Схемотехника усилителя мощности на примере Musatoff PA-20

[Мусатов Константин]

Я предлагаю к обсуждению схемотехнику усилителя версии, которую я выпускал 4 года назад. Современная несколько отличается, но это не принципиально.
В малосигнальной части тут применены сборки от Тошибы. Позже я вернулся, как было в более ранних версиях к сборкам от Филипса. Можно просто их подменить на BCM847/857 в дифкаскадах и на BC847/857 остальные. Так жже, можно использовать дискрет вместо остальных сборок.

[Владимир R-V-A]

А что не так? Просто, если там КНИ 0,0008%, а Вы хотите получить КНИ 0,0002%, то вряд ли на слух кто-то заметит хоть какие-то изменения в этой схеме.

[Мусатов Константин]

Я не гонюсь за тысячными долями процента. Психоакустические исследования показали, что даже самый продвинутый слухач не способен услышать нелинейные искажения ниже 0,02%. Даже эта цифра удивительна и показывает мощь мозговой обработки слуховой информации, если посмотреть на то, какие искажения продуцирует слуховой аппарат.
Потому, основной задачей я поставил снижение искажений нестационарного сигнала, связанные с так называемыми Memory Distortion.

[Владимир R-V-A]

График поясните, пожалуйста. Какое отношение он имеет к Memory Distortion?

[Игорь Тихомиров]

Я так и понял выходной каскад работает с каким током покоя? Не уж-то в режиме А.
Не нашел цепи общей ООС. Неужели ее нет?
Почему выходные транзисторы раскачивают именно полевики?
Мне не нравится шунтирование электролитом С13 источника опорного напряжения. Наверно сильно шумит. Почему нельзя в цепях затворов полевиков, последовательно с антизвонными резисторами включить резисторы номиналом побольше и применить металлопленочный конденсатор номиналом, скажем 10 мк?
Схема защиты очень мудреная. Но если работает надежно, то хрен с ней.

[Мусатов Константин]

График поясните, пожалуйста. Какое отношение он имеет к Memory Distortion?

Это график продуцирования гармоник в слуховом аппарате человека. По горизонтали уровень звукового давления, по вертикали % искажений, линии отвечают за гармоники разных порядков.
Отношение то, что нет необходимости иметь микродоли нелинейных искажений, достаточно иметь на порядок ниже слуха.
А вот Memory Distortion искажают структуру звуков как их воспринимает мозг, а не слуховой аппарат. Потому они весьма заметны. Но, при этом, плохо измеряемы.

Я так и понял выходной каскад работает с каким током покоя? Не уж-то в режиме А.

Обычно я настраиваю 200 мА

Не нашел цепи общей ООС. Неужели ее нет?

На схеме она слева.

Почему выходные транзисторы раскачивают именно полевики?

Они термостабильные и весьма линейные. К тому же, у них очень высокое входное сопротивление и они не нагружают каскад усиления по напряжению.

Мне не нравится шунтирование электролитом С13 источника опорного напряжения. Наверно сильно шумит. Почему нельзя в цепях затворов полевиков, последовательно с антизвонными резисторами включить резисторы номиналом побольше и применить металлопленочный конденсатор номиналом, скажем 10 мк?

Смещение задает режим работы выходного каскада. Потому его нельзя сделать резистором, за ним надо хорошо следить. Шум опорного регулятора не важен. Большая емкость создает задержку при включении и удерживает смещение при выключении.

[Владимир R-V-A]

Это график продуцирования гармоник в слуховом аппарате человека. По горизонтали уровень звукового давления, по вертикали % искажений, линии отвечают за гармоники разных порядков.
Отношение то, что нет необходимости иметь микродоли нелинейных искажений, достаточно иметь на порядок ниже слуха.
А вот Memory Distortion искажают структуру звуков как их воспринимает мозг, а не слуховой аппарат. Потому они весьма заметны. Но, при этом, плохо измеряемы.

Странный график - по моему искажения завышены как минимум на порядок. Лично я на слух улавливаю искажения на 1000 Гц примерно с 0,7 - 1 % (60- 100 дБ). Уж не знаю как там работает в это время мой мозг - просто слышу определенный окрас или даже своеобразную хрипотцу на фоне чистого тона.

Вот поэтому я и предлагаю вместо стационарных тест - сигналов использовать динамично изменяющие во времени (по уровню в каждой пачке), импульсные, широкополосные тест - сигналы. По таким сигналам можно рассчитать, например СКО и сделать логично обоснованный вывод, какой УНЧ имеет меньше уровень искажений любого типа. При таком подходе есть четкая логика - то, что нельзя понять и описать в плане алгоритма работы мозга при анализе качества сигнала, мы сводим к расчету интегрального показателя качества (точности) работы какого-то узла или всей системы в целом. http://www.hiend-audio.pro/showthread.php?t=1077 Не факт, что УНЧ имеющий меньшее значение КНИ по стационарным сигналам будет также иметь меньшие искажения и по нестационарным, быстро меняющимся сигналам с широким спектром гармоник. Чтобы понять какой УНЧ работает лучше, эксперты - слухачи поступают примерно так же. Сравнивают работу УНЧ на сложных музыкальных композициях, которые представляют собой как раз такие сложные, импульсные, многополосные сигналы. И вместо того, чтобы этот анализ делать ушами, я предлагаю просто тупо рассчитывать ошибку воспроизведения такого сигнала, как бы в режиме самого сложного типа тест-сигнала. Чем меньше будут искажения при усилении такого сигнала (минимум миниморум), тем УНЧ работает точней или качественней. Согласны с такой тезой?

[Мусатов Константин]

По таким сигналам можно рассчитать, например СКО и сделать логично обоснованный вывод

К сожалению, это не приведет нас к результату. Кроме нелинейных искажений, есть еще линейные искажения: амплитудно-фазовые. Учитывая, что нелинейные и инерциально-нелинейные (Memory) весьма малы, они маскируются линейными искажениями, которые весьма велики. Например ошибка в 1 дБ - это 10 процентов линейных искажений. А СКО реагирует на линейные искажения так же, как и на остальные.
На данный момент я знаю только одну методику, более или менее дающую адекватные измеряемые результаты. Это методика с последовательным воспроизведением нестационарного сигнала и сигнала, полученного из него же с помощью преобразования Гильберта. Результаты надо выровнить во временной области и либо сделать преобразование Гильберта первому или обратное преобразование Гильберта второму тесту. После чего анализируется различие двух тестов.

[Владимир R-V-A]

Все виды искажений уже есть в двух реализациях сигналов и сравнивая расхождение этих реализаций по методу СКО мы тем самым регистрируем все виды искажений. Там уже заложены все фазовые, амплитудные, нелинейные и др. искажения. И чем будут меньше эти искажения тем только лучше. Понятно, что такой метод надо применять только к УНЧ высокого качества, где линейные искажения очень малы (например +-0,1 - 0,01 дБ).

Согласен, что применяя в лоб метод расчета СКО для анализа точности сигнала в той или иной точке пространства прослушивания можно получать очень большой диапазон значений этой точности за счет влияния АЧХ и ФЧХ(ВЧХ) помещения прослушивания, как некоторого фильтра для сигнала. Общеизвестно, что неравномерность АЧХ помещения прослушивания может достигать +-10-20 дБ и даже больше. Но практически на всех радиотехнических форумах все почему-то обсуждают совсем другие проблемы и думают, что разница в звуке, которую они могут услышать, например, зависит от разных проводов от УНЧ до АС, а не связана хоть как-то с их местом положения при сравнении - "до и после".

Очень напоминает взгляд дикарей на отсутствие какой -то причинно - следственной связи между сексом и рождением детей.

Но в любом случае этот метод формально будет работать. А вот вылавливать более тонкие виды (нелинейных) искажений лучше при анализе отдельных блоков, например УНЧ - по электрическим сигналам. Я же все это не просто объяснял, но и показывал в виде графиков на своем канале в Ютубе прям в режиме реального времени регистрации этих искажений и с микрофона и с выхода УНЧ, например по тест-сигналам типа "пила 400 Гц".

Про 1 дБ - это 10% линейных искажений не совсем понял. Сколько тогда искажений дают 0,01 дБ или 40 дБ?

[Мусатов Константин]

Про 1 дБ - это 10% линейных искажений не совсем понял. Сколько тогда искажений дают 0,01 дБ или 40 дБ?

На малых значениях действует линейная интерполяция. 0,1 дБ - 1 %, 0,01 дБ - 0,1 %
Это много.

[Владимир R-V-A]

Ага, на фоне искажений помещения прослушивания в +-20 дБ)))



Сколько искажений будет в процентах, если 40 (+-20) дБ?

[Мусатов Константин]

Владимир. Не надо все собирать в одну кучу. Линейные искажения помещения можно снизить известными методами. Плюс к тому, слух легко к ним адаптируется и компенсирует. А вот инерциально-нелинейные искажения слух скомпенсировать не может и вы слышите ненатуральность даже поверх нелинейных искажений малых порядков.

[Игорь Тихомиров]

сихоакустические исследования показали, что даже самый продвинутый слухач не способен услышать нелинейные искажения ниже 0,02%.

А чего давали слушать? Чистый тон или музыку? Или звучание инструмента в живую и после записи? Либо запись некой музыки условно без искажений и с введенными искажениями?

[Карабас]

Я не гонюсь за тысячными долями процента. Психоакустические исследования показали, что даже самый продвинутый слухач не способен услышать нелинейные искажения ниже 0,02%. Даже эта цифра удивительна и показывает мощь мозговой обработки слуховой информации, если посмотреть на то, какие искажения продуцирует слуховой аппарат.
Потому, основной задачей я поставил снижение искажений нестационарного сигнала, связанные с так называемыми Memory Distortion.

Интересно, а в каком каскаде данного усилителя уменьшаются Memory Distortion. И каков механизм их возникновения, тепловой?

[Владимир R-V-A]

Владимир. Не надо все собирать в одну кучу. Линейные искажения помещения можно снизить известными методами. Плюс к тому, слух легко к ним адаптируется и компенсирует. А вот инерциально-нелинейные искажения слух скомпенсировать не может и вы слышите ненатуральность даже поверх нелинейных искажений малых порядков.

Не буду собирать все в кучу мозгом, но ушей у меня только две штуки. И они, вообще,не в этой теме - просто что слышат, то и транслируют в мой мозг - как микрофоны. Тут лучше тоже мыслить в стерео - думаю будет ближе всего к истине...так какие искажения при 40 дБ?)))

- - - Добавлено - - -

Владимир. Не надо все собирать в одну кучу. Линейные искажения помещения можно снизить известными методами. Плюс к тому, слух легко к ним адаптируется и компенсирует. А вот инерциально-нелинейные искажения слух скомпенсировать не может и вы слышите ненатуральность даже поверх нелинейных искажений малых порядков.

Константин, теперь вопрос уже не детский. Вот есть симуляторы по расчету работы различных устройств на компьютерах разной мощности, в том числе и на ПК по расчету УНЧ. Вы доверяете результатам их работы и пробовали ли хоть раз пропустить обычный звук (песню) через такое устройство по своей схеме и потом послушать качество работы такого виртуального УНЧ в сравнении с такими же цифровыми и реальными аналоговыми устройствами, графики этих виртуальных девайсов смотрели в версии близкой к графикам, например RMAA.5.5 обычным способом?

- - - Добавлено - - -

Интересно, а в каком каскаде данного усилителя уменьшаются Memory Distortion. И каков механизм их возникновения, тепловой?

Константин уже не рад - голова болит, а отвечать придется - сам заварил тут эту кашу...

- - - Добавлено - - -

Константин, я кажется понял, что вы имели тут в виду. Вам важны не столько формальные расхождения между сигналами, сколько самые ГЛАВНЫЕ искажения, которые заметны на слух. Если это так, то моя методика самая правильная - она самая как бы жесткая - ТОТАЛЬНАЯ и мы из всех схем УНЧ "отфильтруем" по критерию МИНИМУМА СКО самые лучшие варианты - остальные в отвал, вот и всё. Если что, подключим Илона Маска - он, думаю, не откажется предоставить нам свои компьютеры и мозги, если наши разработки потом можно будет без стыда установить в теслу, мерседес, волгу и т.д...

Согласны или опять что-то не так? Еще нужно ширше или ширее взглянуть на доработку этой странной схемы?

[Мусатов Константин]

А чего давали слушать? Чистый тон или музыку?

Там сложные тесты. У меня нет копии статьи, потому однозначно рассказать не могу, сохранились только выводы.

Интересно, а в каком каскаде данного усилителя уменьшаются Memory Distortion

Главным местом их подавления является входной каскад. Несмотря на то, что максимальная тепловая модуляция присутствует в выходном каскаде, она частично подавляется сначала местной ООС (каскад с ОК), а потом общей ООС. А вот те же тепловые искажения входного каскада никто не подавляет, они вынесены за действие ООС, поскольку напрямую влияют на ошибку вычитания. ОООС уменьшает уровень сигнала и тепловую модуляцию. Но соотношение тепловой модуляции к действующему сигналу сохраняется и является естественным параметром входного каскада.

.так какие искажения при 40 дБ?

Не понял, при 40 дБ чего?

Вы доверяете результатам их работы и пробовали ли хоть раз пропустить обычный звук (песню) через такое устройство по своей схеме и потом послушать качество работы такого виртуального УНЧ в сравнении с такими же цифровыми и реальными аналоговыми устройствами, графики этих виртуальных девайсов смотрели в версии близкой к графикам, например RMAA.5.5 обычным способом?

На Вегалабе такие симуляции были проведены, LTSpice позволяет внести исходный сигнал из WAV файла и вывести результат в WAV. Симуляции проводились в двух вариантах: с учетом тепловой модуляции и без оной. Кстати, в современных симуляторах есть возможность тепловой симуляции, что бы учесть изменение параметров от температуры, а так же поймать перегрев кристалла. Так вот, прослушивания этих файлов, проведенные в слепую, показали заметность тепловых эффектов и в симуляторе.

Согласны или опять что-то не так?

Не согласен. Минимизируя СКО с учетом всех инерциальных эффектов мы потратим кучу сил. Неизвестно, добьемся ли мы результата, но силы потратим впустую, поскольку делаем усилитель для людей, а не для приборов. Подход с минимизацией значимых искажений позволяет сконцентрироваться на более важном и раньше достичь результата.

[Владимир R-V-A]

Не согласен. Минимизируя СКО с учетом всех инерциальных эффектов мы потратим кучу сил. Неизвестно, добьемся ли мы результата, но силы потратим впустую, поскольку делаем усилитель для людей, а не для приборов. Подход с минимизацией значимых искажений позволяет сконцентрироваться на более важном и раньше достичь результата.

Умный в гору не пойдет... Ну, как хотите - я бы, если бы был бы умный как Илон Маск, просто прогнал все схемы через комп и оставил бы штук пять для доработки. А остальные - в топку истории.

Вегалаб для меня не авторитетная организация - Тесла круче - их авто с High-End системой уже давно в космосе - летала к Марсу.

Не понял, при 40 дБ чего?

Того, что и 1 дБ - 10%. 40 дБ - это уже скока в процентах будет?

И, если вы используете термин "тепловая модуляция", сколько это в процентах ЧЕГО и сколько ЭТО в гармониках и каких, четных или нечетных?

Про то как вы их собираетесь измерять внутри кристалла транзистора я уже и не спрашиваю...Будете пилить транзисторы? И зачем вам весь этот геморрой? Мой способ проще и научно обоснованный, если как вы говорите уже в программе все это учитывается.

[Игорь Тихомиров]

Главным местом их подавления является входной каскад. Несмотря на то, что максимальная тепловая модуляция присутствует в выходном каскаде

При делении полосы частот хотя бы на две и использования отдельных усилителей эти искажения наверняка уменьшатся. Тем более что для СЧ-ВЧ канала большая мощность не требуется. Можно подобрать динамики с высокой отдачей, да и пиковая громкость требуется, примерно, на 12 дБ меньше. По этому пути надо идти.
А в лампах как с этим?

[Мусатов Константин]

40 дБ - это уже скока в процентах будет?

40 дБ - это изменение в 100 раз. Только на малых дБ можно использовать линейную интерполяцию.

И, если вы используете термин "тепловая модуляция", сколько это в процентах ЧЕГО и сколько ЭТО в гармониках и каких, четных или нечетных?

Для примера я прогнал классическую схему из Хорвица и Хила, по которой собраны Мюзикал Фиделити, и получил уровень тепловой модуляции доходящий до 40%. Что бы она проявилась в виде гармоник, нужно что бы она была нелинейная, а измерения проводить на низких частотах. Рост гармоник на НЧ - признак присутствия нелинейной инерциально-нелинейной модуляции.

Про то как вы их собираетесь измерять внутри кристалла транзистора я уже и не спрашиваю...Будете пилить транзисторы?

Во-первых, они элементарно считаются. Смотрите девиацию мощности рассеяния под сигналом. Устите, что даже у дискретных маломощных биполярных транзисторов постоянная времени прогрева перехода около 1 мс. В микросхемах (тех же ОУ) еще меньше. Т.е. это все попадает в слуховую область.

А в лампах как с этим?

В лампах этот эффект так же проявляется. Но тепловая постоянная времени катода несравнимо больше. Потому слух не замечает этот вид искажений. Но вот в лампах присутствуют другие инерциально-нелинейные искажения. В связи с нелинейностью ВАХ, средний ток потребления зависит от сигнала. Потому происходит плавание рабочей точки от сигнала как по анодному питанию, так и по катодному смещению, если используется катодный конденсатор. То же происходит и по второй сетке, ток которой очень нелинеен. Поменяйте в пентодной схеме конденсатор шунтирующий вторую сетку по номиналу и услышите изменения в подаче.

[Игорь Тихомиров]

В лампах этот эффект так же проявляется. Но тепловая постоянная времени катода несравнимо больше. Потому слух не замечает этот вид искажений.

Хоть какие то найдены положительные свойства ламп.

[Владимир R-V-A]

По этой логике, если транзисторы прикручивать к радиатору, который нагревать мощным источником тепла в противофазе к импульсам полезного сигнала, то кристалл транзистора или микросхемы в среднем будет иметь всегда примерно одну температуру - как в лампе катод. Вариант?

Вспомнилась коронка бывалых аудиофилов, что обязательно нужно СПЕЦИАЛЬНО прогревать любой УНЧ и даже провода чтобы звук стал бриллианс и душевно теплый.

P/S А то УНЧ и так не прогреется без них - за пять минут и без всяких фокусов.

[Владимир R-V-A]

Хоть какие то найдены положительные свойства ламп.

Когда будут готовы графики уровня помех и наводок на частотах в 50 и 100 Гц ваших фонокорректоров для винила на лампах и микросхемах?

[Мусатов Константин]

По этой логике, если транзисторы прикручивать к радиатору, который нагревать мощным источником тепла в противофазе к импульсам полезного сигнала, то кристалл транзистора или микросхемы в среднем будет иметь всегда примерно одну температуру - как в лампе катод. Вариант?

К сожалению нет. В работе участвует температура перехода. Даже температура кристалла изменяется с некоторой задержкой. Внешнее термостатирование будет иметь постоянную времени в секунды, а то и минуты. Я в дифкаскаде использую транзисторы в паре на одном кристалле и в симметричной схеме. Вместе они позволяют заметно усреднить тепловую модуляцию. Это раз. Во вторых, построение входного каскада снижает девиацию теплорассеяния каждым транзистором до 100 раз, относительно простого резистивного каскада.

[Владимир R-V-A]

К сожалению нет. В работе участвует температура перехода. Даже температура кристалла изменяется с некоторой задержкой. Внешнее термостатирование будет иметь постоянную времени в секунды, а то и минуты.

Ну, тут вы ошибаетесь. Тепло в металлах, особенно в меди и латуни распространяется очень быстро. На малых расстояниях задержка может составлять единицы или десятки мили секунд. На производственной практике на заводе взялся без перчаток за другой край стального толстого листа метра полтора на два, когда его сваривали контактной сваркой - получил мгновенный ожог - в момент контактной сварки. а через мгновение - лист снова холодный на другом конце.

[Игорь Тихомиров]

К сожалению нет. В работе участвует температура перехода. Даже температура кристалла изменяется с некоторой задержкой. Внешнее термостатирование будет иметь постоянную времени в секунды, а то и минуты.

А почему транзистор нельзя нагреть из вне до некоторой температуры, чтобы колебания температуры перехода от изменения сигнала было не столь заметно?
Или например вместо одного транзистора на 10 Вт использовать 10 параллельно соединенных транзисторов. Естественно установить их на общий радиатор. Ток через каждый транзистор будет в 10 раз меньше следовательно меньше будут колебания температуры кристалла от изменения сигнала.