Тема: Собираем сверхлинейный усилитель Сергея Агеева.

Сообщение от begemot61

Позволю себе повторится, в общем случае утверждение о том что вложенная ОС не может улучшить линейности при одном и том-же петлевом общей ОС (а я понял Сергея именно так) является неверным.

Если именно об этом говорить, то конечно всё будет зависеть, какой каскад (первый или ВК) больше искажает в данной ситуации, у ВК собственные искажения не зависят от построения петлей ООС, а вот у первого каскада зависят (из-за изменения входного и выходного напряжения), значит всё зависит от конкретных соотношений при введении местных ООС.

Сообщение от begemot61

Не могли бы Вы пояснить что имеется ввиду под реальной нагрузочной способностью. Т.е. что должно отдаваться и на какую наихудшую нагрузку.
С SOA- это понятно. Это надёжность. Считаем что мы её не нарушаем.

Тут ситуация, если смотреть внимательно, довольно печальная.
Если буквально следовать документации на ОБР полупроводниковых приборов, с учетом ее derating-а при нагреве, а также исходить из реально измеренных импедансов АС, беря случаи "немного хуже среднего", чтобы охватить хотя бы 90-95% типов АС, и учитывая, что музыкальный сигнал в настоящее время не так уж редко имеет достаточно длительные участки с НЧ-СЧ клиппингом (о вкусах не спорим), то оказывается, что для того, чтобы "гарантированно не нарушать ОБР", потребуется еще более монстрообразный выходной каскад, нежели примененный в СЛ. В то же время очевидно, что это экономически нерационально.
Именно поэтому практически у всех сколько-нибудь мощных "линейных" усилителей выходные каскады вполне можно "перегрузить по ОБР", вопрос лишь в том, как часто и в течение какого времени это будет случаться. Соответственно, если анализировать строго, то оказывается, что "линейных" мощных аудиоусилителей, способных на номинальной мощности длительное время работать на существенно комплексную нагрузку с модулем, скажем, 0.7 от формального номинала и фазовым углом, скажем, 60 градусов (что не является чем-то из ряда вон выходящим), практически не обнаружено. То есть, "нагрузочная способность" практически у всех реально существующих "линейных" усилителей по факту является экономически компромиссной величиной.
Приемлемую надежность при этом приходится обеспечивать эмпирическим путем - за счет использования как "технологического запаса" самих полупроводниковых приборов, так и "неполного использования" усилителей по мощности.

Сообщение от begemot61

А)
Сообщение от sia_2

Практически же единственное, чем можно относительно безболезненно пожертвовать - это "нули THD", особенно для сигналов с частотами выше 5....10 кГц, когда гармоники попадают в практически неслышимую область, и, для домашнего применения, долговременной мощностью. Естественно, в разумных пределах - THD не больше примерно 0.03...0.05% на 10...20 кГц,

Б)
Сообщение от sia_2
Но плюшка эта не бесплатная - платой служит рост искажений на частотах выше 10...50 кГц в зависимости от варианта реализации

Я немного не понял, если мы имеем (А), тогда почему (Б) - это плохо. Плюшка вроде как бесплатная.

Дело все в том, что, хотя "А" и "Б" действительно не только не противоречат друг другу, но и "как бы намекают",
реальная картина несколько сложнее.

Учитывать нужно два привходящих обстоятельства - фактические свойства выходных каскадов и особенности работы систем с ООС.

Первый момент состоит в том, что "в принципе" выходной двухтактный эмиттерный (а при определенных условиях - и истоковый) повторитель, работающий в AB, при правильно выбранных режимах и малом влиянии паразитных параметров монтажа, весьма линеен без каких бы то ни было дополнительных мер. Именно поэтому подобные выходные каскады в интегральном исполнении (когда паразитные параметры малы и можно обеспечить поддержание оптимального режима) свободны от проблем, постоянно муссируемых применительно к УМЗЧ.
Однако паразитные параметры конструктивного исполнения реальных выходных каскадов УМЗЧ, работающих в классе AB (в первую очередь индуктивности цепей полуплеч) зачастую сильно изменяют ситуацию, в результате чего мы часто имеем характерные всплески "переключательных" искажений при переключении плеч. Существенным здесь является то, что их амплитуда зачастую увеличивается с ростом скорости изменения сигнала - скорость "переключения" тока из одного плеча в другое лимитируется паразитными индуктивностями, и характерные постоянные времени имеют порядок величины Lпар/Rэ. Соответственно, шаблонный путь борьбы с этим явлением в уже существующем конструктиве - "увеличение скорости ООС" - не дает существенного эффекта.
В частности, при заданном токе покоя (Io, А) и скорости изменения тока нагрузки (Q, А/мкс), требуемое время "переключения" тока однозначно определяется соотношением 2Io/Q. Если оно окажется сравнимым или меньше, чем постоянные времени, определяемые паразитными параметрами, то возникнут пресловутые "коммутационные" искажения.
Очевидно, что уменьшить их при неизменных конструктивных параметрах можно лишь за счет искусственного "удлинения" процесса переключения токов. А при заданной скорости изменения выходного тока сделать это можно только одним способом - увеличить ток покоя, статически или динамически (на момент переключения).
Первый способ очевиден, наиболее эффективен, но затратен экономически.
Второй способ - динамическое увеличение тока покоя в момент перехода тока с одного полуплеча на другое - и есть то, что в действительности выполняют работоспособные схемы "плавного переключения". Это хорошо видно даже при моделировании, если смотреть суммарные токи плеч.
Однако для достижения этого эффекта сигнал, фактически подаваемый на базы выходных транзисторов, начинает содержать существенно более высокочастотные (по сравнению с основным усиливаемым сигналом) составляющие. Из-за этого, начиная с определенной частоты, схема ЭА в сочетании с реальным выходным каскадом начинает вносить даже бОльшие искажения, чем классический вариант выходного каскад с фиксированным током покоя.
Как правило, частоты, на которых происходит это ухудшение, оказываются существенно выше звуковых, и формально все хорошо.

Однако при этом в ООС-ном усилителе мы дополнительно увеличиваем вероятность столкнуться с неприятной вещью, а именно, с тем, что разностный сигнал продуктов искажений перестает спадать с частотой хотя бы с такой же скоростью, как падает петлевое усиление. Это условие и так обеспечить непросто, а в данном случае - в особенности. Невыполнение же этого условия приводит к тому, что в разностном сигнале, (фактически усиливаемом каскадами усилителя с ООС), начинают составлять существенную долю (а то и превалировать) продукты искажений, имеющие гораздо более широкий спектр и другую динамику, нежели полезный сигнал. Последние обстоятельства приводят к образованию шумоподобных комбинационных продуктов искажений, в случае аудиоусилителя снижающих "ясность" звучания даже при формально весьма низких уровнях этих искажений.

Сообщение от begemot61

В общем-то это Вы не поняли, что имеется ввиду.
Речь не идёт о введении дополнительной местной ОС в уже скорректированную схему.

Позволю себе повторится, в общем случае утверждение о том что вложенная ОС не может улучшить линейности при одном и том-же петлевом общей ОС (а я понял Сергея именно так) является неверным.

Нет, здесь, вероятно, ошибка в понимании - об "одном и том же петлевом по общей ОС" не было (и не могло быть) и речи.
Речь в данном конкретном случае идет о довольно простой, хотя и не очень "интуитивно-понятной" вещи.

Когда мы имеем некоторую усилительную структуру, то ее высокочастотная асимптота спада усиления в сочетании с величиной неминимально-фазовой задержки однозначно задает предел достижимой глубины общей обратной связи в некоторой полосе частот.
При этом важно понимать, что если у нас имеется избыток петлевого усиления (именно усиления "над" пределом, а не полосы!), мы его в усилителе с ООС по-любому должны погасить тем или иным способом для обеспечения необходимых характеристик устойчивости.
Соответственно, грамотный разработчик постарается использовать этот избыток усиления для улучшения линейности, в первую очередь за счет использования местных ООС (в том же СЛ их несколько). Наиболее важны здесь два момента. Первое, это то, что повышение глубин местных ООС в бОльшей степени, чем это нужно для обеспечения (предельной по интегралу Боде) характеристики петлевого усиления по цепи общей ООС, начинает ухудшать потенциально достижимое качество системы в целом из-за потери глубины наиболее эффективной, общей ООС.
Второе, нужно иметь в виду, что любая петля ООС в области частот единичного усиления переходит в ПОС, ухудшая характеристики охватываемого объекта в данной области частот, поэтому следует по возможности избегать охвата "медленных" узлов более чем одной петлей ООС, чтобы избежать "суммирования ухудшений". В УМЗЧ, как правило, самым "медленным" является именно выходной каскад.

Далее, по той же самой причине нужно очень аккуратно подходить к возможности наращивания "суммарного петлевого усиления и линейности" за счет использования структур с многопетлевой ООС - увеличение числа петель ООС даже при одном и том же числе усилительных элементов может как несколько увеличивать (за счет аккуратно дозированного образования ПОС), так и (чаще) уменьшать достижимые в принципе суммарную площадь ООС и положение высокочастотных асимптот. Увеличение же числа усилительных элементов практически всегда сдвигает "влево" положение высокочастотных асимптот (и уменьшает потенциально достижимую площадь петлевого усиления).
С другой стороны, проектировать и особенно отлаживать "композитную" структуру, как правило, проще, и это практическое обстоятельство во многих случаях более чем окупает некоторую потерю в потенциально достижимых характеристиках.

Сообщение от sia_2

С другой стороны, проектировать и отлаживать "композитную" структуру, как правило, проще, и это практическое обстоятельство с лихвой перекрывает некоторую потерю в потенциально достижимых характеристиках.

И с композитными (т.е. содержащими ОУ) структурами не всё так просто. Как известно из теории ООС (и Вы об этом тоже писАли в своей статье в журнале Радио), искажения разных каскадов, находящихся в одной петле ООС, подавляются по разному (и это легко показать математически), т.е. искажения какого-то каскада (напр., первого) уменьшаются в соответствии с петлевым усилением, считаемым до выхода именно этого каскада и соответственно меньше всего подавляются искажения первого каскада и больше всего выходного УН и ВК, т.к. у последних искажения подавляются на величину петлевого усиления всего усилителя. При этом выходит, что построение цепи после первого каскада (или ОУ) не влияет на степень подавления искажений этого первого каскада, но влияет на напряжения, действующие на входе и выходе первого каскада\ОУ. Из-за этого возникает дилемма, какая композитная структура лучше, с дополнительной петлёй ООС (охватывающую выходной УН и ВК) или нет. С дополнительной петлёй ООС с одной стороны увеличивается подавление искажений выходного УН+выходного каскада (они охвачены двумя петлями ООС, правда спад усиления становится 12 дБ\о, так что выигрыш только на низких частотах), но усиление этой части значительно уменьшается и, соответственно, увеличиваются напряжения, действующие на входе и выходе первого каскада\ОУ, что увеличивает искажения последнего, а т.к., как уже выше говорил, подавление искажений входной части практически не меняется от ввода дополнительной ООС и по прежнему определяется только собственным усилением, то требуется значительно бОльшая линейность от входной части и выбор входного ОУ значительно усложняется.

Сообщение от viktor8m

И с композитными (т.е. содержащими ОУ) структурами не всё так просто....

Offтопик:
В принципе, все так. Но есть еще практические соображения, сводящиеся, если очень грубо, к тому, что "лучшее - враг хорошего". Не случайно в мощных УМЗЧ довольно популярны структуры с в той или иной мере "разделенными" ВК и УН, вплоть до того, что выходной повторитель охвачен собственной местной ООС, представляя собой буфер с единичным усилением, а "общая" ООС кончается на выходе УН (см. усилители Ратаева - "Нева Аудио"). Причина проста - при общей "однопетлевой" ООС почти любая ошибка в конструировании или сборке приводит к полной неработоспособности устройства в целом (а то и к "фейерверку"). Разделение же на более-менее самостоятельные части сильно облегчают ремонт и наладку "по частям". По той же причине и при сборке СЛ обязательно надо проверять фактические частотно-фазовые характеристики "транзисторной" части до включения с ООС.

Сообщение от Edvard

А Халкро, случаем, на так же делают? Вроде кричат, что у них нет общей ОС.

У Халкры ВК с корректором Хаксфорда под общей петлей оос. Сама топология - развитый Линн.

Сергей, спасибо за развёрнутые ответы. Вас всегда интересно и полезно послушать.
Что не означает что я согласен со всеми Вашими утверждениями.

Сообщение от sia_2

Если буквально следовать документации на ОБР

Да, конечно. Если буквально следовать документации на ОБР то работать не должно почти ничего и почти никогда. Не говоря уже о том что сама эта документация чаще всего недостаточно подробна.
Т.е. при условии что мы минимизировали петли тока ВК и т.д. и т.п. (т.е. приняли меры к обеспечению разумной помехозащищённости) , основное что Вы имели ввиду-это обеспечение "разумной" надёжности?

Сообщение от sia_2

Учитывать нужно два привходящих обстоятельства - фактические свойства выходных каскадов и особенности работы систем с ООС.

Т.е. грубо говоря, погоня за нулями на высшей частоте рабочего диапазона может ( не обязана, но может) приводить к тому что применённая коррекция не обеспечит адекватной перегрузочной способности
за пределами звукового диапазона. Что в свою очередь может приводить к возникновению

Сообщение от sia_2

шумоподобных комбинационных продуктов искажений,

Возникает вопрос, должны ли эти продукты искажений попадать в диапазон звуковых частот что бы быть заметными как

Сообщение от sia_2

снижающих "ясность" звучания

Какой уровень этих продуктов различим?
Каким образом это можно измерить? Возможно что ни одна стандартная методика не покажет этих проблем. В этом случае - как хотелось бы это измерить?
Ведь можно долго рассуждать о топологической правильности/неправильности того или иного решения.
Но даже в случае идеального решения, никто не застрахован от ошибок при монтаже или применения дефектных компонентов.
Как убедиться в том что собранное устройство не имеет подобных проблем?

Сообщение от sia_2

При этом важно понимать, что если у нас имеется избыток петлевого усиления (именно усиления "над" пределом, а не полосы!), мы его в усилителе с ООС по-любому должны погасить тем или иным способом для обеспечения необходимых характеристик устойчивости.

Это очевидно.

Сообщение от sia_2

разработчик постарается использовать этот избыток усиления для улучшения линейности, в первую очередь за счет использования местных ООС

"Местная" ООС и является одной из видов вложенных петель.

Сообщение от sia_2

увеличение числа петель ООС даже при одном и том же числе усилительных элементов может ......., так и (чаще) уменьшать достижимые в принципе суммарную площадь ООС

Да, суммарная площадь общей ОС в этом случае чаще всего получится немного меньше. Но нас интересует не просто суммарная площадь ОС, а линейность того что этой ОС охвачено. И то где это расположено внутри петли.

Сообщение от sia_2

повышение глубин местных ООС в бОльшей степени, чем это нужно для обеспечения (предельной по интегралу Боде) характеристики петлевого усиления по цепи общей ООС, начинает ухудшать потенциально достижимое качество системы в целом из-за потери глубины наиболее эффективной, общей ООС.

Речь идёт о том что вложенная петля является одним из способов достижения устойчивости. Позволяя при этом получить и более высокую линейность.
Но утверждение о ухудшении применимо только к данной системе и не позволяет сравнивать и делать общие заключения, не смотря на то что выходной каскад является наиболее узкополосным

Сообщение от begemot61

Речь идёт о том что вложенная петля является одним из способов достижения устойчивости. Позволяя при этом получить и более высокую линейность.

О том как обеспечить устойчивость при любой суммарной глубине ООС для ВК применением вложенных петель ООС здесь, пост 20. Именно ВК имеет наибольший вес в искажениях УМЗЧ.

Сообщение от Валет

О том как обеспечить устойчивость при любой суммарной глубине ООС для ВК применением вложенных петель ООС здесь, пост 20.

Картинки когда срисовываете из чужих патентов, давайте прямую ссылку, пожалуйста. По ссылке картинка из патента инж.Черри.

Сообщение от belka

Картинки когда срисовываете из чужих патентов, давайте прямую ссылку, пожалуйста. По ссылке картинка из патента инж.Черри.

Разве я претендовал на открытие? В электронной схемотехнике уже все давно изобретено. Но разобраться в патентах очень непросто. Часто проще самому изобрести заново. Но когда вы указываете на существующий патент желательно приводить его номер или давать ссылку на источник.
Кстати, для любой схемы на форуме имеется прототип, в т.ч. и ваших, если они имеют какие-то существенные особенности. Не патентуются только несущественные.