Усилитель просто с высокими параметрами

[krulfa]

Собственно, сабж. В модели показывал THD около 0.0002% на 20К, 50Вт и 8 Ом.

Выход без реле, поэтому стоит отсекатель на полевых транзисторах. Левее - схема автоматического регулирования тока покоя с кучей транзисторов. Ну а еще левее - собственно усилитель. Коэффициент усиления - 37 дБ, предназначается, чтобы подключать к источнику просто через регулятор громкости. Так и сделано на шасси усилителя Одиссей-010. Глубина ООС на 20 кГц ~73 дБ расчетная.

Избыточность схемотехники есть, задача ставилась, чтобы просто заработало с первоначальной идеей и в той печатной плате, которая была когда-то заказана.

Еще есть стабилизатор напряжения +-37В с плавным включением, стаблизатор на +-60В и схема управления, но к усилителю это не сильно относится.

При прослушивании были успешно переиграны Cambridge Audio Azur 840 и семиканальный Arcam, по внешнему виду, кажется, P777, может быть, предыдущая модель. Источником был небезызвестный CD-плеер Arcam с Ring DAC, колонки Monitor Audio Gold.

Сейчас интересно послушать и сравнить с чем-нибудь еще.

Хронология создания:
Начало в 2005 году - первое моделирование, выбор элементной базы.
Январь 2006 - первый макет. Простой ВК, простой дифкаскад на ПТ. Расчетный КНИ 0.02% на 20 кГц. Макет звучал хорошо и объемно, что сохранилось и впоследствии. Принято решение добавлять усилитель тока на Т3 Т6.
Лето 2006 - готова модель с усилителем тока.
Зима-весна 2007 - начались эксперименты с моделью ВК в классе Super A. Цепь L1 L2 R44 R38 приобрела свои очертания. THD 0.0033%.
Июнь 2007 - совмещенный каскад SuperA и АВ моделирует THD 0.0006%
Август 2007 - появилась схема автоматического регулирования тока покоя. Схема приобрела рабочие очертания.
Лето 2007 - разводка и изготовление основной ПП.
Зима 2008 - сборка одного канала.
Весна 2008 - началась отладка, проверка моделей. Схема управления током покоя переделана с транзисторов на TL431. При нормальной работоспособности на малом сигнале остался один мощный возбуд на большом сигнале, причина которого неясна.
Апрель 2008 - смоделирована зависимость КНИ от тока покоя и эмиттерных резисторов. Найден минимум, который показал несостоятельность совмещения Super A и АВ. Переделано на AB, THD 0.0002%
Октябрь 2008 - найдена причина возбудов ВК. Добавлен двухступенчатый ограничитель D9 D10 D8 D12 LED3 LED4. ВСЕ! ПАШЕТ!!!
Ноябрь 2008 - усилитель собран в корпус и начал эксплуатироваться.
Декабрь 2008 - первое прослушивание (сравнение с Arcam и СА).
Начало 2009 - первые измерения THD (0.002% - 0.007%). Попытка уточнить модели и найти расходжения.
Лето-осень 2009 - усложненная перспективная модель показала 0.00002% на 20 кГц.
Ноябрь 2009 - устранение синфазных подвозбудов, улучшение тепловой стабильности тока покоя, правка входного каскада.
Декабрь 2009 - переделка входных цепей.
Январь 2010 - второе прослушивание.
Февраль 2010 - замена БП.
Март 2010 - попытка улучшить КНИ путем замены каскада УН на биполярный Шиклай и включения плавающего каскода во входном каскаде.
Май 2010 - третье прослушивание прослушивание показало проблемы с объемом звучания. Вернулся к первоначальной схеме входного каскада без плавающего каскода, заменил УН на составной источник тока. Убраны все "железяки" из путей прохождения сигнала на выходные клеммы. Результат - звук супероткрытый, эмоциональное впечатление перестало зависеть от уровня громкости.
Июнь 2010 года. Измерил КНИ, график и некоторые спектры приложены: правый канал 3 кГц под нагрузкой 50 Вт (0.00071%) и без нагрузки (0.00046%), правый канал IMD 14+15 кГц (0.00022%) и левый канал на 50 гЦ, чтобы посмотреть очаровательную гребенку помех от БП (0.0032% из-за этого).
P.S. Спектры не показывают реальный КНИ; так как использовалась измерительная приставка, их нужно читать: уровни гармоник и шумовую полку уменьшать на 24 дБ, т.к. уровень основной гармоники около -16 дБ
19.06 Вернул обратно следящий каскод входного ДК, но по другой схеме - звучит лучше.
17.07 Усилитель получил имя - Mont Blanc (или Монблан по-русски) по имени высочайшей горы Европы, находящейся в Альпах.
24.10.10 Уменьшил индуктивность выходного дросселя, добавил цепь Цобеля, изменил включение снабберной цепочки в ВК. Прослушивание выявило значительное влияние на звук процессов внутри БП, поэтому дальнейшие работа по доводке данного экземпляра усилителя прекращаются.


Жертвы:
Два стабилитрона на 6.8В, один на 15В и одна TL431 (два КЗ щупом по питанию и неправильный монтаж). Один 2705 и 315 (сгорели при КЗ щупом в схеме управления током покоя). Резистор на 1 Ом (погиб при испытании схемы защиты). Два транзистора в стабе 37В (КЗ крышкой уся на корпус при надевании). Транзистор управления реле сигнала (КЗ на выходе). Два BS250 в разное время в одном месте (причина неясна, возможно КЗ щупом). LED4 (перегрелся после выхода BS250). Резистор на 3 Ом (погиб при просмотре формы тока нового транса). Последнее КЗ соплей припоя унесло T14, а вместе с ним - и весь стаб на -60В, что меня удивило, так как последний был защищен самовосстанавливающимся предохранителем.

Федор Круль.

[Валет]

С3 поставлю 1 мкф, так как показалось, что бас стал немного менее точным.

Конденсатор С3 ликвидирует увеличение входной ёмкости ДК от эффекта Миллера. На воспроизведение басов не влияет. Уши не лучший инструмент для проверки точности. Сегодня показалось менее точным, завтра может показаться более. ИМХО.

[krulfa]

Конденсатор С3 ликвидирует увеличение входной ёмкости ДК от эффекта Миллера.

И еще нелинейность этой емкости и нелинейность тока утечки обратносмещенных p-n переходов входных полевых транзисторов.

[Валет]

И еще нелинейность этой емкости и нелинейность тока утечки обратносмещенных p-n переходов входных полевых транзисторов.

Да, но причём здесь басы?
А токи утечки обратносмещенных p-n переходов входных полевых транзисторов очень малы для кремниевых транзисторов. Уменьшение их влияния может понадобиться при использовании транзисторов в режиме микротоков.

[krulfa]

А токи утечки обратносмещенных p-n переходов входных полевых транзисторов очень малы для кремниевых транзисторов.

Да, вот только незадача, в одном из каналов есть "постоянка" на входе около 20 мВ. То есть ток порядка 0.1 мкА на входном резисторе 220 кОм.

Раз в только одном канале, буду искать "больной зуб". Режимы полевиков вроде были в норме, в область положительных напряжений затвор-исток не уходим. Вообще при наладке этот канал у меня долго "сходил с ума" на постоянке, то есть она, то, после непродолжительного прогрева - нету. А сейчас как будто прекратилось.

В этом канале (пока я только его измерял) рисует искажения в коридоре 0.0015% (лучший КНИ на 50 Гц) - 0.009% (худший IMD на 14+15 кГц). Измерял методом частичного вычитания (ослабления) основной гармоники - на 40 дБ с помощью дополнительной схемы. Хорошей звуковой карты нет, пользуюсь тем, что в ноутбуке. Привожу две картинки, одна - собственно тракт измерений, вторая - результат на 50 Вт. Цифры КНИ нужно делить на 100.

Что обращает внимание, во-первых, быстрое затухание гармоник, во-вторых, картина качественно не меняется под нагрузкой 8 Ом и на холостом ходу. Тот же спектр, почти та же величина с поправкой на повторяемость измерений. Это заставляет думать, что причина вне петли основной ООС. Буду переделывать измерялку на балансный вход для вычитаемого сигнала, чтобы можно было снимать его с разных участков схемы, не беспокоясь о "земле".

[Валет]

Да, вот только незадача, в одном из каналов есть "постоянка" на входе около 20 мВ. То есть ток порядка 0.1 мкА на входном резисторе 220 кОм.

Такой ток велик для нормальных условий. Само по себе смещение в 20мВ не влияет на работу усилителя, если только не сопровождается увеличением шума. Однако оно говорит о потенциальной ненадёжности транзистора. А вот если «сходит с ума», то да, нужно искать дефектный элемент, плохой контакт и т.п., если только это не возбуждение схемы.
За КНИ надо бороться на высокой частоте, лучше 20 кГц или даже выше. Для этого нужно иметь глубокую ООС на этих частотах (и, естественно, максимальную линейность исходной схемы, но здесь возможности ограничены). Вы не пробовали измерить глубину ООС? О невысокой глубине ООС (даже на частоте 1кГц) говорит великоватая интермодуляция 14-15 кГц. В Вашей схеме есть возможность увеличить достижимую глубину ООС повышением частоты полюсов исходного (без ООС) усилителя и введением коррекции на опережение. Например, стабилитроны Д1,2,38,41, в высокоомных цепях образуют интегрирующие цепи с низкой частотой полюсов. Если эти стабилитроны подобны нашим 2С133 и подобным, то их ёмкость может быть под 100 пФ. и тогда ограничители нужно изменить. А вообще высокоомных цепей, особенно таких, как вторая нужно избегать, если необходимо иметь широкополосный усилитель. Всё ИМХО.

[krulfa]

В Вашей схеме есть возможность увеличить достижимую глубину ООС повышением частоты полюсов исходного (без ООС) усилителя и введением коррекции на опережение. Например, стабилитроны Д1,2,38,41, в высокоомных цепях образуют интегрирующие цепи с низкой частотой полюсов.

Диоды D1, 2, 38, 41 - диоды Шоттки с заявленной емкостью 0.5 пФ.
Коррекцию на опережение, то, как я понимаю этот термин, я считаю решением "навыворот", то есть идейно неправильным, хотя и технически абсолютно работоспособным. То есть повышаем усиление на ВЧ за счет того, что предварительно в некоторых участках схемы отбираем усиление на НЧ, создавая резерв. Результат - более высокая линейность на НЧ, более низкая линейность на ВЧ, меньшая эффективность общей ООС. У Агеева так сделано.

Лучше сначала дать усиления на НЧ и ВЧ вместе "до кучи", а потом прибрать на ВЧ там, где нужно, чтобы обеспечить устойчивость, с помощью местной ООС. Тогда получаем картину наооборот, на НЧ усиление максимально и ничем не ограничено, поэтому общая ООС эффективна, на ВЧ усиление снижается ровно на столько, сколько нужно, но и линейность не страдает сильно благодаря местной ООС.

В данном усилителе реализация идеи не идеальна, но работает. Если убрать цепь местной ООС, убрав резисторы R6, 29, то усиление на 2 МГц намного превысит нужные 37 дБ.

Тут на форуме обсуждаются схемы, где этот прием можно ввести без особого ущерба для устойчивости, я пока туда не иду, объяснять сложно, почему и как.

[Валет]

Диоды D1, 2, 38, 41 - диоды Шоттки с заявленной емкостью 0.5 пФ.
Коррекцию на опережение, то, как я понимаю этот термин, я считаю решением "навыворот", то есть идейно неправильным,

Насчёт ёмкости стабилитронов я не прав. Я опирался на свой опыт применения отечественной элементной базы 70-80гг.
Что касается коррекции на опережение, то она применяется не для подъёма усиления на ВЧ. Дело в том, что усилитель с ООС устойчив, если петлевое усиление меньше единицы на частоте, где набег фазы составляет 180 градусов. Коррекция на опережение уменьшает набег фазы и, следовательно, повышает частоту полюса. Используя несколько цепей коррекции на опережение можно компенсировать несколько полюсов и значительно повысить достижимую глубину ООC. Правильно введённая коррекция на опережение не создаёт подъёма на ВЧ, а только компенсирует падение усиления в усилителе с ростом частоты на ближнем участке спада, хотя здесь возможны вариации.

Добавлено через 17 часов 15 минут

Правильно введённая коррекция на опережение не создаёт подъёма на ВЧ, а только компенсирует падение усиления в усилителе с ростом частоты на ближнем участке спада, хотя здесь возможны вариации.

Я не точно написал насчёт коррекции на опережение. Цель её не выравнивание усиления, а выравнивание спада АЧХ после частоты второго полюса. Правильно введённая коррекция на опережение не создаёт подъёма на ВЧ, а только компенсирует падение усиления в усилителе с ростом частоты после частоты второго полюса и тем самым увеличивает протяженность АЧХ с наклоном менее 12 дБ/октава. При этом фазовый сдвиг менее 180 градусов и ООС не превращается в ПОС. Если до частоты единичного петлевого усиления наклон АЧХ будет 6 дБ/окт., то на переходной характеристике усилителя с ООС не будет выброса (перерегулирования). Плохой из меня учитель, лучше почитать учебник ТАР. Krulfa, Вы, ИМХО, не учитываете, что каждый каскад усилителя после частоты своего полюса добавляет 90 градусов набега фазы.

[krulfa]

Я не точно написал насчёт коррекции на опережение. Цель её не выравнивание усиления, а выравнивание спада АЧХ после частоты второго полюса.

Я понимаю эти теоретические основы, я просто считаю, что при некоторых конкретных схемотехнических реализациях такой коррекции усиление примененных активных элементов на НЧ сознательно используется не полностью. Очень часто это делается для сохранения простоты схемы, а не для получения максимальных характеристик.

[viktor8m]

При применении коррекции на опережение (т.е. нуля) в ООС во-первых, система не будет минимально-фазовой, а значит будет гарантировано иметь нелинейную передаточную функцию (поэтому, если в системе в полосе ООС есть участок со спадом больше 6dB, принципиально невозможно полностью убрать выброс, а только коррекцией на опережение уменьшить, но тогда увеличивается время установления), а во-вторых, высокочастотные помехи с акустического кабеля будут проникать на вход (тогда нужен синфазный трансформатор). Так что лучше только один полюс в полосе ООС, чтобы добротность системы не превысила 0,7. Всё из учебника по системам автоматического регулирования.

[Johny]

При применении коррекции на опережение (т.е. нуля) в ООС во-первых, система не будет минимально-фазовой, ...

Очень интересно! Можно поподробнее о переходе минимально-фазовой цепи в неминимально-фазовую. Желательно с признаками и условиями. Заранее благодарен за ответ!

...а значит будет гарантировано иметь нелинейную передаточную функцию...

Этот тезис также нуждается в объяснении, так как известно любое количество неминимально-фазовых цепей имеющих линейную передаточную функцию, нпр, фазовращатель имеет коэффициент передачи равный 1, не являясь минимально-фазовой цепью!
Где же здесь нелинейная передаточная функция?

...Всё из учебника...

Похоже в Вашем "учебнике" не все страницы. Очень желательно читать правильные учебники, тогда горячечного бреда будет меньше.

[viktor8m]

Можно поподробнее о переходе минимально-фазовой цепи в неминимально-фазовую. Желательно с признаками и условиями.

Из учебника: если функция не имеет ни полюсов, ни нулей в правой s-полуплоскости, она называется минимально-фазовой. Поэтому, например, фильтр с линейной ФЧХ (фильтр Бесселя) можно реализовать только для ФНЧ.

известно любое количество неминимально-фазовых цепей имеющих линейную передаточную функцию, нпр, фазовращатель имеет коэффициент передачи равный 1, не являясь минимально-фазовой цепью

Верно, более того, есть известный приём обеспечения линейности ФЧХ при произвольной АЧХ добавлением всепропускающего фильтра (т.е. фильтра, у которого все нули расположены в правой s-полуплоскости, а все полюсы представляют собой зеркальные отображения этих нулей в левой s-полуплоскости), но коррекция на опережение это не тот случай, т.к. принципиально не может ни уменьшить добротность системы ни линеаризовать ФЧХ, она лишь может обеспечить устойчивость, но ценой ухудшения переходной характеристики.

[krulfa]

поэтому, если в системе в полосе ООС есть участок со спадом больше 6dB, принципиально невозможно полностью убрать выброс ... Всё из учебника по системам автоматического регулирования.

Да пусть и будет выброс. Все равно не в звуковой полосе частот. Мы не САУ делаем для управления ракетой, которая из-за выбросов ПХ в полете "завалится", а УМЗЧ. Много выводов о качетве звучания УМЗЧ притянуто от смежных областей, где изначально заданы совершенно другие критерии качества.

а во-вторых, высокочастотные помехи с акустического кабеля будут проникать на вход (тогда нужен синфазный трансформатор

Вы, наверное, хотели сказать, что влияние высокочастотных помех, собранных акустическим кабелем, будет больше в усилителях с несколькими полюсами. Так как собственно проникновение задается не ООС, а конкретной схемной реализацией выходного ФНЧ и делителя в цепи ООС.

P.S. Раздел теории САУ касающийся минимально-фазовых и неминимально-фазовых цепей в вузе я "проехал", не смог "врубиться" до конца. Общее представление имею, но так, чтобы щелкать передаточные функции, как орехи, этого нет.

[Johny]

...но коррекция на опережение это не тот случай,...

Почему?

...т.к. принципиально не может ни уменьшить добротность системы ни линеаризовать ФЧХ,...

Объясните, пож-та, применение понятия "добротность" для цепей 1-го порядка и необходимость линеаризации ФЧХ.

...она лишь может обеспечить устойчивость, но ценой ухудшения переходной характеристики....

Обеспечение устойчивости, как правило, приводит к улучшению переходной характеристики. За исключением, конечно, особых случаев, которые в звуковой технике практически и не применяются.

[viktor8m]

Да пусть и будет выброс

Есть мнение, что этот выброс приводит к транзисторному звучанию.

Вы, наверное, хотели сказать, что влияние высокочастотных помех, собранных акустическим кабелем, будет больше в усилителях с несколькими полюсами

Нет, влияние высокочастотных помех, собранных акустическим кабелем, не зависит от количества полюсов, имелось ввиду проникание этих помех через конденсатор коррекция на опережение в ООС напрямую (без деления цепью ООС) на вход дифференциального усилителя (или другого входного устройства) с соответствующими проблемами.

Почему

Так я же написал, что улучшить линейность ФЧХ (а это важнее самой фазы, т.к. обеспечивает постоянное время задержки, к которому наши уши очень чуствительны) в системе с порядком больше единицы можно только с помощью всепропускающего фильтра, т.е. фильтра, у которого все нули расположены в правой s-полуплоскости, а все полюсы представляют собой зеркальные отображения этих нулей в левой s-полуплоскости, а коррекция на опережение этого условия не обеспечивает.

Обеспечение устойчивости, как правило, приводит к улучшению переходной характеристики

Откуда такая связь, для устойчивости достаточно удовлетворить критерию Найквиста, при этом всё равно при добротности цепи больше 0,7 будут выбросы и колебательное затухание.

[Валет]

Обеспечение устойчивости, как правило, приводит к улучшению переходной характеристики.

Вы, наверное, имели в виду увеличение запаса устойчивости?

Добавлено через 1 минуту

Есть мнение, что этот выброс приводит к транзисторному звучанию.

Чьё это мнение? ИМХО, к транзисторному влиянию приводит высокий уровень продуктов интермодуляции, особенно высоких порядков.

Добавлено через 1 минуту

влияние высокочастотных помех

Высокочастотные помехи, проникающие на выход УМЗЧ давятся ООС, как любые другие помехи внутри петли ООС, т.к. проникая на вход они, усиливаясь, компенсируют её на выходе. Если частота помех лежит за пределами действия ООС, то её огибающая может усилиться и пройти на выход. Внутрь УМЗЧ помехи могут проникнуть также через сетевой и сигнальные кабели. Актуально вблизи радиопередатчиков. Проблема, ИМХО, надумана, т.к. легко решается введением заграждающих фильтров.

Добавлено через 2 минуты

постоянное время задержки, к которому наши уши очень чуствительны

Если речь идёт о фазовых искажениях в УМЗЧ, то никто не доказал, что мы их ощущаем.

[viktor8m]

Чьё это мнение

Видел в нескольких статьях, даже две в журнале Радио.

Высокочастотные помехи, проникающие на выход УМЗЧ давятся ООС, как любые другие помехи внутри петли ООС, т.к. проникая на вход они, усиливаясь, компенсируют её на выходе

Через конденсатор коррекции на опережение высокочастотные помехи проникают неослабленными (в отличие от полезного сигнала с выхода) на вход ООС, и тут всё зависит от возможностей входного каскада, его перегрузочной способности.

Если речь идёт о фазовых искажениях в УМЗЧ, то никто не доказал, что мы их ощущаем

Опять же некоторые иследователи считают, что влияют, но вольному воля.

[Walter]

Через конденсатор коррекции на опережение высокочастотные помехи проникают неослабленными (в отличие от полезного сигнала с выхода) на вход ООС, и тут всё зависит от возможностей входного каскада, его перегрузочной способности.

Нарисуй эквивалентную схему: генератор помехи, ему параллельно емкость двух(или сколько есть в схеме) выходников, желательных ограничительных диодов на питание, емкости оставшегося соединительного кабеля и единицы-десятки пФ в делителе ООС.
Куда стечет помеха, прошедшая к томуже, по уму через выходной фильтр и синфазник ?

[Валет]

Через конденсатор коррекции на опережение высокочастотные помехи проникают неослабленными

Если помеха находится в полосе действия ООС, она просто зашунтируется выходным сопротивлением УМЗЧ. Вспомните, как измеряется выходное сопротивление УМЗЧ подачей тока от внешнего источника. Если вне, проблема небольшая – заградительный фильтр в местах проникновения. Но кому-нибудь встречалась такая необходимость для УМЗЧ?

Опять же некоторые иследователи считают

Когда искажения слышны, то не просто "некоторые исследователи считают", а их слышат все или почти все.

[Johny]

Вы, наверное, имели в виду увеличение запаса устойчивости?

Да, конечно, Вы правы!
Но, кого в УМЗЧ интересует переходный процесс с выбросом?
Правильно, никого.
Интересует только переходный процесс с минимальным временем установлениям, достижимым при имеющейся АЧХ и отсутствие выброса.

Так я же написал,...

Где это опубликовано и обсуждалось?
Написать можно и на заборе, и на стене в сортире ...

... что улучшить линейность ФЧХ (а это важнее самой фазы, т.к. обеспечивает постоянное время задержки, к которому наши уши очень чуствительны)...

Откуда взято мнение о том, что: "...постоянное время задержки ...важнее самой фазы"?
Неплохо бы ссылочку на чуть более авторитетное, чем Ваше, мнение известных исследователей.

[viktor8m]

Когда искажения слышны, то не просто "некоторые исследователи считают", а их слышат все или почти все

А слышат плохие усилители (хотя и на качественных комплектующих) многие, поэтому поиск причин продолжается до сих пор, вот и выдвигаются разные гипотизы причин, проверить сложно, лучше учесть все возможности.

Интересует только переходный процесс с минимальным временем установлениям, достижимым при имеющейся АЧХ и отсутствие выброса

Это возможно только для системы с одним полюсом, т.е. первого порядка (смотрите любой учебник по системам автоматического регулирования, у меня их 6). А коррекция по опережению только уменьшает величину выбросов, но увеличивает их число, и таким образом увеличивает время установления (из тех же источников).

Где это опубликовано и обсуждалось

Это написано в любой книге по теории цепей или фильтров (у меня их больше 10).

Откуда взято мнение о том, что: "...постоянное время задержки ...важнее самой фазы"?
Неплохо бы ссылочку на чуть более авторитетное, чем Ваше, мнение известных исследователей

В любой книге по акустике. Вот из одного из источников: человек не ощущает сдвиг фазы менее 30 гр., но более чувствителен к временной задержке (порог 1 мс), а между каналами порог ещё меньше (10 мкс). К примеру, сравните звучание ФНЧ с одной частотой среза по Бесселю (у которого время задержки постоянно) и по Баттерворту, хотя у обоих нет выбросов. Именно ФНЧ Бесселя рекомендуют на выходе ЦАП.
Или согласование динамиков по их акустическому центру в колонках очень улучшает звук. А какая разница, где происходит искажение линейности фазы (т.е. время задержки становится разным на разных частотах и может превысить порог слышимости) в послецаповском фильтре, в усилителе с неправильной ООС или колонке?