К вопросу о сравнении выходных каскадов.

[BesPav]

В этом профильном разделе форума обсуждается огромное количество различных конструкций усилителей мощности и телефонных усилителей, между тем вопросы оптимизации различных составляющих их блоков остаются в тени цельных конструкций. С учетом этого обстоятельства авторы и комментаторы иногда пользуются отсутствием подробностей об особенностях работы конкретных реализаций выходных каскадов, а также вольно или невольно вводят форумчан в заблуждение.
Для наведения ясности в этом вопросе и предназначена эта пополняемая тема.
Итак, какие же параметры требуются от выходного каскада? Ответ на этот вопрос позволит нам сформировать различные рейтинги и разработчики при формировании своих усилителей получат достаточно удобный инструмент анализа и библиотеку типовых решений.
1. Так как выходной каскад непосредственно работает на достаточно низкоомную нагрузку от него требуется иметь низкое выходное сопротивление, доли Ома. Пока опустим тот момент, что выходное сопротивление снижается также и за счет действия ООС, оставим его для дальнейших рассуждений.
2. Так как выходной каскад в подавляющем большинстве случаев охвачен обратной связью, то от него требуется иметь полосу работы бОльшую, нежели полоса работы этой ООС. Здесь есть важная оговорка и важное следствие. Оговорка – так как выходной каскад непосредственно связан с нагрузкой, а нагрузка в общем случае неизвестна, то полоса работы выходного каскада учитывается для наихудшего случая. Следствие – полоса работы ВК не должна использоваться в схеме коррекции условно устойчивого усилителя так как нагрузка в общем случае неизвестна.
3. Область безопасных режимов, т.е. возможности конкретной реализации ВК отдавать в нагрузку соответствующую сигналу мощность и рассеивать выделяющееся при этом тепло.
4. Высокое (или, в более общем случае управляемое) входное сопротивление и по возможности малую (или опять управляемую) емкость. Этот параметр напрямую определяет особенности сопряжения ВК с предыдущим узлом типового усилителя – усилителем напряжения, УНом.
Для начала достаточно, а по ходу дискуссии и необходимости дополним.
Приступим, как наглядно оценить комплексную величину выходного сопротивления? В симуляторе – достаточно просто, подключаем к выходу выходного каскада идеальный источник тока и измеряем величину напряжения на выходе ВК. Если полученное напряжение разделить на ток подключенного источника тока и включить линейный режим отображения, то получим график непосредственно в Омах.
Пример:


Следующее, как наглядно оценить комплексную величину полосы работы ВК? И снова, в симуляторе – несложно, подключим на вход нашего ВК источник напряжения с паразитными параметрами порядка типовых величин нагрузки ВК (для примера 1 МегОм и 22 пФ) и посмотрим, что же у него получится на выходе.
Пример:



По результатам подобных вычислений весьма наглядно отображаются различия в работе выходных каскадов, вот например:

Думаю всем любопытствующим будет очевидны преимущества ВК с графиком зеленого цвета перед ВК с графиком красного цвета.

Замечания и комментарии приветствуются, первое сообщение будет дополняться по мере развития дискуссии и если тема окажется интересной для сообщества.

Крупное продолжение вот здесь.

[sia_2]

Ок.
Для наглядности сравнения выбраны три разных выходных каскада.
1. Двойка биполяры + латералы
Вложение 422543
2. Типовая тройка
Вложение 422544
3. Быстрая Тройка
Вложение 422545

Относительно первого поста темы изменена точка подачи сигнала.
Графики стали горизонтальными, просто удобнее и нагляднее (баз завала от ~10 кГц за счет шунта источника сигнала).
Допущения по "великолепным" номиналам индуктивностей в цепях питания принимаются, пробуйте оценить свои и показать другие картинки.

Для начала сравним Двойку BJT+LAT и Быструю Тройку.
Вложение 422546
Вполне ожидаемо у Двойки происходит "мягкое" ограничение полосы с ~десятка мегагерц так как сравнительно слабенькие биполяры оказываются нагружены на ~сотню пик входной емкости выходной пары полевиков. Затворные резисторы выходников могут использоваться как эффективный метод ограничения полосы всего каскада. Аргументы насчет "биполяры можно поставить помощнее" не принимаются, ничего особенно не изменится. Входная емкость всего ВК несколько пФ позволяет использовать большой номинал резистора нагрузки УНа и аккуратно устанавливать как общее усиление, так и выходной полюс УНа в достаточно широких пределах.
Быстрая Тройка - ну быстрая и есть. На всю котлету как из пушки. Обращаем внимание на диапазон "вращения" фазы, вот где раздолье для выбора схемы коррекции усилителя в целом и установки частоты единичного усиления. Главная фишка такого каскада - это использование принципиально медленных выходников, после десятка МГц они фактически превращаются в короткое замыкание, работу с нагрузкой обеспечивает драйверный каскад и вся выходная Тройка предельно аккуратно превращается в Двойку.

Теперь сравним Быструю Тройку и Типовую Тройку.
Вложение 422548
Ну собственно сколько раз говорено, что Типовая Тройка требует особых мер для обеспечения своей стабильности.
Собственно теперь вы знаете как именно это выглядит.
Обращаем внимание на AC 1, т.е. оценки в малосигнальной области, принимается.
По мере увеличения размаха сигнала это моделируется плохо и ненаглядно, поэтому попробую описать словами. Вы включаете усилитель, выставляете ток покоя и проводите первичные измерения.
Все выглядит чин-чинарём, чистенько и аккуратно. Осмелев, начинающий разработчик решается навалить сигнала на резюк. Выходной ток растет, в зависимости от выходников fT начинает сначала расти (до ~ампера), потом снижаться более или менее резко, а в этом же месте этого разработчика поджидает красивый бабах.
Как только ток достигнет величины снижения fT до ~десятка Мег, а помогает в этом процессе еще и замечательная зависимость fT от напряжения коллектор-эмиттер, то происходит либо самовозбуждение ВК отдельно, либо срыв управления в петле ООС всего усилителя (если по наивности разработчик повпихивал невпихуемое).

Учитывая изложенное VL-ки могут быть совершенно замечательными, но сама по себе Типовая Тройка не позволяет раскрыть их сильные стороны.
Вы будете просто таки вынуждены выбирать из следующих вариантов:
1. Ограничить полосу работы второго каскада Типовой Тройки путем установки RC фильтра (резистор 100-150 Ом в базе драйвера + конденсатор 180-330 пФ база-коллектор после резистора)
2. Замыкать петлю ООС на ~полоктавы ниже наихудшего случая fT выходников и ограничивать уровень их насыщения запасом напряжения коллектор-эмиттер не менее 5-7 Вольт

Оба варианта нехорошие по отличающимся причинам.

Представитель разработчиков очень изящно игнорирует этот вопрос в основной теме.

Совершенно верно. В принципе можно сделать быструю тройку и с 1302/3281, был опыт, но с изрядным геморроем по стабилизации ВЧ конца АФЧХ. Учитывая худшую их ОБР для высоких напряжений по сравнению с 21193/194 - овчинка выделки не стоит. Практически же рецепт простой: в бюджетном усилителе ставится двойка, она намного менее капризна в плане собственной генерации и "генерации на проводах", только не надо жмотничать на теплоотводе и токе покоя первой ступени (а вот выходные спокойно можно загонять почти в класс B). Первую ступень двойки практически всегда лучше брать биполярную, выходные можно как биполяр, так и МОП. МОП при параллелении требуют подбора, но за счёт меньшей цены вертикальных МОП на единицу тока обходятся дешевле в мощных усилителях. Быстрая же тройка делается только на биполярах, причем с запараллеленными и распределенными транзисторами. Но оправданно это только в достаточно дорогом изделии.

[BesPav]

Быстрая же тройка делается только на биполярах, причем с запараллеленными и распределенными транзисторами.

И принятием исчерпывающих мер по минимизации индуктивностей в цепях питания, читать - МПП, широченные полигоны, гирлянды электролитов и керамика по месту.

[sia_2]

Керамика в питании там как правило, вредна. Разве что как демпфирующая RC - но и тогда жрет место, увеличивая паразитные индуктивности.

[Mexap]

Керамика в питании там как правило, вредна. Даже как демпфирующая RC - жрет место, увеличивая паразитные индуктивности.

Поддерживаю. Не раз пробовали.

[BesPav]

Практически же рецепт простой: в бюджетном усилителе ставится двойка, она намного менее капризна в плане собственной генерации и "генерации на проводах", только не надо жмотничать на теплоотводе и токе покоя первой ступени (а вот выходные спокойно можно загонять почти в класс B). Драйвер биполярный, выходные можно как биполяр, так и МОП.

Сергей Игоревич, имеет ли в этом варианте практический смысл установки 3503/1381 в первую ступень?
Или нехай входная ёмкость будет в разы больше, но это компенсируется годным током покоя первой ступени и вообще её токовыми возможностями?

Керамика в питании там как правило, вредна. Разве что как демпфирующая RC - но и тогда жрет место, увеличивая паразитные индуктивности.

Принимается, можете сказать несколько слов о высоковольтных (более 16 В) Solid/Functional Polymer?

Но оправданно это только в достаточно дорогом изделии.

Здесь прямо между строк сквозит ирония - "дорогом потому, что потребует отладки толковым инженером и на хорошем оборудовании", правильно?
Ведь не в цене десятка транзисторов и их прикручивании к радиатору дело, так?

[sia_2]

Сергей Игоревич, имеет ли в этом варианте практический смысл установки 3503/1381 в первую ступень?
Или нехай входная ёмкость будет в разы больше, но это компенсируется годным током покоя первой ступени и вообще её токовыми возможностями?

Однозначно второе. Помощнее.

Принимается, можете сказать несколько слов о высоковольтных (более 16 В) Solid/Functional Polymer?

Их на 50-100 вольт с вменяемыми параметрами и габаритами ещё найти надо...

Здесь прямо между строк сквозит ирония - "дорогом потому, что потребует отладки толковым инженером и на хорошем оборудовании", правильно?
Ведь не в цене десятка транзисторов и их прикручивании к радиатору дело, так?

Совершенно верно. Плюс издержки мелкосерийности по всей цепочке, из-за чего Ferrari становится в десятки раз дороже массовки, при том, что технически - разница не особо принципиальная. Раза в два-три.

[EDDiE]

Поддерживаю. Не раз пробовали.

А как насчет пленки?

[sia_2]

А как насчет пленки?

То же, что и с керамикой.

[bukvarev]

Причем даже, если использовать rc цепи, чтобы уменьшить добротность (0.1 .. 0.5 Ом). Все равно лучше без них.
Но между шинами поставить пленку иногда имеет смысл.

[Semigor]

То же, что и с керамикой.

За исключением правильного полистирола.

[vladimir sim]

По мне, вы просто жуете многолетнюю застарелую жвачку, без малейшего профита. Какая нахрен разница пачка BD911 с Ft 7-12 Мег или пачка 2SD1047 c Ft1 13-18 Мег, или пачка MJW 21194 c Ft 5-8 Мег, все три подкласса приборов позволяют получить в симуляторе примерно одинаковые показатели на ВЧ, при существенно лучших остальных показателях современных приборов, да тупо потому, что Мю 2SD и MJW на порядок-в 5-15 раз больше. Эрли и пробивное Uce это описывают неверно, во первых, из-за существенно разной структуры поля в коллекторной области в сравнении BD911 против 2SD и MJW. А вот это в конечном итоге и влияет на звук усилителя даже с глубокой ООС , а вовсе не пикофарады и мегагерцы, на которых вас реально заклинило. Козьма Прутков был прав, спец подобен флюсу, и полнота его односторонняя.

[Carter]

Никаких идеальных готовых решений, компромиссы и только компромиссы!!!

[BesPav]

По мне, вы просто жуете многолетнюю застарелую жвачку, без малейшего профита.

Ну это вы же просили сравнения, а теперь грубо высказываетесь о его результатах.
Симулятор - не догма, а просто средство и способ добиться понимания.

Какая нахрен разница пачка BD911 с Ft 7-12 Мег или пачка 2SD1047 c Ft1 13-18 Мег, или пачка MJW 21194 c Ft 5-8 Мег, все три подкласса приборов позволяют получить в симуляторе примерно одинаковые показатели на ВЧ

Нет, даже в симуляторе ощутимо отличающиеся.
Там дело не только в fT, а еще и в соотношении ёмкостей БЭ и БК, первая помогает, а вторая мешает.

потому, что Мю 2SD и MJW на порядок-в 5-15 раз больше

Можно поподробнее о влиянии Мю на работу транзистора в схеме с общим коллектором?

а вовсе не пикофарады и мегагерцы

Может вот здесь ViktKors понятнее написал.
Влияет, влияет, всё влияет.
Даже параметры электролита и диэлектрика силовых банок под сотней дБ в петле ощутимо влияют.
Другой разговор, что разобраться в этом не каждому дано, а уж услышать отличия вообще единицы способны.

ViktKors

Кстати, он уже почти год не появляется, может кто в курсе что случилось?

[vladimir sim]

Емкость Све у современных на порядок, те в 10 раз больше, чем у BD. Мю-очень важный параметр, Букварев кстати, как практикующий разраб , в курсе. Как влияет Мю, особенно на драйвер- фактически это паразитная нелинейная параллельная ООС по напряжению, чем больше Мю, тем она меньше. Любое присутствие паразитных ООС в основной петле субьективно портит звук, поскольку двойное управление не есть хорошо. У MJ2119х при малых уровнях инжекции, при Ik 0,1 А достигает 150-250 тысяч, VL035-60000, 2SD1047- 40000, BD911-6000. с мелкими транзисторами для CRT мониторов все еще печальнее.

[BesPav]

У MJ2119х при малых уровнях инжекции, при Ik 0,1 А достигает 150-250 тысяч, VL035-60000, 2SD1047- 40000, BD911-6000.

Ок, исходя из логики построения каскадов Быстрой Тройки вполне возможен вариант на следующей последовательности каскадов VL037+VL035+MJL2119x или 3503+VL035+MJ2119x.

Но MJ могут оказаться слишком быстрыми в качестве медленной третьей ступени, VL035 могут оказаться слишком тяжелыми для 3503 и медленными в качестве быстрой второй ступени, а VL037 могут иметь излишнюю входную ёмкость для первой ступени повторителя и создавать слишком низкий полюс для УНа с большим усилением.
Моделей от LEFI нет, будем сразу макетировать?

[vladimir sim]

Не нужно никуда торопиться, нужно вспомнить печальный опыт фирмы Dynacord, фактически Ланзар по структуре, благозвучный и популярный. Выхлоп там традиционно строился на тройке MJ340+ 2SC2238+5хMJ15022. Потом Цеховые Рационализаторы{TM} решили поумничать и сделали так -2SD1610+2SC4793+5хMJ15022. Все ,писец, приехали, он заверещал и заскрежетал, причем никаких подвозбудов не было. Пришлось Динакорду быстро вертать все взад, нынче это MJ340+MJE15032+5хMJ21196. Ну и зачем эта ваша быстрота, Брагин вон в ES-6 ,без буферизации, с входными емкостями MOS примерно как у меня в случае драйвера на Фэрчайлд 2SD1047/2SB817, запросто вписался в цифру -120 дб/20 кГц THD/ IMI. В музыке кроме ВЧ 20 кГц есть очень много интересного- бас, тихая реверберация, голоса и прочее. Я к тому , что оптимизация должна быть комплексной, а не только быстрота и пикофарады.

[bukvarev]

Моделей от LEFI нет, будем сразу макетировать?

Лично я - за. У меня есть и VL037, и VL035 первого выпуска, и финальный релиз VL035.

Двойку с быстрыми транзисторами на входе и VL035 на выходе уже опробовал. Полет нормальный. Такая двойка вполне жизнеспособна для усилителя с одной парой на выходе и легкой нагрузкой, близкой к активной. Например, драйвер СЧ звена в многополоске. Вот здесь и дальше часть оценок: https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post3043881.
Схема (почти как в макете): https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post3044141
По звуку, с небольшой глубиной ОООС, слышно, что это "двойка". Видимо, сказывается влияние АС на УН. И для такой схемы существует оптимальное значение сопротивления нагрузки УН (оптимальное отношение выходного сопротивления УН к приведенному ко входу ВК сопротивлению АС). Некий рациональный баланс увеличения девиации тока УН с одной стороны, и снижения влияния АС - с другой. При закидывании всего под общую петлю, естественно, заметность этого влияния снижается.
Для весьма неплохого УНЧ решение годное.

Тройку тоже интересно замутить. Но, как правильно заметил Владимир, предварительно все обдумав

[BesPav]

Лично я - за.
...
Тройку тоже интересно замутить.
Но, как правильно заметил Владимир, предварительно все обдумав

Хорошо, не возражаю.
Основные моменты постарался расписать возможно более подробно.
Наличие подобного устройства в портфолио ощутимо повлияет на престиж команды, ну а уж по основной работе - так и вообще работающим братьям пригодится.

Сергей Игоревич, вам отдельное спасибо!
Распутывать этот детектив по обрывкам фраз было чрезвычайно интересно и предельно увлекательно!
Надеюсь всё это будет на пользу стремительно сжимающейся отрасли и останутся хотя бы островки действительно роскошного звука.

[Petr-1951]

BesPav, странный источник сигнала Вы используете, с выходным сопротивлением 1 МОм. В безОСных усилителях типа Densen, DarTzeel и им подобных тоже такое выходное сопротивление источника сигнала. Или под петлей ОС УН не работает как УН, а работает как ИТ? Внутри петли ООС не работает?

[BesPav]

Или под петлей ОС УН не работает как УН, а работает как ИТ? Внутри петли ООС не работает?

Петля ООС не изменяет выходное сопротивление УНа.
Петля изменяет приходящий на выход УН сигнал.