Составные усилители

[BesPav]

Создать новую тему побудило большое количество сообщений и схем, опубликованных в разных ветках, а то и даже на разных форумах.

Итак, предмет обсуждения - глубокоООСные усилители, так называемые "композиты", состоящие из первого малосигнального/маломощного ОУ и второго сильноточного ОУ в специализированном корпусе с повышенным теплорассеянием.

В качестве "подопытных" на роль первых ОУ выбраны следующие:
AD8065/66/67
THS4021/22+4011/12
LM6171/7171
LT1222
OPA1611/12+1641/42
AD797
Из предвыборной гонки потихоньку выбывают отличные ОУ LME49710 и LME49990.

Основные критерии выбора:
1. Возможно больший GBP
2. Возможно более высокая частота основного полюса (точка перегиба на кривой open-loop gain в даташите и/или модели)
3. Возможно меньшее произведение шума на усиление в начале аудиодиапазона
4. Наличие достоверной модели, более-менее совпадающей с графиками официального даташита.

На роль "вторых" народной молвой выбраны AD815, THS6012/TPA6120 и LT1210. Пожалуйста, не надо LM3886 сегодня...

Основные критерии выбора:
1. Достаточная мощность в качестве усилителя для наушников
2. Возможно более широкая полоса
3. Возможно меньший уровень шумов
4. Возможно большее петлевое усиление

Для начала обсуждения пара несложных схем с непривычно большой глубиной ООС:

Скрытый текст

[свернуть]

Условия устойчивости выполнены формально, номиналы коррекции подлежат алгоритмическому или ручному уточнению по переходной характеристике, а также в реальной конструкции с учетом паразитных параметров платы.

Основные недостатки подобных схем:
1. Сравнительно большой уровень шума на выходе, первый ОУ работает со своим полным усилением на НЧ и все его входные шумы усилены в Aol раз. ВНИМАНИЕ, не все SPICE-модели ОУ корректно воспроизводят даташитные графики шума.
2. Очень плохие последствия при перегрузке.
3. Необходимость плотного монтажа, частота единичного усиления порядка 20-30 МГц и сантиметры проводников уже вносят заметную задержку фазы на частоте замыкания характеристики.

Пример печатной платы, заботливо нарисованной форумчанином mellowman:

Скрытый текст

[свернуть]

Продолжение следует...

[mellowman]

Да дурят они нас, похоже. В любом техпроцессе гораздо проще сделать зеркало на 4 транзисторах, чем один резистор.

Так можт они поэтому по 700 рублей/шт и получаются?

Ага, в безООСном случае будет качественный ноль, а повторитель выйдет из нашего любимого класса А, но у нас-то ООС.

Откуда у нас оось возмётся на частотах где 47пф превратится в 0Ω? ВК уже мегагерц сто назад превратился в кусок провода. А входные транзюки ещё держатся.

Причем на неинвертирующем входе сигнал ООС будет в полный гейн предыдущего ОУ.

А теперь вспоминаем про входной фильтр, подключаем и пробуем вывести эту парочку из равновесия.

Кстати да, может стоит выход первого ОУ слегка фильтрануть?

ОУ потребляет/отдает ~40 мкА, через кондер проходит ~8 мкА.
Внимание, вопрос - какой порядок величин тока, протекающего через резисторы делителя?
;)

Это понятно, что в нормальной ситуации оно работает, я ж писал что даже с транзисторной моделью не всегда свистит. Но в не_модели я так опасаюсь делать. Приедут платы через пару месяцев, посмотрим

[BesPav]

Так можт они поэтому по 700 рублей/шт и получаются?

Не думаю, что именно поэтому, но если ТИ-шники не демпингуют со своими THS/TPA, то почему бы и нет?
;)

Откуда у нас оось возмётся на частотах где 47пф превратится в 0Ω?

Ну совсем в 0 оно, предположим, не превратится. На частоте замыкания петли ~200 МГц будет около 17 Ом. Вполне сопоставимо с уже стоящими 22-мя.
Вопрос в другом, откуда на неинвертирующем входе возьмется нечто настолько быстрое и такой амплитуды, чтобы перегрузить входной повторитель?

Кстати да, может стоит выход первого ОУ слегка фильтрануть?

Фильтрануть? Хе-хе...
Мы же в терминах полюсов-нулей...
Это добавить еще один полюс...
В одиночку его добавить нельзя, развалится весь заботливо выстроенный карточный домик, нужен компенсирующий ноль.
Так, ради прикола, раскройте скобки в уравнении про два нуля с четырьмя полюсами и попробуйте уместить удобоваримые результаты на одну страницу.
;)

Вместе с тем можно просто посмотреть на опенлуп AD8065, увидим ~ -10 дБ от входа на 200 МГц, теперь смотрим на номиналы кондеров возле входов AD8065 и прикидываем кто бы их мог позаряжать с такой скоростью и выдержат ли дорожки ПП такой ток...
Ну и какой еще фильтр нам нужен?

[mellowman]

Не думаю, что именно поэтому, но если ТИ-шники не демпингуют со своими THS/TPA, то почему бы и нет?
;)

Да, тоже верно. У ТИ вроде нет конкурентов 1210, у AD есть ADA4870. Но по цене, в неё как будто ещё один резистор положили

Ну совсем в 0 оно, предположим, не превратится. На частоте замыкания петли ~200 МГц будет около 17 Ом. Вполне сопоставимо с уже стоящими 22-мя.
Вопрос в другом, откуда на неинвертирующем входе возьмется нечто настолько быстрое и такой амплитуды, чтобы перегрузить входной повторитель?

Вопрос — хороший, ответить на него трудновато Но 200Мгц, это как раз начало того о чём я говорю: входные транзюки чтобы обеспечить 100-200 общей полосы явно работают "чуть" побольше, до 700-1-1.5ггц-... (gsm), например 100мгцовый THS4031

is built usinga 30-V, dielectrically isolated, complementary bipolar process with NPN and PNP transistors possessing fTs ofseveral GHz.

Фильтрануть? Хе-хе...

Не, ну цель фильтрации же не порушить всё Фильтрануть, чтобы за пределами домика ничего не просочилось, т.е. с 200 МГц например. Если у второго ОУ будет большой gain, то можно после резистора поставить диоды (=3пф), они и в клипе помогут, и небольшой срез организуют? + дорожка ещё пару пф добавит, вот и готов фильтр

Вместе с тем можно просто посмотреть на опенлуп AD8065, увидим ~ -10 дБ от входа на 200 МГц, теперь смотрим на номиналы кондеров возле входов AD8065 и прикидываем кто бы их мог позаряжать с такой скоростью и выдержат ли дорожки ПП такой ток...
Ну и какой еще фильтр нам нужен?

А без ёмкости на -входе не получается красивую линию нарисовать? Или хотя бы отделить её небольшим резистором

[BesPav]

А без ёмкости на -входе не получается красивую линию нарисовать? Или хотя бы отделить её небольшим резистором

Не "получается", а "получится"! Заодно подрезал скорость нарастания и полную полосу до ~80 МГц. КУ теперь 3,5.


Все номиналы относительно крупные, паразитки платы влиять не должны.

Offтопик:

+ дорожка ещё пару пф добавит, вот и готов фильтр

Какие у вас, таки, нескромные дорожки...

[mellowman]

Не "получается", а "получится"! Заодно подрезал скорость нарастания и полную полосу до ~80 МГц. КУ теперь 3,5.
https://uploads.tapatalk-cdn.com/201...1441c99e20.jpg

Все номиналы относительно крупные, паразитки платы влиять не должны.

О, супер! А диоды от клипа не нужны? Чтобы с выхода U1 не 10 вольт бомбили вход, а 0.6, или можно TVS какой-нибудь на 2.7V

Единственное, я конечно поспешил с заказом плат — как это теперь на них натянуть

[ИГВИН]

Offтопик:

Эти два зеркала включены "встречно", соответственно весь "лишний" ток пойдет в R6, что приведет к преобразованию тока в напряжение.

Это хорошая схема, работающая с высокой точностью.
Но, если нам надо усилить ток, например раза в три, добавив резисторы разных номиналов в эмиттеры (такое часто бывает в усилительных схемах), то такое высокоточное ТЗ даёт примерно тот же результат, что и обычное.

[fakel]

Offтопик:
Это хорошая схема, работающая с высокой точностью.
Но, если нам надо усилить ток, например раза в три, добавив резисторы разных номиналов в эмиттеры (такое часто бывает в усилительных схемах), то такое высокоточное ТЗ даёт примерно тот же результат, что и обычное.

Надо три транзистора ставить впараллель, каждый со своим резистором

[BesPav]

А диоды от клипа не нужны?

Надо подумать. Мягкий клип еще ничего, а вот жесткий силен в гневе.
Детектор уровня по входу, при появлении чего-нибудь превышающего 3,5 Вольта до первого резистора - закоротить 330 пФ на землю каким-нибудь полевичком, отключить/закоротить выход и отмотать -10 дБ на РГ.

Offтопик:

Но, если нам надо усилить ток, например раза в три

Надо три транзистора ставить впараллель, каждый со своим резистором

Та не, зачем усиливать ток в зеркалах, достаточно увеличить крутизну одного из преобразований (V/I или I/V) и ток покоя повторителя.
;)

[mellowman]

Надо подумать. Мягкий клип еще ничего, а вот жесткий силен в гневе.

Это при том, что в этих моделях вроде overload recovery не смоделирован, там же залипание должно быть

Детектор уровня по входу, при появлении чего-нибудь превышающего 3,5 Вольта до первого резистора - закоротить 330 пФ на землю каким-нибудь полевичком, отключить/закоротить выход и отмотать -10 дБ на РГ.

Закорачивание входа — вне петли оос, думаю будет вносить побольше искажений, чем -150 дб. Поэтому мне больше нравится что-нибудь между u1 и u2. Отматывание РГ — хорошо, только никаким образом не решение проблемы, просто прикрывание её, чтобы она реже проявлялась.

[ИГВИН]

Offтопик:

Надо три транзистора ставить впараллель, каждый со своим резистором

Да, это работает.

[ViktKors]

Offтопик:

Какие у вас, таки, нескромные дорожки...

Ну почему-же нескромные. Дорожка 12 мил (~0.3 мм) на внешнем слое, который отделен от внутреннего земляного полигона диэлектриком 0.2 мм (у многих производителей стандартный препег) дает ~1 пФ емкости на сантиметр длины.
А учитывая, что входной ("чистый") ОУ стоит отодвинуть от выхода не на 1 см, а на все 5, получаем поболее чем те самые "пара пФ"
А при относительно длинных дорожках другой "нескромный" вопрос. Волновое сопротивление согласовывать нужно? Если действительно приспичит, то может оказаться, что емкость (ширину дорожки) еще увеличивать придется.

[mellowman]

А учитывая, что входной ("чистый") ОУ стоит отодвинуть от выхода не на 1 см, а на все 5

А зачем так далеко? 3 см — мало? Дорожки как раз 0.3мм, но 2 слоя и плата 1.6мм

А при относительно длинных дорожках другой "нескромный" вопрос. Волновое сопротивление согласовывать нужно? Если действительно приспичит, то может оказаться, что емкость (ширину дорожки) еще увеличивать придется.

Это проверять по искажениям формы меандра на входе 2го ОУ?

[ViktKors]

Offтопик:

А зачем так далеко?

Ну этот вопрос можно увязать с вопросом "зачем так глубоко" (в смысле ООС)

3 см — мало? Дорожки как раз 0.3мм, но 2 слоя и плата 1.6мм

Не знаю, нужно пробовать или прикидывать наводки от ВК в классе АВ. Но тут важно заранее определиться с уровнем притязаний. Если речь про -120 дБ искажений - нормально.

Это проверять по искажениям формы меандра на входе 2го ОУ?

Согласование волнового тут скорее шутка , но кто знает какими путями ходит мысль конструктора.

[mellowman]

Не знаю, нужно пробовать или прикидывать наводки от ВК в классе АВ. Но тут важно заранее определиться с уровнем притязаний. Если речь про -120 дБ искажений - нормально.

Хм... А если ВК будет с другой стороны земли от чистого ОУ:

Всё равно дострелит?

Offтопик:

Согласование волнового тут скорее шутка , но кто знает какими путями ходит мысль конструктора.

А, а то я уже прикинул по калькулятору, 127 ом получилось И пикофарад чуть поменьше, чем я думал сначала, около 1.5

[ViktKors]

Хм... А если ВК будет с другой стороны земли от чистого ОУ:

Всё равно дострелит?

Откуда ж мне знать.
"Другая сторона земли" тут мало поможет (вначале прочитал буквально: "сторона Земли" )
На звуковых частотах медь еще плохо экранирует магнитное поле.
Так что, по-нормальному, с ним нужно бороться всемерным уменьшением индуктивностей везде где нужно.
Взаимная индуктивность по-любому не будет больше любой из.


Ну вот давайте посмотрим на типичный ВК (слева):

Две петли в питании ВК дают магнитное поле одного направления - см. Красные круги по часовой стрелке. Это поле наводится на входные цепи ОУ (рамка с зеленым кругом - магнитным полем, наводящим ЭДС ошибки).
Причем обе полуволны выходного тока (и "в плюс" и "в минус") наводятся на входную рамку в одинаковой полярности.
Т.е. получаем генерацию второй гармоники в чистом виде.


К сожалению, не встречал расчета взаимной индукции в каких-нибудь онлайн сервисах по прикидке плат, так что оценки только на пальцах. Ну скажем, для двух рамок 10 х 10 мм на удалении пары сантиметров это скорее всего будет что-то порядка десятка пикоГн. Для амплитуды токов в доли Ампера на 20 кГц это уже ограничение по нелинейности на уровне где-то -130 -140 дБ.
Если же "рамки" разнести (отодвинуть от ВК "чистый ОУ"), то взаимная индуктивность спадает с расстоянием очень быстро.

Понятно, что можно ВК скомпоновать как на картинке справа:

Тогда петли выходного тока направлены противоположно, а наводимая ЭДС тока лишь немного (а в класса А еще и линейно) изменит амплитуду выходного тока.

Но только вот если с размером индуктивной петли питания ВК еще все более-менее ясно, входная петля - штука "растяжимая". По сути, в ЭДС ошибки входят все индуктивные наводки не только на некое "рамкообразное" пространство между дорожками входов ОУ, но и на все входные провода/дорожки ООС. Причем дорожка ООС подходит к ВК (естественно и неотвратимо) ближе всего.
Соответственно, тут тоже засада в том случае, когда провод/дорожка ООС имет разную взаимную индуктивность с шинами питания (читать, по разному от них удалена).

Поскольку с эрой СМД практически отжил забавный метод снижения взаимной индуктивности ортогональной ориентацией "рамок с током" (например вертикальным расположением транзисторов ВК), остается по сути один метод. Всемерно снижать индуктивность критичных цепей. И в этом смысле "бутербродные" полигоны питания - простой и эффективный путь.


Хотя понятно (еще раз повторюсь!), это все не имеет особого отношения к "нормальным", даже довольно точным УНЧ. Просто в теме речь про глубину ООС >150 дБ на 20 кГц. А это уже притязания на несколько другой уровень..

[EDDiE]

Offтопик:

Не "получается", а "получится"! Заодно подрезал скорость нарастания и полную полосу до ~80 МГц. КУ теперь 3,5.
https://uploads.tapatalk-cdn.com/201...1441c99e20.jpg

Все номиналы относительно крупные, паразитки платы влиять не должны.

Павел, а насколько правильно брать сигнал ОООС с выхода R10?
Не получится ли типа того как произошло с АмБовским Мини3, вроде искажух мало у АМБа по измерениям у него на сайте https://www.amb.org/audio/mini3/, а вот NwAvGuy измерил, и вот чё вышло http://nwavguy.blogspot.ru/2011/05/a...phone-amp.html
Ну, и опять же, я бы всё-таки, для перестраховки (нагрузка может иметь разную емкость и индуктивность), и удобства подбора номиналов увеличил бы резистор R10 до 2,2 Ом
С резистором на выходе 1,5 Ом подавляющее большинство экземпляров AD815/THS6012 и ёмкостью после него, "свистят"....
Начиная где-то с 2,0Ом возбуда нет

[mellowman]

Offтопик:

"Другая сторона земли" тут мало поможет (вначале прочитал буквально: "сторона Земли" )

Хотел сначала написать с большой буквы, но потом подумал что это будет "объяснение анекдота"

На звуковых частотах медь еще плохо экранирует магнитное поле.
Так что, по-нормальному, с ним нужно бороться всемерным уменьшением индуктивностей везде где нужно.

Посмотрел ещё раз на плату, на 20гц контур совсем не детский получается. Зато ООСь довольно компактная, и более-менее симметричная. Причём можно ещё компактнее сделать, а в 4х слоях и почти совсем симметричную. Ну по крайней мере так кажется, пока не попробуешь на деле

Ну вот давайте посмотрим на типичный ВК (слева):

Две петли в питании ВК дают магнитное поле одного направления - см. Красные круги по часовой стрелке. Это поле наводится на входные цепи ОУ (рамка с зеленым кругом - магнитным полем, наводящим ЭДС ошибки).
Причем обе полуволны выходного тока (и "в плюс" и "в минус") наводятся на входную рамку в одинаковой полярности.
Т.е. получаем генерацию второй гармоники в чистом виде.

Да, интересно. Спасибо за наглядный пример

К сожалению, не встречал расчета взаимной индукции в каких-нибудь онлайн сервисах по прикидке плат, так что оценки только на пальцах. Ну скажем, для двух рамок 10 х 10 мм на удалении пары сантиметров это скорее всего будет что-то порядка десятка пикоГн. Для амплитуды токов в доли Ампера на 20 кГц это уже ограничение по нелинейности на уровне где-то -130 -140 дБ.
Если же "рамки" разнести (отодвинуть от ВК "чистый ОУ"), то взаимная индуктивность спадает с расстоянием очень быстро.

А можно тогда сделать наоборот, использовать это, чтобы на +вход и -вход наводилось одинаково и компенсировалось CMRR*ом Не совсем понятно только как настолько точно всё подсчитать.

Понятно, что можно ВК скомпоновать как на картинке справа:

Тогда петли выходного тока направлены противоположно, а наводимая ЭДС тока лишь немного (а в класса А еще и линейно) изменит амплитуду выходного тока.

Красиво! Вообще, получается, что в данном случае земля не экранирует, как я думал изначально, т.к. ток по ней же и течёт. Для экрана нужно выделить отдельный полигон, который подключен в 1 точке?

Но только вот если с размером индуктивной петли питания ВК еще все более-менее ясно, входная петля - штука "растяжимая". По сути, в ЭДС ошибки входят все индуктивные наводки не только на некое "рамкообразное" пространство между дорожками входов ОУ, но и на все входные провода/дорожки ООС. Причем дорожка ООС подходит к ВК (естественно и неотвратимо) ближе всего.

Ну, почему неотвратимо — ООС брать с выхода в дифф. режиме (это как раз можео будет проверить на деле на заказанных платах), выход 4мя проводами, по-моему можно всё неплохо минимизировать.

Хотя понятно (еще раз повторюсь!), это все не имеет особого отношения к "нормальным", даже довольно точным УНЧ. Просто в теме речь про глубину ООС >150 дБ на 20 кГц. А это уже притязания на несколько другой уровень..

Спасибо ещё раз! Как раз такие неочевидные моменты и интересно узнать/понять.

Offтопик:
Пока буду учиться измерять такие величины, а то у меня даже в ZD-50 сомнительные результаты получаются Но вроде настроил компенсацию, основной тон давился почти на 70дб. Только гармоник слишком много получалось, подозреваю из-за плохого переменника, нужно всё переделать компактно и аккуратно

[ViktKors]

Красиво! Вообще, получается, что в данном случае земля не экранирует, как я думал изначально, т.к. ток по ней же и течёт. Для экрана нужно выделить отдельный полигон, который подключен в 1 точке?

Никакой полигон не экранирует магнитные наводки, по крайней мере на звуковых частотах.
Роль полигона - обеспечить минимальную индуктивность за счет того, что пути прямого и возвратного токов практически совпадают. Т.е. исключить проблему (излучение), а не лечить ее (экранировать).

Ну, почему неотвратимо — ООС брать с выхода в дифф. режиме..

Да нет, проще. Просто Точка снятия ОС (она-же точка подключения нагрузки) должна быть подальше от ВК. Емнип в том-же zd50 так и сделано.

[mellowman]

Да нет, проще. Просто Точка снятия ОС (она-же точка подключения нагрузки) должна быть подальше от ВК. Емнип в том-же zd50 так и сделано.

Да, там в этом плане очень грамотно. Там и ООС-ная земля идёт отдельно, так что можно сказать тоже дифф. ООС. Жалко только вход не дифф.

[BesPav]

Отматывание РГ — хорошо, только никаким образом не решение проблемы, просто прикрывание её, чтобы она реже проявлялась.

У меня тут другое мнение, нет ничего сложного - посмотреть на выходной уровень ЦАПа, потом прикинуть КУ и сравнить с напряжением питания.
Зачем пытаться лечить проблему, если заранее можно сделать прививку?
Стандартный линейный выход по амплитуде не превышает 3 Вольт, у нас КУ=3, клип на 11 Вольтах.
Из этих соображений делается два блока защиты:
1. Спасти ЦАП, чтобы ушник ему "не вдул" сзади излишне тока.
2. Спасти нагрузку, тут из пожеланий только прикинуть быстродействие реле, нагрузка должна быть способна переварить импульс максимального напряжения за время срабатывания.
В ушнике к этому моменту уже нештатная ситуация, его по-любому "вскрывать" и "лечить".

Offтопик:

Ну почему-же нескромные.

Offтопик:
Виктор, я ж про двухслойку.

Понятно, что можно ВК скомпоновать как на картинке справа:

Ага, и наушниковым Олимпом в этом случае будет ВК как в "Любительском балансном".
Класса А и симметрично на разных сторонах платы.

Просто в теме речь про глубину ООС >150 дБ на 20 кГц. А это уже притязания на несколько другой уровень..

Да тут тоже непросто, спасибо за ваш интерес к теме.
С одной стороны в подавляющем большинстве конструкций и на разумных уровнях прослушивания доминирование N над THD не вызывает особенных сомнений.
С другой стороны, D коррелировано с сигналом, а N - нет, при этом наш слуховой аппарат тот еще коррелятор.

Отсюда простой вывод - уменьшать надо взаимно и одновременно обе составляющие, совокупный вклад D удерживать на уровне не более 1/10 от N и к ним же делать небольшое дополнение в виде апериодической ПХ.
Ведь если уж ворочать тонну логарифмических линеек, то по полной программе.

Offтопик:

Павел, а насколько правильно брать сигнал ОООС с выхода R10?

Эдуард, а ее нельзя брать со входа этого резистора, иначе получим ушник с выходным сопротивлением 2 Ома. Спасибо, лучше уж пешком постоять.

В идеале ООС брать прямо с клемм динамика, в реальной жизни хотя бы с выходных контактов усилителя, ну и уж точно не раньше выходного фильтра.