Задумал соорудить очередной усилитель для наушников. Но в этот раз новый дизайн, новый подход к конструкции, и, главное, новая концепция схемотехники и звука - очень широкая АЧХ, высокая скорость нарастания выходного сигнала и низкие искажения. Этот усилитель будет совсем не похож на то что я собирал раньше.
Впрочем, не знаю что получиться на самом деле: сейчас есть только рамочная идея в какую сторону копать, и пока не соберу - не послушаю, а пока не послушаю - не узнаю что получилось.
Сама идея простая: разгоним усилитель чтобы его собственное усиление, до включения ОООС, было неизменным хотя бы в звуковом диапазоне. А не так как это, например, у большинства ОУ - спад усиления начинается уже с частот порядка сотен герц. Из-за этого спада, с ростом частоты сигнала, падает петлевое усиление, а вмести с ним и глубина ОООС. Следом снижается линейность схемы. Результат: с ростом частоты в десять раз, во столько же могут возрастать и искажения. Если же убрать спад то и глубина ОООС снижаться не будет, а рост искажений от частоты окажется слабее, или и вовсе его не будет.
Способов ускорить усилитель много. Но я решил подойти радикально - сменить подход к схемотехнике: перейти от классических схем с дифкаскадами и усилителями напряжения к схемам построенным подобно токовым ОУ. Как мне кажется - это один из самых прямых и быстрых способов расширения АЧХ.
По-быстрому прикинул схему:
Примечание: все транзисторы пока BC550C и BC560C
Коэф. усиления пусть будет - 4. В самый раз для ушника. Моделирование показало что у схемы есть проблемы, но есть и потенциал. Первая проблема - схема посредственно держит ноль на выходе: вводим разбаланс транзисторов по коэф. передачи тока базы и вот уже на нагрузке появилось постоянное напряжение более 1В. Совершено неприемлемо. Подбирать транзисторы желания нет, так что предстоит думать что с этим делать. Кстати, может есть идеи? Если вдруг - поделитесь в комментариях.
Скоростной потенциал схемы достаточный. Вот, например, АЧХ усилителя не охваченного ОООС:
Спад АЧХ -3дБ на частоте 155 кГц. Приемлемо. Жаль только что если посмотреть еще и график ФЧХ, то усилитель намекает на некоторую неустойчивость. Во всяком случае если результирующий коэф. усиления усилителю выставить меньше 10-ти. И это проблема номер два. Конечно, симуляция и ее результаты от реальных находятся на расстояние плюс-минус километр. Но все же риск есть и возможно придется поработать со стабильностью.
Общая АЧХ, с замкнутой петлей ОООС мне тоже нравится:
Верхняя граница, эмм..., 49 МГц по уровню -1ДБ... Жаль что это скорее всего просто слишком идеальные модели транзисторов в симуляторе. Но проверим на прототипе.
Погонял симуляцию по линейность, при разных нагрузках, разном уровне выходного сигнала (1В и 8В) и на разных частотах (1 и 10кГц).
Наушники 32Ома, частота сигнала 1 кГц, уровень сигнала на нагрузке - 8В (амплитуда):
Первая мысль - жуткий лес гармоник... но с другой стороны все значения не хуже чем 0.003%, затухающие с ростом номера гармоники. И это на наушниках 32Ома при мощности 1Вт (RMS). Для таких вводных результат неплох. А в реальных схемах этот "лес" нередко просто скрыт уровнем шума.
При снижении мощности ожидаемые искажения уменьшаются. Вот например результат для наушников 32Ома, частоты сигнала 1кГц, и его уровня 1В:
Примечание: 1В амплитудного выходного сигнала это что-то около уровня обычного ноутбучного выхода на наушники.
Искажения упали ниже 0.001% для второй гармоники и ниже 0.0003% для третьей. Не так уж и плохо.
При тех же условиях, но на нагрузке 320 Ом линейность еще возрастает. Вот график для частоты сигнала 1кГц с амплитудой 8В на нагрузке 320Ом:
При выходной мощности 100мВт (RMS) уровень второй гармоники ниже 0.001%, а третьей - ниже 0.0001%. Низкий, короткий, монотонно спадающий спектр - то что нужно для хорошего звука.
А при малом уровне выходного сигнала (всего 1В) искажения и вовсе становятся незначимыми, так как в реальной схеме окажутся существенно ниже уровня собственных шумов:
Уровень искажений ниже 0.0002% для второй гармонике. об остальных можно и не говорить.
А главная прелесть в том что с ростом частоты искажения растут не быстро. Например, можно посмотреть график спектра гармоник сигнала частотой 10кГц, амплитудой 8В, на нагрузки 320 Ом:
Если сравнить его с таким же графиком, но для частоты 1кГц (был выше), то видно что уровень искажений вырос всего вдвое. Хотя попробую, если получиться, добиться что бы роста искажений не было вовсе.
Подведем итог:
Искажения в схеме с частотой растут медленно, как и хотелось, да и в целом их уровень невысок: во всех случаях не хуже 0.003%. Вместе с широченной АЧХ получается очень перспективная схема. Понятно что это лишь сильно идеализированное моделирование и реальность может оказать не столь радующей. Но попробовать стоит.
Но сперва нужно: решить проблемы с потенциальной нестабильностью, точностью поддержания нуля на выходе и еще немного повысить линейность. Буду пробовать. Точек для роста схемы целый букет. Начну с малого:
- Можно транзисторы поменять (такие что бы были на рабочих значениях тока максимально линейными)
- Глубину ОООС нарастить тоже лишним не будет
- А еще стоит попробовать заменить выходной каскад на мой любимый однотакт.
Надо все это и многое другое пробовать. По результатам отпишусь, а тут поставлю ссылку на продолжение.
До связи).
Комментариев нет:
Отправить комментарий