УМЗЧ на ВЧ и СВЧ транзисторах с малыми нелинейными искажениями

[Mepavel]

Введение

Скрытый текст

Вступление

Скрытый 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 проекта

Скрытый 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 усилителей

Скрытый 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 усилителя

Скрытый 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 усилителя

Скрытый 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 изменений

Скрытый текст

По второй версии усилителя

Скрытый 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]

[Nick]

Произведение усиления на полосу, пропорционально если что усилению на постоянном токе. Посмотрите АФЧХ микросхем LM4562, LM3886 и т.д. Как видите у них полюс на 10-100 Гц. Причём про нули Вы мне тайну не открыли. На частоте нуля фаза +45, и подъём АЧХ 20 дб/дек.

Понимаете в чём дело, вроде бы в этом вашем ответе вы пытаетесь показать, что я написал ерунду и что вы как бы знаете принципы корректировки усилителей с ООС... Хотя все ваши посты и действия говорят об обратном. И этот ваш метод общения прослеживается в каждом вашом ответе, кому нибыло. Пока вы не завяжете с этим, ни к чему конструктивному ваше общение не приведёт.
И кстати, если что, я написал не произведение усиления на полосу, а "максимально достижимое произведение усиления на полосу" - это ограничение, а не зависимость. Да и учиться корректировать усилители по даташтах на ОУ, это не самый лучший метод.

[malefactor_8hz]

Как человек простой с простыми вопросами, повторюсь.

Предложения к рассмотрению:

- использовать в выходном каскаде ОИ может быть интересно в классе А (и драйвер, конечно.)

- если использовать в В\АВ, можно сделать в каждом плече phase splitter и с него сразу два мощных тр-ра, с ОИ и с ОС.

-составные (с полевыми) тр-ры на выходе.

Хорошо бы в правой части напряжение усиливать чем-то более для того приспособленным.

Если вся левая часть до параллельника на Х11-Х14 в интегральном исполнении, и питание +\- 10В чистое, то нормально.

По дополнительной цепочке ООС, вопросы автору:
- Какой конденсатор на позиции С2? NP0 входит по току\напряжению?
- Где у Вас первый полюс, где второй, и чем образуются?

[Mepavel]

Устойчвость ООС может быть соблюдена при любом количесве полюсов до ед. усиления в петле, потому как есть ещё нули...

Т.е. любую задержку можно компенсировать по Вашему? Любым количеством нулей?

[Nick]

Т.е. любую задержку можно компенсировать по Вашему? Любым количеством нулей?

Полюс, может быть "cкомпенсирован" нулём - да.

[Mepavel]

По схеме ВК: ток предов - 120мА, драйверов - 200пА (пикоампер!) Ток полевика - 7А. Это нормально?

Модель BFQ149 исправили? Ток полевика 7 А нормально. 28 Вольт/4 Ома = 7. Я же написал в посте. Что мы смотрим самый неблагоприятный режим, т.е. под смещением, когда ёмкости полевиков возрастают и усиление максимально.

[fakel]

Модель BFQ149 исправили?

Нет. Скачал последнюю выложенную модельку. ни у 149 ни у 19 hot/lin/off не показывает

[Mepavel]

Полюс, может быть "cкомпенсирован" нулём - да.

Это только если использовать идеальные модели ОУ в качестве усилительного элемента (с нулевой задержкой). При этом не осуществляется некомпенсируемый фазовый набег. Это всё понятно.
Но на практике то вообще нет идеальных усилительных элементов с нулевым Rвых и задержкой. Два полюса максимум, больше только вредит.
Вообще мне бы хотелось услышать более глубокие мысли. А то опять ничего. Скажите в чём же неправильность моего подхода? И разработчиков хоть тех же LM-ок?

---------- Добавлено в 21:50 ---------- Предыдущее сообщение в 21:48 ----------

Нет. Скачал последнюю выложенную модельку. ни у 149 ни у 19 hot/lin/off не показывает

Я вообще про файл ph_rfdev.zip‎ из первого поста. Можно просто в подсхеме модели BFQ149 тип подправить. с NPN на PNP.

[fakel]

Вообще мне бы хотелось услышать более глубокие мысли. А то опять ничего.

Offтопик:
Вот видишь как... Назвался груздем - полезай в кузов

---------- Добавлено в 23:53 ---------- Предыдущее сообщение в 23:52 ----------

Э
Я вообще про файл ph_rfdev.zip‎ из первого поста.

О как! Я и не догадался! А должен

[Mepavel]

О как! Я и не догадался! А должен

Вы ни кому здесь ничего не должны. Я понимаю, что тупость выкладывать схему, у которой модель транзистора с ошибкой (просто транзюк хороший вплане доступности и параметров). Но те кому интересно - не ленятся, заменяют LIB-файл.
P.S. Просто у меня токи вроде адекватные везде показываются.

[Nick]

Это только если использовать идеальные модели ОУ в качестве усилительного элемента (с нулевой задержкой). При этом не осуществляется некомпенсируемый фазовый набег. Это всё понятно.
Но на практике то вообще нет идеальных усилительных элементов с нулевым Rвых и задержкой. Два полюса максимум, больше только вредит.
Вообще мне бы хотелось услышать более глубокие мысли. А то опять ничего. Скажите в чём же неправильность моего подхода?

Не знаю чего вам там понятно, но всё что я говорил справедливо и для практических реализаций. Hа практике в рамках рассматриваимых нами частот усилитель с отключенной ОС ведёт себя фактически как минимальнофазовая система.
Неправильность подхода в том, что вы относитесь к собеседникам не уважительно. Не особо вникаете/думаете над тем что вам говорят, и потом говорите что там нет глубоких мыслей и для вас в этом нет ничего...

[fakel]

Вы ни кому здесь ничего не должны.

Ну наконец-то вы это усвоили Прогресс!

Я понимаю, что тупость выкладывать схему,

И это прогресс!

Но те кому интересно - не ленятся, заменяют LIB-файл.

Или весь микрокап...

Кстати, Павел, это не вы на сталкере "Паэл". Те же "пальцы", тот же стиль. Если да, то откуда вы из Челябинска (сталкер) или из Воронежа? (Нет, я в гости не напрашиваюсь, просто интересно)

---------- Добавлено в 00:16 ---------- Предыдущее сообщение в 00:11 ----------

Как видно из постов на сталкере, скапом вы знакомы всего 5 дней...
http://www.stalker-lab.ru/forum/show...&postcount=115

---------- Добавлено в 00:17 ---------- Предыдущее сообщение в 00:16 ----------

Не, чуть больше - месяц

---------- Добавлено в 00:22 ---------- Предыдущее сообщение в 00:17 ----------

Просто у меня токи вроде адекватные везде показываются

Перичислите покаскадно

[Mepavel]

Как видно из постов на сталкере, скапом вы знакомы всего 5 дней...

Так-так... Типа не знаю как прилепить модель транзистора, которая является списком соединений с двойным вложением?

[Mepavel]

Перичислите покаскадно

Пожалуйста

[fakel]

спасибо, все совпадает

[fakel]

Так-так... Типа не знаю как прилепить модель транзистора, которая является списком соединений с двойным вложением?

Ну вот, втречные обвинения. Значит все-таки вы. Не не знаю, а не хочу делать лишних телодвижений

[Mepavel]

Да, параллельник хорошая штука. У ПП напряжение мало бегает, но насколько я помню у двухтактного на латералах что ток, что напряжение от температуры также мало плывут, а там может еще какие плюсы отметите. Это я не утверждаю, нужно проверить.

Не вижу плюсов в тех латералах средней мощности. Внесут больше задержки и сделают размазню на выходе.

А какой конденсатор на позиции С2? Нормальный NP0 входит по току\напряжению?

Подходит можно включить два последовательно 50-ти вольтовых, если нет с большим пробивным.

А где у Вас первый, где второй, и чем образуются?

Первый на усилителе напряжения где С1 (порядка 1 кГц), второй на полевиках (к сожалению на 1 МГц, в идеале бы на 10 мегагах… но не судьба, такой уж транзистор)

---------- Добавлено в 23:11 ---------- Предыдущее сообщение в 23:06 ----------

А можно составные на выходе попробовать сделать, что тогда?

Нужно над схемкой пофантазировать, а то так дела не будет, по моему скромному мнению.

Да походу надо попробовать выходной каскад на эмиттерном повторителе. А УН в классе А на BD139-140. Чтобы не было зависимости усиления от уровня.
Кстати копия AD797 хорошая получилась. В модели по ФЧХ на голову выше.

[malefactor_8hz]

Должно быть, мои сообщения не в кассу были, но я не из праздного любопытства их оставлял.

Здесь не о полюсах и нулях нужно бы речи вести, а о вещах принципиальных: что за каскады и как работают.

И завсегдатаи, вместо того, чтобы причленить новичка, могли бы здравое направление указать.

[Mepavel]

Предвыход из А не выходит?

Классом A - сложно назвать, скорее AB.

[ViktKors]

Как видно из рисунков ФЧХ и анализа переходных процессов (на частоте 20 МГц). Напряжение на затворе P2 практически не отстаёт от источника входного сигнала с Rвых=50 Ом. А вот напряжение на выходе значительно крутит фазу, отсюда и большие задержки.

Это просто замечательно! Спасибо!
Кстати, а Вам не показалось лююопытным заодно посмотреть и характеристики и при обещаном Вами-же токе покоя в 20 мА:

"где будем делать талию?"
Где на самом деле полюс выходного каскада, на 250 кГц или на 7 МГц?
Какой полюс нужно корректировать?

Или просто сделаем полосу в 250 кГц?

Впрочем, ну ее полосу. Я уже усвоил, что это высокочастотный усилитель, который замечательно работает на 20 МГц, причем для этого ему даже не нужно быть устойчивым.

......
Как вы оцениваете усиление 5 дБ в одном случае и 25 дБ - в другом.

10 раз изменения коэффициента усиления про возрастании сигнала от нуля до 30 вольт - это сколько процентов искажений??
900% или 90%

ООС какой глубины Вы будете эти 90-900% процентов подавлять??

Вы все еще считаете, что это значительно лучше повторителя?

[Mepavel]

- использовать в выходном каскаде ОИ может быть интересно в классе А (и драйвер, конечно.)

Интересно только в модели. В реальности не особо приятно.

- если использовать в В\АВ, можно сделать в каждом плече phase splitter и с него сразу два мощных тр-ра, с ОИ и с ОС.

Не хочется сложностей. Задача правильный усилитель. Т.е. с монотонно спадающей АФЧХ и граничной частотой 10 МГц. Типа усиленного аналога AD797.

Если вся левая часть до параллельника на Х11-Х14 в интегральном исполнении, и питание +\- 10В чистое, то нормально.

Метко замечено. В последней разработке есть метод снижения влияния дрейфа тока покоя ПП с использованием дополнительного источника тока с зеркалом. Но это уже вопросы повышенной термостабильности, которые легко решаются.