УМ с модулируемым ИТ

[теоретизирующий практик]

Всем привет!
___Выкладываю несколько схем однотактных повторителей/усилителей с управляемым источником тока в цепи нагрузки. Во всех схемах принят способ управления ИТ (Т3) в зависимости от тока, генерируемого ведущим транзистором (Т1). Особенностью всех схем является использование ПТ (Т2) в качестве преобразователя ток ведущего ПТ - напряжение возбуждения затвора транзистора ведомого ИТ.
____Схемы в общем то давно известны. Но использование ПТ в качестве преобразователя ток/напряжение имеет некоторые преимущества.

Проследим все преобразования по ходу сигнала.
По Рис3 следить удобнее. Для упрощения принимаем крутизну всех транзисторов одинаковую.
__1. Сигнал поступает на з-и Т1 и преобразуется в ток стока. В соответствии со свойствами ПТ закон преобразования квадратичный.
__2. Ток стока Т1 протекает через канал Т2, и далее в нагрузку. Принимаем, что Т2 работает в активном режиме, и ток канала однозначно определяется напряжением з-и. Так как токи через Т1, и Т2 равны, и параметры транзисторов одинаковы то равны и модули напряжения з-и для обеих транзисторов. Иными словами форма напряжения на Т2 без искажений повторяет форму напряжения на затворе Т1 (не квадратичная, а линейная).
__3. Напряжение сигнала с з-и Т2 через батарею смещения поступает на з-и Т3 и преобразуется в ток стока. Закон преобразования квадратичный.
__4. Токи Т1 и Т3 складываются в нагрузке, причём вторая гармоника в сумме взаимно компенсируется.


__О выборе тока покоя. Преобразование напряжения затвора в ток стока по квадратичному закону в каждом плече происходит в рабочем диапазоне токов но без захода в режим отсечки. Если ток приближается к отсечке - квадратичный закон нарушается, и кроме второй гармоники в плечах появляются высшие нечётные гармоники, которые уже не компенсируются. Режим отсечки наступает при токе нагрузки в 4 раза превышающем ток покоя. При превышении этого тока усилитель выходит из класса А, и переходит в режим АВ. Для работы в классе А во всём диапазоне выходных токов необходимо установить ток покоя равным 1/4 от ожидаемого пикового тока нагрузки.


__О подборе транзисторов. Для взаимной компенсации чётных гармоник необходима одинаковая крутизна Т2, и Т3. Крутизна Т1 не обязательно должна соответствовать крутизне Т1 и Т2. Например при меньшей крутизне Т2 и Т3 по отношению к Т1 -- за счёт большего сопротивления Т2, на нём выделится и большее напряжение сигнала для управления Т3 и усиление плеч выровняются. На частотные свойства схем влияют в основном свойства Т1.
_Для балансировки плеч удобно Т2 взять с большей крутизной, чем Т3 и подогнать (уменьшить) крутизну с помощью вспомогательного подгоночного резистора (1...3кОм ?). Концы резистора на сток и исток Т2, а ползунок - на затвор.

Рис1. Заимствовано из ветки "Привет от Семигора". https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=10880 и https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2334155

Рис2. За счёт применения Р канальных Т2 и Т3 заземлена АС. Немного повышается выходное сопротивление.

Рис3. УНЧ по схеме ОИ. Большое выходное сопротивление, практически ИТУН.
Если ИТУН не требуется, то УМ дополняется простым УН, и вводится ООС. Вспомнил свою ветку "усилитель на трёх транзисторах" и подумал о реинкарнации её в новом виде, с устранением большинства недостатков.

На схемах цепи смещения показаны условно. Установка тока покоя - регулировкой напряжения на Б2. В качестве Б2 применяется стандартная цепочка термостабилизации из транзистора с построечным сопротивлением, зашунтированная конденсатором. Так как токи смещения ПТ составляют доли микроампер - цепи смещения Б2 можно выполнить упрощённо, с питанием от гальванических элементов. На схемах не показаны цепи защиты от перенапряжения затвора Т1.
_________

В целях упрощения читаемости приведены наиболее простые схемы. В практике исходные схемы несложно преобразовать в другую конфигурацию. Например в схемы с плавающим источником питания, или в схемы с переносом точки подключения земли.

[Hennady]

Рис3. УНЧ по схеме ОИ. Большое выходное сопротивление, практически ИТУН.

вы делали по данным схемам усилители?

вот такой вариант похожий собирал:https://forum.vegalab.ru/attachment....1&d=1521879691

Если ИТУН не требуется, то УМ дополняется простым УН, и вводится ООС.

осталось объявить условия когда Итун не требуется....

[теоретизирующий практик]

вы делали по данным схемам усилители?

Геннадий, чистая симуляция в голове.

осталось объявить условия когда Итун не требуется....

Это не ко мне. По мне всегда. Но есть люди, которые объяснят когда требуется.

[теоретизирующий практик]

Если в расчёте на прогаммном симуляторе затруднения с параметрами ВЧ транзистора RD100HHF1, можно параметры просчитать на T1 типа IRF540N. Но в этом случае сопротивление источника сигнала надо уменьшить ом до 100...200.

[variator]

Токи Т1 и Т3 складываются в нагрузке, причём вторая гармоника в сумме взаимно компенсируется.

Схема 1, Т2 и Т3 разные - ирф, ирфп ирфз, ирфл, ирл. Компенсации второй не получил ни разу, но спектр падает сильно круче, более 10 дБ между соседними гармониками. Мультисим.

Режим отсечки наступает при токе нагрузки в 4 раза превышающем ток покоя.

Так же нет. 2 раза и чуть более, да.

[теоретизирующий практик]

Схема 1, Т2 и Т3 разные

Т2 и Т3 как указывалось выше или одинаковые, или Т2 - круче чем Т3 с подгоночным резистором 1кОм. Возможно, что резистор по большому счёту и предпочтителен даже при одинаковых транзисторах.

---------- Сообщение добавлено 15:23 ---------- Предыдущее сообщение было 15:15 ----------

Режим отсечки наступает при токе нагрузки в 4 раза превышающем ток покоя.



Так же нет. 2 раза и чуть более, да.

Мы же понимаем, что теория отличается от практики. И моя теория, и теория мультисима. Впрочем нам важнее выбрать такой начальный ток, чтобы при верхнем пределе выходного напряжения (верхнем без фанатизма ) получить достаточно малый Кг 3, Кг5...(тоже без фанатизма). А спор что принять за отсечку - дело неблагодарное.

[variator]

Т2 и Т3 как указывалось выше или одинаковые

Я, как всегда, коряво выразился , В ГСТ Т2 и Т3 одинаковые, только так заметное снижение искажений, разные пары. Интереснее всех IRL540 хотя всех не перепробуешь.

что принять за отсечку

Не заморачиваюсь. Датчики тока транзисторов - осциллограф - наблюдение за кривыми с увеличением амплитуды + параллельно "Фурье - анализ".

[теоретизирующий практик]

В ГСТ Т2 и Т3 одинаковые, только так заметное снижение искажений, разные пары. Интереснее всех IRL540 хотя всех не перепробуешь.

Здесь такое дело. Датчик тока Т2 работает при существенно меньшем напряжении и-с, чем у Т3. Снижение напряжения сказывается на снижении крутизны Т2. Отсюда транзистор Т3 оказывается "перемодулированным" по сравнению с Т1. В следствии этого 2я гармоника в спектре повышенная.

Так как в симуляторе нет возможности подбирать пары из одной серии, можно в качестве Т2 поставить заведомо круче ПТ, со снижением его крутизны подгоночным резистором. С ходу приходит такая пара Т2 - IRF540N с подгоночным резистором, а Т3 - IRF540. Правда 540 - устарел, возможно его модели уже и нет.
---Как вариант - ставим в качестве T2 - 2 параллельно включенных ПТ такой же марки, как и Т3, и понижаем повысившуюся крутизну до нормы с помощью подстроечного резистора. Но это только в симуляторе. Для практики такой способ - не очень...

Сообщение от теоретизирующий практик


Режим отсечки наступает при токе нагрузки в 4 раза превышающем ток покоя.



Так же нет. 2 раза и чуть более, да.

Такое возможно только при линейной проходной характеристике ПТ. Я бы поверил в "существенно больше, чем 2"

[variator]

Так как в симуляторе нет возможности подбирать пары из одной серии

Эт-точно, они же все одинаковые!!!

[IDDQD]

Я тут покрутил в симуляторе схему на рис. № 1 - да, она даёт симметрию токов сигнального транзистора и источника тока, но форма токов не сильно отличается от синусоидального, поэтому экономичность весьма ограниченна (пиковый ток чуть более 2-х токов покоя). При напряжении на выходе 30 vpp (на нагрузке 4 Ом - 27.5 Вт) нужен ток покоя 1.5 А, а это для транзисторов в корпусах ТО-220 вряд ли возможно. Можно, конечно применить не ирлы, но использование напряжения питания ухудшится. Немаловажно и то, что ток через БП весьма значителен, поскольку нагрузка подключена параллельно лишь одному активному элементу.

[variator]

Я бы поверил в "существенно больше, чем 2"

А попробуем это обсудить?! Здесь могут быть разногласия по поводу "как считать". Тем более, что это все же связано с:

что принять за отсечку

Вот скрин симулятора... Без входного сигнала (вход от генератора отключается) ток покоя настроен 1.04 А (на датчике в стоке).
Повышаю входное напряжение - ток стока увеличивается (где, с какого уровня и как плавно - не смотрел, не важно), вот на снимке нижняя полуволна ограничена, курсоры показывают 14.9 и 14.8, то есть уже жесткое ограничение. Это же видно по прибору XSC2, осцилл сидит на датчиках тока 0.01 Ом, каналы "раздвинуты" вверх и вниз, видно, что токи симметричны, но есть кроме ограничения (на зеленом, острой части) еще и резкий излом на "сшивке" - плоские широкие части полуволн.
14.8/4=3.7 ампера. Если от тока покоя, то коэффициент 3.7, а если от потребляемого, то 3.7/1.44=2.57. Как правильно считать?

[IDDQD]

Есть схемы, где амплитуда и форма токов не зависят от типа используемых транзисторов (сигнальные и ИТ) - можно поставить биполяры, мосфеты, латералы - при одинаковом токе покоя форма токов транзисторов будет одинакова, причём форма тока в значительной мере несинусоидальная - и вот здесь действительно пиковый ток в 4 и более раз может превышать ток покоя, при этом как сигнальные транзисторы, так и транзистор ИТ не выходят из класса А. Если из датчиков тока выкинуть диоды Шотки (номинал резисторов уменьшить до 0.22 - 0.33 Ом), то форма токов станет синусоидальной, а потребление тока от БП будет постоянным (ток бп не модулируется), но никакого экономичного А уже не будет.

[теоретизирующий практик]

Как правильно считать?

Дословно. Ток покоя и есть ток плеча в покое, без сигнала. Не надо путать ток покоя от потребляемого среднего/эффективного/источника... тока. Здесь ещё заковыка - как принимать ток отсечки. Реально ПТ имеют начальную пятку с малой (но заметной без микроскопа) крутизной при малых токах и не так то просто запираются... Поэтому для усилителя реальнее понятие: отношение пикового максимального тока нагрузки к току покоя.
P.S. Наконец, хоть один скан экрана, а то препираемся как глухой со слепым.

[variator]

Дословно. Ток покоя и есть ток плеча в покое, без сигнала.

Принято!

Здесь ещё заковыка - как принимать ток отсечки.

Ставлю на 3.63*Io. Подпрыгивают высшие гармоники. На 3.68 совсем горизонтальным лесом, и очень, как видно, резко. Вот, значит 3.6-3.63 некий предел. 25 Вт/4 Ом. Потребление 50В*1.42А. кпд считать не надо, питание для опытов завышено.

[теоретизирующий практик]

Я тут покрутил в симуляторе схему на рис. № 1

В схеме на Рис1 в отличии от вашей источник питания не плавающий. Посмотрите - потенциал ИП и всех элементов УНа плавает относительно земли синхронно с напряжением на затворе U5. Оно Вам надо? Здесь лучше применить отдельный ИП для УН.

форма токов не сильно отличается от синусоидального

Отличие от синусоиды не является целью предлагаемых схем. Целью является простыми средствами добиться уменьшения искажений в однотактной схеме.

экономичность весьма ограниченна (пиковый ток чуть более 2-х токов покоя)

Но она таки есть .

1.5 А, а это для транзисторов в корпусах ТО-220 вряд ли возможно

Сколько там, 27Вт на корпус? Много? Значит применяем корпус большего размера.

ток через БП весьма значителен, поскольку нагрузка подключена параллельно лишь одному активному элементу.

Вообще то нагрузка подключена по крайней мере к двум элементам. Верхнее плечо одновременно с передачей тока в нагрузку заряжает конденсатор, а нижнее плечо в противоположную фазу разряжает этот конденсатор. Ну а ток БП должен соответствовать аппетитам усилителя, естественно.

Есть схемы, где амплитуда и форма токов не зависят от типа используемых транзисторов

Ну эта ветка не о том, так что это уже чистый оффтоп.

---------- Сообщение добавлено 16:31 ---------- Предыдущее сообщение было 15:27 ----------

Ставлю на 3.63*Io. Подпрыгивают высшие гармоники. На 3.68 совсем горизонтальным лесом, и очень, как видно, резко. Вот, значит 3.6-3.63 некий предел. 25 Вт/4 Ом. Потребление 50В*1.42А. кпд считать не надо, питание для опытов завышено.

Для начала нормальная прикидка. Основные "тезисы" по существу находят подтверждение. Конечно питание 50В при амплитуде сигнала пик-пик 29В слишком завышено. А потребление здесь удобно оценивать в режиме покоя. Кому важно потребление при громкости 100дБ? Разве что конструктору БП.

Есть правда в симуляции одна закавыка. Почему-то транзисторы при фактической отсечке по току пропускают довольно заметный ток. Если для ведомого плеча можно предположить неучтённую бяку, то ведущий должен надёжно и плавно запираться сигналом до нуля, (без резкого излома на стабильный ненулевой ток). (Посмотрите на симуляцию IDDQD) Тем более, что при фактической отсечке ведущего плеча, на ведомом плече в пике выдаваемого тока отчётливо видна верхушка синусоиды, которая должна бы быть тоже ограничена. Вообще, в реальности, начальный участок ВАХ ПТ сильно вытянут в область запирающих напряжений, и переход в отсечку по напряжению на затворе обязан быть очень плавным.

Ну и наверное, общий Кг при желании можно существенно снизить балансировкой плеч. Впрочем на счёт корректности Кг в симуляторе сильно сомневаюсь. По факту на практике могут быть заметные отклонения в обе стороны.

---------- Сообщение добавлено 19:48 ---------- Предыдущее сообщение было 16:31 ----------

Сообразил о очевидном способе балансировки половин. Канал транзистора-датчика тока Т2 шунтируем подгоночным резистором 1кОм. Если нужно увеличить крутизну Т3 относительно крутизны Т2, то движок резистора подключаем к затвору Т2. Если нужно уменьшить крутизну Т3 - движок резистора через Б2 к затвору Т3. Такая подгонка желательна как для ценителей точного характера устройства, так и для их оппонентов.

---------- Сообщение добавлено 21.08.2018 в 17:05 ---------- Предыдущее сообщение было 20.08.2018 в 19:48 ----------

Почему-то транзисторы при фактической отсечке по току пропускают довольно заметный ток.

Дошло наконец. Видимо на высоких частотах нормальную работу нарушают внутренние ёмкости транзисторов. Об этом мне намекали уже но как-то неуверенно. https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2521598 В схеме по этой ссылке транзистор-датчик тока зашунтирован резистором 100 Ом.
Для проверки - в симуляторе достаточно снизить частоту генератора сигнала хотя бы до 1 кГц.
Ну а если уж резистор действительно необходим, так его и использовать в качестве подгоночного, для балансировки плеч.

[IDDQD]

Целью является простыми средствами добиться уменьшения искажений в однотактной схеме.

Если убрать причину искажений - изменение тока и напряжения сигнальных транзисторов, то можно добиться очень малых искажений. Чистый класс А, Кг = 0.0003% при вых. мощности ~ 9W.

[теоретизирующий практик]

Если убрать причину искажений - изменение тока и напряжения сигнальных транзисторов, то можно добиться очень малых искажений.

Спасибо за наводку. Да я в курсе. Но... Нормальные джедаи всегда идут в обход.

__И потом, если исходная схема без ООС имеет малые искажения, то при дальнейшем снижении искажений с помощью ООС - меньше плодятся высшие гармоники. А здесь простыми средствами достигается двойной эффект - 1: линеаризация не через ООС, а компенсацией с использованием природных свойств ПТ и 2: некоторое снижение энергопотребления без выхода из класса А.

Вот если бы Вы показали симуляцию схемы кроме 30кГц входного сигнала ещё и при 1кГц, это было бы интересно.

[variator]

кроме 30кГц входного сигнала ещё и при 1кГц, это было бы интересно.

Текстом.То, что в гифке, 15 входное (50В--1А)
1кгц...................10кгц ........30кгц
Кг...0.19%............0.2...........0.26
К2...0.18...............0.19.........0.23
К3...0.029.............0.047........0.016
К4...0.00345..........0.0084......0.0022------К5(для 30-ти)...0.0023 и далее высшие приподняты как для 10 кГц при входном 15.6 В.
По небольшому опыту, в железе на 1 кГц будет спектр такой же как на 30 и уровень выше ( при использовании УН с заведомо более низкими искажениями, нулевого выходного сопротивления УН в наличии не имел).
А интермоды мультисимом... ну его в пень там хрен настроишь.

[теоретизирующий практик]

Текстом.

Нет, не это. Я же писал, что с моделированием какая-то бяка. Транзисторы по вашим предыдущим сканам уходили не в отсечку тока, а в "отсечку сигнала при ненулевом токе". И из за этого вся раскладка токов покоя/пиковых а также возможный динамический диапазон при меньших токах покоя - коту под хвост. Предполагаю, что причина - большие ёмкости транзисторов. Возможно надо включить резистор около 100 Ом параллельно Т2. Конечно проверить это проще всего настройкой токовых режимов на частоте до 1 кГц на макете с проверкой железным осциллографом, но никак не соберусь...

P.S. Посмотрел внимательнее анимацию с увеличением амплитуды сигнала. Да там ещё до ограничения сигнала - прибавлять и прибавлять. А лес высших гармоник - скорее всего неточность модели транзистора. Похоже переход ВАХ ПТ от параболы к экспоненте упрощён. Для импульсных схем это уже неинтересная область. Может ошибаюсь.