Усилитель просто с высокими параметрами

[krulfa]

Собственно, сабж. В модели показывал THD около 0.0002% на 20К, 50Вт и 8 Ом.

Выход без реле, поэтому стоит отсекатель на полевых транзисторах. Левее - схема автоматического регулирования тока покоя с кучей транзисторов. Ну а еще левее - собственно усилитель. Коэффициент усиления - 37 дБ, предназначается, чтобы подключать к источнику просто через регулятор громкости. Так и сделано на шасси усилителя Одиссей-010. Глубина ООС на 20 кГц ~73 дБ расчетная.

Избыточность схемотехники есть, задача ставилась, чтобы просто заработало с первоначальной идеей и в той печатной плате, которая была когда-то заказана.

Еще есть стабилизатор напряжения +-37В с плавным включением, стаблизатор на +-60В и схема управления, но к усилителю это не сильно относится.

При прослушивании были успешно переиграны Cambridge Audio Azur 840 и семиканальный Arcam, по внешнему виду, кажется, P777, может быть, предыдущая модель. Источником был небезызвестный CD-плеер Arcam с Ring DAC, колонки Monitor Audio Gold.

Сейчас интересно послушать и сравнить с чем-нибудь еще.

Хронология создания:
Начало в 2005 году - первое моделирование, выбор элементной базы.
Январь 2006 - первый макет. Простой ВК, простой дифкаскад на ПТ. Расчетный КНИ 0.02% на 20 кГц. Макет звучал хорошо и объемно, что сохранилось и впоследствии. Принято решение добавлять усилитель тока на Т3 Т6.
Лето 2006 - готова модель с усилителем тока.
Зима-весна 2007 - начались эксперименты с моделью ВК в классе Super A. Цепь L1 L2 R44 R38 приобрела свои очертания. THD 0.0033%.
Июнь 2007 - совмещенный каскад SuperA и АВ моделирует THD 0.0006%
Август 2007 - появилась схема автоматического регулирования тока покоя. Схема приобрела рабочие очертания.
Лето 2007 - разводка и изготовление основной ПП.
Зима 2008 - сборка одного канала.
Весна 2008 - началась отладка, проверка моделей. Схема управления током покоя переделана с транзисторов на TL431. При нормальной работоспособности на малом сигнале остался один мощный возбуд на большом сигнале, причина которого неясна.
Апрель 2008 - смоделирована зависимость КНИ от тока покоя и эмиттерных резисторов. Найден минимум, который показал несостоятельность совмещения Super A и АВ. Переделано на AB, THD 0.0002%
Октябрь 2008 - найдена причина возбудов ВК. Добавлен двухступенчатый ограничитель D9 D10 D8 D12 LED3 LED4. ВСЕ! ПАШЕТ!!!
Ноябрь 2008 - усилитель собран в корпус и начал эксплуатироваться.
Декабрь 2008 - первое прослушивание (сравнение с Arcam и СА).
Начало 2009 - первые измерения THD (0.002% - 0.007%). Попытка уточнить модели и найти расходжения.
Лето-осень 2009 - усложненная перспективная модель показала 0.00002% на 20 кГц.
Ноябрь 2009 - устранение синфазных подвозбудов, улучшение тепловой стабильности тока покоя, правка входного каскада.
Декабрь 2009 - переделка входных цепей.
Январь 2010 - второе прослушивание.
Февраль 2010 - замена БП.
Март 2010 - попытка улучшить КНИ путем замены каскада УН на биполярный Шиклай и включения плавающего каскода во входном каскаде.
Май 2010 - третье прослушивание прослушивание показало проблемы с объемом звучания. Вернулся к первоначальной схеме входного каскада без плавающего каскода, заменил УН на составной источник тока. Убраны все "железяки" из путей прохождения сигнала на выходные клеммы. Результат - звук супероткрытый, эмоциональное впечатление перестало зависеть от уровня громкости.
Июнь 2010 года. Измерил КНИ, график и некоторые спектры приложены: правый канал 3 кГц под нагрузкой 50 Вт (0.00071%) и без нагрузки (0.00046%), правый канал IMD 14+15 кГц (0.00022%) и левый канал на 50 гЦ, чтобы посмотреть очаровательную гребенку помех от БП (0.0032% из-за этого).
P.S. Спектры не показывают реальный КНИ; так как использовалась измерительная приставка, их нужно читать: уровни гармоник и шумовую полку уменьшать на 24 дБ, т.к. уровень основной гармоники около -16 дБ
19.06 Вернул обратно следящий каскод входного ДК, но по другой схеме - звучит лучше.
17.07 Усилитель получил имя - Mont Blanc (или Монблан по-русски) по имени высочайшей горы Европы, находящейся в Альпах.
24.10.10 Уменьшил индуктивность выходного дросселя, добавил цепь Цобеля, изменил включение снабберной цепочки в ВК. Прослушивание выявило значительное влияние на звук процессов внутри БП, поэтому дальнейшие работа по доводке данного экземпляра усилителя прекращаются.


Жертвы:
Два стабилитрона на 6.8В, один на 15В и одна TL431 (два КЗ щупом по питанию и неправильный монтаж). Один 2705 и 315 (сгорели при КЗ щупом в схеме управления током покоя). Резистор на 1 Ом (погиб при испытании схемы защиты). Два транзистора в стабе 37В (КЗ крышкой уся на корпус при надевании). Транзистор управления реле сигнала (КЗ на выходе). Два BS250 в разное время в одном месте (причина неясна, возможно КЗ щупом). LED4 (перегрелся после выхода BS250). Резистор на 3 Ом (погиб при просмотре формы тока нового транса). Последнее КЗ соплей припоя унесло T14, а вместе с ним - и весь стаб на -60В, что меня удивило, так как последний был защищен самовосстанавливающимся предохранителем.

Федор Круль.

[Mad optic]

Уважаемый Prophetmaster,

Я только о величине перерегулирования написал, т.к. вы упомянули меандр. Ничего более не имелось в виду.


Уважаемый Sagittarius,
В ответ на это - "Малый сигнал или большой определяется НЕ амплитудой, оценочно, а РЕЖИМОМ работы активного элемента, когда его ток (напряжение на нём) достигают предельно возможных величин.", могу сказать, что, конечно, большое спасибо за такие разъяснения, но я бы рекомендовал внимательно посмотреть (в симуляции, например, но если хотите, то и осциллографом) где и что достигает "предельно возможных величин" в режиме МАЛОГО СИГНАЛА, при котором выброс все равно присутствует и на АЧХ и для меандра.

Думаю, тут дискуссию можно на эту тему закрыть, чтобы не флудить в ветке. В этом усилителе присутствуют существенные проблемы, и стоит обсуждать как их исправить.

[Prophetmaster]

Sagittarius,

Offтопик:

Посмотри на зуевский усь, верне, на самое странное в нём. ИМХО, это дроссели в эмиттерах входной четвёрки. Вот поэтому - зуевский рулит. В ВВ-2008 стоит RC-цепь на входе, её тоже можно легко найти, потому что мало у каких усилителей она есть. В СЛ Агеева подобную цепь не так легко найти, а протянута она от И-входа до общего.

Offтопик:
Это Вы про борьбу с проблемой написали, а меня больше интересует сам механизм возникновения перегрузки УН при 1 мВ "хорошего меандра" на входе. Любопытсво не праздное - мне скоро придет функциональный генератор и я хочу понять, чем рискую, подавая на вход своего нового УМ меандр большой частоты - планировал до 100 кГц посмотреть.

[A.R.]

Sagittarius,

Offтопик:
Это Вы про борьбу с проблемой написали, а меня больше интересует сам механизм возникновения перегрузки УН при 1 мВ "хорошего меандра" на входе. Любопытсво не праздное - мне скоро придет функциональный генератор и я хочу понять, чем рискую, подавая на вход своего нового УМ меандр большой частоты - планировал до 100 кГц посмотреть.

Offтопик:

Емкость при перезарядке потребляет/выделяет ток, пропорциональный скорости изменения напряжения. Обычно УН имеет некий фиксированный ток покоя, и, если постараться, его можно превысить, тогда он отключится, генерируя жесткие искажения. Виктор, правда, по обыкновению, драматизирует. Чтобы фронт амплитудой 1мВ перегрузил типичный УН, надо, чтобы этот мВ нарастал за очень малое время.
Меандр же убить усилитель может по другой причине. Импульсные сквозные токи при переключении плеч ВК, если они часто и долго повторяются, могут его перегреть со всеми вытекающими в виде вторичного пробоя.

[Prophetmaster]

Offтопик:
A.R.,

Чтобы фронт амплитудой 1мВ перегрузил типичный УН, надо, чтобы этот мВ нарастал за очень малое время.

Рассчетная скорость нарастания - около 250 В/мкс.

Меандр же убить усилитель может по другой причине. Импульсные сквозные токи при переключении плеч ВК, если они часто и долго повторяются, могут его перегреть со всеми вытекающими в виде вторичного пробоя

Вот поэтому я и сомневаюсь. А можно этот параметр как-то оценить без особого риска?

[A.R.]

Offтопик:
A.R., Рассчетная скорость нарастания - около 250 В/мкс.

Ну вот, умножаем на емкость (допустим, в микрофарадах) получаем ток в амперах, который должен обеспечить каскад. У Баксандалла, вроде, подробно это все описано.

Offтопик:

Вот поэтому я и сомневаюсь. А можно этот параметр как-то оценить без особого риска?

Признаться, не владею, только эмпирически. Чем выше ft выходных транзисторов, тем меньше сквозные токи при переключении. lm3886 я мучил 12 кГц меандром без проблем, на хорошем радиаторе.

[Prophetmaster]

Offтопик:
A.R.,

Чем выше ft выходных транзисторов, тем меньше сквозные токи при переключении.

160МГц

lm3886 я мучил 12 кГц меандром без проблем, на хорошем радиаторе

Понятно, спасибо.

[Валет]

Сейчас интересно послушать и сравнить с чем-нибудь еще. Просто продолжать улучшать THD, может быть, и не стоит, так как может разрушиться звуковой баланс.

Федор

10 лет назад я озадачился разработкой усилителя с, примерно, Вашими (измеренная глубина ООС на частоте 20 кГц составляет 80 дБ) требованиями. Усилитель с колонками «радиотехника S-90» эксплуатирую 7 лет, знакомые отмечают чистоту и прозрачность звучания на средних и высоких частотах. Если интересно послушать и сравнить на Ваших колонках, можем договориться. Готов ответить на Ваши вопросы.
А вот мой вопрос к Вам. Что вы подразумеваете под звуковым балансом, и как его может разрушить уменьшение THD?

[Sagittarius]

По существенным моментам усилителя. Схема - а-ля Холтон: входной дифкаскад, 2к - дифкаскад с нагрузкой на токовое зеркало. Коррекция неоптимальна. Для первого уся более чем здорово - беспесды, по чесноку, но над агрегатом ещё надо поработать.

[Shurik]

10 лет назад я озадачился разработкой усилителя с, примерно, Вашими (измеренная глубина ООС на частоте 20 кГц составляет 80 дБ) требованиями

Схему не выложите?

[Sagittarius]

Уважаемый Sagittarius,
я бы рекомендовал внимательно посмотреть, где и что достигает "предельно возможных величин" в режиме МАЛОГО СИГНАЛА, при котором выброс все равно присутствует и на АЧХ и для меандра.

Меандр - это для усилителя никак не режим малого сигнала, отсылаю Вас к Яндексу: Статические и динамические параметры нелинейного элемента.

Если изменения напряжений и токов в НЭ в результате воздействия сигнала таковы, что нелинейностью его ВАХ в рабочей точке можно пренебречь, то режим нелинейного элемента можно считать линейным. Его называют режимом малого сигнала.
Режим большого сигнала характеризуется тем, что сигнал, приложенный к нелинейному элементу относительно рабочей точки, занимает большую часть нелинейной ВАХ. В этом случае форма тока не соответствует форме приложенного напряжения, т.е. имеет место нелинейное преобразование сигнала.

Если у Вас усь усиливает меандр в режиме малого сигнала, непонятно, как вывести его в режим большого сигнала.

[krulfa]

krulfa, извините за банальный вопрос - на входах RC-цепочки, ограничивающие входную полосу, стоят?
3,3 кОм я увидел в схеме, а емкость?

А емкость - это С5, 75 пФ, я ее решил подключить не напрямую на землю, а под постоянное напряжение, снимаемое с С3. По правде 75 пФ - это много, если получать сигнал через переменный резистор в 20-50 кОм. Уменьшу.

На предмет скорости нарастания, вот данные с одного канала (второй пока лечится) - осциллограмма вход-выход на синусе 600 кГц. Входное напряжение отмасштабировано, чтобы кривые шли параллельно.

На первом фото без нагрузки амплитуда около 60Vпп и скорость нарастания аккуратно 100 В/мкс (40 вольт пролетает за 0.4 мкс).

На втором фото то же, но при подключенной нагрузке 8 Ом. Вытянул только 50Vпп, защита вырубает, но 70 В/мкс там тоже есть.
Тянуть дальше смысла нет, при полосе пропускания 2-3 МГц на частоте 600 кГц ООС нелинейные искажения устранять не способна. Входной сигнал, кстати, кривоват - простенький генератор осцилла форму не тянет. Именно на нем можно видеть неровности.

Включать такой режим нужно очень плавно, чтобы схема управления током покоя успела выключить смещение в выходном каскаде из-за большого сквозного тока. Вообще приращение сквозного тока становится заметным уже к 100 кГц.

Я, пожалуй, перебрал насчет 1000 В/Мкс, такой режим создать не удается даже в симуляторе. Я это видел, пока модели были слишком оптимистичные.
Предлагается картинка из симулятора при подаче на вход импульса 0.5 нс 200 мВ через 50 Ом без С3.
First - это сток транзистора Q8, а PV1, PV2 - токи транзисторов T3, T6. На фронте импульса First около 125 В/мкс. Что важно, срыва слежения ООС не происходит, каскад T3 и T6 продолжает работать в линейном режиме, используя лишь 30% тока! Поэтому динамических интермодуляционных искажений не предвидится.

[krulfa]

А вот мой вопрос к Вам. Что вы подразумеваете под звуковым балансом, и как его может разрушить уменьшение THD?

Звучание усилителя - теплое, "золотое", я бы сказал. А можно получить более точное, но сухое, безжизненное звучание, сравнявшись со звучанием конкурентов и потеряв ту изюминку, которая нравится.

[Валет]

Схему не выложите?

У меня нет схемы в виде, пригодном для выкладки. Есть черновики на миллиметровке. В двух словах, устройство состоит из двух усилителей, включённых последовательно. Первый – на операционнике 544УД2. Второй – УМ по типовой (Д.К. – У.Н. – О.К.) схеме. В устройстве две петли ООС. Одна – с выхода на вход УМ, другая – с выхода на вход операционника. Для получения малых искажений нужна также правильная организация земляной шины, она должна быть эквипотенциальной. В устройстве в качестве земляной шины используется вся поверхность металлизации стеклотекстолитовой платы, монтаж организован так, что тока в ней практически нет.

Добавлено через 1 минуту

Звучание усилителя - теплое, "золотое", я бы сказал. А можно получить более точное, но сухое, безжизненное звучание, сравнявшись со звучанием конкурентов и потеряв ту изюминку, которая нравится.

Один непонятный термин Вы подменили другими, столь же неопределёнными.

[Mad optic]

Sagittarius,

Ну хорошо, давайте пойдем простым логическим путем.

Представим себе ну очень маленький по амплитуде меандр, такой "что нелинейностью (...) ВАХ в рабочей точке можно пренебречь, то режим нелинейного элемента можно считать линейным." При этом имеется в виду ВАХ любого элемента в усилителе. Вот такой маленький сигнал

Так вот при этом выброс на выходе у меандра все равно будет, а усилитель будет работать в режиме малого сигнала согласно приведенному вами же определению. Заметьте, даже данное в вашем примере определение режима малого сигнала не касается ЧАСТОТНЫХ свойств элементов и постоянных времени, а имеет отношение только к ВАХ и величине воздействия по амплитуде. Наличие в сигнале даже фронта с очень высокой крутизной еще не повод говорить об обязательном выходе элементов из линейного режима (или режима малого сигнала), хотя такое при определенных условиях может случиться.

Вызвать перерегулирование можно при определенных условиях даже в любой пассивной цепи второго порядка. Там вопрос малого или большого сигнала вообще "не стоит", а перегрузки тем более. Это для примера.

Короче, я назвал приблизительную величину перерегулирования основываясь на размере выброса на АЧХ и это совсем НЕ означает, что данный усилитель обязательно выйдет при этом из режима малого сигнала или, как вы писали, получит перегрузку.

P.S. Все же лучше давайте завершим эту совершенно бесполезную и отвлеченную от темы ветки дискуссию и хорошо бы чтобы вы дали советы автору как привести усилитель в приемлемое с точки зрения ТАР состояние.

[Prophetmaster]

krulfa,

Звучание усилителя - теплое, "золотое", я бы сказал. А можно получить более точное, но сухое, безжизненное звучание, сравнявшись со звучанием конкурентов и потеряв ту изюминку, которая нравится.

Такое может случиться со звуком, если в погоне за низким Кг переборщить с глубиной ОООС в звуковом диапазоне, путем введения более сложных коррекций. У меня такой опыт был.
Mad optic,
Из всего Вами выше изложенного я понял, что не так страшен высокочастотный меандр, как его малюют, но увлекаться им тоже не стоит при измерениях. Как тогда безопаснее оценить скорость УМ, если рассчетное значение велико - около 250 В/мкс? Генератор позволяет меандр с очень крутыми фронтами получить, около 300 В/мкс. Я думал сделаю частоту побольше у меандра небольшой амплитуды, на нагрузке 8 Ом, и все видно будет - но что-то страшновато немного.

Offтопик:
P.S.
Как "Project A" поживает?

[Mad optic]

Уважаемый Prophetmaster,

Ключевой вопрос - а зачем такие скорости нарастания? ...Если схема "не готова" работать в таком режиме и за нее страшно (щютка)

А вообще, чтобы не спалить попробуйте поработать с сигналом небольшой частоты, например до 10КГЦ, но полной амплитуды. Там все и увидите, если осц. позволит, и вероятность спалить будет меньше.

Offтопик:
Все образцы Project A, как им и положено, уже много месяцев работают, радуют своим звуком, и необходимости влезать внутрь никакой не было.

[Prophetmaster]

Уважаемый Mad optic,

Ключевой вопрос - а зачем такие скорости нарастания?

Как-то само получилось

А вообще, чтобы не спалить попробуйте поработать с сигналом небольшой частоты, например до 10КГЦ, но полной амплитуды. Там все и увидите, если осц. позволит, и вероятность спалить будет меньше.

Спасибо, так и сделаю, прибор Hameg до 20 МГц - все можно увидеть.

Offтопик:

Все образцы Project A, как им и положено, уже много месяцев работают, радуют своим звуком, и необходимости влезать внутрь никакой не было.

Я это и имел в виду Радуют - это хорошо!

[krulfa]

Надоело наблюдать непонятности с токами покоя, взял и выкинул из схемы все переменные резисторы. Подобрал стандартные номиналы, с идентичными номиналами получил в двух каналах токи и напряжения с разбросом +-5%. Ток покоя на холодном усилителе 0.29-0.30А.

А на горячем - та же история, что была с самого начала: с одном канале вырастает до 0.33А, что не для меня не критично, а во втором уже 0.39 и уже попахивать начинает. При этом контрольное напряжение в "нулевой" точке петли регулирования тока покоя (правый диода D34) относительно шины 60В почти не изменилось -4.61-4.62 В на горячем против -4.59 - 4.60 на холодном усе.

Значит, "плывет" низ схемы, т.е. дифкаксады. На "больном" канале нашел разницу в 7 мВ в напряжениях БЭ транзисторов T29, T33 - это много, так как увод на 90 мА дает 9 мВ. На других меньше; однако, больше всех разница на транзисторах типа 2N2222. (Может, их и не покупать больше, так их как клепают все, кому не лень?).

Тут только вспомнил, что транзисторы в пары, кажется, не подбирал. И, наверное, был немного наивен, надеясь, что схема на дискретах будет держать увод в единицы милливольт.

Это была проза. А теперь поэзия. Я наконец-то перепаял С3, как это было обещано на странице 3 и, как говорится, слегка офигел. На полной громкости звук еще более прочистился, "верхи" отделились наконец от твитеров и полностью локализовались в центре, там где источник, составив компанию "середине". Локализация четко различается вправо-влево сантиметров 30. А то раньше на большой громкости "верх" хоть немного, но расползался в ширину.

Уменьшить емкость С5 не удалось - при 22 пФ вместо усилителя получился качественный генератор меандра. В общем-то, этого следовало ожидать, проблема не в схеме, а в печатке. Сигнал 20V с выхода подается практически в ту же точку, куда и входной сигнал 0.3V - расстояние между дорожками и контактами 5-10 мм, а монтажная емкость в доли пикофарад присутствовать обязана. Симулятор здесь безжалостен: паразитную емкость 0.1 - 0.2 пФ с выхода на вход схема держит, а с 0.5-0.7 пФ без вариантов "заводится". С учетом Ку=60 очевидно, что 22 пФ с задачей не справятся.

Нужно было бы поставить емкость параллельно R40, но ее расчетная величина менее 1пФ, и на данной плате ее правильно не впаять. В следующей версии печатки поставим цепочку из SMD, чтобы несколько маленьких кондеров можно было поставить последовательно.

[Sagittarius]

Наличие в сигнале даже фронта с очень высокой крутизной еще не повод говорить об обязательном выходе элементов из линейного режима (или режима малого сигнала), хотя такое при определенных условиях может случиться.

Эти условия выхода из линейного режима есть в любой схеме. Меандр с высокой "крутизной" - это, по Фурье, рад ВЧ и СВЧ гармоник. Их надо прокачать через усь с большими ёмкостями Скб и коррекции. Для их зарядки до нужной величины требуется некий ток. Чем круче меандр, чем высокочастотнее усиливаемый сигнал, тем этот ток больше. Для получения большого тока рабочая точка должна как угорелая метаться по экспоненциальной входной характеристике биполярного транзистора. Чем шире диапазон метаний, тем больше искажений плодит каскад.

Вывод: ваш маленький нежный усь нужно охранять от прокачки злыми жестокими ВЧ-сигналами гармоник и наводок.

krulfa, нельзя ли гвыложить окончательную на данное время схему?

[krulfa]

krulfa, нельзя ли гвыложить окончательную на данное время схему?

Схема не окончательная, но это то, что сегодня играет у меня за спиной. С3 поставлю 1 мкф, так как показалось, что бас стал немного менее точным.

По ходу исправил некоторые номиналы, так как запаивал кое-где не то, что планировал, а то, что было в закромах родины. Но это несущественные вещи. Изменения в основном в схеме управления током покоя.