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.

[krulfa]

1) что нагрев резистора ООС значительно меньше... исходя из этого можно предположить, что тепловые искажения за счет резистора ООС будут много меньше, чем 0,007%.

Да, но вот засада: 0.007% в эксперименте фактически взвешивалось относительно сопротивления нагрузки, которое 8 Ом, а не от сопротивления предохранителя, которое во много раз меньше. Имеем 1.5 - 2 порядка в "плюс". Все остальное действительно в минус. Нагрев меньше, но резистор вряд ли имеет запас по рассеиваемой мощности до перегорания более, чем в 2 раза, так что и это недалеко от предохранителя. В результате я вполне верю в цифру порядка 0.0003-6% тепловых искажений. Проверим, посмотрим.

[krulfa]

После замены полевиков на биполяный шиклай в УН (Т40, Т41) попробовал измерить искажения. Результат пока неудачный.

Во-первых, попытка "в лоб" измерять на стационарном компьютере платой Audugi 2 не имела успеха из-за сильных наводок. Вероятно, придется городить еще один буферный усилитель со съемом сигнала по дифференциальной схеме и лепить его прямо на компьютер, разделив земли резистором.

Во-вторых, измерением на ноутбуке же был зарегистрирован более быстрый рост искажений с увеличенем выходного напряжения, чем это было раньше. Хотя возможно кривое подключение где-то, так как повторяемость результатов на новом рабочем месте была низкая.

Поборолся с появившимся щелчком в одном из каналов при включении усилителя. Проблему решил отстройкой канала на постоянном токе и увеличением номиналов конденсаторов С6, С13.

Нашел причину плавающей при прогреве постоянки на выходе - до 80 мВ. Убрал за ненадобностью диоды со входа интегратора на шины питания +-15В. Эти диоды стояли исторически, а при установленной и отлаженной защите оказались не нужны. Разность их обратных токов и вылезала в виде постоянки. После удаления постоянка уложилась в 2 мВ - что и требовалось доказать.

Несмотря на все сложности, слушать аппарат - одно удовольствие. Отмечаю для себя, что постепенно юзаю аппарат на все большей громкости, и это комфортно. Интересно было слушать единственный в коллекции DVD-Audio с записью QUEEN, сидя между колонками равносторонним треугольником. Притом, что вокал, ударник, бас-гитара были впереди виртуально метрах в 10, расположившись по классической стереопанораме, ритм-гитара и синтезатор играли буквально в мозжечке, внутри головы. Надо отдать должное записи: изначально разложенная в 5.1 и далее и свернутая в стереорежим, эффект сохранила сумасшедший.

[Валет]

попытка "в лоб" измерять на стационарном компьютере платой Audugi 2 не имела успеха из-за сильных наводок. Вероятно, придется городить еще один буферный усилитель со съемом сигнала по дифференциальной схеме и лепить его прямо на компьютер, разделив земли резистором.

Чем Вас не устраивает ноутбук? Что Вы дополнительно хотите получить на стационарном компьютере? Не создаете ли Вы себе сложностей?

[fakel]

После замены полевиков на биполяный шиклай в УН (Т40, Т41) попробовал измерить искажения. Результат пока неудачный.

Как я понял, ты последовал совету Виктора?

Представляется:
1. Для уменьшения численности ПТ на входе и Свх дифкаскада, а также для линеаризации характеристик входных ПТ зашиклаить их с тем, чтобы основной ток дифкаскада обеспечивали БТ.

[krulfa]

Чем Вас не устраивает ноутбук? Что Вы дополнительно хотите получить на стационарном компьютере? Не создаете ли Вы себе сложностей?

Создаю. Но там АЦП на 96 кГц и отношение сигнал/шум около 80 дБ (на ноутбуке 56 дБ). В ноутбуке аналоговой части перед АЦП, как бы это помягче,... нету. Даже уровень сигнала на аналоговом входе не регулируется.

Добавлено через 7 минут

Как я понял, ты последовал совету Виктора?

Нет, входные полевики я не трогал, да и не буду в этом конструктиве. Здесь я 10 раз подумаю, 5 раз промоделирую, чтобы понять, что я получу и чем рискую. Шиклай на входе, кроме прибавки в линейности и крутизне, потенциально снизит порог динамических искажений.

Убрал я полевик с общим затвором в каскаде усиления напряжения. Посмотрю, что получится. Теория предсказывает, что у каскода на биполярах выходное сопротивление больше, чем на полевиках, при равенстве напряжений Эрли. Но вот чему они равны у конкренных экземпляров, нужно посмотреть.

[Sagittarius]

Шиклай на входе, кроме прибавки в линейности и крутизне, потенциально снизит порог динамических искажений.

Логическая несуразица. Искажения - это нечто противоположное линейности.

[krulfa]

Логическая несуразица. Искажения - это нечто противоположное линейности.

Старое правило айтишника - не трогай то, что работает. Пока они справляются с работой, а их искажения меньше искажений всего остального. Я уберу сдвоенный полевик на входе после того, как просчитаю бюджет шумов и буду уверен, что такая замена не ухудшит отношение сигнал/шум.

[fakel]

Полевики на входе убирать. имхо смысла нет- с крутизной там все в порядке. Для расширения полосы задай перекрестную ПОС (какой ужас!) сток одного-затвор другого емкостями, чуть меньшими, чем Сзс полевиков

Добавлено через 7 минут

Теория предсказывает, что у каскода на биполярах выходное сопротивление больше, чем на полевиках, при равенстве напряжений Эрли. Но вот чему они равны у конкренных экземпляров, нужно посмотреть.

Зато у ОБ на биполяре есть ток базы, создающий нелинейный "отсос" тока эмиттера (сорри за просторечие) У полевиков такой эфект проявляется только на ВЧ за счет емкости затвора.

[krulfa]

Для расширения полосы задай перекрестную ПОС (какой ужас!) сток одного-затвор другого емкостями, чуть меньшими, чем Сзс полевиков

Можно, но осторожно, так как Сзс зависит от напряжения сток-исток.

Зато у ОБ на биполяре есть ток базы, создающий нелинейный "отсос" тока эмиттера

Да! Ради этого и ставил полевики по схеме с общим затвором. Но видно, что без еще одного каскода максимального усиления не достичь.

В общем, если пойду делать вторую версию, там будет очень много переделываться.

[krulfa]

В перепайках наступила пауза из-за командировок, пока позанимался теорией.

Во-первых, посчитал бюджет шумов. Результаты следующие:

R1, R2 не учитывались (с ними отдельное разбирательство будет)
R45 - 0.33 мкВ
Входной ДК (Q3, 5, 6, 9, R5, 15, 22, 30) - 0.44 мкВ
Каскод T1, T7 - 0.55 мкВ
Каскад T3, Т6 - 0.78 мкВ
Каскад Q1, 11 Q2, 12 и вся обвязка - 4.5 мкВ (!!!)

Здесь напряжения каждого каскада в отдельности, приведенные ко входу. Сразу обозначилась граница на уровне -120 дБ, к которой приблизиться будет очень трудно при входном напряжении порядка 0.3 В. Это вполне прогнозируемо, если вспомнить, что типовой УВ кассетных магнитофонов имел чувствительность 0.3 мВ и уровень шума -60 дБ.

Низкие шумы входного ДК планировались, также просматривалось, что шумы от БТ Т1, Т3, Т6, Т7 дадут сопоставимый или несколько больший вклад, чем входной ДК, а вот шумы каскада на Q1, Q11, Q2, Q12 были незаслуженно проигнорированы, что было грубым просмотром. Нужно уменьшать номиналы резисторов R9, R10, R23, R24 с 15 до хотя бы 1 кОм, менять ПТ Q2, Q12 на менее шумящие и т.д. и т.п.

Суммарный уровень шума (4.62 мкВ) почти не отличается от последнего слагаемого и дает уровень шума -95 дБ, что достаточно для CD, но слишком далеко от возможных -105 ... -110 Дб.

Ситуация улучшится, если увеличить крутизну входного ДК. Поэтому Шиклай там наверняка появится - попробую отмоделировать, какое соотношение токов задать между БТ и ПТ.

Симулятор считает величину шума примерно в 2 раза лучше - порядка 2.4 мкВ. Это неудивительно, так как там почти во всех моделях отсутствуют адекватные цифры по частоте среза фликкер-шума и объемным сопротивлениям баз и затворов. Попробую загнать туда те же цифры, что я использовал в таблицах, и посмотрю, куда сдвинется.

[krulfa]

Во-вторых, помоделировал каскады усиления напряжения, чтобы поставить точку в том, какую конфигурацию каскода выбрать. Сравнивал 4 конфигурации (см. рисунок).

Наиболее линейным получился вариант 1, его и поставлю при следующей "большой перепайке". Меня интересовало не значение КНИ, а абсолютная величина искажений (например, второй гармоники).

Здесь "гармоника входного напряжения" - это искажение напряжения, которое создается на входе каскада током входного сигнала. Непосредственно эти искажения на выход не влияют, а вылезают через конечное выходное сопротивление предудущего каскада. Интересно, что в реальной схеме искажения варианта 2 и вариантов 3 и 4 близки по значению при типичном выходном сопротивлении T3, T6 в 5-7 кОм.

БТ-каскады проигрывают каскадам с ПТ из-за нелинейности "беты". Сначала это мне показалось парадоксом, так как в теории каскод на БТ имеет более высокое выходное сопротивление, чем каскод на ПТ, из-за более высокой крутизны БТ. Но это относилось к случаю, когда измеряется выходное сопротивление каскода-источника тока, принимаемым постоянным. Если же этот ток меняется, то ситуация может измениться до наборот из-за того, что от тока сигнала ответвляется нелинейная часть тока базы.

По бытсродействию оба варианта на БТ показывают приблизительно на 20% меньшее время установления сигнала, чем варианты на ПТ, но это здесь непринципиально. Все четыре схемы не имеют выбросов на ПХ.

[Валет]

Наиболее линейным получился вариант 1

В УМЗЧ основные нелинейные искажения создает оконечный каскад. Они, кроме того, имеют широкий спектр, поэтому сложны для исправления. Если стоит задача минимизации искажений, то начинать надо, ИМХО, с оконечного каскада.

[sia_2]

В УМЗЧ основные нелинейные искажения создает оконечный каскад. Они, кроме того, имеют широкий спектр, поэтому сложны для исправления. Если стоит задача минимизации искажений, то начинать надо, ИМХО, с оконечного каскада.

Распространенный (и неверный при мало-мальски грамотном исполнении ВК) миф. Основной источник искажений до введения ООС в правильно спроектированном УМ - УН, вклад собственно ВК невелик. Повторяться лень, смотрите в ветке про СЛ и Леонида Зуева. У Сэлфа тоже про это есть, пусть не так наглядно.

[Валет]

Распространенный (и неверный при мало-мальски грамотном исполнении ВК) миф. Повторяться лень.

Нужно обосновать, а не прикрываться чужими фамилиями. Или хотя-бы процитировать. А если "лень", то молчать в тряпочку.

[Shurik]

Или хотя-бы процитировать. А если "лень", то молчать в тряпочку.

Об этом писалось в статьях С.Агеева (sia_2) и здесь на форуме довольно часто, и в "Радио".

[Валет]

Об этом писалось в статьях С.Агеева

Если С.Агеев это тот, который написал лет 10 назад серию статей про свой сверхлинейный усилитель, то столько технических ошибок в одной статье, хотя и большой, я не встречал. Например, утверждается, что степень исправления ошибок внутри петли ООС зависит от места возникновения этих ошибок, и ошибки первых каскадов исправляются в меньшей степени. Это свидетельствует о незнании автором ТАР. Других его статей я не читал.
Хорошо было бы указать с цитированием обоснование утверждения, что вклад собственно ВК невелик.

[stalke-z]

Хорошо было бы указать с цитированием обоснование утверждения, что вклад собственно ВК невелик.

это проверяется элементарно на практике ...

Если С.Агеев это тот, который написал лет 10 назад серию статей про свой сверхлинейный усилитель, то столько технических ошибок в одной статье, хотя и большой, я не встречал. Например, утверждается, что степень исправления ошибок внутри петли ООС зависит от места возникновения этих ошибок, и ошибки первых каскадов исправляются в меньшей степени. Это свидетельствует о незнании автором ТАР.

а это свидетельствует о том что автор поста смотрит в книгу видит фигу читайте внимательно и вы поймете о чем писал С.Агеев

[fakel]

БТ-каскады проигрывают каскадам с ПТ из-за нелинейности "беты". Сначала это мне показалось парадоксом, так как в теории каскод на БТ имеет более высокое выходное сопротивление, чем каскод на ПТ, из-за более высокой крутизны БТ. Но это относилось к случаю, когда измеряется выходное сопротивление каскода-источника тока, принимаемым постоянным. Если же этот ток меняется, то ситуация может измениться до наборот из-за того, что от тока сигнала ответвляется нелинейная часть тока базы.

Ставь следящий каскод или ОБ с "возвратным" транзистором

[Andrey Orloff]

То, что sia_2 прав - легко покажет любой мало мальски рабочий симулятор
Имхо, проблема большинства УМ вовсе не искажения УН или ОК, а неумелое их согласование между собой.

[misha88]

Например, утверждается, что степень исправления ошибок внутри петли ООС зависит от места возникновения этих ошибок, и ошибки первых каскадов исправляются в меньшей степени. Это свидетельствует о незнании автором ТАР.

Ваше сообщение как раз свидетельствует о вашем незнании теории ООС. Наверное вы привыкли к упрощённым формулам, типичным для большинства учебников и лекций, которые не учитывают влияние ни входной (всегда комплексной и нелинейной) проводимости, ни входного смещения (да ещё изменяющегося в такт сигналу), ни наличие синфазных помех, иначе вы бы поняли правильность того, что неидеальность входной цепи первого каскада ООС принципиально исправить не может, что ограничивает точность работы ООС (т.е. возможность исправить сигнал), а также является причиной появления дополнительных искажений.