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.

[Валет]

На сигналах с частотой выше области роботы ОС динамические искажения не возникают, так как ОС уже не работает. А раз не работает, то и не может перегрузить вход.

Перегрузка входа происходит не сигналом ООС, а усиливаемым входным сигналом. Поэтому именно при неработающей ООС возможна перегрузка входа, т.к. сигнал на входе перестает компенсироваться сигналом ООС. Когда в сигнале присутствуют частотные компоненты выше области работы ООС и возникают динамические искажения. Для уменьшения динамических искажений необходимо расширять область работы ООС, а не уменьшать ее.

Тут я взял 6Ф1П, крутизна её несколько выше, чем у 6ж1б, и ГСТ вместо вольтдобавки, рассчитываю на подъем усиления.

При работе лампы на нагрузку, соизмеримую с Ri, имеет значение не только S, но и μ лампы, а если Rн >> Ri, то усиление каскада зависит практически только от μ.
μ и есть теоретический Ку каскада при Rн = ∞ и он не зависит от S. Для пентода 6Ф1П μ≈2500.

Alex Ground, вопросы:
В чем смысл отделения в усилителе SOUZ-50 земли для входа от общей земли резистором R2?
От чего зависит задержка сигнала в усилителе SOUZ-50?

[Alex Ground]

представьте график петлевого усиления пожалуйста, у меня сомнение в устойчивости модели на реактивной нагрузке

Вот для пентодного включения, запас по фазе очень хороший, 75 градусов.

Для триодного и вовсе почти 100 градусов запас


---------- Сообщение добавлено 13:51 ---------- Предыдущее сообщение было 13:38 ----------

Перегрузка входа происходит не сигналом ООС, а усиливаемым входным сигналом. Поэтому именно при неработающей ООС возможна перегрузка входа, т.к. сигнал на входе перестает компенсироваться сигналом ООС. Когда в сигнале присутствуют частотные компоненты выше области работы ООС и возникают динамические искажения. Для уменьшения динамических искажений необходимо расширять область работы ООС, а не уменьшать ее.

Вы абсолютно правы. Формула устанавливает взаимосвязь не только с полосой пропускания ООС, но и со скоростью нарастания сигнала. Что бы скорости усилителя хватало для обработки любого входного воздействия без разрыва обратной связи. Ведь этот самый разрыв происходит из-за того, что усилителю не хватает скорости для отработки входного сигнала. Просто ограничив полосу работы ООС конечно не избавиться от динамических искажений. А что касается работы выше частоты Fед, то ООС там не работает вовсе, так как усиление разомкнутой системы уже сравнялось с усилением замкнутой, и любая перегрузка по входу это уже простой клип

---------- Сообщение добавлено 13:54 ---------- Предыдущее сообщение было 13:51 ----------

При работе лампы на нагрузку, соизмеримую с Ri, имеет значение не только S, но и μ лампы, а если Rн >> Ri, то усиление каскада зависит практически только от μ.
μ и есть теоретический Ку каскада при Rн = ∞ и он не зависит от S. Для пентода 6Ф1П μ≈2500.

Получить 68дБ с пентода 6Ф1П будет хорошим результатом. Обратная связь составит 54дБ это не плохой результат для гибрида.

---------- Сообщение добавлено 13:57 ---------- Предыдущее сообщение было 13:54 ----------

Alex Ground, вопросы:
В чем смысл отделения в усилителе SOUZ-50 земли для входа от общей земли резистором R2?
От чего зависит задержка сигнала в усилителе SOUZ-50?

Смысл в разделе сигнальной земли от силовой и разрыве потенциальной земляной петли по входу, при питании обоих каналов от одного источника питания. Если блоки питания раздельные для каждого канала и петли не возникает, всегда можно просто впаять перемычку.
Главная задержка в петле ОС вносится коррекцией по запаздыванию в аноде пентода.

[Валет]

Alex Ground, спасибо за четкие ответы. Теперь по существу.

Получить 68дБ с пентода 6Ф1П будет хорошим результатом.

68дБ это теоретический предел для случая Rн = ∞. Практически такое усиление получить вряд ли получится для всей полосы ЗЧ.

Смысл в разделе сигнальной земли от силовой и разрыве потенциальной земляной петли по входу, при питании обоих каналов от одного источника питания.

При питании обоих каналов от одного источника питания может появиться уравнительный ток между землями каналов, который создаст падение напряжения на резисторах R2 и будет помехой для полезного сигнала. Независимо от этого может появиться уравнительный ток между землями усилителя и источника сигнала с теми же последствиями.

Главная задержка в петле ОС вносится коррекцией по запаздыванию в аноде пентода.

Согласен. Но коррекция на запаздывание ограничивает полосу пропускания усилителя. Так задержке 100 нс соответствует полоса 1,25мГц. Вы можете объяснить, почему вы оперируете именно задержкой, а не полосой пропускания, ведь полоса более привычна, да и легко измеряется в отличие от задержки.
И еще вопрос.

Не сама задержка сигнала вредит, а её изменение в зависимости от частоты

Возможно ли изменение задержки сигнала в зависимости от частоты в усилителе SOUZ-50. Если да, то по какой причине? В чем вы видите ее вред? Разумеется считаем, что монтаж выполнен грамотно и резонансных явлений в значимой полосе частот не возникает.

[Petr-1951]

Вот для пентодного включения, запас по фазе очень хороший, 75 градусов.
Для триодного и вовсе почти 100 градусов запас

все так, но на чисто активной нагрузке
При подключении параллельно нагрузке 100 нФ и более возбуд, по крайней мере в модели. Скорее всего без индуктивности на выходе не обойтись

[misha88]

Ведь этот самый разрыв происходит из-за того, что усилителю не хватает скорости для отработки входного сигнала

Проблема не в самом входном сигнале (он ограничен по частоте и скорости), а в наличии более быстрых сигналов в петле ООС в дополнении ко входному сигналу. Эти дополнительные сигналы всегда появляются из-за нелинейности каскадов, а также нелинейной реакции реальной нагрузки и реальных источников питания, что приводит к множеству гармоник (расширение спектра это неизбежное зло ООС), и входной каскад вкупе с коррекцией может справиться, а может и перегрузиться, если сделать не верно, и чем больше глубина ООС, тем вероятность перегрузки выше, если изначальная (без ООС) нелинейность высока (каждая гармоника или помеха мала по амплитуде, но если их много, то просуммировав их плюс полезный сигнал в итоге может приводить к ограничению плохих входных каскадов).

[Alex Ground]

---------- Сообщение добавлено 23:33 ---------- Предыдущее сообщение было 23:25 ----------

68дБ это теоретический предел для случая Rн = ∞. Практически такое усиление получить вряд ли получится для всей полосы ЗЧ.

Я расчитываю на усиление порядка 60...64дБ. Естественно это не для всей полосы частот, на краю диапазона (20кГц) Ку будет на 10...15дБ ниже. В целом график ЛАЧХ ЛФЧХ который я публиковал несколькими постами ранее довольно близок к тому что я получал на макете схожего усилителя "dual". При чем в железе усиление было даже на 4...6дБ выше чем в симуляции и составляло 62дБ для лампы 6Ж1Б с нагрузкой на вольтдобавку (зависимость усиления от частоты реального макета есть в посте #3). С 6Ф1П ожидаю на сопоставивый результат или немного лучше.

---------- Сообщение добавлено 23:39 ---------- Предыдущее сообщение было 23:33 ----------

При питании обоих каналов от одного источника питания может появиться уравнительный ток между землями каналов, который создаст падение напряжения на резисторах R2 и будет помехой для полезного сигнала. Независимо от этого может появиться уравнительный ток между землями усилителя и источника сигнала с теми же последствиями. А земляные петли внутри усилителя часто бывают полезными. Но это отдельный разговор.

В любом случае разъединение сигнальной и силовой земли даёт гибкость в вопросе коммутации земель. При отсутствии необходимости в разрыве, резистор заменяется перемычкой, при необходимости же устанавливается.

---------- Сообщение добавлено 23:45 ---------- Предыдущее сообщение было 23:39 ----------

.
Вы можете объяснить, почему вы оперируете именно задержкой, а не полосой пропускания, ведь полоса более привычна, да и легко измеряется в отличие от задержки.

Это по сути оффтоп. С подачи товарища Petr (пост #168 ) мы обсуждаем метод оценки искажений предложенный Хафлером. Где речь идёт про то, что задержки прохождения сигнала в усилителе не должны превышать 8нС на частоте 20кГц. С чем я не согласен, ибо с точки зрения возникновения такого типа искажений причина не в том, что усилитель имеет задержку, а то, что она может изменяться с частотой. В общем мы обсуждаем методы оценки искажений из файлов присланных товарищем Petr, для себя я там почерпнул некоторую новую и интересную информацию, но к самой теме данного конкретного усилителя это не относится. А я лично обычно оперирую частотными свойствами, а не временем задержки

Возможно ли изменение задержки сигнала в зависимости от частоты в усилителе SOUZ-50. Если да, то по какой причине? В чем вы видите ее вред?

О типе искажений вызванных задержкой в усилителе я был ознакомлен поверхностно и оперирую стандартными вариантами измерений (КНИ, ИМИ), более подробно ознакомился с влиянием искажений вызванных задержкой в усилителе из файлов товарища Petr и на данный момент я не могу дать им компетентную оценку.

---------- Сообщение добавлено 23:52 ---------- Предыдущее сообщение было 23:45 ----------

все так, но на чисто активной нагрузке
При подключении параллельно нагрузке 100 нФ и более возбуд, по крайней мере в модели. Скорее всего без индуктивности на выходе не обойтись

Практика подсказывает что усилители с таким запасом устойчивости без проблем работают и без такой цепочки.
Однако не могу исключить того, что может потребоваться последовательно выходу типовая цепь из резистора 10 Ом и намотанной на нем в параллель катушки. Такие нюансы можно точно определить только в железе.

---------- Сообщение добавлено 23:55 ---------- Предыдущее сообщение было 23:52 ----------

Проблема не в самом входном сигнале (он ограничен по частоте и скорости), а в наличии более быстрых сигналов в петле ООС в дополнении ко входному сигналу.

Вы абсолютно правы, потому формула Данилова определяет необходимую скорость нарастания усилителя для отработки сигналов не звукового диапазона, а всего диапазона работы ООС. Если ООС работает до 2МГц, например, то и критерием отсутствия дин.искажений по Данилову будет достаточная скорость нарастания усилителя для любого сигнала частотой до 2МГц, а не только в звуковом диапазоне

[Teoretic]

приводит к множеству гармоник (расширение спектра это неизбежное зло ООС), и входной каскад вкупе с коррекцией может справиться, а может и перегрузиться,

Ну все же легко рассчитывается и измеряется. Сколько можно проводить эти рассуждения "на пальцах"?
Просто измерьте полосу полной мощности. Для этих частот динамические искажения не возникают.

[Petr-1951]

вот что писали в журнале Вестник по поводу искажений реальных усилителей более 20 лет назад
Вестник_АРА_2000-06_с32.pdf
p.s. искажения памяти (memory) сравнительно невелики, не более 25 мВ
на удивление и динамические искажения относительно малы по сравнению с последней разработкой Боба Корделла ВС-1 при соизмеримом tPD

вспышки возбуда на выходе режекторного фильтра 10 кГц

[Alex Ground]

p.s. искажения памяти (memory) сравнительно невелики, не более 25 мВ
на удивление и динамические искажения относительно малы по сравнению с последней разработкой Боба Корделла ВС-1 при соизмеримом tPD

Спасибо, что провели тест, достаточно хороший результат! Я ещё не проводил тест, но по логике для триодного включения результат должен быть ещё лучше в плане этого типа искажений (при тесте меандром импульсы перерегулирования на сетке входной лампы практически не превышают уровень общего сигнала сравнения и не перегружают вход).
Таким образом, если мое предложение верно, можно говорить о "универсальности" усилителя при наличии возможности переключения типа включения первой лампы и изменения глубины ООС с примерно 45дБ до 15дБ.

[Alex Ground]

слегка модифицировал прототип. Первый полюс выше 20 кГц. Для стабилизации пришлось применить небольшую индуктивность
Вложение 437132

Вижу доработку схемы по мотивам из поста #142.

Или так - ООС в триоде второго каскада тоже устранена

Концепция интересная, а-ля Видерхольд с ламповым входом, но имеем несколько каскадов усиления, один из которых транзисторный. Это уже совсем другая идея, думаю если кто то захочет её развивать, это уже будет отдельный усилитель и отдельная тема

[fakel]

но имеем несколько каскадов усиления

Считай это сломанным каскодом

думаю если кто то захочет её развивать

уже https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=85379

[fakel]

вот что писали в журнале Вестник по поводу искажений реальных усилителей более 20 лет назад
Вестник_АРА_2000-06_с32.pdf
p.s. искажения памяти (memory) сравнительно невелики, не более 25 мВ
на удивление и динамические искажения относительно малы по сравнению с последней разработкой Боба Корделла ВС-1 при соизмеримом tPD

вспышки возбуда на выходе режекторного фильтра 10 кГц

Бери ООС на экр сетку с выхода ВК, этот вариант тоже в моей теме макетировался

[Alex Ground]

Не надо себе льстить, до Видерхольда {который композит со сверхглубокой ООС}этому чуду как до Пекина{Beijing} раком.

Идея предложенная мною в виде СОЮЗа никакого отношения к Видерхольду не имеет
Речь в том сообщении про схему товарища fakel, а не мою.
Вы наверное недопоняли, сравнение с Видерхольдом касалось этой схемы:


---------- Сообщение добавлено 10:06 ---------- Предыдущее сообщение было 09:58 ----------

Сама концепция нелепа - ламповый аппарат с низкоомным входом в первую очередь из-за искажений удвоения проводимости.

Касательно ООС вообще- она должна быть либо совсем минимальной, 3-6-10 дб, либо более 100 дб, иначе она просто размножает высшие локусы комбинационных искажений.

Я не вижу каким образом смущает входное сопротивление в 6,6кОм, тем более у оконечника. Перед ним может быть преамп с любым требуемым входным сопротивлением.

Схема учитывает возможность работы как с малой ООС, при триодном включении входа, так и с относительно глубокой ООС (по меркам гибридных усилителей) при пентодном включении, потому в плане глубины ОС гибкость предусмотрено

[Alex Ground]

Считай это сломанным каскодом


уже https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=85379

Как не считай, а усиление происходит в нескольких каскадах, один из них транзисторный с ОБ.

Идеи в ссылке интересные, главный недостаток относительная сложность реализации питания

[fakel]

Вы наверное недопоняли, сравнение с Видерхольдом касалось этой схемы:

Так ты сам с какого-то бодуна назвал ее Видерхольдовой

Как не считай, а усиление происходит в нескольких каскадах, один из них транзисторный с ОБ

В одном - с ОБ, лампа не дает усиления

[Alex Ground]

Ну так как звучит-то? И старая проблема- два генератора тока навстречу- это бред.

УН нагруженный на ГСТ это классика как из учебника. Применяется в транзисторниках повсеместно. Для ламп работает эквивалентно. Пример присылал https://www.edn.com/obtain-a-gain-of...e-vacuum-tube/

А что вы хотите узнать про звук, это понятие абсолютно субъективное и ориентироваться на чужое мнение в этом нет смысла.

---------- Сообщение добавлено 10:22 ---------- Предыдущее сообщение было 10:20 ----------

Так ты сам с какого-то бодуна назвал ее Видерхольдовой

Структура вашей схемы имеет некое сходство, вот и сказал что похожи структурой, УН+ преобразователь U/I + каскад ОБ, разве не похожи?

[Alex]

УН нагруженный на ГСТ это классика как из учебника.

Но это не:

два генератора тока навстречу-

Когда такое и делают, то надеются только на их неидеальность.

[Alex Ground]

Но это не:


Когда такое и делают, то надеются только на их неидеальность.

По постоянному току лампа имеет конечное сопротивление определяемое напряжением смещения и напряжением на второй сетке. Для режима в схеме сопротивление пентода по постоянному току порядка 100-150кОм. Соответственно половина питающего напряжения на аноде достигается при токе ГСТ 0.7-1мА, настраиваемым подстроечным резистором в эмиттере транзистора ГСТ для конкретного экземпляра лампы

[Slava!!!]

Промоделировать термодрейф режимов такой схемы - уже будет видно много интересного

[Alex Ground]

Промоделировать термодрейф режимов такой схемы - уже будет видно много интересного

Ток ГСТ стабилизируется vt2, на нем выделяется мизерное количество мощности, так что сам по себе он не греется и он должен быть удален от греющихся компонентов, в идеале смд со стороны дорожек на плате. От нагрева же vt1 на котором рассеивается порядка 100мВт ток не меняется.
Уход режима лампы со временем и т.п имеет место быть, но гальванической связи с ВК нет, потому на режим оконечника по постоянке это не влияет, а так как диапазон выходных напряжений намного меньше напряжения питания лампы (максимальная амплитуда выходного сигнала порядка 23В), то лампа будет работать и при 80в на аноде, и при 120в на аноде, и при 150в на аноде не заходя в ограничение. Грубо говоря дрейф в достаточно широком диапазоне не приведет к неработоспособности схемы.