By
Ремирович
Впервые с возможностью коррекции нелинейных искажений я столкнулся при подготовке темы про адекватный усилитель начального уровня. Тема ожидаемо не получила значительного развития, так как никто не захотел разбираться, почему схема, составленная вопреки установившимся традициям, изложенным, в частности, у Рода Эллиотта, даёт в симуляторе Multisim довольно низкий уровень нелинейных искажений.
Что же такое коррекция нелинейных искажений, и, причём тут схема усилителя? Это станет понятно, если сравнить две фотографии работы схемы в симуляторе.
Фото 1.
Фото 2.
На фото 1 приводится типичный режим работы схемы, при уровне выходного напряжения 40 Вольт, это составляет примерно 0,7 от максимального значения. Фиксируем значение нелинейных искажений, которые имеют уровень 0,002%.
На фото 2 всё то же самое, но с помощью конденсатора С8, шунтируется транзистор Q3, предназначенный для задания тока покоя выходного каскада усилителя. Уровень нелинейных искажений вырос до значения 0,027%, больше чем в 10 раз. То есть элемент, задающий ток покоя, который, в общем-то, можно заменить резистором, непонятным образом снижает нелинейные искажения больше, чем на порядок.
Это не укладывается в привычную теорию работы усилителей мощности, изложенную умными людьми, например, такими как Род Эллиотт и Дуглас Селф. Согласно существующим понятиям, нелинейные искажения можно снизить, только увеличивая глубину отрицательной обратной связи.
Для этого необходимо сделать усилитель с возможно большим усилением, который, после замыкания ООС, позволит получить минимальные нелинейные искажения. Эта теория привела к созданию операционного усилителя, и их схемотехника автоматически распространилась на усилители мощности. По сути, правильным будет считаться усилитель мощности, выполненный точно в соответствии со схемотехникой операционных усилителей, с добавлением мощного выходного каскада.
Отсюда стремление получить каскады с возможно большим усилением, использование транзисторов с максимально большим коэффициентом усиления, построение каскодных схем с динамической нагрузкой и других сложнейших схем, позволяющих получить максимально возможное усиление, без включённой отрицательной обратной связи.
Результат хорошо известен. Достигается впечатляюще малый уровень нелинейных искажений, но усилитель работает на грани самовозбуждения, при замыкании обратной связи.
Для устранения самовозбуждения, приходиться уменьшать усиление на высоких частотах с помощью корректирующих цепочек, их должно быть тем больше, чем больше каскадов усиления.
Снижение усиления на высоких частотах приводит к увеличению искажений на них, а наличие большого количества цепей коррекции, к длительным переходным процессам и, как следствие, непредсказуемому поведению усилителя в режиме ограничения по напряжению, особенно на высоких частотах.
В качестве примера, привожу фото 3, и фото 4, где видно влияние цепи коррекции, конденсатора С5, на устойчивость уже упоминавшегося усилителя, при ограничении сигнала на частоте 100 кГц. На фото 4 хорошо видно улучшение качества сигнала при включении конденсатора.
Фото 3.
Фото 4.
В погоне за максимальным коэффициентом усиления, из поля зрения выпали линейность характеристик различных транзисторов, взаимовлияние каскадов усиления друг на друга и другие факторы, способные влиять на уровень нелинейных искажений усилителя в целом. Как я понимаю, считается, что они не оказывают существенного влияния, и, при использовании глубокой ООС, их можно не учитывать.
Фото 1 и фото 2 доказывают, что это не так. Есть возможность снизить нелинейные искажения другим путём. Предположим, что нелинейность одного полупроводникового прибора можно компенсировать нелинейностью другого, а фотографии это доказывают.
Конечно, такие предположения, в первую очередь сочтут бредовыми, а автора, не очень умным человеком, что, собственно и случилось с темой про адекватный усилитель начального уровня. Что же, мне не привыкать.
На фото 5 и фото 6 показана работа простейшего усилителя на одном транзисторе. На фото 5, в схеме присутствуют “бредовые” диоды D1 и D2, которые должны были бы вообще не влиять на работу схемы, или только ухудшать её работу, а они заметно снижают уровень нелинейных искажений, что доказывает фото 6, где на схеме диоды отключены.
Фото 5.
Фото 6.
В более сложных схемах присутствуют свои закономерности и возможности коррекции нелинейных искажений. Только для “истинно верующих”, приведённые примеры вряд ли покажутся убедительными.
Тогда обратимся к “истокам веры”, схеме усилителя умного человека Рода Эллиотта, и попробуем проверить его работу в симуляторе, чтобы хотя бы немного набраться ума, а заодно проверить соответствие характеристик усилителя, приведённых автором и тех, что покажет Multisim.
Впервые пройдя по ссылке на этот усилитель, я с удивлением обнаружил хорошо знакомую мне схему усилителя “Одиссей-001”, только без германиевых транзисторов. Где-то в 1973 году этот усилитель был у меня, и он имел некоторые “особенности” работы, которые заставили избавиться от него, при первой же возможности.
Понятно, что образцово-показательный усилитель должен работать идеально, но проверить, и убедиться всё равно надо, и этому ничего не мешает. Поэтому загружаем схему в эмулятор, и убеждаемся, что автор не врёт, и технические характеристики, скажем прямо, не очень выдающиеся, подтверждаются. Нелинейные искажения, на частоте 1 кГц, Multisim определил на уровне 0,031%.
А вот попытка перейти ко второй части проверки, режиму ограничения сигнала на высокой частоте, провалилась. Какие там 100 кГц, тут даже на 5 кГц, при минимальном уровне ограничения, усилитель так изуродовал сигнал, что невольно задаёшься вопросом, а не отсюда ли “ноги растут”, эффекта транзисторного звучания?
Фото 7.
На фото 7 приведён образцово-показательный пример того, как не должен работать усилитель, даже начального уровня. Именно такие искажения и проявлялись у усилителя “Одиссей-001”, если, с помощью темброблока, слишком сильно добавлялись высокие частоты. Иногда это заканчивалось смертельным исходом для одного из каналов усилителя.
Тому, кто подрывает “основы веры”, дорого это обходится, легко можно попасть в отряд глупых людей. И это не самый худший вариант, раньше бывало и до костра доходило. Но раз уж начал, надо идти дальше, и продолжать делать “глупости”. Поэтому на фото 8 привожу доработанную схему усилителя и результат её работы, а на фото 9, работа в режиме ограничения на высоких частотах.
Фото 8.
Фото 9.
Придётся объяснить, что даёт каждое изменение в отдельности, чтобы не перегружать тему фотографиями.
Первой была сделана замена выходного каскада на составных транзисторах, так как он очень плохо работает на высоких частотах. Применённые мощные транзисторы Дарлингтона не рекомендуются для применения умными людьми, но зато хорошо работают не только в моделях эмуляторов, но и в реальности. Они улучшили работу усилителя на высоких частотах, но нелинейные искажения оставались прежними. Замена транзистора Q4 на BC636 позволила снизить искажения до 0,01%, что уже неплохо, но хотелось лучшего.
Выбор тока покоя, изменения номинала резисторов R6, R9 и R10, а также установка совершенно бессмысленного, c точки зрения классической схемотехники, резистора R19, позволили снизить искажения до значения 0,003%, и сделать удовлетворительной работу на высоких частотах.
Как видно на фото 9, частота тестирования 50 кГц. До 100 кГц усилитель не дотягивает из-за использования на входе дифференциального каскада, вернее слишком большого напряжения питания для него. А ведь использование дифференциального каскада на входе усилителя, это “святое”. Действительно очень полезная схема для операционного усилителя с напряжением питания ±15 Вольт, но чем выше напряжение питания, тем больше с ней проблем.
Как видно из этого примера, даже хорошо известные, и довольно простые схемы, можно довести до нужных кондиций, если понимаешь, что не только коэффициент усиления усилителя с разомкнутой обратной связью, позволяет получить низкие нелинейные искажения.
Возвращаясь к теме коррекции нелинейных искажений, следует отметить, что чем проще схема, чем меньше усиление используемых каскадов и их количество, тем сложнее найти возможность такой коррекции. Связь величины нелинейных искажений с глубиной ООС, коррекция не отменяет, она позволяет уменьшить величину ООС и, тем самым, повысить запас устойчивости усилителя.
Для иллюстрации этого положения привожу схемы двух простейших усилителей и их работу в Multisim. На фото 10 и фото 11 одна схема, на фото 12 и фото 13 другая.
Фото 10.
Фото 11.
Фото 12.
Фото 13.
И хотя усилитель на фото 10 вроде бы проще, чем на фото 12, да ещё и нелинейные искажения у него меньше, для меня схема на фото 12 является более перспективной, так как к ней легко подключить операционный усилитель, а также перейти на работу с повышенным напряжением питания. Однако это для других применений и к теме не относится.
Не затрагиваю я, и тему температурной стабильности, хотя неоднократно к ней обращался в других темах, и успешно решал её на практике, для гораздо более сложных схем. Этот вопрос возникает только в случае практической реализации, до которой, может быть, ещё и дело не дойдёт.
Тема опять может быть признана “ересью”, недостойной внимания умных людей. Это нормально. С тех пор, когда землю считали плоской, психология людей практически не изменилась. Если что-то не укладывается в привычные рамки, значит это не правильно.
А для этой темы, думаю “глупостей” и так достаточно. Только не надо делать опровержения с использованием упрощённых программ симуляторов, ведь в них отсутствуют модели существующих полупроводниковых приборов, и предназначены они для обучения азбуки схемотехники, а не для проверки качества работы схем.
Так что “думайте сами, решайте сами …” делать глупости, или нет. Будьте крайне осторожны в желании использовать приведённые схемы в реальности, не забывайте, что бывает с теми, кто подрывает “основы веры”.
By meeeeeeeha
By Ремирович
By кирилл бакшаев
By DIYer Forever
By Vaszhov
@Borodach не пробовал - дорогое удовольствие) буду знать
Я так вообще... считаю вас самым упакованным, уникальными компонентами, радиолюбителем нашего форума... Я это понял, когда увидел вашу фотку, где сдвоенный потенциометр, содержащий два грамма чистого палладия, припаян на соплях к макетке хрен знает кода собранного и заброшенного звукового генератора. И тогда я понял... это очень даже не простой парень... Он не нуждается ни в чём... И уникальных деталей у него просто море.
