Концепция усиления "Наездник"

[Malinovsky D]

Коллеги, хочу представить вам концепцию УМ.

Поскольку наиболее веселой идеей был отказ от отдельного усилителя напряжения и расположение источника сигнала между входом и цепью ПОС с целью получения Ку по напряжению, то "сидящий" на выходном напряжении вход почему-то вызывал ассоциацию наездника на лошади. Так оно и осталось. Типа, зачем таскать лошадь (мощный повторитель) с плугом (нагрузкой) за поводья, если можно на лошадь сесть?

Возможно, на Веге уже мелькали подобные идеи. Но поскольку изобретение велосипедов - дело дюже увлекательное, тоже приболел.

Все началось с того, что этим летом я услышал наши твитеры SRT-7 на посредственном усилителе и был опечален. Наша няшечка играла ВЧ так, как будто не хотела, чтобы ее оставили в этом доме. Чистенько, но без волшебства. Стало понятно, что пускать на самотек вопрос с усилением для нас нехорошо.

Поэтому была вспомнена молодость и начались разминки для мозгов. Вега была тоже проштудирована на предмет того, чтобы, по возможности, не повторяться. Ибо хорошие идеи лучше не копировать, а использовать.

Начнем с выжимки идеи. Вряд ли мы будем запускать именно такую схему. Это именно идея - "схема на четырех транзисторах и трансе 1:1". По правде сказать, на Веге есть подобные компоновки, но в этом концепте некоторые идеи доведены до абсурда с целью получения максимального эффекта. В то же время, даже такая упрощенная схема обладает весьма приятным сочетанием параметров. Для шести активных элементов у нее довольно низкий уровень искажений и очень широкая полоса пропускания (в конце поста есть модель в МС9)

Здесь использовано несколько фишек:
1. Отсутствие усилителя напряжения. Его функции выполняет ПОС по напряжению. ПОС лучше выводить не с выхода УМ, а из промежуточных каскадов, чтобы не увеличивать искажения. Побочный эффект - вход через транс. Можно и без него, ибо землю можно подцепить к чему угодно. Но тогда есть сомнения с наводками и возникает вопрос ремонтопригодности. Источники питания, не привязанные к земле, могут вызвать истерику у сервисного инженера. Поставим сигнальный развязывающий транс.
2. Глубокая ООС выходных транзисторов (эта петля предельно короткая, поэтому очень быстрая - полоса работы повторителя запросто уходит за 20 МГц, с этим нужно быть осторожным)
3. Отсутствие общей ООС (не ново)
4. ПОС по питанию раскачивающей части (тоже не ново, но здесь к месту)
5. Высокая крутизна выходных транзисторов без использования резисторов в цепи истоков (эмиттеров) уменьшает гармоники высоких порядков. Задачу регулирования смещения будет выполнять другая схема. Сюда легко подойдет схема Ефремова. Мы будем юзать свою. Чуть более замороченную, но более точную. Здесь она не показана.


Вообще говоря, есть планы делать свои УМ-ы. В связи с вышеописанным случаем с нашими твитерами.
Зачем я публикую это?

Ну во-первых. Если что-то берешь из копилки, в нее нужно тоже что-то класть. Пусть будет в общей копилке. Тем более, идеи еще не дошли до паяльника и запросто могут остаться в столе - не лучшее место для идей.

Во-вторых. Я не исключаю, что точно такая же топология уже придумана, или скоро будет придумана. Тема крысятничества идей мне органически противна, особенно, если это связано с коммерческой деятельностью. А у нас все заработки связаны только со звуком. Поэтому лучше выложить сейчас, чем потом писать "а мы это уже придумали два года назад, но не опубликовали" - жалкое зрелище...

В-третьих. Если дело дойдет до паяльника, то будут киты, однозначно. Поэтому никакой тайны с этим не будет.

В-четвертых. Итоговый результат зависит от конкретной реализации в железе, поэтому сама по себе схема - это всего лишь схема. Мы будем юзать свой БП. Для УМ 2*100 Вт это будет такая хрень с импульсной накачкой силового добротного LC-контура реактивной мощностью в районе 1500-2000 ВА на частоте в районе 100 кГц со стабилизацией среднеквадратичного значения синуса на контуре. С контура будет забираться синусная переменка с выпрямлением RMS синуса, а не по его пикам. Дабы обеспечить непрерывное течение тока. Ну типа, это круто.
У нас по этому принципу работала индукционная печка с реактивной мощностью в контуре чуть больше 100 000 ВА и активной мощностью 5 кВт (частота 60-80 кГц), так что сложностей с реализацией мощности на порядок-другой меньшей не ожидается.







Элементов мало, поэтому коротко.
Х1 - входной повторитель с максимально высокой крутизной (низким выходным сопротивлением). ПОС по питанию на несколько порядков снижает входную емкость транзистора и практически исключает термоискажения.
R2 R3 - цепь ПОС, определяющая Ку элемента схемы на Х1 по напряжению. (в общем, "усилитель напряжения на повторителе напряжения" - ересь какая-то. Пусть будет усилителем напряжения на полевом транзисторе, включенного по схеме с общим стоком. Тоже, кстати, вопрос - сток-то не общий. Здесь четыре полюса. Хрен с ним, короче...)
Х2 - элемент цепи ООС для выходных транзисторов. Он также должен обладать максимальной крутизной. Поэтому в этой схеме поставлены MOSFETы с высоким параметром крутизны при небольшом токе.

Повторитель на Х1 нагружен на входное сопротивление Х2, включенного по схеме с общим затвором. "Нагружен на входное сопротивление" - это условно. По факту этот участок схемы обладает большим входным сопротивлением за счет глубокой обратной связи.
Глубина обратной обратной связи выходных транзисторов на НЧ будет равна значению (R5||R7)/(RвыхХ1 + RвходХ2 )
Где RвыхХ1 - выходное сопротивление каскада на Х1, RвходХ2 - сопротивление каскада с ОЗ на Х1
Поэтому сочетание этих элементов должно обеспечивать максимальную глубину ООС. Конкретно в этой схеме глубина ООС на НЧ в модели 53 дБ, на 20 кГц - 46 дБ.
ВК нормально "хавает" нагрузку ниже 4 Ом - 2 и 1 Ом.
L1 R4 - цепь коррекции, уменьшающее глубину ОС на ВЧ.

В более реальном варианте схемы вместо резисторов R5, R6, R7 используются источники тока, которые увеличивают петлевое усиление и позволяют снизить напряжение питания предварительной части с 20 В до 8-9 В. Входной повторитель реализован по схеме Шиклаи (сильно снижаются искажения за счет его линейной работы и низкого выходного сопротивления), В качестве Х2 можно использовать биполяр, вроде BD139 (можно и Шиклаи - искажения еще снизятся, но Шиклаи медленнее, и коррекция на ВЧ получается неоправданно сложной для не очень большого прироста качества). Должно быть что-то быстрое и с высокой крутизной - от этого транзистора много зависит.

Использование в ВК связки MOSFET+BT позволяет довести уровень искажений до минимальных величин, но коррекция на ВЧ немного усложняется.

Но все это пока в симуляторе. По факту будет проверяться.

P.S. Безусловно, эта штука запросто может работать в качестве повторителя с Ку= 1. В этом случае искажения падают совсем низко даже для этого урезанного концепта (ниже 0,001% для мощности 50 Вт на 4 Ом во всем рабочем диапазоне). Так что прикрутить к этой штуке УН тоже не проблема. У него аццкое входное сопротивление - переварит самый нежный выход УН. Такой УН тоже забабахан на случай проблем с трансом, но это уже рутина. Да и с трансом вроде проблем особых пока не обнаружено, а в нашем деле покорения высокого конца каждый новый транзистор - зло.
В общем, на базе этой хрени запросто получается этакое лего. Эксиконы вместо стремных IRFP? - пожалуйста. Полевики - нет, БТ - да? Можно. Кстати, тройка БТ практически убивает идею (сильно тормозит и в целом бессмысленна, поскольку выходное сопротивление транзистора ОС с ОЗ или ОБ не очень высокое и сильно шунтирует тройку), двойка БТ - вполне жизнеспособна и обоснована, но сильно зависит от применяемых транзюков и должна быть быстрой- здесь только практика вскроет настоящие несимуляторные грабли.

P.S.S. Ну и, наконец, почему оно несимметрично? Давай токовое зеркало над диффкаскадом забацаем! Да можно всё - и симметрично, и токовые зеркала... Думаю, несложно догадаться, что это перепробовано и так и эдак. Симметрия обильно добавляет деталей и вопросы со смещением, которые не всегда можно элегантно и безвредно решить. Токовые зеркала... работают на НЧ, но должны выключатся коррекцией на ВЧ.
Поэтому пока так.

PA bt MOS ООС самый простой Ку20.cir

[bukvarev]

В схеме с единичным буфером я вижу ПОС, а Вы?

Я тоже вижу, с коэффициентом 1/(1-R7/(R6+R7)).
И в схеме с трансформаторами - тоже.

[Malinovsky D]

Я тоже вижу, с коэффициентом (R6+R7)/R7.

Вот здесь наши взгляды отличаются.

По определению обратной связи
"Коэффициент обратной связи показывает, какая часть выходного напряжения передается на вход цепи. Величина коэффициента обратной связи лежит в пределах 0<<1. При =0 обратная связь отсутствует, а при =1 она максимальна."

Если это определение верно, то в данном случае на вход передается часть входного сигнала R7/(R6+R7).
С трансформаторами тоже передается только часть выходного сигнала - 0,95

[bukvarev]

Я написал про коэффциент усиления, а не коэффициент обратной связи, и давно поправил выражение.
Kус = 1/(1-R7/(R6+R7)). Да, по коэффициенту цепи обратной связи там R7/(R6+R7), или 0,95.

[Malinovsky D]

Я написал про коэффциент усиления, а не коэффициент обратной связи, и давно поправил выражение.
Kус = 1/(1-R7/(R6+R7)). Да, по коэффициенту цепи обратной связи там R7/(R6+R7), или 0,95.

Ок, понял.

Тогда получается, если мы как-то правильно сделаем буфер с единичным усилением (чтобы из него не торчали всякие коллекторы, эмиттеры, истоки и прочие транзисторные конечности - на туннельных диодах, например), то варьируя номиналы R7 , R6 мы можем получить усиление 20, и это будет называться именно ПОС?

[bukvarev]

Можно сказать и так.
В одном случае буфер принимает входной сигнал и выдает выходной сигнал (равный входному) относительно средней точки питания, а в другом - входной сигнал - напряжение б-э ("инвертирующий вход" буфера соединен с выходом, а сам выход - токовый, относительно источника питания).
Вот и разница.
Вроде бы все очень похоже, но разница в деталях. Полезно для оценки того, какие ресурсы на что в схеме расходуются.
ИМХО.

[Malinovsky D]

В одном случае буфер принимает входной сигнал и выдает выходной сигнал (равный входному) относительно средней точки питания, а в другом - входной сигнал - напряжение б-э ("инвертирующий вход" буфера соединен с выходом, а сам выход - токовый, относительно источника питания).

Нужно сказать, что симулятор в AC анализе не видит отличий между двухтактным вариантом буфера и двухтактным.
Первый буфер двухтактный (без термостабилизации, чисто симуляторый). Вторые два буфера отличаются разным направлением постоянного тока резистора, подключенного к эмиттеру входного транзистора. Понятно, что эмиттерный ток уходит в источник тока, в основном.
Но по переменному току отличий нет. Эти три схемы работают одинаково.


Здесь указаны режимы по постоянному току. Видно, что во второй третьей схеме направление тока в цепи эмиттера разное. Понятно, что это вызывано смещением рабочей точки по постоянному току из-за повышенного напряжения смещения V35




На мой взгляд, отличия в режимах буфера по постоянному току не меняют характер обратной связи по переменному току.
Повторюсь - единичный буфер, по своей сути является идеальным преобразователем тока нагрузки в ток на шинах питания. То есть, в шине питания это будет источник тока, управляемый током нагрузки.

Если мы сделаем его однотактным, получим идеальный транзистор. Но суть работы буфера по переменному току не меняется. Раскладки по усилению остаются теми же самыми, как и для двухтактного буфера, или любого интегрального.

[Валет]

смотрите на простую вещь. Транзистор - преобразователь напряжения "база-эмиттер" в ток коллектора.

Это относится к полевым транзисторам. Биполярный транзистор по физике работы и по даташитным характеристикам является преобразователем тока входа в ток выхода с коэффициентом преобразования равным В

эмиттерный повторитель, у которого есть емкостная связь от эмиттера в базу, при конечном выходном сопротивлении источника сигнала будет иметь ПОС

Емкость Э-Б не создает никакой ОС, она просто является балластом для управляющего сигнала на входе.

В схеме с единичным буфером я вижу ПОС, а Вы?

Никакой ПОС ни в буфере, ни в в каскаде с ОК нет. В них между неинв. и инв. входами действует сумма входного напряжения и выходного напряжения, причем выходное напряжения вычитается из входного, т.е. такая ОС является отрицательной

Я тоже вижу, с коэффициентом 1/(1-R7/(R6+R7)).

В этом случае последовательно с входным напряжением включено не все выходное, а его часть, равная R6/(R6+К7), но ОС остается отрицательной. Схема при этом имеет усиление, обратное коэффициенту ООС, т.е. (R6+К7)/R6.

[Malinovsky D]

Никакой ПОС ни в буфере, ни в в каскаде с ОК нет. В них между неинв. и инв. входами действует сумма входного напряжения и выходного напряжения, причем выходное напряжения вычитается из входного, т.е. такая ОС является отрицательной

Нарисуйте схему, пожалуйста. Без схемы непонятно, о чем идет речь.
В буфере нет инвертирующего входа, есть только неинвертирующий.

И вы не прокомментировали раскладки с буфером и трансформатором.

[Валет]

Нарисуйте схему, пожалуйста. Без схемы непонятно, о чем идет речь.
В буфере нет инвертирующего входа, есть только неинвертирующий.

И вы не прокомментировали раскладки с буфером и трансформатором.

Я имел в виду схему поста 158 (внизу)

Если нет инвертирующего входа, то относительно чего подается входное напряжение? На самом деле в буфере инв. вход есть, он соединен с выходом схемы, но в буфере он не используется и выводить его наружу нет необходимости.

В схеме с трансформатором в зависимости от фазировки ОС может быть и + и -. Но это уже не буфер.

[Malinovsky D]

Если нет инвертирующего входа, то относительно чего подается входное напряжение? На самом деле в буфере инв. вход есть, он соединен с выходом схемы, но в буфере он не используется и выводить его наружу нет необходимости.

Да, можно и так посмотреть на любой буфер. В конце концов, они все реализованы на глубоких ООС, местных или общих.

В буфере с трансформатором в зависимости от фазировки ОС может быть и + и -. Но это уже не буфер.

Юридически - да. Если появляется ПОС, то в связке с ней буфер становится усилителем (или генератором, в зависимости от АФЧХ ОС).
ОС идет со знаком "+". Выходной сигнал с коэффциентом 0,96 подается последовательно и синфазно входному сигналу, и получается коэффициент усиления 25.

[Валет]

Да, можно и так посмотреть на любой буфер.

Как ни смотри, входной сигнал прикладывается между неинв. и инв. входами. Даже в простейшем эмиттерном повторителе.

[Malinovsky D]

Как ни смотри входной сигнал прикладывается между неинв. и инв. входами. Даже в простейшем эмиттерном повторителе.

ОК

[bukvarev]

Дмитрий, я спорить больше не буду.
Вот наглядный рисунок, в чем разница и что я имел в виду.
Нарисованы контура обхода для входного напряжения в двух случаях. С полярностями сигналов.
В формулах минус - ООС, плюс ПОС.

[Malinovsky D]

Дмитрий, я спорить больше не буду.
Вот наглядный рисунок, в чем разница и что я имел в виду.
Нарисованы контура обхода для входного напряжения в двух случаях. С полярностями сигналов.
В формулах минус - ООС, плюс ПОС.

Евгений, спорить смысла нет. Есть смысл разобраться.

В Ваших обоих вариантах напряжение на выходе будет одинаковым, если E одинаково, и одинаковы резисторы делителя.

В обоих вариантах E=Ufв1
И выполняется равенство Uвых = Ufв1 + Ufв2

В обоих вариантах напряжение относительно земли на выходе равно напряжению на входе относительно земли. Это логично, поскольку "треугольник" обладает усилением К = 1. Как этот "треугольник" реализован - это вторично.
И в обоих вариантах это напряжение выше напряжение источника напряжения Е в К раз, где К = U вых/Ufв1
В общем-то именно это я и хотел показать, что как ни крути, есть усиление напряжения источника в К раз.
Усиление создается суммированием напряжения этого источника и части выходного напряжения. Это и есть определение именно положительной обратной связи. И все происходит в соответствии с законами Кирхгофа и мнением симулятора.
Берем буфер (неважно, какой) и получаем с него усиление сигнала.

Кстати, в соответствии с правилами ОС , для положительной ОС мы все параметры ухудшаем в тоже в Ку раз - входное сопротивление уменьшается, выходное увеличивается, нелинейные искажения увеличиваются.
От этого не отвертеться. И это тоже один из признаков действующей ПОС, поскольку ООС, все это делает лучше - увеличивает входное, уменьшает выходное, уменьшает нелинейные искажения
Но проблема решается буфером с запасом перечисленных параметров, чтобы обеспечить их достаточность после ухудшения усилением, и вопрос закрыт.

[BesPav]

Это относится к полевым транзисторам. Биполярный транзистор по физике работы и по даташитным характеристикам является преобразователем тока входа в ток выхода с коэффициентом преобразования равным В.

Валера, спили менторскую мушку и будь ближе к народу.

https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2297131

[bukvarev]

Есть смысл разобраться.

Все разобрано. В одном случае имеем идеальный буфер по напряжению, в другом - преобразователь "напряжение-ток".
Это из оперы: ОУ с выходом по напряжению или с токовым выходом. Разница в использовании как бы есть.

В одном случае имеется большое исходное усиление и токовый выход. Усиление расходуется на повышение усиления каскада.
В другом случае - идеальный буфер с единичным усилением относительно общего провода и выходом по напряжению. Усиление увеличивается при введении ПОС.
Потери в качестве при увеличении усиления будут в любом случае.

Главное понимать механизм происходящего, и максимально хорошо его использовать в железе.
Вы разобрались и взяли в практическое использование - и это замечательно

[Malinovsky D]

Все разобрано. В одном случае имеем идеальный буфер по напряжению, в другом - преобразователь "напряжение-ток".

Вот в этом вопросе хотелось бы подробностей.
Идеальный буфер по напряжению все-таки должен потреблять ток от шин питания, чтобы обеспечить ток в нагрузке. И с точки зрения шины питания он является ИТУН, да.

Но я не вижу у нас преобразователя "напряжение-ток" - в смысле источника тока на ВЫХОДЕ, управляемым напряжением. По ВЫХОДУ у нас оба варианта являются преобразователями напряжение-напряжение с низким выходным и высоким входным сопротивлением. И выводы шин питания нас не интересуют.

В этом вопросе я не вижу отличия идеального буфера от ОУ, охваченного 100% ООС по напряжению. Может поэтому я не понимаю Ваших объяснений?
Если эти отличия есть, то их стоит обговорить, чтобы пользоваться одинаковой терминологией.

Скажем так, Шиклаи с мосфетом тоже охвачен глубокой ООС по напряжению и тоже является преобразователем напряжение-напряжение с выхода на вход с К = 1.
Не думаю, что с точки зрения работы ОС имеет значение, является ли этот Шиклаи однотактным или двухтактным. Это лишь смещает режимы по постоянному току, но к работе по переменному это разве относится?

[Валет]

Валера, спили менторскую мушку и будь ближе к народу.
https://forum.vegalab.ru/showthread....=1#post2297131

Я писал в совершенно нейтральном тоне, к тому же не тебе, не понимаю, что тебя подвигло к такому хамскому посту. По делу: твои аргументы сводятся к мнению другого форумчанина, поэтому ему и отвечу.

С точки зрения строгой физики имеет место именно второе - за базовый ток отвечает в основном рекомбинация неосновных носителей в базе, за эмиттерный ток инжекции - именно потенциал база-эмиттер (с учетом падений напряжения на внутренних сопротивлениях структуры). Ну а коллекторный - "остаток" по закону Кирхгофа

В транзисторе типа n-p-n[4] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[5]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны)[/b] и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк).
Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.
Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91...82%D0%BE%D1%80

Из этого описания физики работы транзистора видно, что физические процессы в биполярном транзисторе определяются только потоками электронов и дырок, которые и создают рабочие токи в транзисторе. Роль напряжения состоит только в создании управляющего тока в базе. Причем это напряжение зависит от посторонних факторов, не имеющих отношение к усилению, например, от температуры. Но при этом изменение усиления транзистора определяется не входным напряжением, а коэффициентом усиления В, который тоже зависит от температуры. Именно поэтому усилительные свойства биполярного транзистора в даташитах приводятся относительно тока базы. Нормировать эти свойства относительно напряжения практически сложно, если только вообще возможно, а уж использовать на практике тем более.

Аналогия: смертельным для человека является ток (50 мА, емнип), но для создания тока требуется напряжение, сильно зависящее от состояния человека и окружающих условий. Но все равно убивает ток, а не напряжение.

[BesPav]

Offтопик:

Я писал в совершенно нейтральном тоне, к тому же не тебе, не понимаю, что тебя подвигло к такому хамскому посту.

Задрало уже слушать эти нудные нотации на уровне церковно-приходской школы.

По делу: твои аргументы сводятся к мнению другого форумчанина

Так какая разница, если хоть кол на голове теши?
Штирлиц стоял на своём. Это была любимая пытка Мюллера.

Из этого описания физики работы транзистора видно

А из этого описания что видно?

Но все равно убивает ток, а не напряжение.

Мы дожили, таки, до того, что у Валета стал появляться ток без напряжения, ура, товарищи!
Убивает нарушение химических процессов, вызванное изменением потенциалов.
Пора бы уже разобраться в причинно-следственных связях.
После не означает вследствие.
И эта, электричество не берется из розетки, там чутка посложнее все устроено.

[Валет]

Offтопик:

А из этого описания что видно?

Скрытый текст

Чем сильнее стараешься показаться умным, тем глупее выглядишь (Дмитрий Калинин)

[свернуть]

Мы дожили, таки, до того, что у Валета стал появляться ток без напряжения, ура, товарищи!

Скрытый текст

Всем глупцам не терпится осмеять кого-нибудь. (Александр Поул)

[свернуть]

Я не имел в в виду BesPav, если чо. Просто навеяло.