Тепловая модуляция транзисторов ВК (модель)

[_Сам_]

В качестве подопытных кроликов пара BD911/912.

Из даташита берём
Total Dissipation at Tc ≤ 25 ^oC: P_tot = 90 W
Max. Operating Junction Temperature: T_j= 150 ^oC
Thermal Resistance Junction-case Max: Rthj-case = 1.4 ^oC/W
C графика ОБР

DC 3 A * 30 В (как раз 90 Вт * 1.4 = 126 ^oC перегрева над средой 25^oC )
импульс 10 мс ток 4.5 А
В микрокапе делаем модель

H1 преобразует ток коллектора в напряжение, которое перемножается Х1 с напряжением КЭ от E1 на 1.4 ^oC/W. RC цепочка моделирует процесс передачи тепла кристалл-среда. Её номиналы делаем такими, чтобы при импульсе 4.5 А х 10 мс температура не вышла за 125 ^oC. Постоянная времени RC=9.1 мс

На конденсаторе получили мгновенную температуру перегрева кристалла в масштабе 1 В = 1 ^oC
Осталось это напряжение преобразовать в тепловое смещение p-n перехода с коэффициентом -2 мВ/^oC, что и делают Е2 и Е4 в схеме ниже.

Собираем двухтактный эмиттерный повторитель c током покоя 100 мА и подаём на вход меандр 10 В х 20 Гц.

Из-за падения на эмиттерных резисторах амплитуда меандра на выходе 6.7 В

Видны небольшие завалы на графике Vout после после фронтов.
Это от нагрева и остывания кристаллов каждого плеча на 40^oC.
Чтобы увидеть термическую ошибку смотрим на разницу после вычитателя delta=Vin-Vout*1.485.
Иголки на графике delta это коммутационные помехи от переключения ВК, а размах выделенной ошибки тепловой модуляции получается около 60 мВ.

Хотя конечно при измерении готовой схемы гармоники термомодуляции маскируется спектром основного сигнала и их непросто увидеть или измерить. Но порядок ошибки понятен.

Для пытливых модели в МС11

[wert]

для полноценного исследования нужен второй порядок ДУ

отношение d2U(t)/dt2 в реалии не будет равно нулю.
Так как разница тепловых искажений при минимальном и максимальном воздействии при нормировании по входному стимулу все же существует.
И каждый усилитель имеет свой результат.
Но мне кажется что само наличие таких искажений и их уровень ведет к фазовым и амплитудным искажениям в НЧ диапазоне.
Показывал примеры на холодном и разогретом ламповике,
на ВЧ динамике холодном и разогретом, последний просто ярчайший пример проявления эффекта амплитудно-фазовой конверсии и нелинейных искажений фазы в диапазоне мощности.
И все это связано с температурой динамика либо усилителя.

[FEDGEN]

И дальше,что?
Вы все эти искажения сможете победить?
Нет.

[buratino]

Теоретически - да. Т.е. "нет".
Практически - "да" - до неузнаваемости... до неизмеряемости... до величины второго порядка малости... короче: до аппаратного предела.

[wert]

И дальше,что?

Надеюсь _Сам_ сможет найти максимально реалистичные модели и способы оценки тепловых искажений в МС,
это даст инструмент проектирования усилителей с минимальными тепловыми искажениями.

Вы все эти искажения сможете победить?

Нет.
Но я измерил линейки своих домашних усилителей и ищу способы минимизации тепловых и прочих сопутствующих им искажений.

[buratino]

ищу способы минимизации тепловых и прочих сопутствующих им искажений.

Offтопик:
Иде-я: класс "Д", и в момент, когда транзистор закрыт, измерять температуру его ПП-перехода по косвенным признакам самого ПП-перехода, и вносить соответствующую коррективу в сигнал. Очевидно, что линейный режим ВК для этой "операции" непригоден.

[FEDGEN]

Другой вопрос- качество получаемого звука будет соответствовать материальным затратам?
Биампинг и многопоосное усиление, самое простое решение,высоколинейный НЧ динамик,конструкив самого ВК,отсутствие резисторов в эмиттерах выходных транзисторов.Схемотехника это последнее.

[_Сам_]

Скорее всего "нет", т.к. не учитывается d2T/dt2

В стандартном Уравнение теплопроводности для изотропного твёрдого тела есть только первая производная по времени и всем этого хватает

Справедливости ради отмечу, что бывают ситуации, когда может понадобиться вторая производная, но это точно не наш случай. Для описания передача тепла от кристалла к радиатору d²T/dt² точно нужна.

[теоретизирующий практик]

_Сам_, в приведённом варианте схемы, сопротивление эмиттерных резисторов равно половине сопротивления нагрузки. При этом:
1. Максимальная выходная мощность, таким образом, снижается более чем в два раза.
2. При нулевом сопротивлении источника сигнала "мгновенное" выходное сопротивление повторителя изменяется от ~1 ом (в покое) до ~ 2 ом (при отсечке тока одного плеча), соответственно появляются нелинейные искажения.
Не великоваты издержки в борьбе с ТИ в выходном каскаде? В том смысле, что может с ТИ важнее бороться во входных каскадах?

Offтопик:
P.S. Или модель более реальную применить?

[_Сам_]

Не великоваты издержки в борьбе с ТИ в выходном каскаде?

а я ни с чем не боролся. Это была лишь попытка для себя выяснить, что происходит в ВК и какая величина ошибки может возникнуть. Я просто из любопытства решил посмотреть. В модель запросто можно подставить номиналы реальных эмиттерных резисторов и посмотреть, что получится. В любом случае понятно, что процессы достаточно медленные и если ОС охватывает такой каскад, то она без труда справится со снижением искажений.

[Johny]

эффекта амплитудно-фазовой конверсии и нелинейных искажений фазы

Для тех, кто не в теме, можно пояснить про "эффект амплитудно-фазовой конверсии" в звуковых усилителях.
А про "нелинейные искажения фазы" отдельно пож-та.

[FEDGEN]

Из всех аудиофилов искажения увидел только осциллограф.
Взято отсюда
https://www.youtube.com/watch?v=DrCuxkZJK7g&t=895s

[wert]

Для тех, кто не в теме, можно пояснить

да, но не в этой теме,
в теме транзисторный ламповик много эмуляции и реальных измерений для усилителей, динамических головок и
комментарии к ним по эффекту амплитудно фазовой конверсии, о линейных и нелинейных искажениях фазы.
Есть ссылка на советский учебник по амплитудно-фазовой конверсии в том числе для усилителей и каскадов.

[теоретизирующий практик]

Offтопик:

В модель запросто можно подставить номиналы реальных эмиттерных резисторов и посмотреть, что получится.

Понятно. Это не для меня. Это для посвященных в искусство симуляции.

[_Сам_]

но у меня в железе получается достаточно высокий уровень тепловых искажений до 2%,
хотя при частотном разложении ошибки синус воздействия гармонические искажения совпадают со стандартным методом.
Возможно при разработке модели Вы сможете найти факторы обьясняющие различия модели и железа.

если переходить к конкретике, то нужны подробности. Уверен, вы сами прекрасно понимаете, что в ОС-ном усилителе термомилливольты ВК компенсируются ОС и врядли могут быть обнаружены инструментально. В то же самое время те же термомилливольты во входном дифкаскаде осью не только не подавляются, а наоборот умножаются на Ку усилителя. И вот тут вполне может идти речь о процентах.

[wert]

В то же самое время те же термомилливольты во входном дифкаскаде осью не только не подавляются, а наоборот умножаются на Ку усилителя. И вот тут вполне может идти речь о процентах.

Да, все это нужно тщательно исследовать покаскадно.
Так как скорее всего существует теплорезонанс или тепловой полюс и возможно не один (сколько источников тепловых искажений, столько и полюсов),
где на низких частотах или комбинации частот в НЧ диапазоне тепловые искажения проявляются максимально.
И второй вопрос как влияют такие искажения на звук и звуковые ощущения.

График тепловых искажений выше я специально привел для усилителя Vincent SP331, он имеет:
- массивные радиаторы,
- ток покоя под 200 мА на каждую из трех пару транзисторов ВК,
- входной дифкаскад на лампе в одном баллоне,
- отсутствуют конденсаторы в цепи сигнала,
- глубокоосник.
Оба канала усилителя имеют близкие по уровню тепловые искажения.
Схема усилителя на рисунке.
Где источник тепловых искажений в дифкаскаде или ВК, нужно рабираться,
но имея уровень тепловых искажений около 2% данный усилитель переигрывает многие
усилители с транзисторным дифкаскадом.

---------- Сообщение добавлено 12:22 ---------- Предыдущее сообщение было 11:25 ----------

И если следовать предложенной вами логике
тепловые искажения ВК должны компенсироваться общей ООС,
и уровень тепловых искажений усилителя скорее определяется дифкаскадом.
Дифкаскад на лампе дал тепловые искажения около 2%, абсолютный уровень искажений линейно изменяется с уровнем воздействия.
Приведу измерения усилителя Vincent SV-236,
дифкаскад собран на транзисторах, в цепи сигнала конденсатор.
Линейные искажения усилителя на частоте 100 Гц составили около 3%, в цепи сигнала конденсатор,
с увеличением амплитуды воздействия искажения увеличились до 4,5%.
Нормирование по входному стимулу при линейном изменении функции не дает изменения уровня искажений,
при нелинейном изменении функции уровень искажений изменяется.
Скорее всего транзисторный дифкаскад генерит тепловые искажения по нелинейному закону.

[shkal]

Модель неправильная. Кривая Ic(Ueb) зависит от температуры не так, как себе представляет ТС.

[_Сам_]

Скорее всего транзисторный дифкаскад генерит тепловые искажения по нелинейному закону.

ну да. Камни они такие, у них всё нелинейно. Тот же параметр 2 мВ/К вовсе не константа. Он уменьшается при увеличении тока и температуры. Плюс ко всему h_FE плывёт от температуры, что тоже по идее надо как-то учитывать.

но имея уровень тепловых искажений около 2% данный усилитель переигрывает многие
усилители с транзисторным дифкаскадом.

А как вы измеряли тепловые искажения? Можете кинуть ссылку на описание методики? А то в вашей теме про транзисторный ламповик слишком много страниц.

[4321]

Марк Левинсон решил эту проблему,применяя сборки транзисторов на одном кристале.
А нелинейность входной ёмкости,динамическим питанием.

[wert]

Плюс ко всему hFE плывёт от температуры,

При импульсном воздействии мгновенная выделяемая мощность на кристалле транзистора входного диф каскада в некоторых схемах
достигает десятки а то сотни мВт, соответственно температура кристалла, H_FE значительно изменяются, тепловые искажения неизбежны.

А как вы измеряли тепловые искажения? Можете кинуть ссылку на описание методики?

Метод оценки искажений старый - разностный, с 2014 года много раз описывал.
Приведенную ко входу ошибку выходного напряжения нормируем по среднеквадратичному значению входного напряжения,
Полученное относительное значение ошибки выражаем в процентах или дБ.
Метод дает возможность оценить искажения при любых формах воздействия.
Методика оценки тепловых искажений.
Исследуем УПТ, дабы емкости в цепи сигнала не маскировали тепловые искажения.
На вход усилителя подаем меандр частотой 100 Гц.
В случае отсутствия тепловых искажений полка искажений между фронтом/спадом импульса будет приближаться к нулю.
Наличие тепловых искажений даст искажение полки меандра вида треугольной формы с максимумами на фронте спаде импульса.
Наименьшие искажения такой формы дает ламповый диф каскад на входе и ВК с большими токами покоя и массивными радиаторами.
Проверяя УПТ на тепловые искажения необходимо убедиться в качестве источника питания,
так как блок питания также может вносить свою лепту в полученный результат.

[Johny]

мгновенная выделяемая мощность на кристалле транзистора входного диф каскада в некоторых схемах
достигает десятки а то сотни мВт

HFE значительно изменяются, тепловые искажения неизбежны.

Заклинание?

Наличие тепловых искажений даст искажение полки меандра вида треугольной формы с максимумами на фронте спаде импульса.

Картинку с реального усилителя покажете?

На вход усилителя подаем меандр частотой 100 Гц....Приведенную ко входу ошибку выходного напряжения нормируем по среднеквадратичному значению входного напряжения