CF-FET-V2.0 Высококачественный симметричный усилитель мощности с токовой обратной связью

[vzaichenko]

Здравствуйте коллеги,

Несмотря на то, что усилителестроением я занимаюсь примерно с конца третьей четверти прошлого века, я тщательно это скрываю как-то исторически сложилось, что до сегодняшнего дня мои конструкции более знакомы за пределами нашей Родины...
В общем, приятно наконец познакомиться Для начала, хочу представить результат недавно завершенного проекта.
Вдруг кому-то будет интересно

Основные звдвчи, которые я перед собой поставил изначально и которые были так или иначе достигнуты:
1) Низкий уровень нелинейных и интермодуляционных искажений.
2) Хорошая фазовая зарактеристика (низкий сдвиг по фазе в верхней части звукового диапазона).
3) Высокая скорость нарастания выходного сигнала (не менее 50 в/мкс).
4) Выходная мощность не менее 100 вт на 8 ом (200 вт на 4 ом).
5) Высокая нагрузочная способность - возможность стабильной работы на 2 ом.
6) Относительная простота конструкции.

Основные "фишки", определяющие "характер" данного "зверя":
1) Симметричная топология.
2) Относительно высокая линейность каскадов усиления по напряжению при разомкнутой цепи обратной связи.
3) Низкоимпедансная токовая обратная связь, приходящая прямо в эмиттеры входной пары.
4) Высоколинейный каскад усиления по напряжению на MOSFET с эмиттерным повторителем на входе.
5) Мощные MOSFET*ы на выходе с достаточно мощными драйверами, работающими при относительно высоком токе покоя, что позволяет снизить влияние высокой нелинейной входной емкости этих самых MOSFET*ов.
6) Хороший модуль управления (софт-старт, защита и индикация) на основе микроконтроллера, собственной разработки, обеспечивающий мягкий старт и защиту от следующих "проблем":
- постоянное напряжение на выходе;
- перегрузка выходного каскада по току;
- превышение допустимой температуры;
- кратковременное пропадание напряжение в сети питания.

Схема температурной стабилизации тока покоя имеет два датчика температуры - один мониторит драйверы, установленные на отдельном теплоотводе, другой отслеживает температуру выходных транзисторов. Температурные коэффициенты тщательно подобраны таким образом, чтобы, с одной стороны, исключить температурный "разбег", а с другой - не допустить "пере-регулирования", отрицательно влияющего на уровень искажений при резком снижении уровня сигнала после длительной работы с высоким его уровнем.

В данном конкретном случае я питаю модуль усилению по напряжению через дополнительный шунт-регулятор, снижающий общую энергетическую эффективность усилителя, но обеспечивающий крайне низкий уровень пульсаций в цепях питания. Усилитель хорошо работает и без регуляторов, при этом, естественно, можно получить более высокие показатели с точки зрения выходной мощности (порядка 250 вт на 8 ом против 120 вт нв 8 ом в текущей реализации).

В данном случае применен SMD подход к монтажу фронт-ендной части, хотя у меня есть вариант и на обычных компонентах (первоначальный прототип был сделан именно так).
Компоновка не лишена недостатков, тем не менее усилитель в целом более чем соответствует ожиданиям.
Если кому-то будет интересно сравнить звучание с другими имеющимися в наличии известными / неизвестными конструкциями - буду рад в этом поучаствовать (я в Москве).

Комментарии, аргументированная критика, жалобы, предложения приветствуются
Если кому-то интересно повторить какие-то части конструкции - могу поделиться герберами в личку.

С уважением,
Валерий

ДОПОЛНЕНИЕ:
Измерил спектры при выходной мощности 10 Вт (9 вольт RMS на 8 ом) и 45 Вт (19 вольт RMS на 8 ом). Соответственно, посчитаны THD на 1, 10 и 20 КГц и IMD при 2-х компонентном входном сигнале 14 + 15 КГц.

[fakel]

C13 C14 лучше включить на шины питания
В термошунт Шиклаи не пробовал?
Без R22 R23 никак?
Мощность R13-R16 не маловата? Тепловые искажения не проявляются?
То, что в ОООС входят электролиты С8 С9 не очень хорошо.

Offтопик:
Если на аватаре - Вы, жму крыло брату по маразуму

Не замечено защит от синфазной составляющей входных транзисторов, например, плавающих каскодов

Схема температурной стабилизации тока покоя имеет два датчика температуры - один мониторит драйверы,

Драйверы не в кл А? Может, проще запараллелить драйверы? Или применить плавающее питание коллекторов драйверов от выхода ВК
ОООС по НЧ (та что на резики приходит) можно взять после катушки L1

[anatol0]

предложения приветствуются

На мой взгляд, нерационально размещены выходные транзистора на радиаторах, точнее - все на одном радиаторе (для одного канала). Второй радиатор получает тепла только через торцевой контакт. Возможно, стоит добавить доп. алюминевую пластину или сдвинуть транзисторы.

[vzaichenko]

C13 C14 лучше включить на шины питания

Тоже вариант, но учитывая, на каких частотах они "работают"... на мой взгляд практически без разницы

В термошунт Шиклаи не пробовал?

Опять же - тоже вариант. Этот - близок к идеальному.

Без R22 R23 никак?

Работать будет, но я практически всегда в той или иной степени шунтирую выход исилителя напряжения - для "нормализации" его нагрузки.

Мощность R13-R16 не маловата? Тепловые искажения не проявляются?

Для питания +/-50в как раз достаточно. При +/-70-75в - согласен, лучше использовать двух-ваттные.

То, что в ОООС входят электролиты С8 С9 не очень хорошо.

Тут как бы... я много вариантов тестировал... в "алмазом" например - нет необходимости в таких электролитах, да и в сдвоенной цепи ОООС тоже нет необходимости. Но по факту - вариант, который я выбрал в итоге, работает очень хорошо. Посмотрим, конечно, как будет со временем...

Offтопик:
Если на аватаре - Вы, жму крыло брату по маразуму

Offтопик:
Это я, да )) Жму крыло, аналогично!

Не замечено защит от синфазной составляющей входных транзисторов, например, плавающих каскодов

Эммм... а откуда у нас там синфазная составляющая? Или я чего-то "не вижу"?

Драйверы не в кл А? Может, проще запараллелить драйверы? Или применить плавающее питание коллекторов драйверов от выхода ВК
ОООС по НЧ (та что на резики приходит) можно взять после катушки L1

В данном случае драйверы не в классе А (хотя есть у меня другая выходная секция, где это именно так). Они довольно мощные, ток покоя 12мА - слегка теплые. Небольшой локальный радиатор вполне решает задачу ;) Этот вариант очень хорошо себя зарекомендовал.

---------- Сообщение добавлено 17.39 ---------- Предыдущее сообщение было 17.23 ----------

На мой взгляд, нерационально размещены выходные транзистора на радиаторах, точнее - все на одном радиаторе (для одного канала). Второй радиатор получает тепла только через торцевой контакт. Возможно, стоит добавить доп. алюминевую пластину или сдвинуть транзисторы.

Полностью согласен. Это связано с недостаточным продумыванием компоновки в самом начале, когда располагался блок питания.
Для практического использования теплоотвода более чем достаточно, даже в таком "кривом" варианте. Но - да, можно было сделать лучше.
Кстати, в таких "многотранзисторных" конфигурациях, вообще имеет смысл выходные транзисторы ставить пошире.

[Prophetmaster]

Высокая скорость нарастания выходного сигнала (не менее 50 в/мкс).

Для токовой ОООС планка очень низкая. Это совсем не высокая скорость нарастания.

Хорошая фазовая характеристика (низкий сдвиг по фазе в верхней части звукового диапазона).

2.4 град на 20 кГц видно (это не так мало, кстати), а сколько на НЧ? Разделительный конденсатор есть?

Если кому-то будет интересно сравнить звучание с другими имеющимися в наличии известными / неизвестными конструкциями - буду рад в этом поучаствовать (я в Москве).

До Выставки вряд ли время найдется, а после 22 ноября можно было бы попробовать устроить совместное прослушивание Мой аппарат тут.

[клистрон]

Валерий, подскажите пожалуйста энергетические параметры выходного каскада (ВК) - общий ток смещения (суммарный через пары) и напряжение его питания.

И, скорее, теоретический вопрос. Что будет если в драйвере ВК биполяры (NJWQ281/302) заменить на соответствующие FETы? Вопрос от того, что в такой топологии все делают драйвер именно так, как у Вас, на биполярах, а не полевиках. Почему?

И ещё вопрос, насколько Ваш усилитель коммерчески конкурентен по сравнению с импортными (зарубежными) собратьями?

[singles123]

Хотелось бы услышать теор. предпосылки, а именно: из каких соображений и как подбиралась "хитрая" коррекция С13-С14 и С16, С19, C20, C21.

[fakel]

Эммм... а откуда у нас там синфазная составляющая? Или я чего-то "не вижу"?

Ну на базу приходит сигнал, на эмиттер - ОООС, коллектор через резик привязан к рельсе. Получается, к-э вх транзистора находится под полным входным сигналом, хотя реально размах на коллекторе значительно меньше. Спасет плавающий каскод

[vzaichenko]

Для токовой ОООС планка очень низкая. Это совсем не высокая скорость нарастания.

2.4 град на 20 кГц видно (это не так мало, кстати), а сколько на НЧ? Разделительный конденсатор есть?

До Выставки вряд ли время найдется, а после 22 ноября можно было бы попробовать устроить совместное прослушивание Мой аппарат тут.

Реально скорость получилась существенно выше, что-то в районе 250 в/мкс - сейчас трудно замерить, так как входной RF фильтр слегка интегрирует входной сигнал. Фаза на 20 КГц без фильтра тоже станет меньше -1 град
Сдвиг фазы на 20 Гц составляет порядка +0.5 град. Разделительный конденсатор есть.

Совместное прослушивание - с удовольствием! Аппарат очень интересный. Тогда после 22.11 свяжемся

[Prophetmaster]

Реально скорость получилась существенно выше, что-то в районе 250 в/мкс

Это совсем другая песня

Фаза на 20 КГц без фильтра тоже станет меньше -1 град
Сдвиг фазы на 20 Гц составляет порядка +0.5 град. Разделительный конденсатор есть.

Это понятно - у меня нет коррекции и нет фильтров, поэтому 0.38 град на 20 кГц, а вход УПТ.

Совместное прослушивание - с удовольствием! Аппарат очень интересный. Тогда после 22.11 свяжемся

Да, было бы интересно послушать

[vzaichenko]

Валерий, подскажите пожалуйста энергетические параметры выходного каскада (ВК) - общий ток смещения (суммарный через пары) и напряжение его питания.

И, скорее, теоретический вопрос. Что будет если в драйвере ВК биполяры (NJWQ281/302) заменить на соответствующие FETы? Вопрос от того, что в такой топологии все делают драйвер именно так, как у Вас, на биполярах, а не полевиках. Почему?

И ещё вопрос, насколько Ваш усилитель коммерчески конкурентен по сравнению с импортными (зарубежными) собратьями?

Питание выходного каскада +/-70в. Ток покоя каждой пары 60мА, в сумме около 300мА. Транзисторы подобраны по Vgs, так как если он отличается, ток покоя тоже отличается. Я проверял ток покоя каждого транзистора - укладывается в диапазон 50-70 мА.

Насчет драйверов на полевиках. Тут несколько соображений:
- Полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление, но и высокую входную емкость, чаще всего нелинейно меняющуюся в зависимости от напряжения на стоке, особенно если это HexFet.
- Это требует увеличения тока покоя усилителя напряжения, а также скорее всего потребует изменения параметров цепей компенсации для сохранения уровня стабильности усилителя.
- Рабочее напряжение Vgs выше, чем падение напряжения на p-n переходе и биполярного транзистора, что уменьшает максимальную амплитуду выходного сигнала (снижает эффективность использования напряжения питания).

Всё это решаемо и в принципе мне нравится идея применения Lateral MOSFETs в качестве драйверов. Просто на данный момент опыт с биполярными драйверами (в том числе, работающими в классе А) у меня намного обширнее)) Но, наверное, стоит попробовать как-нибудь

Я думаю, что усилитель коммерчески весьма конкурентен - соотношение качество / затраты очень высоко.
А вы, если не секрет, с какой целью интересуетесь?

[vzaichenko]

Хотелось бы услышать теор. предпосылки, а именно: из каких соображений и как подбиралась "хитрая" коррекция С13-С14 и С16, С19, C20, C21.

C16, C20, R17 и C19, C21, R18 представляют собой цепи компенсации TMC (Transient Miller Compensation), отличающиеся включением в петлю частото-зависимой обратной связи в том числе выходной каскад, что положительно влияет как на общую стабильностьЮ так и на уровень искажений в верхней части звукового диапазона. Подробно основы описаны здесь: >The Baxandall Papers<

Первоначальные тесты показали легкую (небольшой амплитуды) модуляцию сигнала высокочастотными (десятки мегагерц) колебаниями, вызванную локальной нестабильностью входного каскада. Шунтирование коллекторов конденсаторами 15pF полностью устраняет это явление. Другим решением могло бы стать включение резисторов ом по 100 в базы входной пары - последовательно (я делал так в другом, более позднем дизайне, имеющем аналогичную организацию входного каскада).

В начале процесса разработки, после предварительных прикидок, я обычно тщательно моделирую работу схемы в симуляторе с построением частотных и фазовых характеристик цепи обратной связи, определением параметров стабильности и т.д. Естественно, всего не смоделируешь - в практической реализации ситуация намного сложнее, чем с модели, но это является хорошей отправной точкой для начала тестирования и замеров на живом прототипе.

[singles123]

Спасибо. На что обращать внимание при моделировании? По вашему мнению, что является признаком "звучащего" усилителя, к каким параметрам стремиться?

[vzaichenko]

Ну на базу приходит сигнал, на эмиттер - ОООС, коллектор через резик привязан к рельсе. Получается, к-э вх транзистора находится под полным входным сигналом, хотя реально размах на коллекторе значительно меньше. Спасет плавающий каскод

Я все-таки не вижу ситуации, в которой там что-то можно "сломать" во входном каскаде
Амплитуды везде небольшие - входной сигнал на базах небольшой, ОООС приходит в эмиттеры через делители, в той же фазе - сигнал тоже небольшой, коллекторы находятся близко к рельсам и амплитуда там в нормальном режиме работы тоже не сильно большая. При аццком клиппинге потенциалы коллекторов долетают до потенциалов баз. От чего мне защищаться?

[клистрон]

Признателен за ответы по предыдущим вопросам, теперь этот:

с какой целью интересуетесь?

ИМХО, с точки зрения качества звука усилителя, критерием его достаточности служит (для меня) его промышленное производство и, значит, присутствие на мировом рынке. То есть, если покупатель проголосовал за него кошельком. (я, боже упаси, не проповедую и не навязываю никому этот критерий).
Вот, собственно, и весь секрет.

[vzaichenko]

Спасибо. На что обращать внимание при моделировании? По вашему мнению, что является признаком "звучащего" усилителя, к каким параметрам стремиться?

Вот это очень хороший вопрос, на который так или иначе пытаются найти ответ многие поколения "усилителе-строителей"
Моя философия заключается в наиболее точном воспроизведении входного сигнала на выходе усилителя. "Провод с усилением".
Соответственно:
- Низкий уровень гармонических искажений. Порядка минус 90-100дб. Правильный "профиль" гармоник - как правило, доминировать должна 2-я гармоника, 3-я ниже, 4-я еще ниже. Гармоники более высокого порядка должны быть уже где-то на уровне шума. Тут кое-кто может со мной не согласиться. Существует мнение, что присутствие 2-й гармоники на уровне порядка -50дб добавляет звучанию "музыкальности" и "вовлеченности". Тем не менее, лично я - за точность воспроизведения.
- Низкий уровень интермодуляционных искажений. Это еще важнее, чем с гармоническими. Продукты интермодуляции - очень "плохие". Это вторичные гармоники, равные разнице/сумме двух основных частот, а также разнице/сумме любой из основных частот и "разницы", упомянутой ранее.
Чем ниже, тем лучше. По любому.
- Высокая скорость нарастания выходного напряжения. Порядка 50 в/мкс - хорошо. Можно лучше. Качественная передача меандра, коротких одиночных импульсов, каких-нибудь сложных форм.
- Низкий уровень шума. Ну, тут вроде очевидно.
- Достаточно низкое выходное сопротивление в комбинации с хорошей нагрузочной способностью - возможность обеспечить "много тока" при высокой степени демпфирования громкоговорителя. Варианты типа ИТУН сейчас не рассматриваем - отдельная "песня", под которую традиционная акустика плохо подходит.
- Минимальные сдвиги фазы на краях звукового диапазона по сравнению с серединой (1 КГц).
- Качественный - ровный, "мягкий" по возможности, без "прилипания" - клиппинг.
- Высокий уровень стабильности, в том числе при достаточно серьезной низкоомной и/или емкостной нагрузке. Скажем, 2 ом, 1 мкф (не обязательно вместе, но если так - еще лучше ) - усилитель не должен превращаться в генератор.

Существуют различные подходы к достижению всего этого. Я, в том числе, очень успешно экспериментировал с гибридами - лампа на входе - отличная штука, сочетание высокой линейности и низкого уровня шума.

Отдельная тема - глубина общей ООС. Тут мнений тоже немало. От полного её отсутствия (ОООС это зло), до "нечеловеческой" глубины (типа, глубокая ОООС все исправит). Мой подход заключается в том, чтобы сделать каждый каскад максимально линейным при разомкнутой петле обратной связи (в том числе при помощи местных ООС), а затем уже добавить общую петлю глубиной 35-50дб при "стандартном" коэффициенте усиления УМ, равном 29дб.

Как-то так

---------- Сообщение добавлено 18.09 ---------- Предыдущее сообщение было 17.56 ----------

Признателен за ответы по предыдущим вопросам, теперь этот:

ИМХО, с точки зрения качества звука усилителя, критерием его достаточности служит (для меня) его промышленное производство и, значит, присутствие на мировом рынке. То есть, если покупатель проголосовал за него кошельком. (я, боже упаси, не проповедую и не навязываю никому этот критерий).
Вот, собственно, и весь секрет.

Разумно)) Этот усилитель (и некоторое количество других) несколько раз успешно повторен в мировом сообществе "Do It Yourself", включая продажу печатных плат в каких-то случаях. Насчет производства - думаю над этим... нужны хорошие партнеры.
Если, кстати, кому-то интересно поучаствовать в этом процессе - буду рад пообщаться
Хороших дизайнов - с живыми прототипами, готовых к производству - наработано немало.

[клистрон]

Насчет производства - думаю над этим...

Думаю это правильно.. Путей дорог очень много. Можно, например, стартануть с прохождения грядущего РосХайенд. Я, в своё время, повёз аппарат в салон и там ему дали "путёвку в жизнь"..
Ну и так далее. В общем, "хороший звук - пробьёт себе дорогу" (моя цитата)

[fakel]

Я все-таки не вижу ситуации, в которой там что-то можно "сломать" во входном каскаде
Амплитуды везде небольшие - входной сигнал на базах небольшой, ОООС приходит в эмиттеры через делители, в той же фазе - сигнал тоже небольшой, коллекторы находятся близко к рельсам и амплитуда там в нормальном режиме работы тоже не сильно большая. При аццком клиппинге потенциалы коллекторов долетают до потенциалов баз. От чего мне защищаться?

Ку УНа около 1000, т.е. размаха на коллекторе входного каскада достаточно 70мВ. В схеме же транзистор подвергается полному входному сигналу 700мВ (типовое) т.е. в 10 раз больше. Вот от него и защититься, плавающим каскодом, например. Где-то на Веге была ветка про усь В. Король, посмотри

[vzaichenko]

Ку УНа около 1000, т.е. размаха на коллекторе входного каскада достаточно 70мВ. В схеме же транзистор подвергается полному входному сигналу 700мВ (типовое) т.е. в 10 раз больше. Вот от него и защититься, плавающим каскодом, например. Где-то на Веге была ветка про усь В. Король, посмотри

Мне кажется, это "надуманная" проблема (с) "Кекс"

В таблице - действующие значения сигнала при разомкнутой цепи ОООС (вверху) и при замкнутой (внизу) на частоте 1 КГц.
Соответственно - вход (базы), выход входного каскада (коллекторы) и выход УН (стоки).
Никаких сложностей там не возникает. Кстати, при разомкнутой ОООС, коэффициент гармоник всего тракта не превышает 0.6% во всем диапазоне звуковых частот.



Существует еще более простая версия данного усилителя - фронт-енд без эмиттерных повторителей на входе УН (немного выше коэффициент гармоник на 20 КГц - примерно 0.014% против 0.007%) и выходная секция с прямым подключением полевиков (Lateral MOSFETs) к выходу УН. Всего 8 транзисторов в тракте - и мы имеем превосходный усилитель!
Этот вариант тоже тестировался. Есть печатные платы и всё такое. Lateral полевики, правда, существенно дороже, чем IRFP240/9240 (HexFET). Но звук отличный!

[fakel]

Вспомнил! У Короля была фишка в виде балансировочного разрезика, позволяющего задавливать четные гармоники еще до охвата ООС.

---------- Сообщение добавлено 17.30 ---------- Предыдущее сообщение было 17.29 ----------

https://forum.vegalab.ru/showthread....F2%E8%E2%E0%EC