Германевый усилитель. Попытка проектирования и настройки.

[kentgaryk]

Во времена транзисторов МП40 привычки были совсем другие. Написано у лампы анодное 250В, значит при 300В всю жизнь проработает, 350В многовато, а 400 В ну совсем нежелательно.

[Vilsi]

для проверки своих бредовых идей потребовался оконечник на пару ватт. под рукой из старого барахла ничего не оказалось, без переделки, поэтому принял решение потратить пару дней и собрать старый добрый усилок, на который давно положен был глаз. разумеется, на германии. я пару похожих схем (из Радио) уже выкладывал где-то на форуме, но интереса не заметил. вот сейчас захотелось проверить, что там происходит.
привожу сразу схему. разрабатывалась с учетном маленького ТЗ: питание планируется 24В/3А от импульсника (прилип к рукам в процессе деятельности), нагрузка переменная, но есть у меня колоночка на 8 Ом входного сопротивления, вот на неё и рассчитываю.

почему именно? а есть в нём одна фишка. дело в том, что здесь ООС охвачен только один каскад. ООС если полностью привести ее название, звучит как ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ООС ПО ТОКУ. и действует по входу. отсюда в качестве сигнала возбуждения подавать на вход надо ток. вот в этих целях, как источник тока, и стоит транзистор VT1.
собственно, всё.
а теперь, что получилось. пока проверял на осцилле с эквивалентом нагрузки. полоса пропускания до 350 кГц при размахе выходного напряжения на выходе Uпп=2В. переходная характеристика имеет время установления около 2 мкс. при этом после окончания перепада имеется небольшой колебательный процесс, природу которого не совсем понимаю, но скорее всего из-за тормознутых ГТ40... максимальная амплитуда напряжения до уровня начала ограничения на 8 Ом Uа=10,9В это около 7 ватт. гармоники не мерял, сложно добраться до компа, RMAA, но попозже постараюсь, самому стало интересно.
в первом каскаде применён П27А. совершенно бестолковый транзистор из-за своих хилых параметров. а вот здесь он как раз к месту. попробовал ещё пару таких же бестолковых транзисторов. МП39 (гарантируется частота до 500 кГц): частота усилителя снизилась до 297 кГц, МП26 (гарантируется частота до 200 кГц!): частота усилителя снизилась до 250 кГц. последний сильно удивил, но и порадовал - появилось, куда списывать запасы.

[ssc]

..ЭП лишний..есть устаканившаяся временем топология простых УМ с однополярным питанием, которая дает лучший результат..

[Vilsi]

да в том-то и дело, что при заведении ООС в эмиттер первого транзистора получается охват обратной связью двух каскадов. в этом случае скоростные характеристики дохлого германия начинают влиять на устойчивость всего усилителя. и все усилия разработчиков направлены на подавление генерации. здесь первый каскад работает без ОООС, но его режим позволяет работать с достаточно низким КНИ.
второй усилительный каскад имеет относительно большое усиление, чтобы ввести достаточно глубокую обратную связь. гармоник конечно тут не сотые процента, но может быть и не очень много. и вопрос с самовозбудом уже не возникает. в железе усил не делает даже попыток загудеть, причём без всякой коррекции.

[ssc]

получается охват обратной связью двух каскадов.

..получается охват ООС всех каскадов..

в этом случае скоростные характеристики дохлого германия начинают влиять на устойчивость всего усилителя. и все усилия разработчиков направлены на подавление генерации.

..к первому каскаду это не относится, точнее, здесь причина не в этом, а в возросшем Ку и как следствие, увеличившейся глубине ООС...не выбирайте чуйку слишком низкой, добавьте резистор в эмиттер УН и получите желаемое..

здесь первый каскад работает без ОООС

..это как же так..?.. ..у вас есть местная ООС по постоянному и переменному токам через резистор в эмиттере 1кОм, а так же ООС в базу через резистор цепи смещения и внутреннее сопротивление источника питания.. ,

p/s...есть много схем УМЗЧ карманных и переносных приемников по такой топологии, в отдельных случаях не требуется даже миллеровская коррекция в УН с дохлыми П213...так что по большей части проблема надумана..

[Vilsi]

ssc писал(а):

получается охват обратной связью двух каскадов.

..получается охват ООС всех каскадов./

"двух"-это значит, что придётся учитывать влияние двух полюсов, влияющих на устойчивость. в данном случае они "все"

ssc писал(а):

в этом случае скоростные характеристики дохлого германия начинают влиять на устойчивость всего усилителя. и все усилия разработчиков направлены на подавление генерации.

..к первому каскаду это не относится, точнее, здесь причина не в этом, а в возросшем Ку и как следствие, увеличившейся глубине ООС...не выбирайте чуйку слишком низкой, добавьте резистор в эмиттер УН и получите желаемое..

ну да, а попробуйте поставить в первый каскад МП26. сомневаюсь, что вообще удастся настроить усилитель.

ssc писал(а):

здесь первый каскад работает без ОООС

..это как же так..?.. ..у вас есть местная ООС по постоянному и переменному токам через резистор в эмиттере 1кОм, а так же ООС в базу через резистор цепи смещения и внутреннее сопротивление источника питания.. ,

p/s...есть много схем УМЗЧ карманных и переносных приемников по такой топологии, в отдельных случаях не требуется даже миллеровская коррекция в УН с дохлыми П213...так что по большей части проблема надумана..

ОООС - это Общая Отрицательная Обратная Связь. первый транзистор ею не охвачен. а вот то, что он может быть весьма линеен, таки да, это от местной ООС по току.
что касается приёмников, то вполне возможно. ну так хочется попробовать самому.

[ssc]

ну да, а попробуйте поставить в первый каскад МП26. сомневаюсь, что вообще удастся настроить усилитель.

..в этом случае, от первого каскада сильно ничего не зависит..

..на, мучай...модели гораздо хуже, чем реальные т-ры...

Вложения

германийквази15в.rar

(10.44 KiB) Скачиваний: 397

[kentgaryk]

МаньякИ!!!

[Vilsi]

ssc писал(а):

[quote="Vilsi"]..на, мучай...модели гораздо хуже, чем реальные т-ры...

сенк. насчёт хуже можно поспорить. здесь классная математика, косяки сразу видно.
слегка посмотрел, есть тут кое-что. просто сразу не сформулируешь, надо время для подготовки. попозже отпишусь. хотя, если подробнее рассмотреть, так, может, я зря придираюсь? может, я просто маньяк?

kentgaryk писал(а):

МаньякИ!!!

блин, и возразить нечего

[ssc]

хотя, если подробнее рассмотреть, так, может, я зря придираюсь?

..вот схема НЧ блока р/п Океан-209..



..верхняя частота по уровню 0,7 - около 10кГц, для носимых кассетокрутов вполне достаточно...как видишь, топологически схема полностью идентична предложенной..заменив ВК на сравнительно более пристойные т-ры, можно говорить о 20кГц сверху, и даже более..требования к первому т-ру весьма умеренные, гораздо жестче они к УН и ВК..именно поэтому в ВК стоит КТ315, который при таком сравнительно невысоком питании легко можно заменить на германиевый ВЧ т-р..

насчёт хуже можно поспорить. здесь классная математика, косяки сразу видно.

..хуже, хуже..особенно это касается моделей выходников..

[Vilsi]

пока для разговору. поэтапно, так скать. это я щас про "Германий квази 15" говорю. проверил модели германцев, конкретно частотку их. МП37 начинает загибаться на частоте 50 кГц, МП41 - на 70 кГц. ну, так, так так. соответствует. П213 скоростные характеристики неадекватны. впрочем, это даже к лучшему: чтобы ещё и на них не заморачиваться. пусть считаются условно как ГТ806.
ну чего, схемка очень даже ничего себе, показывает весьма приличные параметры. возбудов не наблюдается.
переходная характеристика довольно гладкая. время установления порядка 10 мкс. вообще-то многовато. в верхней части на положительном перепаде имеется довольно явный прогиб, что свидетельствует о переколебательном характере установления напряжения. судя по тому, что коррекцией это переколебание устранить на удалось, имеются проблемы с устойчивостью.
смотрим частотку. полоса около 80 кГц. неплохо. АЧХ равномерна, выброс задавлен коррекцией. однако видим, что при усилении 0 дБ фаза вращается до - 260 град. в то же время при фазе в -180 град усиление составляет 22 дБ. а вот это криминал. это означает, что выходной сигнал приходит обратно на вход усилителя в фазе с входным сигналом. причём усиления достаточно для того, чтобы усилитель превратился в генератор. почему этого не происходит? а не выполняются условия самовозбуждения. но они могут выполниться в любой момент, от температуры, питания, нагрузки и т.д. то усилитель можно считать потенциально неустойчивым.
если интересно, можно проанализировать, откуда берётся такой набег фазы. для этого проведём несколько мероприятий: повыбрасываем конденсаторы коррекции С4,С5, а в эмиттер первого транзистора включим большой конденсатор для исключения ООС по переменке.
снимаем АФЧХ. сами характеристики не привожу, чтобы не занимать место и своё время, но буду рассказывать, что вижу, всё равно придётся это делать. ну во-первых, к-т усиления равен 64 дБ. для двух каскадов маловато. частота единичного усиления 865 кГц. загиб начинается с 30 кГц. т.е., это наклон 20дБ/дек. дальше непонятно, где-то наклон характеристики увеличивается, но понять по АЧХ невозможно. но мы не грустим, а смотрим ФЧХ. считаем, что полюс состоялся в точке, где фаза задержалась на 90 град. на самом деле полюс находится по частоте несколько раньше, но для анализа вполне нормально.
итак, первый полюс, -90 град - 50 кГц. комментариев пока нет, посмотрим, что дальше.
второй полюс, -180 град - 155 кГц
третий полюс -270 град - 590 кГц
те, кто читал Майорова, вероятно, помнят, что в этих условиях устойчивость усилителя обеспечивается, если линия ООС пересекается с линией АЧХ в точке, где последняя имеет наклон не более 40 дБ/дек. ну ещё плюс запасик по фазе. таковой можно считать точку -120 град. к-т усиления при этом составит 54 дБ. но это так, для анализа.

[Vilsi]

теперь посмотрим, что происходит реально. но сначала, что мы должны увидеть.
1. полюс выходного каскада. в нашем случае можно считать, что образован скоростными характеристиками предвыходных транзисторов. раньше мы установили, что МП37 начинает спад на 50 кГц, поэтому ухудшение характеристик должно начаться на этой частоте. поскольку транзистор включён фактически повторителем, полюс должен сдвинуться куда-нибудь к 500кГц и более.
2. полюс транзистора Q2. на самом деле здесь 2 полюса. первый - скоростные характеристики самого транзистора. это 70 кГц.
3. второй полюс Q2. образован в его коллекторе. это входное сопротивление предвыходного каскада (считаем его 7,2кОм), паразитные ёмкости коллекторных переходов транзисторов Q2,Q3,Q4 (3*30 пФ). итого f=245 кГц
4. первый полюс Q1. скоростные характеристики самого транзистора. это 50 кГц.
5. второй полюс Q1. образован в его коллекторе. это входное сопротивление Q2, паразитная ёмкость его коллекторного перехода. итого f=160 кГц
насчитали таки 5 полюсов. а раньше, по "железу" (в программе), всего 3. куда делась пара?

[Vilsi]

ну ладно, отвечаю сам на свой вопрос. ещё пара скомпенсировалась в результате действия эффекта, который называется "расщепление полюсов".
интересно, что устранение тем или иным способом любого из первых четырёх полюсов не приводит к уменьшению их общего количества, поэтому усилитель всё равно остаётся потенциально неустойчивым.

загнал свой усилок (назову-ка я его DОMM-17) в RMAA. получил на нагрузке 4,7 Ом:
0,24 % искажений при мощности на выходе 0,5 Вт
0,46 % при мощности 6 Вт

имхо нормально. а что хотел получить? предположим, выходной каскад и УН дают по 10% искажений. итого 15 %.
к-т усиления УН примем за 60 дБ. к-т усиления усилителя 26 дБ. тогда запас по усилению составит 34 дБ. делим 15% на 34 дБ, получаем 0,3%. ну как бы как-то так.
запитал от 30 В. на нагрузке 4,7 Ом выдаёт амплитуду пик-пик до ограничения в 28 В. это соответствует 20 Вт. слегка удивлён.

[Povelitelkasapov]

WP_писал Это как и где скорректировать. Если как всегда и везде миллером во втором каскаде то да. Самое простое и лобовое решение. Каюсь грешен, сам частенько пользую. Когда лень долго возиться и не требуется каких то особых показателей. Если же принимаем меры по обеспечению быстродействию второго каскада (каскодим или подключаем к выходу первого через повторитель) то тогда второй каскад получается гораздо шустрее первого. Что кстати очень желательно. А вот если корректируем RC цепью между базами входного каскада, возможности открываются несколько другие. Но осложняются требования к монтажу из -за возросшей широкополосности. Не всегда хорошо получается, бывает что нибудь подсвистывает. Монтаж поправить, в базы выходных транзисторов низкоомные резисторы и подсвистывание убирается. Но зато как бонус такая коррекция не гробит скорость нарастания. Т.е. получается и усилитель успокаивается и скорость 50-100 В / мкс. Кстати вполне реализуется на П605. А миллером во втором каскаде потолок 5 В/мкс, если JFET на вход поставить можно до 15 В/мкс разогнать и все. А если хочется больше, то нужно глушить усиление первого каскада.
Кстати этот подход возможно реализовать на германиевых транзисторах.
Первый каскад МП40А, второй ГТ321, перед ГТ321 повторитель на П416 или ГТ308 для уменьшения входной емкости второго каскада. Выходной из дарлингтона ГТ321 П605 и шиклаи КТ608 или КТ603 П605. Почему кремниевый? Германиевого NPN транзистора такого класса не существует. При применении МП37 или ГТ404 шиклаи с П605 очень уж любит свистеть. А с ВЧ кремниевым никаких проблем.
Исходя из вышенаписанного появился вопрос-что лучше каскод или повторитель перед усилителем напряжения?

[WP_]

Повторитель.
Амплитуда выходного напряжения будет больше.
У повторителя коллектор должен быть заземлен по переменному току для исключения влияния проходной емкости.

[Vilsi]

опять выдалась относительно свободная полоса. на досуге решил посчитать, сколько мощности можно выжать из истинно германевого усилителя. посчитал. получилось интересно. но не без проблем. поэтому решил для начала поднять старый макет и слегка его потерзать на предмет настройки, чтобы в случае изготовления мощного усилителя понимать, где можно нарваться на непонятки. кроме того, при представлении усилителей участниками форума я всё время прошу показать некоторые эпюрки, свидетельствующие о качестве усилителя. ни разу не видел.
вот по результатам настройки этого старого макета планируется сделать небольшой отчётик, листов на 30, в котором будет представлено то, что я обычно хочу видеть. усилитель представлен чуть выше, я его уже давно здесь опубликовал.
к сожалению, описать процесс изготовления и настройки усилителя гораздо сложнее и дольше, чем его изготовить. поэтому буду публиковать частями, по мере наполнения. итак, DOMM-19

Вложения

DOMM-19___24В - расчет.pdf

(837.3 KiB) Скачиваний: 272

[Vilsi]

и ещё кусочек отчёта. попытался измерить к-т усиления каскада на транзисторе Т2. к-т усиления усилителя без ООС. вот что получилось

Вложения

DOMM-19___24В — усиление Т2.pdf

(1.28 MiB) Скачиваний: 243

[Vilsi]

очередные испытания. на этот раз привожу данные по настройке усилителя по переходной характеристике. я всего прошу у котов эту характеристику, даже не потому, чтобы придраться к качеству настройки, а чтобы оценить, как звучит усилитель по оценке изготовившего его и соотнести эту оценку с характеристикой. чисто для себя, чтобы иметь ввиду при настройке своих изделий.
на всякий случай предупреждаю, что записи в большой мере черновые, поэтому могут встречаться баги. ежли кто заметит, буду благодарен за указку. точно так же, если что не понятно, прошу спрашивать. вполне возможно, что ответ стоит будет включить в итоговый отчёт

Вложения

DOMM-19___24В - переходная характеристика.pdf

(725.39 KiB) Скачиваний: 234

[Vilsi]

ну всё. сил больше нет. публикую окончательный на данный момент отчёт. всё, что хотел посмотреть - посмотрел, что хотел рассказать - рассказал. вполне возможно, что со временем появятся новые мысли, тогда, возможно, если что-либо важное скорректирую, выложу.

Вложения

DOMM-19___24В.pdf

(2.7 MiB) Скачиваний: 284

[Vilsi]

ЗЫ. предлагаю немного экспериментальных данных, для чего собсно затевался проект DOMM-17. это я провёл измерение зависимости теплового тока выходных транзисторов от температуры.
сначала предполагалось, что данные будут использованы в проекте германевого усилителя на 50 Вт при питании 40 В, но по некотором размышлении решил выложить как отдельную информацию. в основном, это рассуждения из пока ещё расчёта будущего усилителя. он написан в большой степени на жаргоне, и когда будет готов для нормального чтения не очень понятно.

Вложения

германий_тепловые зависимости.pdf

(397.55 KiB) Скачиваний: 207