Усилители А.Гладкого

[asgladd]

Второе название : УМЗЧ с термостабильным режимом Супер-А
Довел до ума несколько схем УМЗЧ . Предлагаю ознакомиться.

На рис.1 представлена схема симметричного и высоколинейного усилителя на биполярных транзисторах. В ней применена глубокая отрицательная обратная связь по току в выходном каскаде, что позволило жестко стабилизировать рабочую точку каскада, причем без использования термодатчиков. Для каждой полуволны используется свой "хитрый "дифференциальный усилитель на транзисторах VT20-VT30. Эта схема запатентована в 1986 г. (!!!) японцем Накаяма из корпорации Pioneer (патент можно посмотреть в приложении) и через 26 лет её назвал "новым" классом I и доработал Кастор-Перри Кендал (её можно посмотреть на сайте www.edn.com и в приложении). В моем варианте схемы (смотри рис.1) на транзисторах дифференциального каскада выделяется минимальная мощность( в отличии от схемы Кендала), они не нагреваются и уверенно отслеживают милливольты сигнала обратной связи. Также в этой схеме с помощью резисторов R19,R23,R26 можно выставить желаемый ток покоя и напряжение минимума для режима Супер-А. Прекрасным свойством схемы является её "правильная" работа при ограничении сигнала - никаких выбросов и никаких сквозных токов ( ток ограничения определяется напряжением 4,7 В стабилитронов - светодиодов HL5 - HL10). Схема легко выдерживает меандр +/- 30 В -100 кГц на 4 -Ома нагрузки и несколько секунд короткого замыкания при полном входном сигнале .
Входное сопротивление такого выходного каскада довольно нелинейное и перед ним пришлось применить эмиттерный повторитель со стабильным выходным током на транзисторах VT12,VT13, VT16,VT17.
Усилитель напряжения построен по классической схеме на включенных встречно дифкаскадах и при однокаскадной схеме (а значит при высокой устойчивости ) имеет усиление 87 дБ на резистор нагрузки 200 кОм при полосе 14 кГц.
Макетирование усилителя позволили уточнить цепи коррекции и удивило возможностью такого большого усиления вообще без емкостей по питанию (на плате) !!!
Скорость нарастания выходного напряжения 75/100 В /мкС (с входным фильтром и без).Выходное сопротивление (измеренное до выходного фильтра ) менее 0,01 Ом. Меандр идеальной формы 20 кГц и амплитудой +/- 30 В не меняет форму при переключении нагрузки - нет нагрузки - 8 Ом или 4 Ома. КНИ на частоте 20 кГц менее 0,001 % при выходных мощностях 2-150 Вт . На частоте 1 кГц искажения менее 0,0004 %.
АЧХ на синусе и меандре не имеет выбросов. Полоса по уровню -3 дБ 550/1500 кГц (с входным фильтром и без него).
Режим Супер-А на уровне 30/100 мА на каждый транзистор (30 - это ток минимума,100 - ток покоя). При этом размах "переключательных" искажений на частоте 20 кГц амплитудой 30 В около 5 мВ.
Амплитуда выходного напряжения усилителя меньше напряжения питания (мгновенного значения) на 3,8-4,5 В (при нагрузке 8-4 Ома). Если вместо генераторов тока на транзисторах VT15-19-23 и VT18-22-28 применить вольтдобавку на С12-С13 и R32-R33
- (она показана пунктиром)-можно увеличить максимальную амплитуду на 1 вольт - при этом все параметры усилителя сохраняются !
Рассматривать и оценивать искажения сигнала (в том числе и "переключательные") позволяет компенсационный метод, когда из выходного искаженного сигнала вычитается
усиленный идеальным усилителем и подстраиваемый по амплитуде и фазе входной сигнал. Микрокап прекрасно позволяет это сделать виртуально. На приведенной схеме МС9 /Рис-1 -CIR/ на транзисторах Q39-Q51 собран "идеальный"усилитель, искажения которого на порядок меньше измеряемого (их можно измерить перенеся точку OUT на правую сторону резистора R47). С помощью слайдеров (справа) подобраны амплитуда и фаза и на резисторе R52 можно наблюдать характерные переключательные искажения !!!
Мне нравится компенсационный метод из-за своей наглядности. Если использовать осциллограф в режиме Х- Y (на Х подается входной сигнал, а на Y - искажения) прекрасно видна не только амплитуда искажений, но и точка их возникновения на амплитудной характеристике. При такой векторной индикации гораздо легче производить и саму компенсацию и заметить небольшие подвозбуды на некоторых участках амплитуды сигнала.
Итак, можно отметить положительные качества схемы : независимость токов покоя от нагрева выходных транзисторов, отсутствие настроек, высокая устойчивость даже при емкостных нагрузках в несколько микрофарад, работа от нестабилизированных источников питания 20 - 50 В, полная симметричность схемы, токовая защита выходных транзисторов и т.п.

На рис.2 показана схема термостабильного инвертирующего усилителя на полевых транзисторах, в которой удалось получить такие же высокие характеристики (и без использования импортного патента).
Схема, также как предыдущая, не требует настройки и элементов термостабилизации. Она также прекрасно ведет себя при ограничении сигнала и при КЗ нагрузки. Скорость нарастания выходного напряжения 70 В/мкС при меандре частотой 20 кГц и амплитуде 30 В /без сквозных токов/. КНИ менее 0,001 % на 20 кГц и 0,0002 % на 1кГц и на мощностях от 1 до 150 Вт на 4 Ома !!! Полоса усиления 370/510 кГц, коммутационные искажения размахом 7 и 2 мВ на частотах 20 и 10 кГц соответственно (при 30 В выходного сигнала и при режиме супер-А =30/90 мА). Искажения можно оценить компенсационным методом на резисторе R52 ( файл МС9 Рис-2-CIR). Вольт-добавка на R30-31, C11-VD1,C14-VD2 позволила лучше использовать питающие напряжения : амплитуда выходного напряжения равна напряжению питания (Vпит) минус 3 / 3,5 вольт (для нагрузки 4 / 8 Ом соответственно). Высокое усиление двухкаскадного усилителя напряжения и схема расщепителя на транзисторах VT13-VT16 позволили отказаться от промежуточного эмиттерного повторителя и обеспечили высокую термостабильность нуля. Уход нуля при прогреве и изменении питающих напряжений (в диапазане 15-50 В) не более 10 мВ .

На рис.3 показана схема использования операционных усилителей со схемой термостабильного выходного каскада. На VT1,VT5 и VT2,VT7 собран токовый расщепитель сигнала, который через токовые зеркала на VT3-VT9-VT10 и VT8-VT11-VT12 передает полуволны сигнала на резисторы R13-R14 . Далее термостабильные усилители эти полуволны усиливают и обеспечивают правильные режимы работы
выходных транзисторов VT23-VT26. Параметры выходного каскада - КНИ = 0,4 % во всем диапазоне частот и полоса не менее 1 МГц.
Благодаря хорошей частотной характеристике и небольшому сдвигу фазы этого выходного каскада, с ним может работать практически любой операционный усилитель.
Собственно от характеристик ОУ и будет зависеть итоговый КНИ усилителя и его частотные параметры. Например при желании получить на частоте 20 кГц КНИ менее 0,004 % необходима глубина ООС не менее 40 дБ и при общем усилении УМЗЧ=30 дБ усиление ОУ на частоте 20 кГц должно быть на ниже 70 дБ , а это могут далеко не все. Например LM4562 показывает, по моим измерениям, искажения около 0,03 %. Если бы удалось найти высококачественный операционник -мог бы получиться неплохой термостабильный и без настроек - идеальный УМЗЧ.

На рис.4 я привожу схему высококачественного и термостабильного УМЗЧ с минимальным количеством элементов, пригодную для повторения начинающими радиолюбителями. ( Мне кажется они ещё где-то есть)...

[Vadim 161]

Корпус выходников TO-3P. Электролиты - 18мм. Схема пока в голове, но я её сильно не менял, просто добавил интегратор, вместо двухкаскадного ЭП - поставил трехкаскадный, разделил питание УН и ВК, и добавил диоды антинасыщения.
Кстати говоря, интересно почему у автора питание ОУ всего +-9В ? Я бы до 15В повысил.

[Sergo_PnL]

Конечно надо 12-15В на ОУ и через малошумящий стаб.

[Vadim 161]

Про разрез земли Вы имели в виду нечто эдакое ?

[Sergo_PnL]

Да.

[orsenty]

Смотрится красиво. А Лепехин не против такой разводки? Вычистите слои которые нес чем не соединяется. Сплошная заливка всего не всегда хорошо - паразитная емкость.

[BesPav]

Offтопик:
базар не стоит стертых клавиш...Хорошо бы автор это понял.

Да, но тут нужно давать пояснения.

График петлевого усиления (диаграмма Боде) - своего рода лакмусовая бумажка. Если он показывает какие-то проблемы с устойчивостью - то совершенно не важно какой в этом усилителе выходной каскад.
И наоборот, имея отличный выходной каскад, но не проводя анализ устойчивости и/или частотных характеристик, в общем случае, можно недобрать пару ноликов по искажениям.

От выходного каскада нам всего-то и требуется:
1. По возможности постоянный коэффициент усиления по напряжению, пусть даже 0,9-0,95.
2. Очень большой (больше 10^6) и желательно постоянный коэффициент усиления по току.
3. Достаточное, а лучше 2-3-кратное с учетом фазы тока в нагрузке, теплорассеяние, тут кашу можно испортить маслом в виде большой входной емкости или излишне "разлапистой" разводки.
4. Как можно большая полоса пропускания с учетом "паразитов" реального монтажа и индуктивности шунтирующих емкостей, на сегодняшний день очень желательно от 5 МГц, но лучше бы ~20.
5. По возможности небольшие собственные искажения, например -40 дБ, тут есть разменная монета в виде пункта #4. Кривой широкополосный каскад позволит получить +- те же нолики искажений, что и высоколинейный узкополосный, разве что второй будет менее требователен к монтажу.

С учетом изложенного рецепт современного усилителя несложен:
1. Один, или в особо извращенных случаях - два, high-GBW или нескомпенсированных ОУ на входе.
2. Высоковольтный каскад усилителя напряжения ~20-30 дБ.
3. На выходе тройка эмиттерных повторителей щедро разбавленная конденсаторами.
4. Компенсатор проводов, выходного фильтра, по желанию - интегратор.
5. Система плавного старта и защиты.

[Sergo_PnL]

6. Стабилизированное низкошумное питание входящего ОУ и УН.
7. Стабилизированное и/или с большим запасом мощности питание ВК.

[Boob]

"До сраки карi очi". Както так.

[Petr-1951]

глянул способность работать на емкостную нагрузку. Частота 10 кГц, 2,2 мкФ параллельно нагрузке

а как насчет запасов по фазе и амплитуде? можно посмотреть Боде двух видов (с разомкнутой и замкнутой петлей ООС)?

[vic57]

График петлевого усиления (диаграмма Боде) - своего рода лакмусовая бумажка.

Это точно- при двух-( и более) полюсной коррекции надежды на хорошее звучание УМ тают как...все, что может таять быстро и без следа.

[BesPav]

6. Стабилизированное низкошумное питание входящего ОУ и УН.

Чаще всего - да, но опять нужно комментировать почему именно так.
Сможете нарисовать зачем нам стабилизированное да еще и низкошумное питание?

Вопрос-то простой - где и как пульсации шины попадают в сигнал?

А вот где, наш усилитель напряжения использует положительное плечо питания в качестве опоры:


Вот собственно вся грязь оттуда и попадает в сигнал самым простым образом.

Однако, опять нужна оговорка, существуют структуры УНа не имеющие подобного эффекта.

7. Стабилизированное и/или с большим запасом мощности питание ВК.

Тут тоже нужны комментарии.
Вопрос простой - а сколько все-таки нужно?

Обратимся к школьной арифметике.
Питание ВК +-40 Вольт, ток покоя - 150 мА.
Теплорассеяние в покое ~12 Ватт.

Максимальное выходное напряжение, допустим, 35 Вольт.
Это приблизительно 300 Ватт в пике и 200 Ватт RMS на 4 Ома.

Но вспоминаем про пик-фактор музыкального сигнала, ~3, но у нас-то мощность, соответственно это ~9.

И при пиковых 300 Ваттах нам в среднем придется отдавать в нагрузку около 35 Ватт.

В этой связи покупать для 200-ваттного усилителя 300-ваттный трансформатор будет банальной тратой денег.

Опять нужна оговорка, при наличии достаточного количества конденсаторов в питании ВК.
А вот чем эта "достаточность" определяется?

[Sergo_PnL]

Не про питание тема, но раз уж заговорили... В общем случае достаточность определяется допустимым снижением напряжения питания под нагрузкой и допустимым уровнем помех. Больше емкость - должен быть больше транс.

[asgladd]

Для любителей операционных усилителей сообщаю, что схема рис.3 показывает увеличенные искажения на 20 кГц - поэтому рекомендую делать печатку для доработанной схемы, которая показывает искажения на малом сигнале (амплитудой около 3-х В), которые для данного выхода всегда больше, чем на большом (30-35 В).
порядка 0,01 %. При этом схема оказывается даже проще предыдущей, работает при меньших токах режима Супер-А 10/80 мА, хорошо усиливает меандр ( при крутизне фронтов около 40 В/мкС ) и прекрасно выдерживает ноль на выходе (+/- 2 мВ). Мне правда не нравится поведение схем с ОУ при клиппинге - выбросы могли бы быть и поменьше.

[Vadim 161]

Эх, теперь часть платы переделывать придется, но ничего, придется примерить SMD А Можете скинуть эту схему в Сплане (я же так понимаю она в нем нарисована?).

[Sergo_PnL]

SMD я бы ставил везде, где это возможно, особенно транзисторы.

---------- Сообщение добавлено 14:58 ---------- Предыдущее сообщение было 14:50 ----------

порядка 0,01 %. При этом схема оказывается даже проще предыдущей, работает при меньших токах режима Супер-А 10/80 мА, хорошо усиливает меандр ( при крутизне фронтов около 40 В/мкС ) и прекрасно выдерживает ноль на выходе (+/- 2 мВ). Мне правда не нравится поведение схем с ОУ при клиппинге - выбросы могли бы быть и поменьше.

С действительно классным ОУ на входе и тройкой на выходе + остальные доработки Vadim 161 должно быть значительно лучше, OPA2134 уже давно не один из лучших ОУ.

[asgladd]

присылайте свое мыло - туда могу сбросить любые файлы

[Vadim 161]

Отослал в ЛС.

---------- Сообщение добавлено 02.08.2017 в 16:36 ---------- Предыдущее сообщение было 01.08.2017 в 22:53 ----------

Нарисовал таки схему.

[Sergo_PnL]

О! Похоже!
Так Вы бы уже ОУ и выходники поставили по-лучше... В симуляторе гоняли?

[Vadim 161]

Ну неужели AD845 совсем не очень? По мне так вполне неплохой ОУ А в интегратор можно любой, лишь бы 0 на выходе держался. Транзисторы много на что можно поменять, на какие - тут уже каждый решает сам, главное чтоб оригинальные были.

[Sergo_PnL]

Ок, не суть. В симуляторе смотрели?