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]

А что страшного, если пробивное напряжение эмиттерного перехода больше 2-х вольт? Так что подумайте) Или конкретнее пишите, где там могут возникнуть опасные токи, если на вход дифкаскада подать 2 вольта.

Извините пожалуйста, я совсем забыл, что Вам не важна линейность. Но просто я как-то не думал, что настолько..

[fakel]

И думают, что в Analog Devices работают идиоты.

А некоторые думают, что на Веге сидят идиоты

[Mepavel]

Смоделируйте переходную хар-ку. Она линейна до 56мВ. (компенсация четных гармоник) далее начинаются искажения. А искажения первого каскада ничем не давятся

Я не понял, к чему эти банальности, речь идёт о перегрузке усилителя с обратной связью, а не без неё. Добавьте в мой усилитель эти резисторы и увидите как уже на 100 Омах в 10 раз спадёт усиление и на 15-20 дБ возрастут гармоники.

[fakel]

Я не понял, к чему эти банальности

Эти банальности - основы. Букварь

---------- Добавлено в 00:03 ---------- Предыдущее сообщение в 00:01 ----------

Добавьте в мой усилитель эти резисторы и увидите как уже на 100 Омах в 10 раз спадёт усиление и на 15-20 дБ возрастут гармоники.

А слушать синус будем?

[ViktKors]

Я хочу увидеть рабочую схему.
У которой ноль на выходе поддерживается сам;
у которой выставлены токи покоя;
у которой одим кликом мышки можно увидеть заявленные 15 МГц усиления в петле ООС (посмотреть на АЧХФ петлевого усиления).

Я сликом много прошу, когда на четвертой странице темы желаю наконец-то увидеть то, что мы тут обсуждаем??

[Mepavel]

драйверов, а не выходных транзисторов Составляющая тока перезарядки емкостей выходных транзисторов остается без изменений, а она больше в разы. Чтобы ее убрать, в том или ином виде нужно делать каскод, т.е. ставить два мощных выходных транзистора вместо одного.

Полностью согласен. А ёмкость коллекторов-то и так мизерная))) Я даже и не знал, что это называется по Ларссену. Вот и голову ломал, что же там такого удивительного. Будто бы все возможные ёмкости полностью компенсируются. Прямо чудеса!

Кстати, каскод может оказаться интересным продолжением - ток формируют один или несколько мощных RF транзисторов, у которых напряжение на коллекторе не бывает большим, а дальше как раз быстрый полевик с общим затвором, и уже не так важно, какие у него емкости и быстродействие.

Так вариант рассматривался, но всё же хотелось больше КПД. А так это ещё 2-4 вольта минимум. Хотя линейность у такого включения превосходная и задержки минимальные. Ёмкости мало влияют.

[fakel]

Зайдите в окно Tansient Analys. В главном меню выберите
Transient -> Operating Point Methods или сразу Ctrl + Shift + O.
В диалоговом окне нажмите Default и затем Ok. Возможно поможет.

Не помогло. Наверное у нас с ViktKors микрокапы неправильные

[Mepavel]

Что там дорого то? Ваши СВЧ сильно дешевле?

Маленькие в SOT23 – 8-10 рублей. В SOT-89 – 25-30 рублей. IRF по 30 рублей. СВЧ транзисторы если заказывать в большом количестве раза в 2-3 ещё дешевле будут.

И с КПД у него все в порядке

Да и горит ЛМ-ка хорошо, если с неё постоянно снимать 60 Ватт. Защита по КЗ ерундовая.

И АФЧХ ООС разведете себе какую хотите. У LM-ки она от уровня практически не плывет, в отличие от Вашей схемы.[/OFF]

АФЧХ вы не получите какую хотите. Всё упирается в задержки либо буфера, либо ЛМ-ки. Сам по себе либо буфер, либо ЛМ-ка хороши по задержкам, но вместе… под общей ООС извините…

[fakel]

все возможные ёмкости полностью компенсируются. Прямо чудеса!

Ну не хотите - не верьте. Только сначала посмотрите это https://forum.vegalab.ru/showthread....лосное-зеркало

[Mepavel]

Я хочу увидеть рабочую схему.

Схема абсолютно рабочая!

У которой ноль на выходе поддерживается сам;

Ноль там поддерживает сам! Там же обычный диф. каскад! 30 мВ на выходе допускаю (это ещё с учётом Ку=30 раз по постоянке). Никакого вреда от этого нет.

у которой выставлены токи покоя;

Токи покоя выставлены на 30-40 мА.

у которой одим кликом мышки можно увидеть заявленные 15 МГц усиления в петле ООС (посмотреть на АЧХФ петлевого усиления).

Ну это вообще жуть! Как вы собираетесь линейным анализом смотреть нелинейную схему на большом сигнале (где токи и напряжения меняются в разы? Вообще этот анализ проходит по расчёту в рабочей точке, а затем все элементы линеаризуются. Например, транзисторы ВК имеют крутизну и ёмкости, при токе покоя и т.д.
Поэтому то что Вы хотите - просто невозможно! Так что смотреть можно только анализом переходных процессов напрямую.

Я сликом много прошу, когда на четвертой странице темы желаю наконец-то увидеть то, что мы тут обсуждаем??

Всё работает, сейчас дам ссылку на мой микрокап. Я кажется понял в чём проблема.

[ViktKors]

Offтопик:

Да и горит ЛМ-ка хорошо, если с неё постоянно снимать 60 Ватт. Защита по КЗ ерундовая.

Сжечь LM-ку.. ну не знаю. наверное если в прямо в топку засунуть. Вероятно это самая защищенная микросхема УНЧ такого класса.

КЗ... ну тоже не знаю.. я с таким последний раз лет 20 назад на пьяной дискотеке сталкивался. Наверное это аргумент.

Может конечно их китайцы в подвале клепают - тогда запросто. Я обычно покупаю оригинал от официального поставщика.

АФЧХ вы не получите какую хотите. Всё упирается в задержки либо буфера, либо ЛМ-ки. Сам по себе либо буфер, либо ЛМ-ка хороши по задержкам, но вместе… под общей ООС извините…

Буфер там - штука вспомогательная. Важен там ОУ в каскаде "дополнительной" петли ООС.
В существенном диапазоне частот (не в последнюю очередь благодаря высокочастотным выходникам) все задержки там минимальнофазовые. Т.е. позволяют себя скорректировать.
Вот потому и можно крутить АФЧХ от простой ЛМ-ошной вплоть до "никовской", или еще более экстремальной. Про потенциально реализуемое качество - в ветку автора.

---------- Добавлено в 20:35 ---------- Предыдущее сообщение в 20:31 ----------

Ну это вообще жуть! Как вы собираетесь линейным анализом смотреть нелинейную схему на большом сигнале (где токи и напряжения меняются в разы? Вообще этот анализ проходит по расчёту в рабочей точке, а затем все элементы линеаризуются. Например, транзисторы ВК имеют крутизну и ёмкости, при токе покоя и т.д.
Поэтому то что Вы хотите - просто невозможно!

Да пусть его, большой сигнал-то.
Я бы с большим удовольствие посмотрел сначала на малый. Там и крутизны более менее стабильные и емкости относительно линейные и насыщения нет.
Да и слушается усилитель 99% времени на амплитуде едва-ли в 10% от максимума.
Покажите 15 МГЦ полосы, а?

Это ведь не я придумал про 15 МГц, Вы же сами говорили о них в перовм посте, значит сами не полагаете (еще вчера не полагали) это столь уж "невозможным".

---------- Добавлено в 20:36 ---------- Предыдущее сообщение в 20:35 ----------

Токи покоя выставлены на 30-40 мА.

И их я тоже хотел-бы видеть кликнув мышкой по иконке, пусть и при нулевом входном сигнале.

---------- Добавлено в 20:38 ---------- Предыдущее сообщение в 20:36 ----------

Всё работает, сейчас дам ссылку на мой микрокап. Я кажется понял в чём проблема.

Вы понимаете, что сносить/переставлять свой "неправильный" микрокап никто не будет. Тем более вчерашняя схема вполне себе работала, только не так как Вы тут описывали.
Да и реальные усилители по результатам симуляции - работают и сейчас.

Но Вы на твердом пути - такой не подведет. У нас микрокап неправильный, какой-то другой верен, Вам мы поверим на слово, и все будут довольны.

[Mepavel]

Но Вы на твердом пути - такой не подведет. У нас микрокап неправильный, какой-то другой верен, Вам мы поверим на слово и все будут довольны.

Класс!.. Чтобы моделировать, нужно хоть какое-то представление иметь о методах симуляции электрических схем. В частности о методах решения систем уравнений. И если что-то у Вас не так, то это не означает, что я выложил левые результаты моделирования. Просто может у Вас модели элементов другие. А в них глюков много. Например у BFQ149 в списке соединений стоял типа NPN, хотя это PNP.
Вот ссылка на мой MC9 http://ifolder.ru/24943326
Хотя сейчас просто пришлю файл моих моделей, может и не стоит сносить MC.

[fakel]

Просто может у Вас модели элементов другие. А в них глюков много.

Я пользуюсь моделями от производителей. А Вы?

[ViktKors]

Чтобы моделировать, нужно хоть какое-то представление иметь о методах симуляции электрических схем. В частности о методах решения систем уравнений.
...
Хотя сейчас просто пришлю файл моих моделей, может и не стоит сносить MC.

Вот хоть стреляйте меня, но не понимаю я, как можно из того, что у нас (предположительно) разные модели вывести то, что оппонент не умеет решать дифференциальные уравнения?
Это какая-то альтернативная логика??

[fakel]

может и не стоит сносить MC.

Мы пошутили

---------- Добавлено в 01:04 ---------- Предыдущее сообщение в 01:02 ----------

Это какая-то альтернативная логика??

Нет, просто демагогия

[ViktKors]

Я пользуюсь моделями от производителей. А Вы?

А я вижу в файле из стартового поста модели для
BFR90, BFR193, BFR194 и BFT92
в явном виде. И на понимаю, почему-бы не пристегнуть и остальные транзисторы подобным образом. Во избежание кривотолков.

[Mepavel]

fakel, всё разобрался в чём проблема. Я тоже пользуюсь моделями от производителей. Просто у BFQ149 в под схеме стоит тип NPN. Поэтому ничего и не работает. Я в библиотеке исправил на PNP и всё, а так всё родное! Сейчас вышлю исправленный файл. Просто тоже снёс микрокап и с нуля поставил. Естественно токи покоя зашкаливают и ничего не работает.

[Nota Bene]

Просто может у Вас модели элементов другие

Обратите внимание на тока баз Х2, Х14, Х18... Что-то не по Кирхгофовски получается...

[fakel]

Обратите внимание на тока баз Х2, Х14, Х18...

[Mepavel]

Всё! Кидаете файл ph_rfdev.lib (лежит в архиве) в папку MC9\LIBRARY (разумеется если хотите, свой файл можно сохранить в отдельном месте). Хотя я только исправил ошибку в P-SCPICE модели BFQ149 изменив тип транзистора с NPN на PNP.