не генерят нелинейные гармоники при любой добротности много больше единицы.
Полюса усилителей практически все не стабильны и при воздействии на них генерят гармоники, единственно безосники не переносят продукты таких искажений в звуковой диапазон.
Но если у вас есть примеры обратного, приведите такие примеры, обсудим, эта тема мне кажется интересной и перспективной.

[misha88]

Именно в таком представлении и указанных условиях анализа определено, полюса усилителя будь то усилитель тока или усилитель напряжения становятся динамически неустойчивыми образованиями

Полюса не зависят от того, какая глубина ООС, а зависят (в том числе и с точки зрения динамической нестабильности) только от реализации и от изменения режимов работы (напряжений и температуры кристалла) активных элементов. Поэтому использование каскодов, стабилизация режимов по температуре, стабилизация режимов по крутизне (напр., местные ООС), стабилизация по нагрузкам (нагружать каскады на конечное малоизменяющееся сопротивление) и т.д. обеспечивают нужную стабильность. А то, что во множестве усилителей (в т.ч. на этом форуме) этого не делают, не значит, что во всех усилителях полюса неизбежно нестабильны.

[wert]

Поэтому использование каскодов, стабилизация режимов по температуре, стабилизация режимов по крутизне (напр., местные ООС), стабилизация по нагрузкам (нагружать каскады на конечное малоизменяющееся сопротивление) и т.д. обеспечивают нужную стабильность.

Такое утверждение желательно подкрепить моделью усилителя, дабы можно было убедиться воочию,
мне не удалось обнаружить такие модели усилителей, хотя занимаюсь этим делом достаточно давно.
Давайте посмотрим модель такого супер идеального усилителя.
Но ключевое это "нужная стабильность", и тут нужно понять стабильность или таки нестабильность в определенных границах, тогда речь пойдет о границах нестабильности, и если таки есть динамическая нестабильность полюса, тогда есть и нелинейные искажения, создаваемые полюсом...

А то, что во множестве усилителей (в т.ч. на этом форуме) этого не делают, не значит, что во всех усилителях полюса неизбежно нестабильны.

В 2006 году моя публикация об усилителе со сверх низкими искажениями и на этом форуме обсуждалась.
Так тот усилитель не имеет ОЭ, а только ОК, ОБ, и каскоды, поэтому эффект Миллера там минимизирован и искажения сверх низки, а полюс гуляет от 16 МГц до 1,5 МГц с ростом напряжения воздействия. Площадь усиления и площадь мощности никто пока не отменял.
Ваше утверждение о стабильности полюса глубокоосного усилителя очень желательно подкрепить примером, иначе принять утверждение сложно.

[.Васильев]

нет в мире совершенства.

[dekko]

Offтопик:
есть, но в определённых границах

[misha88]

Такое утверждение желательно подкрепить моделью усилителя, дабы можно было убедиться воочию

Я Вам в своё время посылал упрощённый усилитель и он показал прекрасные результаты (причём там коррекция Миллера, но указанные мною шаги по стабилизации полюса, а в реальном усилителе ещё больше мер). Сейчас у меня нет доступа к моему компьютеру, поэтому тот файл не могу вытащить.

Так тот усилитель не имеет ОЭ, а только ОК, ОБ

Качественный ОЭ (напр., малоёмкостной полевик с каскодом и местной ООС не менее 20 дБ) может быть лучше других включений, во всяком случае у меня такие каскады прекрасно работают.

[wert]

Качественный ОЭ (напр., малоёмкостной полевик с каскодом и местной ООС не менее 20 дБ) может быть лучше других включений

Это не может оспариваться, качество есть качество.
Мне не удалось найти глубокоосный усилитель со стабильным полюсом, поэтому мне интересен Ваш опыт. Будем ждать конца ремонта

[wert]

Качество не может оспариваться, если слуховые ощущения подтверждаются измерениями, тогда можно строить стандарты качества звука.
В теме несколько раз показывал модель усилителя С.Агеева, которая со множественными плюсами имеет минус - при воздействии импульсоподобного сигнала передаточная функция имеет время установления после каждого импульса воздействия, т.е. "просыпается тау" импедансной характеристики модели,
усилителю требуется некоторое время для возвращения в установившееся состояние.
И в общем модель усилителя не одинока в такой реакции на импульсное воздействие, как оказалось многие глубкоосники имеют такой эффект.
Как определить имеет ли такой эффект воздействие на качество звука или нет, пока сложно сказать,
но представляю еще один тест, который связан с полюсными характеристиками и их способностью генерить искажения при воздействии на полюс
и самое неприятное транспорировать эти искажения в звуковой диапазон.
На рис представлен график в векторном отображении гармоник комплексного спектра меандра частотой 4 кГц, (ограниченного сверху 60 кГц) на выходе усилителя.
Продукты нелинейностей созданные усилителем, в том числе мизерные проявления коммутации плеч ВК, воздействуют на первый полюс усилителя, который в свою очередь порождает широкий спектр гармоник и транспорирует часть в звуковой диапазон.
Такой процесс можно наблюдать по уровню гармоники 2 кГц,
эта гармоника вне диапазона меандра 4 кГц, не может быть создана интермодуляционной комбинацией гармоник меандра,
по многочисленным экспериментам с полюсными характеристиками замечено, что только первый полюс создает подобные искажения.
Модель усилителя С.Агеева при воздействии меандра имеет уровень нелинейных искажений на частоте 2 кГц аж 0,0007%,
т.е. и этот тест подтверждает сверхлинейность и "микродинамику" усилителя С.Агеева.
Многие модели усилителей на ВЕГАЛАБ имеют достаточно большие искажения подобного рода при воздействии меандра, их уровень может достигать нескольких процентов.

[wert]

Усилители могут иметь свойство динамической нестабильности нуля на выходе.
И тут никакие интеграторы корректирующие нуль на выходе усилителя не помогут, т.е. в статике они хороши конечно,
а вот в динамике если плечи усилителя не сбалансированы интеграторы практически бесполезны.
И теперь такое смещенное от нуля выходное напряжение подаем на ДГ и получим слышимые искажения.
Тест предыдущего поста к сожалению или к счастью кроме способности транспорировать полюсную гармонику в звуковой диапазон,
показывает еще и динамическое смещение нуля на выходе усилителя.
И собственно отделить одно искажение от другого позволяет тест искажений АХ в комплексном отображении, показывал несколько постов выше.
Модель усилителя С.Агеева не имеет динамической разбалансировки нуля на выходе усилителя, в противном случае график искажений имел бы смещение в верх или низ от горизонтальной оси нуля,
правда линейные искажения достаточно высоки, что значительно искажает фронт и спад меандра.
График искажений АХ выражен в процентах.

[Ясен Пень]

И собственно отделить одно искажение от другого позволяет тест искажений АХ в комплексном отображении, показывал несколько постов выше.

Собственно отделить "плавание" нуля на выходе от чего-то другого в первом приближении позволяет закорачивание входа на землю.

Что при использовании "обычных" моделей симулятора практически невозможно, т.к. в "обычные" модели транзисторов и ОУ не введены переменные термозависимостей.

Далее на "плавание" нуля на выходе могла бы оказывать нелинейность самого тракта, если бы в ней были предусмотрены такие температурные факторы с более-менее адекватными постоянными времени.

Я для для анализа термонестабильности активных элементов модифицировал свои модели транзисторов и ОУ, добавляя к ним фактор рассеиваемой мощности.

Использование "обычных" моделей активных элементов не позволяет вообще ничего говорить об их влиянии в рассматриваемом аспекте. Его просто нет в моделях этих элементов.

wert, что вы там до сих моделируете? Спаяйте лучше что-нибудь новое стоящее, как вы умели это раньше...

[wert]

wert, что вы там до сих моделируете? Спаяйте лучше что-нибудь новое стоящее, как вы умели это раньше...

Благодарю за совет.
Все расчеты в МС из модели переносятся в код LabView и при помощи прецизионных приборов от NI измерения проводятся в железе, так что недостатки моделей полностью компенсируются реальными измерениями. Последние два испытания показанных выше реализованы в железе.
Поиск методов испытаний усилителей, коррелирующих со звуковыми ощущениями дает такой же трепет и азарт как при запуске первого усилителя.
Сейчас в сборке очередная модернизация усилителя 2006 года, но даже это мне кажется менее интересным чем разработка эффективных методов испытания усилителей.

[Ясен Пень]

Сейчас в сборке очередная модернизация усилителя 2006 года, но даже это мне кажется менее интересным чем разработка эффективных методов испытания усилителей.

Вот это дело

[wert]

И конечно же дрейф нуля может быть очень значительным при усилении различных сигналов, хотя схема усилителя по постоянному току может быть сбалансирована.
Пример такого дефекта на рис.
по постоянному току балансировка нуля до микровольт,
при изменении амплитуды напряжения на выходе усилителя от 0 до 30 В дрейф нуля в пределах 0 -3 В.
Это можно увидеть применив к выходному напряжению усилителя операторы усреднения и среднеквадратичного значения.
Такой дефект присущ многим усилителям и это точно влияет на качество звука.
Но почему то только Кг интересует большинство, хотя Кг один из многих параметров определяющий состояние усилителя
параметры качества формируются потребителем, попробуйте сказать меломану ламполюбителю, что Кг должен быть в нуле...

[wert]

Собственно отделить "плавание" нуля на выходе от чего-то другого в первом приближении позволяет закорачивание входа на землю...
Далее на "плавание" нуля на выходе могла бы оказывать нелинейность самого тракта,

Даже при отсутствии параметров термозависимости в моделях элементов, можно много чего увидеть полезного о состоянии усилителя.
Есть модели усилителей где наличие конденсаторов в сигнальных цепях способствует стабильности режимов всего усилителя, а есть обратный эффект, выше показал наличие конденсаторов в сигнальных цепях способствует динамическому разбалансу усилителя.
Проделаем эксперимент с моделью где динамический разбаланс высокий,
на вход подаем меандр 4 кГц, ограниченный сверху частотой 44 кГц.
1. Исключаем входной конденсатор. балансируем выход при замкнутом входе, динамический разбаланс резко уменьшился до 2,3% (оценен по отклонению полки меандра).
2. Но это не так интересно, интересно то, если убрать конденсатор в цепи ОС, в этом случае полностью исчезает разбаланс, оцененный по искажениям полки меандра.
И резко уменьшаются нелинейные искажения фронта меандра, полученные путем вычитания искажений фронта при выходных напряжениях 30 В и 30 мВ.
При изменении выходного напряжения до 100 мВ искажения фронта не меняются, можем принять эти искажения за линейные искажения фронта импульса.

Нелинейные искажения фронта импульса при наличии конденсатора С5 составили около 30%,
при исключении С5 нелинейные искажения фронта уменьшились до 13%,
Т.е. исключение конденсатора в цепи ОС дало снижение нелинейных искажений на 17%..
При этом:
- полностью сохранены режим балансировки выхода около 2мкВ при замкнутом входе, ток покоя ВК 96 мА, режимы диф каскада остались без изменения.
- с конденсатором или без конденсатора С5 коэффициент гармоник усилителя практически не меняется.
В этом случае нельзя сказать, что такие искажения вносит конденсатор цепи ОС, хотя линейные искажения без конденсатора уменьшились на фронте импульса на 2,5%.
В целом схемное решение усилителя с динамически изменяющимся импедансом при воздействии меандра, при наличии конденсаторов дает динамический разбаланс выходного напряжения и высокие нелинейные искажения на фронте импульса.
Частично лечится такая болезнь введением токового зеркала в диф каскад, буфера перед УН и перед ВК.
На графике показана нормированная по входному напряжению ошибка усилителя, выраженная в процентах.

---------- Сообщение добавлено 15:07 ---------- Предыдущее сообщение было 13:22 ----------

Добавлю еще одну простую модель усилителя с форума ВЕГАЛАБ.
Модель хорошо сбалансирована, динамический дрейф нуля практически отсутствует,
плюс модель усилителя дает не высокие нелинейные искажения фронта меандра около 1,1%.

[wert]

Для примера полезности предложенного метода оценки искажений взял совсем плохонькую модель усилителя в котором и линейные и нелинейные искажения велики, для примера это показательно.
Итак можно выделить чистые нелинейные искажения усилителя при воздействии меандром, полученные путем вычитания из общих искажений линейной компоненты искажений. В остатке получим нелинейные искажения. Нормирование проведено по амплитуде выходного напряжения.
На графике привел нелинейные искажения усилителя при выходном напряжении 30 В, воздействие меандром 4 кГц, ограниченного сверху частотой 44 кГц.
Также показан график входного напряжения, который нам нужен для временной привязки искажений.
Максимум искажений в линейном режиме совпадает с точкой пересечения фронта меандра выходного напряжения линии нуля.
Однако, при наличии нелинейной компоненты в выходном напряжении, максимум искажений сдвигается от точки пересечения фронта выходного напряжения с нулем и максимум нелинейных искажений уже будет отражать реальное групповое время задержки.
Можем посчитать групповое время задержки выходного напряжения относительно входного напряжения по нелинейным искажениям меандра.
Время задержки меандра в приведенном примере равно 6 мкс.
В тоже время групповое время задержки рассчитанное в районе рабочей точки усилителя для импедансной модели равно 1,2 мкс, и отражает линейные искажения тракта усиления. Примерно такое же время задержки имеет усилитель при оценке линейных искажений приведенным методом в динамическом режиме.
Т.е. нелинейная компонента искажений меандра значительно изменяет групповое время задержки выходного напряжения, это время изменяется в зависимости от уровня напряжения воздействия и его частотной плотности.
Также на графике динамический дрейф выходного напряжения воспринимается как нелинейные искажения, так как уровень таких искажений также зависит от уровня напряжения и частотной плотности воздействия. Динамический дрейф нуля оценивается по уровню искажений верхней и нижней полки меандра, их среднего значения относительно линии нуля.
В общем достаточно информативный получился метод оценки искажений усилителя во временной области при воздействии сигналом любой сложности.
Представленный метод оценки искажений удалось реализовать для измерительных приборов от NI.

[wert]

Чтобы почувствовать разницу оценки искажений усилителя при синус воздействии и реальном импульсоподобном воздействии
покажу соответствующие графики нелинейных искажений.
При синус воздействии, Pout=100 Вт на частоте 1 кГц, Кг= 0,08%.
При воздействии меандра нелинейные искажения на фронте импульса 1,9%.
Если такой усилитель слушать, и сравнить с усилителем имеющим Кг близким к 0,08% но с низкими нелинейными искажениями меандра,
то результаты прослушивания усилителей будут в пользу последнего и результаты будут в пользу и других усилителей с меньшими нелинейными искажениями меандра.

---------- Сообщение добавлено 21:48 ---------- Предыдущее сообщение было 19:10 ----------

Добавлю анализ нелинейных искажений при воздействии на усилитель "5 транзисторов" синус и меандр сигналами.
При синус воздействии, Pout=100 Вт, Кг = 0,03%.
При воздействии меандром:
- комплексные искажения на фронте импульса составили 2%,
- нелинейные искажения 0,33%.
- ГВЗ 3 мкс (рассчитано по максимуму нелинейных искажений на фронте меандра).