Импульсный самоосциллирующий усилитель (soAmp) Oriel Indra

[Electrovoicer]

Индра - в ведической религии наиболее почитаемое божество, предводитель, царь богов, громовержец и устроитель мира. В правой руке бог обычно держал молнию, которой разил врагов или возрождал погибших в бою; он мчался по небу в колеснице, нередко отождествляемой с солнцем. Бросив вызов старому порядку, он стал ведущим божеством, более главным по сравнению с ведийским богом Варуной. Кроме того, считается, что Бог Индра низводит из облачных гор стремительные потоки дождя и, собирая их в особые вместилища, творит земные источники, ручьи и реки, умножает их воды, роет для них широкие русла и направляет их бег.
(с) Энциклопедия Мифологии



В связи с интересом участников форума к данной работе, решил завести отдельную тему вопросов и ответов. Постепенно буду наполнять.
История разработки моего усилителя начинается в 2009г, когда коллеги по клубу автозвука познакомили меня воочию с голландскими усилителями Hypex UcD, разработанными Бруно Путцей и попросили создать автомобильный БП для них. БП был разработан, результат не был абсолютно радостным. Эти великолепные по замыслу и реализации усилители проявили себя, как достаточно чувствительные к качеству источника питания, что затрудняло возможность их применения в автомобильных автозвуковых проектах. Начались поиски решения.

Что же такое импульсный самоосциллирующий усилитель (Self-Oscillating Amplifier), по ошибке часто называемый цифровым? Это такая топология усилителя, когда он, самовозбуждаясь, и используя ключевой режим работы выходного каскада, воспроизводит на выходе усиленный входной сигнал, представляющий собой проинтегрированную выходным LC-фильтром последовательность импульсов. Как правило, частота импульсов составляет около 350-700 кГц (для полнополосного усилителя), а ширина варьируется в соответствии с уровнем сигнала на входе.

А начиналось все вот с этого прототипа, который помог мне разобраться с базовым принципом работы и определить дальнейший путь...

25.06.12
Первый прототип на печатной плате


03.03.2013 Промежуточная версия, дискретная силовая часть, усилитель разделился на две платы.


10.06.2013 Промежуточная версия, эксперименты с выходным фильтром и модулятором


10.11.2013 Появились заказные индуктивности с высокой SRF (~30MHz)


15.12.2013 Собраны и отгружены заказчику первые три усилителя с усовершенствованной силовой платой. Система установлена в автомобиль премиум-класса взамен штатной 16ти-канальной системы Burmester

Что должно быть на выходе правильного импульсного усилителя. Синусоидальные остатки несущей без коммутационных ВЧ-помех, полоса 150МГц


Схема силовой части UcD_power_stage_B.PDF и модулятора UcD_Modulator_A2.PDF

25.03.14
Предсерийный вариант Oriel Indra

Спектр по аналоговому входу, 10 Ватт 4 Ома:


IMD 1 Ватт, 4 Ома


Серийные Indra Mono V2.1

[Audiomaniac]

В двух словах, в чем ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ преимущества ключевых усилителей перед линейными, какие неустранимые проблемы линейных усилителей обходятся в ключевых? В гугл не отсылать, своими словами

[Electrovoicer]

В двух словах, в чем ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ преимущества ключевых усилителей перед линейными, какие неустранимые проблемы линейных усилителей обходятся в ключевых? В гугл не отсылать, своими словами

Спасибо, я без гугля как-нибудь
Одной из неустранимых проблем линейных усилителей является их низкий КПД, и поспорить с этим сложно Это затрудняет их применение в современных высокотехнологичных комплексах звуковоспроизведения. Технология не стоит на месте, появилась элементная база соответствующего уровня, а большинство производителей продолжает убеждать пользователей покупать супердорогие устаревшие тяжеленные гробы класса А, тогда как задача уже лет как 5-7 решается изящнее. А весьма и весьма высокие субъективные (про объективные даже не говорю) показатели современных самоосциллирующих решений с обратной связью с нагрузки по моему личному мнению скоро не оставят линейным усилителям никаких шансов.

К плюсам soAmp-ов я бы также отнес:
1. Схемотехническую простоту (по сравнению с линейными усилителями), обеспечивающую получение постоянного петлевого усиления в полосе рабочих частот, и, соответственно, высокую линейность выходного импеданса
2. Относительно низкую себестоимость (да, я помню, что однотактные ламповики в магазине за углом дороже, но идти лень)

К минусам soAmp-ов следует отнести:
1. Относительную сложность моделирования
2. Сложность разработки топологии печатной платы, обеспечивающей высокие характеристики

[energetik]

Павел, поздравляю с публикацией! Жду конечных решений от тебя!

[Audiomaniac]

А весьма и весьма высокие субъективные (про объективные даже не говорю) показатели современных самоосциллирующих решений с обратной связью с нагрузки по моему личному мнению скоро не оставят линейным усилителям никаких шансов.

КПД это да.
Однако, в ответ ожидалось другое, что-то вроде "в линейных усилителях принципиально неустранимыми являются такие-то механизмы возникновения искажений, которые принципиально отсутствуют в ключевых" Есть такое? Я без подколов, на самом деле интересно, каким образом принципиально нелинейное устройство может быть лучше линейного при работе с аналоговыми сигналами.. Без оглядок на кпд и автозвук

[misha88]

Одной из неустранимых проблем линейных усилителей является их низкий КПД, и поспорить с этим сложно

Решение существует, это объединение линейного усилителя класса А и БП класса D (то есть фактически УМ класса D) с плавающим питанием, чтобы на выходных транзисторах было постоянное небольшое напряжение.

[Electrovoicer]

Решение существует, это объединение линейного усилителя класса А и БП класса D (то есть фактически УМ класса D) с плавающим питанием, чтобы на выходных транзисторах было постоянное небольшое напряжение.

Решение чего и ради чего? Уменьшения КПД на десяток процентов при сомнительном выигрыше в качестве?

---------- Сообщение добавлено 09:32 ---------- Предыдущее сообщение было 09:16 ----------

КПД это да.
Однако, в ответ ожидалось другое, что-то вроде "в линейных усилителях принципиально неустранимыми являются такие-то механизмы возникновения искажений, которые принципиально отсутствуют в ключевых" Есть такое? Я без подколов, на самом деле интересно, каким образом принципиально нелинейное устройство может быть лучше линейного при работе с аналоговыми сигналами.. Без оглядок на кпд и автозвук

С этой точки зрения нужно вспомнить сугубо классические сложности с Миллером, устойчивостью, граничной частотой выходных транзисторов и т.д. - все то, с чем приходится бороться разработчику линейного усилителя мощности при помощи различных приемов, усложняющих схему. Частенько одна кривизна исправляется другой кривизной. Большинство линейных усилителей также являются принципиально нелинейными устройствами, пока не ввели ООС, местные или общие. Импульсный усилитель "менее нелинеен" в этом смысле - интегрируем прецизионный ШИМ - и вуаля! Его передаточная функция и без всякой ОС обладает нелинейностью 0.05-0.5%, сравните с транзисторной схемой без ОС. А введение ОС позволяет линеаризовать выходной импеданс в широком диапазоне частот и добиться уровня искажений -115...-120дб (на ваттах, на нагрузке). "Меньшая степень" нелинейности импульсного усилителя, то есть меньшее количество каскадов (с индивидуальными нелинейностями у каждого) позволяют добиться значительно меньших интермодуляционных искажений на сложном импульсно-шумовом сигнале, коим является музыкальный сигнал.

[pyos]

С этой точки зрения нужно вспомнить сугубо классические сложности с Миллером, устойчивостью, граничной частотой выходных транзисторов и т.д. - все то, с чем приходится бороться разработчику линейного усилителя мощности при помощи различных приемов, усложняющих схему. Частенько одна кривизна исправляется другой кривизной. Большинство линейных усилителей также являются принципиально нелинейными устройствами, пока не ввели ООС, местные или общие. Импульсный усилитель "менее нелинеен" в этом смысле - интегрируем прецизионный ШИМ - и вуаля! Его передаточная функция и без всякой ОС обладает нелинейностью 0.05-0.5%, сравните с транзисторной схемой без ОС. А введение ОС позволяет линеаризовать выходной импеданс в широком диапазоне частот и добиться уровня искажений -115...-120дб (на ваттах, на нагрузке). "Меньшая степень" нелинейности импульсного усилителя, то есть меньшее количество каскадов (с индивидуальными нелинейностями у каждого) позволяют добиться значительно меньших интермодуляционных искажений на сложном импульсно-шумовом сигнале, коим является музыкальный сигнал.

Так-то оно так, но есть два момента:
1) Многие линейные усилители с ООС имеют меньшие искажения на большей мощности, чем представленный в данной теме, причём и THD, и IMD.
2) Стопроцентной корреляции между качеством звука и спектрами искажений не наблюдается, нередко несколько худшие THD и IMD имеет лучше звучащий усилитель. Вывод - эти характеристики не дают исчерпывающей информации об искажениях устройства, а что же в действительности надо измерять и как с этим дела обстоят у ключевых усилителей - мне лично неизвестно.

[Key545]

С этой точки зрения нужно вспомнить сугубо классические сложности с Миллером, устойчивостью, граничной частотой выходных транзисторов и т.д. - все то, с чем приходится бороться разработчику линейного усилителя мощности при помощи различных приемов, усложняющих схему. Частенько одна кривизна исправляется другой кривизной. Большинство линейных усилителей также являются принципиально нелинейными устройствами, пока не ввели ООС, местные или общие. Импульсный усилитель "менее нелинеен" в этом смысле - интегрируем прецизионный ШИМ - и вуаля! Его передаточная функция и без всякой ОС обладает нелинейностью 0.05-0.5%, сравните с транзисторной схемой без ОС. А введение ОС позволяет линеаризовать выходной импеданс в широком диапазоне частот и добиться уровня искажений -115...-120дб (на ваттах, на нагрузке). "Меньшая степень" нелинейности импульсного усилителя, то есть меньшее количество каскадов (с индивидуальными нелинейностями у каждого) позволяют добиться значительно меньших интермодуляционных искажений на сложном импульсно-шумовом сигнале, коим является музыкальный сигнал.

А не бред ли это? мы берём два аналоговых усилтеля, одинаково плохих, потому что всё аналоговое - плохое, доводим один изх ни х до сумасшествия импульсным режимом в автогенераци, оп и вуаля: импульсник, обогативший спектр немыслимым количеством палок гораздо лучше аналоговика, хотя собраны они на одних и тех же каскадах и озвачены отднй и той же ООС. Бирку на ногу и в морх.

[pyos]

импульсник, обогативший спектр немыслимым количеством палок

Вообще-то на выложенных топикстартером спектрах - а это спектры с реальной конструкции! - никаких "немыслимых" палок нет, всё как у хорошего аналогового усилителя Прадва, ВЧ-область не видна, а посмотреть не мешало бы...

[Key545]

даже стуенька выходного каскада в классе В ростом 1 В даёт очень хорошийц спектральный след, а уж импульс размахом от шины до шины ... тут надо глядеть интермодуляцию, а не 1 кгц, тем боле частота автогенерацуии сотни килогерц.

[Serge_L]

Electrovoicer, Павел! Поздравляю с публикацией!
Как оцениваете результат относительно изделий Бруно?
Интерес огромен, ибо я (в отличии от большинства скептиков) послушал HUcD, их звучание меня очень удивило и порадовало!
Хотелось бы бОльших подробностей.

[Electrovoicer]

Electrovoicer, Павел! Поздравляю с публикацией!
Как оцениваете результат относительно изделий Бруно?
Интерес огромен, ибо я (в отличии от большинства скептиков) послушал UcD, их звучание меня очень удивило и порадовало!
Хотелось бы бОльших подробностей.

Спасибо! И мной, и Вадимом Карельским был отмечен ряд преимуществ моего усилителя над изделиями hypex. Вадим сейчас в референсный тракт поставил мои усилители, а также планирует их применять в своих проектах, отказавшись от hypex. Странного в этом ничего нет, изучив подробно особенности работы hypex, я как раз и добивался превосходства своей конструкции.

---------- Сообщение добавлено 15:57 ---------- Предыдущее сообщение было 15:53 ----------

Так-то оно так, но есть два момента:
1) Многие линейные усилители с ООС имеют меньшие искажения на большей мощности, чем представленный в данной теме, причём и THD, и IMD.
2) Стопроцентной корреляции между качеством звука и спектрами искажений не наблюдается, нередко несколько худшие THD и IMD имеет лучше звучащий усилитель. Вывод - эти характеристики не дают исчерпывающей информации об искажениях устройства, а что же в действительности надо измерять и как с этим дела обстоят у ключевых усилителей - мне лично неизвестно.

Согласен 100% с обоими пунктами. Мне просто тяжело расписывать субъективные стороны звучания, а привести спектр без артефактов для формальности я обязан, иначе вопросов будет гораздо больше. Ну а дальше - только слушать своими ушами и сравнивать. Для себя я однозначный выбор сделал еще полтора года назад - и дома, и в автомобиле...

[Wired]

Очень интересует усилитель, когда ждать в "толкучке"?

[Electrovoicer]

Очень интересует усилитель, когда ждать в "толкучке"?

Полагаю, до появления в продаже я должен сделать еще немало работы, в том числе, представить общую концепцию и техническое описание. После этого почтенная публика сможет для себя решить, нужно ей это, или нет.

[Audiomaniac]

Мне просто тяжело расписывать субъективные стороны звучания, а привести спектр без артефактов для формальности я обязан, иначе вопросов будет гораздо больше.

А как обстоят дела с IMD, TIM? Можете спектры показать?

[Electrovoicer]

А как обстоят дела с IMD, TIM? Можете спектры показать?

я готовлю подробный материал на эту тему. времени не хватает все сразу выдать на-гора

[SanSound]

Electrovoicer, Павел, чем вы питаете усилитель? Другими словами - насколько критичен усилок к блоку питания?
Например, промышленный AC-DC-преобразователь(300 Вт, 48 В, 6 А, шум -250мВ) подойдет?

[kerpal]

После этого почтенная публика сможет для себя решить, нужно ей это, или нет.

Мы из без чтения понимаем, что это нам нужно/интересно ;)

Последний модуль питается от 48В?
Блоки питания к нему будут продаваться?

[MAXIM_A]

Electrovoicer, хотябы упрощённую, принципиальную схему посмотреть?