УМЗЧ на ВЧ и СВЧ транзисторах с малыми нелинейными искажениями
ВведениеСкрытый текст
ВступлениеСкрытый текст
Идея данной разработки возникла с тех пор, как я почувствовал существенную разницу в звучании операционных усилителей (ОУ). Так например, после замены в темброблоке ОУ К544УД2 на LM833 для меня открылся совершенно другой уровень качества звучания. А именно высокая детальность и читаемые «верхи». В свою очередь следующим моим этапом была замена LM833 на LM4562. Последняя микросхема обеспечивала превосходное, чистое и прозрачное звучание без малейшего намёка на искажения. Причём если поставить ручки тембра в средние положения, то услышать разницу звучания с темброблоком и без него практически невозможно. Чего нельзя сказать о LM833 (и уж тем более микросхемах отечественного производителя). В средних положениях ручек тембра наблюдалось бедное (серое) звучание, с заметной потерей прозрачности.
Что касается усилителей мощности, то самым прилично звучащим (хоть и неудачным) в моей практике я считаю усилитель на ОУ с раскачкой по шинам питания, где в качестве драйвера использовалась микросхема OP27 от Analog Devices. Даже 60-ти ваттный усилитель на LM49810 звучал заметно хуже. LM3886 вообще ничем не порадовала, кроме как простотой схемы включения.[свернуть]
Какой звук усилителя можно считать качественным?Скрытый текст
Я слушаю больше рок-музыку. Поэтому применительно к ней выскажу два требования для усилителя:
1. Чистые и чёткие высокие частоты.
2. Малые гармонические составляющие.
Эти требования по идее должны способствовать читаемости и уменьшению «песка» (грязи) в звуке.[свернуть]
В чём секрет высококачественных звуковых ОУ?Скрытый текст
Насколько я понимаю – увеличение граничной частоты и линеаризация передаточной характеристики, нередко сопровождающаяся большим усилением на постоянном токе при разомкнутой ООС.[свернуть][свернуть]
Текущая версия проектаСкрытый текст
Усилитель V7_Audio_Amp_RF_T
Электрическая схема УМЗЧ и результаты виртуальных испытаний в MicroCap 9
Схема изначально базировалась на классическом УМЗЧ с раскачкой по шинам питания. В качестве драйвера использовалась нелинейная модель ОУ OP37.
Выходной каскад (ВК) было решено делать только на быстродействующих DMOS транзисторах, включённых по схеме c общим истоком. Такое построение ВК должно обеспечивать больший КПД усилителя и устойчивость (думаю многим известно, что схемы истоковых (да и эммитерных) повторителей склонны к самовозбуждению).
Но как оказалось не всё так просто. Чтобы обеспечить высокую граничную частоту усилителя, необходимо добиться минимальной задержки прохождения сигнала, через весь тракт. В данном случае OP37 уже обеспечивал большую задержку, в добавок он не имеел выводов коррекции. Поэтому в конечном итоге пришлось отказаться от использования микросхем.
Далее оказалось большой проблемой раскачать затворы полевых транзисторов в ВК (IRF530 и IRF9530), поэтому пришлось использовать двухтактные двухкаскадные эмиттерные повторители на BFQ19+BFQ149 и BD139+BD140.
Драйвер усилителя выполнен на маломощных СВЧ транзисторах с граничной частотой >= 5 ГГц. Благодаря этому обеспечивается достаточное быстродействие и чувствительность на высоких частотах.
Результаты моделирования
Тестовые условия: напряжение питания - +/-33 В; нагрузка - активная 4 Ома; средняя синусоидальная мощность 110 Ватт; пиковая мощность - 220 Ватт.
АФЧХ усилителя с открытой обратной связью в 3-х критических точках выходного напряжения v(OUT) {-29V, 0, +29V}
Гармонические составляющие на частоте 1 кГц и 10 кГц, дБ
Интермодуляционные искажения (сигналы 7 кГц и 50 Гц в соотношении 1:1, пиковая мощность 220 Ватт)
Основные параметры усилителя:
- Напряжение питания - двухполярное +/- 33 В
- Номинальное сопротивление нагрузки – 4 Ома
- Номинальная выходная (средняя синусоидальная Ps) мощность – 110 Ватт
- Коэффициент усиления по напряжению - 30 раз
- Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 105 дБ (180 000 раз)
- Уровень гармонических составляющих на частоте 1 кГц и мощности 110 Вт – минус 100 дБ (0,001%)
- Уровень гармонических составляющих на частоте 10 кГц и мощности 110 Вт – минус 81 дБ (0,009%)
- Уровень интермодуляционных составляющих (при 7 кГц и 50 Гц (1:1) в пике огибающей 140 Ватт) – минус 94 дБ (0,002%)
- Входная ёмкость - 1 пФ
- Частота единичного усиления (Ft) - 30 МГц
- Запас по фазе (при Ku=30) - 46 - 68 градусов
[свернуть]
Архивные варианты усилителейСкрытый текст
Один из первых удачных вариантов Audio_Amp_RF_T
Скрытый текст
Основные файлы проекта: Audio_Amp_RF_T_CIR.zip, Audio_Amp_RF_T_PDF.zip
Электрическая схема УМЗЧ и результаты виртуальных испытаний в MicroCap 9
Основные параметры усилителя:
- Напряжение питания - двухполярное +/- 33 В
- Номинальное сопротивление нагрузки – 4 Ома
- Номинальная выходная (средняя синусоидальная Ps) мощность – 70 Ватт
- Коэффициент усиления по напряжению - 30 раз
- Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 124 дБ (1,63*10^6 раз)
- Уровень гармонических составляющих на частоте 1 кГц и мощности 70 Вт – минус 105,8 дБ (0,00051%)
- Уровень гармонических составляющих на частоте 10 кГц и мощности 70 Вт – минус 99,4 дБ (0,0011%)
- Уровень интермодуляционных составляющих (при 7 кГц и 50 Гц (1:1) в пике огибающей 140 Ватт) – минус 90.5 дБ (0,0030%)
- Входная ёмкость - 1 пФ
- Частота единичного усиления (Ft) - 10-12 МГц
- Фазовый сдвиг на частоте Ft - 135 градусов
[свернуть]
Внимание!!! В SPICE модели BFQ149 допущена ошибка. Указан неправильный тип транзистора в подсхеме.
Поэтому выложил исправленный файл библиотеки ph_rfdev.lib (лежит в архиве). Его нужно кинуть в папку MC9\LIBRARY (разумеется по желанию свой файл можно сохранить в отдельном месте).[свернуть]
Достоинства усилителяСкрытый текст
- Маленькая входная ёмкость (следовательно малое влияние её нелинейности)
- Высокая частота среза
- Высокая линейность
- Большой КПД
- Питание от одного двухполярного источника
- ВК на полевых транзисторах по схеме с ОИ
[свернуть]
Интересные результаты моделирования и варианты схем усилителяСкрытый текст
- АФЧХ одного из первых вариантов усилителя - #105
- АФЧХ моего дискретного аналога AD797 - #107
- АФЧХ популярной микросхемы LM3886 - #166
- Демонстрация прокачки большой входной ёмкости DMOS-транзисторов - #254
- ViktKors исследует АФЧХ выходного каскада - #281
- Как «подзванивает» истоковый повторитель - #294
- Большие фазовые задержки классической схемы УН+Повторитель - #302
- Как ООС позволяет решить проблему фазовых задержек в УН - #310
- Вариант усилителя, в котором выходной каскад (ВК) - истоковый повторитель, а УН охвачен резистивной ООС по постоянному току - #324
- Исследование меандром 100 кГц. Демонстрация плохой устойчивости этого усилителя при больших амплитудах выходного напряжения - #326
- Первые шаги к построению концепции быстродействующих усилителей, в которых ВК на полевых транзисторах по схеме с ОИ - #338
[свернуть]
Список измененийСкрытый текст
По второй версии усилителяСкрытый текст
Дата 29.07.2011
- Уменьшено напряжение питания драйвера до +/-10, чтобы увеличить запас по пробивному напряжению СВЧ транзисторов.
- В усилителе произошла замена СВЧ транзисторов на самые доступные и подходящие:
Комплиментарная пара NPN BFR92A + PNP BFT92.
(Pd=300 мВт, Uкб = 20В, Ik= (25-35) мА, Cэ= (0.8-1.2) пФ, Cк= (0.8-1.2) пФ, Ft=5 ГГц, Корпус - SOT-23)
И NPN BFQ19 + PNP BFQ149
(Pd=1000 мВт, Uкб = 20В, Ik= 100 мА, Cэ= (4-5) пФ, Cк= (1.6-2) пФ, Ft=(5-5.5) ГГц, Корпус - SOT-89)- Введена термокомпенсация тока покоя выходных каскадов в диапазоне температур -20 - 85 градусов. Ток покоя (20-80 мА)
- Оптимизирована схема драйвера на базе AD797 и получен уровень THD+IMD меньше минус 115 дБ (0.00017%) (файл MicroCap прилагается )
- Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 124 дБ (измерялось на 100 Гц)
[свернуть][свернуть]
Сообщение от ViktKors
Социальные закладки