Гибридный усилитель СОЮЗ-50

[Alex Ground]

Доброе время суток! Хочу представить к обсуждению гибридный усилитель в котором реализована концепция глубокой (для гибридных усилителей) обратной связи, где всё усиление по напряжению выполнено на лампах. Данная концепция была проверена в гибридном усилителе для наушников "DUAL".
https://cxem.net/sound/amps/amp257.php

Скрытый текст

После успешной реализации на базе проверенного в "железе" усилителя для наушников был разработан усилитель "DUAL-100" мощностью до 100 Вт.
В усилителе для наушников было использовано две лампы 6Ж1Б (6Ж1П), в мощной же версии было решено использовать лампу 6Ф1П (триод-пентод), что позволяет реализовать входную часть на одном баллоне, однако ламповая часть "DUAL" и "DUAL-100" остаются взаимозаменяемыми и можно использовать 2*6Ж1П как более доступные.
Выходной каскад выполнен на полевых транзисторах типа IRFP140/IRFP9140 (для мощности менее 50Вт можно использовать IRF640/9640).

Главная идея концепции состоит в "размыкании" внутренней обратной связи триода, которая в триодном включении исправляла бы искажения только усилителя напряжения, пентодное же включение позволяет минимизировать внутреннюю ОС высвободив максимальное усиление которое может быть получено на данном пентоде и потратить его на внешнюю ОС, которая линеаризует не только лампу, но и транзисторный выходной каскад вместе с выходным конденсатором. И против классической концепции построения гибридов по топологии триод+повторитель, где весь спектр искажений выходного каскада направлен в акустическую систему и ничем не подавляется, предложенная автором концепция позволяет в значительной мере повысить линейность всего усилителя.

Усилитель напряжения выполнен на лампе VL1.1 в пентодном включении. Она нагружена на резистор R7, по переменному току имеется ПОС через конденсатор С5, так называемая "вольтдобавка", что повышает сопротивление нагрузки по переменному току, и как следствие усиление данного каскада возрастает, в комплексе с работой на повторитель выполненный на лампе VL2 имеем усиление порядка 60 дБ. Повторитель на VL1.2 нагружен на источник тока выполненный на транзисторах VT1, VT2 и особенностей не имеет.
Касательно транзисторной части, выходной каскад представляет собой повторитель на полевых транзисторах, узел смещения выходного повторителя реализован на VT3 и особенностей не имеет. Вольтдобавкой через конденсаторы С9, С11 осуществлена ПОС, повышающая динамическое входное сопротивление делителя R15, R16 для снижения нагрузки на повторитель выполненный на триоде VL1.2. Применение полевых транзисторов на выходе позволяет получить RAIL-TO-RAIL выходной каскад, так как напряжение на затворе легко превышает напряжение на выходе и позволяет открыть мосфет полностью. На выходе установлен конденсатор, который позволяет использовать однополярное питание, отказаться от обязательного использования защиты АС и закрыть глаза на упрощение выходного каскада в вопросе слежения за постоянной составляющей на выходе (данный узел отсутствует). Так как выходной конденсатор охвачен общей обратной связью, то искажения вносимые им так же исправляются ООС.
Глубина обратной связи замеренная на железной реализации усилителя для наушников составляет порядка 46 дБ на частоте 1 кГц, и 35 дБ на частоте 20 кГц.
Для сохранения высокой линейности усиление выходного каскада составляет порядка 4.5 раз. Однако если некоторый рост искажений приемлем можно увеличить КУ до 19раз и использовать усилитель без предусилителя (R8 следует с 3.3кОм заменить на 510 Ом).

[свернуть]

Обдумав недостатки указанные в обсуждении, главные из них были переработаны.
Было увеличено петлевое усиление путем замены вольтдобавки на транзисторный ГСТ, спасибо товарищу deemon и Slava!!! за подсказку о возможном значительном дрейфе рабочей точки по постоянке при работе пентода на ГСТ, в результате анализа данной проблемы, было найдено решение в виде охвата ГСТ местной ОС по постоянному току, что снизило усиление по постоянному току в 10раз, до уровня эквивалентному каскаду с резистивной нагрузкой. Так же было уменьшено количество конденсаторов, путем гальванической развязки не между триодным повторителем и ВК, а между пентодом и триодным повторителем (спасибо за совет товарищу fakel), что значительно упростило обвязку схемы смещения для ВК, а так же отпала необходимость в ГСТ ранее установленном в катоде триода, теперь его "источником тока" стала вольтдобавка через выходной конденсатор. В следствии низкой линейности мосфет и высокой стоимости латералов, ВК был переведен на биполярную двойку, а мощность снижена до 50 Вт, для снижения нагрузки на ВК и снижения требований к выходному конденсатору.
Концепция осталась исходной, размыкание внутренней ООС триода используя на входе пентод и направление высвобожденного усиления на линеаризацию ВК, однако так же была учтена возможность перевода входной лампы в триод, это снижает глубину ООС до 12дБ, однако освобождает усилитель от динамических искажений. Наличие возможности изменения включения входной лампы делает схему универсальной, а звук конфигурируемым.
В результате в симуляции была получена следующая схема, название изменено для отсутствия случайно вышедшей отсылки к усилителям Dual тех лет.

Ку был увеличен относительно исходного варианта и составляет 8раз. Так как баланс между усилением и глубиной ООС определяет характеристики усилителя, упор был сделан на наименьшие искажения, которые достигаются при минимальной чувствительности. Было решено остановиться на том уровне чувствительности которая позволит использовать усилитель от современных источников с выходным напряжением 2-2.5Vrms не прибегая к необходимости преампа. Она составляет 1.8Vrms для достижения мощности 50Вт на нагрузке 4 Ом.
Параметры были несколько улучшены, коррекция немного изменена.
На "первом ватте" 4 Ом

50 Вт 4 Ом

Меандр без входного ФНЧ

Модель
SOUZ-50 cordell.cir

В случае работы от слабого источника (менее 1.8Vrms) оконечный усилитель требует пред.усилителя.
При работе от предусилителя конденсатор С1 может быть исключен из схемы оконечного усилителя СОЮЗ-50.
Был разработан несложный пред.усилитель на лампах 6Н23П на основании "мю-повторителя" с Ку до 7 раз.

Скрытый текст

Модель усилителя в MicroCap 9
dual100byAG.cir
Анализ искажений микрокап для полного варианта схемы (преамп 6Н23П+оконечник с КУ=4.5)
Мощность 50Вт нагрузка 4 Ом

На "первом ватте" нагрузка 4 Ом

Анализ искажений микрокап для упрощенного варианта схемы (оконечник с КУ=19)
Мощность 50Вт нагрузка 4 Ом

На "первом ватте" нагрузка 4 Ом

[свернуть]

Опубликованные схемы в железе не проверены и публикуются для коллективного обсуждения.

[fakel]

О каких двух последовательных ИТ речь? уточните пожалуйста. Вы про работу пентода на ГСТ ?

Да

[Alex Ground]

заменил модели транзисторов на корделловские и модель перестала работать, где ошибка?
Вложение 436972
p.s.
Вложение 437011

Посмотрите так, вроде поправилSOUZ-50_Cordellisprav.CIR

---------- Сообщение добавлено 09:23 ---------- Предыдущее сообщение было 09:22 ----------

Да

Будет работать так же успешно как и с вольтдобавкой работало

[fakel]

Будет работать так же успешно как и с вольтдобавкой работало

Ню-ню. Я тебе не собираюсь ничего доказывать

[Alex Ground]

Ню-ню. Я тебе не собираюсь ничего доказывать

Работать будет так же успешно как и работало с вольтдобавкой, нагрузка УН на ГСТ применяется в транзисторниках повсеместно, в лампах реже ибо чаще транзисторов стремятся избежать по идейным соображениям, но работает это абсолютно аналогично.
Рандомный пример такого каскада из интернета.
https://www.edn.com/obtain-a-gain-of...e-vacuum-tube/
P.s. доказывать этот момент и не нужно.
P.s.s. любые замечания конечно приветствуются, и я очень благодарен за любые рекомендации, желательно только, что бы они соответствовали действительности. Благодаря нескольким очень по делу сказанным советам схема была переработана в лучшую сторону

[Dinosaurus]

[Petr-1951]

Посмотрите так, вроде поправил

посмотрите режим клипирования
SOUZ-50_Cordellisprav.CIR
p.s.
Вы знакомы с тестом SWDT Хафлера? Какая цель ставилась при разработке?

[Alex Ground]

посмотрите режим клипирования
SOUZ-50_Cordellisprav.CIR
p.s.
Вы знакомы с тестом SWDT Хафлера? Какая цель ставилась при разработке?

Я на клип и обращал внимание, там был нюанс с моделью лампы, и почему то bd139/140 от Корделла не подружился с выходом bd243/44 не Корделла, установил вместо них транзисторы с аналогичной частотой (3МГц) mjl21193/94 от Корделла, в итоге работает почти так же как и на исходных стоковых моделях.
Цель при разработке создать гибрид в котором лампа линеаризует не сама себя (в триоде), а ещё и линеаризует ВК и выходной конденсатор, соответственно для снижения их искажений. При том усиление все "производится" исключительно в лампе, просто распределяется с бОльшей пользой
С тестом Хафлера знаком, но в симуляции не производил, модели ламп имеют низкую точность, что позволяет лишь очень приблизительно оценить результаты.

[Petr-1951]

Я на клип и обращал внимание
С тестом Хафлера знаком, но в симуляции не производил

какая задержка прохождения сигнала должна быть по Хафлеру чтобы выходной сигнал на слух трудно было отличить от входного?
странно, но у меня другой результат. В Вашей модели я заменил только входной источник сигнала на синусоидальный, больше ничего не трогал

[Alex Ground]

странно, но у меня другой результат.

Согласен что странно, в транзиенте тоже аналогично, причуды моделей ламповых, скорее всего.

---------- Сообщение добавлено 14:26 ---------- Предыдущее сообщение было 14:18 ----------

какая задержка прохождения сигнала должна быть по Хафлеру чтобы выходной сигнал на слух трудно было отличить от входного?

Я больше склоняюсь к близкому методу оценки предложенному Акулиничевым, который предполагает фазовую подстройку. Так как абсолютно любая система имеет задержку, которая сама по себе не является продуктом искажений. А чисто продукты искажений можно выделить совместив не только по амплитуде но и по фазе входной и выходной сигнал

[Petr-1951]

Я больше склоняюсь к близкому методу оценки предложенному Акулиничевым, который предполагает фазовую подстройку. Так как абсолютно любая система имеет задержку, которая сама по себе не является продуктом искажений. А чисто продукты искажений можно выделить совместив не только по амплитуде но и по фазе входной и выходной сигнал

Метод измерения компенсационным способом изложен в диссертации Сапожкова (опубликовано 1956 год) задолго до публикации его Баксандаллом и Акулиничевым.
входной сигнал является эталоном и не должен подвергаться обработке. Любая обработка вносит в эталон искажения во временной области. В то время не было возможности идеально задержать эталон на время задержки в усилителе. Любое отклонение выходного сигнала от приведенного к его уровню эталона как по фазе, так и по амплитуде является искажением. Вот тут то и зарыта собака. Можно иметь неизмеримые искажения в установившемся режиме, а звука нет! если задержка прохождения сигнала более 100 нс (по Хафлеру вообще должна быть не более 8 нс на частоте 20 кГц)

[Alex Ground]

Любое отклонение выходного сигнала от приведенного к его уровню эталона как по фазе, так и по амплитуде является искажением. Вот тут то и зарыта собака. Можно иметь неизмеримые искажения в установившемся режиме, а звука нет! если задержка прохождения сигнала более 100 нс (по Хафлеру вообще должна быть не более 8 нс на частоте 20 кГц)

Не совсем с вами согласен. Не сама задержка сигнала вредит, а её изменение в зависимости от частоты
Таким образом скомпенсировав задержку на частоте основного тона мы получаем чистые продукты нелинейности, а вот с уходом от опорной частоты к продукту искажений будет прибавляться фазовая задержка которая может меняться в усилителе с частотой. Вот такое изменение задержки в пределах звукового диапазона будет приводить к искажениям, если же задержка сигнала на всем звуковом диапазоне неизменна то и искажения она вносить не может, так как все частоты передаются с одинаковым запаздыванием.
По искажениям есть интересные заметки
Измерение искажений в усилителях.pdf

[Petr-1951]

По искажениям есть интересные заметки

заметки со вступлением
Измерение искажений в усилителях_ru.pdf
а "колбасит" задержку в наибольшей степени от изменения нагрузки которая изменяется в широких пределах, особенно под влиянием реактивной нагрузки

[Alex Ground]

заметки со вступлением
Измерение искажений в усилителях_ru.pdf

Спасибо!
Очень интересная информация
Как раз это я имел ввиду выше

Не сама задержка сигнала вредит, а её изменение в зависимости от частоты

если же задержка сигнала на всем звуковом диапазоне неизменна то и искажения она вносить не может

[Petr-1951]

Спасибо!
Очень интересная информация

в таком случае вас должна заинтересовать следующая информация
Компенсационный метод тестирования моделей усилителей.pdf
почитайте статьи Алдошиной по психоакустике в соответствии с которыми для слуха важны до 18 гармоник сигнала, особенно первые 8. Причем каждая гармоника должна быть строго на своем месте и своей амплитуды. Многие из них за пределами звукового диапазона. Например в технических характеристиках усилителя Mimesis 9-2 указано:
Group Delay: Propagation Delay <100 nc stable from DC to 200 kHz
p.s.There*s life above 20 kHz.pdf

[Alex Ground]

посмотрите режим клипирования

Актуализировал под Корделл модели, посмотрите сейчас
SOUZ-50 cordell.cir

[SAPR]

Будет работать так же успешно как и с вольтдобавкой работало

Не будет. У вольтдобавки намного ниже сопр. по постоянке, чем у ИТ.

нагрузка УН на ГСТ применяется в транзисторниках повсеместно

Да, в осных увесилителях, где есть связь по постоянке, у Вас же есть разделительная емкость. Куда течь разностному току?.

[Alex Ground]

Не будет. У вольтдобавки намного ниже сопр. по постоянке, чем у ИТ.

Будет, по постоянке сопротивление при одинаковых режимах эквивалентно . По переменке сопротивление ИТ выше, чем у вольтдобавки. Это только на руку.

---------- Сообщение добавлено 20:43 ---------- Предыдущее сообщение было 20:40 ----------

Да, в осных увесилителях, где есть связь по постоянке, у Вас же есть разделительная емкость. Куда течь разностному току?.

Постоянный ток течет через транзистор ГСТ, через лампу и в землю Сопротивление лампы постоянному току, в том режиме, в котором она работает в этой конкретной схеме порядка 100кОм.

---------- Сообщение добавлено 20:49 ---------- Предыдущее сообщение было 20:43 ----------

Нормальный чел применил бы стандартную дин нагрузку на NPN БТ или N- MOS

Будет ниже динамическое сопротивление для лампы, как результат ниже усиление, ГСТ предпочтительнее так как нагрузка у лампы практически сетка триода VL1.2 и высокое сопротивление со стороны ГСТ дает выигрыш в усилении.

[Alex Ground]

Я же сразу сказал, до усрачки. Практически реализованный Ку каскада на пентоде с дин нагрузкой на БТ, 1Мом, порядка 4000. Попробуй нас порадовать хотя бы сопоставимыми цифрами

Хороший результат!
Пришлите ссылку на ваше решение с Ку 72дБ на одном пентоде. В схеме с вольтдобавкой (та что железный макет с вольтдобавкой по первой ссылке в шапке), Ку 62дБ на практике, на 6ж1б, с ГСТ будет не ниже тем более у 6ф1п ещё и крутизна больше

[Alex Ground]

Попробуй нас порадовать хотя бы сопоставимыми цифрами

72дБ это всего лишь на 10дБ больше, чем было снято в железе с 6Ж1Б (пентод далеко не с самой высокой крутизной) с простейшей вольтдобавкой. А 10дБ усиления это хорошо, но не сказать ,что космический оторыв Тем более пентод там наверняка используется иной и такое сравнение просто некорректно, выше головы (возможностей конкретного пентода) не прыгнешь. Тут я взял 6Ф1П, крутизна её несколько выше, чем у 6ж1б, и ГСТ вместо вольтдобавки, рассчитываю на подъем усиления.

---------- Сообщение добавлено 02:32 ---------- Предыдущее сообщение было 02:32 ----------

Ничего и никуда слать не надо. Это кусок схемы реального телефонника для электростатов Staх, с питанием +630В, парафазным выходом и очень глубокой ООС.

Спасибо, обращу внимание на этот усилитель

[Petr-1951]

Тут я взял 6Ф1П, крутизна её несколько выше, чем у 6ж1б, и ГСТ вместо вольтдобавки, рассчитываю на подъем усиления.

представьте график петлевого усиления пожалуйста, у меня сомнение в устойчивости модели на реактивной нагрузке