Один из возможных путей создания "идеального" усилителя

[misha88]

После вчерашнего моего поста, где я высказался по поводу возможности создания усилителя, который по звучанию удовлетворяет практически всех (кроме, конечно, любителей усилителей, изменяющих звук) на любой музыке, у меня попросили схему, но хотя схема моя совершенно обычна, однако имеет некоторые дефицитные детали, да и важен весь тракт, а не только УМ, поэтому в этой теме я сначало пройдусь по некоторой теории, опишу тот комплекс мер, который мне помог получить нужный результат, чтобы была ясно, зачем такие решения и детали, и возможно многие смогут свои усилители сделать (у кого готовый, то переделкой) не хуже, а в конце я обещаю свою схему привести. Чтобы не делать огромный пост, он будет разбит на несколько. Только просьба. Эта тема не для обсуждения, а чисто передача опыта, и кому он не нужен, просьба просто пройти мимо и не засорять тему (кроме конечно, если вы видите грубые ошибки).

Сначало предистория. Созданием качественного звукового комплекса я начал заниматься более 30 лет назад и мешал мне закончить слишком развитый слух, в том числе высокая чувствительность (слышу мельчайшие звуки, что очень мешает заснуть...). Слушаю в основном музыку, написанную как раз в эти последние 30 лет (особенно люблю просто мелодии, без вокала), а это музыка эпохи компьютера, когда музыка создаётся сразу в цифровом виде (а если есть вокал, то его сразу оцифровывают, и весь монтаж идёт опять же в цифровой форме), так что спектр получается сложный, не сравнить с живыми инструментами, и большинство схем буксуют. Благодаря появлению интернета познакомился с теми, у кого та же проблема, когда не подходят ни промышленные ни просто найденные схемы. В итоге блуждания по форумам, чтения литературы и передачей опыта по прослушиваю разных аппаратов и схем со временем и сложился предлагаемый комплекс мер (безосные схемы отпали по причине слишкой индивидуальности, поэтому разговор только про осные схемы).

1)
Композиты, сколько я не повторил и чужих и своих, ни один не обеспечил универсальность, поэтому все используемые мною схемы имеют одну петлю ООС.

2)
В сигнале не используются ОУ. К сожалению среди такого разнообразия не нашлось ни одного достойного кандидата (причём до сих пор, вот только две недели назад послушали новейший OPA828 и забраковали), так что пришлось весь тракт, включая выхлоп ЦАП, делать на дискретах, а ОУ имеются только для поддержания "нуля".

3)
За исключением твиттера, отсутствие в тракте фильтров второго и выше порядка, в т.ч. после ЦАП, иначе многие сложные мелодии неидеальны (схема вычитателя должна иметь запас по стойкости к ВЧ составляющим, об этом ниже).

4)
Тракт максимально короткий (выхлоп ЦАП, регулятор громкости на усилителе с парал. ООС, УМ также с парал. ООС).

5)
Следующую меру очень много обсуждали на форуме, приведу немного теории для понимания её исключительной важности. На рисунке усилитель с парал. ООС, у которого для реальности показаны напряжение ошибки Ео и импеданс Z3 (он включает все паразитные ёмкости, дифф. и синф., а также возможные специально включаемые компоненты). Обозначим В=(Z1*Z2+Z1*Z3+Z2*Z3)/(Z1*Z3), тогда Vout=[Eo*B-Vin*(Z2/Z1)]/(1+B/A), где А-это внутреннее усиление схемы (все члены комплексные, так что рассматриваем мгновенные значения). Как видим из формулы, даже при А=бесконечность (т.е. максимально большой ООС) и идеальных Z1 и Z2 имеется член Eo*B, поэтому важно создать такой входной каскад, у которого максимально стабильны Eo и входные импедансы (Z3), и видимо именно недостаточная стабильность Eo и Z3 при усилении реальных звуковых сигналов портит многие схемы.
Сначало про Eo. На постоянном токе уменьшить Eo легко, для этого можно использовать прецизионный ОУ, поддерживающий "ноль", но как удержать это значение при подаче сигнала? Изменение Eo при подаче сигнала связано с мгновенным изменением режима входных транзисторов, т.е. тока через транзистор, а во многих схемах и напряжения переходов, в итоге меняется напряжение база-эмиттер или затвор-исток, а также рассеиваемая мощность, что ещё больше меняет напряжение база-эмиттер или затвор-исток, поэтому исключительно важно обеспечить малое изменение тока и напряжения в первом каскаде, но тут есть предел, в т.ч. из-за частотной коррекции, поэтому важно использовать симметричный входной каскад, и чем он симметричней, тем он больше компенсирует изменение режимов. В свою очередь симметричность требует идентичности как самих входных транзисторов, так и идентичности их нагрузок по токам, а значит и по импедансам. В итоге были забракованы все несимметричные схемы или условно симметричные, например, "комплементарные", так что у меня во всех усилителях (предварительных и УМ) на входе исключительно дифф. каскад на микросборках с хорошей тепловой связью у транзисторов и высокой идентичностью (это самые дорогие компоненты). Недостаточная стабильность Eo хорошо слышна от низких частот и как минимум до 3-4 кГц (проверялось на системе с отдельными УМ на полосу).
Теперь про Z3. Начнём с того, что ёмкостная часть Z3 должна быть как можно меньше, поскольку она уменьшает запас по фазе в петле ООС, а само изменение Z3 приводит к искажениям и даже к модуляции. К изменению Z3 приводит изменение напряжения переходов транзисторов, поэтому входной каскад обязательно должен быть по схеме каскода, заодно это делает невозможным возникновение эффекта Миллера при появлении сигнала и увеличение Z3.

На этом сегодня всё, надо идти спать.

[dekko]

(кроссовер у меня не внешний, а в том же корпусе, что и РГ и УМ-СЧ/ВЧ, соответственно выход СЧ/ВЧ кроссовера сразу соединён с УМ-СЧ/ВЧ, а выход НЧ идёт на разъём и далее к УМ-НЧ в другом корпусе)

вот как раз ща такое же решение запиливаю в новый усь

[misha88]

вот как раз ща такое же решение запиливаю в новый усь

Всё что касается колонок к этой теме не относится (сразу появляется много споров и оффтопа), но мы затронули биампинг НЧ/СЧ+ВЧ с активным кроссовером (существенные преимущества такого подхода я перечислял ранее, конечно триампинг ещё лучше, но это уже слишком накладно и занимает места), поэтому некоторые моменты я проясню, я вижу по обсуждениям, что многие не учитывают важные моменты кроссоверов (разговор исключительно про аналоговую технику, никаких цифровых методов, т.к. последние в рассматриваемый тракт не вписываются).

Много раз и в этой теме и во множестве других говорилось об исключительной важности правильной передачи всех фазовых ньюансов музыкального сигнала (и это важнее, чем искажения, поэтому последними можно пожертвовать ради лучших фазовых характеристик, а наоборот нет). При разделе сигнала на частотные диапазоны изменение фазы происходит по разному на разных диапазонах, но это не важно, т.к. нам понятно важны фазовые характеристики суммарного сигнала после всех динамиков, и признаками правильного разделения частот будет постоянная ГВЗ и чистая (без звонов и колебаний) реакция на меандр этого суммарного сигнала, а это возможно по теории фильтров, если сумма всех ПХ диапазонов равна 1. Если пока не брать в расчёт динамики, то автоматически такими характеристиками для двухполосного разделения обладают только фильтры первого порядка с одной частотой среза: Анч=1/(1+s), Авч=s/(1+s) и сумма Анч+Авч=(1+s)/(1+s)=1. Но фильтры первого порядка имеют малый спад (-6 дБ на октаву), что в большинстве случаев мало (во-первых, большой диапазон совместной работы динамиков, во-вторых, легко попасть в область повышенных искажений динамика, в-третьих, можно спалить твиттер или придётся брать твиттер в 4 раза мощнее, чем надо). Посмотрим на 2-й порядок.

Для второго порядка Анч=1/(1+а1*s+а0*s*s), Авч=(а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s) и сумма Анч+Авч=(1+а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s) не 1. Чтобы получить 1, надо ещё добавить полосовой фильтр Асч=(а1*s)/(1+а1*s+а0*s*s) на центральную частоту, равную частоте среза Анч и Авч, тогда Анч+Авч+Асч=(1+а1*s+а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s)=1. Чтобы это реализовать есть три пути. Первый, добавить динамик (хватает с узкой полосой) для этого полосового фильтра (а если он активный, то и ещё дополнительный УМ), что сильно накладно и так никто не делает. Второй, ввести полосовой фильтр после одного из основных фильтров (что легко для активных фильтров, но труднее для пассивных), но при этом есть проблема, порядок фильтра, соединённого с полосовым фильтром, уменьшится до первого, т.е. уменьшится спад (за всё надо платить). Третий, задержать сигнал и вычесть из НЧ фильтра, получив этим ВЧ фильтр, но на самом деле результат соответствует второму пути с неизбежным уменьшением порядка ВЧ фильтра.

Если взять фильтр НЧ большего порядка, то проблем ещё больше и получить 1 от суммы будет ещё сложнее. Именно поэтому многие используют менее качественный путь, а именно получить всепропускающий фильтр после сложения диапазонных фильтров (напр., с помощью фильтров Линквица-Райли), тем более, что такой метод позволяет использовать одновременно и фильтры с разным порядком, но всепропускающий фильтр имеет только одно достоинство - постоянную АЧХ, но фазовые характеристики и соответственно импульсные у него далеко не идеальные. А если нам надо разделить не на одной частоте, а на двух (без разницы, биампинг или один усилитель, все кроссоверы надо расчитывать с учётом влияния друг на друга, ведь мы оцениваем суммарный сигнал), да ещё с учётом динамиков, оформления и комнаты, то получение нужной ФЧХ ещё намного сложнее. В следующем сообщении я опишу что делал я для получения хорошей суммарной ПХ (только метод, схем не будет, во-первых, на память я не помню номиналы, а во-вторых, всё зависит от конкретных динамиков, оформления и комнаты).

[dekko]

но мы затронули биампинг НЧ/СЧ+ВЧ с активным кроссовером

именно!

---------- Сообщение добавлено 13:31 ---------- Предыдущее сообщение было 13:30 ----------

В следующем сообщении я опишу что делал я для получения хорошей суммарной ПХ

ждём-с

---------- Сообщение добавлено 13:32 ---------- Предыдущее сообщение было 13:31 ----------

только метод, схем не будет

я догадался

[Slava!!!]

Для второго порядка Анч=1/(1+а1*s+а0*s*s), Авч=(а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s) и сумма Анч+Авч=(1+а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s) не 1. Чтобы получить 1, надо ещё добавить полосовой фильтр Асч=(а1*s)/(1+а1*s+а0*s*s) на центральную частоту, равную частоте среза Анч и Авч, тогда Анч+Авч+Асч=(1+а1*s+а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s)=1. Чтобы это реализовать есть три пути. Первый, добавить динамик (хватает с узкой полосой) для этого полосового фильтра (а если он активный, то и ещё дополнительный УМ), что сильно накладно и так никто не делает. Второй, ввести полосовой фильтр после одного из основных фильтров (что легко для активных фильтров, но труднее для пассивных), но при этом есть проблема, порядок фильтра, соединённого с полосовым фильтром, уменьшится до первого, т.е. уменьшится спад (за всё надо платить). Третий, задержать сигнал и вычесть из НЧ фильтра, получив этим ВЧ фильтр, но на самом деле результат соответствует второму пути с неизбежным уменьшением порядка ВЧ фильтра.

Безотносительно того, что суммарная электрическая 1 с учетом реальной АФЧХ динамиков может дать акустически что угодно.

Хотим мы получить ВЧ второй порядок, с суммарной 1.

Авч=(а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s). Тогда Анч=1-(а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s) = (1+a1*s)/(1+а1*s+а0*s*s).

Все!

[misha88]

Тогда Анч=1-(а0*s*s)/(1+а1*s+а0*s*s) = (1+a1*s)/(1+а1*s+а0*s*s).

Все!

И что всё? Вы получили неминимально-фазовый (с нулём) ФНЧ (а фактически сумму ФНЧ и ПФ), у него спад будет всего -6 дБ, то о чём я говорил.

[Slava!!!]

И что всё? Вы получили неминимально-фазовый (с нулём) ФНЧ (а фактически сумму ФНЧ и ПФ), у него спад будет всего -6 дБ, то о чём я говорил.

Показалось, что проблема в получении ФВЧ2 порядка. А так согласен.

Впрочем, это все равно общетеоретические рассуждения. На практике не учитывать собственные АФЧХ динамиков нельзя.

Можно один раз условно смоделировать АФЧХ динамиков в виде ФВЧ и ФНЧ 2 порядка по краям рабочего диапазона частот, скрестить с рассматриваемым выше кроссовером и посмотреть, что получится.
А в жизни все будет еще хуже.

Впрочем, жду обещанную вторую часть марлезонского балета. Возможно, там будут ответы.

[misha88]

Возможно, там будут ответы.

Сразу предупреждаю, открытий там не будет, а только то, что помогло мне, но я делал с нуля, поэтому изначально выбирал динамики (как можно шире ровный диапазон), чтобы было проще решить эту проблему, кроме того нужен качественный измерительный микрофон (я использовал EMM-6). Если динамики сильно узкополосные или с сильно неровной АЧХ, то любые манипуляции с фильтрами дадут или хорошую АЧХ или хорошую ФЧХ, но не оба вместе.

---------- Сообщение добавлено 15.10.2019 в 13:25 ---------- Предыдущее сообщение было 14.10.2019 в 15:55 ----------

Я сегодня весь день на работе, обещанную часть нет времени написАть, но мне на почту написАли насчёт моих слов "добавить динамик (хватает с узкой полосой) для этого полосового фильтра (а если он активный, то и ещё дополнительный УМ), что сильно накладно и так никто не делает" из поста 462. Оказалось, что я не прав и так делают, т.е. добавляют специальный динамик, здесь http://www.tonmeister.ca/wordpress/2...-loudspeakers/ его называют phase link driver (согласно таким же расчётам, что у меня), а здесь http://waterfordsoundworks.blogspot....er-beovox.html его называют Filler (видимо и другие модели существуют с подобным методом). Как видите, ничего не жалко ради идеальной ПХ, в принципе это наилучший способ (у всех других методов больше недостатков), только проблема расположить динамики, чтобы компенсация была полной. Электрические методы более надёжны, но требуют широкополосных динамиков (из-за снижения спадов фильтров).

[misha88]

Итак, вторая часть про кроссовер (и даже со схемой). Как ранее было сказано, кроссоверы первого и второго порядка не позволяют получить нужные характеристики. Повышение порядка фильтров (для увеличения спадов) увеличивает число проблем, но есть одно исключение, фильтр третьего порядка с полиномом s*s*s+a*s*s+a*s+1, где коэф. "а" не менее 3 (для реальных динамиков меньший коэф. не рекомендуется), такой фильтр позволяет создать симметричные ФНЧ и ФВЧ второго порядка при суммарной характеристике равной 1, что идеально для импульса, и при приемлемом спаде. Для ФНЧ передаточная функция (a*s+1)/(s*s*s+a*s*s+a*s+1), ФВЧ получаем (s*s*s+a*s*s)/(s*s*s+a*s*s+a*s+1) вычитанием из входного сигнала. Перед частотой пересечения с обоих сторон есть небольшой подъём, но он симметричный и поэтому взаимоуничтожается в суммарном сигнале. Спад плавно увеличивается до -12 дБ на октаву (напр., для ФНЧ на половинной частоте от частоты раздела спад -6 дБ, и только после четверти становится близко к -12 дБ), поэтому динамики должны иметь запас в 1.5-2 октавы относительно частоты раздела, чтобы правильно обеспечить суммарный сигнал (кстати, для меньших порядков требуется 3 и больше октавы, что часто сложно обеспечить). На рисунке схема такого кроссовера, использована биквадратная схема из-за исключительной стабильности, плюс в ней только инвертеры (малы искажения). ОУ Х1-Х3 образуют ФНЧ и могут быть сравнительно низкочастотными, Х2 может быть любой качественный (напр., что-то типа OPA1641), а вот Х3 требует малого выходного сопротивления, сюда rail-to-rail не подходят, кроме того Х3 обязательно с полевиками на входе, не надо забывать, что если ФНЧ будет искажать, то и ФВЧ будет, поскольку он получается вычитанием. ОУ Х4 это сумматор, он должен быть достаточно быстродействующим и без выбросов на ПХ, но можно в его качестве использовать сам УМ СЧ/ВЧ (только его усиление и усиление УМ НЧ должны быть равны). Все конденсаторы одного номинала (не важна абсолютная точность, но все четыре как можно ближе по номиналу) и одной модели (обязательно полипропилен, я использовал WIMA). Все резисторы обязательно точностью 0.1%, однако R4,5,8,9,10 не обязательно указанного номинала, главное R4=R5 и R8=R9, а вот R1,2,3,6,7 только указанного номинала. Частота раздела примерно 300 Гц, если нужна другая, то пропорционально изменить номиналы конденсаторов.

Такой кроссовер по сравнению со стандартными активными, а тем более пассивными кроссоверами, резко улучшает передачу музыкального материала в самом важном диапазоне музыкальных частот.

[Semigor]

Классный кроссовер получился!
Первый раз вижу, чтобы после вычитания получался второй порядок фильтра.
И переходные характеристики отличные.
Единственный недостаток на мой взгляд - высокая чувствительность к разбросу номиналов элементов.

[misha88]

Классный кроссовер получился

Спасибо. Я в своё время потратил много времени на кучу литературы по теории фильтров, много схем в симуляторе проверял, пока не понял, как лучше всего сделать.

Единственный недостаток на мой взгляд - высокая чувствительность к разбросу номиналов элементов.

Это неизбежная плата за симметричность. С резисторами нет проблем приобрести 0.1% точности, а вот конденсаторы купил два десятка WIMA FKP 2 с точностью 2.5% (в сумме 11$) и из них выбрал два комплекта по 4 очень близких конденсаторов.

[Semigor]

Это неизбежная плата за симметричность.

Я думаю, что это плата за то, что передаточная функция вычитающего фильтра совпадает с передаточной функцией ФВЧ только при определенном соотношении номиналов. Даже при небольших отклонениях порядка процента норовит выродиться то в режекторный, то вообще отказывается фильтровать ФНЧ при этом, гораздо менее чувствителен к разбросу номиналов.

[ИГВИН]

misha88, а что у вас происходит с акустической сшивкой полос, при идеальной электрической?
Акустические измерения проводили?
Если да, что в них увидели?

[misha88]

Даже при небольших отклонениях порядка процента норовит выродиться то в режекторный, то вообще отказывается фильтровать ФНЧ при этом, гораздо менее чувствителен к разбросу номиналов.

Это определяет точность резисторов, а это как раз самый стабильный элемент электроники. Преимущество данной схемы в том, что во всех важных узлах одинаковые резисторы (а 7.5к лучше сделать из параллельных 15к), поэтому если использовать с одинаковыми характеристиками (т.е. купить одинаковой точности 0.1%, одинакового ТКС, одной модели и из одной партии производства на ленте, а не ставить, что есть в тумбочке), то стабильность фильтра будет гарантирована и при изменении температуры и со старением деталей. Как Вы правильно заметили, главное здесь условие, это R8=R9, скажу по секрету, у меня там фольговые с точностью 0.01%, но ничего сложного выбрать очень близкую пару из обычных 0.1% одной партии, я много раз это делал для измериловки, даже не требуется много перебирать.

а что у вас происходит с акустической сшивкой полос, при идеальной электрической?
Акустические измерения проводили?
Если да, что в них увидели?

Конечно проводил и всё в порядке, но у меня динамики с нужным запасом относительно частоты раздела. Методика была простая. Сначало для сравнения я разделил НЧ и СЧ фильтром первого порядка с той же частотой раздела, как идеально согласованные, и далее на входы одного стерео УМ (один канал с ФНЧ и соответственно к выходу канала подключил НЧ динамик, а на второй канал сигнал с ФВЧ и соответственно к выходу канала подключил СЧ динамик). Через микрофон посмотрел форму меандра (конечно я сделал некоторые изменения в комнате, чтобы было как можно меньше отражений и других влияний), это как бы референс, хоть и не идеальный из-за большого перекрытия частот в динамиках, но в любом случае с другим кроссовером должно быть или лучше или тоже самое, чтобы говорить о качестве кроссовера, и предлагаемый кроссовер показал даже более чистый меандр (уверен, из-за меньшего перекрытия частот, всё остальное, УМ, динамики, комната, всё было одинаковое).

[ИГВИН]

Конечно проводил и всё в порядке, но у меня динамики с нужным запасом относительно частоты раздела.

Возможно головки действительно были с очень линейной АЧХ в области сшивки.
Вообще же я убежден, что для правильной акустической сшивки параметры ФНЧ и ФВЧ фильтров должны меняться независимо.

[misha88]

Возможно головки действительно были с очень линейной АЧХ в области сшивки.
Вообще же я убежден, что для правильной акустической сшивки параметры ФНЧ и ФВЧ фильтров должны меняться независимо.

Совершенно верно, всё зависит от динамиков, много раз это подчёркивал. А вот независимые изменения ФНЧ и ФВЧ вряд ли дадут нужный результат, будет хорошо или с суммарной АЧХ или с ФЧХ, но не с двумя сразу, у колонок появляется собственное не универсальное звучание.

[ИГВИН]

Совершенно верно, всё зависит от динамиков, много раз это подчёркивал.

И от их взаимного расположения.

независимые изменения ФНЧ и ФВЧ вряд ли дадут нужный результат, будет хорошо или с суммарной АЧХ или с ФЧХ

Этот сложный вопрос вне темы топика.

[Petr-1951]

Такой кроссовер по сравнению со стандартными активными, а тем более пассивными кроссоверами, резко улучшает передачу музыкального материала в самом важном диапазоне музыкальных частот.

примерно то же самое, только менее критичен к разбросу элементов и на 2 конденсатора меньше

[misha88]

примерно то же самое

Примерно нельзя, нужно точно обеспечить указанный выше полином (если конечно Вы знаете, что это такое).

менее критичен к разбросу элементов

Учитывая использование полож. входов ОУ, то менее критичным он не будет, учитывая синфазные помехи (Вам конечно это не мешает, Вы слушаете симулятором).

на 2 конденсатора меньше

Значит у Вас получился второго порядка (со всеми его проблемами), а не рассматриваемый третьего.

[_Сам_]

Первый раз вижу, чтобы после вычитания получался второй порядок фильтра.

Аналогично. Я сперва не поверил, но симуляция подверждает.

Значит у Вас получился второго порядка (со всеми его проблемами), а не рассматриваемый третьего.

у вас он тоже второго порядка судя по повороту фазы на 180 градусов и спаду 40 дБ/декаду

[misha88]

у вас он тоже второго порядка судя по повороту фазы на 180 градусов и спаду 40 дБ/декаду

Так и должно быть, я в первой части это отмечал, что для кроссоверов с порядком выше 1 и с единичной суммой (а только такие не искажают импульсы) получаемый порядок или ФНЧ или ФВЧ или обоих сразу обязательно уменьшается как минимум на 1 (такова плата), т.е. для изначального второго порядка будет макс. спад 20 дБ/декаду, для третьего 40 дБ/декаду и т.д., а рассматриваемый кроссовер ещё даёт и симметрию. Если же спад не меняется, то это не кроссовер с единичной суммой.