Собираем сверхлинейный усилитель Сергея Агеева.

[Эзотехник]

Транзисторный усилитель с глубокой ООС и ОУ на входе. См. журнал "Радио" №10-12 за 1999 г. и №1,2,4-6,9-11 за 2000 г.

[Анатолий_В]

Все это конечно очень занимательно. Кстати нашел про подавление высших гармоник в многоступенчатом усилителе с ООС в параграфе 14.1 у Баскакова (РТС второе издание стр. 343-344). Подпункт - Подавление паразитных сигналов.
Но а звучание то как у этого усилителя? Вот возьмем допустим усилитель Леонида Зуева. Или Линкс какой попроще и сравним. И что автор сам думает по поводу целесообразности построения сейчас таких усилителей?

Мне кажется такие усилителе имеет смысл строить, чтоб жизнь себе упростить. Купить наборы готовые и вперед. Или есть проблемы с подбором деталей. Впаял все годное и все работает как планировалось. Я отдаю себе отчет, что такой аппарат побьет многие импортные за тысячи баксов.

И еще вопрос. А попытки улучшения или упрощения были? Как и что в нем вообще можно улучшить?

[Л. Зуев]

Вот простенькая иллюстрация к сказанному выше по поводу ОООС, входных каскадов и искажений.

На ris_1 показана пара похожих усилителей с выходным повторителем, включенным без смещения. Левая схема скорректирована классически - конденсатором С4, а в правой - добавлена цепочка индуктивной коррекции во входном каскаде. АЧХ усиления в петле ОООС (ris_2) в обеих схемах одинакова (глубина ОООС на частоте 20кГц - 50-51дБ, полоса действия ОООС - около 7МГц), но максимальная скорость нарастания у первой схемы 4,7В/мкс, а у второй - 40В/мкс (реакция на меандр - на ris_3).

На ris_4 показаны для первой схемы: синус частотой 20кГц на выходе (красная линия); ток коллектора Q10, увеличенный в 10000 раз (желтая линия); и увеличенный в 100 раз сигнал искажений, вносимых входным ДК - полученный вычитанием тока коллектора Q10, деленного на крутизну ДК, из входного разностного сигнала "v1" (синяя линия). Из этого рисунка видно, что, несмотря на более чем трехкратный запас по скорости нарастания, входной каскад у левой схемы сильно перегружается в моменты перехода через ноль напряжения на выходе усилителя, а амплитуда его искажений во входном разностном сигнале составляет 140мВ. Эти же искажения, но с удвоенной амплитулдой, присутствуют и в выходном сигнале усилителя.

Во второй схеме входной каскад охвачен глубокой местной ООС и работает с большим запасом по перегрузке, поэтому видимых искажений в нем не возникает. В результате этого и выходной сигнала последней схемы при переходе через ноль искажен заметно меньше, что хорошо видно на ris_5 (красная линия для первой схемы, зеленая - для второй). Что интересно, спектр искажений у второй схемы более жесткий, несмотря на лучшую точность передачи входного сигнала (и скорее всего лучшее звучание - может кто проверит? ).

Очевидно, что при работе выходного каскада в классе АВ показанные эффекты проявятся намного меньше, но в реальных схемах подобное может происходить и из-за наводок из цепей питания выходного каскада на входные цепи через взаимную индуктивность между ними. Самое неприятное, на мой взгляд, здесь - потеря информации о входном сигнале в первой схеме на интервалах времени насыщенного состояния входного каскада.

[sia_2]

sia_2. Хотел спросить, Ваш усилитель имеет частоту ПЕТЛЕВОГО УСИЛЕНИЯ около 7..8 мГц, или единичного усиления. Тоесть ООС еще действует на этих частотах?.

В опубликованном варианте частота единичного петлевого усиления слегка подрезана и составляет примерно 6,5 МГц.

2) какой запас устойчивости? ( меня интерисует какой фазовый сдвиг на частоте когда Кпетл=1 с разомкнутой ООС)..

Запас по фазе в петле ООС составляет около 35-45 градусов в зависимости от варианта. На советских выходных выброс на фронте порядка 8%, что соответствует запасу по фазе около 40 градусов.

3)А почему собственно столь "широкий" ряд специальных схемотехнических мер (чрезмерное параллельное включение ВК, специальные коррекции, диоды от квазинасыщения, ОООчень глубокая ООС, раздельное питание и еще многое) не дало преимущественных результатов в звуковом диапазоне над более простыми конструкциями со схожим принципом?..

Это не так. Дело в том, что Audio Precision мерит не THD (коэффициент гармоник), а THD+N, то есть сумму гармоник и шума. При этом полосу, в которой мерится шум (и гармоники) можно выставлять 22, 80 и 200 кГц. Я при измерениях ставил максимум - 200 кГц, чтобы учесть и высшие гармоники.

При обмере же коммерческой продукции, хорошо, если выставляется полоса 80 (бывает, 22). При этом все высшие гармоники игнорируются.

Далее, собственный порог шума у AP в полосе 200 кГц примерно на 15 дБ выше, чем в полосе 80 кГц (там внутри разные тракты).

На приведенных в статье характеристиках видна характерная пилообразность автоматического переключения пределов, что подтверждает, что шум AP оказывается больше, чем УМЗЧ. Т.е. пока не начинается ограничение, намеренные цифры определяются не искажениями, а шумом самого AP в полосе 200 кГц.

Что же касается остальных устройств - то если не брать на веру утверждения в описаниях, а реально мерить, оказывается, что продемонстрировать DIM100 на уровне 0.002% (это практически порог чувствительности AP I), больше никто из обмеренных оказался не в состоянии..

А искажения в этом УМЗЧ, как показали дополнительные измерения, дает в основном "мягкий ограничитель". Без него реальные уровни IMD порядка -120 дБ.

Мало того Ваша разводка по правду образец, но более простые варианты с менее уделенным вниманием конструктиву тоже в звуковом диапазоне не уступают по КГ и мощности..

У него нет измеряемого роста искажений с частотой (они остаются ниже шума). Для остальных это не так, рост заметен уже в звуковом диавпазоне.

4)Вы говорите о полном классе А всех каскадов до выходных. Но ведь весьма несимметричный ОУ хоть и с большим током покоя собственного ВК всеравно далек от класса А, о последующием симметричном усилителе напряжения я уже и неговорю..

Примененный ОУ как раз достаточно симметричен по своим характеристикам и его динамическая линейность очень высока.
Это легко доказывается экспериментально. Возьмем, к примеру, мультиплексируемый усилитель перед 500 кГц АЦП. При усилении в 10 раз сигнала с частотой 100 кГц, мультиплексируемого с частотой 500 кГц с другим сигналом, вызывающим каждые 2 мкс перегрузку ОУ, искажения 100 кГц с размахом 19В все равно остаются ниже -75 дБ (реально меньше, просто АЦП сам имеет на этой частоте около -75).

5)почему Вы не захотели глубоко проработать принцип несимметричного варианта этого усилителя, для абсолютного класса А для входного ОУ и УН, это было бы чревато граничной частотой петлевого усиления..?
Большое спасибо.

А ОУ там по определению работает в классе А - его ток нагрузки раз в 10 меньше тока покоя выходного каскада. Все внутренние цепи ОУ
при этом тем более работают в классе А.

[sia_2]

На чем основывается утверждение, что некоторый разброс транзисторов выходного каскада позволяет снизить искажения в ВК?
Там делались измерения, или это следует из теоретических предпосылок? Поскольку параллелят часто и много, осветите пож. этот вопрос.

Из теоретических предпосылок минимум искажений переключения выходного каскада при строгой экспоненциальности характеристик транзисторов соответствует падению напряжения на эмиттерных резисторах порядка 65% от множителя экспоненты (т.н. теплового потенциала). Для одиночных "идеальных" транзисторов это будет около 20 мВ.
Однако такое значение не обеспечивает термостабильности и применимо только в составе микросхем (чем вовсю пользуются разработчики ИС).

В то же время включая параллельно транзисторы с разбросом Uбэ, мы фактически повышаем эквивалентный тепловой потенциал (экспонента становится более пологой) и соответственно увеличивается оптимальное падение напряжения на эмиттерных резисторах. Конкретные значения зависят от величины разброса, но выигрыш в 2-3 раза совершенно реален. В статье (и в контрольном экземпляре) стоит компромисс между линейностью и термостабильностью - примерно 80 мВ (минимум искажений был где-то при 50-60 мВ и том же токе покоя, то есть при 0,62 Омах).

У Вас не возникало желание без дураков создать новый агрегат на россыпи и выложить в журнале? Я понимаю, что это большой труд, но это было бы очень полезное дело.

А смысл делать на россыпи? Чтобы еще громоздче был?

Реальные проблемы - это вовсе не схемотехника, а корпуса, трансформаторы, радиаторы - т.е. "железки". На этом фоне спаять платы - ничто.

[ИГВИН]

Из теоретических предпосылок минимум искажений переключения выходного каскада при строгой экспоненциальности характеристик транзисторов соответствует падению напряжения на эмиттерных резисторах порядка 65% от множителя экспоненты (т.н. теплового потенциала). Для одиночных "идеальных" транзисторов это будет около 20 мВ.

Имеется в виду 65% от Uт?

В стандартной "тройке" выходных транзисторов, меняя ток покоя и контролируя спектр, я реально наблюдал уменьшение гармоник при нагрузке 4 Ома. Амплитуда была порядка 10 В. На однотональном сигнале оставалась только вторая гармоника в пределах видимости 80 dB. Резисторы в эмиттерах были 0,1 Ом, ток покоя составил около 35-40 мА. Однако на слух звучание оказалось жестким по верху диапазона. При увеличении тока покоя до 200 мА звук ВЧ стал более натуральным. Я сделал вывод, что выставлять оптимум тока покоя на одночастотном сигнале не годится.

Что происходит в истоковом повторителе в классе В-АВ? Тепловая константа для полевиков существенно больше. По приборам я вижу больше гармоник, на слух - звук яснее и натуральнее.
Парадокс.

Вот простенькая иллюстрация к сказанному выше по поводу ОООС, входных каскадов и искажений.

Очень наглядно! Но лучше бы и в первый ДК включить эмиттерные резисторы.
А затем еще раз сравнить варианты коррекций.

Что интересно, спектр искажений у второй схемы более жесткий, несмотря на лучшую точность передачи входного сигнала (и скорее всего лучшее звучание - может кто проверит? ).

Почему жесткий? Два крутых перегиба?

[MikeF]

можете разбалансировать усилитель хоть до полувольта. На звуке это не скажется совершенно.

Не согласен. Катушка выйдет из зазора и звук изменится. Ходили слухи кто-то так экспериментировал уже

[Л. Зуев]

Очень наглядно! Но лучше бы и в первый ДК включить эмиттерные резисторы.
А затем еще раз сравнить варианты коррекций.

В результате установки в ДК эмиттерных резисторов уменьшается его крутизна и пропорционально ей снижается глубина ОООС. При этом для сохранения той же полосы действия ОООС потребуется уменьшить емкость С4, что приведет к повышению скорости нарастания и, как следствие, уменьшению динамических искажений. Индуктивная коррекция в первом каскаде или RC-цепочка на входе усилителя позволяет одновременно получить и высокую скорость нарастания и большую глубину ОООС на звуковых частотах.

Почему жесткий? Два крутых перегиба?

Из-за большей скорости нарастания при переходе через ступеньку во второй схеме сигнал устанавливается быстрее, поэтому высших гармоник больше. При этом, что важно, ОООС продолжает работать, а ступенька не компенсируется полностью из-за недостаточной ее глубины на высоких частотах. В первой же схеме ОООС вообще выключена запертым входным каскадом на всем протяжении ступеньки, а высших гармоник меньше из-за того, что сигнал на выходе во время ступеньки ползет значительно медленнее.

[ИГВИН]

Не согласен. Катушка выйдет из зазора и звук изменится.

Изменения если и будут, заметить их не представляется возможным. По указанной выше причине.

Если подумать, то эти изменения дадут рост четных гармоник, это аналогично работе выходного трансформатора с подмагничиванием (по частной петле гистерезиса). Или, если объяснять по-другому, динамик представляет из себя по вносимым искажениям двухтактную схему, при увеличении амплитуду генерирующую нечетные гармоники, считающиеся более неприятными на слух. При существенном смещении постоянкой диапазон до ограничения снижается, одновременно спектр гармоник динамика становится ближе к экспоненциальному, без двухтактного гребенчатого эффекта, когда четные и нечетные гармоники образуют каждая свой ряд.

Еще раз скажу, чтобы такое стало заметно, смещение должно быть большИм, скажем 15-20% от максимальной амплитуды.

[sia_2]

И у меня вопрос еще, с чем связано правило размещения однотипных выходников - транзисторы с наименьшим усилением ближе к малосигнальной части платы (и здесь же выход усилителя) а с наибольшим - со стороны ввода питания питания (максимально далеко от УН и от выхода)?

Поменьше нагружать шины, идущие к базам "дальних" транзисторов, увеличив активную составляющую их нагрузки на дальнем конце.
Эффект есть, но на грани измеримости (разница фазового сдвига порядка 1 градуса на 12 МГц).

[sia_2]

Имеется в виду 65% от Uт?

В стандартной "тройке" выходных транзисторов, меняя ток покоя и контролируя спектр, я реально наблюдал уменьшение гармоник при нагрузке 4 Ома. Амплитуда была порядка 10 В. На однотональном сигнале оставалась только вторая гармоника в пределах видимости 80 dB. Резисторы в эмиттерах были 0,1 Ом, ток покоя составил около 35-40 мА. Однако на слух звучание оказалось жестким по верху диапазона. При увеличении тока покоя до 200 мА звук ВЧ стал более натуральным. Я сделал вывод, что выставлять оптимум тока покоя на одночастотном сигнале не годится.

Что происходит в истоковом повторителе в классе В-АВ? Тепловая константа для полевиков существенно больше. По приборам я вижу больше гармоник, на слух - звук яснее и натуральнее.
Парадокс.

Никакого парадокса. Оптимум падения напряжения соответствует условиям ОДНОГО И ТОГО ЖЕ ТОКА ПОКОЯ, а не одних и тех же резисторов.

При резисторах 0.1 Ома это как раз составит те самые 200 мА

У двухтактных каскадов есть еще одна проблема - при маленьких резисторах ток покоя даже без нагрузки существенно зависит от мгновенного выходного напряжения (из-за разностей напряжений Эрли pnp и npn), отсюда и вторая гармоника, часто с длинным шлейфом на реальной нагрузке... У полевых транзисторов этот эффект тоже есть, но маскируется меньшей крутизной и большей общей нелинейностью.

[sia_2]

Якобы в лучшую
Не помню где читал, кажется, на форуме Сухова

Ну это очень много диффузор сильно сместится, мне кажется и при меньших напряжениях будут изменения

Нужно отличать проценты по напряжению и по смещению дифузора . 15-20% от рабочего хода относится именно к смещению диффузора. Рабочий ход басовиков обычно порядка 4-7 мм в каждую сторону, соответственно 15-20% от него порядка 1 мм. И это действительно почти безразлично.

А вот напряжение, достаточное для такого смещения, может составлять малые доли вольта, особенно для АС с фазоинвертором или компрессионной (при высокой гибкости подвеса, когда упругость создает объем воздуха).

Наверное поэтому в усилителях до 20-30вт имеет смысл
увеличивать эмитерные резисторы до 4-5 ом и их паралелить
мощными транзисторами включёнными диодами.
в этом случае и ток покоя стабильнее и шлейф искажений меньше.

А Вы как думаете Сергей.

Задирать резисторы сверх меры невыгодно, так как шунтирующие диоды нежелательны со всех точек зрения - от линейности до надежности и стоимости..

[ИГВИН]

Никакого парадокса. Оптимум падения напряжения соответствует условиям ОДНОГО И ТОГО ЖЕ ТОКА ПОКОЯ, а не одних и тех же резисторов.
При резисторах 0.1 Ома это как раз составит те самые 200 мА

Исходя из этого, для резисторов 0,3 Ома можно рекомендовать I0 около 65 мА?

[ADDED=ИГВИН]1138797173[/ADDED]
Сергей! есть мнение, что в усилителе с общей ООС частоты перегиба каскадов должны увеличиваться, считая от входного к выходному. Думаю, это правильно.
Насколько, по-вашему, это условие важно для усилителя без общей ООС?

[sia_2]

Исходя из этого, для резисторов 0,3 Ома можно рекомендовать I0 около 65 мА? ?

Видимо, да.

[ADDED=ИГВИН]1138797173[/ADDED]
Сергей! есть мнение, что в усилителе с общей ООС частоты перегиба каскадов должны увеличиваться, считая от входного к выходному. Думаю, это правильно.
Насколько, по-вашему, это условие важно для усилителя без общей ООС?

Само это мнение... мммм.. слегка притянуто за уши.
Частотные свойства каскадов делаются (или "получаются") из самых разных соображений. И совершенно не факт, что описанная последовательность оптимальна.
Тем более что аккуратность выполнения (распределения) частотной коррекции влияет гораздо больше.
К тому же, я убежден, что такого простого рецепта "счастья на все случаи жизни" просто нет! Каждый раз нужно придумывать что-то новое.

[Л. Зуев]

Сергей, раз уж речь зашла об искажениях, позволю себе наглость привести еще пару цитат.

По моему опыту, единственный объективный параметр, жестко коррелирующий с прозрачностью и нейтральностью, это векторная точность. Остальные, если они достаточно хороши, на звук практически не влияют.

Если векторная погрешность очень мала (менее 0.01%) - статистически различимого влияния усилителя не отмечено. Просто нейтральный, детальный, но без следов резкости звук, причем, что важно, воспроизводимый _независимо_ от топологии и конструкции усилителя.
То есть, разные по схемотехнике и идеологии усилители, укладывающиеся на реальном сигнале в 0.01%, практически невозможно отличить, равно как и заметить какие-либо дефекты, которые могли бы достоверно быть отнесены к усилителю.

Хорошо это или плохо - вопрос скорее религиозный.
Мне кажется, что наличие воспроизводимости и повторяемости скорее плюс, так как позволяет обоснованно предположить, что отсутствие "отсебятины" есть лучшая гарантия правильности работы
(типа ответов может быть много, но правильный - только один, а вот метод решения при этом не принципиален).

Если векторная погрешность увеличивается, то тут есть по крайней мере две стадии. Когда погрешность вылезает за примерно 0,02...0,04%, появляется некоторая устойчиво заметная (при сравнении с вариантом малой векторной погрешности) окраска звучания, хотя явных артефактов (т.е. того, что бы воспринималось как искажения) не заметно. Характер окраски - нестабилен и зависит от тысячи причин, начиная от вида музыки и кончая количеством выпитого и съеденного

А слышимые артефакты (т.е. заметные без сравнения) начинаются при векторной погрешности от 0,3 до 1...2% в зависимости от материала, что, кстати, отлично согласуется с классическими результатами по исследованию заметности нелинейных искажений времен 50-х...60-х годов.

И вопрос: Чем конкретно это подтверждается?

[ИГВИН]

векторная точность

Знать бы, что имеется в виду? Где-нибудь есть начало разговора, или просто что это? Неужели точность коэффициента пропорциональности усиления?

[Л. Зуев]

Знать бы, что имеется в виду? Где-нибудь есть начало разговора, или просто что это?

Это непостоянство комплексного коэффициента передачи (модуль, фаза). Наблюдать его можно, например, при помощи индикатора Акулиничева.

Цитаты отсюда: http://www.audioworld.ru/Forum/local/parts/a0301.zip

[Анатолий_В]

Мне кажется это что-то похожее на векторные измерители Акулиничева. Ошибаюсь?

А религиозность такого вопроса это интересное замечание. Мне кажется это вопрос более высокого порядка. Следующий уровень. Если бы мы измеряли вектрно звуковое поле и получали в некоторой области пространства, вокруг слушателя, подобие с точностью 0.0...% то тогда это был бы пожалуй только религиозный вопрос. А так всеж от сигнала до поля... Так что на психоакустику, распознавание и т.п. места остается предостаточно.
В этом плане мне понравились недавние высказывания Клячина. Там речь шла о том, что не нужно стремиться сделать звучание аппаратуры похожим на звучание живой музыки. Главное чтоб эмоции передавались правильно. Я не считаю такой подход очень удачным. Где гарантия в этом случае что будут передаваться эмоции всех произведений и всех жанров? Как по мне пусть лучше поле копирует аппаратура. При этом правда аппаратура остается посто точной аппаратурой. Но с практической точки зрения подход копирования поля мне представляется практически не осуществимым (вопрос затрат и т.п.)

А Траграмматон... Он слишком молод. В институте учится не хочет. Думаю он такой же шпион радиохобби как я лаборатории Клячина.

Поправлюсь. "измеряя вектроно звуковое поле" как-то глупо звучит. Я имел в виду что все пространственно-временные взаимоотношения будут соблюдены. (грубо говоря с учетом и фазы.)

Пока тут умствовал, Леонид ответил про Индикатор Акулиничева... Значит я не ошибся.

[sia_2]

Сергей, раз уж речь зашла об искажениях, позволю себе наглость привести еще пару цитат.


И вопрос: Чем конкретно это подтверждается?

Опытом субъективно-статистических экспертиз, проведенных на рубеже 90-х годов при разработке ТТХ и частично самой техники для "суперкино" (60-кадрового 70-мм стерео, "наш IMAX"). К сожалению, после 1994 года все работы были свернуты за отсутствием финансирования. Единственное "но": фонограммы, на которых проводились сравнения, были преимущественно цифровые 16-битные, зато практически без обработки.
Большая часть материалов осталась неопубликованной, хотя часть была задепонирована в ВИНИТИ. Наибольшая часть экспертиз была посвящена нормировке допустимой неравномерности АЧХ/ФЧХ звукового поля и предельным уровням неискаженного звукового давления. Сразу предупреждаю, что приведенная мной цифра 0.01% относилась только к "студийной" стороне, для усилителей кинозалов допускались втрое-вчетверо большие цифры.
Возможно, будет интересно, что для таких кинозалов рассматривался вариант использования практически свободной от нелинейных искажений и ограничения неискаженного звукового давления акустики на изодинамическом принципе (так называемые широколенточные АС). У них очень низкое сопротивление (доли ома), плюс бешеная "прозрачность" звучания, что и накладывает предельно жесткие требования к усилителям (и фонограммам). Но для обычной акустики такие требования к усилителям, я думаю, все же немного завышены.

Кстати, вспомнил: если не ошибаюсь (точных цифр не помню), одесские энтузиасты еще в конце 70-х годов при поиске причин "транзисторного звучания" пришли к сходным результатам (см. Радио, 12/81). Свойства человеческих ушей с тех пор изменились ненамного

Вообще, все "идет по кругу": каждое новое поколение, вместо того, чтобы извлечь данные из опытов предшественников, усердно набивает шишки заново. Прототип тех же изодинамических громкоговорителей продемонстрирован был еще в 1922 году....

[Л. Зуев]

Опытом субъективно-статистических экспертиз, проведенных на рубеже 90-х годов при разработке ТТХ и частично самой техники для "суперкино"


Наибольшая часть экспертиз была посвящена нормировке допустимой неравномерности АЧХ/ФЧХ звукового поля и предельным уровням неискаженного звукового давления. Сразу предупреждаю, что приведенная мной цифра 0.01% относилась только к "студийной" стороне, для усилителей кинозалов допускались втрое-вчетверо большие цифры.

Сергей, спасибо за ответ. Значит я правильно понял, что эта граница найдена путем большого числа сравнительных прослушиваний различной усилительной техники.

[ADDED=Л. Зуев]1138977092[/ADDED]
А какие получились пороги заметности по неравномерности АЧХ/ФЧХ в звуковой полосе?

[sia_2]

А какие получились пороги заметности по неравномерности АЧХ/ФЧХ в звуковой полосе?

порядка +0.5 и -1...2 дБ для "усредненного" в третьоктавных полосах хода АЧХ, неравномерность ГВЗ ниже 400 Гц не более 1..2 мс, выше - плавное понижение примерно до +/-50 мкс на 8...12 кГц. Это все по акустике, "электрические" - гораздо меньше.

Полоса, к которой это относилось - 40-20000.

Требования на самом деле выполнимые только с огромным трудом и нереальные для домашних условий.. Такой вот "русский максимализм".