Американский усилитель - схемотехника

[key08rus]

Попала мне в руки схема одного дорогущего американского усилителя. Очень бы хотелось узнать мнение уважаемых специалистов о схемотехнике этого уся.

Ну и, конечно, хотелось разобраться досконально в его работе, но это - уж как получится

[fakel]

Уменьшив резисторы, снизим петлевое
усиление.

Иногда лучше жевать...

[malefactor_8hz]

Ого, а как же термокомпенсация тока покоя УН? Кроме того, с этими транзисторами наблюдается хоть какая компенсация нелинейности напряжения Ueb в УН (см. Q13 и Q17).

Термокомпенсация там не нужна, ток не будет далеко уходить в широких пределах температуры, а компенсация нелинейности там никакая.

Для выравнивания мощности рассеивания на токозадающих транзисторах Q7 и Q10. Согласитесь, эти транзисторы располагаются не на одном кристалле, а поддерживать температуру на их переходах надо постоянную. Также уменьшается эффект Эрли и повышается выходное сопротивление ТЗ.

С этим согласен, всё верно. Ни Эрли, ни Миллера, мощность выравнивается. Но мне кажется, что это лишнее.

---------- Добавлено в 18:00 ---------- Предыдущее сообщение в 17:35 ----------

Прошу прощения, не понял причём здесь равные или не равные токи дифкаскада? В рабочем режиме они и не должны быть равными. Их соотношение постоянно меняется. Но главное, чтобы их сумма была постоянна. И никаких режимов в этом случаем плавать не будет, кроме небольшого температурного дрейфа нуля на выходе усилителя. Последний эффект я старался приблизить к минимуму.

Хорошо. Вот мне лично непонятно зачем там эмиттерные резисторы? Из-за них упадёт петлевое усиление (которого кстати в этой схеме маловато) и возрастут искажения.

Я вот книжечку загрузил, почитайте "Chapter 4", там многое очень доступно описано http://www.mediafire.com/?6bnlvwemd284x4w

[Mepavel]

Термокомпенсация там не нужна, ток не будет далеко уходить в широких пределах температуры,

Это так, если падение напряжения Ure на эмиттерном резисторе транзисторов Q13 (Q17), много больше изменения напряжения Ube от температуры на этих транзисторах. В случае, когда Ube порядка Ure, то лучше ввести эту компенсацию. Поскольку, к примеру, при изменении температуры от 25 до 85 С изменение Ube составляет более 30%.

а компенсация нелинейности там никакая.

Ну хоть какая-то но есть. Чем так Вам мешают эти транзисторы, ведь они стоят копейки?

Ни Эрли, ни Миллера, мощность выравнивается. Но мне кажется, что это лишнее.

Ну для более хорошего устранения этих эффектов желательно бы подключать базу транзистора Q11 через буфер (например, эмиттерный повторитель... просто до этого не сразу догадался, т.к. для меня основной задачей было выравнивание мощности на Q7 и Q10).

---------- Добавлено в 20:11 ---------- Предыдущее сообщение в 20:04 ----------

Ни Эрли, ни Миллера, мощность выравнивается. Но мне кажется, что это лишнее.

Ну для более хорошего устранения этих эффектов желательно бы подключать базу транзистора Q11 через буфер (например, эмиттерный повторитель... просто до этого не сразу догадался, т.к. для меня основной задачей было выравнивание мощности на Q7 и Q10).

Я вот книжечку загрузил, почитайте "Chapter 4", там многое очень доступно описано http://www.mediafire.com/?6bnlvwemd284x4w

Книжка - это хорошо. Только для количественной оценки желательно бы показать в симуляторе.
P.S. Прочитал. Нет ничего удивительного в том, что эмиттерные резисторы повышают линейность входного тракта усилителя - дифкаскада. Но в схемах усилителей с общей ООС, в которых есть недостаток петлевого усиления, эти резисторы только увеличивают искажения. Почему я уже писал. Можете провести эксперимент на примере моей схемы из поста #87. Кроме того, эти резисторы увеличат шумы.

[malefactor_8hz]

Что касается коррекции... то был бы очень признателен, если бы Вы смогли правильно отстроить этот усилитель, чтобы получить более хорошие результаты по КНИ. Разумеется интересно было бы, если бы эти изменения были не существенны (т.е. принцип действия схемы не меняется, только коррекция и резисторы в ДК).

Более хорошие результаты по КНИ в симуляторе могут и не получиться. Но лучше сделать так, чтобы не было разницы какой тр-р ставишь в ДК, например bc546 или 2sc2240 без пересмотра коррекции, здесь и поможет местная ООС. (это сугубо с практической точки зрения.) Тем самым снизите усиление в петле общей ООС - не понадобятся такие "лошадиные" емкости, шунтирующие УН.

---------- Добавлено в 18:22 ---------- Предыдущее сообщение в 18:21 ----------

Чем так Вам мешают эти транзисторы, ведь они стоят копейки?

Они не мешают, они бесполезны.

[Mepavel]

Но лучше сделать так, чтобы не было разницы какой тр-р ставишь в ДК, например bc546 или 2sc2240 без пересмотра коррекции, здесь и поможет местная ООС. (это сугубо с практической точки зрения.)

Могу поделиться своим практическим опытом. На примере транзисторов bc846 производства Infineon или NXP. Покупаю их в ленте. Все они один в один похожи. Падение напряжения на эмиттерном переходе при фиксированном токе совпадает с точностью до мВ (даже точнее). Разброс по бете тоже очень мал. От того не вижу никаких проблем.
Так же не вижу проблем, если в дифкаскаде будут стоять разные транзисторы. Для нормального усилителя с более ли менее глубокой ОС это не столь критично.

[malefactor_8hz]

Ну для более хорошего устранения этих эффектов желательно бы подключать базу транзистора Q11 через буфер (например, эмиттерный повторитель... просто до этого не сразу догадался, т.к. для меня основной задачей было выравнивание мощности на Q7 и Q10).

Да, такое зеркало будет еще лучше.

Книжка - это хорошо. Только для количественной оценки желательно бы показать в симуляторе.
P.S. Прочитал. Нет ничего удивительного в том, что эмиттерные резисторы повышают линейность входного тракта усилителя - дифкаскада. Но в схемах усилителей с общей ООС, в которых есть недостаток петлевого усиления, эти резисторы только увеличивают искажения. Почему я уже писал. Можете провести эксперимент на примере моей схемы из поста #87. Кроме того, эти резисторы увеличат шумы.

Это ж какого номинала их нужно ставить, чтобы они существенно увеличили шумы? Конечно увеличивают искажения - глубина общей ООС уменьшается. Если там недостаток внутрипетлевого усиления, зачем там нФ коррекции?

Ладно, две страницы об одном и том же пишу.. пойду лучше напьюсь

[Mepavel]

Это ж какого номинала их нужно ставить, чтобы они существенно увеличили шумы? Конечно увеличивают искажения - глубина общей ООС уменьшается. Если там недостаток внутрипетлевого усиления, зачем там нФ коррекции?

Ну вот хоть с резисторами разобрались чуть.

Это ж какого номинала их нужно ставить .... зачем там нФ коррекции?

Вот это уже самый интересный вопрос. Некорректно в таких случаях оценку делать по абсолютной величине номинала того или иного компонента. Всё относительно. Например, если для слабомощного УН ёмкость в нФ может быть существенна, то для мощного вообще ерунда. Например, в схеме из первого поста стоят ёмкости коррекции в 56 пф. Но обратите внимание, что они усиливаются в Ku раз за счёт эффекта Миллера. И какое тогда эквивалентное значение ёмкости можно получить? В моём случае ёмкость коррекции постоянна и равна 330+330 = 660 пФ. Более того, хорошим критерием относительной величины ёмкости коррекции в сравнении усилителей одной мощности, является скорость нарастания выходного напряжения. Как видите скорость нарастания получилась нормальной. Да и граничная частота петлевого усиления тоже ничего.

Offтопик:

Ладно, две страницы об одном и том же пишу.. пойду лучше напьюсь

Тоже правильно , правда совсем не употребляю.

[malefactor_8hz]

Некорректно в таких случаях оценку делать по абсолютной величине номинала того или иного компонента. Всё относительно. Например, если для слабомощного УН ёмкость в нФ может быть существенна, то для мощного вообще ерунда.

Это понятно, но здесь опять вопрос идеологии: допустим, для работы на реактивную составляющую входного сопротивления повторителя будет достаточно десятка мА. Зачем ставить в кор. такую емкость, чтобы в разы увеличивать ток УН, а там может что и на флажки придется ставить..

Ну вот хоть с резисторами разобрались чуть.

Линейность входного каскада должна быть повыше, особенно для неинверт. включения, а внутрипетлевое усиление нагнать - дело не хитрое. Можно совместно с резисторами между эмиттеров ДК индуктивность включить.

[Mepavel]

но здесь опять вопрос идеологии: допустим, для работы на реактивную составляющую входного сопротивления повторителя будет достаточно десятка мА.

Ну вот захотелось американцам мощный УН что уж тут поделать.

Линейность входного каскада должна быть повыше, особенно для неинверт. включения

Хорошо, что Вы так много внимания уделяете входному каскаду. Да, действительно, в неинвертирующем включении у ДК будет больше "болтающихся" напряжений. Но опять же часто, во многих схемах с глубокой ООС, тип включения (инв. или неинв.) слабо влияет на искажения. Например, неспроста в схемах многих высококачественных звуковых ОУ эмиттерные резисторы в диф.каскаде не ставят. При этом эти микросхемы звучат превосходно и не шумят. Так что всё относительно и зависит от конкретной схемы усилителя.

---------- Добавлено в 21:35 ---------- Предыдущее сообщение в 21:32 ----------

а внутрипетлевое усиление нагнать - дело не хитрое. Можно совместно с резисторами между эмиттеров ДК индуктивность включить.

Хм... как я понимаю внутрипетлевое усиление надо нагонять в звуковой полосе частот. Тогда межэмиттерная индуктивность на этих частотах должна иметь малое сопротивление. С другой стороны, а что это даёт? Опять "острый" ДК на звуковых частотах?

[malefactor_8hz]

Хм... как я понимаю внутрипетлевое усиление надо нагонять в звуковой полосе частот. Тогда межэмиттерная индуктивность на этих частотах должна иметь малое сопротивление. С другой стороны, а что это даёт? Опять "острый" ДК на звуковых частотах?

Да. А над звуковым диапазоном чтобы работала местная ООС, хорошо для устойчивости.

[audiomun]

Решил понаблюдать со стороны за вашей дискуссией подольше, дабы суммировать свои замечания, для экономии вашего времени, в одном посте. Итак:

Принцип термокопенсации ИТ и первого токового зеркала заключается в выравнивании мощности, выделяемой на кристаллах токозадающих транзисторов (например пары Q5 и Q6, Q7 и Q10) и в выравнивании их базовых токов. Благодаря этому прямое падение напряжения Ube, а также его ТКН на этих транзисторах равны друг другу. И самое интересное, что такая термокопенсация совершенно не требует теплового контакта этих пар транзисторов.
Это позволило свести к минимуму уход токов покоя УН от температуры, и, следовательно, дрейф нуля усилителя и тока покоя ВК.

Хороший ГСТ для дифкаскада безусловно желателен, но только основная его функция заключается в повышении линейности усиления ДК, поскольку при правильном включении остальные его характеристики достаточно стабильны и с обычным источником тока. В данном случае налицо две основных ошибки: выигрывая в малом, неграмотно при этом проигрывать в большом - поскольку резистор R1 цепи ООС соединен с землей напрямую, глубина обратной связи по постоянному и переменному току одинакова, из-за этого имеем ухудшение дрейфа нуля почти в 30 раз, второе - ввиду очень большой разницы номиналов R1 и входного резистора(правда, не указанного, но, видимо, 10 кОм минимум) будет достаточно большой разбаланс плеч ДК, в том числе и температурный. Неверно и утверждение о взаимосвязи ухода токов покоя УН от температуры и дрейфом нуля усилителя, поскольку схема практически симметрична, но это уже мелочь.

На рисунках слева направо приведены: АЧХ и ФЧХ петлевого усиления ( v(OUT)=0, коэф. делителя цепи общей ООС примерно 1:28), меандр на частоте 10 кГц и спектр гармонических составляющих на частотах 1 и 10 кГц.

На графике меандра, похоже, небольшой колебательный процесс на +, попробуй увеличить C6 в цепи ООС, хотя может иметь место и перекомпенсация из-за большой величины C2 и C3.

ёмкости начинают себя слабо проявлять только в верху звукового диапазона (см. АЧХ петлевого усиления).

Исходя из графика АЧХ петлевого усиления видно, что частота среза всего 1кГц, - то есть на 20кГц налицо уменьшение его на 26дБ, что является очень плохим показателем.

Вот мне лично непонятно зачем там эмиттерные резисторы? Из-за них упадёт петлевое усиление (которого кстати в этой схеме маловато) и возрастут искажения.
Что касается коррекции... то был бы очень признателен, если бы Вы смогли правильно отстроить этот усилитель, чтобы получить более хорошие результаты по КНИ. Разумеется интересно было бы, если бы эти изменения были не существенны (т.е. принцип действия схемы не меняется, только коррекция и резисторы в ДК).

Эмиттерные резисторы - это местная ООС, они улучшают исходную линейность дифкаскада, поставив их, можно смело в 4-6 раз уменьшить номинал корректирующих конденсаторов C2,C3 - пропорционально увеличив таким образом частоту перегиба исходного усиления схемы, вот самый короткий путь к уменьшению Кг. Пожалуй, пока все увиденные недоработки. С уважением, Вячеслав.

[ОРорин]

Так же не вижу проблем, если в дифкаскаде будут стоять разные транзисторы. Для нормального усилителя с более ли менее глубокой ОС это не столь критично.

Не соглашусь. Катихорически

[fakel]

Не соглашусь. Катихорически

ИЯ! ИЯ! Как первый каскад сравнит, так оно и дальше пойдет.

---------- Добавлено в 09:19 ---------- Предыдущее сообщение в 08:53 ----------

Но опять же часто, во многих схемах с глубокой ООС, тип включения (инв. или неинв.) слабо влияет на искажения.

Повторяемся? Чем больше Ку в петле, тем больше отношение синфазной составляющей к разностной. и Эрли тут бушует. Так что не надо тут

[audiomun]

Хм... как я понимаю внутрипетлевое усиление надо нагонять в звуковой полосе частот.

Усиление надо нагонять вообще, по определению, а не только в звуковой полосе, посмотри в современных даташитах на микросхемы, там даже забита такая характеристика, называется полоса-усиление. С уважением, Вячеслав.

[Mepavel]

Не соглашусь. Катихорически

ИЯ! ИЯ! Как первый каскад сравнит, так оно и дальше пойдет.

Как показывают строгие математические расчёты, нелинейное моделирование и практика - уменьшение глубины ОБЩЕЙ ООС вызывает увеличение нелинейных искажений для конкретной схемы усилителя. Попробуйте добавить по 75 Ом в любой модели из этого поста! Получите искажений на 10 дБ больше. И при этом устойчивость схемы не сильно возрастёт, почему напишу ниже.
Что дают эмиттерные резисторы? Они повышают линейность дифкаскада при большом напряжении Udiff на дифференциальных входах. Хорошо! Но при малых Udiff линейность "острого" дифкаскада также остаётся на приличном уровне!.. Увеличив глубину ООС, исключением этих резисторов, мы автоматически уменьшаем Udiff, следовательно линейность дифкаскада остаётся на приличном уровне, да вдобавок ещё и компенсируются остальные искажения усилителя за счёт уменьшения погрешности сравнения.
Идём дальше, Вы, вероятно, скажете, что можно разогнать усиление в петле другими способами, оставив эти эмиттерные резисторы. Но в таком случае вы получите куда больший фазовый набег. Во-первых, легко доказать и показать, что фазовый набег дифкаскада с эмиттерными резисторами + дополнительный разгон усиления в УН будет больше, чем в случае "острого" дифкаскада с УН. Во-вторых, обращаюсь к аудитории с вопросом, какой УН по схеме с ОЭ даёт меньший фазовый набег при равном Ku: с параллельной ООС или последовательной (как раз резистор в эмиттере). И почему?
P.S. В любом случае я разделяю Вашу точку зрения. Но желательно бы как-то обосновывать свои ответы. Лучше когда это подтверждается симуляцией. А так, создаётся впечатление простой неприязни в какому либо элементу или приёму cхемотехники, без попыток разобраться "почему именно так"? И почему тогда производители звуковых ОУ далеко не всегда используют резисторы в дифкаскаде?

---------- Добавлено в 14:03 ---------- Предыдущее сообщение в 13:46 ----------

Повторяемся? Чем больше Ку в петле, тем больше отношение синфазной составляющей к разностной.

Полностью согласен.

Эрли тут бушует

Тоже согласен. При большом Ku в дифкаскаде и малом Ku в УН будет сказываться сильная нелинейность. Но опять же надо это подтверждать численно. В данном случае при повышении Ku в дифкаскаде, не пришлось менять Ku в УН. Следовательно на коллекторах дифкаскада размах напряжения остался прежним. И в итоге искажения уменьшились.
Хотя никто не мешает добавить каскод в дифкаскад и применить инвертирующее включение. При этом про эффект Эрли вообще можно забыть, если, конечно, не хочется получить КНИ под минус 130-150 дБ И разумется, если остальные каскады схемы имеют идеальную линейность.

---------- Добавлено в 14:25 ---------- Предыдущее сообщение в 14:03 ----------

Усиление надо нагонять вообще, по определению, а не только в звуковой полосе

Пожалуйста, покажите такое определение. Насколько я понимаю, мы делаем звуковой усилитель, и зачем ему гигантское усиление вне звуковой полосы (скажем на 1 МГц)? С уважением, Павел.

[fakel]

Как показывают строгие математические расчёты...

Ага, британские ученые доказали, ведущие собаководы рекомендуют.
Поэтому

желательно бы как-то обосновывать свои ответы.

Что дают эмиттерные резисторы? Они повышают линейность дифкаскада при большом напряжении Udiff на дифференциальных входах. Хорошо! Но при малых Udiff линейность "острого" дифкаскада также остаётся на приличном уровне!..

Не факт, растет доля синфазной составляющей. Так что высказывание весьма спорно

Идём дальше, Вы, вероятно, скажете, что можно разогнать усиление в петле другими способами, оставив эти эмиттерные резисторы. Но в таком случае вы получите куда больший фазовый набег.

Вовсе нет. Например, токовое зеркало удваивает крутизну преобразования, не внося в АЧХ доп. полюсов.

Во-первых, легко доказать и показать...

Докажите и покажите

Во-вторых, обращаюсь к аудитории с вопросом, какой УН по схеме с ОЭ даёт меньший фазовый набег при равном Ku: с параллельной ООС или последовательной (как раз резистор в эмиттере). И почему?

Вы сами ответите на этот вопрос, если примете во внимание активное вх и вых сопротивление каскада при различных видах вещественной ООС

И почему тогда производители звуковых ОУ далеко не всегда используют резисторы в дифкаскаде?

Производители ОУ имеют возможность подобрать транзисторы ДК с высокой точностью на одном кристалле и сохранить ее в большом диапазоне температур. Также, шум, приведенный ко входу, тоже явл немаловажным фактором, составляющим предмет конкуренции производителей.

---------- Добавлено в 16:09 ---------- Предыдущее сообщение в 16:08 ----------

и зачем ему гигантское усиление вне звуковой полосы (скажем на 1 МГц)? С уважением, Павел.

Чтобы эффективно давить широкополосные гармоники выходного каскада

---------- Добавлено в 16:09 ---------- Предыдущее сообщение в 16:09 ----------

И вообще, почему все забыли о ППК?

[audiomun]

Насколько я понимаю, мы делаем звуковой усилитель, и зачем ему гигантское усиление вне звуковой полосы (скажем на 1 МГц)? С уважением, Павел.

Ну вот, пока писал, fakel кратко тебе и ответил. Лучше, конечно, объяснить подробнее: посмотри на график АЧХ своей схемы - усиление на 20кГц равно 49дБ, то есть глубина ООС равна всего 20дБ, что уже мало, далее - 10 гармоника будет частотой 200кГц, а на ней усиление 29дБ, то есть подавления гармоник, начиная с 10-й, не будет ВООБЩЕ. Приличные же современные схемы усилителей имеют показатель глубины ООС на 20кГц не хуже 60дБ - как говорится, почувствуйте разницу. С уважением, Вячеслав.

[Mepavel]

Не факт, растет доля синфазной составляющей. Так что высказывание весьма спорно

Спорно, если трудно найти время и желание хотя бы на симуляцию сказанных вещей. Может тогда бы Вы поняли какая доля чего и от чего растёт. И как меняется КНИ.

Вовсе нет. Например, токовое зеркало удваивает крутизну преобразования, не внося в АЧХ доп. полюсов.

Если честно пе понял, какую крутизну и какого преобразования. С чего это ТЗ не вносит доп. полюсов? Отставание тока базы, от тока коллектора не существует? Положим в конкретной схеме УН можно считать ТЗ и фазовый набег на частотах сверхзвукового диапазона как и положено близок к 90 град.

[malefactor_8hz]

и зачем ему гигантское усиление вне звуковой полосы (скажем на 1 МГц)?
Чтобы эффективно давить широкополосные гармоники выходного каскада

Со всем согласен, с этим - не согласен.

---------- Добавлено в 13:43 ---------- Предыдущее сообщение в 13:35 ----------

Лучше, конечно, объяснить подробнее: посмотри на график АЧХ своей схемы - усиление на 20кГц равно 49дБ, то есть глубина ООС равна всего 20дБ, что уже мало, далее - 10 гармоника будет частотой 200кГц, а на ней усиление 29дБ, то есть подавления гармоник, начиная с 10-й, не будет ВООБЩЕ. Приличные же современные схемы имеют показатель глубины ООС на 20кГц не хуже 60дБ - как говорится, почувствуйте разницу. С уважением, Вячеслав.

Лучше, чтобы исходная линейность схемы высокая была, в том числе и выходного каскада, короткий спектр искажений, чтобы не ломать голову как задавить десятую гармонику бэшеной глубиной ОООС.

И ещё, стоит ли стремиться поднять частоту первого полюса за звуковой диапазон, при условии равной глубины ОООС на 20кГц? Однозначного ответа нет, здесь мнения разнятся.

[Mepavel]

посмотри на график АЧХ своей схемы - усиление на 20кГц равно 49дБ, то есть глубина ООС равна всего 20дБ, что уже мало, далее - 10

Вообще-то я привёл на тех графиках АЧХ и ФЧХ петлевого усиления A_L. Т.е. усиления, измеренного в разрыве цепи усилитель-ООС. Глубина ОС F=A_L+1.
Привожу схему измерения. Т.е. на 20 кГц глубина ОС 49 дБ, а на 1 кГц 72 дБ.