Улучшение линейности (и не только) усилителя на LM3886

[Nick]

Финальные платы пришли, собираю. Посмотреть на них можно у меня на сайте или тут.

Ссылки по теме:
Новые платы дают около -120дБ искажений на THD 11кГц 60W (левый канал - усилитель). Интермодуляционные за гранью обнаружения IMD19+20 , IMD19+20 полный диапазон .

Черновик описания, списка деталей, и схемы, новой версии. Zero D 50 Rev D7.12.

Последняя рабочая версия схемы усилителя, питания и список используемых деталей - Zero D 50 Rev D4 (исправлена ошибка с MUTE, нумерация деталей не совпадает с предыдущими версиями). Небольшое описание усилителя.

Упрощённая версия для тех кто самостоятельно проектирует платы и не хочет возиться с большим количеством конденсаторов и резисторов. Вариант однослойных печаток под утюг от devisangela тут (упрощённая версия без стабилизаторов).

Модель (АФЧХ) в LTSpice.

Замерянные искажения у прототипа на 10кГц Rev. D4 THD 10kHz 40Vp-p (50W) 4Ohm - < 0.0004%. На графике -вверху вход, внизу выход.

Фото прототипа 1 и 2.

Печатки для прототипа использовал от ревизии С (нумерация деталей не совпадает).

Описание принципиальных отличий Rev. D от предыдущих версий тут.

Интересные осцилограммы: шунтировние электролита керамикой , и продолжение, работа стабилизатора, и продолжение, выход U1 под нагрузкой и без, то же (более правильно снято)

Метод измерения искажений звуковой картой с вычитанием гармоник (использовался вначале, когда небыло AMBER 3501 и генератора с низкими искажениями): 1, 2, 3, 4 . Обсуждение метода было тут.

История предыдущих версий. Статья Yewen-a есть тут.

[sia_2]

Да, я знаю, но обычно, как например для CS5381, если вешать 220-470uF на шунтирование, то искажения низкие почти от 20гЦ.

Нету этих 470 мкФ обычно. 100 если есть, и то хорошо. А нужно бы - порядка 1000, и с малой утечкой, чтобы не лез НЧ модуляционный шум.

[ИГВИН]

Сергей, это касается и ЦАПов, видимо?

[sia_2]

Сергей, это касается и ЦАПов, видимо?

Естественно. Но там этих кондеров часто вообще нет - роль опоры выполняет питание или внутренний опорник. Исключения редки, разве что AD1862, но там кондеры не в цепи сигнала (опора буферится внутри) и на искажения почти не влияют.

[Alex Nikitin]

Но там этих кондеров часто вообще нет - роль опоры выполняет питание или внутренний опорник. Исключения редки, разве что AD1862, но там кондеры не в цепи сигнала (опора буферится внутри) и на искажения почти не влияют.

Да, в своё время мне пришлось это обнаружить опытным путём на CS4396 - по схеме из описания пёрли чудовищные искажения на низах. Вылечилось именно так - хорошие 470 мкФ на ногу опоры, плюс вариация опорного напряжения (лучше всего оказалось не при 5 В, а при 4,2 В, если мне не изменяет память) .

Алексей

[Nick]

Да, еще деталь - собрано на односторонней плате с выводными компонентами, LM318, OPA134

Да, ещё я так понял вы используете OPA134 как буфер. Лучше поставить AD8065 или ту же LM318, так как OPA134 имеет достаточно высокие гармоники на ВЧ, и может так случится, что они будут выше гармоник самого усилителя мощности.

Добавлено через 6 часов 36 минут

Поскольку гармоники генератора выше измеряемых, после долгой игры, я решил, что лучше всего сравнивать с нагрузкой и без оной. Нагрузку отключал на ходу.

При таком подходе ещё важно знать фазу каждой гармоники, так как нужно вычитать векторно. А что в качестве генератора используете ?

Добавлено через 29 минут
Да, кстати, резистор нагрузки нужен тоже довольно линейный и мощный, с хорошим отводом тепла (инертным) и клемы подключения без магнитного материала (медные), иначе это тоже может влиять на измерения. И чтобы уменьшить влияние нелинейности нагрузки нужно снимать сигнал для измерения из точки подключения ОС и землю брать из общей точки. Вообще если всё правильно, то собственные искажения усилителя на 100гЦ вообще не должны меряться (расчётные меньше -140дБ, я померять не смог, у меня порог был где-то -120...130дБ).

[devisangela]

devisangela, а Вашу платку можно посмотреть?

Смотрите, особо гордиться нечем, но работает ("играет хорошо"). Надо поставить перемычку на Mute. На схеме некоторые номиналы чисто от балды. Надо смотрть на схему Nick rev. D4.
Хотел поиграться и определить наиболее критические элементы, качество которых влияет на КНИ больше всего, а даже на этой плате и с китайскими деталями нужно мерять точнее 0.0001%. Т.е. идея Nicka полностью себя оправдывает. Прийдется подумать как мерять ultra low THD.
Но, есть однако, и плюсы: теперь 6 каналов обойдутся значительно дешевле!
Внимание! На схеме и плате есть ошибка, как указал Nick (см пост 4134).
Испаравлю скоро.
Исправил схему и плату. Добавил плату для любителей SMD.

Цитата из письма NIck-а
Надо бы дописать в этот пост, что ошибка всё равно осталась (по крайней мере в платах под выводные детали):
R104 нужно выкинуть, а C103 нужно поставить между 2 и 6-м выводами U3.

[devisangela]

Да, ещё я так понял вы используете OPA134 как буфер. Лучше поставить AD8065 или ту же LM318, так как OPA134 имеет достаточно высокие гармоники на ВЧ, и может так случится, что они будут выше гармоник самого усилителя мощности.

Добавлено через 6 часов 36 минут
При таком подходе ещё важно знать фазу каждой гармоники, так как нужно вычитать векторно. А что в качестве генератора используете ?

Добавлено через 29 минут
Да, кстати, резистор нагрузки нужен тоже довольно линейный и мощный, с хорошим отводом тепла (инертным) и клемы подключения без магнитного материала (медные), иначе это тоже может влиять на измерения. И чтобы уменьшить влияние нелинейности нагрузки нужно снимать сигнал для измерения из точки подключения ОС и землю брать из общей точки. Вообще если всё правильно, то собственные искажения усилителя на 100гЦ вообще не должны меряться (расчётные меньше -140дБ, я померять не смог, у меня порог был где-то -120...130дБ).

Я с Вами согласен.
Но, как же быть, если померять-то ничего не удается? Влияет или нет качество резистора нагрузки, тип конденсаторов, топология платы и т.д. остается открытым вопросом, по крайней мере для меня. Я действительно менял OPA134 на LM318N и видел небольшую разницу, в приделах ошибки. Для провeрки методики я менял U1 на OPA134 и сразу видел рост КНИ. А мое предыдущее сообщение о повышенном КНИ на 120 Гц - результат небольшой ошибки-забыл вставить в программу включение antialiasing filter, который есть на карте. Карты от National Instruments относятся к категории "измерительных" АЦП, позволяют калибровку в зависимости от температуры, симметричное и несим. включение, переключаемую чувствительность, имеют паспортизованое разрешение и работают от DC. К сожалению, 24 бита стоит более $5000, так, что приходится обходится тем что есть. Конечно, вся бяка идет от генератора, думаю попробовать пассивные полосовые фильтры на выходе.

[Bengo]

Offтопик:

на CS4396 - по схеме из описания пёрли чудовищные искажения на низах. Вылечилось именно так - хорошие 470 мкФ на ногу опоры, плюс вариация опорного напряжения

Как Вы думаете, с CS4397 такое тоже возможно ? Изменения произошли только на низах ?

[Alex Nikitin]

Offтопик:

Как Вы думаете, с CS4397 такое тоже возможно ? Изменения произошли только на низах ?

Да, я думаю, это касается 4396, 4397, 4398. Изменения в первую очередь на НЧ, но это, разумеется, сказывается на звуке в целом. Качество конденсаторов тоже важно.

Алексей

[Nick]

Но, как же быть, если померять-то ничего не удается?

А как же ВЧ, думаю на 10-20 кГц что-то должно меряться.

Добавлено через 3 минуты

Карты от National Instruments относятся к категории "измерительных" АЦП, позволяют калибровку в зависимости от температуры, симметричное и несим. включение, переключаемую чувствительность, имеют паспортизованое разрешение и работают от DC. К сожалению, 24 бита стоит более $5000, так, что приходится обходится тем что есть. Конечно, вся бяка идет от генератора, думаю попробовать пассивные полосовые фильтры на выходе.

Это кстати совсем не страшно, можно сделать небольшой простой но практически без собственных искажений режектор (например https://forum.vegalab.ru/showpost.ph...2&postcount=4). Тогда будет всё определяться генератором, ну а если вы ещё поставите и на него фильтр то мерять можно будет очень глубоко...

[Walter]

Alex Nikitin,

Offтопик:
Алексей, в 4398 появился еще Vq с фильтрующей емкостью. С чем едят этот выход, просветите плиз.

Насчет фильтра опорного, а разве внутренний стабилизатор не справляется с НЧ шумами? Думалось емкость там для снижения импеданса где-то повыше, даже на ЗЧ

[devisangela]

А как же ВЧ, думаю на 10-20 кГц что-то должно меряться.

Добавлено через 3 минуты
Это кстати совсем не страшно, можно сделать небольшой простой но практически без собственных искажений режектор (например https://forum.vegalab.ru/showpost.ph...2&postcount=4). Тогда будет всё определяться генератором, ну а если вы ещё поставите и на него фильтр то мерять можно будет очень глубоко...

Спасибо, как раз на эту ссылку я вчера смотрел.
Думаю, нужен полосовой. На ВЧ искажения цапа генератора тоже растут. Будем думать.

[Nick]

Смотрите, особо гордиться нечем, но работает ("играет хорошо"). Надо поставить перемычку на Mute. На схеме некоторые номиналы чисто от балды. Надо смотрть на схему Nick rev. D4.
Хотел поиграться и определить наиболее критические элементы, качество которых влияет на КНИ больше всего, а даже на этой плате и с китайскими деталями нужно мерять точнее 0.0001%. Т.е. идея Nicka полностью себя оправдывает. Прийдется подумать как мерять ultra low THD.
Но, есть однако, и плюсы: теперь 6 каналов обойдутся значительно дешевле!

Чё то я вижу у вас на схеме индуктивность с железным сердечником, это просто так нарисовано, или вы такую поставили/собираетесь ? Вообще эту индуктивность желательно не ставить на плате усилителя и она должна быть без сердечника. И сигнальную землю желательно брать с земляного выхода на нагрузку, хотя так как у вас тоже должно быть ничего.

Добавлено через 43 минуты
Ещё нашёл у вас ошибку в схеме, левый вывод R105 должен быть подключен в точку соединения R102 и R103.
R104 и C103 устанавливать не нужно (это часть коррекции для AD8067).

Добавлено через 18 минут

На ВЧ искажения цапа генератора тоже растут. Будем думать.

Если вы используете ЦАП как генератор, измерения можно улучшить, домешивая программно гармоники в противофазе. У вас софт позволяет выводить несколько синусов, и регулировать их фазу и амплитуду по отдельности ?

[devisangela]

Чё то я вижу у вас на схеме индуктивность с железным сердечником, это просто так нарисовано, или вы такую поставили/собираетесь ? Вообще эту индуктивность желательно не ставить на плате усилителя и она должна быть без сердечника. И сигнальную землю желательно брать с земляного выхода на нагрузку, хотя так как у вас тоже должно быть ничего.

Добавлено через 43 минуты
Ещё нашёл у вас ошибку в схеме, левый вывод R105 должен быть подключен в точку соединения R102 и R103.
R104 и C103 устанавливать не нужно (это часть коррекции для AD8067).

Добавлено через 18 минут
Если вы используете ЦАП как генератор, измерения можно улучшить, домешивая программно гармоники в противофазе. У вас софт позволяет выводить несколько синусов, и регулировать их фазу и амплитуду по отдельности ?

Nick, огромное спасибо за указанную ошибку!
Индуктивность конечно без сердечника, просто в библиотеке ничего подходяшего небыло. Насчет того где ее ставить-вопрос. На плате-наводки, на клеммах- наводки от межблочных проводов. При измерениях я вообще ставил перемычку.
Я ориентируюсь на многоканальную систему (по крайней мере 3Х2).
А насчет сигнальной земли я не совсем понял.

Я использую ЦАП как генератор. Мой софт, слава Богу, позволяет делать все, потому что я его сам пишу. И пробовал домешивать гармоники как Вы делали много страниц назад. Но, похоже, фазовые сдвиги убивают идею. Например, настроенный генератор с добавлением 2,3-й, гармоник на 10кГц, при подключении нагрузки показывает УМЕНЬШЕНИЕ КНИ (речь идет об уровне 0.00005%).
У меня интерес чисто с точки зрения измерений. Я уверен, что на слух 0.0001% и 0.00005% НИКТО заметить не сможет.
Мерял еще пару дней и еще раз хочу подтвердить, что схема дает ниже 0.0001% (10Вт 8 Ом) даже на самых дешевых компонентах.

[Nick]

На плате-наводки, на клеммах- наводки от межблочных проводов.

По опыту гораздо лучше подальше от LM3886, через неё идут большие искажённые токи, они наводятся на катушку.

Добавлено через 5 минут

Например, настроенный генератор с добавлением 2,3-й, гармоник на 10кГц, при подключении нагрузки показывает УМЕНЬШЕНИЕ КНИ (речь идет об уровне 0.00005%).

Оно может уменьшаться, если вы их не до конца вычли, так как гармоники складываются векторно, и при определённых фазах гармоник такое может быть. Это говорит о том что искажения примерно того же уровня что и у измерителя (после вычитания конечно).

[devisangela]

Добавлено через 5 минут
Оно может уменьшаться, если вы их не до конца вычли, так как гармоники складываются векторно, и при определённых фазах гармоник такое может быть. Это говорит о том что искажения примерно того же уровня что и у измерителя.

Так то оно так, но как учесть фазу? Короче, это вопрос методики. Надежного решения я пока не вижу. В идеале - чистейший генератор, полностью синхронизованный с ЦАП, накопление и усреднение ИСХОДНОГО сигнала, ФФТ, гармоники. С аудио картами все хорошо, кроме синхронизации. Т.е. весь софт делает усреднение после ФФТ, а это лажа.

А я не понял - ЛМ на катушку, или катушка на плату?

[Nick]

Т.е. весь софт делает усреднение после ФФТ, а это лажа

С аудиокартами усреднение делать не обязательно, достаточно выбрать большой FFT Size, 524288 или 10480576.

Добавлено через 4 минуты

Так то оно так, но как учесть фазу?

Просто, её только нужно измерить (относительно первой гармоники) для самого измерительного тракта (нагруженного на сопротивление эквивалентное входному усилителя) и усилителя под нагрузкой. Естественно это надо делать при одних и тех же частоте и уровне сигнала с выхода DAC. Хотя имея только 18 бит лучше делать режектор, так как динамический диапазон маловат (~108дБ).

Добавлено через 50 секунд

А я не понял - ЛМ на катушку

LM на катушку

Добавлено через 14 минут

Мерял еще пару дней и еще раз хочу подтвердить, что схема дает ниже 0.0001% (10Вт 8 Ом) даже на самых дешевых компонентах.

А в каком диапазоне частот? Хотя при 10 ватах на 8 омах наверно во всём звуковом

[devisangela]

Добавлено через 4 минуты
Просто, её только нужно измерить (относительно первой гармоники) для самого измерительного тракта (нагруженного на сопротивление эквивалентное входному усилителя) и усилителя под нагрузкой. Естественно это надо делать при одном и том же уровне сигнала с выхода DAC и частоте. Хотя имея только 18 бит лучше делать режектор, так как динамический диапазон маловат (~108дБ).

Я думаю, и так оно на практике выглядит, что при усреднении входного сигнала эффективный динамический диапазон значительно больше. Это видно на ваших результатх и на картинке в посте 4116, кстати, там разница с нагр.-без нагр по второй гармонике 0.00015 и 0.00006 po третьей на 120Гц. Там же видно, что я пытался вводить предискажения в генератор. Лес частот получается из того, что основная частота не кратная с частотй оцифровки - я пытался уйти от 100Гц.

Добавка предискажений в генератор сработает только если усилитель не вносит никакого фазового сдвига на частотах гармоник, по-моему это не так.

А в каком диапазоне частот?

Пока мне удалось посмотреть от 120 до 10к Гц.
Конечно, хотелось бы посмотреть на результаты других.

10 Вт 8 Ом потому, что я хочу применить девайс в трехполосной активной системе.

[Nick]

Я думаю, и так оно на практике выглядит, что при усреднении входного сигнала эффективный динамический диапазон значительно больше.

Да, это так, шум играет здесь положительную роль, "добавляя битность".

Добавлено через 5 минут

Добавка предискажений в генератор сработает только если усилитель не вносит никакого фазового сдвига на частотах гармоник, по-моему это не так.

Зависит от того что мы улучшаем, если ЦАП значительно хуже АЦП, то фазовый сдвиг усилителя не будет играть большой роли (будет на уровне гармоник АЦП, как в случае со звуковой картой). Если же ЦАП (генератор)идеальный, то искажения АЦП лучше вычитать после измерений. Вообще сдвиг фаз усилителя в звуковой области очень маленький и не должен сильно влиять на измерения.

Добавлено через 44 секунды

Конечно, хотелось бы посмотреть на результаты других.

Пока, кроме меня похоже никто не пытался мерять... У меня же что-то мерялось только на ВЧ и на 50W 4омах, при меньших мощностях и более низких частотах мерять было бесполезно. Вообщем поэтому конструктив и доводился, чтобы уменьшить искажения на 10кГц и больше на больших мощностях, хотя на слух это уже не заметно
Скоро доделаю новые платы, перемеряю с генератором и режекторным фильтром.

[anatol0]

У меня же что-то мерялось только на ВЧ и на 50W 4омах, при меньших мощностях и более низких частотах мерять было бесполезно.

Уважаемый Nick! Было бы любопытно померить на комплексной нагрузке.

Offтопик:
Уникальная ветка - от схемотехники до конструктива и измерений сверхнизких искажений, большое спасибо