Усилитель напряжения с высокой линейностью

[теоретизирующий практик]

Всем привет!


Схема без особенностей. ИТУН нагружен на сопротивление нагрузки Rн.
Особенностью является выбор тока покоя транзисторов Т6/Т7 такой величины, при которой нелинейность ВАХ одного плеча (T6+R11) компенсируется нелинейностью ВАХ другого плеча (Т7+R12).

Параметры ИТУН с закороченным резистором Rоос:
__Крутизна передаточной характеристики S=Iвых/Uвх=0,2А/В.
__Максимальное выходное напряжение на нагрузке: Uвых=+/-24В.
__Максимальный ток нагрузки: +/-4мА.
__Входное сопротивление: Rвх > 1МОм
__Искажения. При нагрузке ИТУН сопротивлением Rн=6кОм, пиковом выходном токе 4мА и пиковом выходном напряжении 24В искажения УН существенно меньше 0,1%. Точно рассчитать КНИ не позволяет графоаналитический метод расчёта.Введение ООС способствует дополнительному снижению искажений.

Настройка

Настройка на полное подавление искажений (почти полное ) заключается в нахождении точного значения тока покоя транзисторов Т6/Т7 в пределах 3,5-4,5мА под контролем спектра выходного сигнала. Точно рассчитать оптимальное значение тока невозможно, ввиду отсутствия точных параметров транзисторов.
Целесообразность этой настройки зависит от общей конфигурации УНЧ. Вероятно, что при токах нагрузки до 1 мА (высокое сопротивление нагрузки) и/или при большой величине ООС - достаточно выставить токи покоя Т6/Т7 по 4мА, и отрегулировать нулевое напряжение смещения.
Установка тока покоя Т6/Т7 и установка нулевого напряжения смещения производится с помощью R3/R4.

Комплектующие
Все биполярные транзисторы из серии комплементарных транзисторов с большим коэффициентом усиления (желательно В > 500), например BC546/556.
Светодиоды D2,D3,D6,D9 - "синие", напряжение 2,7В при токе 0,2мА.
Диоды D5,D7,D8,D9 - импульсные, предотвращают пробОй эмиттерных переходов Т11...Т14 при перегрузке сигналом.

В варианте использования для усилителей без общей ООС можно принять, например, сопротивление нагрузки Rн=6кОм а сопротивление местной ООС Rоос=295_Ом. При этом коэффициент усиления составит Ку=-20.

При использования в усилителях с общей ООС, можно принять сопротивление нагрузки 1-2Мом или более, с параллельно включённой входной ёмкостью УМ. Сопротивление местной обратной связи Rоос либо закорочено, либо включает R/L/C цепи для коррекции АЧХ. При этом коэффициент усиления по напряжению Ку может достигать 100дБ и более.

Анатолий Шувалов.

[MAXIM_A]

А источники тока попроще нельзя сделать?

[теоретизирующий практик]

источники тока попроще

Можно.
1) R19+Т9 +R20+Т10 - выбрасываем. Базы Т12 и Т13 соединяем резистором на 270кОм.

2)Источники тока на Т11/Т12 кроме прямого назначения работают в цепи компенсации (нейтрализации) выходной проводимости транзисторов Т12/Т13. Это с одной стороны увеличивает коэффициент передачи по току каскада с ОБ вплотную к 0,9999 (точность увеличивается), и одновременно компенсирует нелинейную емкость коллекторных p-n переходов транзисторов Т12/Т13.

3) ИТ на Т1/Т4 являются термозависимыми. Термозависимость нормируемая, чтобы с изменением температуры корректировать ток покоя Т6/Т7 на максимальное подавление искажений. Возможно здесь перестраховка, если рассчитывать на комфортную комнатную температуру, то вполне можно заменить их (ИТ на Т1/Т4) на пару полевых транзисторов по типу BSP129.

4) Если применить упрощение по П.3), и одновременно удалить D1,D4,R9,R14), то батарейки на 2,7В в цепях баз T11/Т12 (R17,R18,R21,R22 удаляются тоже) можно заменить на пару светодиодов, и резистор 270кОм между базами Т11/Т14.

[теоретизирующий практик]

Судя по активности в обсуждении, можно допустить, что всё это всем давно известно. Так дали бы ссылку.

Более подробно о настройках.

Пусть в уравнении Эберса-Молла для транзисторов ядра схемы Т6/Т7 напряжение Ut=25mV

График крутизны S одного плеча, например Т6, с эмиттерным резистором R11 имеет вид кривой. Причём слева, в области минимальных токов, крутизна приближается к нулю, из за резкого снижения крутизны транзистора. Справа, в области очень больших токов крутизна транзистора приобретает высокие значения, но резистор R11 ограничивает предел увеличения крутизны величиной "крутизны" R11, обратной сопротивлению резистора. В точке перегиба крутизна имеет максимальную нелинейность, но это нелинейность исключительно второго порядка. Нелинейности высших порядков в точке перегиба отсутствуют.

Эта точка соответствует режиму, при котором динамическое сопротивление резистора R11 в два раза меньше динамического сопротивления эмиттера rэ.

R11=1/2rэ

Можно описать этот режим и по другому: эта точка соответствует режиму, когда падение напряжения на R11 в ва раза меньше Ut.

U(R11)=1/2Ut ----> U(R11)=12,5mV

При параметрах сшивки с меньшим падением напряжения на R11/R12 график зависимости крутизны имеет одну точку экстремума с наименьшей крутизной при токе покоя.

При параметрах сшивки с большим (до определённого предела) падением напряжения на R11/R12 - на этом графике имеет место волнистость с тремя точками экстремума.

Например, при падении напряжения на R11/R12 U(R11/R12)=13,5mV - отклонение динамической крутизны вызывает НИ значительно меньше 0,1% во всём рабочем диапазоне токов с пиковом током нагрузки до двухкратного от токов покоя. Равноценно 100% раскачке в абсолютном классе А. Но здесь имеется возможность ещё больше расширить динамический диапазон за счёт небольшого увеличения НИ. И это, фактически, без ООС.

[Malinovsky D]

Более подробно о настройках.

Коллега, сейчас так никто не делает.
Схема рисуется в симуляторе. И все сразу ясно.
Если все слишком хорошо, проверяется адекватность моделей транзисторов, и ставится печать "На проверку к паялу".

[теоретизирующий практик]

Коллега, сейчас так никто не делает.
Схема рисуется в симуляторе. И все сразу ясно.
Если все слишком хорошо, проверяется адекватность моделей транзисторов, и ставится печать "На проверку к паялу".

Симулировать цепочку из двух транзисторов и двух резисторов? И как таким образом можно прийти к показанным результатам? Как вообще сообразить, что надо это симулировать?
Теперь, когда показаны результаты расчёта, интересующие темой могут симулировать. Буду премного благодарен.
А интересующиеся конструированием могут и спаять.

Кстати, метод линеаризации параллельного усилителя подходит не только к показанному применению.
__Часто требуется хороший буферный повторитель.
__Ядро схемы широко применяется в схемах с ТОС. Для системы с ТОС достаточно заменить выходные каскады с ОБ на токовые зеркала.

Нет, ну если к рассмотрению принимаются только симуляции, я пасс.

[sia_2]

Судя по активности в обсуждении, можно допустить, что всё это всем давно известно. Так дали бы ссылку.

Более подробно о настройках.

Пусть в уравнении Эберса-Молла для транзисторов ядра схемы Т6/Т7 напряжение Ut=25mV

График крутизны S одного плеча, например Т6, с эмиттерным резистором R11 имеет вид кривой. Причём слева, в области минимальных токов, крутизна приближается к нулю, из за резкого снижения крутизны транзистора. Справа, в области очень больших токов крутизна транзистора приобретает высокие значения, но резистор R11 ограничивает предел увеличения крутизны величиной "крутизны" R11, обратной сопротивлению резистора. В точке перегиба крутизна имеет максимальную нелинейность, но это нелинейность исключительно второго порядка. Нелинейности высших порядков в точке перегиба отсутствуют.

Эта точка соответствует режиму, при котором динамическое сопротивление резистора R11 в два раза меньше динамического сопротивления эмиттера rэ.

R11=1/2rэ

Можно описать этот режим и по другому: эта точка соответствует режиму, когда падение напряжения на R11 в ва раза меньше Ut.

U(R11)=1/2Ut ----> U(R11)=12,5mV

При параметрах сшивки с меньшим падением напряжения на R11/R12 график зависимости крутизны имеет одну точку экстремума с наименьшей крутизной при токе покоя.

При параметрах сшивки с большим (до определённого предела) падением напряжения на R11/R12 - на этом графике имеет место волнистость с тремя точками экстремума.

Например, при падении напряжения на R11/R12 U(R11/R12)=13,5mV - отклонение динамической крутизны вызывает НИ значительно меньше 0,1% во всём рабочем диапазоне токов с пиковом током нагрузки до двухкратного от токов покоя. Равноценно 100% раскачке в абсолютном классе А. Но здесь имеется возможность ещё больше расширить динамический диапазон за счёт небольшого увеличения НИ. И это, фактически, без ООС.

Вообще-то это хрестоматийное свойство двухтактников в низкочастотном приближении. Но Ваше *обьяснение на пальцах* очень полезно для понимания физики явлений большинством читателей (что касается *загнать в симулятор* - то это уже второй вопрос, не принципиальный)

[antonluba]

А не лучше ли (и проще) применить широко известную здесь микросхему токового конвейера, в которой уже заложены все источники тока, термосвязи за счет общего кристалла, отсутствие необходимости настройки?
Отсутствует только +-30В питания, но это же решаемо.

Или я не вижу каких-то скрытых преимуществ?

[теоретизирующий практик]

А не лучше ли (и проще) применить широко известную здесь микросхему токового конвейера

Так упомнал:

Кстати, метод линеаризации параллельного усилителя подходит не только к показанному применению.
.....
__Ядро схемы широко применяется в схемах с ТОС. Для системы с ТОС достаточно заменить выходные каскады с ОБ на токовые зеркала.

Микросхемы всегда проще.
Но мне неизвестно, чтобы в таких МС применяли какие либо методы, улучшающие линейность ядра схемы. Да в этом и нет необходимости, так как в этих МС коэффициент усиления настолько высок, что ядро схемы всегда работает с сигналом на уровне микроампер.

А показанный на "картинках" выходной каскад по схеме "компенсированного каскада" с ОБ позволяет использовать схему в инвертирующем усилителе, который мне больше нравится.

[fakel]

Настройка на полное подавление искажений (почти полное ) заключается в нахождении точного значения тока покоя транзисторов Т6/Т7 в пределах 3,5-4,5мА под контролем спектра выходного сигнала. Точно рассчитать оптимальное значение тока невозможно, ввиду отсутствия точных параметров транзисторов.

Д. Селф выводит эмпирическую формулу, напряжение на эмиттерных резиках R11 R12 = const (не помню сколько) как условие минимума искажений. Но
он для ВК приводит. А еще считается, что эмиттерные резики - зло, правда, опять же для ВК с отсечкой

[теоретизирующий практик]

Д. Селф выводит эмпирическую формулу, напряжение на эмиттерных резиках R11 R12 = const (не помню сколько) как условие минимума искажений. Но
он для ВК приводит.

В ВК токи большие, и транзисторы разные, модель с уравнением Эберса-Молла не годится. Впрочем что мешает использовать составной транзистор Шиклаи с аналогичной компенсацией? Снижение предельного напряжения выходного транзистора, работающего в режиме с разорванной связью базы и эмиттера? В общем всё усложняется.

А в маломощном каскаде в режиме большой раскачки получается что-то типа эконом-А класс. При пиковом токе нагрузки в 8 раз превышающем ток покоя надо установить смещение на эмиттерном резисторе 17mV. При этом КНИ без ООС составит около 1%. Амплитуда сигнала от входа до общей точки эмиттерных резисторов - около 170mV. Таким образом, например, в эмиттерном повторителе для сигнала 20V искажения снизятся примерно в

20V/0,17V = 100 раз,

достигнув значения 0,01%.