Гибридный усилитель СОЮЗ-50

[Alex Ground]

Доброе время суток! Хочу представить к обсуждению гибридный усилитель в котором реализована концепция глубокой (для гибридных усилителей) обратной связи, где всё усиление по напряжению выполнено на лампах. Данная концепция была проверена в гибридном усилителе для наушников "DUAL".
https://cxem.net/sound/amps/amp257.php

Скрытый текст

После успешной реализации на базе проверенного в "железе" усилителя для наушников был разработан усилитель "DUAL-100" мощностью до 100 Вт.
В усилителе для наушников было использовано две лампы 6Ж1Б (6Ж1П), в мощной же версии было решено использовать лампу 6Ф1П (триод-пентод), что позволяет реализовать входную часть на одном баллоне, однако ламповая часть "DUAL" и "DUAL-100" остаются взаимозаменяемыми и можно использовать 2*6Ж1П как более доступные.
Выходной каскад выполнен на полевых транзисторах типа IRFP140/IRFP9140 (для мощности менее 50Вт можно использовать IRF640/9640).

Главная идея концепции состоит в "размыкании" внутренней обратной связи триода, которая в триодном включении исправляла бы искажения только усилителя напряжения, пентодное же включение позволяет минимизировать внутреннюю ОС высвободив максимальное усиление которое может быть получено на данном пентоде и потратить его на внешнюю ОС, которая линеаризует не только лампу, но и транзисторный выходной каскад вместе с выходным конденсатором. И против классической концепции построения гибридов по топологии триод+повторитель, где весь спектр искажений выходного каскада направлен в акустическую систему и ничем не подавляется, предложенная автором концепция позволяет в значительной мере повысить линейность всего усилителя.

Усилитель напряжения выполнен на лампе VL1.1 в пентодном включении. Она нагружена на резистор R7, по переменному току имеется ПОС через конденсатор С5, так называемая "вольтдобавка", что повышает сопротивление нагрузки по переменному току, и как следствие усиление данного каскада возрастает, в комплексе с работой на повторитель выполненный на лампе VL2 имеем усиление порядка 60 дБ. Повторитель на VL1.2 нагружен на источник тока выполненный на транзисторах VT1, VT2 и особенностей не имеет.
Касательно транзисторной части, выходной каскад представляет собой повторитель на полевых транзисторах, узел смещения выходного повторителя реализован на VT3 и особенностей не имеет. Вольтдобавкой через конденсаторы С9, С11 осуществлена ПОС, повышающая динамическое входное сопротивление делителя R15, R16 для снижения нагрузки на повторитель выполненный на триоде VL1.2. Применение полевых транзисторов на выходе позволяет получить RAIL-TO-RAIL выходной каскад, так как напряжение на затворе легко превышает напряжение на выходе и позволяет открыть мосфет полностью. На выходе установлен конденсатор, который позволяет использовать однополярное питание, отказаться от обязательного использования защиты АС и закрыть глаза на упрощение выходного каскада в вопросе слежения за постоянной составляющей на выходе (данный узел отсутствует). Так как выходной конденсатор охвачен общей обратной связью, то искажения вносимые им так же исправляются ООС.
Глубина обратной связи замеренная на железной реализации усилителя для наушников составляет порядка 46 дБ на частоте 1 кГц, и 35 дБ на частоте 20 кГц.
Для сохранения высокой линейности усиление выходного каскада составляет порядка 4.5 раз. Однако если некоторый рост искажений приемлем можно увеличить КУ до 19раз и использовать усилитель без предусилителя (R8 следует с 3.3кОм заменить на 510 Ом).

[свернуть]

Обдумав недостатки указанные в обсуждении, главные из них были переработаны.
Было увеличено петлевое усиление путем замены вольтдобавки на транзисторный ГСТ, спасибо товарищу deemon и Slava!!! за подсказку о возможном значительном дрейфе рабочей точки по постоянке при работе пентода на ГСТ, в результате анализа данной проблемы, было найдено решение в виде охвата ГСТ местной ОС по постоянному току, что снизило усиление по постоянному току в 10раз, до уровня эквивалентному каскаду с резистивной нагрузкой. Так же было уменьшено количество конденсаторов, путем гальванической развязки не между триодным повторителем и ВК, а между пентодом и триодным повторителем (спасибо за совет товарищу fakel), что значительно упростило обвязку схемы смещения для ВК, а так же отпала необходимость в ГСТ ранее установленном в катоде триода, теперь его "источником тока" стала вольтдобавка через выходной конденсатор. В следствии низкой линейности мосфет и высокой стоимости латералов, ВК был переведен на биполярную двойку, а мощность снижена до 50 Вт, для снижения нагрузки на ВК и снижения требований к выходному конденсатору.
Концепция осталась исходной, размыкание внутренней ООС триода используя на входе пентод и направление высвобожденного усиления на линеаризацию ВК, однако так же была учтена возможность перевода входной лампы в триод, это снижает глубину ООС до 12дБ, однако освобождает усилитель от динамических искажений. Наличие возможности изменения включения входной лампы делает схему универсальной, а звук конфигурируемым.
В результате в симуляции была получена следующая схема, название изменено для отсутствия случайно вышедшей отсылки к усилителям Dual тех лет.

Ку был увеличен относительно исходного варианта и составляет 8раз. Так как баланс между усилением и глубиной ООС определяет характеристики усилителя, упор был сделан на наименьшие искажения, которые достигаются при минимальной чувствительности. Было решено остановиться на том уровне чувствительности которая позволит использовать усилитель от современных источников с выходным напряжением 2-2.5Vrms не прибегая к необходимости преампа. Она составляет 1.8Vrms для достижения мощности 50Вт на нагрузке 4 Ом.
Параметры были несколько улучшены, коррекция немного изменена.
На "первом ватте" 4 Ом

50 Вт 4 Ом

Меандр без входного ФНЧ

Модель
SOUZ-50 cordell.cir

В случае работы от слабого источника (менее 1.8Vrms) оконечный усилитель требует пред.усилителя.
При работе от предусилителя конденсатор С1 может быть исключен из схемы оконечного усилителя СОЮЗ-50.
Был разработан несложный пред.усилитель на лампах 6Н23П на основании "мю-повторителя" с Ку до 7 раз.

Скрытый текст

Модель усилителя в MicroCap 9
dual100byAG.cir
Анализ искажений микрокап для полного варианта схемы (преамп 6Н23П+оконечник с КУ=4.5)
Мощность 50Вт нагрузка 4 Ом

На "первом ватте" нагрузка 4 Ом

Анализ искажений микрокап для упрощенного варианта схемы (оконечник с КУ=19)
Мощность 50Вт нагрузка 4 Ом

На "первом ватте" нагрузка 4 Ом

[свернуть]

Опубликованные схемы в железе не проверены и публикуются для коллективного обсуждения.

[fakel]

ООС по напряжению же не снижает выходное сопротивление, а увеличивает

только в тех точках, с которых она берется

[Alex Ground]

добрая половина переделала кучу всего

Offтопик:
Так а никто не спорит про кучу всего, речь идет про усилитель из топика. Просто когда начинается " да это можно так сделать и эдак " так что мешает сделать?
Если говорить "это можно сделать совсем все иначе, а то как сделано плохо" так взять хотя бы симулятор открыть и свои идеи изложить в предметном виде. Болтать не мешки ворочать.

---------- Сообщение добавлено 11:52 ---------- Предыдущее сообщение было 11:47 ----------

только в тех точках, с которых она берется

Если ВК нехватает тока от драйвера и он начинает вносить искажения, то они исправляются ОС за счет поднятия напряжения на выходе драйвера, что бы скомпенсировать падение на внутреннем сопротивлении драйвера. По сути ООС скомпенсирует падение на внутреннем сопротивлении драйвера, виртуально его снизит

[hippo64]

речь идет про усилитель из топика.

не про усилитель, а про его модель.

Если ВК нехватает тока от драйвера

а вы что переделывате что то готовое или делаете новое, откуда такой пердимонокль?

[Alex Ground]

Если ВК нехватает тока от драйвера
а вы что переделывате что то готовое или делаете новое, откуда такой пердимонокль?

Я объясняю товарищу facel каким образом ООС может виртуально снижать выходное сопротивление драйвера

---------- Сообщение добавлено 11:59 ---------- Предыдущее сообщение было 11:58 ----------

не про усилитель, а про его модель.

Есть не только модель, есть ещё и вполне реальный, "железный" прототип, в котором для создания Дуал-100 просто изменен ВК на более мощный

[fakel]

за счет поднятия напряжения на выходе драйвера

напряжение плавает, т.е. драйвер - не источник напряжения

Сколько усиления у твоего уся?

[Alex Ground]

Сколько усиления у твоего уся?

Ну у прототипа 6.4, а в Дуал-100 планируется 4.5 раз.
Для прототипа я публиковал табличку снятую в железе, задублирую

[fakel]

А коэфф-т гармоник?

[Alex Ground]

А коэфф-т гармоник?

С железа не измерены , с симуляции модели в первом посте.
Симуляция вполне дает представить порядок величин.
Тем более можно сравнить результаты симуляции этого проекта с симуляцией любого другого гибрида для сравнения, и такое сравнение уже вполне объективно.

[fakel]

Тогда уж и АЧХ/ФЧХ с разомкнутой ООС

[Alex Ground]

Тогда уж и АЧХ/ФЧХ с разомкнутой ООС

Ну вот с разомкнутой, в симуляции получается примерно на 6дБ ниже чем в железе, хотя это думаю может варьироваться в зависимости от лампы.

Вот это в петле обратной связи (глубина ОС и фаза), тоже, соответственно, на 6дБ примерно ниже чем на прототипе в железе

[fakel]

Усилитель НевДувал))

[Alex Ground]

Усилитель НевДувал))

Все бы конечно хорошо, только усилитель генерит на НЧ (запаса фазы нет вообще), генерит на ВЧ (запас фазы 20*), при запуске на затворы подается +250 В при зарядке межкаскадного конденсатора, а постоянное напряжение на выходе находится в свободном плавании. В таком виде схема не работоспособна, а когда доведете до работоспособности (если получится) будет ли проще чем дуал? Так сказать конечно, сделали быстро, но к сожалению не рабочее. Можно хоть 90дБ усиления набрать последовательно соединяя каскады, только набрать мало, нужно ещё распределить с сохранением устойчивости.

[fakel]

только усилитель генерит на НЧ (запаса фазы нет вообще), генерит на ВЧ (запас фазы 20*)

НЧ лечится увеличением переходных кондеров, ВЧ - коррекцией с выхода ВК на сетку драйвера

постоянное напряжение на выходе находится в свободном плавании

R5 спасает

Вот с разомкнутой ООС

[Alex Ground]

НЧ лечится увеличением переходных кондеров, ВЧ - коррекцией с выхода ВК на сетку драйвера

Когда это будет решено, тогда это станет жизнеспособно, а пока что это не работоспособно. Потому что это одна из самых важных задач, если обратите внимание на ЛАЧХ/ЛФЧХ Дуала в петле, там на НЧ запас по фазе 50*, при том что там ещё и стоит конденсатор на выходе
Кроме этого реализован плавный запуск ( в момент запуска усилителя на выходе не оказывается все питание) при том что у вас двухполярка это весомая проблема. А если вы сделаете конденсатор на выходе для решения проблем с постоянкой, то вы вероятно не сможете справиться с возбуждением на НЧ вовсе, ибо у вас уже 3 rc цепи будет охвачено ОС. Как много нюансов, но выявляются они только когда начинаешь делать, а написать всегда легко

---------- Сообщение добавлено 16:35 ---------- Предыдущее сообщение было 16:33 ----------

R5 спасает

Вот с разомкнутой ООС

Не спасает, спасает или интегратор или гальваническая развязка.
А с разомкнутой ОС не интересно, нужно смотреть в петле, иначе достоверно не определить устойчивость

[fakel]

Еще можно вольтодобавку для второго каскада сделать

спасает или интегратор или гальваническая развязка

Ну плавающую среднюю точку тогда

А с разомкнутой ОС не интересно

Спад 6дБ на октаву нормальный критерий

ибо у вас уже 3 rc цепи будет охвачено ОС

Можно первый и второй каскады непосредственно соединить

Как много нюансов, но выявляются они только когда начинаешь делать, а написать всегда легко

Да ладно, 3 каскада - типичная топология как для транзисторов так и для ламп, Вильямсон справился же

[Slava!!!]

Не стоит забывать что поганый звук транзисторных мелкоосников зачастую вызван коррекцией по миллеру и перегрузкой диф.каскада в следствие большой инерционности УН, так называемые динамические искажения. Здесь такое не наблюдается, с одной стороны у лампы огромная перегрузочная способность, с другой стороны тут ОС охвачен только один каскад усиления напряжения и оконечник всегда перегружается (клипует) раньше чем УН, причины для возникновения дин.искажений я не вижу

Скачал из первого поста модель в Микрокапе, поставил на вход генератор меандра амплитудой 1,2 В (синус аналогичной амплитуды усиливается без ограничения). Увидел, что пентод УМ начал уходить в отсечку. Не помогло даже увеличение конденсатора С10 в 10 раз (до 2200 пф).

Так что там у нас с динамическими искажениями?

[Alex Ground]

Спад 6дБ на октаву нормальный критерий
Можно первый и второй каскады непосредственно соединить
Да ладно, 3 каскада - типичная топология как для транзисторов так и для ламп, Вильямсон справился же

Спад 6дБ нормальный критерий, но вы например не смотрите полосу ниже 1Гц, а вы посмотрите, возбуждение может быть и ниже, а лучше пришлите модель и посмотрим конкретно запас фазы в точке пересечения с 0 по усилению в петле, в исходной схеме пересечение с нулем на частоте 0.01 Гц и запас фазы там несколько градусов= неустойчивость
Можно первый и второй каскад соединить так соедините Станет проще обеспечить устойчивость.
Для транзисторов 3 каскада вообще не проблема там везде гальванические связи, а вот для ламп каждая гальваническая развязка крутит фазу на НЧ, и чем больше RC цепей в петле ОС тем сложнее это компенсировать. Вильямсон молодец, но чем выше усиление тем сложнее справляться

[fakel]

Крути сам, мне не интересны глубокоосные гибриды - ведь в них не слышен голос лампы

[Alex Ground]

Скачал из первого поста модель в Микрокапе, поставил на вход генератор меандра амплитудой 1,2 В (синус аналогичной амплитуды усиливается без ограничения). Увидел, что пентод УМ начал уходить в отсечку. Не помогло даже увеличение конденсатора С10 в 10 раз (до 2200 пф).

Так что там у нас с динамическими искажениями?

Динамические искажения это перегрузка входных каскадов раньше выходных. Неужели пентод перегрузился до захода оконечника в клип? Если оконечник клипует первый, то не важно что за ним наступает клип УН. А точнее это естественно, что при клипе оконечника разрывается петля ОС и УН перегружается в следствии. А вот если у нас вход перегрузился раньше оконечника, типичная ситуация это перегрузка диф каскада при работе на большую ёмкостную нагрузку (усилитель напряжения с коррекцией по миллеру, его динамическая емкость может достигать сотни нФ), тогда это и есть те самые динамические искажения, оконечник ещё не в клипе а вход уже перегружен

[Slava!!!]

Динамические искажения это перегрузка входных каскадов раньше выходных. Неужели пентод перегрузился до захода оконечника в клип?

Именно так