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]

Сделал модель усилителя, где УН охвачен резистивной ООС по постоянному току.
Пришлось использовать раздельное питание УН и ВК. Как я писал – это схема не годится для практического применения, так как ток покоя УН очень зависит от многих факторов, таких как напряжение питания, температура и т.д.
Но вроде бы получилось чётко соблюсти условие устойчивости, хотя бы не на максимальных значениях выходного напряжения (примерно на 9-10 вольт меньших напряжения питания ВК).
Таким образом можно сделать вывод, что даже малые фазовые задержки оконечного УН не позволили добиться абсолютной устойчивости (по крайней мере с выходом на полевых транзисторах).
Выкладываю, что получилось.

[Mepavel]

Как видно из АФЧХ (при нуле на выходе) на частоте, где усиление Ku=30 дБ (точка 3 МГц) достигается правильный 120 градусный сдвиг. На низких частотах усиление под 110 дБ. Первый полюс на 1,3 кГц.
Что касается искажений, то дела здесь неважные:
THD (1 кГц) - минус 107 дБ (0,00045%)
THD (10 кГц) - минус 88 дБ (0,004%)
IMD (50 Гц и 7 кГц – 1:1) – минус 91 (0,0028%)

---------- Добавлено в 01:52 ---------- Предыдущее сообщение в 01:48 ----------

Усилитель получился значительно более устойчивый, по сравнению с вариантом в первом посте. Но ещё требует раздельного питания, КПД неважный да и по искажениям не очень.

---------- Добавлено в 02:00 ---------- Предыдущее сообщение в 01:52 ----------

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).

Такое ощущение, что Вы мне рассказываете как сделать генератор Колпитца. Вообще интересный ход мысли. Только та ёмкость, про которую Вы говорите - учёт монтажа транзисторов на теплоотвод и т.п.
Но попробую как Вы рекомендуете.

[Mepavel]

Провёл исследование меандром на большом и малом сигнале (частота 100 кГц, фронты – 1 нс). На малом сигнале наблюдается апериодический процесс, на большом - затухающий колебательный.

[malefactor_8hz]

Выкладываю, что получилось.

А ОООС многопетлевая куда делась? Убирайте лучше эти позорные БК резисторы q1\q2 вместе с емкостями, принципиально плохой подход.
Введите вторую петлю и коррекцию индуктивную или в худшем случае шунтирующую на землю коллекторы q1\q2. Так, чтобы отдельно правая часть начиная с Х10 была повторителем и устойчива.
Потом сделать нормальный УН в левой и будут вам десятитысячные на 20к с амплитудой 40 вольт, и устойчивость как следует, а может к тому же и звук хороший.

[Mepavel]

А ОООС многопетлевая куда делась?

От неё как-то эффекта положительного не заметил.

Убирайте лучше эти позорные БК резисторы q1\q2 вместе с емкостями, принципиально плохой подход.

Это была чисто теоретическая попытка минимизировать задержку в УН.

---------- Добавлено в 03:54 ---------- Предыдущее сообщение в 03:49 ----------

Потом сделать нормальный УН в левой и будут вам десятитысячные на 20к с амплитудой 40 вольт, и устойчивость как следует, а может к тому же и звук хороший.

Спасибо, но как его сделать то этот нормальный УН? И как избавится от фазовых задержек. Голову сломал.

[fakel]

Такое ощущение, что Вы мне рассказываете как сделать генератор Колпитца.

Нее, Колпитц тут не при чем. Смотрите: драйвер фазу не крутит. Значит при переключении ноги Скорр с коллектора УН на эмиттер драйвера ООС как была так и останется

---------- Добавлено в 11:57 ---------- Предыдущее сообщение в 11:55 ----------

Только та ёмкость, про которую Вы говорите - учёт монтажа транзисторов на теплоотвод и т.п.

Я говорю про С2 С3 в последней схеме

---------- Добавлено в 12:00 ---------- Предыдущее сообщение в 11:57 ----------

Я бы ток драйвера прибавил раз так в 10. Задержка уменьшится

[viktor8m]

Может быть, кто-то до меня это уже и делал. Я и не спорю.

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

Посмотрите, например, июльский журнал Радио за 1980 год (известная многим статья об устойчивости усилителей). Кстати, там и о пагубном влиянии на звук ВЧ генераций (которые вы пагубными не считаете).

Сделал модель усилителя, где УН охвачен резистивной ООС по постоянному току.

На схеме из поста 324 драйверы на Х15-18 совершенно излишни, стабилитроны D1\2 надо подключить напрямую к R25\26, R35\36, С2\3 и L1\2 (убрав всё между ними, включая R31\32), тогда местную ООС будет образовывать R35 и R25 в одном плече и R36\26 в другом (только R35\36 надо увеличить, а С2\3 уменьшить, если надо оставить ту же глубину ООС).

[malefactor_8hz]

- А ОООС многопетлевая куда делась?

- От неё как-то эффекта положительного не заметил.

Рекомендую ознакомиться с темой "Композитные усилители" автора misha88 и с темой "Усилитель мощности с высокой термостабильностью" автора .Васильев. Особенно стоило бы обратить внимание на композитные усилители, показанные уважаемым SAPRом, но, к сожалению, не могу найти ни одного.

[Mepavel]

Нее, Колпитц тут не при чем. Смотрите: драйвер фазу не крутит. Значит при переключении ноги Скорр с коллектора УН на эмиттер драйвера ООС как была так и останется

Слишком дальние ООС - риск автогенерации уже внутри усилителя. Транзисторы очень быстрые. Вообще коррекций понаделать тут можно, только принципиально проблемы не решаются. Такая схемотехника работать не будет. Есть только вариант попробовать в глубокий класс С загнать УН. Но тогда могут возникнуть проблемы с устойчивостью и искажениями.

---------- Добавлено в 16:23 ---------- Предыдущее сообщение в 16:22 ----------

Я говорю про С2 С3 в последней схеме

Ну да, от них толку мало в той схеме.

---------- Добавлено в 16:23 ---------- Предыдущее сообщение в 16:23 ----------

Я бы ток драйвера прибавил раз так в 10. Задержка уменьшится

Да там и так до 100 мА доходит. Едва в ОБР вписывается. Схема просто очень неудачная.

---------- Добавлено в 16:24 ---------- Предыдущее сообщение в 16:23 ----------

там и о пагубном влиянии на звук ВЧ генераций (которые вы пагубными не считаете).

Да всё это понятно, ВЧ генерация не есть хорошо.

---------- Добавлено в 16:26 ---------- Предыдущее сообщение в 16:24 ----------

драйверы на Х15-18 совершенно излишни

Эти драйверы выполняют согласование токов. Если номиналы резистивной обратной связи УН увеличить хотя бы в 10 раз (и даже этого будет недостаточно, чтобы можно было напрямую влючать), то от этой ООС никакого толку уже не будет.

[.Васильев]

Матрица сингулярна ,пишет мой кап при попытке измерять искажения на 20кгц при числе периодов равных 10 и шаге по времени 0,01u.

[fakel]

но, к сожалению, не могу найти ни одного.

SAPR свою ветку сроде снес, по одному ему известным причинам

---------- Добавлено в 18:46 ---------- Предыдущее сообщение в 18:44 ----------

Слишком дальние ООС - риск автогенерации уже внутри усилителя.

Наоборот, как раз потому что

Транзисторы очень быстрые.

задержка фазы минимальна

---------- Добавлено в 18:46 ---------- Предыдущее сообщение в 18:46 ----------

Такая схемотехника работать не будет.

Ну не надо так категорично! Работает у Селфа например. инклюзивная коррекция называется

---------- Добавлено в 18:49 ---------- Предыдущее сообщение в 18:46 ----------

Есть только вариант попробовать в глубокий класс С загнать УН.

Это еще зачем?

[Mepavel]

Наоборот, как раз потому что

Уже на 100 МГц получается классический ВЧ усилитель мощности с трансформацией напряжения. Эмиттерник на СВЧ транзисторах + УН может завестись на частоте где фазовый сдвиг больше 135 градусов. Если бы задержки были минимальные, бы и не занимался проблемой их снижения.
Хотя не спорю, что может Вы правы. Просто беспокоюсь за устойчивости "внутри" усилителя.

---------- Добавлено в 17:15 ---------- Предыдущее сообщение в 17:09 ----------

Матрица сингулярна ,пишет мой кап при попытке измерять искажения на 20кгц при числе периодов равных 10 и шаге по времени 0,01u.

Это Вы про усилитель в каком посте? А на других частотах нормально работает? Да есть проблема, схема очень сложная и возникают иногда проблемы сходимости. (я так понял Вы исправили модель транзистора BFQ149)

[Mepavel]

P.S. В общем хочу подытожить мои исследования. Выходной каскад на полевиках (неважно ОИ или ОС) сильно меняет частотные свойства с изменением выходного напряжения усилителя. Ёмкости полевиков могут возрастать в несколько раз при перегрузке. Отсюда всегда вытекает проблема устойчивости усилителя (а ручку громкости выкрутить любят многие))). Так что единственный выход - сдвигать первый полюс и заваливать усиление уже на звуковых частотах. Т.е. в итоге получим усилитель, намного худший LM3886.
Как показали исследования, ВК по схеме с ОС (т.е. повторителем) не даёт больших преимуществ. Устойчивость так же не сохраняется при перегрузке. Но зато есть очевидные минусы. Схема с ОС требует дополнительного питания УН.

---------- Добавлено в 17:42 ---------- Предыдущее сообщение в 17:27 ----------

Работает у Селфа например. инклюзивная коррекция называется

Спасибо, почитаю книгу.

[fakel]

Ёмкости полевиков могут возрастать в несколько раз при перегрузке.

И это с ОС! А с ОИ в несколько раз Х (n+1), где n - коэфф-т усиления = S*Rн, причем S зависит от амплитуды а Rн - от частоты

[Mepavel]

И это с ОС! А с ОИ в несколько раз Х (n+1), где n - коэфф-т усиления = S*Rн, причем S зависит от амплитуды а Rн - от частоты

fakel, можно легко показать, то нет разницы ОИ или ОС (я про это ранее писал). Эквивалентная работа совершается по порядку величины одна и та же (даже при малых напряжениях на СИ).
Привожу пример усилителя, у которого УН на выходных полевиках. Так вот с фазой у него ещё лучше. Запас обеспечивается даже при использования ОУ OP37 (не говоря уже о моём дискретном драйвере типа AD797)!

[Mepavel]

Так что потенциал каскада ОИ очень высок, если управлять им с помощью драйверов (обеспечивающих в пике ток хотя бы 1-1,5 Ампера). Благодаря введению местной резистивной ООС (R46,R47,C11,R52) достигается уменьшение эквивалентного выходного сопротивления и следовательно получаются малые фазовые задержки при работе на большую ёмкостную нагрузку. Ещё эта ООС вносит хоть какую-то линейность.
P.S. Как видно из рисунков - наблюдается 45-60-ти градусный запас по фазе при 0, и +/-30 В на выходе (напряжение питания 33 В).

[fakel]

В такой топологии слабое место - УН, точнее его способность линейно отдавать большой ток для прокачки цепи ООС.
Нечто подобное реализовал Рубальский (Wert) в своем сверхлинейнике - там у него шиклаи ОЭ-ОИ, и Петров - у него много усей. Оба автора неоднократно публиковались в Радиохобби, да и на форуме их разработки присутствуют

---------- Добавлено в 21:17 ---------- Предыдущее сообщение в 21:02 ----------

Возможное решение проблемы
https://forum.vegalab.ru/showthread....l=1#post948331

[Mepavel]

В такой топологии слабое место - УН, точнее его способность линейно отдавать большой ток для прокачки цепи ООС.

Так именно ООС по напряжению даёт возможность отдавать большой ток. Цепь ООС как видно 4.7 кОм. Выходным транзисторам нет сложности прокачать такую ООС и всё это благодаря буферам на затворах, которые увеличивают эффективное входное сопротивление УН на полевиках. Так что подход классный.
Но жаль для его реализации нужно использовать стабилизированные источники питания, т.к. малейшее изменение напряжения питания приведёт к изменению тока покоя ВК. Это и есть самое большое слабое место данной схемы.

Возможное решение проблемы
https://forum.vegalab.ru/showthread....l=1#post948331

Посмотрел. Обратная связь в эмиттеры. Только существенный минус это в том, что нужно использовать в бета-раз меньшие номиналы резисторов, чем при ООС в базу. А это получится, что токи через обратную связь будут течь по амперу… так что это никуда не годится.

---------- Добавлено в 20:49 ---------- Предыдущее сообщение в 20:37 ----------

Нечто подобное реализовал Рубальский (Wert) в своем сверхлинейнике - там у него шиклаи ОЭ-ОИ

Спасибо, жесткий усилитель! Сейчас поиграюсь с микрокаповским файлом.

---------- Добавлено в 21:10 ---------- Предыдущее сообщение в 20:49 ----------

В усилителе Рубальского выходной каскад работает по схеме с ОИ в классе С.
Что и правильно, поскольку напряжение смещения полевиков зависит от слишком большого числа факторов (хоть тоже напряжение питания). Не понимаю зачем там 8 полевиков на выходе. Если этот усилитель с подвозбудами ограничивается на амплитуде в 30В при напряжении питания 45. В общем измерил искажения на 24 вольтах - минус 87 дБ на 10 кГц.

[fakel]

В усилителе Рубальского выходной каскад работает по схеме с ОИ в классе С.

В классе АВ

Посмотрел. Обратная связь в эмиттеры.

И хде же?

А это получится, что токи через обратную связь будут течь по амперу…

Иногда лучше жевать...

Так именно ООС по напряжению даёт возможность отдавать большой ток.

ООС ничего никому не дает. Ибо не жена

Выходным транзисторам нет сложности прокачать такую ООС и всё это благодаря буферам на затворах, которые увеличивают эффективное входное сопротивление УН на полевиках.

Я говорю про опер. Ему от этого подхода совсем не классно

Выходным транзисторам нет сложности прокачать такую ООС и всё это благодаря буферам на затворах, которые увеличивают эффективное входное сопротивление УН на полевиках.

В огороде бузина а в Киеве - дядька

[Mepavel]

В классе АВ

С током покоя десятки пикоампер? И нулевым напряжением на затворе (пороговое под 4 вольта)? Это у нас класс AB стало быть?

---------- Добавлено в 22:54 ---------- Предыдущее сообщение в 22:52 ----------

Я говорю про опер. Ему от этого подхода совсем не классно

Естественно, за опером должен стоять эммитерник.

---------- Добавлено в 22:57 ---------- Предыдущее сообщение в 22:54 ----------

Offтопик:

Иногда лучше жевать...

Ага, когда слышишь про полную компенсацию проходной ёмкости DMOST. Я в отличие от Вас могу показать всё на примере.

---------- Добавлено в 23:01 ---------- Предыдущее сообщение в 22:57 ----------

Offтопик:

В огороде бузина а в Киеве - дядька

Это ещё к чему? Вы ФЧХ узрели? Запас 60 градусов вписываются на на мегагерцах (и это с OP37). Частота единичного усиления под 30 МГц (при не критических амплитудах выходного сигнала). Совсем чушь несу?

Сейчас влеплю эмиттерник туда. Посмотрим что станет с искажениями (чисто для спортивного интереса).