УМЗЧ на ВЧ и СВЧ транзисторах с малыми нелинейными искажениями

[Mepavel]

Введение

Скрытый текст

Вступление

Скрытый текст

Идея данной разработки возникла с тех пор, как я почувствовал существенную разницу в звучании операционных усилителей (ОУ). Так например, после замены в темброблоке ОУ К544УД2 на LM833 для меня открылся совершенно другой уровень качества звучания. А именно высокая детальность и читаемые «верхи». В свою очередь следующим моим этапом была замена LM833 на LM4562. Последняя микросхема обеспечивала превосходное, чистое и прозрачное звучание без малейшего намёка на искажения. Причём если поставить ручки тембра в средние положения, то услышать разницу звучания с темброблоком и без него практически невозможно. Чего нельзя сказать о LM833 (и уж тем более микросхемах отечественного производителя). В средних положениях ручек тембра наблюдалось бедное (серое) звучание, с заметной потерей прозрачности.
Что касается усилителей мощности, то самым прилично звучащим (хоть и неудачным) в моей практике я считаю усилитель на ОУ с раскачкой по шинам питания, где в качестве драйвера использовалась микросхема OP27 от Analog Devices. Даже 60-ти ваттный усилитель на LM49810 звучал заметно хуже. LM3886 вообще ничем не порадовала, кроме как простотой схемы включения.

[свернуть]

Какой звук усилителя можно считать качественным?

Скрытый текст

Я слушаю больше рок-музыку. Поэтому применительно к ней выскажу два требования для усилителя:
1. Чистые и чёткие высокие частоты.
2. Малые гармонические составляющие.
Эти требования по идее должны способствовать читаемости и уменьшению «песка» (грязи) в звуке.

[свернуть]

В чём секрет высококачественных звуковых ОУ?

Скрытый текст

Насколько я понимаю – увеличение граничной частоты и линеаризация передаточной характеристики, нередко сопровождающаяся большим усилением на постоянном токе при разомкнутой ООС.

[свернуть]

[свернуть]

Текущая версия проекта

Скрытый текст

Усилитель V7_Audio_Amp_RF_T

Электрическая схема УМЗЧ и результаты виртуальных испытаний в MicroCap 9

Схема изначально базировалась на классическом УМЗЧ с раскачкой по шинам питания. В качестве драйвера использовалась нелинейная модель ОУ OP37.
Выходной каскад (ВК) было решено делать только на быстродействующих DMOS транзисторах, включённых по схеме c общим истоком. Такое построение ВК должно обеспечивать больший КПД усилителя и устойчивость (думаю многим известно, что схемы истоковых (да и эммитерных) повторителей склонны к самовозбуждению).
Но как оказалось не всё так просто. Чтобы обеспечить высокую граничную частоту усилителя, необходимо добиться минимальной задержки прохождения сигнала, через весь тракт. В данном случае OP37 уже обеспечивал большую задержку, в добавок он не имеел выводов коррекции. Поэтому в конечном итоге пришлось отказаться от использования микросхем.
Далее оказалось большой проблемой раскачать затворы полевых транзисторов в ВК (IRF530 и IRF9530), поэтому пришлось использовать двухтактные двухкаскадные эмиттерные повторители на BFQ19+BFQ149 и BD139+BD140.
Драйвер усилителя выполнен на маломощных СВЧ транзисторах с граничной частотой >= 5 ГГц. Благодаря этому обеспечивается достаточное быстродействие и чувствительность на высоких частотах.

Результаты моделирования

Тестовые условия: напряжение питания - +/-33 В; нагрузка - активная 4 Ома; средняя синусоидальная мощность 110 Ватт; пиковая мощность - 220 Ватт.

АФЧХ усилителя с открытой обратной связью в 3-х критических точках выходного напряжения v(OUT) {-29V, 0, +29V}

Гармонические составляющие на частоте 1 кГц и 10 кГц, дБ

Интермодуляционные искажения (сигналы 7 кГц и 50 Гц в соотношении 1:1, пиковая мощность 220 Ватт)

Основные параметры усилителя:

• Напряжение питания - двухполярное +/- 33 В
• Номинальное сопротивление нагрузки – 4 Ома
• Номинальная выходная (средняя синусоидальная Ps) мощность – 110 Ватт
• Коэффициент усиления по напряжению - 30 раз
• Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 105 дБ (180 000 раз)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 1 кГц и мощности 110 Вт – минус 100 дБ (0,001%)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 10 кГц и мощности 110 Вт – минус 81 дБ (0,009%)
• Уровень интермодуляционных составляющих (при 7 кГц и 50 Гц (1:1) в пике огибающей 140 Ватт) – минус 94 дБ (0,002%)
• Входная ёмкость - 1 пФ
• Частота единичного усиления (Ft) - 30 МГц
• Запас по фазе (при Ku=30) - 46 - 68 градусов

[свернуть]

Архивные варианты усилителей

Скрытый текст

Один из первых удачных вариантов Audio_Amp_RF_T

Скрытый текст

Основные файлы проекта: Audio_Amp_RF_T_CIR.zip, Audio_Amp_RF_T_PDF.zip

Электрическая схема УМЗЧ и результаты виртуальных испытаний в MicroCap 9

Основные параметры усилителя:

• Напряжение питания - двухполярное +/- 33 В
• Номинальное сопротивление нагрузки – 4 Ома
• Номинальная выходная (средняя синусоидальная Ps) мощность – 70 Ватт
• Коэффициент усиления по напряжению - 30 раз
• Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 124 дБ (1,63*10^6 раз)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 1 кГц и мощности 70 Вт – минус 105,8 дБ (0,00051%)
• Уровень гармонических составляющих на частоте 10 кГц и мощности 70 Вт – минус 99,4 дБ (0,0011%)
• Уровень интермодуляционных составляющих (при 7 кГц и 50 Гц (1:1) в пике огибающей 140 Ватт) – минус 90.5 дБ (0,0030%)
• Входная ёмкость - 1 пФ
• Частота единичного усиления (Ft) - 10-12 МГц
• Фазовый сдвиг на частоте Ft - 135 градусов

[свернуть]

Внимание!!! В SPICE модели BFQ149 допущена ошибка. Указан неправильный тип транзистора в подсхеме.
Поэтому выложил исправленный файл библиотеки ph_rfdev.lib (лежит в архиве). Его нужно кинуть в папку MC9\LIBRARY (разумеется по желанию свой файл можно сохранить в отдельном месте).

[свернуть]

Достоинства усилителя

Скрытый текст

• Маленькая входная ёмкость (следовательно малое влияние её нелинейности)
• Высокая частота среза
• Высокая линейность
• Большой КПД
• Питание от одного двухполярного источника
• ВК на полевых транзисторах по схеме с ОИ

[свернуть]

Интересные результаты моделирования и варианты схем усилителя

Скрытый текст

• АФЧХ одного из первых вариантов усилителя - #105
• АФЧХ моего дискретного аналога AD797 - #107
• АФЧХ популярной микросхемы LM3886 - #166
• Демонстрация прокачки большой входной ёмкости DMOS-транзисторов - #254
• ViktKors исследует АФЧХ выходного каскада - #281
• Как «подзванивает» истоковый повторитель - #294
• Большие фазовые задержки классической схемы УН+Повторитель - #302
• Как ООС позволяет решить проблему фазовых задержек в УН - #310
• Вариант усилителя, в котором выходной каскад (ВК) - истоковый повторитель, а УН охвачен резистивной ООС по постоянному току - #324
• Исследование меандром 100 кГц. Демонстрация плохой устойчивости этого усилителя при больших амплитудах выходного напряжения - #326
• Первые шаги к построению концепции быстродействующих усилителей, в которых ВК на полевых транзисторах по схеме с ОИ - #338

[свернуть]

Список изменений

Скрытый текст

По второй версии усилителя

Скрытый текст

Дата 29.07.2011

• Уменьшено напряжение питания драйвера до +/-10, чтобы увеличить запас по пробивному напряжению СВЧ транзисторов.
• В усилителе произошла замена СВЧ транзисторов на самые доступные и подходящие:
  Комплиментарная пара NPN BFR92A + PNP BFT92.
  (Pd=300 мВт, Uкб = 20В, Ik= (25-35) мА, Cэ= (0.8-1.2) пФ, Cк= (0.8-1.2) пФ, Ft=5 ГГц, Корпус - SOT-23)
  И NPN BFQ19 + PNP BFQ149
  (Pd=1000 мВт, Uкб = 20В, Ik= 100 мА, Cэ= (4-5) пФ, Cк= (1.6-2) пФ, Ft=(5-5.5) ГГц, Корпус - SOT-89)
• Введена термокомпенсация тока покоя выходных каскадов в диапазоне температур -20 - 85 градусов. Ток покоя (20-80 мА)
• Оптимизирована схема драйвера на базе AD797 и получен уровень THD+IMD меньше минус 115 дБ (0.00017%) (файл MicroCap прилагается )
• Коэффициент усиления по напряжению с разомкнутой ОС - 124 дБ (измерялось на 100 Гц)

[свернуть]

[свернуть]

[ViktKors]

Offтопик:
Эх, весело тут у вас. Опять пионеры революцию делают.

[Mepavel]

4 Вольта - на затворе, плюс "размах питания" на выходе = 34 вольта - амплитуда между затвором и стоком. Т.е. соответствуящая емкость умножается вдесятеро, пара нанофарад при малом напряжении наберется?

Всё абсолютно верно! Возьмем IRF9530. Входная ёмкость 860 пФ, проходная 93 пФ. Умножаем 93 на 10 получаем 930. Итого суммарная ёмкость 930+860 примерно 1800 пФ. Теперь случай с истоковым повторителем: 0.1Cзи+Сзс= 0.1*860+93 примерно 180 пФ. Т.е. в 10 раз меньше. Но у истокового повторителя и размах на затворах 10 раз больше! Надеюсь теперь чушь перестанем нести?

---------- Добавлено в 17:38 ---------- Предыдущее сообщение в 17:31 ----------

P.S. Сейчас посмотрел в моём усилителе требуется куда меньше - 1,5-2 вольта изменения напряжения на затворе.

---------- Добавлено в 17:45 ---------- Предыдущее сообщение в 17:38 ----------

см п1 о неадекватности

Когда понимаете, что чушь написали (впрочем я к этому уже привык) вместо того, чтобы признать свои ошибки начинаете писать про неадекватность и всё в этом духе. А когда я признаю свои ошибки от Вас следует типа - "трололо". Очень интересная манера общения.
Если Вы заметили, на форуме никто серьёзно не относится к вашей выдумке про полную компенсацию ёмкости.
Да и результаты моделирования говорят об обратном.

[ViktKors]

Всё абсолютно верно! Возьмем IRF9530. Входная ёмкость 860 пФ, проходная 93 пФ. Умножаем 93 на 10 получаем 930. Итого суммарная ёмкость 930+860 примерно 1800 пФ. Теперь случай с истоковым повторителем: 0.1Cзи+Сзс= 0.1*860+93 примерно 180 пФ. Т.е. в 10 раз меньше. Но у истокового повторителя и размах на затворах 10 раз больше! Надеюсь теперь чушь перестанем нести?

---------- Добавлено в 17:38 ---------- Предыдущее сообщение в 17:31 ----------

P.S. Сейчас посмотрел в моём усилителе требуется куда меньше - 1,5-2 вольта изменения напряжения на затворе.

Смотрим:

Видим при 5 вольтах на затворе 250 пФ
Умножаем, как Вы правильно заметили на 30/1.5 = 20,
прибавляем входную.
Получаем ~6 нФ

У истокового повторителя (берем датащит на 5 вольт) входная:
1.5/30 * 600 пФ + 250пФ = 280 пФ.

~20 раз - отличие полосы пропускания при идентичных драйверах..


А еще (руководствуясь Вашими рассказам про высокий КПД) можно взять напряжение сток-исток, например в 2 вольта.
Получим 11 нФ.
Даже на чисто активной составляющей выходного сопротивления драйвера + антизвонные резисторы это даст дополнительный полюс на ~5 МГЦ.
А там еще и индуктивности есть - и конструктивные и выходной импеданс драйвера + сам транзистор не совсем "прямолинеен"..

Ваш усилитель вообще устойчив в таком режиме?
Вы - молчите об этом, модель "вылетает".
Это вообще рабочая схема? 11-тая страница - не пора ли выяснить?

[Mepavel]

Видим при 5 вольтах на затворе 250 пФ

Извините, но Вам бы не мешало пользовать переводчиком. Раз вы не видите, что эти ВФХ от напряжения сток-исток))) Причём здесь напряжение на затворе?

[fakel]

Когда понимаете, что чушь написали (впрочем я к этому уже привык) вместо того, чтобы признать свои ошибки начинаете писать про неадекватность и всё в этом духе.

Это вы о себе? Какая самокритика!

А когда я признаю свои ошибки от Вас следует типа - "трололо". Очень интересная манера общения.

Плотность ошибок на ветку зашкаливает. Птому и трололо.

Если Вы заметили, на форуме никто серьёзно не относится к вашей выдумке про полную компенсацию ёмкости.

Ну не обобщайте. SAPR например, вполне плодотворно использует эту идею в своих усилителях.

Да и результаты моделирования говорят об обратном.

Ну ну. Приведите модель, чтобы не быть голословным. Я свою привел, один из примеров - зеркало

[ViktKors]

Извините, но Вам бы не мешало пользовать переводчиком. Раз вы не видите, что эти ВФХ от напряжения сток-исток))) Причём здесь напряжение на затворе?

Может переводчик и не помешает, когда зрение сядет. Но покая я вижу
Crss = Cgd
У Вас точно другая картинка видится в аттаче?

Или у Вас сомнение, что напряжение сток-исток связано с напряжением на затворе??
Но это-же вроде усилитель... он усиливает. Напряжение на затворе. До напряжения на выходе - сток-исток..

А может Вы о Coos? Оно и в самом деле 250 пФ при нуле на выходе. Но усилитель усиливает сигнал - это значит на выходе не только ноль. И на 5 вольт (это довольно много) меньше чем питание - уж точно может быть.
Вот об этом (рабочем!!) режиме и речь.
Вы же сами отказывались признавать сколько-нибудь важной АЧХ в малосигнальном режиме.

[Mepavel]

Смотрим:

Видим при 5 вольтах на затворе 250 пФ
Умножаем, как Вы правильно заметили на 30/1.5 = 20,
прибавляем входную.
Получаем ~6 нФ

У истокового повторителя (берем датащит на 5 вольт) входная:
1.5/30 * 600 пФ + 250пФ = 280 пФ.

~20 раз - отличие полосы пропускания при идентичных драйверах.

Согласен. Пусть отличие ёмкостей в 20 раз. А кто использует идентичные драйверы? Мои драйверы кушают на холостом ходу 2-5 мА. и дают токи под 2А. fakel, использует источники 60 мА (согласитесь разнице в токе больше чем 20 раз). А теперь посчитайте сколько кушает его источник тока и мои драйверы при работе на звуковых частотах!

[fakel]

Мои драйверы кушают на холостом ходу 2-5 мА. и дают токи под 2А

Жестокий класс AB. Оно нам надо?

---------- Добавлено в 20:07 ---------- Предыдущее сообщение в 20:06 ----------

А теперь посчитайте сколько кушает его источник тока и мои драйверы при работе на звуковых частотах!

Мизер. Основной потребитель - ВК

[Mepavel]

Может переводчик и не помешает, когда зрение сядет. Но покая я вижу
Crss = Cgd
У Вас точно другая картинка видится в аттаче?

Там на аттаче чётко написано DRAIN TO SOURCE VOLTAGE. Где прямая связь "если 5 вольт на затворе". Тогда уж пишите, что при напряжении на выходе на 5 вольт меньше питания....
А так ошиблись, и начинаете выкручивается, что можно связать 5 вольт на затворе с напряжением сток и исток! И что Вы с самого начала точно подгадали, что при 5 вольтах на затворе Uси тоже будет равно 5-ти вольтам!

[ViktKors]

Согласен. Пусть отличие ёмкостей в 20 раз. А кто использует идентичные драйверы? Мои драйверы кушают на холостом ходу 2-5 мА. и дают токи под 2А. fakel, использует источники 60 мА (согласитесь разнице в токе больше чем 20 раз). А теперь посчитайте сколько кушает его источник тока и мои драйверы при работе на звуковых частотах!

Т.е. ваши драйверы имеют дифф сопротивление порядка 10 Ом...
А значит полюс совместно с взодной емкостью полевиков на большом сигнале упадет до мегагерца (одного!!!).

вы что-то говорили о высокочастотности? .

Иди нельзя догонять сигнал до напряжения на 5 вольт ниже питания (а если оно мао получиться на 2 вольта)?
Но если последние 5 вольт использовать нельзя - как же с КПД??

[Mepavel]

Раз ошибились, признайте это? Зачем выкручиваться, спорить, ругаться?.. Терять время и нервы?

---------- Добавлено в 18:15 ---------- Предыдущее сообщение в 18:12 ----------

Видим при 5 вольтах на затворе 250 пФ

Там кстати на картинке в вернем правом углу написано Vgs=0. Какие 5 вольт на затворе?

[ViktKors]

Там на аттаче чётко написано DRAIN TO SOURCE VOLTAGE. Где прямая связь "если 5 вольт на затворе". Тогда уж пишите, что при напряжении на выходе на 5 вольт меньше питания....
А так ошиблись, и начинаете выкручивается,

Описка - прошло-бы 5 минут, перчитал-бы - поправил бы. Тем более все "четко написано" и все (и Вы тоже) все поняли.

Вопрос по существу остается: как жить при десятке нанофарад (а то и больше) в нагрузке, которые "динамически то приходят то уходят?
Это фактически дополнительный полюс в полосе действия ООС, который то есть, то нет.

[Mepavel]

Вопрос по существу остается: как жить при десятке нанофарад (а то и больше) в нагрузке, которые "динамически то приходят то уходят?

Ответ прост - использовать мощные драйверы. Чем больше ток, тем быстрее перезарядка. Плевать на эквивалентную входную ёмкость. Эти драйверы её пракачивают без задержки. Единственная проблема, что даёт сдвиг по фазе - увеличение выходной ёмкости! Т.е. сам IRF не может прокачать свою выходную ёмкость.
Могу представить ФЧХ напряжения на входе полевика после драйверов и на его выходе. Хотя если Вы хорошо знаете теорию, то Вам не надо объяснять, что в этой схеме основной фазовый сдвиг получается из-за отставания тока стока.
Аналогичная ситуация и в каскаде с ОС.

---------- Добавлено в 18:24 ---------- Предыдущее сообщение в 18:17 ----------

На самом деле, чтобы изменить 10 нф на 1,5 током пусть даже 2 А потребуется С*delta U/I

---------- Добавлено в 18:26 ---------- Предыдущее сообщение в 18:24 ----------

т.е. всего лишь 7.5 нс. И это в самом плохом случае! Задержка тока стока куда больше 20-30 нс.

[fakel]

А модельки как не было так и нет

[Mepavel]

В крейсерском режиме, когда при питании +/-33 В, на выходе поддерживается амплитуда 24 В (т.е. 70 Ватт на нагрузку 4 Ома). Время задержки в драйверах составляет 3-5 нс, а тока стока 15-20 нс.

---------- Добавлено в 18:29 ---------- Предыдущее сообщение в 18:27 ----------

А модельки как не было так и нет

Вы для начала бы сказали конкретнее какая моделька нужна и будет! А вот модели симулятора Вашего выходного каскада я похоже не дождусь.

[fakel]

Уже не нужна. Я кажется понял вашу ошибку. Вы наверное думаете, что скомпенсированный ВК перестает потреблять емкостный ток (IСзс/бета драйвера) по входу? Вовсе нет. КОмпенсация проявляется в том, что при измерении выходной емкости скомпенсированного каскада, вы не увидите в ней Сзс, которая присутсвует в обычном ВК

[Mepavel]

КОмпенсация проявляется в том, что при измерении выходной емкости скомпенсированного каскада, вы не увидите в ней Сзс, которая присутсвует в обычном ВК

Я уже давно слушаю ваши бездоказательные утвержедния. Вот если Вы сделаете модельку и на ней это грамотно покажете. Тогда все форумчане Вам поверят. А так Вы даже не можете объяснить за счёт чего можно компенсировать проходную ёмкость. Если одним "выводом" она по ВЧ на земле, а другим на затворе!
Вы понимаете, что "мечта" в СВЧ транзисторах не иметь проходную ёмкость? Преимущественно только эта ёмоксть определяет усиление при прочих равных условиях.
Да и усилитель Ваш не обеспечивает гениальных параметров по ФЧХ и это даже без учёта паразитов.

[fakel]

Я уже давно слушаю ваши бездоказательные утвержедния. Вот если Вы сделаете модельку и на ней это грамотно покажете. Тогда все форумчане Вам поверят. А так Вы даже не можете объяснить за счёт чего можно компенсировать проходную ёмкость. Если одним "выводом" она по ВЧ на земле, а другим на затворе!

Тьфу! Ипполит, ну какой же вы тупой (с)! Извините...

Вы понимаете, что "мечта" в СВЧ транзисторах не иметь проходную ёмкость?

Ну и не имейте. В моем драйвере она компенсируется. Вы сами это признали. Или тут помню, тут не помню? (с)

[Mepavel]

В моем драйвере она компенсируется. Вы сами это признали.

Жесть... вон как оказывается!..

---------- Добавлено в 18:52 ---------- Предыдущее сообщение в 18:51 ----------

Тьфу! Ипполит, ну какой же вы тупой (с)! Извините...

И это написал будущий нобелевский лауреат!

---------- Добавлено в 18:55 ---------- Предыдущее сообщение в 18:52 ----------

P.S. А если по делу, то я понял, что кроме оскорблений ничего от Вас больше не услышу (т.е. не увижу)... И тайны компенсации этих ёмкостей останутся навечно в Вашем воображении.

[fakel]

И тайны компенсации этих ёмкостей останутся навечно в Вашем воображении.

Как вы мне надоели! Я уже сто раз приводил пример - широкополосное зеркало! Там и модель и графики. Не знаю, что вам еще надо