Усилитель Микаэля Видерхольда, или сверхлинейник 1977-го года

Статус
В этой теме нельзя размещать новые ответы.

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
10,322
3,632
Плюк
Тема временно закрыта от комментариев.

Усилители Микаэля Видерхольда. 1977-й год.

По многочисленным просьбам участников форума, для того, чтоб этот вопрос не потерялся среди других материалов, было принято решение вынести обсуждение схемотехники Микаэля Видерхолда в отдельную тему.

Многие наивно полагают, что усилитель Видерхольда, это такая маленькая невнятная публикация в журнале Радио за 1978 год с двойкой на выходе и без подробностей.
На самом деле это не совсем так. А, скорее, совсем не так.

Сначала в ГДР-овском журнале Radio Fernsehen Elektronik, №14 за 1977-й год:
rfe1477.jpg
появилась статья "Neuartige Konzeption fur einen HiFi-Leistungsverstarker":
Скан статьи - в аттаче этого сообщения.

В Радио-78 была выложена первая, самая простая, маломощная и наименее линейная из всех схем исходной публикации:
1622851862442.png

Но лучшая схема в этой статье - последняя, с квазикомплементарной тройкой на выходе:
1622851912541.png

Схема проста, как и все гениальное - ОУ + УН (ОК-ОБ-ОБ) + ВК.
К сожалению, именно эта схема в журнал "Радио" не попала и долгое время была недоступна широкому кругу радиолюбителей.

Некоторые считают, что Видерхольд дубля не отбивал в частотной коррекции усилителей, но я постараюсь показать, что это не так.
Усилитель был тщательно рассчитан, причем без всяких симуляторов.
 

Вложения

Последнее редактирование:

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
10,322
3,632
Плюк
Рассмотрим модель ВВ-77:
VV-77_SHM.gif
Особенности модели:
- На входе применена наша иерархическая модель К153УД1 (153УД1 - отечественный аналог примененного Микаэлем ОУ А109). Ее основные параметры соответствуют документации производителя (ниже рассмотрим эту модель отдельно).
- В УН использованы качественные модели современных транзисторов. Дополнительные паразитные емкости добавлены искусственно (Cpar на схеме). Для оценки АЧХ каскадов этого достаточно.
Примерными аналогами SF129 являются отечественные КТ630 (Скб=15пФ) и КТ503 (Скб=20-50пФ).
Примерными аналогами ВС640 являются отечественные КТ684 (Скб=50пФ) и КТ502 (Скб=20-50пФ).
Поэтому суммарная паразитная емкость одной пары транзисторов принята равной 50пФ. Для двух пар, соответственно, 100пФ.
В ВК применены модели современных транзисторов.

Петлевое усиление этой схемы имеет вот такой вид:
VV-77_AFC.gif

Этот график является геометрической суммой трех других графиков:
VV-77_AFC_summ.gif
АЧХ ОУ, АЧХ УН+ВК и АЧХ петли ООС.

Смотрим, как меняется АЧХ УН+ВК при изменении "паразитной" емкости (Cpar):
VV-77_AFC_Cpar2.gif
Емкость на каждом из четырех шагов равна 33, 68, 120 и 220 пФ, соответственно.
Такие АЧХ можно легко построить по трем точкам для каждого графика, т.к. наклон в каждой точке известен.

Смотрим, как меняется АЧХ ОУ при изменении емкости его коррекции (C5):
VV-77_AFC_Ccorr.gif
Емкость на каждом из четырех шагов равна 220, 470, 1000 и 2000 пФ, соответственно.
АЧХ можно построить по четырем точкам, хотя для расчета УМ достаточно и первых трех.

Что примечательно, подстройкой всего одного конденсатора в коррекции ОУ можно скорректировать усилитель под практически любую разумную емкость нагрузки транзисторов УН, будь она хоть паразитной, хоть добавленной искусственно.
Т.е. по мере развития технологий изготовления транзисторов этот усилитель может становиться все лучше и лучше вообще без каких-либо изменений схемы. Ну, разве что тройку заменить на комплементарную от Локанти.
Это гениальное решение!
 
Последнее редактирование:

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
10,322
3,632
Плюк
Отдавая дань Герою Социалистического Труда Микаэлю Видерхольду, попробуем сделать сегодня усилитель строго по его схеме, только лишь с использованием современных транзисторов и заменой ВК на более линейный:
VV-77_v05_03_SHM.gif
Параметры на картинке.
Немного уточнены режимы и номиналы родной коррекции.
Применяемые ОУ - К153УД1А или К553УД1А.

Петлевое усиление - 77дБ/20к:
VV-77_v05_03_Loop.gif

Интермоды:
VV-77_v05_03_IMD.gif

Клип:
VV-77_v05_03_CLIP.gif


А эта схема - попытка выжать максимум из исходной топологии Микаэля, но с минимальными изменениями относительно исходной матрицы коррекции:
 
Последнее редактирование:

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
10,322
3,632
Плюк
nick2bike написал(а):
я не хочу, чтоб опять ктото инсинуировал, что я спер ... ВВшник у Видерхольда
Нет. Не спер.
В статье честно указано, откуда взята схема.

nick2bike написал(а):
добавил один кондер, и улучшил на 3 порядка Видерхольда.
А вот это, откровенно говоря, ложь.
И скоро узнаете, почему.

"Уважение трудно заработать, но легко потерять."
 
Последнее редактирование:

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
10,322
3,632
Плюк
Усилитель Микаэля Видерхольда (1977 год):


Как вы думаете, чем эта простая схема, опубликованная в 1977-м году, принципиально лучше схемы киносипедиста велорежиссера, опубликованной в 1989-м году (т.е. через 12 лет)?

У нее в десятки раз больше петлевого усиления, чем у компиляции 89-го года.
Почему?
Потому что Сухов использовал "свои конденсаторчики" :)
Он добавил всего два "конденсаторчика" и с их помощью увеличил искажения примерно на порядок, по сравнению с исходной схемой Микаэля Видерхольда.
Первый "конденсаторчик", это 330пФ в нагрузке УН (С11 по схеме в Радио). Этот "конденсаторчик" дает на 20к импеданс, равный 24кОма.
Т.е. усиление транзисторной части УН улетает в трубу на ровном месте.
А если добавить емкости прилегающих коллекторов и термодатчика, то ситуация становится просто драматической.
У Видерхольда такого разбазаривания усиления не было.
Второй "конденсаторчик", это 10пФ (C4) внешней коррекции ОУ DA1. Этот конденсаторчик резко снижает усиление неплохого, в целом, ОУ (К574УД1).
 
Последнее редактирование:

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
10,322
3,632
Плюк
Как вы думаете, чем эта простая схема, опубликованная в 1977-м году, принципиально лучше схемы киносипедиста велорежиссера, опубликованной в 1989-м году (т.е. через 12 лет)?
Начнем с самого начала. Т.е. с ОУ, стоящего на входе.
Тов. Видерхольд применил А109, аналогом которого является отечественный 153УД1.
Полную транзисторную модель этого ОУ мы уже давно сделали.
Конечно, она не идеальна, как и любая модель. Но позволяет уверенно оценить линейность и устойчивость схемы.
Смотрим даташит 153УД1:
1625583702183.png
Предельное усиление - около 90дБ.
Частота первого полюса задается цепями коррекции.

Смотрим на нашу модель с цепями коррекции, соответствующими графику 1 даташита:
1625583712128.png
Видно, что ход кривых сходный. Конечно, есть разброс параметров, есть отличия параметров ОУ от разных производителей.
Но суть не в этом.

Применяем коррекцию Видерхольда к 153УД1:
1625583729120.png

И видим вот такой ход усиления скорректированного ОУ:
1625583743375.png

57дБ/20к!


Разброс качества разных экземпляров ОУ на этой частоте не влияет. Тут работает только частотная коррекция.
Это уже было неоднократно показано в теме HaTaлu, где супермодератор с помощью коррекции делает из любых ОУ одинаковые TL071...


Теперь смотрим на ОУ 574УД1, качественная модель которой у нас тоже, к счастью, есть.
Измеренный неоднократно участниками нашего форума Ку этого ОУ на частоте 20кГц составляет от 53 до 60 дБ в зависимости от экземпляра, партии, даты производства, существующего политического строя и фазы Луны.
Смотрим, что показывает наша модель без внешней коррекции:
1625583851976.png
Мы старались создать лучший вариант.
Хуже всегда можно допилить коррекцией.

Теперь добавим к нашему ОУ конденсаторчик С4, который добавил киносипедист велорежиссер:
1625583890410.png

Получаем вот такой график Ку ОУ:
1625583901100.png
45дБ/20кГц!
Т.е. с помощью всего одного конденсатора велорежиссер потерял 15дБ усиления. Т.е. увеличил искажения примерно в шесть раз.

Запомнили сколько усиления получили от входного ОУ два разработчика?
Напоминаю:
1977 год, М. Видерхольд - 57дБ@20к
1989 год, Н. Сухов - 45дБ@20к.
Наглядно:
1625584570254.png

Поэтому когда велорежиссер рассказывает, как он добавил к усилителю Видерхольда один конденсатор и увеличил линейность на три порядка (в тысячу раз, Карл!), относитесь к таким рассказам взвешенно. Ему никто не мешает рассказывать, как в том бородатом анекдоте про пенсионеров. А вам никто не мешает подумать, почему он это рассказывает.

Мне эта история напоминает еще одного персонажа, который взял многопетлевик Кена Ишиваты и тоже сделал его хуже, в меру своего непонимания схемотехники.

Далее рассмотрим транзисторную часть УН...
 
Последнее редактирование:

Rus2000

I=U/R
17 Окт 2017
10,322
3,632
Плюк
Переходим к транзисторной части.
Чтобы не было спекуляций на тему типов транзисторов, в обе схемы ставим одинаковые проверенные качественные модели, а паразитные емкости добавляем искусственно (Cpar на схемах).
Т.е. ставим обе схемы в равные условия.

Усилитель 1977-го года:
1622225378851.png

Паразитная емкость четырех примыкающих коллекторов принята за 100пФ (Cpar). Так же, как и в следующей схеме.

Усиление от точки "3" до выхода (т.е. усиление транзисторной части усилителя):
1622225607962.png

36дБ/20к.

Усилитель 1989-го года:
1622225715145.png

Паразитная емкость четырех примыкающих коллекторов и термодатчика так же равна 100пФ.

Усиление от точки "3" до выхода (т.е. усиление транзисторной части усилителя):
1622225849920.png

26дБ/20к.
В три раза меньше, чем в было 1977-м году.

Оно и на пальцах, без симулятора было понятно - засадить на выход УН суммарную емкость под полнанофарады при токе УН в 4мА, это диверсия в чистом виде. Видерхольд себе такого не позволял даже в середине 70-х годов прошлого века.
Да еще и резонансы появились на 30+МГц.
Но кто-то упорно рассказывает про "один конденсаторчик", с помощью которого он повысил линейность на три порядка.

Что мы имеем в сухом остатке:
Видерхольд в 1977-м году собрал 57+36=93 дБ усиления.
Велорежиссер в 1989-м году добавил "один конденсаторчик" и собрал 45+26=71 дБ усиления.

После введения ОООС в петле у каждого разработчика осталось:
1977-й год - 71дБ@20к
1989-й год - 41дБ@20к

В ООС-ный усилитель с выхлопом в АВ и с глубиной ООС 41дБ/20к хоть какой ОУ ни поставь, он (усилитель) звучать не будет.

Емкость 330пФ в нагрузке УН заслуживает отдельного рассмотрения.
При токе покоя ВК УН порядка 4мА (как это сделано у велорежиссера) на частоте 20кГц и при выходной амплитуде 40 вольт, только эта емкость будет тянуть в себя ток 1,6мА. Паразиты потянут, минимум, еще треть от этого (~0,5мА).
Т.е. половина тока УН уходит в песок уже на частоте 20кГц.
На 40кГц в песок уйдет весь возможный ток УН.
Все. Приехали. Полоса мощности закончилась.


В сухом остатке имеем следующее:
Микаэль Видерхольд в 1977-м году тщательно рассчитал глубокоООСный усилитель.
Он был ограничен только имевшейся в наличии комплектухой, иначе на выходе стояла бы симметричная тройка Локанти.
Но в результате получил вот столько усиления в петле:
1622228580223.png

И искажения порядка 0,002% на частоте 20кГц.

Велорежиссер в 1989-м году "добавил один конденсаторчик" и заявил, что "снизил искажения на три порядка" :)
При этом установил на входе хороший ОУ, на выходе - симметричную тройку, прикрутил свистелки-перделки интеграторы-компенсаторы, и получил вот столько петлевого усиления:
1622228818764.png

И искажения порядка 0,02% на частоте 20кГц.

Т.е. через 12 лет после Видерхольда сделал его усь в 10 раз хуже, но выдал это за подвиг.

Видерхольд офигительный глубокоосник имел в 1977 году. Спасибо большое за проделанную работу, тов.Берия, многие подробности по этому усилителю для меня сегодня вашими стараниями открылись. Наивно полагал, что Видерхольд - это маленькая невнятная публикация в Радио78 с двойкой на выходе и без подробностей. Оказывается, что нам в течении ряда лет лгали, откровенно лгали относительно неких заслуг. Ещё раз, спасибо, очень интересно.
 
Статус
В этой теме нельзя размещать новые ответы.

О Нас

  • Наше сообщество существует уже много лет и гордится тем, что предлагает беспристрастные и критические обсуждения среди любителей радиоэлектроники. Мы каждый день работаем над тем, чтобы быть лучше.

Быстрая Навигация

Пользовательское Меню