Улучшение линейности (и не только) усилителя на LM3886

[Nick]

Финальные платы пришли, собираю. Посмотреть на них можно у меня на сайте или тут.

Ссылки по теме:
Новые платы дают около -120дБ искажений на THD 11кГц 60W (левый канал - усилитель). Интермодуляционные за гранью обнаружения IMD19+20 , IMD19+20 полный диапазон .

Черновик описания, списка деталей, и схемы, новой версии. Zero D 50 Rev D7.12.

Последняя рабочая версия схемы усилителя, питания и список используемых деталей - Zero D 50 Rev D4 (исправлена ошибка с MUTE, нумерация деталей не совпадает с предыдущими версиями). Небольшое описание усилителя.

Упрощённая версия для тех кто самостоятельно проектирует платы и не хочет возиться с большим количеством конденсаторов и резисторов. Вариант однослойных печаток под утюг от devisangela тут (упрощённая версия без стабилизаторов).

Модель (АФЧХ) в LTSpice.

Замерянные искажения у прототипа на 10кГц Rev. D4 THD 10kHz 40Vp-p (50W) 4Ohm - < 0.0004%. На графике -вверху вход, внизу выход.

Фото прототипа 1 и 2.

Печатки для прототипа использовал от ревизии С (нумерация деталей не совпадает).

Описание принципиальных отличий Rev. D от предыдущих версий тут.

Интересные осцилограммы: шунтировние электролита керамикой , и продолжение, работа стабилизатора, и продолжение, выход U1 под нагрузкой и без, то же (более правильно снято)

Метод измерения искажений звуковой картой с вычитанием гармоник (использовался вначале, когда небыло AMBER 3501 и генератора с низкими искажениями): 1, 2, 3, 4 . Обсуждение метода было тут.

История предыдущих версий. Статья Yewen-a есть тут.

[Nick]

Теперь, если мы в цепь петли включаем испытуемое устройство (например, усилитель) со своими амплитудными и фазовыми искажениями, то на выходе этого усилителя вход карты измеряет уже сигнал, в котором добавленные компенсационные составляющие тоже прошли через усилитель и подверглись тем же самым искажениям (особенно фазовым).

Да, я тоже над этим думал прежде чем сделать, но тут 2 но.
1. У моей (да и вероятно не только) ADC имеет 2-ю гармонику на уровне -115...120дБ, а остальные вообще невидно за шумом. Т.е. искажения в основном из-за DAC-а, и тогда метод компенсации работает практически правильно.
2. Даже если сигнал после DAC-а имеет гармоники для компенсации ADC то они успешно усилятся усилителем и практически не претерпят изменений, так как реально они нам нужны только до 50кГц. Точность с которой они должны быть усилены достаточно иметь 0.5дБ амплитуды и 1 градус фазы. Правда конечно если УМЗЧ имеет относительно низкочастотный входной/выходной фильтр то ничего неполучится (получится для 1кГц).

Добавлено через 1 минуту

а являются неким дополнительным сигналом, комбинации которого, к тому же взаимодействуют с гармониками усилителя и появляются дополнительные комбинационные составляющие

Уровень именно вот этих составляющих у нормального усилителя настолько низок, что нет смысла их рассматривать (искажения от искажений).

Добавлено через 13 минут
Вообще правильность работы метода подтверждает ещё то, что когда подключаешь мой усилитель без нагрузки, то оба канала звуковой карты показывают практически одно и тоже (один канал подключен на вход, другой на выход, гармоники скомпенсированы), т.е. компенсация работает отлично. Сомневаюсь (так как АФЧХ под нагрузкой и без я мерял), что после подключения нагрузки у нормального усилителя так сильно поменяется АФЧХ усилителя до 50кГц, что это нарушит компенсацию. Даже если это произойдёт, то результат в самом худшем случае будет отличатся не более, чем на двойной уровень искажений ADC (это если амплитуда не уменьшится, а фаза повернётся на 180 градусов, что вообще нереально).

Добавлено через 2 часа 19 минут
Вообщем другими словами если АФЧХ услителя не меняется более чем +/-0.5дБ +/-1градус в диапазоне измеряемых гармоник, то точность метода будет практически того же уровня, что и искажения на входе усилителя после вычитания. Это я говорю за мою карту и измеряемые уровни -120..130дБ. Если собственный уровень гармоник карты выше чем моей, то требования к АФЧХ усилителя усиливаются, либо упадёт точность измерений.

[Mad optic]

Да, я тоже над этим думал прежде чем сделать, но тут 2 но.
1. У моей (да и вероятно не только) ADC имеет 2-ю гармонику на уровне -115...120дБ, а остальные вообще невидно за шумом. Т.е. искажения в основном из-за DAC-а, и тогда метод компенсации работает практически правильно.
2. Даже если сигнал после DAC-а имеет гармоники для компенсации ADC то они успешно усилятся усилителем и практически не претерпят изменений, так как реально они нам нужны только до 50кГц. Точность с которой они должны быть усилены достаточно иметь 0.5дБ амплитуды и 1 градус фазы. Правда конечно если УМЗЧ имеет относительно низкочастотный входной/выходной фильтр то ничего неполучится (получится для 1кГц).

Nick,

Относительно п.1. Возможно есть недопонимание, но процесс, который я описал не зависит от того, где на пути СЛОЖНОГО гармонического сигнала (мультитонального) возникают искажения и каков их уровень.

Относительно п.2. Вот тут совсем не согласен. Обратите внимание - я ставил акцент на фазовых искажениях в усилителе, как наиболее опасных для данной методики измерений. Даже указанные вами параметры точности не выполняются на типовом усилителе с полосой пропускания, скажем около 200КГц (полюс ФНЧ), т.к. уже компенсирующий 9-ю гармонику сигнал при основном тоне в 1КГц "уедет" в сторону на почти 4 градуса.

А что делать, если аудиотракт достаточно длинный с кучей емкостей?

Добавлено через 1 минуту
Уровень именно вот этих состовляющих у нормального усилителя настолько низок, что нет смысла их рассматривать (искажения от искажений).

Добавлено через 13 минут
Вообще правильность работы метода подтверждает ещё то, что когда подключаешь мой усилитель без нагрузки, то оба канала звуковой карты показывают практически одно и тоже (один канал подключен на вход, другой на выход, гармоники скомпенсированы), т.е. компенсация работает отлично. Сомневаюсь (так как АФЧХ под нагрузкой и без я мерял), что после подключения нагрузки у нормального усилителя так сильно поменяется АФЧХ усилителя до 50кГц, что это нарушит компенсацию. Даже если это произойдёт, то результат будет отличатся не более чем на уровень искажений ADC.

Действительно, уровень искажений от искажений достаточно низок и я добавил их до полноты картины. И к тому же далеко не все усилители имеют гармоники ниже 90дб

[Nick]

Относительно п.1. Возможно есть недопонимание, но процесс, который я описал не зависит от того, где на пути СЛОЖНОГО гармонического сигнала (мультитонального) возникают искажения и каков их уровень.

Дело в том что добавляя гармоники в противофазе в сигнал DAC-а, мы тем самым уменьшаем уровень гармоник на его выходе, линеаризуем его. Если бы ADC были абсолютно линейными, то и уровень гармоник на выходе DAC-a реально соответсвовал тому что измеряется на его выходе после вычитания.

Добавлено через 1 минуту

Относительно п.2. Вот тут совсем не согласен. Обратите внимание - я ставил акцент на фазовых искажениях в усилителе, как наиболее опасных для данной методики измерений. Даже указанные вами параметры точности не выполняются на типовом усилителе с полосой пропускания, скажем около 200КГц (полюс ФНЧ), т.к. уже 9-я гармоника основного тона в 1КГц "уедет" в сторону на почти 4 градуса.

Я же говорю, надо мерять без фильтров, хотя 4 градуса и дадут ошибку она будет всё равно очень маленькой, можно посчитать впринципе.

Добавлено через 1 минуту

А что делать, если аудиотракт достаточно длинный с кучей емкостей?

Тогда точность будет определяться собственными искажениями ADC, что тоже не так уж плохо.

Добавлено через 1 минуту

И к тому же далеко не все усилители имеют гармоники ниже 90дб

Для таких усилителей хватит точности определяемой ADC, если вообще потребуется вычитание .

Добавлено через 7 минут
Подумал как посчитать, и понял что я незнаю уровень 10-й гармоники ADC, так как её невидно на измерениях искажений моего ADC. Отсюда понятно, что требование к АФЧХ усилителя для точности гармоник высоких порядков снижается. Если у ADC к примеру они лежат за уровнем -140дБ, то мы вычитаем только искажения DAC-а, и значит на входе усилитель имеет эту гармонику максимум на том же уровне, что видно на анализаторе плюс -140дБ .

[Mad optic]

Логично.

[Nick]

Логично.

Вот и я так думаю, спасибо за вопросы, похоже кроме вас так детально это никого неинтересовало

Добавлено через 2 минуты
Вот кстати график искажений моего ADC

[Вольный Каменщик]

Интересно,вгоняетса ли ЛМка в класс А? Теоретически т.к ЛМ это мощный ОУ то это возможно,практически же об этом я не слышал.

[Alex]

Вгоняется, но лучше если питание близко к максимальному - тогда дОльше "А-часть", если с резистором.
Измерения я не делал, но на слух почему-то лучше было, когда резистор цеплял к минусу а не к плюсу, хотя по идее - должно быть монопенисуально.

[Alex Nikitin]

Вот кстати график искажений моего ADC

Померяемся?

Вот графики моей карты с приличным внешним генератором.

Алексей

[MikeF]

Вгоняется, но лучше если питание близко к максимальному - тогда дОльше "А-часть", если с резистором.

лучше уж делать генератор тока, к чему эти модуляции тока сигналом

лучше было, когда резистор цеплял к минусу а не к плюсу, хотя по идее - должно быть монопенисуально.

судя по схемной структуре в даташите разница должна быть

[Audiomaniac]

Вольный Каменщик,

Интересно,вгоняетса ли ЛМка в класс А? Теоретически т.к ЛМ это мощный ОУ то это возможно,практически же об этом я не слышал.

Еще как вгоняется. Я измерял - с соответствующим резистором с питания четные гармоники на выходе исчезают практически полностью (хотя лучше бы нечетные конечно) ;)
С резистором 100 Ом (ток 300 мА, на резисторе рассеивается 8 Ватт), получается около 300мВт RMS (480 мВт пиковой) мощности на 6 Ом без отсечки (амплитуда выходного сигнала - 3.4 В peak-to-peak).
КПД почему-то получается существенно меньше 0.25..

[Nick]

Померяемся?

Вот графики моей карты с приличным внешним генератором.

Алексей

Классно (тоже в основном вторая, около -115дБ как я понял,). Алексей а что за карта у вас, всё таже RME Audio Digi96/8PAD ?

Добавлено через 2 часа 42 минуты

С резистором 100 Ом (ток 300 мА, на резисторе рассеивается 8 Ватт), получается около 300мВт RMS (480 мВт пиковой) мощности на 6 Ом без отсечки (амплитуда выходного сигнала - 3.4 В peak-to-peak).
КПД почему-то получается существенно меньше 0.25..

Я когда то думал над этим, для увеличения КПД лучше поставить 2 LM3886, соединить их выходы через низкоомный резистор и сместить одну односительно другой по постоянке, это не сложно. Вопрос зачем только это всё надо ?

[Alex Nikitin]

что за карта у вас, всё таже RME Audio Digi96/8PAD ?

Да, только недавно я заменил входные ОУ на LM4562.

Алексей

[Mad optic]

Да, только недавно я заменил входные ОУ на LM4562.

Алексей

Алексей, а инструментально улучшение после замены ОУ было зафикировано?

[Alex Nikitin]

а инструментально улучшение после замены ОУ было зафикировано?

Не особенно. Чуть изменилась структура гармоник, стало больше 2-ой и меньше 3-ей.

Алексей

[AudioKiller]

Народ, по поводу учета искажений карты.
1. А почему бы просто не измерить гармоники карты и не вычесть их (предварительно пронормировав) из выходного сигнала устройства? Каждую частоту поотдельности.
2. А компенсационным методом вычесть вход из выхода?

[Nick]

Народ, по поводу учета искажений карты.
1. А почему бы просто не измерить гармоники карты и не вычесть их (предварительно пронормировав) из выходного сигнала устройства? Каждую частоту поотдельности.
2. А компенсационным методом вычесть вход из выхода?

Я думаю тот метод что предложил я будет работать более точно, так как ADC обычно значительно лучше DAC, а значит домешивая синусы мы практически линеаризуем DAC, т.е. на его выходе реально будет присутствовать сигнал с очень низким уровнем искажений (К примеру с картой Алекса -115дБ 2-я, -125дБ третья и дальше наверно меньше -130дБ), к тому же это очень просто сделать.

Добавлено через 23 минуты

Да, только недавно я заменил входные ОУ на LM4562.

Мне давно казалось, что у хороших карт ADC явно лучше DAC, только генератора нет чтобы проверить. Посмотрел даташит на LM4562, интересно они гармоники меряли, ведь с AP 2 ниже -112дБ непомеряешь. Так они для замеров уменьшили глубину ООС для LM4562 на 40дБ, а потом результат разделили на 100

Добавлено через 15 часов 1 минуту
Вообщем я продолжил опыты с шунтированием. Собрал стабилизатор на LT1083, и подключил его к мосфету через резистор (пробовал 1.5ома и 4ома). Мосфет подключил к генератору. Пытал стабилизатор прямоугольниками. Выводы оказались на очень ВЧ (начиная с 0.5...1mHz) неутешительными. Шунтирование плёнкой, керамикой сводится на нет проводами длинной 1см (около 7nH один) так что отпадает даже смысл, потому что сами электролиты имеют примерно туже индуктивность. Для успокоения себя можно конечно повесить прямо на выводы LM3886, через низкоомный резистор (0.1ома)конденсатор 1-2.2uF.
Второй интересный факт для LT1083 это ёмкость конденсаторов необходимых для поддержки низкого импеданса вплодь до 100кГц. Для 100кГц конечно ёмкости большие не нужны, но так как сопротивление LT1083 начинает плавно увеличиваться с 1кГц, то для поддержки импеданса в районе частот 1-100кГц нужны конденсаторы в сумме более 5000uF (Panasonic FM 560uF 35V 10штук). В районе 7500-10000uF(Panasonic FM 1500uF 5 - 6 штук) наступает практически постоянство минимума импеданса вплодь до 100кГц (около 4-5mOhm), ну а на больших частотах потихоньку начинает мешать индуктивность. Вот такие вот пироги...

[ИГВИН]

постоянство минимума импеданса вплодь до 100кГц (около 4-5mOhm)

Nick, очень любопытно было бы сравнить два девайса с разными, но одинаково протяженными по частоте импедансами шин питания.

Например, с 4-5 mOhm*ми (как выше описано) и с 0,3...0,5 Омами (к примеру).

То есть, что более скажется на звуке: неравномерность АЧХ импеданса,
или же его абсолютная величина.

[Audiomaniac]

ИГВИН, у меня сложилось впечатление, что важно и то и другое: надо чтобы было и низко и ровно. Вывод - как можно ближе к лмке пару хороших электролитов на 470-1000 мкф и хорошую низкоимпедансную правильно разведенную силовую землю и все будет ок. Посмотрим даташит - там вообще рекомендуют электролит + тантал! + керамику 0.1мкф. Хотя керамика это уже перестраховка наверное..
Референсная плата из даташита на 4780: 1000мкф + 10мкф электролит + 0.1мкф керамика. И еще не очень понятно, зачем на этой плате сигнальная земля подключается к силовой через резистор, хотя источник питания всего один общий на два канала..

[Zanoza]

Offтопик:
Посмотрел у себя что творится с питанием. Усилок дискретный Банки EPCOS 41303-15000u + 41505-4700u. При шунтировании пленкой звон. Без шунтов тоже звон, только небольшой. Звонит перестает только при шунтировании небольшим электролитом от 470u. Если добавить пленку выброс становится немного "зубчатым". У себя оставил только электролиты 2 по 470u. Для себя вывод сделал такой, большие банки полюбому нужно шунтировать небольшими электролитами даже если стоит пленка. Хм.. наверно банальную вещь написал

[Alex]

Сообщение от Alex
лучше было, когда резистор цеплял к минусу а не к плюсу, хотя по идее - должно быть монопенисуально.

судя по схемной структуре в даташите разница должна быть

Поясни. По той схеме из ДШ, мне показалось что будет или одинаково, или лучше "к плюсу", на деле - оказалось лучше "к минусу".