Усилитель Орион-Д

[Димитрий К]

Основная идея подсмотрена у Sansui, они использовали различные варианты в разных усилителях.
Мной идея была переосмыслена. На авторство естественно не претендую, но полностью такой схемы не встречал.

Название "Орион-Д" - не просто красивое слово и буква, оно в полной мере отражает основную "изюминку" схемы.

Почти всё, на что хватило фантазии, я уже испробовал. Результаты моделирования обнадеживают.
Однако перед тем, как заниматься трассировкой и реализовывать в железе, хочется услышать вагон критики.
Конструктивная критика и дельные предложения приветствуются. По возможности отвечу на все вопросы и проверю предложенные варианты.

Так как я моделирую в Мультисиме, основной можно считать схему в нем.
Для использующих Микрокап сделал модель, немножечко её покрутил, чтобы убедиться в соответствии моделей Мультисима и Микрокапа.
К сожалению в своем Микрокапе не нашел моделей IRF520/9520, поэтому заменил на IRF530/9530. Принципиальных отличий нет, но лучше всё-таки использовать пару IRF520/9520.

Модели Multisim 14 и Micro-Cap 12: Орион-Д.zip



На выход можно добавить индуктивность 2 мкГн || резистор 1-2 Ом, если есть опасения емкостной нагрузки.

[variator]

чему соответствует на ФЧХ -83,6 град.

Но смысл в том, что ФЧХ не уходит на -180 град. Её можно туда "увести"

...запас по фазе 180-83=97 ?

Такой вид ФЧХ, как получилась у вас, будет

Уже есть, так программа нарисовала. Там даже моя ошибка. В таком "измерении" С10 нужно на выход УМ перекинуть, а так он фильтром из коррекции исключен.

[Hennady]

Модели Multisim 14 и Micro-Cap 12:

на прямоугольниках "звон" идет , неужели не видно? ага, одно и тоже ))))

---------- Сообщение добавлено 17:10 ---------- Предыдущее сообщение было 17:09 ----------

...запас по фазе 180-83=97 ?

)))), нет конечно....

[Димитрий К]

какой отличительный принцип управления JFET и MOSFET?

В мосфете канал и затвор разделены оксидом (диэлектриком). Напряжение на затворе тянет в канал заряды, необходимые для проводимости.
В джифете напряжение на затворе увеличивает запирающую область с низкой проводимостью (уменьшает зону проводимости).
Верно?

она не постоянна и зависит от режима работы...

Не томите
Что нужно сделать с мосфетом, чтобы все его недостатки испарились, а достоинства остались?

---------- Сообщение добавлено 18:35 ---------- Предыдущее сообщение было 18:27 ----------

...запас по фазе 180-83=97 ?

Вопрос конечно интересный.
Наверное проще довериться МикроКапу.

на прямоугольниках "звон" идет , неужели не видно? ага, одно и тоже

Вот то, что вижу я:

[variator]

Вот то, что вижу я:

"Моделирование"-"Переходные процессы"- выход УМ и время анализа.

[Hennady]

Вот то, что вижу я:

снова нагрузка на резистор, даже смотреть нет смысла ...

Что нужно сделать с мосфетом, чтобы все его недостатки испарились, а достоинства остались?

у мосфета есть достоинства даже без установки ))), вам сверху в теме уже все написали, добавить нечего....

Верно?

это одно и тоже?

Смотрю по графе "типичное"
IRF530/IRF9530 - 670/860 пФ (Вишай); 790/500 (Фаирчилд)
IRFP240/IRFP9240 - 1300/1200 пФ (Вишай)
IRF630/IRF9630 - 800/700 пФ (Вишай); 500/550 (Фаирчилд)
530/9530 и 630/9630 хоть и неоднозначно, но в среднем меньше у 630/9630.

не верно, фактическая емкость обратнопропорциональна крутизне транзистора, у 630/9630 самая меньшая из представленных...

[Димитрий К]

снова нагрузка на резистор, даже смотреть нет смысла

Вы ведь не говорите, на что нужно грузить.

это одно и тоже?

Нет конечно. Всё с поправкой на физику. Тем не менее поле создается и меняется напряжением, а проводимость регулируется полем.

фактическая емкость обратнопропорциональна крутизне транзистора, у 630/9630 самая меньшая из представленных

Пусть будет крутизна. В любом случае показатели 630/9630 вполне хорошие.

---------- Сообщение добавлено 22:52 ---------- Предыдущее сообщение было 22:38 ----------

"Моделирование"-"Переходные процессы"- выход УМ и время анализа.

Дайте угадаю: должна быть ровная линия, а не колебательный процесс.
Увы, у меня синусоида.
Буду думать.

[variator]

Дайте угадаю: должна быть ровная линия, а не колебательный процесс.
Увы, у меня синусоида.

К чему это? На генераторе должен быть включен меандр. Мультисим может три разных меандра показать. Включили моделирование на синусе, переключили генератор на меандр - один вид импульсов (на виртуальном осциллографе). Включили моделирование сразу с генератором на меандре - на осцилле почти всегда (в смысле я наблюдал, с разными схемами) идеальный без выбросов, но может "уехать" средняя точка на несколько вольт. Через "моделирование" третий вариант меандра, надо полагать правильный. Зависит от амплитуды. Редкая схема дает одинаковый результат.

---------- Сообщение добавлено 06:56 ---------- Предыдущее сообщение было 06:55 ----------

Сообщение от variator
...запас по фазе 180-83=97 ?
Вопрос конечно интересный.
Наверное проще довериться МикроКапу.

Смысл тогда тех графиков?

[Димитрий К]

К чему это?

Как часто бывает - не разобрался с ходу

Вот что получается на 20КГц:



1) Исходная (почти) схема с С3 = 20 nF. Прямоугольники кмк хорошие, но первые 4 периода "устанавливается режим".
Не знаю, насколько критичны эти 4 периода. Если я не ошибаюсь - это включение, зарядка конденсаторов, хорошо виден процесс заряда С3.
Поэтому на "виртуальном осциллографе" и получались ровные прямоугольники: я смотрел THD на синусе, потом переключал на прямоугольники, а там всё уже заканчивалось.

2) Уменьшил С3 до 300 pF. Это однозначно не годится.

3) Другой вариант схемы. Первые 3 периода видно скругление при переходе в полку - зарядка конденсаторов (?) На 4-м периоде что-то немного "дзынкнуло", и дальше всё ровно. На мой взгляд очень хороший результат. Или нет?

Смысл тогда тех графиков?

Это вопрос не графиков, а интерпретации
Я как минимум дважды был свидетелем спора о том, как снимать, в каком месте, и как интерпретировать. Причем спорили весьма авторитетные и активные форумчане. Но никто не возражал против инструмента LoopGain из любимого большинством МикроКапа. Соответственно, чтобы не "нарваться" на возражение, я киваю именно на этот инструмент. (Однако уже и LoopGain показывает не запасы устойчивости - как мне сказал Hennady)

Хотя по смыслу всё должно быть именно так: сколько график не доходит до -180 в точке 0 дБ, столько и будет составлять запас по фазе.

[Hennady]

уже и LoopGain показывает не запасы устойчивости - как мне сказал Hennady

я не это говорил - а то, что смотришь не туда...

Вот что получается на 20КГц:

жесть...

[Димитрий К]

я не это говорил - а то, что смотришь не туда

Было сказано:

Gain Margin = 20.12 (26.87)
Phase Margin = 70.26 (61.85)
Разве это не запасы по амплитуде в дБ и по фазе в градусах?

Так это запасы по амплитуде и фазе, или нет?
Если "нет", то куда "туда" мне нужно смотреть?

[audiomun]

Вот что получается на 20КГц:

1) Исходная (почти) схема с С3 = 20 nF. Прямоугольники кмк хорошие

2) Уменьшил С3 до 300 pF. Это однозначно не годится.

Вытягивать меандр, как и устойчивость схемы, при помощи только одного C3 это наивное дилетантство, задача правильно решается только с помощью всех коррекций в комплексе. Смотри цепи - C3,R18 - C4,R19 а также конденсаторы C5,C6,C10. Подбирать номиналы резисторов в цепях коррекции важно не меньше, чем конденсаторов.

[Hennady]

Вытягивать меандр, как и устойчивость схемы, при помощи только одного C3 это наивное дилетантство

а совсем недавно он утверждал, что у него запас устойчивости в 60градусов.... эх...

[Димитрий К]

Вытягивать меандр, как и устойчивость схемы, при помощи только одного C3 это наивное дилетантство, задача правильно решается только с помощью всех коррекций в комплексе. Смотри цепи - C3,R18 - C4,R19 а также конденсаторы C5,C6,C10. Подбирать номиналы резисторов в цепях коррекции важно не меньше, чем конденсаторов.

Не только С3. Но если указывать все изменения и на каждое выкладывать картинку, будет явный перебор.

Да, наивное дилетантство, т.к. я и есть наивный дилетант, который для разминки мозгов и удовольствия занимается в свободное время совсем не тем, чему учился.

[Hennady]

... если указывать все изменения и на каждое выкладывать картинку, будет явный перебор.

если не рассказывать кто чем занимается в свободное время, можно просто взять и построить годограф, там все будет видно, раз в линейных координатах такие проблемы с арифметикой...

[оператор]

Оператор, поменьше общих слов, это не возбуд , а паразитная фазовая модуляция. Убрать эту емкость можно только если использовать следящее питание. Вопрос- а нафига, 2ка или 3 ка ЭП во всех смыслах лучше.

Есть, капитан! Разрешите выполнять? Как говорила Масяня: ты кто - директор? и далее по тексту.

Итак. Терминология.

Возбуд для УНЧ - переход в режим автогенерации. Обычно это от сотен КГц и выше.
Определяется по наличию на выходе полного размаха импульсов, что как правило - выгорание ВК. Но бывает и нет фатально.
Возникает от криворукого монтажа - когда в модели, все отлично, а при сборке - паразитные емкости, индуктивности и межэлементные связи - превращает рассчитанную модель в барахло. Неправильные модели не рассматриваю по определению.

АМ или ФМ выходного сигнала возникает по множеству причин.
ФМ в обычных усилителях - от разрыва ОС в точке переключения и как следствие работы этой самой ОС.
Как следствие возникновения динамических искажений - неверного расчета устойчивости и согласования каскадов. Например - УН-МОСфет, вместо УН-повторитель-МОСфет. Если понятно о чем речь.
АМ - вследствие несимметричной схемотехники, воздействия синфазной составляющей, пульсаций БП. Разрыва питания и пр.

Примечание.
Мощный мосфет это не полевой транзистор ни в каком виде и не биполяр.
Это отдельный вид.
Закон природы на сегодня такой - один мосфет-один драйвер.
Кто не понял - два мосфета-два драйвера.
Иначе эта входная емкость никаким образом не компенсируется.
Удачных моделей.

Да - моделирование меандров в симуляторах - пустая трата времени. Лучше мультики посмотреть.

[Димитрий К]

Спасибо оппонентам за критику и предложения, по возможности учел всё в новой версии.

1. Убрал все токовые зеркала. Опасения, что появится дисбаланс ТП в ДК и проблемы с постоянкой на выходе, не оправдались. ТП в ДК симметричны с точностью до единицы последнего разряда мультиметра - падает по 320 мВ на 100 Ом. Постоянка 2 мВ.

2. Убрал спорную RC-цепь между входами ДК. Как оказалось, она вызывала тихое шипение, слышимое в 20-30 см напротив динамика. В УМ по классической схеме Селфа никакого шипения нет. Видимо такая цепь "приживается" не во всех схемах.

3. MOSFETы в драйверах ВК пока остаются - до возможности сравнить звучание "в лоб" с вариантом на биполярах. Версия с биполярными драйверами ВК будет второй рабочей.

4. Вернул в УН двухполюсную коррекцию. Она немного добавляет усиление в звуковом диапазоне и положительно сказывается на переходных процессах.

Прилагаю схемы, графики и архив с моделями.

Версия с биполярными драйверами выходного каскада. | Версия с MOSFET драйверами выходного каскада.

, | ,

Архив с моделями для Micro-Cap 12:

[audiomun]

Если полностью биполярный выхлоп, то самое оптимальное будет тройка ЭП. Суммарная ёмкость конденсаторов коррекции на выходе УН чрезмерна.....

[Димитрий К]

С тройкой ЭП у меня пока не складывается. А почитав тему https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=80186 пришел к выводу, что это не такая простая конструкция, которая может легко стать источником проблем.

С конденсаторами коррекции, да и с некоторыми резисторами, еще предстоит работа. Может и не оптимизация, но какой-то разумный компромисс между устойчивостью, усилением, THD и переходными процессами.

В связи с этим у меня ко всем неравнодушным пара вопросов по запасам устойчивости.

1) Понятно, что запасы устойчивости чем больше - тем лучше. Но возникает ситуация, когда запасы по амплитуде и фазе двигаются разнонаправленно. Чем и в каком соотношении лучше пожертвовать?
Допустим запас по амплитуде снижается на 1дБ, но по фазе повышается на несколько градусов... Сколько градусов запаса по фазе разумно "купить" за -1дБ запаса по амплитуде?.. Или наоборот - потратить запас по фазе на увеличение запаса по амплитуде.

2) Имеет ли смысл "потратить" часть запаса по амплитуде ради увеличения глубины ООС и снижения THD?
Допустим, в базовом варианте THD = 0,01% на 20 КГц с запасом по амплитуде 15дБ. Какое уменьшение THD разумно "купить" за -1дБ запаса по амплитуде?

Заранее благодарю за ответы.

[Димитрий К]

... Сам спросил, сам отчасти отвечу

Для уменьшения устойчивости в нагрузку добавил емкость CN || RN.
"Конвертация" запасов амплитуда -> фаза осуществляется резистором R9, остальные элементы не меняются.
CN max - значение, при котором сохраняется минимальная устойчивость.
Моделирование схемы с биполярными драйверами ВК дает такие результаты:

R9 (Ом)........|200|150|100| 50
ЗУ Ампл (дБ)| 11 | 13 | 16 | 18
ЗУ Фаза (гр) | 75 | 70 | 60 | 48
CN max (nF) |750|520|360|240

Видно, что емкостная нагрузка увеличивается при увеличении запаса по фазе. Полагаю, это означает, что для повышения устойчивости лучше увеличивать запас по фазе. При этом запас по амплитуде частично "конвертируется" в увеличение усиления, т.е. в снижение THD.

[Димитрий К]

Можно сказать, что закончил.
Сделал два канала, поставил в корпус.
К звучанию претензий нет.

Выкладываю финальную схему, графики моделирования (входные фильтры отключены), фото в железе, трассировку платы (вид со стороны деталей).

, , ,


Орион финал Плата - lay6.zip


Некоторые пояснения, если кто-то захочет сделать.
На схеме указаны реальные номиналы и токи - как работает у меня в железе. Постоянка на выходе 2-3мВ.
Питание +-30В или около того - использую трансформаторы от ломаных музцентров, у них обычно до 35В.
Монструозный пленочный С1 можно заменить неполярным электролитом - дырочки предусмотрены.
Светодиоды - красные или желтые, с падением напряжения 1,8 - 1,9 В. В железе падение напряжения на светодиодах от 1,81 до 1,85 В. От этой величины зависят ТП остальных каскадов.
Светодиоды Led3 и Led4 на плате зашунтированы пленкой 0,1uF, но это не обязательно, и на схеме не показано.
Слаботочные транзисторы можно заменить на пару 2n5551/5401 - проверялось, работает, режимы почти не изменяются.
ТП ВК регулируется подстроечником VR1 приблизительно до 200 мА. Если нужно больше - увеличить номинал VR1 и R24.
На плате предусмотрено место для конденсаторов Cf1...Cf4 - это для тех, кто любит навешивать гроздья конденсаторов непосредственно на плату усилителя, номиналы по желанию, что влезет по месту. Может помочь, если блок питания недостаточно "чистый". У меня Cf1...Cf4 не впаяны, никакого постороннего шума ухом в колонку не слышно.
Цепи диод-стабилитрон D1-Z1 и D2-Z2 - для защиты от КЗ на выходе, на схеме не показаны. D1, D2 - любой диод, у меня 1n4148. Z1, Z2 на 6,8 - 7,5 В.
Термотранзистор Т13 и выходники Т16 и Т17 на проводах - никаких проблем это не создает.
К плате подключаются два земляных провода - я так делаю для удобства, чтобы не тянуть Цобеля через всю плату.
Радиаторы на Т11 и Т12 можно не ставить.
Радиаторы на Т14 и Т15 лучше поставить.
На выходе можно поставить R39-L1 цепь, если будет использоваться АС с емкостной нагрузкой (например с ленточными твиттерами). При использовании обычных АС с конусами и куполами использовать R39-L1 не имеет смысла.