Усилитель Сокол-2. Часть 3. Границы устойчивости. Линейность. Выходное сопротивление

1.

Усилитель Сокол-2. Часть 3
Границы устойчивости
Линейность
Выходное сопротивление
Alex Sokolov
April 13, 2023
1T308A

2.

Анализ реальной конструкции. Модель
Рассмотрим УМЗЧ Сокол-2, рекоммендуемой мной для домашнего использования. Исследуем частотные
характеристики и их влияние на линейность усилителя используя модель внизу. Здесь имеется только два
элемента частотной коррекции, это C5 и C10. Их то и будем оптимизировать. Внимание! АЧХ петли ООС
и АЧХ усилителя с разорванной ООС – это разные вещи. Пути входного сигнала и сигнала ООС не
одинаковы! А при анализе устойчивости важна именно АЧХ петли ООС.
1.5k
R2
C2
470u
1k
R3
D1N4148
VD1
301
R1
2k
R4
+
V1
C1
10n
VT1
D45H11
VD2
VT2
R6
BZX84-15
VT3
3.4k
R5
2k
3.74k
R7
R8
C5
VT7
VT6
220m
R12
BC546BP
1k
R10
15p
C4
2.2u
V2
VT5
C6
100n
AC 1
C3
1u
3.4k
5.76k
R11
FB
VT4
D44H11
OUT
R9
3u
FB
L1
R15
VT8
C7
R18
1k
VT9
1k
49.9
R16
220m
R17
20
R13
22u
R19
VT11
24.9k
R20
RL1
0
LL1
4
LL2
C9
470u
3.4k
R21
VT13
D44H11
2k
R22
1.5k
R24
1k
R25
15
C8
22n
150u
C10
47p
VT12
+
VD3
RL2
CL1
VT10
D45H11
3.4k
BZX84-15
150u
24.9k
R14
6.81k
V4
April 13, 2023
IN
=OUT/IN
D1N4148
VD4
C11
10n
V3
301
R23
2
1T308A

3.

Анализ реальной конструкции. Влияние разброса параметров компонентов
Перед началом тестирования установим
намеренный разброс коэффициентов
усиления всех транзисторов. Как и
происходит на практике, Hfe всех npn
транзисторов будет выше на 25-50% чем
Hfe всех pnp транзисторов. В таблице
указаны средние величины для каждой
позиции. Именно они и использованы в
модели для анализа.
Транзистор
Марка
Проводимость
Hfe
VT5, VT6, VT7
BC546
npn
400
VT3, VT12
MPSA06
npn
286
VT13, VT4
D44H11
npn
91
VT8, VT9
BC556
pnp
330
VT2, VT11
MPSA56
pnp
208
VT1, VT10
D45H11
pnp
66
4
38
36
3
34
32
30
28
ТОК ПОКОЯ / mA
СДВИГ НУЛЯ / mV
Исследуем влияние старения резисторов. Такой анализ делается только для аппаратуры
специального назначения, но мы не поленимся. Используем стандартную формулу для старения
металлопленочных резисторов: ΔR/R = 0.0025*lg(hrs). Для 1.5 лет это 1%. Для анализа воспользуемся
методом Монте-Карло. По стандарту NASA для достоверности результатов требуется не менее 1000
проходов. Сделаем 2000 для пущей достоверности. Получен хороший результат, диаграммы внизу.
2
1
0
-1
-2
20
30
40
Temperature/Celsius
50
60
70
20
80
30
Temperature/Celsius
10Celsius/div
Ноль уплывает не более чем на 4мВ.
Очень хорошо
April 13, 2023
26
24
22
20
18
40
50
60
70
10Celsius/div
Ток покоя уходит от номинала на ±10мА
при 20С и ±7мА при 80С. Допустимо.
3
1T308A

4.

Анализ реальной конструкции. Влияние С10
Необходимость С5 мы выяснили в предыдущей лекции. А зачем нужен С10? Дело в том, что
транзисторы VT1, VT4 и соответственно VT10, VT13 дешевые, но не слишком высокочастотные и
входной импеданс этой четверки при индуктивной нагрузке имеет паразитный резонанс на частоте
около 10кГц. Этот резонанс сильно ухудшает устойчивость и может вызвать самовозбуждение на
10кГц. А конденсатор С10 нивелирует этот резонанс, как показано на диаграмме. Все меряем на
эквиваленте АС, поскольку реальная АС всегда имеет индуктивность. Поэтому измерения при
активной нагрузке 4Ом дадут приукрашенный результат, лучший, чем будет на самом деле.
ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / Ohm
100M
10M
С10 = 0
1M
С10 = 33пФ
100k
10k
1k
С10 = 15пФ
100
10
20
40
100 200 400
1k
2k
4k
10k 20k 40k
100k 200k 400k
1M
2M
4M
10M 20M 40M
100M
Frequency / Hertz
Несомненно, этот конденсатор приуменьшает комплексное сопротивление нагрузки каскода VT2,
VT7, VT9, VT12 и, следовательно, усиление в петле ООС, но это неизбежный компромисс между
устойчивостью и линейностью. Значение С10 = 33пФ – это оптимальная пользовательская величина
в то время как 15пФ – это экстремальный тюнинг для предельной линейности. Заметить разницу в
звучании вряд ли возможно, но аудиофилия – это спорт. Далее мы все проверим.
April 13, 2023
4
1T308A

5.

Измерение АЧХ ООС и границ стабильности
Итак, оценим границы устойчивости и полосу пропускания при нормальном и экстремальном
тюнинге. Левый график – С10 = 15пФ (экстремальный тюнинг), правый – С10 = 33пФ (нормальный
тюнинг). На границе полосы пропускания усиление в петле ООС равно (R11+R14)/R14 = 28дБ
4.5392Meg 10.427Meg
5.8874Meg
3.5911Meg 12.380Meg
8.7890Meg
150
150
-53.38575
-34.86546
34.923710
0
58.24767m
Phase /
50
100
50
53.688349
0
302.5977m
-50
-50
-100
-100
Y2
Y2
60
60
40
40
20
Gain / dB
Gain / dB
Phase /
100
270кГц при 28дБ
20
0
0
-20
-20
10
100
1k
10k
100k
1M
10M
REF A
100M
10
Frequency / Hertz
100
1k
10k
100k
1M
10M
REF A
100M
Frequency / Hertz
Запас по фазе = 35°, недостаточно, нужно >45°
Запас по усилению = -11дБ, удовлетворительно
Полоса пропускания ООС = 270кГц, отлично
April 13, 2023
200кГц при 28дБ
Запас по фазе = 54°, хорошо
Запас по усилению = -16дБ, отлично
Полоса пропускания ООС = 200кГц, очень хорошо
5
1T308A

6.

Измерение скорости нарастания выходного напряжения
Скорость нарастания выходного напряжения определяет максимально возможную амплитуду
выходного напряжения на заданной частоте. Для синусоиды это так:
Здесь
- скорость нарастания,
- амплитуда выходного напряжения,
- угловая частота
Следовательно, для 20кГц необходима минимальная скорость нарастания всего 0.13В/мксек на
каждый вольт амплитуды выходного напряжения. Для 20В это будет 2.6В/мксек. Однако, для
улучшения линейности требуется запас раза в три, а лучше в пять. Дальнейшее увеличение не
имеет особого смысла, особенно если на входе имеется ФНЧ с частотой среза 20кГц. А это
необходимая деталь. Далее мы измерим скорость нарастания у модели усилителя для дома.
3.000177m
3.000493m
10
10
5
5
0
0
-5
-5
10.049499
C10 = 33пФ
-5.052637
-10
-10
16
16.2
Time/mSecs
16.4
16.6 16.8
17
17.2 17.4
3.000153.0002 3.00025 3.0003 3.00035 3.0004 3.000453.0005 3.00055
REF
A
Time/mSecs
50nSecs/div
17.6
200uSecs/div
Выходной сигнал при входном сигнале
прямоугольной формы 1кГц амплитуда 0.5В.
Есть небольшой всплеск у вершины. Это норма.
На качество звучания влиять никак не может.
April 13, 2023
4.9968616
С10 = 15пФ
Output / V
OUTPUT / V
316.5541n
Растянутый фронт выходного импульса.
Одинаковая скорость 32В/мкс при С10 = 15пФ и 33пФ.
Это в 12 раз больше минимально необходимого.
Дальнейшее увеличение будет только во вред.
6
1T308A

7.

Измерение линейности
Я измеряю коэффициент гармоник (THD) на частоте не выше 10кГц, поскольку выше даже вторая
гармоника не слышна. Это мое мнение. Линейность, как и устойчивость, я измеряю на индуктивной
нагрузке, считая такой результат более близким к практике. Поскольку частотные свойства транзисторов
ухудшаются при приближении к насыщению, вершины синусоид немного закругляются. Из-за этого
линейность при пониженной выходной мощности лучше, чем при максимальной. Это особенно заметно в
ламповых схемах. К счастью, такие искажения реально не слышны. И еще, моделирование не выявляет
заметной разницы в линейности при уменьшении С10 от 33пФ до 15пФ. Результаты измерений внизу.
Практически никакой разницы не отмечено.
Искажения при С10 = 15пФ и 12В на выходе
0.00062% при 1кГц. Отлично
0.004% при 10кГц. Отлично
April 13, 2023
Искажения при С10 = 33пФ и 12В на выходе
0.00062% при 1кГц. Отлично
0.005% при 10кГц. Отлично
7
1T308A

8.

Клип и ступенька
Поведение усилителя при перегрузке по входу влияет на слышимое качество звучания. Простое срезание
вершин синусоиды не царапает слуха, а подвозбуждение на фронтах и вершинах звучит очень неприятно.
Артифакты при клипе сильнее проявляются на низких частотах, когда транзисторы дольше находятся в
насыщении, поэтому измеряются на 1кГц при двойной перегрузке по входу. Самый же скверный тип
искажений – это ступенька. Скрипит, как ножом по стеклу, аж передергивает. Ступенька проявляется
сильнее на высоких частотах, где ООС не успевает отработать. Поэтому будем смотреть ее на 100кГц.
Результаты моделирования внизу. Величина С10 = 33пФ, но при 15пФ результат не отличим. Смысла в
экстремальной коррекции для данной схемы нет.
6
15
4
OUTPUT / V
OUTPUT / V
10
5
0
-5
2
0
-2
-10
-4
-15
40.5
Time/mSecs
41
41.5
42
41.738
42.5
Time/mSecs
500uSecs/div
Анализ клипа на 1кГц при двойной перегрузке.
Чистейший клип, никаких артифактов.
Отличный результат.
April 13, 2023
41.74
41.742
41.744
41.746
41.748
2uSecs/div
Анализ ступеньки на 100кГц.
Нет ступеньки ни на сильном сигнале ни на
слабом. Совсем нет. Отличный результат.
8
1T308A

9.

Входное и выходное сопротивление
Выходное сопротивление всех транзисторных усилителей с общей ООС очень мало. Оно во много раз
ниже сопротивления АС, поэтому его влияние полностью отсутствует. Более того, сопротивление
проводов от усилителя к АС многократно превышает выходное сопротивление усилителя. Понятие
Damping Factor, актуальное для ламповых усилителей, теряет всякий смысл в случае транзисторных. Но
по желанию подписчиков я измерю входное и выходное сопротивление описываемого усилителя.
Диаграммы внизу.
2m
ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / Ohm
ВЫХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / Ohm
100k
1m
400u
200u
100u
10
100
1k
10k
1k
10
50k
100
1k
10k
100k
1M
10M
100M
Frequency / Hertz
Frequency / Hertz
Входное сопротивление усилителя как функция
частоты. Равно величине R20 и неизменно до
100кГц, как и следовало ожидать от схемы.
Здесь выходное сопротивление усилителя как
функция частоты. До 1кГц его величина равна
200 мкОм, на 20кГц оно увеличивается до 500
мкОм. Это в 100 раз меньше реального
сопротивления подводящих проводов.
April 13, 2023
10k
9
1T308A

10.

Финальная схема
Схема УМЗЧ Сокол-2 в неинвертирующем включении. Аналоговая и силовая земля соединены
перемычкой RZ1. Это необходимо для обмана программы разводки ПП, иначе выдаст ошибку.
1k
R3
D1N4148
VD1
470u 35V
2k
R4
+
C4
301
R1
C3
10n
P
P
VT1
D45H11-FP
VT2
VD2
P
+
1.5k
R2
C2
470u
35V
VT3
MPSA06
MPSA56
3.4k
R5
R7
1N4744A
+
+VCC
C1
470u
35V
VT4
D44H11-FP
2k
3.74k
R6
R8
VT6
BC546B
C6
100n
3.4k
5.76k
R10
C7
BC546B
1k
R9
15p
C8
2.2u
220m
R11
VT5
VT7
BC546B
PGND
C5
1u
P
R12
3u
24.9k
L1
OUT
R14
6.81k
INPUT
VT8
BC556B
R15
VT9
BC556B
1k
C9
R18
1k
49.9
R16
220m
R17
20
R13
22u
AGND
A
R19
VT11
MPSA56
3.4k
A
470u 35V
1N4744A
P
1.5k
R24
1k
R25
P
C10
33p
2k
R21
VD3
A
VT12
MPSA06
A
C13
10n
D1N4148
VD4
VT13
D44H11-FP
P
C14
470u
35V
RZ1
0
P
301
R23
C15
470u
35V
+
3.4k
R20
+
C11
+
24.9k
R22
C12
22n
VT10
D45H11-FP
A
P
-VCC
April 13, 2023
10
1T308A

11.

Выводы
Результаты моделирования показали отличные результаты, очень похожие на параметры хорошего
лампового усилителя. Признаки «ламповости» таковы:
1.
Усиление в петле ООС не улетает в небеса на низких частотах, а растет от 10кГц до нуля на 15дБ
2.
Очень быстрая реакция петли ООС на изменение входного сигнала из-за каскода оэ-об.
3.
Малые искажения при относительно невысоком усилении в петле ООС
4.
Мягкое ограничение в клипе
5.
Быстрое уменьшение искажений при уменьшении выходного напряжения
6.
Полное отсутствие ступеньки.
Вывод: Этот усилитель будет звучать не хуже двухтактного лампового. Простота и дешевизна облегчают
изготовление в домашних условиях.
Однако, всегда и во всех случаях только практика – критерий истины.
На этом все. До свидания и до следующих встреч
April 13, 2023
11
1T308A