Вариант идеального усилителя мощности для средних частот

[misha88]

Эта тема является продолжением моих двух предыдущих тем, но если те темы были общие, то эта тема связана с конкретной схемой, и эту тему и схему я посвящаю моему отцу, который умер месяц назад. Эта тема только для тех, кому важен звук, а не экономия транзисторов.

Целью схемы было получение пренебрежимо малых искажений без потерь в быстродействии и без кривой исходной ФЧХ. Если посмотреть на исходную ФЧХ усилителей с большой глубиной ООС в единственной или главной (при нескольких петлях) петле ООС, то видим её резкое изменение в самой важной части звукового диапазона с дальнейшим заходом за 180 градусов (особенно этим отличился Жуковский и его компания). Обойти это можно только применяя несколько петель ООС, но обычные методы (это видно по множеству схем за последние лет 50) не на много уменьшают искажения выше нескольких кГц и зачастую ухудшают быстродействие. Но есть метод (Nested Miller Compensation, патент US4243943, см. первый рисунок), который позволяет решить все проблемы. В предыдущих темах я приводил схему своего усилителя для твиттера по данному методу (преобразователь напряжение-ток, нагруженный на мощный интегратор) с постоянной 90 дБ глубиной ООС вплоть до 20 кГц и очень малой задержкой (70 нс) в петле ООС. Но данный метод, как видно из рисунка, позволяет наращивать количество преобразователей напряжение-ток и интеграторов, при этом, что интересно, устойчивость мало страдает, а значит и быстродействие падает не намного.

Итак, в схему от твиттера (на горизонтальных мосфетах) были введены ещё один каскад (см. второй рисунок, в середине полевик J8 и дальнейшие транзисторы) и ещё одна петля ООС (конденсатор С6), в итоге задержка в петле ООС увеличилась всего в 2 раза (до 130 нс) из-за увеличения коррекции, но глубина ООС с 90 дБ увеличилась до 130 дБ и постоянна до 10 кГц (см. третий рисунок), при этом исходная ФЧХ (см. 4-й рисунок) в главной петле ООС постоянна. Если сложить ФЧХ всех 3-х петель ООС, то суммарная ФЧХ будет с заходом за 180 градусов, ведь законы физики не обойти при такой глубине ООС, но фокус в том, что внутри каждой петли ФЧХ соответствует ФЧХ цепи со спадом -6 дБ/октава, в этом и достоинство деления одной глубокой петли на несколько меньших. На пятом рисунке показаны гармонические искажения.

[alexcp]

и меняет распределение токов, как если бы конденсатор был большей ёмкости.

вот-вот. поскольку распределение токов другое, а R=U/I, то и входной импеданс другой.

[misha88]

то и входной импеданс другой.

Жуковский писАл про уменьшение ёмкостного сопротивления конденсатора, на что я и отреагировал, а что касается входного импеданса, то он уменьшается при любой параллельной ООС, и если вместо конденсатора включить резистор, то будет такой же эффект. Но выше я уже отмечал, что изначальный входной импеданс усилителей определяет частоту полюсов, они мне нужны в пару десятков Гц, поэтому входной импеданс усилителей должен быть 100к и выше, биполяры здесь дадут отрицательный эффект.

[alexcp]

входной импеданс усилителей определяет частоту полюсов, они мне нужны в пару десятков Гц, поэтому входной импеданс усилителей должен быть 100к и выше

А как это считается?

[misha88]

Программа показывает пропорциональное влияние. Для простой схемы (с 2 каскадами) несложно вывести формулу, а вот для 3-х каскадов сложнее, да и зачем, если есть программа.

[alexcp]

да и зачем, если есть программа.

Программа не рассказывает, что к чему, в этом ее недостаток.
Про полюсы непонятно - то они должны быть выше 20кГц для большого запаса фазы, то нужны в пару десятков герц. Всё-таки где они, зачем именно там, и как реализованы?

[nemool]

Про полюсы непонятно - то они должны быть выше 20кГц для большого запаса фазы, то нужны в пару десятков герц. Всё-таки где они, зачем именно там, и как реализованы?

https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2662499

[alexcp]

Благодарю. Мне вот что непонятно:

для большого запаса фазы (не менее 70 градусов) нужен высокий полюс (выше 20 кГц)

определяет частоту полюсов, они мне нужны в пару десятков Гц

в итоге и определилась оптимальная частота полюса 100-200 Гц

(последняя цитата из темы про "идеальный" усилитель, что по ссылке).

Ну и остается вопрос, как именно эти полюса реализованы в схеме.

[misha88]

Программа не рассказывает, что к чему, в этом ее недостаток. Про полюсы непонятно - то они должны быть выше 20кГц для большого запаса фазы, то нужны в пару десятков герц. Всё-таки где они, зачем именно там, и как реализованы?

По Вашим вопросам я вижу, что Вы не достаточно в курсе об работе ООС и теории устойчивости, поэтому я не знаю, как ответить, хватает небольшого объяснения или придётся начинать с азов, а это слишком много и не для данной темы. А если Вы завсегдатай форума, где вещает Жуковский, то ещё придётся объяснять, почему одного критерия Найквиста недостаточно для создания качественного усилителя мощности (а Жуковский уверен, что хватает, откуда устойчивые, но ужасные по звуку усилители на том форуме с кривыми ФЧХ), поскольку для импульсных (и звуковых) систем требуется не только определённый (более ровный) вид ФЧХ в рабочей полосе без ООС, но и значительно больший запас фазы (лучше не менее 70 гр., а если меньше 60, то усилитель можно выбросить), чем просто по критерию Найквиста, в точке, где АЧХ равна 1 (только просьба в данной теме не разводить спор на эту тему, и кому звук не важен, могут оставаться при своём мнении и продолжать клепать поделки по Жуковскому).

А что касается самой коррекции, то это легко объяснить. Вот ниже картинка, где Х1 это каскад с большим выходным сопротивлением (преобразователь напряжение-ток, например, первый каскад схемы), а Х2 это второй каскад с инвертирующим усилением К, охваченный конденсатором коррекции С1. Такая схема коррекции эквивалентна обычной схеме коррекции (правый вариант на рисунке), где С2=С1*К, соответственно частота полюса равна 1/2пи*R1*С1*К, т.е. зависит как от R1 (а также выходного сопротивления Х1 и входного сопротивления Х2), так и от К (усиления каскада Х2). Если же Вам не понятен сам принцип данной коррекции (например, Жуковский до сих не понял), то его отличие от привычного применения эффекта Миллера в том, что он охватывает ВК, поэтому общие искажения усилителя резко уменьшаются при одинаковой глубине ООС, правда повышаются требования к устойчивости, что вынуждает ограничивать усиление каждого каскада, но принцип данной коррекции позволяет увеличивать их число.

Теперь насчёт 20кГц и пары десятков Герц. Вы путаете разные вещи, не разбираясь в прочитанном. Насчёт 20кГц я говорил про третий (последний) каскад. Его коррекция стандартная (резистор и конденсатор на землю), а сам каскад включает ВК и охвачен 100%-й ООС на ВЧ, т.е. с одной стороны требует большого запаса устойчивости (нет деления в цепи ООС), а с другой стороны требует большого быстродействия и запаса по фазе, т.к. третий каскад входит во все другие петли ООС, именно поэтому и выбор данного высокого полюса в третьем каскаде. А что касается полюсов в десятки Герц, то они касаются самих петлей ООС, а поскольку требуется малое изменение ФЧХ в петлях ООС в рабочей полосе (в данном случае 0.5-2.5 кГц плюс запас с обоих сторон), то полюса должны быть или ниже в 5-10 раз нижней рабочей частоты или выше в 5-10 раз верхней рабочей частоты, но второе приведёт в резкому уменьшению глубины ООС, так что выбор напрашивается в пару десятков Герц.

И наконец про мою рекомендацию в 100-200 Гц из другой темы. И тут Вы не разобрались в прочитанном (или не читали далее). Эта моя рекомендация касалась воспроизведения высокочастотных обертонов и использована для усилителя для твиттера (именно такой усилитель был показан в той теме), а в данной теме рассматривается усилитель для среднечастотной головки, для которой такого ограничения не требуется и полюса можно делать ниже для увеличения глубины ООС (именно в СЧ диапазоне должны быть наименьшие искажения, как из-за попадания в эту зону большинства основных частот инструментов и голоса, так и из-за максимальной чувствительности ушей в данном диапазоне).

[mellowman]

Если же Вам не понятен сам принцип данной коррекции (например, Жуковский до сих не понял), то его отличие от привычного применения эффекта Миллера в том, что он охватывает ВК, поэтому общие искажения усилителя резко уменьшаются при одинаковой глубине ООС, правда повышаются требования к устойчивости, что вынуждает ограничивать усиление каждого каскада, но принцип данной коррекции позволяет увеличивать их число.

Насколько я помню у него слегка другая мантра, чем охватывает Миллер ВК или нет, главное что вход (предыдущие каскады) больше грузит ("теряет" усиление), и если убрать Миллера, т.е. охватить ООСью всё, то будут искажения ещё меньше, что математически правильно, и поэтому и показывается в симуляторе.

Это не за/против кого-то, просто чтобы восстановить объективность

[misha88]

т.е. охватить ООСью всё, то будут искажения ещё меньше, что математически правильно

Если бы при этом с фазой не происходили ужасные вещи, то кто был бы против. Именно из-за фазы и весь сыр-бор и усложнение схемы. За последний десяток лет я уже огромную статистику набрал (в т.ч. от неизвестных мне людей в их переписке с другими, которые передавали мне), что общая петля ООС должна быть однополюсная (-6 дБ/октава) для качественного звуковоспроизведения и ФЧХ до ООС должна быть ровная как минимум в частотной зоне максимальной чувствительности ушей, так что спорить мне смысла нет, делать ли одну петлю, портя ФЧХ, или усложнять схему (причём за счёт копеечных маломощных деталей) и наслаждаться звуком.

[Ageres]

Для меня довольно загадочным явилось заявление что понижение полюсов приводит к увеличению глубины ООС. Ой, хотелось бы на такое чудо хотя бы графически взглянуть.
Ну и про ужасные вещи с фазой, а как вам удаётся послушать усилитель с разомкнутой петлёй оос, ну, чтобы услышать то что происходит с фазой на графике петлевого усиления. Очень интересно.

[misha88]

Для меня довольно загадочным явилось заявление что понижение полюсов приводит к увеличению глубины ООС. Ой, хотелось бы на такое чудо хотя бы графически взглянуть.

Раз Вы на этом форуме, то Ваш мыслительный уровень не меньше среднего, так что ничего рисовать не надо, верю, что поймёте и из простого объяснения. Итак, есть схема звукового усилителя с мощным ВК и усилением 10 после охвата ООС. Что бы Вы не делали, но единичное усиление из-за ВК придётся ограничить на уровне примерно 10 МГц (для биполяров часто и ниже, для латералов иногда получается и 20 МГц). Как я уже много раз говорил, я для качества звука рассматриваю (собственно и тема про это и рассматриваются только данные варианты) исключительно однополюсный вариант в главной (общей) петле, таким образом, если полюс выбрать 20 кГц, то во всём звуковом диапазоне глубина ООС будет всего 50 (на самом деле 50-70, поскольку полюс меряется на уровне -3 дБ), а если полюс выбрать 20 Гц, то глубина ООС только на 20 кГц будет та же, но на 2 кГц уже 500, а на 200 Гц уже 5000.

а как вам удаётся послушать усилитель с разомкнутой петлёй оос, ну, чтобы услышать то что происходит с фазой на графике петлевого усиления. Очень интересно.

Покажите мне, где это я указывал про прослушивание усилителя с разомкнутой петлёй оос? Ещё раз, для особо одарённых с форума Жуковского (может совпадение, но о вещах, которые должен понимать любой электронщик, спрашивают только активные члены форума Жуковского, и при этом они ещё обвиняют форум Вегалаб в низком уровне мышления в отличие от их форума, при том, что тут они с успехом доказывают обратное). Поведение ФЧХ до охвата ООС влияет на звучание УМ ПОСЛЕ введения ООС (если конечно малы другие виды искажений, ну и конечно нормальная колонка), причём ощущение по разным прослушиваниям, что чем больше глубина ООС, тем больше и влияние.

[Ageres]

Я предлагаю всё таки на личности не переходить.
По первому вопросу более менее понятно. Миллеровскую петлю тоже надо считать за оос. С этим конечно есть проблемы(попробовал в одной модели охватить выходной каскад, ну знаете ли, там таки выбросы что лучше не надо, понял я и вернул обратно) Все рассуждения упираются в одну вещь- усиление схемы конечно, и где то повышая оос(то есть вводя вторую петлю) некоторые каскады теряют глубину охвата , в итоге в них растут искажения. И с этим снова приходится бороться.
Про второе. Ну я не знаю. Графики выходной АФЧХ с вами не согласны. ФЧХ в звуковом диапазоне ровная , в таком виде сигнал и поступает на динамик. (ладно, у меня в модельке моего усилка фаза ближе к 20кГц смещается градуса на 3-5, как это услышать я не знаю, в железе эта моделька у меня собрана, звук как звук. Ну не слышу я сочных серединок и хрустальных верхов. Музыку только.)

[misha88]

ФЧХ в звуковом диапазоне ровная , в таком виде сигнал и поступает на динамик

Для одиночного синуса это верно, а звуковой сигнал импульсный и составной, т.е. ООС должна в импульсе сохранить все сдвиги фаз между составляющими звукового сигнала, а при большей глубине ООС и бОльшая вероятность постоянных перерегулирований (особенно при небольшом запасе фазы, обычно менее 70 градуса), а значит и больше нарушений "выпрямления" фазы. Если же фаза изначально (без ООС) ровная, то такой она останется и при работе ООС в любом режиме с любым сигналом, и все сдвиги фаз будут усиливаться без погрешностей (кстати, это подверждаются и проверками wert-а, как бы Вы к нему ни относились).

некоторые каскады теряют глубину охвата , в итоге в них растут искажения. И с этим снова приходится бороться.

Это верно и исправляется более сложными каскадами, применением полевиков, добавлением каскадов, а если экономить, то конечно придётся и дальше слушать ширпотреб.

звук как звук

Так всё познаётся в сравнении. Сравнили бы два одинаковых УМ с кривой и ровной ФЧХ до охвата ООС, тогда был бы разговор. Мне уже много писАли об удивлении люди, которые тоже были сначало скептиками.

[Ageres]

По идее любой звук можно разложить на набор синусоид разных частот, те кто в этом сомневаются - забывают что кроме разных частот ещё у этих синусоид разные амплитуды(а ещё эти амплитуды меняются, во время "атаки" , к примеру(тот самый импульс)). Даже меандр имеет свой некоторый спектр из синусоид, очень длинный- но он есть.Мне кажется что импульсность звуковых сигналов явно преувеличена.
Невольно вспоминается тест товарища Агеева синусоидами 500 + 501кГц. И ничего, есть и на рцл усилки которые его с успехом проходят, и тут где то видел.

[misha88]

Невольно вспоминается тест товарища Агеева синусоидами 500 + 501кГц. И ничего, есть и на рцл усилки которые его с успехом проходят, и тут где то видел.

Во-первых, все эти тесты созданы для проверки появления комбинационных сигналов, а не для проверки фаз, а во-вторых, для стационарных сигналов (с постоянной частотой, сдвигом и амплитудой) ООС как правило (кроме уж совсем плохих схем) работает прекрасно (даже для меандра), другое дело на музыке, тем более такой динамичной и богатой составляющими, как создают в наше время на компьютерах. Динамические тесты есть у wert-а (которого как раз любят поливать на рцл), и многие усилители с малыми нелинейными искажениями на синусе показывают посредственные результаты на таких тестах.

Мне кажется что импульсность звуковых сигналов явно преувеличена

Вы посмотрите осциллограмму (жалко не сохранил) музыки, созданной на компьютерах (а это практически любая сегодня), и удивитесь.

[Ageres]

Что может воспроизвести ЦАП - хороший усилитель тем более воспроизведёт. Всё таки в усилителях гораздо шире свобода выбора схемотехники.
Что до Верта и его поливания. Да его и тут поливают и там. Его методика измерений- непонятна и в общем неизвестна никому(кроме него самого) и как она соотносится со звучанием - вопрос открыт. Больше похоже на бред. Пока по крайней мере.

[misha88]

Что может воспроизвести ЦАП - хороший усилитель тем более воспроизведёт.

ЦАП может воспроизвести что угодно (в нём ООС нет), но даже ЦАП-ы бывает плохие.

хороший усилитель тем более воспроизведёт.

Именно хороший, а не те, которые клепают на рцл.

Больше похоже на бред.

Я так не считаю. Раз тест показывает разные результаты на разных усилителях (хотя схемотехника похожа, нелинейные амплитудные искажения часто очень маленькие, устойчивость в порядке, АЧХ и ФЧХ после охвата ООС нормальные и т.д.), значит какую-ту разницу он определяет, а значит он полезен. А вот тест типа 20+21 кГц мало информативен (как и большинство на стационарных синусах), поскольку большинство схем, включая плохо звучащих, показывают прекрасные результаты.

[nemoli]

Я так не считаю. Раз тест показывает разные результаты

А где методика тестирования?

[misha88]

А где методика тестирования?

Спрашивайте у форумчанина с ником Wert. У него есть разные динамические тесты, в т.ч. на фазу.