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]

[Mepavel]

Это просто замечательно! Спасибо!
Кстати, а Вам не показалось лююопытным заодно посмотреть и характеристики и при обещаном Вами-же токе покоя в 20 мА:
Вложение 130352
"где будем делать талию?"
Где на самом деле полюс выходного каскада, на 250 кГц или на 7 МГц?
Какой полюс нужно корректировать?

Спасибо, за анализ всё так и есть. Усиление зависит от тока (крутизна меняется очень сильно на начальном участке характеристики, потом стремится к постоянству), фаза тоже!
Вот это и есть самая большая проблема.

Или просто сделаем полосу в 250 кГц?

И такой вариант рассматривался)

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

Ну это и было понятно с самого начала. В 10 раз разница.

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

Я замерял, получил 13% на 1 кГц. Поскольку только прямоугольник под 30% даёт. Не понимаю, откуда вы такие цифры берёте (90 и 900)?

[malefactor_8hz]

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)

То есть один в ОУ (а если это не ОУ, а дискрет, пусть и с более высоким полюсом, то такое количество зеркал никуда не годится, нужно подругому делать), второй на выходе. Ну вот, а если примудрить на выходе составной тр-р, там граничные частоты другие будут, правильно я понимаю?

NP0 Подходит

Это хорошо, потому как другие в коррекцию слабо годятся, много об этом написано.

Вообще, делать усилитель с невысокой исходной линейностью и рассчитывать на то, что ОООС всё выправит - это почти как у всех ( большинство промышленных аппаратов - лины в самом скромном исполнении, или микросхемы какие), а Вы же хотите не как у всех.
Тем более, нужно чтобы ОООС хорошо работала, а это редко у кого получается. С глубокой ОООС справитесь, или лучше во всей полосе придавить второй петелькой - вот что нужно понять.

Да походу надо попробовать выходной каскад на эмиттерном повторителе. А УН в классе А на BD139-140. Чтобы не было зависимости усиления от уровня.

Вариантов много, например, мне видится для глубокоосника слаботочный УН и четверка повторителей, причём термокомпенсация вынесена из УН - чем не вариант?

[Mepavel]

классической биполярной тройки, а полевиком с большим током покоя (низким выходным импедансом);
УН - стандартный двухтактный с общей базой.

Да есть у меня идеи. Скоро схемку выложу!

---------- Добавлено в 23:54 ---------- Предыдущее сообщение в 23:52 ----------

Ну вот, а если примудрить на выходе составной тр-р, там граничные частоты другие будут, правильно я понимаю?

Какой конкретно транзистор?

---------- Добавлено в 23:55 ---------- Предыдущее сообщение в 23:54 ----------

пусть и с более высоким полюсом, то такое количество зеркал никуда не годится, нужно подругому делать

Поясните?

[ViktKors]

Поскольку только прямоугольник под 30% даёт. Не понимаю, откуда вы такие цифры берёте (90 и 900)?

Это такая шутка была, не очень удачная. 900% искажений - это конечно нонсенс.
Но в любом случае их десятки процентов, и зависят от того, как "сшиты" полуволны, потому как там работают то оба полевика, то один, да еще и с разной крутизной.
Собственно, я об этом еще в начале ветки упоминал.

[malefactor_8hz]

спользовать в выходном каскаде ОИ может быть интересно в классе А (и драйвер, конечно.)
Интересно только в модели. В реальности не особо приятно.

Одно дело, когда емкости возросшие, другое - когда они меняются(процесс). А при переходе через ноль ОИ нормально себя ведет?

[Mepavel]

Но в любом случае их десятки процентов, и зависят от того, как "сшиты" полуволны, потому как там работают то оба полевика, то один, да еще и с разной крутизной.

Меня больше всего умиляет как Вы относитесь к качеству сшивки полуволн. Вроде неплохое при включении с ОИ. Перехода через 0 незаметно, потомку как ОИ - это источник тока. Можете промоделировать. А то что симметричность плеч не очень, это мне кажется основная проблема.

[ViktKors]

Меня больше всего умиляет как Вы относитесь к качеству сшивки полуволн. Вроде неплохое при включении с ОИ. Перехода через 0 незаметно, потомку как ОИ - это источник тока. Можете промоделировать. А то что симметричность плеч не очень, это мне кажется основная проблема.

Симметричность - это как отличаются "низ" и "верх", а есть еще и "середина", и она тоже может быть отличной, даже когда "низ" и "верх" симметричны.
У повторителей там практически 100% местная ОС, которая сама по себе выглаживает очень не плохо. А еще есть ООС. С ОИ Вы лишены такого удовольствия. и ООС придется брать на себя все.

То что переключения плеч "плавные" - это хорошо, но этим дело далеко не исчерпывается..

[malefactor_8hz]

Какой конкретно транзистор?

Более высокочастотный.

Поясните?

Как минимум греются по-разному, компенсация медленная через корпус. Можно сборки использовать, с ними лучше.
А в микросхеме еще лучше, особенно, если работает она на легкую нагрузку.

---------- Добавлено в 23:28 ---------- Предыдущее сообщение в 23:15 ----------

А то что симметричность плеч не очень, это мне кажется основная проблема.

Еще можно обратить внимание на квазикомплементарные ВК. (я не шучу)

[Mepavel]

Offтопик:

https://forum.vegalab.ru/showthre...B0%D0%BC%D0%B8
Вы мне льстите! Ах как досадно, всего 100К до Шнобеля недотянул .

Ага... какие-то частоты GB под 10ГГц ;) Мечтать всегда можно. Микрокап использовать даже нецелесообразно.

[ViktKors]

Offтопик:

Ага... какие-то частоты GB под 10ГГц ;) Мечтать всегда можно. Микрокап использовать даже нецелесообразно.

Мечты/микрокап тут не при чем.
Там нигде не было про частоты "под 10ГГц"!. Частоты, там указаны прямо - 20-30 МГц.

Вы не хотите разобраться с тем, что таке "площадь усиления" и почему она может быть гораздо выше чем произведение единичного усиления на ширину полосы ООС?
Нам ведь тут интересны не широкополосные, не ВЧ, а именно звуковые усилители.
Вы точно не желаете почитать книжку?

[Mepavel]

Вы не хотите разобраться с тем, что таке "площадь усиления" и почему она может быть гораздо выше чем произведение единичного усиления на ширину полосы ООС?

Да, произведение единицы на что либо очень полезная арифметическая операция.

[Mepavel]

Сейчас попробовал промоделировать схемку истокового повторителя на DMOS транзисторах (IRF530 и IRF9530) в шоколадных условиях. Вот какие картинки получаются на синусе 10 МГц при использовании не самых точных моделей.

[Mepavel]

fakel, с такими ФЧХ и красотами всерьёз говорить о частоте единичного усиления в 50 МГц... как-то слишком.

[ViktKors]

fakel, с такими ФЧХ и красотами всерьёз говорить о частоте единичного усиления в 50 МГц... как-то слишком.

Но заметьте. Искажения уже порядка процента - это очень оптимистическая оценка, но так или иначе, это на 20-30 дБ меньше чем при ОИ.

И по частоте получше. "На пределе", который можно банально задать ограничивающими диодами в УН, например на уровне 5 вольт ниже питания, впоне себе получаются 0.8-1 МГц - это несколько больше чем 250 кГц у ОИ - в 3-4-ре раза.
При спаде петлевого усиления как у ФНЧ второго порядка это уже позволит реализовать те самые 60 дБ глубины обратной связи на 20 кГц и загнать выходной каскад в тысячные процента искажений.

Т.е. это уже вполне себе выходной каскад, которым можно/стоит заниматься.

[Mepavel]

Но заметьте. Искажения уже порядка процента - это очень оптимистическая оценка, но так или иначе, это на 20-30 дБ меньше чем при ОИ.

впоне себе получаются 0.8-1 МГц - это несколько больше чем 250 кГц у ОИ - в 3-4-ре раза.

Конечно, будет 0.8 МГц, если качать их 50-ти омным источником. Плюс истокового повторителя в том, что ВЧ сигнал на выход проходит практически напрямую. С меньшими задержками. Но минус в том, что нужен ещё усилитель напряжения, который внесёт приличный фазовый сдвиг. Это тоже надо учитывать.
А вообще ещё попробовать с биполярными надо для общей картины.

[fakel]

Но минус в том, что нужен ещё усилитель напряжения, который внесёт приличный фазовый сдвиг. Это тоже надо учитывать.
А вообще ещё попробовать с биполярными надо для общей картины.

Думаете, фазовый сдвиг УН будет больше ОИ?

---------- Добавлено в 13:25 ---------- Предыдущее сообщение в 13:21 ----------

А биполяры, да, попробуйте. Не меньше тройки

[Vovk]

Отредактируйте пожалуйста первый пост, сделав его как можно короче.

+1. Можно не повторять его на каждой странице - первую страницу открыть не сложно.

[ViktKors]

Конечно, будет 0.8 МГц, если качать их 50-ти омным источником.

А что необычного в драйвере с 50-ти омным выходом?

Плюс истокового повторителя в том, что ВЧ сигнал на выход проходит практически напрямую. С меньшими задержками.

Очень часто, например в Вашем примере, этот "плюс" иллюзорен. У Вас ВЧ сигнал действительно проходит со входа на выход, только на десятках мегегерц, вдали от зоны действия ООС, где от него ни холодно ни жарко.

[Mepavel]

ViktKors, привожу классическую схему УН + повторитель. Как видно, дела обстоят ещё хуже. Полюс порядка 100 кГц. Т.е. очевидна проблема, что если ставить УН до повторителя, то на частоту полюса сильно влияют паразиты (например ёмкость С1, я уж молчу про входные ёмкости самого повторителя). Оно и понятно - это минус токового управления. Т.е. источник тока имеет достаточное большое сопротивление и малейшие ёмкости будут вносить задержки. Причём усиление получается даже слишком большое. Нужно искать альтернативные усилители напряжения с малым выходным сопротивлением, фиксированным усилением и на которые не влияют паразитные ёмоксти и индуктивности.

[fakel]

Ну так добавьте параллельно Скорр резистор, усиление упадет, полюс отодвинется. Падение усиления можно скомпенсировать еще одним каскадом. Получится усь 3х каскадный Оталы

---------- Добавлено в 18:11 ---------- Предыдущее сообщение в 17:59 ----------

Или берите мощный УН с током 50-100мА и качайте непосредственно затворы ВК. Вопрос в том, насколько линейным будет такой УН

---------- Добавлено в 18:15 ---------- Предыдущее сообщение в 18:11 ----------

Паразиты легко сделать меньше 1пФ - окружите пятачок выход УН - вход ВК экраном и через 100 Ом (чтобы не звенело на СВЧ) запиайте от эмиттеров драйвера