Сверхлинейный балансный усилитель для ЦАП

Sagittarius

Старовер
Среди радиолюбителей настойчиво разбрасывается деза, что дискретные усилители отжили своё, не позволяют достичь высокой линейности и только монолитные ОУ спасут нас от полного краха.
Что такое монолитные ОУ?
Говоря просто, это пример самого оленьего расточительства усиления и линейности. Например, для распространённых ОУ второго поколения, от LM741 до ОР134, ОРА637 и подобных, Ку20кГц второго каскада усиления достигает 74 - 80 дБ, тогда как полный Ку ОУ на этой частоте - от 30 до 70 дБ. Это хорошо видно по даташитной кривой зависимости Ку от частоты:

untitled.png

Только вдумайтесь: часть ОУ даёт усиления больше целого! :) Из-за неоптимальной миллеровской коррекции теряются десятки дБ усиления, а хорошим ОУ считается тот, у которого потери петлевого усиления (и линейности) на частоте 20 кГц достигает 50 дБ! Мы платим хорошие деньги за ОУ, но высокую линейность получаем только на частотах до 100 Гц. Это смеху подобно. :)

Такое чудо происходит по причине удобной заводской миллеровской коррекции, а вмешаться в схему и оптимизировать коррекцию монолитного ОУ зачастую невозможно.
Ещё хуже обстоят дела для ОУ, используемых после ЦАП, которые работают в условиях сильных помех частоты дискретизации - от 44,1 кГц и до 192 кГц, где петлевое усиление намного меньше, чем в звуковом диапазоне. ОУ в таких условиях вносят большие интермодуляционные искажения, поэтому для их минимизации к ОУ в этих позициях предъявляются самые высокие требования по входной перегрузочной способности и усилению до охвата ООС. Собственно говоря, любой ОУ в звуковом тракте после ЦАП работает с той или иной величиной подмешанной к полезному сигналу составляющей частоты дискретизации, плохо поддающейся фильтрации по причине близости частоты дискретизации к звуковому диапазону.

В дискретной схемотехнике высокая линейность достигается очень просто, обычно - двумя каскадами усиления напряжения, поскольку эти каскады изначально заточены под предельное усиление, высокую исходную линейность и оптимальную коррекцию.

untitled.png

Разберём работу одной половины балансного усилителя.
По сути, это усовершенствованная и дополненная схема Шиклаи:


где Т1 - это Q8, а Т2 - это Q15 усилителя.
J2 над Q8 фиксирует напряжение Uкэ Q8 = Uиз J2 при изменении входного напряжения, что эквивалентно применению одиночного биполярного транзистора с бесконечным сопротивлением коллектора, нулевой ёмкостью Скб и повышает исходную линейность каскада на величину до 40 дБ относительно одиночного транзистора.

Нагрузкой каскада Q8J2 служит высокий импеданс источника тока на Q14 и входа повторителя Q20 пары Баксандала:

untitled.png

Особенностью пары Бансандала является связь коллектора Т1 (Q21 усилителя) с эмиттером Т2 (Q15 усилителя). Благодаря этой связи нелинейный ток паразитных составляющих импеданса коллектора Т2: Скб и сопротивления коллектора (путь которого показан красным пунктирной линией) поступает в эмиттер Т1, включенного для этих токов по схеме с ОБ с опорой базы на напряжение Uвх, и следует на эмиттер Т2, вычитаясь из тока эмиттера Т2 на резисторе R2. В итоге нелинейные составляющие тока коллектора Т2 компенсируются, а пара Т1Т2 в целом работает как идеальный высоколинейный транзистор с высоким входным сопротивлением, бесконечным сопротивлением коллектора Т2 и нулевой Скб Т2 (Q15 усилителя).

Q15 нагружен на источник тока Q23 и двухтактный повторитель Q3Q4, работающий в классе А. С выхода повторителя усиленный сигнал уходит в нагрузку Rload и в цепь ООС R28R1.

R29C1, С4 и R31С3 - это цепи частотной коррекции усилителя.

Общие цепи обеих половинок усилителя: источник тока дифкаскада Q5-Q7 и адаптивные источники токов Q14Q16 позволяют достичь высокого подавления синфазных составляющих сигнала.
Для привязки потенциала выхода на постоянном токе к потенциалу общего провода использован сервисный усилитель Q24 - Q27. От выходов 1 и 2 через резисторы R23R24 напряжение подаётся на базу Q25. Это напряжение сравнивается с потенциалом базы Q24 и коллекторные токи дифкаскада Q24Q25 через токовое зеркало Q26Q27 управляют напряжением на базах источников тока Q22Q23 нагрузки усилителя. Если контролируемый потенциал выходов повысится, Q25 запрётся, Q24 приоткроется, напряжение на базах Q22Q23 возрастёт и компенсирует ошибку. Подбором сопротивления R10 компенсируется падение напряжения на резисторах R23R24 и подбирается минимальное постоянное напряжение на выходах

Благодаря выбранной схемотехнике и коррекции достигнута вот такая зависимость глубины ООС от частоты:

untitled.png

а также прогнозируется вот такой уровень интермодуляционных искажений при выходном балансном напряжении 2,3 В:

untitled.png

и вот такой - при выходном балансном напряжении 7 В:

untitled.png

В овалах обозначено подтверждение того простого факта, что разностная составляющая 1 кГц (и суммарная - 29к) в тесте 19+20к обусловлена нелинейностями чётных порядков и в симметричных усилителях отсутствует. Уровень составляющих 18к и 21к зависит от нелинейностей нечётных порядков, но благодаря глубокой ООС погружён довольно глубоко.

Дифкаскады характеризуются входным перегрузочным дифференциальным напряжением, выше которого одно из плеч переходит в отсечку. Перегрузочная способность входного дифкаскада Uдиф.п = IcQ5 * (R1 + R2). Для данного случая она равна 7 В и может быть без потери линейности с улучшением отношения С/Ш снижена уменьшением сопротивления R1 и R2.

Тут затравке и конец, а кто понял - молодец.

Полученные показатели - не предел для этой схемотехники. Снизив перегрузочную способность входного каскада до 800 мВ (как у LM318/К140УД11) и улучшив отношение сигнал/шум уменьшением сопротивления R1 и R2 до 220 Ом:

untitled.png

можем получить прирост петлевого усиления и вот такие показатели Кими для выходного напряжения 2,4 В:

untitled.png

а для 7 В выходного - такие:

untitled.png

Поскольку получены довольно высокие характеристики, это значит, что для "железной" реализации схемотехнически обусловленные искажения доминировать не будут. Только конструктивные.

ЗЫ: Усилитель можно использовать для организации балансного входа разных требующих того усилителей.
 
Последнее редактирование:

Sagittarius

Старовер
Практическая реализация есть ? Как на слух?
Сейчас рисуется плата под СМД-элементы. Планируется модульное исполнение с разъёмом под постель DIP-8.

Не проще хорошие оу применить? Разводка же сложнее .
Разводка - сложнее, но ОУ - хуже. Какие вы знаете хорошие балансные ОУ с перегрузочной способностью 7 В и подобной линейностью на 20к? Я вот тоже затрудняюсь сходу ответить на этот вопрос.
 

Неуч

Старожил
Не узнал плотника.? Вобщем дело хорошее. главное чтобы результат оправдал вложения. а так мне схема нравится.
 

steelmaker

Постоялец
Неуч написал(а):
Не проще хорошие оу применить? Разводка же сложнее .
Не проще. Так мы переходим в поле действия маркетологов. А там с доступностью широким массам большая проблема (повышенная цена устройства). Да и качество не всегда на уровне.
 

Sagittarius

Старовер
TFV написал(а):
Виктор,а есть небалансный вариант ?
Конечно, условно небалансный усилитель по такой же схемотехнике у меня давно есть. Он называется МАСТЕР. Из особенностей - в этот усилитель установлено достаточное количество интегралов Боде, поэтому петлевое усиление в области средних-высоких частот намного больше, чем у СЛ или ВВС. На частоте 20к МАСТЕР превосходит ВВС или СЛ по глубине ООС на 35 - 45 дБ. Усилитель собран, показал линейность лучше, чем у ВВС - а ВВС практически не уступает в линейности СЛ. Кроме того, за счёт специальной конструкции входного каскада МАСТЕР не ухудшает показатели линейности при работе с РГ, так что особый компьютеризированный РГ вроде никитинского с особо малым входным и выходным сопротивлениями ему не нужен.
Скоро выложу материал.
 

Sagittarius

Старовер
Неуч написал(а):
Не узнал плотника.?
Привет.
Не узнаЮ вас в гриме. (с) ;)
Неуч написал(а):
Вобщем дело хорошее. главное чтобы результат оправдал вложения. а так мне схема нравится.
Мне тоже. Главное, шумов относительно немного - 2 мкВ в звуковом диапазоне. Если делать на ИМС, как на вегалабе, то моделирование показывает: с заменой ОУ на математические множители Е имеем только за счёт резисторов 52 мкВ шума. А это почти на 30 дБ хуже.
 

steelmaker

Постоялец
Модер, а что у вас площадка такая хиленькая?
Никак нельзя поправить?
Вложение:
Ограничения: максимум вложений в сообщении — 4, максимальный размер всех файлов — 192 Кбайт, максимальный размер одного файла — 128 Кбайт
Даже даташит не выложить , тем более статейку!
 

Неуч

Старожил
Виктор ,успехов на новом поприще.Максим ака М.Васильев
офф Я правда предпочитаю сочетание дискрета и интегральной технологии
 

steelmaker

Постоялец
http://kit-e.ru/articles/dac/2010_12_111.php
Может кому интересно...
http://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2010/02/TI_AAJ_2009Q3_A6.pdf
 

Sagittarius

Старовер
Неуч написал(а):
Виктор ,успехов на новом поприще.Максим ака М.Васильев
Спасибо.
Поприще, правда, не настолько новое, как хотелось бы, но ещё хорошее.
Неуч написал(а):
офф Я правда предпочитаю сочетание дискрета и интегральной технологии
В чём тут соль. Чисто дискретные усилители дают возможность оптимизации усиления и полосы каждого каскада для получения максимальной площади усиления, как обязательно сказал бы я, если бы был Агеевым. Интегрально-дискретные усилители тоже хороши: например, ВВС-2011 или СЛ долго ещё будут вне конкуренции по линейности с иными топологиями, но по площади усиления они проигрывают УНИКУМу и МАСТЕРу - а есть ещё секретный УМ Платошкина под рабочим названием 555.

Смотри сам:

ВВС-2011 и СЛ имеют петлевое усиление свыше 131 дБ только ниже 80 Гц, а на 20 кГц - 85 дБ, как и говорил Агеев:



но петлевое МАСТЕРа идёт на уровне 131 дБ до 3 кГц, на 20 кГц он сохраняет 112 дБ:



Для меня нет вопросов, что лучше: дискрет линейнее гибридов, но интегрально-дискретные усилители вроде ВВС-2011 и СЛ миниатюрнее и всё ещё лучше всех прочих топологий.
 

steelmaker

Постоялец
Sagittarius написал(а):
Для меня нет вопросов, что лучше: дискрет линейнее, но миниатюрнее и всё ещё лучше всех прочих топологий - интегрально-дискретные усилители вроде ВВСх-2011 и СЛ.
Ниша дискретного послецапостроения ( в широко-народном формате) практически не заполнена благодаря маркетологам различного калибра. И от цифрового звука мы уже никуда не денемся. Хотя...
http://www.theinsider.ua/rus/art/tot-kto-sozdaet-ukrainskii-vinil-andrei-smirnov/
 

Sagittarius

Старовер
Неуч написал(а):
интересно интермоды глянуть. пусть и в лспайсе
ЛТСпайс очень точно считает. Когда я Вове Платошкину руки выкручивал, чтобы он из МАСТЕРа больше линейности выжал, он мне вот такую картинку прислал:



и крыть мне стало нечем. Ведь верхушки иголок 19/20к - на уровне -15 дБ, и для правильной оценки линейности надо уровни всех составляющих поднять на 15 дБ, приведя их к 0 дБ. Тогда - 120 дБ для 1 кГц превращаются в -105 дБ, что примерно равно - 108 дБ по симулятору, а -125 дБ - в -110 дБ, что со скидкой на обнаружившиеся впоследствии ошибки в подключении карты не намного отличается от -117 дБ по симулятору.
 

Sagittarius

Старовер
Идеальная модель отсюда , рис. 9:



выигрывает по С/Ш 5 дБ у моей, более детализированной, модели: 1.3 мкВ вс 2.4 мкВ, но с установкой во вражескую схему реального шумящего ОУ это преимущество может уменьшиться, а то и вовсе ситуация переломится.
 
Сверху Снизу