Усилитель с ТОС Mark Alexander на DMOS транзисторах
Приветствую уважаемых форумчан! Предлагаю вашему вниманию попытку анализа усилителя Марка Александера c LTSpice симуляцией. Прошу строго не судить ).
Хочу собрать усилитель с ТОС. Рассматривал интересные усилители Lynx, но они мне кажутся излишне сложными. Заинтересовала классическая схема Марка Александера, мне она кажется продуманной и красивой. На этом форуме есть темы про этот усилитель, но они все закрытые. Я считаю, что эта тема не до конца раскрыта, и остаются вопросы.
Тема 1
Тема 2
На форуме нет (или я не нашел) ни повторений этого усилителя, ни его симов. Возможно тому причиной был комментарий уважаемого Сергея Агеева, где он указал на потенциальные недостатки этого усилителя. Цитирую его сообщение:
“Усилитель МА (как и большинство построенных по подобной структуре) имеет большую динамическую нелинейность, вызванную в основном тем, что УН на большом сигнале переходит в режим AB: после обесточивания одного из токовых зеркал петлевое усиление скачком падает вдвое (выключается половина усиления). Соответственно, большой реальный спектр IMD. Приведенные в статье значения IMD/DIM искажений измерены не анализатором спектра, а сняты по методике, оценивающей лишь амплитудные искажения и не учитывающей практически полный переход их в фазовые в усилителях с ООС при угле петлевого усиления, близком к 90 градусам. Я об этом писал.
Именно по причине скромных реальных характеристик усилитель МА за почти 20 лет (с 1989) широкого повторения не нашел, несмотря на весь промоушн.
Единственный более-менее ценный материал в статье Александера - правила разводки силовых цепей УМ.
”
Это мнение многих охладило, и разлетелось по многим форумам. Хотя позже он и написал:
“Да, если не насиловать по скорости, все нормально будет.
”
Мне стало интересно повторить этот усилитель в варианте на DMOS транзисторах FQA46N15 и FQA36P15. На форуме Rmmedia, прочитал, что по мотивам этой схемы выпускался усилитель Digilab под названием SPA300, и там применялась микросхема LT1122.
Для начала я сделал модель этого усилителя в LTSpice. В выходных транзисторах используются оригинальные Spice модели Fairchild Semiconductor, часть не критичных транзисторов заменены на bc547, bc557. Причина только в наличии этих транзисторов у меня. При желании можно вернуть те, что в схеме, они есть в базе LTSpice.
Симуляция и модели приложены в конце сообщения.
Для начала интересно посмотреть, что же там происходит на выходе ОУ и токовых зеркалах. Я точно не знаю, демонстрируют ли встроенные в LTSpice модели ОУ переход в класс AB при повышении выходного тока более чем в 1.8 от холостого хода, но по крайней мере сим показывает увеличение на несколько порядков коэффициента гармоник, при сохранении формы синуса (рис.1). Это косвенно говорит о том, что этот режим моделируется (модель в архиве).
Теперь интересные вещи. При одинаковых параметрах R6,R7 (в симе сохранен порядок обозначений как в оригинале), в схеме только с ОУ, выходной ток довольно высокий, Ip 30 mA (рис. 1). А в схеме Александера при том же выходном напряжении, ток на порядки меньше Ip 350uA (рис. 2), при этом усилитель отдает в нагрузку 36W. Причиной тому, что выход ОУ, здесь работает как вход.
Но величина тока на выходе ОУ здесь пропорциональна скорости нарастания сигнала на входе усилителя. При фронте 20ns, ток на выходе ОУ достигает 18mA, при фронте 1uS ток 5.5mA (рис. 3,4).
Это подтверждает мнение Сергея Агеева, что при высокой скорости нарастания напряжения, ОУ может переходить в класс AB. Но тем не менее в симе, усилитель все равно демонстрирует высокую скорость нарастания и низкие коэффициенты искажений. На реальном сигнале эта схема должна иметь очень высокие качественные показатели.
Сим с приименными моделями имеет коэффициенты гармоник на разных частотах при мощности 30W:
1кГц – 0.002%;
10кГц - 0.004%;
20кГц – 0.007%.
Спектрограмма показывает очень низкий уровень интермодуляционных искажений (4:1 60Гц:7кГц), меньше 0.007% (рис. 5). А вот это уже не согласуется с мнением уважаемого Сергея Агеева, что в реальности эта схема будет иметь высокий уровень интермодуляционных искажений и спектрограмма будет это показывать. Хотя он и больше, чем заявлен в оригинальной статье.
Меандр в симе получается так же очень красивый (рис. 6).
Симуляция демонстрирует очень высокие качественные показатели этой схемы. Придраться можно только к повышению коэффициента гармоник с увеличением частоты. Но на 20кГц он составляет всего лишь <0.01%, что особенно с учетом психо-акустики является мизерным значением. Если проанализировать схему, то видно, что повышение гармоник связано с ослаблением влияния ТОС на ВЧ. На рис. 7 показаны частотные зависимости тока в токовых зеркалах. Не знаю, можно ли это улучшить, и надо ли это улучшать.
Анализирую схему по Боде, получается что усилитель неустойчив, при единичном усилении сдвиг фазы 230 градусов на частоте 6.5МГц (рис. 8). Хотя в симуляции, невозможно вывести эту схему из равновесия даже с активной нагрузкой. Интересно почему так, в усилителях с ТОС, есть какие то другие критерии? Я сомневаюсь, что Марк Александер тут что то не учел, и усилитель нейсточив.
Интересно будет собрать и послушать этот усилитель.
Архив с симуляцией и моделями здесь
Оригинальная схема усилителя с описанием
Перевод на русский язык
Схема симуляции (рис. 9)
Ответить с цитированием
Социальные закладки