Концепция усиления "Наездник"

[Malinovsky D]

Коллеги, хочу представить вам концепцию УМ.

Поскольку наиболее веселой идеей был отказ от отдельного усилителя напряжения и расположение источника сигнала между входом и цепью ПОС с целью получения Ку по напряжению, то "сидящий" на выходном напряжении вход почему-то вызывал ассоциацию наездника на лошади. Так оно и осталось. Типа, зачем таскать лошадь (мощный повторитель) с плугом (нагрузкой) за поводья, если можно на лошадь сесть?

Возможно, на Веге уже мелькали подобные идеи. Но поскольку изобретение велосипедов - дело дюже увлекательное, тоже приболел.

Все началось с того, что этим летом я услышал наши твитеры SRT-7 на посредственном усилителе и был опечален. Наша няшечка играла ВЧ так, как будто не хотела, чтобы ее оставили в этом доме. Чистенько, но без волшебства. Стало понятно, что пускать на самотек вопрос с усилением для нас нехорошо.

Поэтому была вспомнена молодость и начались разминки для мозгов. Вега была тоже проштудирована на предмет того, чтобы, по возможности, не повторяться. Ибо хорошие идеи лучше не копировать, а использовать.

Начнем с выжимки идеи. Вряд ли мы будем запускать именно такую схему. Это именно идея - "схема на четырех транзисторах и трансе 1:1". По правде сказать, на Веге есть подобные компоновки, но в этом концепте некоторые идеи доведены до абсурда с целью получения максимального эффекта. В то же время, даже такая упрощенная схема обладает весьма приятным сочетанием параметров. Для шести активных элементов у нее довольно низкий уровень искажений и очень широкая полоса пропускания (в конце поста есть модель в МС9)

Здесь использовано несколько фишек:
1. Отсутствие усилителя напряжения. Его функции выполняет ПОС по напряжению. ПОС лучше выводить не с выхода УМ, а из промежуточных каскадов, чтобы не увеличивать искажения. Побочный эффект - вход через транс. Можно и без него, ибо землю можно подцепить к чему угодно. Но тогда есть сомнения с наводками и возникает вопрос ремонтопригодности. Источники питания, не привязанные к земле, могут вызвать истерику у сервисного инженера. Поставим сигнальный развязывающий транс.
2. Глубокая ООС выходных транзисторов (эта петля предельно короткая, поэтому очень быстрая - полоса работы повторителя запросто уходит за 20 МГц, с этим нужно быть осторожным)
3. Отсутствие общей ООС (не ново)
4. ПОС по питанию раскачивающей части (тоже не ново, но здесь к месту)
5. Высокая крутизна выходных транзисторов без использования резисторов в цепи истоков (эмиттеров) уменьшает гармоники высоких порядков. Задачу регулирования смещения будет выполнять другая схема. Сюда легко подойдет схема Ефремова. Мы будем юзать свою. Чуть более замороченную, но более точную. Здесь она не показана.


Вообще говоря, есть планы делать свои УМ-ы. В связи с вышеописанным случаем с нашими твитерами.
Зачем я публикую это?

Ну во-первых. Если что-то берешь из копилки, в нее нужно тоже что-то класть. Пусть будет в общей копилке. Тем более, идеи еще не дошли до паяльника и запросто могут остаться в столе - не лучшее место для идей.

Во-вторых. Я не исключаю, что точно такая же топология уже придумана, или скоро будет придумана. Тема крысятничества идей мне органически противна, особенно, если это связано с коммерческой деятельностью. А у нас все заработки связаны только со звуком. Поэтому лучше выложить сейчас, чем потом писать "а мы это уже придумали два года назад, но не опубликовали" - жалкое зрелище...

В-третьих. Если дело дойдет до паяльника, то будут киты, однозначно. Поэтому никакой тайны с этим не будет.

В-четвертых. Итоговый результат зависит от конкретной реализации в железе, поэтому сама по себе схема - это всего лишь схема. Мы будем юзать свой БП. Для УМ 2*100 Вт это будет такая хрень с импульсной накачкой силового добротного LC-контура реактивной мощностью в районе 1500-2000 ВА на частоте в районе 100 кГц со стабилизацией среднеквадратичного значения синуса на контуре. С контура будет забираться синусная переменка с выпрямлением RMS синуса, а не по его пикам. Дабы обеспечить непрерывное течение тока. Ну типа, это круто.
У нас по этому принципу работала индукционная печка с реактивной мощностью в контуре чуть больше 100 000 ВА и активной мощностью 5 кВт (частота 60-80 кГц), так что сложностей с реализацией мощности на порядок-другой меньшей не ожидается.







Элементов мало, поэтому коротко.
Х1 - входной повторитель с максимально высокой крутизной (низким выходным сопротивлением). ПОС по питанию на несколько порядков снижает входную емкость транзистора и практически исключает термоискажения.
R2 R3 - цепь ПОС, определяющая Ку элемента схемы на Х1 по напряжению. (в общем, "усилитель напряжения на повторителе напряжения" - ересь какая-то. Пусть будет усилителем напряжения на полевом транзисторе, включенного по схеме с общим стоком. Тоже, кстати, вопрос - сток-то не общий. Здесь четыре полюса. Хрен с ним, короче...)
Х2 - элемент цепи ООС для выходных транзисторов. Он также должен обладать максимальной крутизной. Поэтому в этой схеме поставлены MOSFETы с высоким параметром крутизны при небольшом токе.

Повторитель на Х1 нагружен на входное сопротивление Х2, включенного по схеме с общим затвором. "Нагружен на входное сопротивление" - это условно. По факту этот участок схемы обладает большим входным сопротивлением за счет глубокой обратной связи.
Глубина обратной обратной связи выходных транзисторов на НЧ будет равна значению (R5||R7)/(RвыхХ1 + RвходХ2 )
Где RвыхХ1 - выходное сопротивление каскада на Х1, RвходХ2 - сопротивление каскада с ОЗ на Х1
Поэтому сочетание этих элементов должно обеспечивать максимальную глубину ООС. Конкретно в этой схеме глубина ООС на НЧ в модели 53 дБ, на 20 кГц - 46 дБ.
ВК нормально "хавает" нагрузку ниже 4 Ом - 2 и 1 Ом.
L1 R4 - цепь коррекции, уменьшающее глубину ОС на ВЧ.

В более реальном варианте схемы вместо резисторов R5, R6, R7 используются источники тока, которые увеличивают петлевое усиление и позволяют снизить напряжение питания предварительной части с 20 В до 8-9 В. Входной повторитель реализован по схеме Шиклаи (сильно снижаются искажения за счет его линейной работы и низкого выходного сопротивления), В качестве Х2 можно использовать биполяр, вроде BD139 (можно и Шиклаи - искажения еще снизятся, но Шиклаи медленнее, и коррекция на ВЧ получается неоправданно сложной для не очень большого прироста качества). Должно быть что-то быстрое и с высокой крутизной - от этого транзистора много зависит.

Использование в ВК связки MOSFET+BT позволяет довести уровень искажений до минимальных величин, но коррекция на ВЧ немного усложняется.

Но все это пока в симуляторе. По факту будет проверяться.

P.S. Безусловно, эта штука запросто может работать в качестве повторителя с Ку= 1. В этом случае искажения падают совсем низко даже для этого урезанного концепта (ниже 0,001% для мощности 50 Вт на 4 Ом во всем рабочем диапазоне). Так что прикрутить к этой штуке УН тоже не проблема. У него аццкое входное сопротивление - переварит самый нежный выход УН. Такой УН тоже забабахан на случай проблем с трансом, но это уже рутина. Да и с трансом вроде проблем особых пока не обнаружено, а в нашем деле покорения высокого конца каждый новый транзистор - зло.
В общем, на базе этой хрени запросто получается этакое лего. Эксиконы вместо стремных IRFP? - пожалуйста. Полевики - нет, БТ - да? Можно. Кстати, тройка БТ практически убивает идею (сильно тормозит и в целом бессмысленна, поскольку выходное сопротивление транзистора ОС с ОЗ или ОБ не очень высокое и сильно шунтирует тройку), двойка БТ - вполне жизнеспособна и обоснована, но сильно зависит от применяемых транзюков и должна быть быстрой- здесь только практика вскроет настоящие несимуляторные грабли.

P.S.S. Ну и, наконец, почему оно несимметрично? Давай токовое зеркало над диффкаскадом забацаем! Да можно всё - и симметрично, и токовые зеркала... Думаю, несложно догадаться, что это перепробовано и так и эдак. Симметрия обильно добавляет деталей и вопросы со смещением, которые не всегда можно элегантно и безвредно решить. Токовые зеркала... работают на НЧ, но должны выключатся коррекцией на ВЧ.
Поэтому пока так.

PA bt MOS ООС самый простой Ку20.cir

[Malinovsky D]

В общем все по учебнику.

Сергей, у меня ведь выложены измерения макета. Там все прекрасно работает https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2966399
Лучше отталкиваться от практических значений.



---------- Сообщение добавлено 10:47 ---------- Предыдущее сообщение было 10:46 ----------

чтобы добавить сигнал "предыскажений" на выход буфера без резистора, выходное сопротивление буфера должно быть килоОмы а не миллиОмы. Логично?

Корректор прикручивается несколько изощреннее...

[Серый Мыш]

Лучше отталкиваться от практических значений.

Да я ж не против , только чтоб что то перелопатить ( земли переставить ), нужно исходное повторить и показать, что перелопаченное не хуже.
А вот с первым у меня траблы. Хотя согласующиеся с моим мироощущением

[BesPav]

Ага, видел. Полностью пока не въехал. Но штука любопытная.

Ну как так-то...
Смотрите, эта штука высокоомным входом (базой) следит за напряжением в высокоомной точке (выход УНа - вход ВК) и своим высокоомным выходом (с токового зеркала) доливает в неё ошибку током. Всё то же самое можно сделать классическим полным дифкаскадом, просто здесь выход ВК низкоомный и на него можно без особых побочных эффектов опереть эмиттер одиночного транзистора а-ля разогнутый диф а на дельту ошибки в виде напряжения б-э и ошибку одиночного тока базы в зеркале просто забить...

[variator]

следит за напряжением в высокоомной точке (выход УНа - вход ВК)

Offтопик:
Выход srpp низкоомный. Но принцип действия остается?

[Malinovsky D]

Ну как так-то...
Смотрите, эта штука высокоомным входом (базой) следит за напряжением в высокоомной точке (выход УНа - вход ВК) и своим высокоомным выходом (с токового зеркала) доливает в неё ошибку током. Всё то же самое можно сделать классическим полным дифкаскадом, просто здесь выход ВК низкоомный и на него можно без особых побочных эффектов опереть эмиттер одиночного транзистора а-ля разогнутый диф а на дельту ошибки в виде напряжения б-э и ошибку одиночного тока базы в зеркале просто забить...

Спасибо!
Попробовал в микрокапе - да, работает. И весьма недурно работает.

[BesPav]

Offтопик:
Выход srpp низкоомный. Но принцип действия остается?

Offтопик:
Ага, низкоомная точка отделяется резюком в сотни Ом и влитый ток компенсирует ошибку за счет падения напряжения на этом резюке.

[Malinovsky D]

Таки узел сравнения на ДК на порядок более линеен, чем на одиночном транзисторе, нет?

Здесь нужно указывать условия для конкретного случая.

Заметно это здесь или нет - другой вопрос.

Почему же другой? Это важно. Именно здесь дополнительный транзистор не нужен. Он будет кушать дополнительные несколько десятков мА.
Их можно пустить на более благое дело. Дополнительной линейности он не принесет. Зато ухудшит частотные свойства УМ.
У нас ведь этот участок схемы под плавающим питанием. Этого нельзя забывать. Чем меньше задержка прохождения сигнала в "плавающем" участке схемы, тем лучше.

---------- Сообщение добавлено 17:58 ---------- Предыдущее сообщение было 17:39 ----------

нужно исходное повторить и показать, что перелопаченное не хуже.

Да, это понятно. Главное - чтобы в охотку было

[Malinovsky D]

Потребляемый двойкой ток действительно нелинеен, и замена двойки на тройку снижает искажения примерно на порядок при той же глубине местной ООС.
Поэтому для "обслуживания" двойки буферу и транзистору ООС приходится работать с большими токами покоя.

Кстати, была некоторая интрига по поводу того, что в графиках зависимости бетты от выходного тока у моделей транзисторов в Мкрокапе бетта начинает монотонно спадать от тока при значениях тока, меньших, чем указаны в даташитах выходных и предвыходных транзисторов.

И эта интрига, в общем подтвердилась.

Искажения в модели на частоте 9500 Гц при размахе 20 В и нагрузке 5 Ом составляли 0,0002%, а по факту получилось 0,00013.
То есть, в реальности транзисторы ВК более линейны, чем в модели.

Вот здесь какой прикол выяснился.
Уровень искажений входного тока ВК.(в базах драйверного каскада) сильно больше, чем искажения напряжения, создаваемые двойкой при питании от источника напряжения (с низким выходным сопротивлением).

Модель показывала, что уровень нелинейных искажений входного тока ВК порядка 6-8% (то есть, просто дохера)
Было интересно измерить, что там происходит в реале.
И вот что получилось.
Ток на холостом ходу

Ток с нагрузкой 5 Ом.

В целом, это где-то в 4 раза лучше, чем у модели.

[sia_2]

Вот здесь какой прикол выяснился.
Уровень искажений входного тока ВК.(в базах драйверного каскада) сильно больше, чем искажения напряжения, создаваемые двойкой при питании от источника напряжения (с низким выходным сопротивлением).

Модель показывала, что уровень нелинейных искажений входного тока ВК порядка 6-8% (то есть, просто дохера)
Было интересно измерить, что там происходит в реале.
И вот что получилось.
Ток на холостом ходу

Ток с нагрузкой 5 Ом.

В целом, это где-то в 4 раза лучше, чем у модели.

Ну да, модель слегка пессимистична - с запасом на производственный разброс, но эффект реально есть и намного больше, чем нелинейность при работе от "источника ЭДС". Из-за чего и приходится делать "тройки", несмотря на их вообще-то капризность.

[Malinovsky D]

Ну да, модель слегка пессимистична - с запасом на производственный разброс,

В моделях график бетты выглядит несколько иначе, по сравнению с даташитом. И он является более кривым.
Например, для 2SC5200 в модели бетта меняется со 100 до 200 при увеличении тока с 10 мА до 2 А (синий график. Для напряжения 10 В на коллекторе. Для 5 В картина та же, практически)
В даташитах NJW0281 (которые установлены в макете) бетта меняется на этом участке примерно со 110 до 130
а у NJW0302 бетта вообще практически не меняется.

[киса]

В даташитах NJW0281 (которые установлены в макете) бетта меняется на этом участке примерно со 110 до 130
а у NJW0302 бетта вообще практически не меняется.

Это измерялось или исходя из Даташита?

[Malinovsky D]

Это измерялось или исходя из Даташита?

Только из даташита. Но интереса ради сделаю измерения зависимости бетты от тока и выложу их здесь позже.

---------- Сообщение добавлено 11:01 ---------- Предыдущее сообщение было 09:26 ----------

В редакцию нашего издания "Dabbler schematic technician" периодически поступают сообщения, о том, что во входном каскаде нет никакой ПОС.
Как правило, читатели рекомендуют убрать второй резистор из цепи эмиттера, закинуть его в коллектор, получить необходимый профит по усилению, и не позориться дилетантскими заявлениями.

Редакция журнала решила опросить профессионалов-схемотехников, уверенно отличающих ПОС от ООС, каким альтернативным включением можно получить усиление от повторителя на шиклаи в районе 25 на нагрузке 50 Ом, использую в цепи резистивного делителя, задающего усиление каскада, номиналы в сотни и тысячи Ом?



Предлагаем, не стесняемся! Автору топика не привыкать позориться. Не первый и не последний раз

[Vlad Zhdanov]

Но интереса ради сделаю измерения зависимости бетты от тока и выложу их здесь позже.

Возможно частично помогу, до 3 А устроит?!

[Malinovsky D]

Возможно частично помогу, до 3 А устроит?!

Отлично. То, что нужно!
Спасибо!

Это при каком напряжении на коллекторе?
Увидел - 5В

[Vlad Zhdanov]

Я сделал как в даташите, если интересно могу повторить при других напряжениях. На значения меньше 50 мА. не стоит обращать внимание. Там уже очень большая погрешность. Если нужны данные для меньших токов нужно измерять с другими значениями резисторов.

[Malinovsky D]

Я сделал как в даташите, если интересно могу повторить при других напряжениях. На значения меньше 50 мА. не стоит обращать внимание. Там уже очень большая погрешность. Если нужны данные для меньших токов нужно измерять с другими значениями резисторов.

Спасибо! Выложенных измерений вполне достаточно.
Получились очень пологие кривые, с разницей всего в единицы процентов в диапазоне рабочих токов. Что хорошо соответствует даташитам.
Мне будет интересно проверить свои транзюки на этот параметр и сравнить с тем, что получилось.
Конечно, такой прецизионности, как у Вас, не получится, поскольку все будет проверяться по осциллографу.
Но речь идет только об оценке порядка отличий в партии.

[bukvarev]

Редакция журнала решила опросить профессионалов-схемотехников, уверенно отличающих ПОС от ООС, каким альтернативным включением можно получить усиление от повторителя на шиклаи в районе 25 на нагрузке 50 Ом, использую в цепи резистивного делителя, задающего усиление каскада, номиналы в сотни и тысячи Ом?

Никакой ПОС там нет.
Для того, чтобы была ПОС, нужно либо сложить в фазе напряжение положительной клеммы источника сигнала с выходным напряжением, либо добавить в противофазе выходное напряжение к нижнему зажиму источника сигнала.
В предложенной схеме к нижнему зажиму источника сигнала добавляется синфазное напряжение, т.е. связь отрицательная.

Низкое же выходное сопротивление получается за счет использования высокой крутизны этого двухкаскадного усилителя. Усиление может достигать значений, превышающих 100 дБ на средних частотах.

Примерно оценить, что там происходит, можно на модели, разорвав местную ООС со стока выходного транзистора, и проверив влияние сопротивления нагрузки на усиление каскада. У меня получилось усиление около 46 дБ при работе на 10 Ом, и выше 100 дБ при работе на холостом ходу. Так, как цепь делителя ОООС R2R1 задает усиление меньше 46 дБ, то и влияние сопротивления нагрузки получилось небольшим. Разумеется, ценой сильной потери петлевого.

Если посмотреть математически, то задавшись суммарной крутизной составного транзистора S, можно записать уравнения относительно напряжения Uбэ Q1 и оценить, что там за обратная связь.

1. Uвых = Uбэ*S*(R1+R2)
2. V1 = Uбэ + Uбэ*S*R1

Uвых/V1 = Uбэ*S*(R1+R2) / Uбэ(1 + S*R1) = S*(R1+R2) / (1 + S*R1). Явное выражение для усилителя, охваченного ОООС.

Коэффициент передачи B цепи ООС можно посчитать из уравнения: B*(R1+R2)=R1, или B~R1/(R1+R2).

Если R1=0, то и B=0, ОООС отсутствует.
Если R2 = 0, то В = 1, или 100% ОООС.

В Вашем примере В=0,4/10=0.04, что соответствует усилению около 25 раз.

[Malinovsky D]

Никакой ПОС там нет.
Для того, чтобы была ПОС, нужно либо сложить в фазе напряжение положительной клеммы источника сигнала с выходным напряжением, либо добавить в противофазе выходное напряжение к нижнему зажиму источника сигнала.
В предложенной схеме к нижнему зажиму источника сигнала добавляется синфазное напряжение, т.е. связь отрицательная.

Евгений, спасибо за ответ!

Тогда я хотел бы уточнить.

Вот две схемы.

Они полностью идентичны по сути, отличаются лишь подключением трансформатора.
С помощью трансформатора с К = 0,95 = (SQRT(9/10)) подаем напряжение во входную цепь.
И с помощью повторителя получаем К = 20

Суммарное усиление здесь 20
Это ПОС или ООС?

Интересно, что совершенно не меняя топологии, мы можем менять усиление только изменением коэффициента трансформации. Если он будет больше 1, то мы получаем генератор.
Но если меньше единицы, то получаем усилитель с Ку=1/(1-Ктр)

---------- Сообщение добавлено 12:53 ---------- Предыдущее сообщение было 12:38 ----------

Еще есть ходовая схема для получения отрицательного выходного сопротивления.
Ее везде называют ПОС по току. Полноценно она работает при Ку усилителя больше единицы.
В нашей топологии способ включения источника такой же. Отличается только порядок номиналов резистивного делителя, который вынесен из цепи нагрузки.
Почему тогда в нашем случае нет ПОС? Ведь суть не меняется.

[bukvarev]

Дмитрий, смотрите на простую вещь. Транзистор - преобразователь напряжения "база-эмиттер" в ток коллектора.
Поэтому нужно все смотреть относительно того, как в схеме подается это самое напряжение. Именно между базой и эмиттером.
Так что смотрите, как подключен входной транзистор/транзисторы в схеме "треугольного" элемента, и относительно входного напряжения составляйте уравнение (или векторную диаграмму).

А для анализа по переменному току источники питания нужно закоротить. Это тоже облегчит анализ.
Последовательно соединенные элементы, как правило, можно менять местами.

Например, эмиттерный повторитель, у которого есть емкостная связь от эмиттера в базу, при конечном выходном сопротивлении источника сигнала будет иметь ПОС. Также "сумматор ПОС" можно выполнить и на трансформаторе, как на Ваших рисунках.

[Malinovsky D]

Дмитрий, смотрите на простую вещь. Транзистор - преобразователь напряжения "база-эмиттер" в ток коллектора.
Поэтому нужно все смотреть относительно того, как в схеме подается это самое напряжение. Именно между базой и эмиттером.
Так что смотрите, как подключен входной транзистор/транзисторы в схеме "треугольного" элемента, и относительно входного напряжения составляйте уравнение (или векторную диаграмму).

А для анализа по переменному току источники питания нужно закоротить. Это тоже облегчит анализ.

Например, эмиттерный повторитель, у которого есть емкостная связь от эмиттера в базу, при конечном выходном сопротивлении источника сигнала будет иметь ПОС. Также сумматор можно выполнить и на трансформаторе.

Евгений, меня в данном случае интересует не столько включение транзистора, сколько анализ работы единичного буфера.
Как реализован буфер (транзистор, шиклаи, двухтактный Шиклаи, или ОУ со 100% ООС), это уже следующий вопрос.
Важно, что единичный буфер, по сути является идеальным преобразователем тока нагрузки в ток на шинах питания. Транзистор с ОК является частным и урезанным случаем. Его всегда можно проапгрейдить до полноценного буфера.

В схеме с единичным буфером я вижу ПОС, а Вы?