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.

[misha88]

Если не затруднит ноль выхода подстройте ближе к долям мВ, что то моделька сопротивляется

Странно, у меня модель легко позволяет подстраивать, вот ниже модель с очень малым выходным напряжением.

am7a.cir

[wert]

По просьбе одного товарища для его деталей поменял немного схему (см. ниже cir), просьба проверить нелинейную ошибку управления и динамические искажения

С удовольствием посмотрел модель усилителя.
По комплексным искажениям, включающим приведенные амплитудные и фазовые искажения,
по динамической нелинейности, оцененной при двух входных сигналах отличающихся по амплитуде в 100 раз,
модель усилителя похожа на ранее проверенные.
Ошибка управления очень низка по уровню (это говорит о низкой динамической ошибке управления и высокой устойчивости при динамическом воздействии),
длительность переходных процессов при импульсном воздействии не превышает 55 нсек!
Прекрасный результат.

[misha88]

Огромное спасибо за труд, мне было важно знать, не ухудшают ли характеристики сделанные изменения, в первую очередь в коррекции.

[.Васильев]

По просьбе одного товарища для его деталей поменял немного схему (см. ниже cir), просьба проверить нелинейную ошибку управления и динамические искажения, чтобы знать, не станет ли хуже от этих изменений.

Вложение 416146

А что там с задержкой ниже 1кгц ?

[misha88]

А что там с задержкой ниже 1кгц ?

Поясните вопрос, задержка чего?

[wert]

А что там с задержкой ниже 1кгц ?

График ГВЗ в линейном режиме усилителя (режим АС), вблизи рабочей точки усилителя
мало информативен,
фактически он вырожден до времени задержки усилителя для каждой из контролируемых частот сигнала.
В теме о "транзисторном ламповике" много раз приводил графики ГВЗ для моделей усилителей
в динамических режимах, при воздействии импульсоподобными сигналами.
такие графики уже ближе к реалии, однако по ним сложно судить о переходных процессах усилителя.
Для этого существуют характеристики во временных доменах.
Один из вариантов
Переходная функция усилителя при импульсоподобном воздействии
дает возможность оценить усилитель
на задержку компонент сигнала,
ошибку управления для компонент сигнала, его гармоник,
характеристики переходного процесса,
более 12 параметров...
В этой теме графики чуть выше привел для модели усилителя misha88.
Конечно, такая симуляция временных параметров усилителя достаточно условна.
На практике
качество любого элемента усилителя, режимы каскадов, коррекции, импеданс нагрузки, монтаж
могут оказать значительное влияние на поведение усилителя,
на таких графиках во временном домене это ярко отображается...

[.Васильев]

Поясните вопрос, задержка чего?

да вот это. на низших частотах 160н, крутое пике и далее 80с копейками.
Этот показатель чем меньше, тем лучше? Я правильно понял.Это ведь время

[misha88]

да вот это. на низших частотах 160н, крутое пике и далее 80с копейками.
Этот паказатель чем меньше, тем лучше? Я правильно понял.Это ведь время

Понял, о чём Вы. Это Вы видите в изменённой по просьбе товарища по работе схеме из-за резистора R117 параллельно конденсатору коррекции С8, он попросил коррекцию сделать на плёночных FKP-2, они меньше 33 пФ не выпускаются, а сюда надо 20-22 пФ, поэтому я составил из двух, 33 и 68 пФ, причём второй запараллелил с резистором для разрядки. В данном случае такое изменение ГВЗ не критично, во-первых, данный усилитель предназначен для твиттера, а во-вторых, на таких низких частотах ГВЗ 160н это даже значительно меньше, чем можно слышать. Но у меня сомнения были, поэтому просил Wert-а проверить, и усилитель ничего крамольного не показал.

[.Васильев]

Я так понял,что чем время групповой задержки меньше, тем лучше.

[misha88]

Я так понял,что чем время групповой задержки меньше, тем лучше.

Это зависит от усиливаемой частоты. Если усилитель для баса, то ГВЗ и в микросекунду проблем не даёт.

[.Васильев]

Так и думал. Спасибо за ответ.

[misha88]

Напомню, что ГВЗ это производная (дифференциал) фазы от частоты и что ГВЗ практически всегда больше, чем сам сдвиг фазы (задержка) в той же области частот. Т.е. при ГВЗ 80нс реальная задержка в петле ООС скорее всего меньше 50 нс, такие величины для звуковых частот можно считать отсутствием задержки. А вот имеются много схем, особенно с глубокой ООС, где задержки ощутимы и влияют на звук.

[.Васильев]

думаю до 220 наносек вполне комфортно

[misha88]

Для твиттера, по моим оценкам, лучше не более 100 нс, но 220 тоже неплохо.

[.Васильев]

Как обычно, везде сплошные компромисы. Иначе вытягивая одно гробишь другое.

[wert]

имеются много схем, особенно с глубокой ООС, где задержки ощутимы и влияют на звук.

Ваша последняя модель в динамическом режиме
дает задержку для компоненты импульса на частоте 150 кГц близко 19 нс,
ГВЗ на частоте 150 кГц близко 18,6 нс
Эти два параметра рассчитаны разными стандартными методами
и не совпадают с результатами расчета в режиме АС, в линейном режиме (вблизи рабочей точки) для импедансной модели,
которая дает усредненный результат ГВЗ в диапазоне частот близко 80 нс.
Т.е. модель усилителя в динамическом режиме значительно лучше чем мы предполагаем

[Kirnogo]

А какие характеристики на 8 ом?

[Валет]

что методом Nested Miller Compensation можно как минимум на порядок (если конечно, как выше пояснил, первый каскад позволит) уменьшить искажения большинства усилителей, собранных по стандартным схемам, без проблем с устойчивостью (условие одно - достаточно быстродействующий ВК, потребуется лишь небольшая корректировка коррекции).

Автор патента не устанавливает никаких ограничений по быстродействию ВК. Просто он утверждает, что применением многопетлевой ООС можно расширить полосу усиления по сравнению с обычными ООС. Именно так я понимаю его фразу «This enables a very large amount of feedback to be applied to that stage, and enables constant return difference to be obtained for that stage over a nominated frequency range. Bode’s limits for mid-band loop-gain
magnitude and its rate of attenuation with frequency can be exceeded» на первой странице заявки.

Структура вашего усилителя полностью соответствует рисунку в этом посте . Это упрощенная, приспособленная для УМЗЧ структура по этому патенту. По такой же структуре, но в двухкаскадном усе с транзисторами 2Т818, 819 и с одной вложенной ООС получена полоса полной мощности, примерно, 250-300 кГц. Чем ограничивается у вас полоса усиления низкочастотной областью ЗЧ?

[BesPav]

Автор патента не устанавливает никаких ограничений по быстродействию ВК.

А тут интересная штука. Самая короткая петля, которая вокруг ВК, как раз и направлена на стабилизацию его полосы.
Все остальные петли должны быть последовательно замкнуты ниже и ниже по частоте.

Итого получается, что коррекция самой внешней петли, которая собственно и работает с сигналом - самая "медленная" и узкополосная.

[Валет]

А тут интересная штука. Самая короткая петля, которая вокруг ВК, как раз и направлена на стабилизацию его полосы.

Да. При этом АЧХ зависит только от этой петли и не зависит от параметров транзисторов внутри и от нагрузки на выходе. Именно поэтому мой усь без проблем с устойчивостью может работать даже на чистую емкость номинального сопротивления. Для частоты 20 кГц это 2,2 μF.