Два усилителя на токовых зеркалах Уилсона

[Игорь_ЕД]

Интересует мнение о следующих двух усилителях (сам нарисовал). Первая схема родилась из идеи, что единая глобальная отрицательная связь не лучшее средство борьбы за качество звука. Поэтому усилитель охвачен двумя ветвями ОС. Наружная - по напряжению и внутреняя - токовая. (Такая же схема применяется в усилителе Nataly). Усилитель обсуждался здесь http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=76548 . В результате токовые зеркала были заменены на ТЗ Уилсона и усилена коррекция. Вторая схема родилась после прочтения постов об усилителях с минимальными ОС (типа JLH) (особенно интересны были впечатления о прослушивании). В результате, стоящий на входе LM318 был из схемы удалён и уровень обратной связи существенно уменьшён (ещё чуть поменял коррекцию). Посколько я в схемотехнике начинающий, интересует, не наделал ли явных ляпов. Интересно, какую схему выбрать для реализации, какая в этом смысле проще и какая должна лучше звучать? Архив.zip Схема без LM318.WMF Схема с LM318.WMF В архиве микрокаповские модели и спектры искажений.

[Игорь_ЕД]

Разобрался, почему вторая схема без LM318 должна быть аудиофильской. Особенность схемы в резисторе R10 1k на входе первого токового зеркала. Вместе с входной ёмкостью токового зеркала он образует ФНЧ первого порядка. Это приводит к тому, что напряжение между эмитерами транзисторов Q1,Q2 запаздывает по фазе от входа. Делая в Микрокапе анализ устойчивости, меня удивило, что исходя из этого анализа, усилитель должен возбуждаться, хотя на тестовых сигналах он был весьма устойчив. И я понял, где ошибался. За вход усилителя я брал точку на входе резистора R10. А надо было точку на выходе этого резистора (т.е. точку между эмитерами транзисторов Q1 и Q2). Ведь от сигнала в этой точке вычитается сигнал обратной связи в точке между эмитерами транзисторов Q4 и Q5. А особенностью токового зеркала Уилсона состоит в том, что оно сильно выравнивает токи в обоих плечах. В нашем случае это приводит к тому, что сигнал на входе усилителя и сигнал обратной связи практически совпадает по фазе в широкой полосе частот. Анализ показал, что на частоте 1 мгц (на этой частоте усиление усилителя уже меньше 0 дб) разница в фазе между входных сигналом и сигналом обратной связи составляет всего 7 градусов. На более низких частотах - пропорционально меньше. Почему народ тащится от таких усилителей типа JLH, Hiraga, Lynx? Дело в том, что у них сдвиг по фазе по обратной связи очень мал. А все теории о гармониках и о том, что должен быть большой уровень обратной связи на 20кгц вызывает у меня сомнения. Эта теория верна только для синусоидальных сигналов. С простыми искажениями эта обратная связь справляется. А сложные искажения выходного каскада эта ОС обрабатывает плохо и это приводит только к размазыванию гармоник. У предложенного усилителя без LM318 уровень ОС не так и велик и на 20 кгц составляет всего 60 дб. Но это не имеет никакого значения. Главное, что ОС работает практически в фазе с сигналом. Для проверки своей теории перевёл усилитель из класса АБ (65 ma в покое на выходное плечо) в класс Б (20ma в покое). Уровень гармоник практически не изменился. Их спектр остался ламповым.

[Игорь_ЕД]

Разобравшись с первой схемой, внёс соответствующие измения в первую (чтобы она была в духе второй). Для этого ОУ притормозил кводовской коррекцией с выхода ОУ на вход. А корекцию на запаздывание всего усилителя уменьшил. В результате внутренняя часть усилителя стала более скоростной и на частоте единичного усиления (2.15 мгц) запаздывание по фазе внутренней токовой ОС составляет около одного градуса. Запаздывание по фазе наружной ОС по напряжению на этой частоте составляет 36 градусов (то есть запас по фазе - 144 градуса). В следствие этого усилитель рисует хороший меандр для широко диапазона коррекции по опережению. Искажения уменьшились ещё в два раза. Их малый уровень обусловлен тем, что плохие искажения выходного каскада обрабатываются два раза. Сначала быстродействующей внутренней токовой ОС, а затем ещё дополнительно ОС по напряжению. Вместе с тем размах напряжения сигнала в любой точке усилителя имеют приличный уровень (порядка уровня входного сигнала). Это снижает склонность усилителя к внешним наводкам и к самовозбуждению. Вследствие этого проценты искажений в симуляторе могут быть повторены (надеюсь) в железе. LM318.CIR LM318.WMF Выкладываю изменённую схему.

[SAPR]

Токовые зеркала (на дискрете) без резисторов в эммитерах только в симуляторе работают. Корректирующая емкость в 400 пФ (тем более ВК - тройка) - не сильно ли много?

[Игорь_ЕД]

Насчёт выравнивающих резисторов. В первой версии усилителя с LM318 и с простыми токовыми зеркалами и без выравнивающих резисторов делал (в симуляторе) такой эксперимент. Один из транзисторов во всех токовых зеркалах (например, правый) заменял на транзистор другого типа. Например, BC546-556 на BD139-140. Это вообще транзистор другой весовой категории. После этого как меандр так и гармоники практически не менялись. Лишь чуть вырастали чётные гармоники. То есть это приводило к лёгким искажениям, которые легко ликвидировала большая отрицательная связь. При замене простых токовых зеркал на ТЗ Уилсона положение ещё больше улучшилось. В этом вижу преимущество усилителя с ОУ и большим уровнем ОС. Он практически не чувствителен к параметрам транзисторов. Что касается версии усилителя без ОУ, то экспериментов ещё не проводил, но обязательно проведу. Спасибо за вопрос. Есть надежда, что ТЗ Уилсона менее чувствительно к разбросам параметров транзисторов. Но если надо, то буду думать о резисторах.
Насчёт коррекции. Сначала в усилителе с опером была коррекция по запаздыванию 300p. Затем - 600p. Затем сегодня пересмотрел коррекцию (см. пред. пост). Сейчас 220р. Коррекцию выбирал, чтобы полоса (т.е. где уровень усиления - 0 дб) была не больше 7 мгц (чтобы усилитель мог повторить человек неопытный и не ловить помехи от БП). Если увеличивать полосу, то гармоники в симуляторе конечно уменьшаются, но думаю о простоте повторения. Что касается усилителя без ОУ, то там две коррекции по запаздыванию. Один полюс 12p и второй полюс - 2n. Интересно, что при увеличении коррекции гармоники не увеличиваются. Поэтому и оставил большую коррекцию для простоты повторения. Интересно, что два полюса не потребовали организации нуля. Т.е. добавление коррекции на опережение ничего не изменяло.

---------- Добавлено в 21:06 ---------- Предыдущее сообщение в 20:46 ----------

Провёл эксперимент с усилителем без ОУ. Два транзистора в правых плечах входного токового зеркала заменил на BD139-BD140. Гармоники (не главные, а хвост) возросли, что не хотелось бы. Если заменить BC 546-556 на BC546b-556b (причём ещё дополнительно увеличил бэту до 400 - слева стояло 200 и 300) не привело к увеличению гармоник. Пока не знаю как в симуляторе поменять ток эмитер-база. Буду разбираться.

---------- Добавлено в 21:15 ---------- Предыдущее сообщение в 21:06 ----------

Замена параметра VJE (потенциал эмитер-база) в одном плече зеркала гармоник не прибавило.

[Александр Котов]

Токовое зеркало - элемент стольже красивейший, сколь и бесполезный в УМЗЧ.

[Игорь_ЕД]

Алесандр Котов. А если можно по-подробнее. Просто интересно, с какими я могу столкнуться трудностями. Токовые зеркала с успехом применяются в быстродействующих ОУ. В токовых ОУ часто ставят простое токовое зеркало на вход и ТЗ Уилсона во второй каскад. Вероятно, во вход ТЗ Уилсона не ставят, поскольку оно будет там подтормаживать (рядом в ветке про усилитель Nygard про ТЗ Уилсона говорилось, что они тормозные). По ссылке из первого поста на сайт паяльник можно найти схему усилителя Маранц М9, в котором на входе ТЗ Уилсона, а во втором каскаде простые ТЗ с выравнивающими резисторами. Андронников использовал с успехом ТЗ во втором каскаде. Правда, он усиливал их каскодом. Т.е. в принципе примеры успешного примения ТЗ есть. Насчёт частоты единичного усиления в одном из предыдущих постов я скорее всего ошибся. (Речь идёт об усилителе с LM318). Для надёжности я в симуляторе сравнил фазу на обычном и инвертирующем входе ОУ на всём частотном диапазоне усилителя (до 7 мгц). Разница в фазе не превысила 95 градусов. В диапазоне до 100 кгц разница в фазе не превышала одного градуса. Это даёт основание надеяться что ОС не будет гадить звук. Также внутренняя токовая ОС работает практически в фазе. Графики АС-анализа выкладываю в архиве Архив.ZIP

[SAPR]

Токовое зеркало - элемент стольже красивейший, сколь и бесполезный в УМЗЧ.

В нужных местах и токовое зеркало может пригодиться (причем, если учитывать, что оно на дискрете, а не в интегральном исполнении).
По поводу схемы топикстартера - так 8 транзисторов можно и по другому расположить, и не в виде зеркал - и это будет намного лучше. Хотя это будут давно известные, просчитанные и проверенные схемы.

поскольку оно будет там подтормаживать (рядом в ветке про усилитель Nygard про ТЗ Уилсона говорилось, что они тормозные).

Что значит "тормозные" и где об этом говорилось?
Симулятор - мощный инструмент, также как паяльник и осцил. Только нужно уметь им пользоваться. А иначе - "онанировать на нули после запятой" А. Котов (С) - с чем и я согласен.
По поводу корр. емкости в 400 пФ - отнюдь не имел в виду ни частоту среза, ни прочие разные полюса. Просто она "лошадиная" (Malefactor_8Hz (C)) - если ОС ный УМ корректируется емкостями более 300 - 400 пФ (равно как и менее 10 - 15 пФ) - место ему на помойке.

[Игорь_ЕД]

SAPR. Полностью с Вами согласен. То, что восемь транзисторов можно расположить по-другому - это очевидно. Более того, это замечание применимо к любой ветке на этом форуме (возможно с заменой числа восемь на другое). Насчёт того, что будет намного лучше - так для начала мне хотелось определиться бы с критериями - где будет лучше, а где хуже. (Появились идеи насчёт сдвига фазы). Заметьте, насчёт нулей после запятой я вроде не высказывался. Более того, уверен, что не в этом счастье. (Если Вы помните, я тут упоминал усилители JLH, Hiraga, у которых нулей нет не только после, но и до запятой). Насчёт того, что токовые зеркала Уилсона тормознутые - так я выражался в том смысле, что в ОУ на входе при работе на сотнях мегагерц это будет чувствоваться. Если этот вопрос вызывает сомнение - дополнительно проверю. Что насчёт ТЗ Уилсона говорилось в ветке про усилитель K.H.Nygaard - особенно не вчитывался. Возможно насчёт этой ссылки я ошибся. Насчёт умения пользоваться симулятором - пока я только учусь и вот не смог найти частоту единичного усиления, поскольку с обратными связями сильно наворочено. Если ещё где накосячил - буду рад, если поправят. Насчёт корректирующих ёмкостей - поставил, исходя из простоты повторения. Что касается их величин - так это смотря где эти ёмкости стоят. Для коррекции Миллера одним конденсатором 400p - это конечно много. А в других случаях - надо смотреть. Если у меня коррекция не приводит к сдвигу фазы, так почему бы и нет? Выскажу мнение, что применение токовых зеркал в звуке естественно. Ведь транзистор гораздо ровнее усиливает ток, чем напряжение. Отсюда мысль, что работать надо с токами, а не с напряжением. Первое зеркало преобразует входное напряжение в ток и вычитает из него ток обратной связи. Подозреваю, что оно также выравнивает фазы входа и обратной связи. Второе зеркало затем повторяет этот ток на высокомной нагрузке (получается усиление по напряжению). Транзистор усиливает плохо (в смысле сильно нелинейно). Использовать его нужно в качестве повторителя. Поэтому первые два каскада чисто повторяют ток. Выходной каскад чисто повторяет напряжение. Очень всё естественно получается. А вообще я просил помощи, не накосячил ли где в мелочах.

[Александр Котов]

А если можно по-подробнее. Просто интересно, с какими я могу столкнуться трудностями.

Если нужно усилить ток, то нужно использовать эмиттерный повторитель (лучше с динамической нагрузкой для линейности). Кроме как во втором каскаде схемы усилителя мощности, подобной Холтону, полезного места для токового зеркала не знаю. А ТЗ Уилсона вообще склонно к генерации в усилителе с ООС.

[Игорь_ЕД]

Александр Котов. Ток у меня усиливается как у всех - стандартная комплементарная тройка Дарлингтона на выходе. Хотя мне советовали поэкспериментировать с паралельным повторителем с динамической нагрузкой (источником тока) в первом каскаде. Что это мне даст - не знаю. Будет видно. Уважая Ваше мнение насчёт токовых зеркал, позвольте иметь и своё. Согласен полностью с Вами насчёт сомнительности применения токовых зеркал в усилителях с обратной связью по напряжению. А в усилителях с токовой обратной связью - почему бы и нет? Я тут по неосторожности выразился, что ТЗ Уилсона вероятно будет подтормаживать на входе усилителя и оказался не прав. Моделирование показало, что меняя коррекцию усилителя из первого поста (без LM318) (с 12р-2n до 6р-30р) можно заставить усилитель рисовать практически прямоугольный меандр. При этом, правда, полоса усиления усилителя увеличивалась с 900кгц до 23мгц. Понятно, что для звука это никакого смысла не имеет. Чем мне нравится тот усилитель, так именно его устойчивость. Рисует идеальный меандр практически при любых номиналах коррекции. Причём при завышенной коррекции параметры не ухудшаются.
Сегодня, следуя совету SAPR, попробовал по-другому (следуя классикам) расставить восемь транзисторов. Вот получилась такая схема Альтернативна&#110.WMF. Автора не называю, поскольку вполне возможно, что наделал косяков в схеме и будет перед ним неудобно. Схема выбрана просто как стандарт качества - чтобы было видно, куда стремиться. Эта схема по спектру гармоник на сигнале 10кгц была лучше предложенной мной (без LM318) раза в два-три. Вторая - третья гармоника у неё - 0.0008 - 0.001%. У меня - 0.002-0.003%. Дальше у обоих схем гармоники быстро уменьшаются, но тем не менее, у меня они всё равно в два-три раза больше. Стал думать - куда копать, чтобы улучшить характеристики. Поднял напряжение в левой части усилителя до 50в, а справа до 35в. Гармоники у меня подсократились раза в два-три. Дальше сделал такой трюк - поднял напряжение на выходе буферного ОУ до 3в. А коэффициент усиления остальной схемы уменьшил до 6.66. В результате гармоники ещё сократились. В результате вторая-третья гармоника у меня 0.0002-0.0003%. Думаю этого достаточно и дальше смысла уменьшать гармоники нет никакого. Ухо не различит. В связи с этим думаю, а стоит ли делать схему с LM318, когда и без неё всё в порядке? У меня к участникам форума возникли вопросы. А как лучше запитать левую часть усилителя? Ранее планировал микросхемами LM317T-LM337T. Можно ли их ставить последовательно, чтобы удвоить напряжение? Нет ли в сети готовых схем такого плана? Если слева повышать напряжение, то там четыре из двенадцати транзисторов надо заменить на более высоковольтные. Какие транзисторы подойдут для 50v - 5ma? Какой из недорогих оперов бует хорошо работать при выходе 3v -1ma?

[Shurik]

Хотя мне советовали поэкспериментировать с паралельным повторителем с динамической нагрузкой (источником тока) в первом каскаде. Что это мне даст - не знаю.

Звук!

Автора не называю

Л.Зуев

Какие транзисторы подойдут для 50v - 5ma?

2SC2705/2SA1145, 2SC2910/2SA1208

[malefactor_8hz]

левой части усилителя до 50в, а справа до 35в

Это брутально.

[fakel]

Тут
https://forum.vegalab.ru/showthread....скада-Янкевича
обсуждался подобный входной каскад, его параметры весьма и весьма обещающие. В постах 21-23, 32 обсуждается входной каскад сабжевого уся, только диоды заменены на резисторы. Как показала симуляция уся "без LM", такая замена перераспределяет гармоники в сторону четных, общий же Кг остается практически неизменным.