Усилители Лайкова. Бессмысленные и беспощадные.

[Rus2000]

По просьбам коллег обсуждение "усилителей с экономичными токами покоя (режим ЭА). А. Лайков. г. Астрахань" перенесено из разных веток в отдельную тему.

public static string disclaimer = "Сразу нужно предупредить, что разговор будет не о звучании этих конструкций, т.к. критерий "нравится - не нравится" сугубо индивидуален, и если кто-то не слышит разницы, значит, ему нет смысла вникать в особенности работы этих схем. \n
Речь пойдет о режимах работы схем, наличии пресловутого "ЭА", линейности, искажениях и прочих, вполне объективных параметрах, как то выходное сопротивление, усиление каскадов и т.д.";


Краем глаза наблюдал за бурной полемикой на Паяльнике вокруг усилителя Лайкова.
Когда-то, при анализе существующих ОУ-ТОСных композитов, смотрел и эти схемы.
Ничего хорошего не заметил и убрал в дальний ящик.

Но тут снова разыгрались нешуточные баталии, стало интересно, что же там такого уникального, и пришлось внимательнее рассмотреть сабж.

Может, кто-нибудь сталкивался с этой схемой (схемами)?

Вот, например, версия 7:

Откуда тут появляется ЭА? Как это ЭА работает?

 

[Rus2000]

Можно заменить ГСТ на идеальные и нарисовать схему менее замысловатым образом:


Неплохой ОУ, два симметричных каскада с ОЭ.
Но усиления нет, "ЭА" нет и искажения запредельные.

Возможно, что-то ускользает из поля зрения?

 

[12943]

Любой ЭА, это генератор тока на основе неактивного плеча ВК.
Можно было сделать генератор с измерением тока, как Брагин 12-90,
можно параметрический, но это почти не реально по причине изменения температуры выходных транзисторов.
Здесь выбран самый горбатый способ - измерять выходное напряжение. Это приводит к чудовищной нелинейности ВК.

Чтобы появился ЭА, добавьте току в ГСТ.

 

[12943]

Колоссальное достоинство этой схемы в том, что можно сделать токи ГСТ поменьше, ЭА исчезнет и получится среднепаршивенький усилитель.

 

[Rus2000]

Чтобы появился ЭА, добавьте току в ГСТ.

Если добавить ток покоя, то пропадет "Э"...

 

[Rus2000]

Колоссальное достоинство этой схемы в том, что можно сделать токи ГСТ поменьше, ЭА исчезнет и получится среднепаршивенький усилитель.

1. Исчезать нечему, т.к. ЭА тут сроду не было.
2. Когда это среднепаршивенький усилитель стал достоинством?

 

[alexcp]

Можно заменить ГСТ на идеальные и нарисовать схему менее замысловатым образом

В таком виде транзисторная часть схемы напоминает пример ТОСника, который обсуждался в соседней ветке:

В оригинале схема была ушником с дарлингтонами в ВК, резисторами вместо ГСТ:

и с КНИ @ 1кГц 0.02% на нагрузке 30 ом (в симуляторе). Но что-то ЭА не наблюдается - увеличение тока ГСТ просто увеличивает ток покоя.

 

[alexcp]

Прочитал первоисточник:

важен не столько ток покоя транзисторов, сколько их плавное (как можно ближе к форме полезного сигнала) открывание и закрывание.

НЯП ЭА в смысле работы без полного закрывания транзисторов ВК не предполагалось, а целью было их "плавное" закрывание, т.е. класс АБ с достаточным током покоя. Модель:

демонстрирует именно такое поведение:

 

[Rus2000]

НЯП ЭА в смысле работы без полного закрывания транзисторов ВК не предполагалось

Там же, в первоисточнике, есть фото с формой тока выходных транзисторов:

"Форма минимального тока выходных транзисторов варианта 6 на максимальном сигнале соответствует осц.8, рис.2 с остаточным током 20 мА."
Т.е. отсечка тока выходников не наблюдается.
К сожалению, ничего не сказано о нагрузке, при которой наблюдается такая форма токов на максимальном сигнале.

Схема "варианта 6":

 

[Rus2000]

Вариант 6.
Схема:


Токи транзисторов верхнего плеча при мощности 1, 10, 25 и 50Вт на нагрузке 8 Ом:


Хорошо видно, что при рекомендованном токе покоя неактивный выходник залетает в отсечку даже на первом ватте.
Ближе к 10 ваттам и выше, в отсечку залетает еще и предыдущий каскад.
А по мере приближения к полной мощности в отсечку залетают вообще все транзисторы неактивного плеча.

Другое плечо транзисторной части ведет себя аналогично на положительном полупериоде сигнала:


Т.е. ВСЕ транзисторы усилителя проходят весь диапазон нелинейности своих ВАХ от нуля до максимального режима по два раз за период.

 

[catBot]

Смотрю на схему ВК "шестого варианта", и вижу, что будь у Лихницкого комплементарные транзисторы, именно так (как этот вариант) и выглядел бы "Бриг-001" первой ревизии...

 

[Rus2000]

именно так (как этот вариант) и выглядел бы "Бриг-001" первой ревизии

Даже Лихницкий до такого бы не додумался.
В первом Бриге надо просто выполнить нижнее плечо ВК точно так же, как и верхнее.

 

[catBot]

выполнить нижнее плечо ВК точно так же, как и верхнее.

1:1, или на комплементарных транзисторах?

 

[Rus2000]

Разговор же о том, что было бы при наличии у Лихницкого комплементарных выходников.

Кста, он имеет отношение к разработке 3-й версии Брига?

 

[catBot]

Кста, он имеет отношение к разработке 3-й версии Брига?

Достоверно не знаю, но по слухам, - нет, не имеет.

 

[alexcp]

Прошу прощения за оффтоп, но раз уж мы вспомнили Лайкова: ВК его усилителя представляет собой два независимых усилителя с ТОС:

нагруженных друг на друга (и на общую нагрузку). Их петлевое усиление зависит от нагрузки и в общем случае невелико, поэтому параметры верхнего и нижнего усилителя разные, и ВК генерирует много второй гармоники. Не меняя схемы, можно, во-первых, немного увеличить петлевое усиление, сделав Ку=1 (убрать резисторы с эмиттеров первых транзисторов на землю, заменить токозадающие резисторы с источников питания на те же эмиттеры на источники тока):

Во-вторых, можно попытаться сделать плечи более одинаковыми подбором резисторов в коллекторе первого транзистора или в эмиттере второго по минимуму искажений. Правда, одинаковость не будет постоянной - будет плавать с температурой, режимами работы, уровнем сигнала, нагрузкой, при замене транзисторов, смене фазы луны и проч. - но какой-то результат получить можно.

Кстати, может быть, снести обсуждение Лайкова из темы Омикрона в забавную схемотехнику? Мы там уже недавно о нем говорили.

 

[Rus2000]

раз уж мы вспомнили Лайкова: ВК его усилителя представляет собой два независимых усилителя с ТОС

Но с общим узлом термокомпенсации.
А в некоторых версиях есть даже общая цепь "Non Switching".

немного увеличить петлевое усиление, сделав Ку=1

В УМ с питанием ВК выше питания ОУ не имеет смысла.
Ну, разве что делать питание ОУ плавающим. Но тут есть свои ограничения.

Когда-то делал анализ этих схем. Общий вывод: УГ, не стоит потраченного на сборку и настройку времени.
Надо будет поднять материалы, и подготовить их с учетом свежих данных.

В качестве эпиграфа к разбору этой поделки, и одновременно, приговора этим схемам, можно использовать слова автора:

"Мне в этом смысле очень повезло ... в том, что в своё время догадался создавать в усилителе разные типы искажений и прослушать их влияние на звук."
(с) А. Лайков

Ну, вы поняли - пока все пытались уменьшить искажения УМ, Лайкову повезло - он догадался создавать разные типы искажений прямо в усилителе.
Проверка показала ,что, таки, да - прямо в усилителе создается масса разных искажений.

 

[Rus2000]

Усилители Лайкова. Бессмысленные и беспощадные.​

"Мне в этом смысле очень повезло ... в том, что в своё время
догадался создавать в усилителе разные типы искажений
и прослушать их влияние на звук."
(с) А. Лайков​

В процессе наблюдения за попытками А. Лайкова припомнить тов. Финну давний отзыв о звуке лайковского усилителя стало интересно, что же такого уникального есть в этих схемах, которые "мало кто может понять, кроме автора".

Примерный план анализа:
- Структурная схема УМ и быстрая оценка линейности.
- Петлевое усиление схемы и теоретический предел линейности.
- Режимы работы каскадов УН и поиск "режима ЭА"
- Усиление УН, выходное сопротивление и зависимость усиления от нагрузки.
- Собственные искажения транзисторной части и влияние разброса параметров компонентов.
- Глубина местной ООС и ее влияние на искажения транзисторной части.
- Подбор транзисторов в пары и его влияние на линейность.

ВЫВОДЫ.
Выводы такие же, как и для Брагина-87:
Этот усилитель не стоит ни потраченных на него средств, ни сил, ни времени.
Но в образовательных целях собрать ее должен каждый начинающий. Чтоб было понятнее, как не надо делать УМЗЧ в конце первой четверти XXI-го века.
Как собирать, и на что следует обратить внимание, мы покажем ниже.

 

[Rus2000]

Рассматривать будем на примере версии 7, как наиболее продвинутой.
Версия 8, в которой присутствуют цепи, управляющие током неактивного плеча ВК, заслуживает отдельного разбора и пока рассматриваться не будет. Cтруктура УН у нее та же самая, что и у предыдущих, поэтому большинство выводов будут справедливы и для нее. Эффективность разных реализаций ВК с ненулевым током покоя неактивного плеча по сравнению с нормальной реализацией обычной тройки и даже двойки находится под большим вопросом.

Схема v7:

В принципе, одного беглого взгляда на любую из найденных схем, подписанных как "Усилитель с экономичными токами покоя (режим ЭА). А.Лайков, г. Астрахань" версий от V2 до V7 достаточно, чтобы оценить ее потенциал и предел достижимой линейности.
Структура простая: ОУ и транзисторная часть, охваченная местной петлей ООС и имеющая Ку=12дБ (или около того, в зависимости от версии и (ВНИМАНИЕ!!!) от сопротивления нагрузки):

Совсем недавно мы рассматривали усилитель Брагина (Радио 1987-04) с аналогичной структурой:

... этот усилитель не стоит ни потраченных на него средств, ни сил, ни времени.
У него три беды, и все главные:
- ВК в классе В. Неизбежно генерит ступеньку, с которой приходится бороться ООС.
- Вход в отсечку ВСЕХ каскадов усилителя даже в линейном режиме работы. Т.е. два раза за период происходит полное включение/отключение плеч.
- Нищенские 36дБ петлевого усиления, что не только не позволяет выправить кривой ВК, но и приводит к появлению искажений прямо на входе ОУ за счет большого разностного сигнала каскада сравнения.

От Брагинского усилителя схемы Лайкова отличаются отсутствием первой беды: ВК у Лайкова работает в классе АВ, что позволяет избежать искажений, присущих классу В.
Но, как как это часто происходит, одну проблему убрали, а новых добавили.

Суммарное усиление схемы равно усилению ОУ плюс 12дБ усиления транзисторной части. Рекомендуемые ОУ имеют Ку@20к от 50 до ~67дБ. Т.е. суммарное усиление схемы могло бы находиться в диапазоне 62-79дБ.
Вроде бы, немало, но есть несколько "НО".
Первое НО: ОУ охвачен местной петлей ООС, которая ограничивает любые, даже идеальные ОУ одной величиной - 53дБ/20к. А при емкости конденсатора коррекции в 10пФ (такая рекомендация есть в соответствующей теме на Паяльнике) - и того меньше, всего 47дБ.
Второе НО: Ку схемы составляет 32дБ, т.е. на линеаризацию схемы в петле остается не более 33дБ (53+12-32). А с емкостью коррекции ОУ в 10пФ - не более 27дБ.

Что все эти цифры означают, товарищи?

Во-первых, это означает, что искажения того, что находится после ОУ, будут снижены, в лучшем случае, в 40 раз, а в худшем - менее чем в 20 раз. И ни граммом больше, точка.
Т.е. если транзисторная часть усилителя имеет собственные искажения, например, 1%, то общая ООС позволит уменьшить их до уровня не ниже 0,025%.

Во-вторых, это означает, что разностный сигнал на входе усилителя будет равен примерно 2мВ в лучшем случае, и более 30мВ в худшем.
Вопрос влияния уровня разностного сигнала на искажения входного дифкаскада подробно рассмотрен в теме о безуспешных попытках "допилинга" Омикрона (когда "интеграторовед" Витя Сагиттариус несколько раз подряд публично расписался в собственной тупости):

Запускаем анализ и видим, что при увеличении амплитуды разностного сигнала искажения растут примерно так:
3мВ - 0.025%
10мВ - 0.252%
32мВ - 2.4%

Разумеется, приведенная цитата касается голого биполярного дифкаскада (как на входе NE5532), но тенденции, думается, понятны.
В случае ОУ с дифкаскадом на джифетах или в случае биполярных ОУ с дополнительной линеаризацией дифа результаты будут, конечно, лучше.
Но при любом раскладе, при такой величине разностного сигнала на входе усилителя его предельная линейность будет однозначно определяться линейностью применяемого ОУ.
Т.к. схема усилителя неинвертирующая, на ее входе присутствует синфазный сигнал, равный по амплитуде входному. Это означает, что во входном каскаде ОУ будут неизбежно возникать дополнительные искажения, величина которых зависит от выходного сопротивления источника сигнала и от реализации входного каскада ОУ.

В сухом остатке: что 27, что 33, что даже 40 дБ петлевого усиления в схеме, имеющей очень большие собственные (без ООС) искажения, не позволяют получить приемлемой в XXI-м веке линейности.
Видерхольд еще в 1977-м году сделал гораздо лучше.

 

[Rus2000]

Предел линейности усилителя, связанный со свойствами ОУ, можно оценить, если вместо всей транзисторной части поставить идеальный усилитель с КУ=12дБ:

E1 (в рамочке), это и есть идеальная транзисторная часть усилителя. E1 не вносит искажений и обеспечивает усиление 12дБ.

Запускаем анализ:
- Как мы ранее посчитали в уме в столбик, наблюдаем нищенские 31дБ петлевого усиления на частоте 20кГц (получилось на 2 дБ меньше расчетного, т.к. ОУ стоит неидеальный). Если увеличить емкость в местной ООС ОУ, то усиление падает до 26дБ:


- Кг(20к) равен 0,000930% на первом ватте и 0,007170% при 50Вт на нагрузке 8 Ом.
Вроде, неплохо, но не забываем, что это с идеальной транзисторной частью усилителя, которая в нашей части Галактики не встречается.
Если мы подмешаем к транзисторной части схемы 0,1% второй гармоники:

то получим на выходе результат хуже ~0,009%.
А если искажения транзисторной части будут составлять 1%, то итоговый результат получится хуже ~0,06%, что хорошо стыкуется с результатами расчета в столбик, приведенными выше.
Причем, мы добавляли только вторую гармонику. Если добавлять более высокие, то эффективность их подавления будет еще ниже, т.к. усиление ОУ неизбежно падает с ростом частоты
Подавление искажений ВК:

Хорошо видно, что даже в звуковом диапазоне у усилителя практически нет сил бороться с искажениями транзисторной части. А выше 20к все еще печальнее.

Т.о. теоретический предел линейности и его зависимость от искажений транзисторной части вполне понятны.

Попробуем менять модели ОУ на другие, доступные в библиотеках LTSpice:
Pвых: 1Вт 10Вт 25Вт 50Вт
TL071: 0,0007%, 0,0023%, 0,0035%, 0,0050%
OPA132: 0,0002%, 0,0007%, 0,0011%, 0,0015%
LT318A: 0,000000%, 0,000001%, 0,000002%, 0,000004%
OPA1611: 0,000000%, 0,000000%, 0,000000%, 0,000000%
AD8065: 0,000002%, 0,000002%, 0,000002%, 0,000002%
544УД1А: 0,0056%, 0,0185%, 0,0297%, 0,0451%
140УД8: 0,0013%, 0,0042%, 0,0067%, 0,0099%
574УД1А: 0,0009%, 0,0031%, 0,0049%, 0,0072%
544УД2А (с полной внутренней коррекцией): 0,0007%, 0,0024%, 0,0038%, 0,0057%
LM318N-66: 0,0003%, 0,0009%, 0,0014%, 0,0021%

Хорошо видно, что чисто математические модели показывают слишком оптимистичные результаты, вплоть до полного отсутствия искажений (OPA1611), что плохо стыкуется с практикой.
Более адекватные модели, построенные на дискретных компонентах, показывают результаты, очень близкие к тем, что наблюдаются на выходе реального усилителя.
Поэтому когда Лайков показывает результаты моделирования своего усилителя с применением модели AD8065:

нужно понимать что эти результаты неизбежно слишком оптимистичны, т.к. кроме математической модели 8085 от производителя других моделей этого ОУ в природе пока что не обнаружено.

Модель в аттаче. Можно менять ОУ до полного просветления.