УМ Антишмидт, или сверхлинейник на основе тупиковой топологии УН.

[Rus2000]

Возможно, изложение будет несколько сумбурным, т.к. материал готовился урывками. При необходимости пригладим позже.

Принцип съема токов управления симметричным ВК УН с шин питания ОУ известен очень давно.
Вот, например, схема Г. Шмидта из статьи в журнале "Elektor":


С тех пор наклепали массу разных усилителей с подобной топологией.
Самые известные из них:
- Горящие, как спички, схемы от Гумели.
- "Стоунколд", про который на Паяльнике честно написано: "В связи с тем, что схема не очень пригодна к повторению, и запуск которой - сплошная головная боль, тема выводится из раздела "Важно" и не рекомендуется к повторению".
- Схема от Марка Александера, изумительность которой придется рассмотреть отдельно.
- "Немецкий усилитель" со странными решениями.
- "Динамит" с выходниками в классе В, но без кводовского моста.
- Серийная Степь-103 со ступенькой на выходе.
- Серийные Форманты М25/М50/М100/М150, начинающие хоть как-то звучать только после хорошего прогрева.
- "Усилители по мотивам" от Неуча/Васильева, с хаотично прилепленной коррекцией.

Главная проблема этого схемотипа именно в том, что плечи УН управляются не "чистым" током выхода ПНВТ, а всем суммарным током питания ОУ (а этот ток задает режим работы последнего каскада УН).

Для наглядности можно нарисовать этот схемотип "мясом наружу", т.е. так, чтоб была видна начинка ОУ:

Как только меняем ОУ с одним током покоя на ОУ с другим - ток покоя ВК УН улетает в небеса (или в ноль), а следом за этим меняется и ток покоя ВК (если не принято никаких мер по его ограничению или стабилизации), иногда с соответствующими светодымовыми эффектами. Происходит это примерно так:
Ток покоя ОУ - 2,8мА:


Ток покоя ОУ - 5,6мА:

Синим - ток покоя ОУ,
Красным - ток покоя ВК УН,
Зеленым - добавленный ток покоя ОУ.
Хорошо видно, что при увеличении тока покоя ОУ всего лишь в два раза, ток покоя ВК УН увеличивается в 7 раз.
Если не предпринять специальных мер по защите выходных транзисторов усилителя, то их рассеиваемая мощность резко возрастает, и они выходят из строя в результате теплового пробоя.

Это, конечно, не самая большая проблема для опытных спецов. Можно двумя резисторами подстроить баланс токов УН при отключенных выходниках.
Но эти два резистора влияют на усиление и, следовательно, на устойчивость схемы под петлей (петлями) ООС.

Таким образом, в общем случае у нас получается "тянитолкай": поменяли ОУ, съехали режимы по ПТ, подстроили режимы, съехало усиление, подстроили коррекцию... Не каждая птица долетит до середины Днепра.
Термостабильность конструкции - отдельная грустная песня.

Дальше всех по этой кривой дорожке пошел М. Александер. Он умудрился запитать ещё и ОУ интегратора от тех же параметрических стабилизаторов, от которых запитан входной ОУ:

Тут плечи УН управляются суммарным током питания двух ОУ. Мало того, что потеряно примерно 6дБ усиления на ровном месте, так еще и термостабильность такого ПНВТ определяется суммой термостабильностей двух ОУ. Вишенкой на торте - борьба двух ОУ за управление постоянным потенциалом на выходе схемы.

Еще одна проблема.
Кроме внешнего резистора нагрузки ОУ (R3), внутри самого ОУ есть еще резисторы, отделяющие транзисторы ОУ от его выходного контакта (выделены рамкой):

Эти резисторы тоже влияют на усиление схемы. И они могут отличаться даже для ОУ одного типа, но произведенных в разное время или на разных предприятиях, не говоря уже о разных типах ОУ.
Т.е. при замене ОУ придется учитывать и этот параметр, который сложно измерить заранее простым и доступным способом.

Конечно, можно закорректировать схему таким образом, чтобы замена ОУ и подстройка режимов УН по ПТ не особо влияли на устойчивость.
Но в этом случае придется пожертвовать линейностью.

А в случае нормальной топологии, т.е. если ПНВТ находится после ОУ, режимы УН по ПТ мы можем однозначно задать на стадии проектирования/макетирования.

Третья проблема.
К выходу ОУ подключен резистор, задающий коэффициент преобразования напряжения в ток. И для набора усиления нам бы желательно этот резистор уменьшить. Но его нельзя уменьшать бесконтрольно из соображений надежности.
В линейном режиме работы усилителя выход ОУ находится в малосигнальном режиме, и проблем, на первый взгляд, никаких нет. Но при обрыве слежения в петле ООС (например, при клипе) на выходе ОУ появляется сигнал максимальной амплитуды. Ток выхода ОУ и его рассеиваемая мощность резко увеличиваются.
Поэтому приходится выбирать компромиссное значение этого резистора, чтоб и усиление не потерять, и ОУ сохранить. Либо принимать меры по снижению рассеиваемой мощности до безопасного уровня.

Дополнительный недостаток - тепловые искажения, возникающие из-за термоградиента по объёму кристалла ОУ, направленного от более холодных частей кристалла к перегретым выходным транзисторам.

А в случае, когда ПНВТ находится снаружи, подобные проблемы либо легко решаются, либо не возникают вовсе.

Короче говоря, топология Шмидта представляет собой набор подводных камней. В этом плане просматривается некоторая аналогия с внешне простой топологией Ломакина-Паршина (которая, на самом деле, какой-то усь Хитачи).

Если смотреть объективно, то нет особого смысла терять время на Шмидта-Гумелю-Александера. Можно и нужно делать проще и лучше.
Но с другой стороны, всегда интересно найти пределы возможного, несмотря на ограничения.

 

[Rus2000]

Итак, что мы можем сделать для улучшения УН по топологии Шмидта?
Задач несколько:
- Обеспечить максимальное петлевое усиление (т.е. снизить искажения).
- Обеспечить термостабильность схемы.
- Обеспечить надежность схемы, т.е. работу всех активных компонентов в пределах ОБР в любых режимах работы усилителя.
- Обеспечить простую настройку тока покоя ВК УН под конкретный экземпляр ОУ.
- Обеспечить устойчивость и простую настройку частотной коррекции.

Однако, улучшение одних параметров зачастую приводит к ухудшению других. Т.е. тут нужно выдержать баланс.


При данной топологии ток покоя ВК УН однозначно зависит от тока покоя ОУ, а разброс этого тока может быть достаточно большим (грубо - 2..8мА для ходовых ОУ общего назначения).
Поэтому придется добавить подстройку/регулировку тока покоя ВК УН. Настраивать ток покоя ВК УН надежнее всего при отключенных выходниках, при этом лучше регулировать ток от минимального значения в сторону увеличения, а не наоборот.

Самый простой вариант - просто подстраиваем Б-Э резисторы ВК УН.
В Формантах там сразу стояли подстроечники. В исходной схеме Шмидта эти резисторы были обозначены звездочками:


Можно сделать регулировку тока ВК УН ещё более удобной. Но рассмотрим эти варианты чуть позже.

Далее, нужно обеспечить термостабильность ВК УН. Без дополнительного обвеса приемлемой термостабильности простого каскада с ОЭ можно добиться с помощью эмиттерных резисторов достаточной величины.
Какая величина достаточна? Навскидку, такая, при которой ток покоя в рабочем диапазоне температур изменится не более, чем на 10%, а не в разы, как в исходной схеме и в большинстве её клонов.
Простая модель для изучения термостабильности простого ОЭ:

Конечно, увеличение эмиттерных резисторов снижает усиление этого каскада (при этом повышает его собственную линейность), но в самой простой схеме нас, прежде всего, интересует термостабильность, т.е. надежность.

Можно применить более эффективные, и, одновременно, более сложные способы термостабилизации режима, но в случае самых простых схем (Антишмидт-Нано/Микро/Мини) мы обойдемся без них.

Третья задача - обеспечить стабильность тока покоя ВК при значительном изменении тока покоя ВК УН. Из тех же соображений надежности при настройке схемы, замене ОУ, на переходных режимах при включении/выключении, да и для повышения стабильности и надежности, вообще.
Марк Александер вынужден был применить термоузел на 12-ти транзисторах (датчик температуры + TL431):


Мы применим термоузел на паре Шиклаи:

Такой термоузел достаточно эффективен при изменении тока покоя ВК УН более чем на порядок (6-70мА).
В случае необходимости, заменить его более сложным термоузлом можно в любой момент.

 

[Rus2000]

После того, как ЛТСпайсу была поставлена четкая задача по оптимизации топологии Шмидта, он долго шуршал дисками, мигал светиками и, в конце концов, выдал больше сотни схем разного уровня сложности, линейности, стабильности и надежности.
Осталось лишь выбрать лучшие по совокупности параметров.
Варианты с биполярной двойкой на выходе (Антишмидт Нано и Микро) рассматривать принципиально не будем, т.к. экономия на спичках всегда выходит боком.

Поэтому линейка Антишмидтов начнется с версии Мини:

Главный критерий выбора схемы - надежность. Поэтому не стоит рассказывать о том, что усиления мало, надо было больше и т.д. Тут (даже с тихоходным 544УД1) усиления больше, чем у любых ВВС-ов. Применение моточных изделий в петле ООС тоже исключено намеренно.

В этой схеме минимизирована нагрузка на ОУ в клипе:

Хорошо видно, что выходной ток ОУ не превышает 4мА, а рассеиваемая ОУ мощность не превышает 100мВт в пике (при 80мВт в покое).
В очень глубоком клипе (+16дБ от номинального уровня) амплитуда выходного тока ОУ не превышает 5мА.
Короче говоря, в этой схеме ни один ходовой ОУ не имеет шансов ни сгореть, ни тем более, утащить за собой остальные детали.
Конечно, в случае необходимости мы всегда можем уменьшить импеданс цепей, подключенных к выходу ОУ, для увеличения усиления. Но начнем с простой и надежной схемы.
В линейном режиме работы усилителя выход ОУ находится в сверхмалосигнальном режиме:


Даже при использовании копечного 544УД1 получается 82дБ петлевого усиления на частоте 20кГц. При этом Кг(20к) равен 0,0007%, а Кими ниже -127дБ. С более скоростными ОУ результаты еще лучше, но до них мы доберемся чуть позже.
Если декомпенсировать ОУ (опциональная цепочка R18C11), то даже с 544УД1 можно получить больше 100дБ петлевого усиления и снизить Кг до 0,0002%, а Кими до -148дБ.
Петлевое усиление с декомпенсацией и без:


Из соображений стабильности и надежности установлен термоузел на паре Шиклаи. На схеме не указаны опциональные корректирующие цепочки.
Также из соображений надежности обязательна установка триггерной защиты выходников. Достаточно будет неоднократно проверенной защиты на тиристоре/симисторе (по Арасланову), с каскодированным датчиком тока.

Для нагрузки 8 Ом можно оставить одну пару выходников. Если планируется работа на 4 Ома, то не стоит выжимать сок из транзисторов - надо ставить две пары.

В этой схеме обязательна настройка тока покоя ВК УН при установке или замене ОУ. Производится она базовыми резисторами ВК УН (R42, R43) по падению напряжения на эмиттерных резисторах ВК УН (R14, R16). Расчетный ток покоя ВК УН - 10мА. Т.е. на каждом из резисторов R14, R16 должно падать 0,7-0,8 вольта.

 

[Rus2000]

В схеме можно применить отечественный ОУ 544УД2.
Значимый фрагмент схемы:


Петлевое с полной коррекцией (1-8 ноги замкнуты):

Кг(20к) ниже 0,0004%

Петлевое с частичной и двухполюсной коррекцией:

С двухполюсной Кг ниже 70u%.

Интермоды (19+20к):

Клип, ток выхода и мощность ОУ в клипе:

Все вполне безопасно и надежно.

Ток покоя у 544УД2 выше, чем у 544УД1, и разброс этого тока тоже большой. Поэтому при установке или замене УД2 нужно заранее уменьшить базовые резисторы ВК УН, и потом попарно увеличивать их до достижения расчетных 10мА тока покоя ВК УН.

 

[Rus2000]

Голый ОЭ на выходе УН - не очень линейный узел. Скорее - очень нелинейный.
Но существует масса способов линеаризации ОЭ.
На данный момент проведено исследование почти четырех десятков вариантов узлов, имеющих в своей основе каскад с ОЭ, начиная от самых простых, типа пары Баксандала или каскода, и заканчивая сложными узлами на 4-6 транзисторах.
В схеме Антишмидт-Опти мы применим следящий каскод, как наиболее линейный узел на двух транзисторах, т.е. самый лучший из самых простых. В принципе, можно использовать и тройку Акопова, она красивее, но сложнее на один транзистор, хотя в сумме деталей меньше.

Антишмидт-Опти, значимый фрагмент схемы:

При прочих равных, линейность этой схемы в три с лишним раза выше, чем у версии Mini.
Т.е. с декомпенсирующей цепочкой Кг(20к) уменьшился с 0,0002% до 0,00008%, а без декомпенсирующей цепочки Кг(20к) уменьшился с 0,0007% до 0,0002%. ИМИ тоже снизились более чем в 3 раза. Неплохой результат для двух копеечных транзисторов.

Само собой, с более шустрыми ОУ результат еще лучше...

Именно эту схему предлагаю считать базовой, т.к нет смысла экономить на спичках.
Опять же, в случае крайней нужды можно просто не устанавливать "лишние" детали в плату, и получить Антишмидт-Мини.

 

[Rus2000]

Резерв.

 

[Rus2000]

Антишмидт-Макси.
Более мощная и линейная версия с простой регулировкой ТП ВК УН.

 

[Rus2000]

В даташите ОУ ЛФ357, который тов. ТТЛА считает отличной заменой 544УД2, нашлось прекрасное:

Хорошо видно, что при повышении температуры на 10 градусов ток покоя ОУ снижается на 80мкА.
Вроде бы, ничего страшного, но в сухом остатке мы имеем понимание, что от температуры кристалла ОУ будет сильно зависеть ток покоя выхода УН.

Поэтому от простых схем компенсации "избыточного" тока ОУ, видимо, придется отказаться, а более сложные не имеют смысла, т.к. проще перейти к более совершенным схемам.

 

[wakh]

видно, что при повышении температуры на 10 градусов ток покоя ОУ снижается на 80мкА

Антишмидту надо поставить антидиод, и тогда ток покоя ВК будет даже снижаться с повышением температуры.



Кстати это просто идея, а не рабочая схема.

 

[Rus2000]

ток покоя ВК будет даже снижаться с повышением температуры.

Получится тянитолкай.
В том числе и по этой причине топология тупиковая.
У нас есть схемы лучше, по совокупности параметров, и при этом проще.

 

[Lev]

Ну и зачем повторять

 

[Незнайка]

Ну и зачем повторять

Вопрос не так стоит. Зачем здесь порнуху откровенную выкладывать?

 

[Rus2000]

Ну и зачем повторять

Смысл фразы уловить не удается. Даже знаки препинания отсутствуют.

Зачем повторять ЧТО?
Или зачем повторять ЗА КЕМ?

Короче говоря, потрудитесь сформулировать осмысленный вопрос, если это был вопрос, или утверждение, если это было утверждение.

Ну и вдогонку:
Не стоит постить на этом форуме статейки персонажа, который на голубом глазу вещает следующее:
"... речь идет о применении оригинальной мостовой схемы компенсации нелинейных искажений в оконечном каскаде усилителя мощности. Как она работает я так и не понял, несмотря на героические попытки чтения трудов авторов этой идеи..."

 

[Незнайка]

Да там перл на перле. Например, сначала, в "дефекте первом", "тщательно" рассматривается вопрос коррекции. Затем, в "дефекте третьем", выдается следующая фраза:

Видимо, г-ну Гумеле показалось мало, что первые два дефекта гарантированно
выводят усилитель из строя, поэтому он решил добавить от себя ещё один. Речь идёт о конденсаторах С4,
С5. Не знаю, насколько они улучшают параметры усилителя, но их установка также приводит к
возникновению сквозных токов через выходные транзисторы.

Как, нецензурно, ты посчитал коррецию в первом пункте без учета конденсаторов миллеровской коррекции в КУН?
Выводы в конце этого высоконаучного труда поражают просто наповал.

 

[Rus2000]

Да там перл на перле.

Да.
И в этой статье, и в ее продолжении.
Забавно, что "котятки" там нахваливают Вилси, типа, "спасибо, что открыл глаза".

 

[Незнайка]

и в ее продолжении.

Поискал. Видимо это имелось ввиду: "От Шмидта до Стоунколда. Эволюция". Где он там эволюцию усмотрел? Все три вариации - суть один и тот же усилитель. ОУ-простейший КУН-однокаскадный выхлоп в классе Б с мостом.

Забавно, что "котятки" нахваливают Вилси, типа, "спасибо, что открыл глаза".

Наверное им в этой статье "нихрена не понятно, но зато интересно..."

 

[hpavictor]

FBT230A schematic

 

[Rus2000]

FBT230A

Этот позор нужно в Забавные непонятки, а не в тему сверхлинейного усилителя.

 

[hpavictor]

„ Această rușine este necesară în neînțelegeri amuzante, nu în subiectul unui amplificator super-liniar. ” Da, aveți dreptate! Vă prezint mai multe circuit similare, dar care nu ajung la nivelul rafinat al superlinerilor. Scuze pentru comunicarea dificilă, am nu știu limba rusă și folosește un traducător online. Apreciez sincer acest subiect!Vă mulțumesc tuturor pentru înțelegere.

 

[MakarOFF]

Перевод с румынского.
Этот позор нужен в забавных недоразумениях, а не в теме суперлинейного усилителя. " Да, ты прав! Представляю вам несколько похожих схем, но не дотягивающих до утонченного уровня суперлайнеров. Извините за сложное общение, я не знаю русского языка и пользуюсь онлайн-переводчиком. Я действительно ценю эту тему! Спасибо всем за понимание