К вопросу о сравнении выходных каскадов.

[BesPav]

В этом профильном разделе форума обсуждается огромное количество различных конструкций усилителей мощности и телефонных усилителей, между тем вопросы оптимизации различных составляющих их блоков остаются в тени цельных конструкций. С учетом этого обстоятельства авторы и комментаторы иногда пользуются отсутствием подробностей об особенностях работы конкретных реализаций выходных каскадов, а также вольно или невольно вводят форумчан в заблуждение.
Для наведения ясности в этом вопросе и предназначена эта пополняемая тема.
Итак, какие же параметры требуются от выходного каскада? Ответ на этот вопрос позволит нам сформировать различные рейтинги и разработчики при формировании своих усилителей получат достаточно удобный инструмент анализа и библиотеку типовых решений.
1. Так как выходной каскад непосредственно работает на достаточно низкоомную нагрузку от него требуется иметь низкое выходное сопротивление, доли Ома. Пока опустим тот момент, что выходное сопротивление снижается также и за счет действия ООС, оставим его для дальнейших рассуждений.
2. Так как выходной каскад в подавляющем большинстве случаев охвачен обратной связью, то от него требуется иметь полосу работы бОльшую, нежели полоса работы этой ООС. Здесь есть важная оговорка и важное следствие. Оговорка – так как выходной каскад непосредственно связан с нагрузкой, а нагрузка в общем случае неизвестна, то полоса работы выходного каскада учитывается для наихудшего случая. Следствие – полоса работы ВК не должна использоваться в схеме коррекции условно устойчивого усилителя так как нагрузка в общем случае неизвестна.
3. Область безопасных режимов, т.е. возможности конкретной реализации ВК отдавать в нагрузку соответствующую сигналу мощность и рассеивать выделяющееся при этом тепло.
4. Высокое (или, в более общем случае управляемое) входное сопротивление и по возможности малую (или опять управляемую) емкость. Этот параметр напрямую определяет особенности сопряжения ВК с предыдущим узлом типового усилителя – усилителем напряжения, УНом.
Для начала достаточно, а по ходу дискуссии и необходимости дополним.
Приступим, как наглядно оценить комплексную величину выходного сопротивления? В симуляторе – достаточно просто, подключаем к выходу выходного каскада идеальный источник тока и измеряем величину напряжения на выходе ВК. Если полученное напряжение разделить на ток подключенного источника тока и включить линейный режим отображения, то получим график непосредственно в Омах.
Пример:


Следующее, как наглядно оценить комплексную величину полосы работы ВК? И снова, в симуляторе – несложно, подключим на вход нашего ВК источник напряжения с паразитными параметрами порядка типовых величин нагрузки ВК (для примера 1 МегОм и 22 пФ) и посмотрим, что же у него получится на выходе.
Пример:



По результатам подобных вычислений весьма наглядно отображаются различия в работе выходных каскадов, вот например:

Думаю всем любопытствующим будет очевидны преимущества ВК с графиком зеленого цвета перед ВК с графиком красного цвета.

Замечания и комментарии приветствуются, первое сообщение будет дополняться по мере развития дискуссии и если тема окажется интересной для сообщества.

Крупное продолжение вот здесь.

[BesPav]

Тройка же у нас медленно, чтобы не вызывать паники, ползёт в сторону кладбища?

Вы в слове Шиклай сделали 6 ошибок, Игорь.

[Malinovsky D]

Поэтому дифференциальное сопротивление на выходе УН после охвата ОООС уменьшается относительно исходного

Евгений, я долго переваривал мысль. И вот к чему пришел.
Если мы измеряем выходное сопротивление, то это нужно делать при НЕИЗМЕННОМ входном сигнале.

Если же мы с замкнутой ОООС подцепили нагрузку на выход УМ и увидели ДАЖЕ некоторое приращение напряжение на выходе УН, то нужно сначала проверить напряжение на входе УН. Если оно при этом выросло раза так в три (ООС подкинула, ясное дело), то я щетаю, что это нечестно.

Честно - проводить измерение выходного сопротивления при неизменном входном напряжении в измеряемом каскаде.

Таким образом, если мы проводим измерение выходного сопротивления УН, то это нужно делать,
выставляя ОДИНАКОВОЕ напряжение на входе УН при различных сопротивлениях нагрузки.

[Ulis]

4-ку давно-давно собирал...по звуку не понравилась, грязная какая то, двойка от ИНУН лучше звучала..

В СССР промышленно выпускался Форум 180-У-001, с четверкой ВК. Никакого ужаса.

[Валет]

И таки ось Х этого графика начинается там, где ваши ООСы обычно заканчиваются.
Т.е. изменить выходное сопротивление УНа уже некому и нечем.

Павел, научись понимать написанное по-русски. Я писал не о выходном сопротивлении УНа, а о свойствах УМЗЧ.

реакция устройства на подключение нагрузки на выход УН является не свойством УН, а всего устройства при таком его использовании.

При чем здесь твоя ось Х?

Если мы измеряем выходное сопротивление, то это нужно делать при НЕИЗМЕННОМ входном сигнале.

Да, т.е. при отсутствии других воздействий. Эти вопросы уже дискутировались несколько лет назад и подобное утверждение там тоже звучало. Я бы поискал, если бы был уверен, что тема не удалена. Название не помню.

[bukvarev]

Евгений, я долго переваривал мысль. И вот к чему пришел.
Если мы измеряем выходное сопротивление, то это нужно делать при НЕИЗМЕННОМ входном сигнале.

Если же мы с замкнутой ОООС подцепили нагрузку на выход УМ и увидели ДАЖЕ некоторое приращение напряжение на выходе УН, то нужно сначала проверить напряжение на входе УН. Если оно при этом выросло раза так в три (ООС подкинула, ясное дело), то я щетаю, что это нечестно.

Честно - проводить измерение выходного сопротивления при неизменном входном напряжении в измеряемом каскаде.

Таким образом, если мы проводим измерение выходного сопротивления УН, то это нужно делать,
выставляя ОДИНАКОВОЕ напряжение на входе УН при различных сопротивлениях нагрузки.

Дифференциальное сопротивление в участке цепи по определению есть изменение напряжения при изменении тока нагрузки (dR=dU/dI). Это достигается введением в схему дополнительного управляемого источника тока. Вариант - измерять приращение тока при при приращении напряжения.
При этом, измеряемая система должна быть полностью собрана. Если в ней предусмотрена ОООС, то обязаны ее замкнуть. Хотите измерить при другом напряжении на выходе усилителя - подайте на вход всей системы другое напряжение, и вновь проверьте участок системы с помощью дополнительного источника тока.
Для того Блекман и думал в свое время, чтобы другим после не пришлось время тратить. Результат - формула расчета сопротивления в замкнутой системе.

[Malinovsky D]

Дифференциальное сопротивление в участке цепи по определению есть изменение напряжения при изменении тока нагрузки (dR=dU/dI). Это достигается введением в схему дополнительного управляемого источника тока. Вариант - измерять приращение тока при при приращении напряжения.
При этом, измеряемая система должна быть полностью собрана. Если в ней предусмотрена ОООС, то обязаны ее замкнуть. Хотите измерить при другом напряжении на выходе усилителя - подайте на вход всей системы другое напряжение, и вновь проверьте участок системы с помощью дополнительного источника тока.
Для того Блекман и думал в свое время, чтобы другим после не пришлось время тратить. Результат - формула расчета сопротивления в замкнутой системе.

Я понимаю, о чем Вы пишите.

Но у меня очень простой месседж.
Если измеряем выходное дифференциальное сопротивление УН, то на входе этого УН напряжение НЕ ДОЛЖНО меняться в процессе наших измерений.
Да, есть вопрос, где разграничивать каскады. Но он не столь существенный.

Важно, что если мы выделили какой-то каскад для измерения его выходного сопротивления, то очень странно это делать, допуская приращение напряжения на входе этого каскада в процессе измерения. Даже если это делает ООС.

Добавлю.

Если игнорировать действие ООС при измерении выходного сопротивления каскадов, тогда получится, что у ВСЕХ каскадов усилителя получится отрицательное выходное сопротивление, поскольку, при увеличении потребляемого тока у них у всех будет увеличиваться напряжение. Исключением будет только самый последний каскад. Не могу рассмотреть практический смысл в этой информации.

[bukvarev]

Если измеряем выходное дифференциальное сопротивление УН, то на входе этого УН напряжение НЕ ДОЛЖНО меняться в процессе наших измерений.

Это противоречит самому определению линейного источника тока, управляемого напряжением. У него при изменении выходного тока всегда будет изменяться входное напряжение. А дифф. сопротивление вообще не имеет формальной связи с напряжением где-то на входе. Точка его измерения находится в другом месте схемы. Только сами себя запутываете на ровном месте.

Повторюсь. Все усилительные транзисторы сами по себе - источники тока, как их не включай. Выходное сопротивление идеального источника тока равно сопротивлению нагрузки, по закону Ома. Все превращения такого источника тока в "источник напряжения" делаются за счет обратной связи или очень жесткого шунтирования. И теоретический анализ этого процесса проработан очень давно и исключительно хорошо.

Offтопик:
ЗЫ. Конечно, иногда полезно сделать "сброс в исходные установки", и проанализировать "с нуля" какую-нибудь интересную задачку. Но не в области же классической теории линейных систем!

[Dinosaurus]

Четырка (1 пара+1 пара + 2 пары, каждая включёна Дарлингтоном) https://ldsound.info/mikron-100-um-002s/

[BesPav]

Миллениум с его четвёркой

пятерку кто нить пробовал

Четырка

Коллеги нет принципиальных проблем ни в четверке, ни в пятёрке, ни даже в шестерке.
В "медленных".
Каждый второй каскад получает RC цепь база-коллектор с Fc порядка ~мега или используются транзисторы с сопоставимой fT.

Проблемный диапазон - 15-30 Мег на стыке выхода второго каскада и входа третьего (каждого второго и каждого третьего). При достаточном понимании механизма возникновения и методов борьбы с комплексно сопряженной парой полюс-ноль в этой точке несложно делается любое количество каскадов.

Но вот вершиной всего этого творчества так или иначе становится Тройка "быстрая", которая по совокупности параметров не оставляет особых шансов другим вариантам.

[Petr-1951]

Один из простейших способов измерения выходного сопротивления источника напряжения (в данном случае УНа - это нагрузка его до тех пор пока выходное напряжение не упадет вдвое.
Возьмем последнюю разработку Боба Корделла BC-1. На выходе "тройка" Дарлингтона со спаренными выходными транзисторами, нагрузка 8 Ом.
На входе ВК ставим резистор на общий сопротивлением 100 МОм и плавно снижаем его. Выходное напряжение УНа не реагирует на снижение этого резистора до 10 кОм и даже ниже - до 6 кОм. При снижении до 5 кОм напряжение верхнего плеча начинает уменьшаться, а при 2,4 кОм в верхнем плече наступило клипирование и амплитуда сигнала упала вдвое. Ток ГСТ в верхнем плече равен 7,7 мА - он и ограничивает выходное напряжение. При снижении нагрузки до 1,1 кОм и нижнее плечо сдалось.
Таким образом выходное сопротивление УНа данного усилителя не более 6 кОм, но никак не 1 МОм!

[Валет]

Если игнорировать действие ООС при измерении выходного сопротивления каскадов, тогда получится, что у ВСЕХ каскадов усилителя получится отрицательное выходное сопротивление, поскольку, при увеличении потребляемого тока у них у всех будет увеличиваться напряжение. Исключением будет только самый последний каскад.

Если игнорировать действие ООС, то никакого отрицательного сопротивления не получится. При подключении нагрузки на выход УМЗЧ напряжение на выходах каскадов не будет увеличиваться
А в реале «отрицательное сопротивление» имеется не только на выходах всех каскадов, но и на входе первого каскада. Для неинв. УМЗЧ это напряжение между входами ДК. Так работает ООС.

[Malinovsky D]

При подключении нагрузки на выход УМЗЧ напряжение на выходах каскадов не будет увеличиваться

Ну не знаю...
В тех схемах, которые я ковырял, все работает просто.
Если ООС глубокая и напряжение на выходе УМ при подключении практически не меняется, то, например, перед ВК напряжение при подключении нагрузки растет, чтобы компенсировать падение на эммитерных переходах ВК.
Это, вроде как, очевидно. Если измерять напряжение относительно общего провода.

Подозреваю, что разночтения касаются несинхронным описанием одной ситуации, следствием которого являются разные ситуации в воображении оппонентов.
Если синхронизировать, все будет ОК,

У него при изменении выходного тока всегда будет изменяться входное напряжение. А дифф

Пусть меняется. Но если ООС не подключена, то входное напряжение по крайней мере, не увеличивается при увеличении нагрузки.

В общем, для себя я разобрался, в чем подвох рассуждений """""при охвате всего УМ вместе с ВК общей ООС выходное сопротивление УН снижается""""" (кавычек специально много, чтобы обозначить, что я так не считаю)
И почему нигде в учебниках об этом не пишут. Иначе бы так и написали - при охвате ООС трех каскадов, мы можем увидеть, как меняется выходное сопротивление каждого из них, а значит АЧХ петлевого усиления, и на это нужно обратить ОСОБОЕ внимание при проектировании, потому что все меняется, ничего не стабильно, ничего рассчитать нельзя.
Но пишут другое. Есть АЧХ петлевого усиления. И она такая, что без петли, что под петлей. И все океюшки. И это все моделируется, считается и работает.
И слава всевышнему.


P PS



Шляпу попридержу. За Павла продолжаю молиться.

PP PS
Коллеги, из дискуссии выбываю. Но цитаты без ответа не оставлю, конечно, как человек честный. В ответе напомню, что в дискуссии не участвую
Всем благ и отличного настроения

[BesPav]

Выходное напряжение УНа не реагирует

Конечно, ведь ООС замкнута и все изменения абсолютно наглядно видны в изменении её глубины.
Вот там можно и поискать на каких порядках величин изменения пропадают.

Offтопик:

За Павла продолжаю молиться.

[ИГВИН]

Вы в слове Шиклай сделали 6 ошибок, Игорь.

Ага, шесть значит?
Ну ладно, амнистируем тройку. Показалось.

[bukvarev]

И почему нигде в учебниках об этом не пишут

В учебниках много чего не пишут. А некоторые вещи считаются само собой разумеющимися, поскольку изучение материала обычно многоэтапное.
Например, что в эмиттерном повторителе не изменяется частота единичного усиления самого транзистора, и что при охвате каскада петлей не нарушается АЧХ петлевого усиления. А выходное сопротивление каскада вдруг оказывается низким. Просто дается формула.
Все остальное в деле анализа и проектирования многокаскадных усилителей - банальное обобщение, превращение одиночного элемента в систему. В конечном счете целевой вопрос один - как ведет себя система, потому что поведение отдельного "кирпичика" мало кому интересно, если не вызывает его выхода из строя.
Если теория это объясняет и совпадает с практикой, она быстро приживается.
Тем наука от веры и отличается.
Так что со мной можно быть сколько угодно не согласным, но с "честно-нечестно", "подвохом" и пр. - это к теории и теоретикам. Есть желание - опровергайте формулу, выводите свою. Может быть, она будет полезнее и актуальнее существующей. А пока лично я буду пользоваться тем, чему учили.

[hippo64]

Например, что в эмиттерном повторителе не изменяется частота единичного усиления самого транзистора, и что при охвате каскада петлей не нарушается АЧХ петлевого усиления. А выходное сопротивление каскада вдруг оказывается низким. Просто дается формула.

для многих в этой теме это будет не только откровением, но и крушением всех их открытий.

[misha88]

при охвате каскада петлей не нарушается АЧХ петлевого усиления. А выходное сопротивление каскада вдруг оказывается низким.

Никакой мистики и не вдруг, а всё в соответствии с формулами. ООС при постоянном входном сигнале обеспечивает стабильное выходное напряжение, в т.ч. при изменении тока нагрузки, а из формулы сопротивления dR=dU/dI выходит, что раз dU становится малым, то и dR становится малым.

[bukvarev]

Offтопик:
Мне вот стало интересно, сколько из читавших ветку нашли, скачали и, пусть по диагонали, за 20 минут, просмотрели "книгу Раковского 1962 года выпуска". Хотя бы ради того, чтобы убедиться, что предки-то отнюдь не глупее были, хоть вместо DSP и шторками хлопали..

[Dinosaurus]

Семынин, конструктор эмиттерного повторителя с резистором в нагрузке

Который (повторитель-двойка) иногда возбуждался...

[ИГВИН]

Offтопик:
Мне вот стало интересно, сколько из читавших ветку нашли, скачали и, пусть по диагонали, за 20 минут, просмотрели "книгу Раковского 1962 года выпуска". Хотя бы ради того, чтобы убедиться, что предки-то отнюдь не глупее были, хоть вместо DSP и шторками хлопали..

Offтопик:
Ссылки надо конкретизировать.