Глубокая ООС и динамические искажения в УМЗЧ

[Teoretic]

Динамические искажения.pdfНаверное, это надо было сделать намного раньше, но лучше поздно, чем никогда.
Надеюсь, эта тема внесет некоторую ясность в вопрос о глубокой ООС.

Сама заметка:
http://minus.com/lbwxxedETMAj0

Выкладываю в pdf, там формулы и рисунки.

Модели в MicroCap8:
http://minus.com/lbuW9uqjOJEmpQ
http://minus.com/lba5ivZ94guuqV

Вот плод коллективных трудов, исправленная заметка и модели.
tim2.cir
tim1.cir
Динамические искажения.pdf

[Shaq]

Но в чём идея?

Идея в том что если на входе усилителя (в целом, включая цепи ООС) возникает сигнал потенциально способный перегрузить его входной каскад (пусть при отсутствии других сигналов он вызывает дивиацию тока входного каскада на половину, а лучше на две трети тока покоя (для случая без токового зеркала поделить вдвое)) то в сумме с другими сигналами (ну путь это будет тарелки и бас бочка? ) он скорее перегрузит входной каскад усилителя с более высокочастотным полюсом, поскольку для отработки амплитуды нашей "бас бочки" на выходе ему нужна будет большая амплитуда сигнала на входе непосредственно. Щаз попробую нарисовать графики.



Вот, кормим вход усилителя смесью двух сигналов, ВЧ и НЧ. ВИдно что амплитуда входного сигнала для усилителя с более высокочастотным первым полюсом, выше, а соотвественно усилитель ближе к перегрузке.

[Mepavel]

Идея в том что если на входе усилителя (в целом, включая цепи ООС) возникает сигнал потенциально способный перегрузить его входной каскад (пусть при отсутствии других сигналов он вызывает дивиацию тока входного каскада на половину, а лучше на две трети тока покоя (для случая без токового зеркала поделить вдвое)) то в сумме с другими сигналами (ну путь это будет тарелки и бас бочка? ) он скорее перегрузит входной каскад усилителя с более высокочастотным полюсом, поскольку для отработки амплитуды нашей "бас бочки" на выходе ему нужна будет большая амплитуда сигнала на входе непосредственно.

Совершенно верно!
viktor8m, ну что Вы никак не можете понять, что чем ниже частота полюса - тем лучше (при прочих равных SR и Ft)! Так если сравнивать ВЧ сигнал (или короткие импульсы), то в этом случае точность определяется высокочастотной частью АЧХ и ФЧХ. А они равные. А если говорить об усилении НЧ сигнала, то для усилителя с более выскочастотным полюсом глубина ООС будет меньше (выходное сопротивление больше) и он будет криво работать, особенно на кривую нагрузку (как раз там, где мощная противоЭДС на НЧ). Более того, малая глубина ООС на НЧ приведёт к большому дифференциальному напряжению на входах усилителя. И нелинейность входного ДК будет очень большой.

[viktor8m]

он скорее перегрузит входной каскад усилителя с более высокочастотным полюсом, поскольку для отработки амплитуды нашей "бас бочки" на выходе ему нужна будет большая амплитуда сигнала на входе непосредственно.

О любом усилителе трудно говорить (есть масса плохих схем), надо о конкретной схеме УМ или ОУ. Для схемы со слабым входным каскадом и с УН и ВК без запаса по напряжению надо действительно увеличивать усиление без ООС уменьшая полюс (если нет возможности увеличивать единич. усиление).

viktor8m, ну что Вы никак не можете понять, что чем ниже частота полюса - тем лучше (при прочих равных SR и Ft)!

Я спорю с этим утверждением только в смысле универсальности, ты утверждаешь, что всегда лучше, я что можно пойти и другим путём (в смысле схемотехнически) и получить не хуже требуемого в точности плюс лучше в чём то другом (есть много того, где больший полюс лучше для звука).

[Mepavel]

Вот, кормим вход усилителя смесью двух сигналов, ВЧ и НЧ. ВИдно что амплитуда входного сигнала для усилителя с более высокочастотным первым полюсом, выше, а соотвественно усилитель ближе к перегрузке.

Хороший и наглядный пример.

[Shaq]

О любом усилителе трудно говорить (есть масса плохих схем), надо о конкретной схеме УМ или ОУ. Для схемы со слабым входным каскадом и с УН и ВК без запаса по напряжению надо действительно увеличивать усиление без ООС уменьшая полюс (если нет возможности увеличивать единич. усиление).

Я согласен что большинство хороших усилителей не испытают никаких проблем с перевариванием реального сигнала (ну пусть смеси той же бас бочки и хай-хета). Но - мы пытаемся проводить мысленные эксперементы на страницах этого форума. ДЛ я этого, в некоторых случаях, годятся абстрактные модедели, подобно тем которые я взял для примера. Я взял два одинаковых, за исключением положения первого полюса, усилителей, с одинаковой структурой, граничной частотой и токами покоя каскадов. И что я вижу в результате данного мысленного эксперемента? Усилитель с более высокочастотным первым полюсом имеет больший входной сигнал. Как следствие большую дивиацию тока входных транзисторов. Значит он ближе к перегрузке, так ведь?

[Mepavel]

Я спорю с этим утверждением только в смысле универсальности, ты утверждаешь, что всегда лучше, я что можно пойти и другим путём (в смысле схемотехнически) и получить не хуже требуемого в точности плюс лучше в чём то другом (есть много того, где больший полюс лучше для звука).

viktor8m, можно пойти другим путём. Повышать линейность и шумы входного каскада (как рекомендует С. Агеев), правда неизвестно хватит ли усиления у других каскадов после такой линеаризации. Тогда динамические искажения уменьшаться, а шумы увеличатся. Только Вам приятно слушать в тишине музыку, прорывающуюся через шипение? А результат С. Агеева - 0,002 % IMD в самом смешном тесте SMPTE 4:1. Чистая LM3886 с Ku=20 дБ показывает 0,004 %. Вот потому мировые специалисты не идут таким путём.

[viktor8m]

Я взял два одинаковых, за исключением положения первого полюса, усилителей, с одинаковой структурой, граничной частотой и токами покоя каскадов. И что я вижу в результате данного мысленного эксперемента? Усилитель с более высокочастотным первым полюсом имеет больший входной сигнал. Как следствие большую дивиацию тока входных транзисторов. Значит он ближе к перегрузке, так ведь?

Посмотрим на разные ОУ с однокаскадным УН на каскодном диф. каскаде, OPA842 (F1=350 МГц, К=110дБ, значит полюс 1кГц) и OPA690 (F1=500 МГц, К=69дБ, значит полюс 170кГц), но у OPA842 Rдиф=14к (т.е. в эмиттерах диф. каскада нет резисторов), а у OPA690 Rдиф=190к (т.е. в эмиттерах диф. каскада есть резисторы), поэтому трудно сказать, кто быстрее перегрузится.

[Mepavel]

но у OPA842 Rдиф=14к (т.е. в эмиттерах диф. каскада нет резисторов), а у OPA690 Rдиф=190к (т.е. в эмиттерах диф. каскада есть резисторы), поэтому трудно сказать, кто быстрее перегрузится.

Это как Вы измерили Rдиф? Откуда выводы про существование или отсутствие эмиттерных резисторов?

[viktor8m]

Это как Вы измерили Rдиф?

Из даташитов.

Откуда выводы про существование или отсутствие эмиттерных резисторов?

А по другому никак в ВЧ ОУ, токи в диф. каскаде там большие, беты около 100 (там ВЧ транзисторы). Сравни схемы (в конце даташитов) на LT1226 (Rдиф=15к, нет резисторов) и LT1225 (Rдиф=70к, есть резисторы). В таких ОУ популярно уменьшать усиление введением резисторов.

[Mepavel]

Посмотрим на разные ОУ с однокаскадным УН на каскодном диф. каскаде, OPA842 (F1=350 МГц, К=110дБ, значит полюс 1кГц) и OPA690 (F1=500 МГц, К=69дБ, значит полюс 170кГц), но у OPA842 Rдиф=14к (т.е. в эмиттерах диф. каскада нет резисторов), а у OPA690 Rдиф=190к (т.е. в эмиттерах диф. каскада есть резисторы), поэтому трудно сказать, кто быстрее перегрузится.

Резисторы ещё не говорят о том, что входной каскад быстрее перегрузится, т.е. войдёт в нелинейный режим. Для OPA842 дифференциальное напряжение на входах будет на 41 дБ меньше, чем для OPA690. Понятно что резисторы здесь не помогут и OPA690 будет сильно лажать на звуке. Что же тут непонятного? Или Вы утверждаете, что OPA690 будет лучше звучать, чем OPA842?

[viktor8m]

Или Вы утверждаете, что OPA690 будет лучше звучать, чем OPA842?

Я ничего не утверждаю. Я просто говорю, что надо исследовать конкретную схемотехнику (смотреть, как получено усиление, как оно распределено), чтобы делать однозначный вывод о превосходстве одного полюса над другим (легко можно найти примеры усилителей с большим усилением и низкой перегрузочной устойчивостью).

[Mepavel]

Я ничего не утверждаю. Я просто говорю, что надо исследовать конкретную схемотехнику (смотреть, как получено усиление, как оно распределено), чтобы делать однозначный вывод о превосходстве одного полюса над другим (легко можно найти примеры усилителей с большим усилением и низкой перегрузочной устойчивостью).

Ну вот это уже другой разговор, а то Вы всё про задержки в 1 мс. В любом высококачественном УМЗЧ никогда не стремятся повысить частоту полюса. Скорее наоборот. То что делал Сухов, Л. Зуев и С. Агеев - пусть это останется на их совести.

[viktor8m]

В любом высококачественном УМЗЧ никогда не стремятся повысить частоту полюса.

В общем смысле я не соглашусь, давай останемся каждый при своём мнении. Если делать с одной петлёй ООС и с ВК в классе АВ, то получить малые искажения без увеличения глубины ООС сложно, но есть и другие варианты построения УМ. Лучше спорить о более важных вещах или о конкретной схеме.

[Mepavel]

В общем смысле я не соглашусь, давай останемся каждый при своём мнении.

viktor8m, смотрите специально в этом посте сделал сравнение двух идеальных ОУ с разной частотой первого полюса. Обратите внимание на ФЧХ. ОУ с НЧ полюсом лидировал во всех позициях. И о никаких задержках в 1 мс и речи быть не может.

[Shaq]

Посмотрим на разные ОУ с однокаскадным УН на каскодном диф. каскаде.

Ну почему надо брать сразу разные. Я задал вам вполне конретный вопрос, и если вам не тяжело, ответтье пожалуста на него. Из того что я вижу, в такой ситуации скорее перегрузится ОУ с более высокочастотным полюсом, чем его коллега с большим Ку. Т.е. возможна ситуация когда попытка увести полюс с ВЧ область скорее приведет к перегрузке входного каскада. Вы с этим согласны?

За тем чтобы увидеть, что при одинаковом Ку более широкополосный усилитель будет работать с более низким входным сигналом, далеко ходить ненадо. Вот иллюстрация. Из нее видно что усилитель с большим Ку и более широкой полосой предпочтительней с этой точки зрения чем усилитель с низким Ку и узкой полосой, не смотря на то что формально первые полюса находятся на практически едентичных частотах.


В реальной жизни, если говорить об УМЗЧ, опции расширения полосы как правило нет. Дизайнер задается типом выходного каскада и типом применяемых транзисторов как правило на ранней стадии, сходя из требований по мощности, КПД и т.д.. Так вот, как только вы зафиксируете в дийзайне тип ВК и тип применяемых транзисторов, то получится что выбора с расширением полосы усилителя практически нет (речь канешно же идет о усилителе с компенсацией одним доминантным полюсом). Да и как правило задавать частоту единичного усиления для мощного УМЗЧ более, допустим 5 МГц, скользкое занятие.
Имея заданную изначально полосу, все что мы можем сделать для того чтобы отодвинуть входной каскад от области перегрузки это увеличить Ку усилителя. В результате чего первый полюс сдвинется вниз по частоте.

---------- Добавлено в 03:55 ---------- Предыдущее сообщение в 03:38 ----------

Offтопик:
А куда делать тема про скрость нарастания?

[AS79]

А куда делать тема про скрость нарастания?

Уехала в Разное.

[.Васильев]

Специально не меняя коррекции поставил в модели усилителя 4 совершенно разных оу с разным первым полюсом и разной скоростью нарастания выходного напряжения. АД825 ,АД845 ,ЛМ 318 ,АД843 . Вот АФЧХ. Повторюсь коррекция одинакова для всех оу. усилитель с многопетлевой оос .Могу и для уся с одной петлей,глубокоосника такой расклад дать.

[dekko]

Повышать линейность и шумы входного каскада (как рекомендует С. Агеев), правда неизвестно хватит ли усиления у других каскадов после такой линеаризации. Тогда динамические искажения уменьшаться, а шумы увеличатся. Только Вам приятно слушать в тишине музыку, прорывающуюся через шипение?

Это где ж такой усилитель С. Агеева ты слышал?

То что делал Сухов, Л. Зуев и С. Агеев - пусть это останется на их совести

Ну так покажи нам свой усилитель, который будет на твоей совести.

[Mepavel]

Offтопик:
dekko, Вам как всегда лишь бы поболтать не вникая в суть проблемы.

Ну так покажи нам

Во всех ветках одно и тоже. Показываешь и тишина!

[dekko]

Павел,

Offтопик:
мне бы увидеть практические результаты, которые ты сделал, изучив суть проблемы. А пока их нет, и наверное ещё долго не будет