УМ "ВСЛ-2020". Усилители Видерхольда. Сверхлинейные.

Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Отдавая дань тем, кто протаптывал тропу там, где сейчас лежат магистрали, усилитель (точнее, серия усилителей) называется ВСЛ - усилитель Видерхольда, СверхЛинейный.
Но нельзя забывать и о тех, кто расширял тропинку и благоустраивал окружающую местность. :)

Рассмотрим некоторые этапы развития (подразумевающего рост линейности) схемотехники Видерхольда.
Видерхольд - Сухов - 11 лет (1978-1989) Схема адаптирована под актуальные на тот момент комплектующие, повышена линейность за счет более совершенной схемотехники, добавлены сервоузлы, проработана разводка и т.д.
Сухов - Агеев - 10 лет (1989-1999) Усовершенствована схемотехника, проработан конструктив, добавлены/доработаны сервоузлы и т.д.
Сухов - Жуковский - 19-21 год (1999-2008/2011) Адаптация под актуальные комплектующие, исправление недочетов, доработка конструктива и т.д.
Если кого-то в списке пропустил, прошу извинить. Пишите в личку - обязательно уточню.
Еще есть версии от Ридико и других авторов, но внимательно их не смотрел.

Дальше, после 2011-го года пошли различные, на мой взгляд, экстенсивные варианты развития.
Один из вариантов набора усиления/линейности - установка токового зеркала в противоположное плечо УН.
Дает всего 6дБ прироста усиления/линейности.

Другой вариант, в целом, неплохой - композит (сборка из двух ОУ) на входе, позволяющий быстро набрать дополнительное усиление (читай, линейность), напр. вариант от Fuezl.
Однако, это заметно усложняет схему, снижает устойчивость, повторяемость и всеядность к комплектующим.
Т.е. выбор ОУ строго ограничен, коррекцию приходится допиливать при некотором отклонении номиналов и т.д.
На входе этой схемы стоит ФНЧ на ОУ, имеющий линейность хуже, чем у непосредственно усилителя.
Но потенциал у схемы в целом есть.

Еще один вариант развития - ВВС-2015, в котором петлевое усиление (читай, линейность) набирается, в основном, за счет снижения чувствительности схемы.
Если с случае ВВС-2011 снижение чувствительности было оправдано, т.к. она (чувствительность) была приведена в соответствие с выходными уровнями актуальных источников сигнала, то здесь приходится ставить дополнительные предусилители на входе УМ.
Примененные дополнительные усилители - НЕ сверхлинейные. Просто хорошие ОУ. Это прекрасно видно по их документации и подтверждается измерениями и отзывами слушателей. Т.е. тут кому как с ОУ повезет.
Т.о. одной рукой общая линейность тракта увеличивается, а другой - уменьшается.


В ходе экспериментов, обмеров и прослушиваний, проведенных со сверхглубокоОООСными УМ "ВВЛП " и "Парус" было установлено, что при уровне петлевого усиления порядка 100 дБ на частоте 20кГц (и более 100дБ на частотах ниже 20кГц) для гибридной ОУ-транзисторной схемы УМ с достаточно линейными (исходно, без ООС) узлами, уровень искажений УМ находится ниже или вблизи области чувствительности слуха.
Интермодуляционные искажения (19+20к полной амплитуды), регистрируемые при этом, составляют примерно 100u% (0.0001%) и менее.

Поэтому было принято решение довести линейность исходной схемы Видерхольда-Агеева до указанной величины без значительного усложнения схемы и без неоправданного снижения ее входной чувствительности.

Исходное ТЗ (техзадание, а не токовое зеркало :) ):
Номинальная выходная мощность - 100 ватт на нагрузке 8 Ом.
Гармонические искажения - не более 100u% для любого сигнала звукового диапазона.
Интермодуляционные искажения - не более 100u% для любой суммы сигналов в звуковом диапазоне.
Чувствительность - 2 вольта (амплитудное значение).
Питание - двухполярное, раздельное для УН и ВК (+-65/+-50 вольт).

Выше отмечено, что для достижения такого уровня линейности в глубокоОООСной схеме, нужно набрать порядка 100дБ петлевого усиления на частоте 20кГц.
Т.е. с учетом Ку УМ, равного по ТЗ 26дБ, нужно чтобы УН схемы обеспечивал не менее 126дБ усиления, и схема при этом оставалось стабильной, причем стабильной в достаточно широком диапазоне разброса параметров и номиналов применяемых комплектующих.

За основу взята топология усилителя напряжения С.Агеева, как позволяющая получить дополнительные 6дБ усиления при равной исходной линейности, по сравнению с асимметричной топологией УН Видерхольда.
Схемы по топологии Видерхольда тоже проработаны. Ниже выложена асимметричная схема для быстрого безболезненного апгрейда усилителей типа ВВ-89, ВВС-2008, ВВС-2011 и т.д.
С нуля ее собирать смысла нет, потому что симметричная лучше и, в итоговой сумме, проще. А для быстрого апгрейда - самое то, что надо.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ:
Данная конструкция в "железе" не проверялась, при включении может свистеть, дымить, гореть и/или привести к поражению электрическим током.
Автор не несет ответственности за ущерб, причиненный экспериментальными экземплярами УМЗЧ третьим лицам, их имуществу и/или окружающей среде.
При проектировании ни одно животное не пострадало.
Неинвертирущий вариант ВСЛ-2020.
Для достижения заявленных параметров неинвертирующая схема требует применения ОУ, имеющих узел слежения во входном каскаде и Ку/20кГц от 50дБ и выше.
Если нет возможности установить такой ОУ, то допустимо применение обычных ОУ, но нужно понимать, что искажения схемы будут заметно выше, чем при использовании "правильных" ОУ, а главное, они будут резко расти при увеличении выходного сопротивления источника сигнала (например, при изменении положения регулятора громкости, подключенного на входе усилителя).
В этом случае нужно либо подключать вход УМ напрямую к выходу источника сигнала с низким выходным сопротивлением, либо использовать сверхлинейный буфер для согласования с высокоомным источником сигнала.
Входное сопротивление - 100кОм.
УМ ВСЛ-2020:
VSL-2020_SCH.gif

Параметры на слайде.

Петлевое усиление:
VSL-2020_Mbrk.gif


Интермоды 19+20к
VSL-2020_IMD.gif


Клип
VSL-2020_CLIP.gif


Выбор между инвертом и неинвертом делается в зависимости от источника сигнала и имеющихся/доступных ОУ.

Инвертирущий вариант ВСЛ-2020
(ВСЛ-2020-i).

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ:
Данная конструкция в "железе" не проверялась, при включении может свистеть, дымить, гореть и/или привести к поражению электрическим током.
Автор не несет ответственности за ущерб, причиненный экспериментальными экземплярами УМЗЧ третьим лицам, их имуществу и/или окружающей среде.
При проектировании ни одно животное не пострадало.
Инвертирущий вариант ВСЛ-2020 (ВСЛ-2020-i).
Схема позволяет применять практически любые ОУ с Ку/20кГц не менее 40-45дБ. Расчетная величина Ку ОУ - 64дБ/20к (LM318N).
Входное сопротивление - 5кОм.
УМ ВСЛ-2020i:
VSL-2020-i_SCH.gif

Параметры на слайде.

Петлевое усиление:
VSL-2020-i_Mbrk.gif


Интермоды 19+20к:
VSL-2020-i_IMD.gif

Видно, что инвертирующая схема заметно линейнее неинверта.

Клип
VSL-2020-i_CLIP.gif

Цепи антиклипа применены обычные для того, чтобы не добавлять лишнюю разницу в практически одинаковые схемы. Т.е. для наглядности.
Но т.к. УМ инвертирующий, можно поставить антиклип в местной нелинейной ООС входного ОУ (см. УМ "Парус") или любой другой из множества имеющихся у нас вариантов цепей АК.
Нужно тщательно сравнить в железе и выбрать лучший вариант.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Схема усилителя ВСЛ-2020 для быстрого апгрейда имеющихся УМ типа ВВ-89, ВВС-2008, ВВС-2011 и других асимметричных УМ по топологии Видерхольда.
ВВС-2020, неинверт:
VVS-2020_SCH.gif

Параметры на картинке.

Петлевое усиление:
VVS-2020_Mbrk.gif


Интермоды 19+20к:
VVS-2020_IMD.gif


Клип:
VVS-2020_CLIP.gif


В качестве выходных транзисторов возможно использование даже старых тихоходных КТ818/819.
Тут возможны некоторые ограничения, рассмотренные в теме УМ Парус.
Но лучше все-таки использовать более современные комплектующие.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Из инвертирующей (можно и из неинвертирующей - разницы нет) схемы легким движением паяльника делается современный симметричный глубокоОООСный вариант усилителя Ломакина-Паршина (ВСЛ-ЛП-2020-i)
Привожу только УН, для наглядности. ВК не отличается от предыдущих.
VSL-LP-2020-i_SCH.gif

Параметры на слайде.

Петлевое усиление
VSL-LP-2020i_Mbrk.gif


Интермоды 19+20к
VSL-LP-2020-i_IMD.gif


Клип
VSL-LP-2020-i_CLIP.gif
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Вместо сломанного каскода (ОБ) на выходе УН можно использовать токовые зеркала.
Вариант 1:
VSL-Z1-2020-i_SCH.gif

Параметры на слайде.

Петлевое усиление
VSL-Z1-2020i_Mbrk.gif


Интермоды 19+20к
VSL-Z1-2020-i_IMD.gif


Клип такой же, как и у версий с ОБ.


Вариант 2 - ПНВТ по Ломакину-Паршину:
VSL-Z2-2020-i_SCH.gif

Параметры на слайде.

Петлевое усиление:
VSL-Z2-2020i_Mbrk.gif


Интермоды 19+20к:
VSL-Z2-2020-i_IMD.gif



Вариант 3 - еще одно зеркало:
VSL-Z3-2020-i_SCH.gif

Параметры на слайде.

Петлевое усиление:
VSL-Z3-2020i_Mbrk.gif


Интермоды:
VSL-Z3-2020-i_IMD.gif


На приведенных выше схемах и графиках очень хорошо видно, что при изменении типа выхода УН (с ОБ на зеркало), а также при изменении точки съема тока для этого выхода, коррекция не меняется ни на грамм.
При этом итоговая линейность, петлевое усиление, запас устойчивости и режимы по постоянному току для всех усилителей одинаковы.
Поэтому оптимальными схемами являются только варианты с общей базой (ломаный каскод) на выходе УН. Они проще при прочих равных.
В схемах с токовыми зеркалами может показаться привлекательной возможность изменять коэф-т отражения зеркала. Однако, это небесплатное удовольствие, к тому же, дальнейший набор усиления может приводить к снижению устойчивости и ухудшению клипа.

Вывод из всего этого дела простой - в правильно спроектированном монопетлевом глубокоООСном усилителе можно заменить выходной каскад УН с ОБ на зеркало (и обратно), не трогая ни коррекцию, ни режимы, и при этом получить практически тот же усилитель с теми же параметрами. Разве что только входы усилителя поменяются местами.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Если не останавливаться на простых топологиях, и задействовать усилительный потенциал схемы по-полной, то можно наскирдовать еще 12дБ усиления, и направить их либо на линеаризацию УН, либо на линеаризацию всей схемы, либо найти некоторый баланс.
Схема по Видерхольду, с отражением тока в противоположное плечо:
VSL-LE-2020-i_SCH.gif


Очевидно, что эту схему можно выполнить и по Ломакину-Паршину. Параметры не изменяются по-сравнению с предыдущей схемой. Проверено.
Выкладывать пока не буду. Лучше проверьте сами. ;)
 
M

myx

Новичок

Репутация:

Мне кажется, сейчас достаточно мало честной 8-омной акустики. Даже там, где производитель пишет 8, очень часто на низких частотах сопротивление падает до 6-ти, а там, где написано 6, до 4-х. У маркетологов принято записывать в спецификацию акустики сопротивление, возле которого кривая зависимости сопротивления от частоты находится большинство времени. Я бы исходил из нагрузки в 4 ома. Но я не настаиваю :)
 
Sagittarius

Sagittarius

Старовер

Репутация:

У нас есть собственная модель К140УД11. Надо использовать её: ХЗ, что они там в свою модель понапихали, может, там чистая математика.
Второе. К140УД11 хуже К(Р)544УД2 по причине большого токового шума, кроме того, УД2 поддаётся перекорректировке с большим выигрышем в усилении - до уровня лучших зарубежных ОУ. Ну, так и применяйте своё, тем более, стоимость ОУ - как у батона хлеба.
 
Sagittarius

Sagittarius

Старовер

Репутация:

Почему ВСА-схемотип более неинтересен? У нас имеется сама идея УН: ОУ - ПНВТ - ОБ.
Усиление ОУ задано: 60 дБ/20к, полоса 20 МГц. Можно постучаться в эту дверь с К544УД2 или другими хорошими (но, цуко, дорогими) ОУ, выигрыша будет, пусть 20...30 дБ.
Но, в среднем, всё же. ориентируемся на 60 дБ/20к.
ОБ есть ОБ. Для нас это просто транслятор тока, тут линейности ни прибавить, ни убавить.
Итого, два узла исчерпали свой ресурс усовершенствования.

Всё упирается в линейность ПНВТ меж ОУ и ОБ. Вот тут и пригодились фундаментальные :) исследования в теме "Узлы". Линейность ПНВТ распределяется так:
1. Самый-самый линейный ПНВТ всех времён и народов - дифкаскад.
Схемотип: Парус, Парафинн.
2. Намного более нелинейный ПНВТ: четвёрка 2ОК-2ОЭ. По сравнению с дифкаскадом потери 10...20 дБ в линейности. Схемотип: ЧУДОТВОРЕЦ.
3. Самый нелинейный ПНВТ: разогнутый диф, схемотип: ВСА. В прямом столкновении с дифом и четвёркой не сравнивался, но причины его нелинейности были описаны мной ещё в статье про ВВ-2008: если в обычном дифе токи двух транзисторов меняются противоположно, и сумма входящих в формулу Ку сопротивлений эмиттера неизменна:

Ку.диф = Rн/(rэ+rэ),

то, хотя в разогнутом дифе Ку вычисляется так же:

Ку.диф = Rн/(rэ+rэ),

но сами сопротивления эмиттеров, за счёт последовательного включения транзисторов, меняются с током однонаправленно, и Ку каскада зависит от изменений его тока.

Теперь. Нарастить Ку усилителя за счёт ПНВТ можно, повышая его крутизну. От чего зависит крутизна ПНВТ, мА/В?
Во всех трёх ПНВТ - от сопротивления эмиттерных резисторов выходных транзисторов узла. Оговорка сделана для четвёрки, во всех других конфигурациях входные и выходные транзисторы одни и те же.
Какой ПНВТ легче выдерживает уменьшение этих сопротивлений?
По мере ухудшения термостабильности с уменьшением сопротивления эмиттерных резисторов.
1. Диф. Токи-то заданы генераторами или резистором, то есть - стабильны. Может работать вовсе без эмиттерных резисторов, но я вам этого не рекомендую: с точки зрения эффективности клип-защиты транзисторы не должны заскакивать в отсечку, а у дифа слишком высокая чувствительность и слишком малым сигналом: 50...52 мВ он вгоняется в отсечку, чтобы соответствовать этому требованию.
2. Четвёрка. Худо-бедно, но термоградиенты ОК и ОЭ уравновешены. Может работать с мелкими резисторами с небольшим падением напряжения на них.
3. Разогнутый диф - тут полный швах. Каскад без эмиттерного резистора минимум нуждается в самом пристальном внимании с точки зрения термостабильности, максимум - не жилец.

Итого.
Мы ушли от схемотипа ВСА. И правильно сделали. Выигрыш усилителей с одной и той же формулой: ОУ - ПНВТ - ОБ,
Паруса против ВВС-2011 -
0,000.1% против 0,000.3%
ясно на это указывает.
Точно так же ограничен и наборе линейности СЛ. 20 лет назад я не думал, что именно мне придётся это сказать, но теперь всё и так очевидно (Адмирал ЯХ).
Исследовать ВСА-схемотип можно только для полноценного вытаптывания всей схемотехнической поляны.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Всё упирается в линейность ПНВТ меж ОУ и ОБ.
Когда на входе ПНВТ сигнал не превышает 100мВ и перед этим входом есть 60+дБ усиления, линейность (тип) этого ПНВТ особого значения уже не имеет.

Мы вернулись к тому, что максимум искажений вносит ВК.
Дима ставил 1301 вместо 1943 - искажения возрастали вдвое при равном токе покоя 150мА.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

С офтопом про ОУ и колонки завязываем.
Тут, как и в Парусе, будут работать ОУ от ТЛ071/544УД1 и лучше, с соответствующей подстройкой коррекции.
Оптимально - иметь 60-70дБ на 20к, стенд вам в помощь.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Итого.
Мы ушли от схемотипа ВСА. И правильно сделали. Выигрыш усилителей с одной и той же формулой: ОУ - ПНВТ - ОБ,
Паруса против ВВС-2011 -
0,000.1% против 0,000.3%
ясно на это указывает.
Ну вот, приехали! :)
Только что показал, что Парус и ВСЛ-2020 равны по линейности.
Так же, как и ВВЛП, и НаПаЛм тоже.
 
Sagittarius

Sagittarius

Старовер

Репутация:

Когда на входе ПНВТ сигнал не превышает 100мВ и перед этим входом есть 60+дБ усиления, линейность (тип) этого ПНВТ особого значения уже не имеет.
Этот сигнал тем меньше, чем больше крутизна ПНВТ. А в разогнутых дифах крутизна тем выше, чем меньше сопротивление межэмиттерного резистора. И тогда вылезают вторичные факторы: клип-защитопригодность и термостабильность.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

В начале темы выложены рисунки клипа.
С термостабильностью тоже все на приемлемом уровне.
Понятно, что Парус принципиально лучше. Но тут показан и СЛ, и ЛП, и их зеркальные варианты.
 
V

Vadim 161

Постоялец

Репутация:

Понятно, что Парус принципиально лучше. Но тут показан и СЛ, и ЛП, и их зеркальные варианты.
А ежели упрощенный Парус просто симметричным сделать ? Будет средний вариант :) Но правда думается мне, что линейности/петлевого не прибавится особо.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

А ежели упрощенный Парус просто симметричным сделать ? Будет средний вариант :) Но правда думается мне, что линейности/петлевого не прибавится особо.
Можно.
Прибавится.
На плате максимальной версии можно реализовать практически любой вариант Паруса.
Надо только убрать "лишние" детали по вкусу и уточнить режимы/коррекцию.
Можно считать, что плата максимального, это такая почти универсальная макетка. :)
Несколько вариантов упрощенных версий выложено на первой странице темы "Паруса". Они спрятаны под спойлером, поэтому не все могут их сразу найти.
 
Последнее редактирование:
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Добавил в третий пост несимметричную версию для быстрого апгрейда ВВ/ВВС.
 
M

MakarOFF

Старожил

Репутация:

Добавил в третий пост несимметричную версию для быстрого апгрейда ВВ/ВВС.
С низкочастотными транзисторами, типа КТ818,819ГМ, работа проверялась? Есть у меня Амфитон-002, 20 лет назад на Сухова переделывал, неохота выходные транзисторы менять, питание +-31, питание для второго этажа можно снять с питания темброблока +-43 Вольта, маломощные транзисторы будут 970/2240 или 992/1845.
 
Rus2000

Rus2000

I=U/R

Репутация:

Должна работать.
Требования и ограничения такие же, как и у Паруса: быстрые драйвера и Ку ОУ порядка 53-57дБ.
Но тут нужно еще поэкспериментировать.
Проще поставить кт864/865 на выход.
 
Последнее редактирование:
Sagittarius

Sagittarius

Старовер

Репутация:

1586610917637.png


При сопротивлениях 15+36 в эмиттерах пары Т3Т4 по 2х68 Ом
термоградиент тока пары при изменении Т на 10 градусов
равен
dI = (10 х 2,5 мВ/с х 2(транзистора)) / 136 Ом = 0,37 мА.
В принципе, серьёзных последствий это не принесёт, но для термостабилизации тока Т3Т4 лучше заменить R35 последовательной цепью резистор - два диода.
 
Сверху Снизу