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]

Или берите мощный УН с током 50-100мА

Принципиально это не решит проблему, у меня УН с током 20 мА.

---------- Добавлено в 16:16 ---------- Предыдущее сообщение в 16:16 ----------

Сейчас есть очень интересная идея!

[fakel]

Еще вариант - УН и ВК охватить местно ООСью по ВЧ. Эквивалентное сопротивление точки вых УН - вх ВК упадет и уже будут не страшны паразиты

---------- Добавлено в 18:24 ---------- Предыдущее сообщение в 18:21 ----------

В связке УН - ВК имхо, главная проблема не паразитная емкость монтажа, а НЕЛИНЕЙНАЯ емкость переходов самих тр-ров, которые работаю на полном размахе коллекторного напряжения

[fakel]

Прямая связь, генератор отрицательной емкости...

[ViktKors]

ViktKors, привожу классическую схему ..

Ну называть это "классической схемой" не стоит.

"Токовое управление" чем? полевиками?

Ведь в предыдущем-же посте говорили про выходное сопротивление драйвера в 50 Ом. Что нужно сделать, чтоб это так и было?
Если речь о НЧ, то как минимум, чтоб выходное сопротивление каскада раскачивающего драйвер было ~50*"бета". Скажем 5 кОм (а у Вас там висят каскады с ОБ).

Но это было бы значительным упрощением. В реальности нам важно чтоб там такое сопротивление (50 Ом) было на высоких частотах, более того, наверное понятно, что индуктивный характер выходному сопротивлению драйвера ни к чему.
А это автоматически означает, что выходное сопротивление каскада раскачивающего драйвер должно быть или малым или емкостным.
Прикиньте нужную емкость на входе драйвера - для транзистров с граничной частотой в несколько десятков МГц это будет несколько десятков пФ.
А Вы сетуете на то, что емкости там мешают..


Нужно оговаривать, что затворы выходников должны уметь как быстро заряжаться так и быстро разряжаться?
Вроде нет, казалось, что Вы это понимаете.
Но ведь это автоматически исключает резистор в 1 кОм (!) в их базах.
Сколько там нужно чтоб обеспечить нужную скорость нарастания сигнала на емкостях полевиков? - под ампер, ну может чуть меньше!
Сколько напряжения упадет на резисторе в 1 кОм при таком токе??



P.S. И еще. В аудио нет никакого смысла оперировать "задержками".
Хотя-бы потому, что на этих частотах (не выше мегагерца-пары, Вы это сами видели) обычно нет никаких иных существенных задержек кроме минимальнофазовых. А они напрямую определяются АЧХ.
Потому Ваши сетования на то, что УН вносит "задержки" - выглядят неуместно. Да, есть задержки, но их нетрудно сделать следствием формирования нужной АЧХ. Т.е. благом!.

[fakel]

Да, есть задержки, но их нетрудно сделать следствием формирования нужной АЧХ. Т.е. благом!.

Проблема в том, что такие задержки, вызванные паразитными емкостями, малопредсказуемы и (самое страшное) нестабильны как на периоде сигнала так и в процессе старения компонентов. Именно поэтому я выступаю за их компенсацию, лучше ввести задержку отдельным элементом, специально для этого предназначенным

[ViktKors]

Проблема в том, что такие задержки, вызванные паразитными емкостями, малопредсказуемы и (самое страшное) нестабильны как на периоде сигнала так и в процессе старения компонентов. Именно поэтому я выступаю за их компенсацию, лучше ввести задержку отдельным элементом, специально для этого предназначенным

А кто говорит что это обязательно должным быть исключительно паразитные емкости и, что их "паразитность" нужно игнорировать?? С ними нужно жить.
Вам проще, Вы считаете, что отлично знаете как они убираются .

[Mepavel]

Ох! Всё осуществил свою задумку! По-моему решена проблема фазовой задержки в УН.
Сделал усилитель напряжения с полюсом в 6 МГц и входным сопротивлением 100 Ом! И всё это работает с приличными паразитными индуктивностями и ёмкостями. Частота полюса почти на 2 порядка выше, чем в схемах с источниками тока.
Естественно, что это не предел, можно уменьшить входное сопротивление до 50 Ом и тогда полюс уходит до 12-16 МГц (на нам так круто и не надо).
А что касается исходной линейности, то на 10 кГц при амплитуде 20 Вольт уровень гармоник под минус 42 дБ!!! Единственное, ещё мощно защитить УН от перегрузки диодом шоттки.
По-моему очень классно получается. Обратите внимание, что ООС УН по напряжению сделана по постоянке, без разделительных конденсаторов. С ними происходит интеграция. И на частоте 10 кГц с ёмкостью 1 мкф получаем уменьшение тока покоя УН до нуля. Получается ступенька под 90 градусов. Если уменьшить ёмкость до 470 пФ, то получим полюс уже на 1 кГц, следовательно 10 кГц сдвиг 90 градусов. А это просто недопустимо, т.к. любой звуковой ОУ на этой частоте имеет сдвиг под 90 градусов (90+90=180).
Преимущества этой схемы очевидны. Малые задержки, постоянный коэф. усиления с завалом на верху, высокая термостабильность. Всё как и требуется.
С таким ВК + УН можно использовать в качестве драйвера даже промышленный звуковой ОУ и добиться высокой частоты единичного усиления до 10-15 МГц c устойчивостью при Ku=10.

[fakel]

Нормально! Поробуйте охватить локальной ООС и драйвер. Имхо, можно только по ВЧ. Избытка усиления на НЧ бояться не надо - хорошо подавляются тепловые искажения

---------- Добавлено в 20:08 ---------- Предыдущее сообщение в 20:06 ----------

И еще лучше ООС завести перекрестно между УН, чтобы V3 V4 оказались в петле локальной ООС.
С1 не нужен - т.к. выходное сопротивление УН - емкостное

[Mepavel]

Как видно из рисунков, результаты моделирования Transient и AC анализом совпадают. Это говорит о достаточной достоверности полученных результатов.

[fakel]

А вообще - это Линн

---------- Добавлено в 20:10 ---------- Предыдущее сообщение в 20:09 ----------

Но из-за емкостного вых сопротивления УН и связи УН с шинами питания вытекает недостаток - интермоды ВК по питанию. Более подробно опишу в соотв. ветке, которую сейчас готовлю

[Mepavel]

Нормально! Поробуйте охватить локальной ООС и драйвер. Имхо, можно только по ВЧ. Избытка усиления на НЧ бояться не надо - хорошо подавляются тепловые искажения

И получим полюс на низкой частоте! А потом нуль! Так что так делать нельзя. Я же об этом писал.

И еще лучше ООС завести перекрестно между УН, чтобы V3 V4 оказались в петле локальной ООС.
С1 не нужен - т.к. выходное сопротивление УН - емкостное

Идея странная, так как там вместо источников напряжения, явно не батарейки будут стоять, а скорее всего TL431. Кстати, переход от токового управления к управлению напряжением (при помощи местной ООС) сделал выходное сопротивление УН очень низким. И поэтому УН не боится паразитных ёмкостей на выходе.

[fakel]

Вывод: прежде чем сделать открытие - загляни в учебник

[Mepavel]

интермоды ВК по питанию.

Само собой разумеется. Желательно питать УН от отдельного источника. Но надеемся, что глубокая ООС на ВЧ будет хорошо давить эти помехи.

---------- Добавлено в 18:17 ---------- Предыдущее сообщение в 18:16 ----------

прежде чем сделать открытие

А я и не думал, что это изобретение. Я просто логически пришёл к этому. Может быть, кто-то до меня это уже и делал. Я и не спорю.

[fakel]

Идея странная, так как там вместо источников напряжения, явно не батарейки будут стоять, а скорее всего TL431.

TL- тормозная, т.е. ее сопротивление - индуктивное. А у плеч УН - емкостное! Т.е. на ВЧ имеем разрыв (в пределе) между базами драйверов. А это сквозняки. Оно надо?
Еще каскад, раскачивающий УН, должен иметь возможность разряжать Скорр на себя, более подробно - у Д Селфа

---------- Добавлено в 20:18 ---------- Предыдущее сообщение в 20:17 ----------

Но надеемся, что глубокая ООС на ВЧ будет хорошо давить эти помехи.

Скоро покажу, что надежды тщетны

---------- Добавлено в 20:19 ---------- Предыдущее сообщение в 20:18 ----------

А я и не думал, что это изобретение. Я просто логически пришёл к этому. Может быть, кто-то до меня это уже и делал. Я и не спорю.

Так сделано в 90% усилках во всем мире Странно, что это прошло мимо вас

---------- Добавлено в 20:20 ---------- Предыдущее сообщение в 20:19 ----------

Кстати, переход от токового управления к управлению напряжением (при помощи местной ООС) сделал выходное сопротивление УН очень низким. И поэтому УН не боится паразитных ёмкостей на выходе.

Но! Спарр на выходе уменьшает Ку УН на ВЧ, а значит и глубину ООС

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

А теперь попробуйте 2х полюсную коррекцию. Уверен, вам понравится!

[Mepavel]

TL- тормозная, т.е. ее сопротивление - индуктивное. А у плеч УН - емкостное! Т.е. на ВЧ имеем разрыв (в пределе) между базами драйверов. А это сквозняки. Оно надо?

Это легко решается шунтированием её конденсаторами 4.7 uF +100 nF. В этой схеме это можно делать. Сама TL-разумеется должна быть помещена в экран.
Так им образом получаем очень высокую термостабильность. Там ещё проблема, что TL-ка одна не потянетю. Нужно будет делать шунт регулятор на транзисторе BD140 (и кстати этот транзистор будет посажен на теплоотвод) Хоть и маленький. На нём будет рассеиваться где около 0.3-0.5 Ватта. Но это технические нюансы.

---------- Добавлено в 19:12 ---------- Предыдущее сообщение в 19:07 ----------

должен иметь возможность разряжать Скорр на себя

Про какую Скорр Вы пишите? Это очень критично?

---------- Добавлено в 19:13 ---------- Предыдущее сообщение в 19:12 ----------

Так сделано в 90% усилках во всем мире Странно, что это прошло мимо вас

Что-то не видел я ни в одном подобном усилителе, чтобы УН охвачивался мощной резистивной связью (по постоянке тем более).

---------- Добавлено в 19:18 ---------- Предыдущее сообщение в 19:13 ----------

Но! Спарр на выходе уменьшает Ку УН на ВЧ, а значит и глубину ООС

Так ёмкость С1 - паразитная! И кстати с хорошим запасом. В реальной конструкции можно сделать меньше 10 пФ.

А теперь попробуйте 2х полюсную коррекцию. Уверен, вам понравится!

А смысл? Вон какая у меня получилась гладенькая АФЧХ. Причём я ещё стремился снизить добротность паразитных индуктивностей - резисторы R16 и К17, без них получаем очень большой выброс на АФЧХ в районе 50 МГц. Попробуйте их занулить). И тогда поймете, что паразиты нужно учитывать.

[fakel]

И тогда поймете, что паразиты нужно учитывать.

Пальцы в сторону!

А смысл

Чтобы расширить площадь усиления, а значит и глубину ООС на ВЧ

Что-то не видел я ни в одном подобном усилителе, чтобы УН охвачивался мощной резистивной связью (по постоянке тем более).

У Селфа смотрите. Но это не комильфо - все равно что одноногому отрубить и вторую ногу - чтбы не хромал. Увеличивается нагрузка на предыдущий каскад и растут его искажения. А если этот каскад - первый, его искажения ничем не давятся.

---------- Добавлено в 21:42 ---------- Предыдущее сообщение в 21:40 ----------

Про какую Скорр Вы пишите? Это очень критично?

Про емкость, шунтирующую коллекторный переход УН. Да, критично: ток емкости течет через выход предыдущего каскада, если тот не в состоянии пропустить такой ток, то усь блокируется

---------- Добавлено в 21:45 ---------- Предыдущее сообщение в 21:42 ----------

Кстати, литы в цепи эмиттеров УН - что может быть хуже? Так что сами сначала научитесь учитывать паразиты!
Не говоря уже о невозможности такого УН работать rail-to-rail

[malefactor_8hz]

все равно что одноногому отрубить и вторую ногу

Так Селф что пишет: "ничего хорошего не даёт этот высокий первый полюс, вот смотрите: резисторы влепим, полюс по АЧХ вроде поднялся, а всё только хуже.."

А ещё где-то там же утверждает, что так безоснику лучше всего усиление давить..

[fakel]

Кстати, аналогично можно попробовать охватить локальной ООС и полевики (вместе с их драйверами)

---------- Добавлено в 22:06 ---------- Предыдущее сообщение в 22:04 ----------

А ещё где-то там же утверждает, что так безоснику лучше всего усиление давить..

Ну неет! пусть сам давит

[Mepavel]

Кстати, литы в цепи эмиттеров УН - что может быть хуже?

В эмиттерах по хорошему должно стоять что-то другое.

Не говоря уже о невозможности такого УН работать rail-to-rail

Это так! В реальности такая схема не найдёт применения, поскольку ток покоя УН сильно завит многих факторов. Просто сейчас настрою усилитель покажу, что получилось.

[fakel]

В эмиттерах по хорошему должно стоять что-то другое.

В данном случае лучше - ничего, что вносит последовательную ООС по току, ослабляющую параллельную ООС по напряжению

---------- Добавлено в 01:34 ---------- Предыдущее сообщение в 01:06 ----------

Нормально! Поробуйте охватить локальной ООС и драйвер.

Смотрите: Cкорр нагружает УН, ограничивая его Ку, а значит и глубину местной ООС с данным конденсатором.
Переключение Скорр с коллектора УН на эмиттер драйвера убъет сразу 3х зайцев: повысит петлевой Ку (теперь УН видит в коллекторе емкость в бета раз меньшую), снизит искажения драйвера на ВЧ (драйвер теперь входит в ООС) и снизит вых сопротивление драйвера (опять же из-за охвата драйвера ООС).
При емкости 10пФ выигрыш невелик, но при 50-100пФ (типичное значение в Линнах) довольно заметен