Универсальный УМЗЧ со стабилизацией режима

[asgladd]

Универсальный УМЗЧ со стабилизацией режима.

Схема усилителя представлена на рис.1 и 2.
Универсальным усилитель назван потому, что в выходном каскаде можно использовать любые мощные транзисторы (биполярные или полевые) без изменения схемы, причем глубокая ООС, действующая в нем, автоматически выводит каскад на режим супер-А ( с невыключаемым током выходных транзисторов) с параметрами 40 мА- ток минимума и 90 мА- ток покоя ( на каждый транзистор)- (смотри эпюры на рис.3) и поддерживает такой режим при любой температуре выходных транзисторов (нет термодатчиков!).В выходном каскаде применена схема вольтдобавки (на R19-R22,C6,C7,VD3, VD4), которая дает питание +/- 9 V усилителям обратной связи на VT15-VT32 и позволяет полностью использовать напряжение питания всего усилителя (даже для выхода на полевых транзисторах с напряжением затвор-исток более 4B).
Параметры выходного каскада : Кусил = 0,87, Rвх - более 700 кОм, Rвых = 0,17 Ома, полоса частот более 1 МГц, коэффициент гармоник 0,015 % - 0,03 % для 8 и 4-х Ом.
Добавляем к этому усилитель напряжения с усилением более 70 дБ, заводим общую обратную связь и получаем почти идеальный усилитель. Тестирование макета подтверждает получение неплохих параметров :
Коэффициент гармоник 0,01% / на частоте 20 кГц при номинальной мощности
На частотах ниже 5 кГц гармоники менее 0,001 %
Выходное сопротивление около 0,005 Ом (измерено до индуктивности L1).
Полоса усиления 5 Гц – 360 кГц/560 кГц (по уровню -3 дБ с входным фильтром и без )
Скорость нарастания выходного напряжения 50 В/мкС с входным фильтром на R3-C2.
Интересны и другие свойства усилителя :
Питание от нестабилизированного источника +/- 20 – 50 В.
Амплитуда выходного напряжения равна напряжению питания минус 2,5-3 В.
АЧХ не имеет выбросов, ограничение сигнала тоже без выбросов.
Выход защищен от короткого замыкания ограничением тока на уровне 10 А на каждый выходной транзистор.
Выходная мощность определяется фактически количеством параллельно включенных выходных транзисторов и мощностью блока питания. Например для блока питания
+/- 45 В-4А ( 40 В под нагрузкой) и двух транзисторах в плече (как на схеме) номинальная мощность не менее 90/140 Вт при 8/4 Ом нагрузки.
Универсальность схемы подтверждается ее абсолютной симметричностью (при включении питания отсутствуют щелчки) и возможностью использования усилителя в инвертирующем и неинвертирующем режиме и даже в режиме мощного ОУ без емкостей на входе и в цепи ОС ( при такой схеме входа и таких транзисторах с h21 более 500 входные токи усилителя менее 10 нА).
Усилитель стабильно работает даже при установке в цепях питания резисторов 5-10 Ом или при подключении к выходу емкости в несколько микрофарад (при полном сигнале)!!!
Универсальность схемы заключается и в том, что с её помощью может быть доработан почти любой имеющийся в наличии УМЗЧ (подходящей мощности и с любыми, даже не очень качественными, выходными транзисторами). Как говорится в известном фильме "легким движением руки брюки превращаются...". В нашем случае - это звучит так : "при наличии нескольких часов свободного времени на пайку схемы,(выделенной пунктиром), на монтажную плату размером 4х5 см (стоимость деталей – менее 250 руб) Ваш усилитель превращается ...
Во вложении представлены схемы в формате Микрокап-9 для желающих поэкспериментировать...При разработке печатной платы нужно учитывать, что "абсолютный ноль" на выходе устанавливается с помощью одного из резисторов R14 и R15, а ток покоя,при желании, может быть изменен с помощью резисторов R28 - R29.
Желающие сделать усилители с отрицательным выходным сопротивлением или с регулируемыми токами режима супер-А могут прочитать мою статью "Схемотехника УМЗЧ со стабилизацией режима" на сайте "Паяльник" http://cxem.net/sound/amps/amp225.php
Александр Гладкий

[bukvarev]

Для первой ААХ это приводит к более оптимистическому кагэ, чем для второй, т.к. во втором случае "первая гармоника" давится, а в первом выпячивается (здесь на веге это называют "разная фаза гармоник в хвосте", хотя это вовсе не фаза, а чередование знаков в р. Тейлора ). Но в математическом смысле обе ААХ имеют одинаковую мощность продуктов НИ. Это создаёт определённые методические трудности объективной оценки нелинейности по "методу гармоник".

Да, поэтому одним из наилучших способов построения "синтетического" тестового файла является набор сигналов с известными законами и нормированными значениями атак и затуханий, а сами сигналы должны принадлежать как гармоническом ряду ("музыкальные ноты"), так и некратному ряду. Обязательным требованием "синтетического теста" является изменение мгновенной мощности в значительных пределах. По этому критерию не проходят ни импульсные (нет некратных гармоник), ни "многочастотные" (шумовые), у которых постоянная средняя мощность.

С моей точки зрения, и обработка должна производиться по двум алгоритмам, взаимодополняющим друг друга:
1. Определение продуктов искажений с учетом временнОй и частотной маскировки (детектор "грязи");
2. Определение изменения тембра (соотношения компонентов "музыкальных нот") с помощью измерения параметров огибающих частотных компонентов записанных сигналов (а их параметры известны). Второй тест в некоторой мере "противоположен" первому (селекция вместо режекции).

Таким образом, возможно оценить два независимых фактора, влияющих на восприятие музыки с помощью одного тестового файла.
Но можно само собой, реализовать проверки и двумя независимыми тестами и алгоритмами, а также использовать фрагмент музыки, на которую "затачивается" система. Если собираются слушать "два нота три струна" - один расклад, если "метал хард" и "симфоник классик" - совсем другая история.

[Petr-1951]

В статье http://www.akzh.ru/pdf/1955_4_321-325.pdf приводятся спектры сложных сигналов.
Посмотрим что может дать использование пилообразного сигнала в качестве тестового
Для начала возьмем два сигнала частотой 10 кГц и амплитудой от пика до пика 2 В сдвинутые относительно друг друга на 1 мкс (типовое значение для большинства усилителей с ООС) и вычтем первый из второго

В результате такого вычитания получим сигнал типа «меандр» с длительностью фронтов по 1 мкс. Амплитуда меандра зависит от относительного сдвига и амплитуды исходных сигналов.
Посмотрим как влияет различие амплитуд исходных сигналов на результат вычитания
Для того чтобы полки меандра были горизонтальными амплитуды исходных сигналов должны быть одинаковыми

Применим такой тест к модели одного из рассматриваемых в ветке усилителей


Из осциллограмм видно что выходной сигнал имеет сдвиг на 1,45 мкс. Результат вычитания входного сигнала умноженного на Ку из выходного показан на 3-й осциллограмме. Чтобы получить вносимые усилителем искажения вычтем из выходного сигнала входной сигнал сдвинутый на 1,45 мкс и умноженный на Ку — результат показан на 4-й осциллограмме. Пиковое значение искажений около 3%. Растянем осциллограмму 4 по вертикали чтобы посмотреть коммутационные искажения (КИ) и линейность амплитудной характеристики — осциллограмма 5. Скорость нарастания пилообразного напряжения при переходе через ноль ниже чем у синусоидального той же частоты и амплитуды поэтому и КИ невелики.
Для сравнения аналогичный тест усилителя Лозицкого
растяжка продуктов искажений в том же масштабе что и в предыдущем тесте.
Без комментариев.

[оператор]

Что хочется отметить по данной теме.

1. Статья достаточно древняя и современные усилители имеют несколько другие проблемы, по сравнению с рассматриваемыми в статье.
Все изменилось. Нужны новые статьи и новые методики.
2. Подавать на вход усилителей сигналы типа "меандр", "треугольник" и пр. частотами в 10 кГц - зачем?
Спектр мендра, хотя бы в минимальном приближении, чтобы с ним работать должен содержать, ну минимум до n-25 гармоники и усилитель должен их отрабатывать. Усилитель и нагрузка в таком случае должны быть линейны в полосе до 250 кГц. Это реально?
Если Вы пытаете свой усилитель меандром 10 кГц - то у него никак не помещается в его полосу пропускания полный спектр.
И он будет обрезан усилителем. Смысл таких экспериментов - крайне непонятен и неоднозначен по определению.

Максимум, что можно информативно подавать на бытовые усилители - это меандры в единицы кГц, чтобы их спектры попадали в полосу усилителя.
По большому счету нужно работать не с картинками на осциллографе, поскольку это просто виртуализация спектра, а со спектроанализаторами и оценивать гармоники по их реальному уровню, а не по картинке.

---------- Сообщение добавлено 13:09 ---------- Предыдущее сообщение было 12:54 ----------

В статье http://www.akzh.ru/pdf/1955_4_321-325.pdf приводятся спектры сложных сигналов.

Спектры сложных сигналов?
Спектры сложных сигналов можно найти в интернете - совершенно свободно, а в статье, насколько я понял - дана методика измерений УНЧ.

Без комментариев.

Если можно, дайте пожалуйста комментарии. Поскольку непонятно ничего.

[Petr-1951]

Если можно, дайте пожалуйста комментарии.

Сегодня ни один разработчик усилителя не сядет паять схему усилителя без предварительного виртуального исследования. Если ограничиться стандарьным набором проверок как это обычно делается в железе, то и результат качества работы будет менее предсказуем. Чем больше мы проведем дополнительных нестандартных измерений (RIMD https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=35395 , исследование КИ, нагрузочная способность и др.) тем более полная информация будет о параметрах усилителя.

схема фильтра (и его параметры) для исследования продуктов искажений в том числе и КИ
https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2329636

можно конечно руководствоваться уровнем ПСН при оценке усилителей
http://audioportal.su/showthread.php...l=1#post430984
автору поста принесли пульт который «прекрасно» усиливал сложный сигнал, судя по картинкам на осциллографе, а звук никакой...

но что можно сказать по таким картинкам без измерений? - ничего
правда в примере автор поста так и не указал уровень ПСН изделия непригодного для использования в профессиональной аппаратуре

Я уже приводил примеры удачных на мой взгляд разработок усилителей
https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2325705
из того перечня я и использовал модель усилителя для сравнения в этом тесте. Из приведенного выше теста видно что усилитель Лозицкого имеет задержку сигнала на выходе усилителя всего 15 нс по сравнению с рассматриваемым в ветке усилителем с задержкой в 1,45 мкс.
Продукты искажений после вычитания говорят сами за себя — 1 В в одном случае и 10 мВ во втором. Для измерений использован метод Баксандалла (Акулиничева), с той лишь разницей что виртуально можно сдвинуть весь спектр на время задержки, а не весьма приблизительно в какой то полосе частот с помощью фазовращающих RC-цепочек. При одинаковой растяжке продуктов искажений видна и разность в линейности амплитудной характеристики.
Если говорить о спектральном анализе сложных сигналов, то они изначально содержат большой букет гармоник и ловить разницу между ними в спектрах достаточно сложно и нереально на мой взгляд. Ну обнаружите незначительный спад высших гармоник треугольника или меандра, и что дальше?...
кстати вот спектры двух усилителей

если смотреть по 3 графику то спектры двух усилителей вроде одинаковые
если же растянуть, то можно обнаружить ненавистный многим частокол гармоник, который в сумме и дает тот 1 В (пик) искажений. Вот и вся разница!

[теоретизирующий практик]

Offтопик:

Что хочется отметить по данной теме.

Тема "Универсального УМЗЧ..." подверглась массированной ОФФТОП атаке. Сам открывал мало тем, но когда один раз пошла такая пьянка, по быстрому закрыл тему.

[Petr-1951]

Offтопик:
Тема "Универсального УМЗЧ..." подверглась массированной ОФФТОП атаке. Сам открывал мало тем, но когда один раз пошла такая пьянка, по быстрому закрыл тему.

off: кто Вам мешает высказаться по существу, а не офтопить?

[bukvarev]

Задержка в петле ОООС приводит у тому, что за счет суммирования прямого и задержанного сигнала образуется фильтр с линейной ФЧХ и АЧХ вида "sin(x)/x", который ухудшает запас по фазе и уменьшает глубину ОООС. Первый "0" в АЧХ получится на частоте 0,5/Тз, где Тз - величина вносимой задержки. Для задержки 1,45 мкс на частоте 20 кГц ухудшение составит sinc(1.45*0.04)=0.9945 раза, а вот по фазе - дело плохо.. 350 кГц, и "приплыли".
Из-за конечного усиления эти провалы будут не до "0", но влияние на работу усилителя конечно окажут.
Но насколько значение 1,45 мкс близко к реальности? Думаю, что реальные задержки усилителей с замкнутой петлей ОООС будут меньше.
Меня этот вопрос заинтересовал, посмотрел задержку на модели своего усилителя (с замкнутой ОООС) - симулятор "нарисовал" 200 нс. Не знаю, насколько соответствует истине, практически время задержки не измерял. Но по тому, что на практике обратная связь на нескольких МГц у него еще работает, можно сделать вывод, что это время не превышает долей микросекунды. ПМСМ, на других схемах тоже должны получиться небольшие задержки.

[leonid]

кто Вам мешает высказаться по существу

По существу, наверное, следует вернуться к рассмотрению и сравнению известных схем стабилизации режимов ВК. Протестировать шунт Акулиничева, шунт Алешина и прочее Super AA на этот предмет и успокоится. А затем дать рекомендации по проектированию и изготовлению ВК без КИ. И на этом закрыть тему. Как Вам предложение?

[Hennady]

ледует вернуться к рассмотрению и сравнению известных схем стабилизации режимов ВК. Протестировать шунт Акулиничева, шунт Алешина и прочее Super AA на этот предмет и успокоится. А затем дать рекомендации по проектированию и изготовлению ВК без КИ.

ИМХО для меня давно вырисовалась входная часть ВК - это схема с ОБ, ну или упрощенный вариант - локализация цепи смещения ВК от выхода УН, что каскад с ОБ делает изначально...
а так да, "внутреннее убранство" стабильных схем ВК любопытно посмотреть,....

[Teoretic]

Offтопик:

Задержка в петле ОООС приводит у тому, что за счет суммирования прямого и задержанного сигнала образуется фильтр с линейной ФЧХ и АЧХ вида "sin(x)/x", который ухудшает запас по фазе и уменьшает глубину ОООС

Евгений, вот честно, ничего не понял.
Может, как-то надо разворачивать такие утверждения, хоть ссылки давать или уравнение какое привести, или схемы?
О какой задержке идет речь? Фазовая? На какой частоте?
Неминимально фазовая? А что это за усилитель такой с громадными неминимально фазовыми задержками? Как этого добились?
Если речь идет о временной задержке, то в усилителе откуда-то взялась линия задержки?
В общем, одни вопросы.

[Petr-1951]

О какой задержке идет речь? Фазовая? На какой частоте?

[bukvarev]

О какой задержке идет речь?

Я написал про частотнонезависимую задержку распространения сигнала, если бы она была такой большой.

А что до частотнозависимых цепей формирования, так не вижу ничего плохого в том, что при наличии частотной зависимости усиления исходных звеньев разность двух "пил" похожа на меандр, с амплитудой, обратно пропорциональной глубине ОООС. Для однополюсной схемы при усилении синуса на входе узла сравнения будет косинус, при усилении меандра будет его производная (выбросы в моменты перепадов). Иначе как на выходе получить копию исходного сигнала?

[Teoretic]

Я написал про частотнонезависимую задержку распространения сигнала, если бы она была такой большой.

Но это же фантазии. Откуда возьмутся микросекунды задержки? Если только соединять детали проводами длиной в сотни метров...

Иначе как на выходе получить копию исходного сигнала?

Условия неискаженной передачи сигнала известны. Ровная АЧХ и линейная ФЧХ в полосе сигнала.

[Petr-1951]

Иначе как на выходе получить копию исходного сигнала?

этот вопрос поднимался неоднократно. И для глубокоОСных уже вроде определились что полоса пропускания полной мощности должна быть не менее нескольких МГц, а лучше 3...5 МГц, тогда и ПСН считать (измерять) не надо. Такой усилитель сделал prophetmaster (Шаманков), была публикация в Радиоаматоре, этот же усилитель сравнивался с усилителями Виноградского и Трусова у Макарова. Разумеется речь идет об усилении звукового сигнала без искажений, а не о том какую полосу мы слышим (вопрос спорный и мало изученный).
Если учесть что фаза начинает крутиться с частоты в 10 раз меньшей (и даже раньше), то и получается чтобы пропустить все гармоники сигнала (хотя бы 10 первых) с минимальными фазовыми искажениями и нужен такой запас. Если брать 10 гармоник сигнала 20 кГц то фаза должна быть линейна до 200 кГц, а это значит что полоса должна быть не менее 2 МГц.

[Teoretic]

полоса пропускания полной мощности должна быть не менее нескольких МГц, а лучше 3...5 МГц

Offтопик:
И что, вы так просто, напрямик без детектора слушаете средние и короткие волны?
Здорово! Я не слышу.

[теоретизирующий практик]

off: кто Вам мешает высказаться по существу, а не офтопить?

Слов нет...

Offтопик:
А чём суть?

[bukvarev]

Offтопик:

И для глубокоОСных уже вроде определились что полоса пропускания полной мощности должна быть не менее нескольких МГц, а лучше 3...5 МГц

Насколько я понимаю, полоса пропускания полной мощности должна быть согласована с характеристиками усиливаемого сигнала. А для типового звукового сигнала она вообще говоря, меньше 20 кГц.
А вот точность передачи для оосного усилителя (включая и точность ФЧХ с замкнутой петлей ОООС) определяется полосой единичного усиления и максимальным усилением до охвата ОООС.

Точность передачи легко проверить, анализируя разностный файл. Если там лишь шум, некоррелированный с усиливаемым сигналом, значит точность высокая, и на слух никто различия не обнаружит. Это же очевидно. Рецепт получения такого результата - хороший конструктив и глубокая ОООС (причем требуемое качество конструктива находится в прямой зависимости от желаемой глубины ОООС).
Во всех остальных случаях (когда в разностном файле присутствует "нечто") уже требуется оценка заметности различий.

[Teoretic]

чтобы пропустить все гармоники сигнала (хотя бы 10 первых) с минимальными фазовыми искажениями и нужен такой запас. Если брать 10 гармоник сигнала 20 кГц то фаза должна быть линейна до 200 кГц, а это значит что полоса должна быть не менее 2 МГц.

Кроме всего прочего, это означает, что и динамики должны соответствовать этим требованиям. :O

[.Васильев]

С закрытым входом и недостаточной емкостью разделительного конденсатора и в нижней части спектра фаза нелинейна

[оператор]

Если брать 10 гармоник сигнала 20 кГц то фаза должна быть линейна до 200 кГц, а это значит что полоса должна быть не менее 2 МГц.

Личное мнение.
1. Записи форматов НD, например 24/192 или винил соответственно имеют реальные спектры до 40 кГц и более.
Разницу в звучании 16\48 и 24/192 услышит даже самый глухой слушатель.
Поэтому, расширени полосы тракта, включая УНЧ, кажется несомненным преимуществом.
2. Расширение полосы УНЧ благоприятно сказывается на возможности ООС отрабатывать выбросы КИ, которые в зависимости от типа ВК и примененных транзисторов имеют спектры до нескольких единиц или десятков МГц.

Фактически КИ можно рассматривать, как переходной процесс в ВК с широким спектром. Как его убрать?
- Устранить ООС,
- Снизить уровень и ограничить спектр конструктивно, топологически,
- Исправляющим сквозным током, током коррекции и тд.
Все давно известно и не стоит залезать в теоретические дебри, поскольку мы имеем возможность оперировать только той схемотехникой, которая уже есть - придумать ничего нового уже нельзя.
Все украдено до нас.