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

[malefactor_8hz]

Исходная линейность подразумевается само собой, короткий спектр искажений - режим А, например. А если хватает ума и конструкторской мысли - почему бы и не задавить, тем более, если остальные характеристики не ухудшились.

Согласен.

Усилитель с хорошей исходной линейностью и малой глубиной ООС хорош при работе на идеальную резистивную нагрузку, а не реальную АС.

А если без ООС? Например, мю-повторитель на 6Н6П + два каскада однотактных повторителей нагруженных на ИТ. Искажения, допустим, четверть процента на 20кГц при 10 Вт. Можно считать этот усилитель плохим?

[Mepavel]

А как будет с интермодами, и НЧ+СЧ и ВЧ+ВЧ ?

Извините, по-моему слегка странный вопрос. Всё зависит от конкретной схемы усилителя. Но учитывая прямую зависимость ИМИ от КНИ для конкретного усилителя, можно сказать, что усилитель с меньшей f1 (т.е. с большей глубиной ООС во всей звуковой полосе) скорее всего покажет себя с лучшей стороны.

---------- Добавлено в 22:27 ---------- Предыдущее сообщение в 22:20 ----------

А если без ООС? Например, мю-повторитель на 6Н6П + два каскада однотактных повторителей нагруженных на ИТ. Искажения, допустим, четверть процента на 20кГц при 10 Вт. Можно считать этот усилитель плохим?

malefactor_8hz, не совсем понял вопрос. Я вообще писал про то, что мне больше нравится звучание усилителей с глубокой ОС. Меньше грязи и сухости, особенно в рок-музыке.
Кроме того, низкое Rвых, по идее должно снизить зависимость КНИ от конкретного вида АС.
А то что можно считать этот усилитель плохим или нет, то это скорее дело вкуса. Мне, лично, не нравится звук усилителей с большим КНИ.

[audiomun]

Вроде не спешу. Область слухового восприятия (по Вегелю и Лэну).

Извини, но эта нарисованная от руки бумажка похоже 40-х годов, найди нормальную таблицу кривых равной громкости из учебника по акустике и посмотри - люди поумнее нас писали.

Видно, что в диапазоне 200 - 3000 Гц чувствительность слуха на 20 дБ больше, чем скажем на частоте 50 Гц.

Ты опять поторопился, видимо посмотрел наоборот - сверху, а не снизу, на самом деле на пороге слышимости не на 20, а на 30дБ, причем частоты 200 и 3000Гц разнятся между собой еще на 20дБ, итого получилось уже 50дБ. Сожалею, но симулятор - жалкая замена мозгам, знаниям и опыту. С уважением, Вячеслав.

[Mepavel]

Извини, но эта нарисованная от руки бумажка похоже 40-х годов, найди нормальную таблицу кривых равной громкости из учебника по акустике и посмотри - люди поумнее нас писали.

Согласен картинка так себе. Прикрепил нормальную.

Опять поторопился, видимо посмотрел наоборот - сверху, а не снизу, на самом деле на пороге слышимости не на 20, а на 30дБ, причем частоты 200 и 3000Гц разнятся между собой еще на 20дБ, итого получилось уже 50дБ.

Ну вот видите. Какая я и писал - на НЧ важен низкий КНИ. Кривая порога слышимости, конечно, имеет самую большую неравномерность АЧХ, и является ярким примером необходимости использования в звуковых усилителях очень низкой частоты первого полюса усилителя. Но даже на средних уровнях громкости чувствительность слуха заметно выше в среднечастотном диапазоне (и не только в окрестности 3,5 кГц). Это я и имел ввиду в посте #126.
За уточнение спасибо большое. С уважением Павел.

[audiomun]

на НЧ важен низкий КНИ.

Низкий КНИ важен на любой частоте.

Кривая порога слышимости, конечно, имеет самую большую неравномерность АЧХ, и является ярким примером необходимости использования в звуковых усилителях очень низкой частоты первого полюса усилителя.

Очень низкая частота первого полюса АЧХ усилителя имеет существенное значение для уменьшения тепловых искажений и дрейфа нуля.

За уточнение спасибо большое. С уважением Павел.

Принимается. С уважением, Вячеслав.

[Mepavel]

Очень низкая частота первого полюса АЧХ усилителя имеет существенное значение для уменьшения тепловых искажений и дрейфа нуля.

И это тоже, но согласитесь, что низкочастотный полюс - основная особенность современных звуковых усилителей. Для примера привожу картинку из даташита LM49710 (половинка LM4562).



Типовой THD+N на 1 кГц для этой микросхемы составляет 0,00003% (т.е. искажения близки к уровню шумов). Частота первого полюса ниже 10 Гц. Звучит микросхема просто идеально (использую её в двухполосном темброблоке).
P.S. Если посмотреть АЧХ усиления LM3886 или LME49810, то так же можно увидеть, что частоту первого полюса f1 стремятся сделать как можно ниже, а граничную частоту как можно выше в отличие от усилителя Зуева, к примеру, у которого f1 = 27 кГц. А глубина ОС во всей звуковой полосе составляет примерно 50 дБ (при делителе в общей ООС примерно 1:20).

[audiomun]

но согласитесь, что низкочастотный полюс - основная особенность современных звуковых усилителей.

Павел, не только соглашусь, именно это я утверждал в теме про тепловые искажения на Сталкер-лабе, за понимание сией темы тебе зачет, безусловно.

в отличие от усилителя Зуева, к примеру, у которого f1 = 27 кГц.

Здесь ты немного увлекся, дело в том, что даже с высоким первым полюсом f1 практически любая схема УНЧ на низших частотах обеспечивает гораздо меньший Кг, чем на высших - в первую очередь, ввиду более равномерного подавления спектра гармоник в первом случае в отличие от второго, где подавление - ниспадающее с частотой. В случае очень низкого первого полюса f1 подавление спектра гармоник будет ниспадающим как для низших, так и для высших частот звукового диапазона, поэтому, по сравнению со схемой с высокой частотой f1 выигрыш в Кг на низших частотах, безусловно, есть, но он не такой значительный, как ты утверждал, просто высокая частота первого полюса современных УМЗЧ является неким компромиссом. С уважением, Вячеслав. P.S. Поскольку вечером будет некогда, заранее поздравляю всех коллег по форуму с наступающим Новым Годом, желаю всем счастья, удачи, любви и успехов в творчестве!

[Mepavel]

Перед новым годом хотелось бы предложить улучшенный и более стабильный, с моей точки зрения, вариант американского усилителя.

Вот его схема:

В усилителе применены самые популярные, и следовательно, легкодоступные полупроводниковые элементы. Сведены к минимуму тепловые искажения и температурная нестабильность тока покоя каскада УН, благодаря использованию каскода в токовых зеркалах. Это позволило выровнять температуру кристалла и, следовательно, падение напряжения U_BE на токозадающих транзисторах. Кроме того, это попутно свело к минимуму эффекты Эрли и Миллера.
В схеме появился логический вход Mute, который переводит выход усилителя в высокоимпедансное состояние. На него можно (и даже нужно) подавать сигнал с датчика срабатывания защиты (Protection), как при включении питания (для устранения щелчка), так и при КЗ на выходе усилителя. Кроме того, добавлены диоды Шоттки (X16, X17, X20, X21, X22, X23) для мягкой перегрузки усилителя (клиппинга). При перегрузке каскады УН переходят в режим источника тока величиной 30-35 мА, что не приводит к перегреву транзисторных кристаллов УН.

Результаты измерений:

Гармоники на 1 кГц и 10 кГц

(подавлены чётные гармоники, что говорит о высокой симметричности усилителя):

Интермодуляционные искажения (1:1 7 кГц и 50 Гц):

Меандр на частоте 10 кГц:

(скорость нарастания/спада с цепью общей ООС лежит в пределах 80-100 В/мкс. Выбросы незначительны, что говорит о хорошей устойчивости усилителя)

АЧХ и ФЧХ петлевого усиления (делитель обеспечивает на ЗЧ Ku усилителя в 30 дБ)

(запас по фазе в районе 65 градусов и не сильно зависит от выходного напряжения)

Клиппинг усилителя на частоте 10 кГц (Uвх=2 В)

Зависимости дифференциального напряжения (верхний график) и тока покоя УН (нижний график) от температуры.

(как видно, ток покоя УН стабилен, в отличие от оригинальной схемы, где он меняется почти в 2 раза на этом участке).

Демонстрация работы входа Mute:

[свернуть]

[Mepavel]

Здесь ты немного увлекся, дело в том, что даже с высоким первым полюсом f1 практически любая схема УНЧ на низших частотах обеспечивает гораздо меньший Кг, чем на высших - в первую очередь, ввиду более равномерного подавления спектра гармоник в первом случае в отличие от второго, где подавление - ниспадающее с частотой.

Совершенно непонятно, если у схемы первый полюс, например, как у усилителя Зуева на частоте 27 кГц, то почему на низких частотах подавление гармоник буде сильнее, чем на высших (речь идёт о звуковом диапазоне 20 Гц - 20 кГц)? Симулятор показывает постоянный THD и IMD во всём звуковом диапазоне. Мне кажется, Вы себе противоречите. Это я по поводу тепловых искажений, которые сильнее проявляются на НЧ и СЧ. К тому же можно посмотреть в даташитах звуковых микросхем частотные зависимости THD+N (например, LM3886, LM49810). Если 20 дБ выигрыша на 1 кГц по сравнению с 10 кГц это незначительно, то тогда надо сказать зарубежным производителям, чтобы пересмотрели свой взгляд на схемотехнику.
Разумеется усилители с высоким f1 имеют несколько лучший THD и IMD на верхних частотах, и бОльшую скорость нарастания. Авторы этих усилителей считают, что это большой плюс в звуке, поскольку усилитель способен подавлять ВЧ наводки и гармоники от ВК (которые непонятно откуда берутся при воспроизведении звука. Спектр у нормального ВК очень даже спадающий и, скажем, на 1МГц ничего уже не видно. Разумеется если в ВК нет самовозбуждений и звонов, но это уже вопрос недоработки конструкции и схемотехники).

[malefactor_8hz]

Очень низкая частота первого полюса АЧХ усилителя имеет существенное значение для уменьшения тепловых искажений и дрейфа нуля.

Кроме того PSRR выше.

---------- Добавлено в 17:51 ---------- Предыдущее сообщение в 17:24 ----------

улучшенный и более стабильный, с моей точки зрения, вариант

В моем понимании - уже лучше.
Можно попробовать X1\X14 и X13\X15 сделать со следящей ООС, может добавит крупицы к качеству.

Раз затронули тему тепловых искажений, отмечу, что опять как раз входной ДК - слабое место. Раз делитель ОООС сравнительно низкоомный, ток через ДК должен быть повыше обычного. С бОльшей глубиной местной ООС ТИ проявляются меньше, однако это не лучший выход. Хорошо использовать в ДК Шиклаи + каскод, раз транзисторов не жалеете - попробуйте!

И еще: достаточно ли будет тока предварит. каскадов повторителя для того, чтобы не принимать дополниьтельных мер по снижению переключательных искажений? (межбазовые конденсаторы, диоды..)

В повторителе лучше, если частотные св-ва каждого предыдущего каскада лучше последующего, выполняется это для KSE340\350 и BD139\140 ?

[Mepavel]

Можно попробовать X1\X14 и X13\X15 сделать со следящей ООС, может добавит крупицы к качеству.

Я вроде как пробовал. Ku чуть уменьшается искажения чуть растут. К тому же что будет в этом случае при перегрузке усилителя? Нужно будет городить дополнительный ограничитель тока?

---------- Добавлено в 20:21 ---------- Предыдущее сообщение в 20:12 ----------

Раз затронули тему тепловых искажений, отмечу, что опять как раз входной ДК - слабое место. Раз делитель ОООС сравнительно низкоомный, ток через ДК должен быть повыше обычного. С бОльшей глубиной местной ООС ТИ проявляются меньше, однако это не лучший выход. Хорошо использовать в ДК Шиклаи + каскод, раз транзисторов не жалеете - попробуйте!

По поводу снижения ТИ в ДК, если перевести усилитель в инвертирующее включение потребуется ли принимать какие-либо меры? В ДК Шиклаи? Интересно, надо попробовать. Хотя я сравнивал схему Дарлингтона и Шиклаи, только для применения в повторителе ВК. Вплане искажений разницы не заметил (в симуляторе, разумеется при равной температуре кристалла). А вот кстати по поводу термокомпенсации в ВК - может лучше схема Шиклаи?

---------- Добавлено в 20:24 ---------- Предыдущее сообщение в 20:21 ----------

межбазовые конденсаторы

Какая гадость пытаться снижать искажения конденсаторами. Ошибочное мнение, симулятор показаывает, что ни на долю дБ искажения не уменьшаются. Зато появляются низкочастотные переходные процессы.

[malefactor_8hz]

Я вроде как пробовал. Ku чуть уменьшается искажения чуть растут. К тому же что будет в этом случае при перегрузке усилителя? Нужно будет городить дополнительный ограничитель тока?

Да, при плохой перегрузке могут понадобиться диод или два в УН. Раз хуже или так же, значит не стоит, понятное дело.

[Mepavel]

В повторителе лучше, если частотные св-ва каждого предыдущего каскада лучше последующего, выполняется это для KSE340\350 и BD139\140 ?

Частотные свойства примерно одинаковы, зато пробивные напряжения разные.

---------- Добавлено в 20:31 ---------- Предыдущее сообщение в 20:26 ----------

Да, при плохой перегрузке могут понадобиться диод или два в УН. Раз хуже или так же, значит не стоит, понятное дело.

Да, кстати, не стал рисовать дабы не загромождать схему. Параллельно коллекторным переходам транзисторов X14 и X15 нужно влючить диоды Шоттки BAS40, чтобы не вводить эти транзисторы в режим глубокого насыщения (накопления заряда в эпитаксильном слое коллектора) при перегрузке.

[malefactor_8hz]

Какая гадость пытаться снижать искажения конденсаторами. Ошибочное мнение, симулятор показаывает, что ни на долю дБ искажения не уменьшаются. Зато появляются низкочастотные переходные процессы.

Зависит от режимов повторителей, если все из А не выходят (кроме мощных выходных), действия конденсаторов не видно (и не слышно), зато сильно помогает, если токи недостаточные.

По поводу снижения ТИ в ДК, если перевести усилитель в инвертирующее включение потребуется ли принимать какие-либо меры?

Общая ООС будет их ослаблять, а нужны ли будут дополнительные меры - пока не знаю, нужно как-то оценить такое положение. Ну, не помешают - это точно.

Offтопик:
Я в своей теме "Простой композитный УМЗЧ с ВК на горизонтальных ПТ" отказался от доп. мер по улучшению вх. каскада транзисторной части в петле общей ООС в пользу простоты. Вложенная, понятно, его искажения не ослабляет.

А вот кстати по поводу термокомпенсации в ВК - может лучше схема Шиклаи?

К Шиклаи не в классе А у меня предубеждения.

[Mepavel]

Зависит от режимов повторителей, если все из А не выходят (кроме мощных выходных), действия конденсаторов не видно (и не слышно), зато сильно помогает, если токи недостаточные.

Ну так я и стараюсь, чтобы предвыходные транзисторы в повторителе ВК не выходили из А.

[Mepavel]

По поводу снижения ТИ в ДК, если перевести усилитель в инвертирующее включение потребуется ли принимать какие-либо меры?

Общая ООС будет их ослаблять, а нужны ли будут дополнительные меры - пока не знаю, нужно как-то оценить такое положение. Ну, не помешают - это точно.

Вот как раз общая ООС их очень сильно ослабляет. Как показывает моделирование в этом усилителе их снижать вообще нет смысла. Действительно, амплитуда напряжения на коллекторах ДК очень мала, да и к тому же напряжение на коллекторных переходах меняется синхронно. Следовательно, Эрли явно не бушует да и мощность выделяемая на транзисторах практически постоянна и равна даже в динамике, поэтому о ТИ в дифкаскаде для этой схемы не может быть и речи. Единственное, можно было бы добавить каскод в ДК, всё-таки 60В пробивного для BC846 может быть маловато, а на высоковольтном участке ВАХ работать как-то непринято.
P.S. Пробовал увеличивать выходное сопротивление источника сигнала до 1 кОм, на искажения это практически не влияет, что является приятным фактом. Разумеется более высокоомный делитель общей ООС так же хорошо работает. Инвертирующее включение не даёт никаких преимуществ. Искажения изменяются на десятые доли дБ.
P.S. Для тех, кто доказывал, что надо очень точно подбирать транзисторы в диф.каскаде, чтобы снизить искажения прикрепил файл, где в дифкаскаде стоит BD139+BC846. Гармоники изменились меньше чем на 0,5 дБ, только ноль в дифкаскаде ушёл на 40 мВ.

[audiomun]

Совершенно непонятно, если у схемы первый полюс, например, как у усилителя Зуева на частоте 27 кГц, то почему на низких частотах подавление гармоник буде сильнее, чем на высших (речь идёт о звуковом диапазоне 20 Гц - 20 кГц)? Симулятор показывает постоянный THD и IMD во всём звуковом диапазоне.

Павел, смотри - применительно к данному случаю, поскольку исходная АЧХ линейна до частоты среза 27кГц и глубина ООС до этой частоты одинакова и равна 50дБ, соответственно на эту величину происходит уменьшение всех гармоник низшей частоты - 20 Гц. Далее - берем 20 кГц, для нее 4 -я гармоника имеет частоту 80 кГц, а 10 -я имеет частоту 200 кГц, на которых глубина ООС меньше, соответственно, на 10 дБ и 17,3 дБ ввиду уменьшения исходного усиления на них - то есть на высших частотах звукового диапазона с ростом номеров гармоник исправляющее действие ООС значительно ослабляется, ввиду ее уменьшения, плюс к сказанному - начинает проявлять себя фазо-временное отставание действия цепи ООС. Симуляторам не нужно верить всегда, там тоже присутствует человеческий фактор. С уважением, Вячеслав.

[viktor8m]

P.S. Для тех, кто доказывал, что надо очень точно подбирать транзисторы в диф.каскаде, чтобы снизить искажения прикрепил файл, где в дифкаскаде стоит BD139+BC846. Гармоники изменились меньше чем на 0,5 дБ, только ноль в дифкаскаде ушёл на 40 мВ.

Большие сомнения (судя по документации), что симмулятор по отдельности учитывает изменения температуры каждого кристалла полупроводниковых элементов под влиянием проходящего сигнала (особенно для стандартных моделей полупроводниковых элементов), отсюда и неизменность искажений. Правда существуют специальные термические модели полупроводниковых элементов, может в них это учтено, но где их взять. Уж влияние тепловых искажений симмулятор точно правильно не покажет.

[Mepavel]

Большие сомнения (судя по документации), что симмулятор по отдельности учитывает изменения температуры каждого кристалла полупроводниковых элементов под влиянием проходящего сигнала (особенно для стандартных моделей полупроводниковых элементов), отсюда и неизменность искажений.

Конечно в случае сильно отличающихся транзисторных кристаллов (как в случае BD139 и BC846), нужно учитывать динамику саморазогрева (Self-Heating) кристаллов. Но в случае одинаковых транзисторов, этим вообще можно пренебречь. Как я уже писал, мощность на них выделяется одинаковая в любой момент времени. А почему привёл BD139 и BC846, просто бытует мнение, что и без учёта ТИ должны возрасти искажения (хотя по другим причинам).

Offтопик:

Правда существуют специальные термические модели полупроводниковых элементов, может в них это учтено, но где их взять. Уж влияние тепловых искажений симмулятор точно правильно не покажет.

Об этом я уже писал в теме и даже приводил примеры работы и расчёта параметров этой модели. Будет время напишу конвертор параметров из модели Гуммеля-Пуна в Mextram.

P.S. По-поводу этого усилителя. Как показало моделирование, искажения лимитируются ВК. Заменял последний на буфер и искажения уменьшились на 15-20 дБ.

[viktor8m]

Перед новым годом хотелось бы предложить улучшенный и более стабильный, с моей точки зрения, вариант американского усилителя.

Заметил одну грубую ошибку - все TL431 зашунтированы 0.22 мкФ, в то же время в даташите указано, что при таком шунтировании будут возникать ВЧ колебания. Шунтировать TL431 для 2.5 В можно ёмкостью или менее 6000 пкФ или выше 6 мкФ (см. график 16 в зависимости от напряжения в даташите от Тексаса).