Проект А без ОООС

[Mad optic]

"Зачат" новый проект - усилитель без ОООС. Причины его появления можно посмотреть здесь:
http://madoptic.narod.ru/projects/a-seb_page2.htm

Усилитель построен с использованием схемотехнических решений близких к Проект А с ОООС (https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=59713), но применены, возможно, не совсем традиционные подходы:
1) получение необходимой линейности не за счет использования линейных свойств полевых тр-ров, а применением оных с высокой крутизной (изначально разработаны для работы в ключевых схемах)
2) применение импульсного БП для питания усилителя.
Так как в УМ используется балансный выход с однотактными плечами, то потребляемый ток усилителя ПОСТОЯННЫЙ. Это и определило возможность использования импульсного БП.

Собственно, схема усилителя:



Усиление К=9.7, измерянная полоса пропускания расширилась до 500 КГц по сравнению с 255 кГц у предыдущего УМ. Частота единичного усиления 4.1 МГц. Для небалансного включения (RCA вход) по измерениям искажения на 1 КГц/1W составляют 0.046% для 8 ом. До 0.8W присутствуют только (!) вторая и третья гармоники. На 4 ом искажения очень близки по структуре.
С изменением частоты искажения не меняются. Во всяком случае, на 10 кГц изменений не видно совсем.

Максимальная выходная мощность представленного варианта составляет 10W на 10 ом. При уменьшении номинала нагрузки снижается до 8W/8ом и 4W/4ом.

Схема усилителя может быть оптимизирована под выходную мощность не менее 10 Вт для нагрузок от 4 до 8 ом (15 Вт на 6 ом) с повышением общей линейности усилителя приблизительно на 6 дБ. Сопротивление резисторов R40, 41 становится 750 ом, а R 5, 21 - 62 ом. R32 должен быть 43К. Также изменяются номиналы резисторов в истоковых цепях выходных источников тока М2 и М4 - теперь это сборки из 6 одно ваттных резисторов 3.92 ома. Ток покоя устанавливается резистором R18 3.9К на 2.28А. R2 тоже становится другим - два 2-ваттных резистора по 0.068 ом. Обратите внимание - необходимо применить другой импульсный БП. Теперь здесь можно использовать TRACO TOP 200-124 (C12 в этом случае не ставится).
Дополнительно: входная сборка должна быть FDC3601N (FDS снята с производства); операционники обязательно использовать ОРА1652 или AD823; на выходе применять можно довольно широкий выбор транзисторов, рекомендую FQP50N06L, FQP33N10L. Вместо 2SD1898 можно применить PBSS4240X.

Ниже приведена аппаратная реализация усилителя, она немного отличается от предыдущего усилителя Проект А, но корпус используется того же типа.

Собственно, п/плата усилителя 4-х слойная с металлизацией 105 мкм, размером 203х146 мм и выглядит так:


Вид спереди моноблока: , сзади:
Вид частично разобранного изделия:

Измерения усилителя приведены на сайте (по ссылке выше).

Развитие проекта - усилитель Perfectio (28 W/6 ом):

[Semigor]

Вариант УН с резистивной нагрузкой плох тем, что для получения максимального размаха напряжения на выходе, необходимо изменять ток до нуля, а это не есть хорошо.

[Mad optic]

Вариант с резистивной нагрузкой можно распаять всегда (если, конечно, компоненты не СМД) поверх другого. Я бы поставил в отверстия элементов этого каскада небольшие контакты, чтобы каждый раз печать не дербанить, и проверил/погонял оба варианта. Это такая вещь, которую нужно слушать.

Практически вся схема собрана на SMD элементах. На печатной плате расположены кроме основной схемы варианта 2 также резисторы нагрузки (R22, R23) первого варианта и, более того, цепи для организации ОООС, если проект потерпит крах .

Плата, естественно, будет качественная - четырехслойная, не менее 2.5 мм, с повышенной температурой стеклования и метализацией 105 мкм. Поэтому перепайки ей не страшны.

---------- Сообщение добавлено 21:38 ---------- Предыдущее сообщение было 21:31 ----------

Сегодня проверена работа ИП TOP-100-124 при работе на емкостную нагрузку. Модуль уверенно пускается при 9900 мкф (заявлено 10000 мкф). Линейный переходной процесс нарастания напряжения не превышает 70 мс. Импульсы на выходе в установившемся режиме не больше 140 мВ (Vp-p) с периодом 5 мкс, что легко давится практически до уровня шума.

---------- Сообщение добавлено 21:44 ---------- Предыдущее сообщение было 21:38 ----------

Проработан также вариант масштабирования усилителя до уровня 90 ВТ в классе А на 8 ом. Один канал потребляет около полукиловатта (питание 48В) и вместо каждого транзистора на выходе стоят "четверки". Конструктив, конечно же, должен кардинально отличаться, чтобы рассеять такую мощность.

[Latvian]

Интересная тема.Когда-то собирался сделать нечто подобное на лампах. Возникли пара вопросов. Будет ли целесообразным отделить питание УН хотя бы RC цепочкой? Обязательно ли для выходных ИТ применять ОУ, если да,то может стоит их запитать через отдельный стаб?

[Mad optic]

Будет ли целесообразным отделить питание УН хотя бы RC цепочкой?

Смысла в том немного, т.к. в звуковом диапазоне колебания тока потребления всего УМ очень малы. Выше приводились данные и результаты моделирования.

Обязательно ли для выходных ИТ применять ОУ, если да,то может стоит их запитать через отдельный стаб?

Нет, совсем необязательно. Можно применить другие схемы стабилизации тока ИТ.
Смысла питать через отдельный стабилизатор ОУ совершенно нет по указанной выше причине - напряжение питания весьма стабильно и никаких сигнальных токов (при правильной разводке) по шине питания не "бегает". Поэтому выходное сопротивление источника напряжения тоже не играет какой-либо роли. Но на всякий случай зашунтировано емкостями, которые может потянуть ИП.
При работе с импульсным ИП бесплатно еще получаем такой бонус - питание на выходе стабилизировано с постоянным значением КПД источника питания. Для класса А это существенно, т.к. например, при изменении сетевого питания от 207 до 232 В (типичный случай) рассеиваемая мощность всего усилителя изменяется на 25% (!). Это приводит к тому, что это избыточное рассеивание приходится закладывать в конструкцию. С импульсным ИП такой проблемы нет.

[Semigor]

Кстати, не стоит ставить резисторы в затворы полевиков ГТ. Из-за них выходное сопротивление на высоких частотах уменьшается с десятков кОм до сотен Ом.

[Mad optic]

Кстати, не стоит ставить резисторы в затворы полевиков ГТ. Из-за них выходное сопротивление на высоких частотах уменьшается с десятков кОм до сотен Ом.

Если заметили, они стоят и, более того, они больше, чем в затворах повторителей. Вызвано это работой УМ с импульсным сигналом - есть необходимость сгладить некоторые переходные процессы. Выходное сопротивление ИТ ближе к мегагерцам не думаю, что играет какую-то роль для целей применения усилителя.

[Semigor]

Микрокап показывает около 500 Ом на 20 кГц, против 20кОм без резистора.

[Mad optic]

Микрокап показывает около 500 Ом на 20 кГц, против 20кОм без резистора.

Не знаю, что там Микрокап показывает, но:
1. Изменение выходного сопротивления на частоте 20 кГц по отношению к 1 кГц (или ниже) составляет 1.6 дБ с резистором 100 ом. Согласитесь, немного. В 1.2 раза, а у вас изменение в 40 раз.
2. Если убрать резистор, то эта частота (-1.6 дБ) сдвигается на 690 кГц. Но меня не очень волнует линейность/постоянство вых. сопротивления ИТ в диапазоне от 20 кГц до 690 кГц, почему-то.
3. На низких частотах, например на частоте 1 кГц и ниже, особой разницы в выходном сопротивлении ИТ при наличии или отсутствии резистора в цепи затвора мое моделирование не показывает.

Интересно было бы узнать ваше объяснение роли этого резистора в выходном сопротивлении ИТ на низких частотах.

[Semigor]

1. Изменение выходного сопротивления на частоте 20 кГц по отношению к 1 кГц (или ниже) составляет 1.6 дБ с резистором 100 ом. Согласитесь, немного.

Интересно, хотя модели полевиков далеки от совершенства, но на порядки вроде Микрокап не врет. А как и чем Вы моделировали?

Интересно было бы узнать ваше объяснение роли этого резистора в выходном сопротивлении ИТ на низких частотах.

Не на низких, а на высоких звуковых частотах. За счет емкости сток-затвор образуется OOC, уменьшающая выходное сопротивление с увеличением частоты.

[Latvian]

Насколько критичен подбор выходных пар? Ведь равенство токов плеч не обеспечит однозначно одинаковость потенциалов на выходе.Предусмотрена какая- нибудь подстройка?

[Mad optic]

Насколько критичен подбор выходных пар? Ведь равенство токов плеч не обеспечит однозначно одинаковость потенциалов на выходе.Предусмотрена какая- нибудь подстройка?

Да, R28 состоит из 100к + 510 ом. а R29 из 100к + подстроечный резистор на 1к. Это единственная подстройка в усилителе.

---------- Сообщение добавлено 17:32 ---------- Предыдущее сообщение было 17:22 ----------

Интересно, хотя модели полевиков далеки от совершенства, но на порядки вроде Микрокап не врет. А как и чем Вы моделировали?

LTSpiceIV. Spice-модели от производителей.

Не на низких, а на высоких звуковых частотах. За счет емкости сток-затвор образуется OOC, уменьшающая выходное сопротивление с увеличением частоты.

Потому и спросил, что разницы между ВЧ звуковых частот и НЧ не может быть существенной в принципе для данной элементной базы. Поэтому, если у вас такие большие изменения на 20 КГц, то и на НЧ того же порядка будут. И чем это объяснить?

[Latvian]

Балансный вариант, насколько я понимаю,получается снятием земли с R34-C18? И еще: в железе это уже есть?

[Orion33]

И чем это объяснить?

ИМХО, это можно объяснить только разными движками симулятора и разными моделями, которые в любом случае отличаются от оригинала. Так что это не есть повод копья ломать ;)

[Mad optic]

Балансный вариант, насколько я понимаю,получается снятием земли с R34-C18?

Да схема сделана так, чтобы с помощью переключателя на задней стенке можно было задействовать XLR разъем.

И еще: в железе это уже есть?

Еще нет, но будет. Сейчас идет разводка платы и уже закуплены комплектующие. Процесс сборки и тестирования будет также подробно описан, как и для предыдущего усилителя с ОООС (на сайте madoptic.narod.ru).

[Semigor]

Выходное сопротивление Rout = Ud/Id,
где
Ud –изменение напряжения на стоке;
Id –изменение тока стока.

В первом приближении будем считать, что
а) на низких частотах Rout очень велико;
б) изменение напряжения на истоке (Us) равно изменению напряжения на затворе (Ug).

Из-за емкости сток затвор изменение напряжения на стоке будет проникать на затвор с ослаблением в K раз, где
K = корень из (1+1/(4*пи*пи*f*f*Rg*Rg*Cdg*Cdg));
Rg –сопротивление в затворе; Тогда можно записать:
Rout = Ud/Id= Ud/(Us/Rs) = Ud/((Ud/K)/Rs) = Rs*K,
Где Rs– сопротивление в истоке транзистора.

Cdg– емкость сток-затвор.


С учетом сдвига фазы на 90 градусов окончательная формула будет выглядеть так:
Rout = Rs*K*1.41

Для Rg= 100 Ом, Cdg = 250 пФ,на частоте 20кГц
К = 450,
тогда для Rs= 0.98 Ом
Rout= 0.98*450*1.41=622 Ом,
что хорошо согласуется с результатами моделирования в Микрокапе.

На 1кГц выходное соответственно примерно в 20 раз больше, и т. д.

[Mad optic]

Уважаемый Semigor,

Подставил указанные вами исходные данные в приведенные вами формулы и получил К=318 вместо 450. Непонятно как у вас так получилось. Происхождение формулы "пи*пи" мне неизвестно, но тем не менее, вывел свою исходя из указанных вами предположений и опять получил 318. Но не в этом суть.
В ваших рассуждениях общая логика ясна и изъяна в ней я не нашел, но проблема возможно, кроется в предположении а). Если вы заметили я приводил значение изменения в дБ выходного сопротивления на 20 кГц по отношению к 1кГц и НЧ диапазону (скажем до 10 Гц) и только. Моделирование в spice с учетом большего количества значений четырехполюсника дает в этом диапазоне (НЧ) относительно ровную "полку" выходного сопротивления, и она намного ниже предположения а). Все это я к тому, что значение Rg имеет некоторое пороговое значение, ниже которого в звуковом диапазоне его влияние нивелировано другими параметрами. Это и показывает моделирование в Spice.
Пока вот такое у меня объяснение.

[Semigor]

У меня тоже получается 318, описка.
Наверное только живые измерения покажут какой симулятор или модель врут

[Mad optic]

Плата ушла в производство, идет оптимизация схемы для получения максимально возможной линейности.

Если кто-нибудь присматривается к мощным импульсным ИП для аналогичных целей, взгляните на Traco THX 480-148 (до 50В, 10А). Очень немногие импульсные ИП могут работать на емкостную нагрузку. Этот держит 25 000 мкф.

[Latvian]

Отрадно, что проект не заглох.

[Mad optic]

В первом сообщении ветки добавлена обновленная оптимизированная схема.

Уважаемый PMCF,

После оптимизации схемы, интересовавшее вас значение колебаний суммарного тока уменьшено в пять раз до всего 9 мА (p-to-p). Форма тока тоже в порядке:


Немаловажно то, что емкости фильтров при этом отключены.

---------- Сообщение добавлено 23:36 ---------- Предыдущее сообщение было 23:29 ----------

Уважаемый Semigor,

Зависимость тока стока в источниках на тр-рах М2 и М4 от частоты выглядит теперь так:

Чтобы получить гладкую х-ку в такой широкой полосе пришлось увеличить номиналы емкостей С8 и С16, а также уменьшить значения R11 и R12. Ранее ровная х-ка была только в полосе звуковых частот, далее ток рос по мере увеличения частоты до определенного значения.

R7 и R6 тоже пришлось подправить, но это следствие изменений в коэффициенте усиления УН (R40, R41), который подбирался по минимуму искажений на 1w.