Усилитель Stonecold

Модераторы: Алаев Ян, Роман Мирошниченко, poty

Аватара пользователя
Boss
Наблюдатель
Наблюдатель
Сообщения: 3
Зарегистрирован: 21 мар 2014, 20:20

Усилитель Stonecold

#1

Сообщение Boss » 23 мар 2014, 20:14



Здравствуйте, форумчане! Я не очень опытный радиолюбитель и решил собрать вот эту схему. Смотрите вложение.
stonecold.jpg
Принципиальная схема усилителя Stonecold
Эта схема достаточно простая и я думаю, что мне под силу. Правда у меня несколько вопросов по ней, которые я не понимаю.
1. Почему выход DA1 ОУ никуда не подключен? Нет ли ошибки в схеме?
2. Посоветуйте, пожалуйста, более современные комплектующие, думаю, что операционник TL071 уже устарел и, вполне, можно найти что-нибудь поинтереснее. Всем спасибо заранее!

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2604
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 116 раз
Поблагодарили: 106 раз
Контактная информация:

#2

Сообщение Алаев Ян » 23 мар 2014, 20:39

Вечер добрый!
Схема интересная! Насколько я понимаю, работает это так: VT1 и VT2 - это эмиттерные повторители и на своих эмиттерах они формируют напряжение близкое к напряжению на своих базах. Т.е. +/- 12В. Это напряжение питания ОУ. Резисторы R6 и R7 являются своеобразными датчиками тока, реагирующими на потребление питания ОУ. Соответственно, падение напряжения на этих резисторах воздействует на драйверные транзисторы VT3, VT4, которые в свою очередь раскачивают силовые транзисторы VT5, VT6.

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3748
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 73 раза
Поблагодарили: 132 раза

#3

Сообщение poty » 24 мар 2014, 11:00

Фактически, Ян ухватил главную мысль. Вся схема работает как операционный усилитель на дискретных элементах (в противовес интегральным). Усиление по напряжению определяется стандартной для операционных усилителей цепочкой резистивного делителя R12-R1. DA1 работает как:
- первый каскад усиления, образуя каскодную схему с VT1 и VT2;
- фазоинвертор;
- "задатчик" смещение для VT1 и VT2.
Попытаюсь объяснить как это работает. В нормальном режиме дифференциальное напряжение инвертирующий-неинвертирующий вход =0, соответственно (игнорируя возможное напряжение смещения ОУ) на выходе тоже имеем V=0. Ток через R9 не течёт, соответственно мы имеем выход ОУ виртуально подключенный выходом на массу. Это означает, что на положительном и отрицательном выводе питания ОУ имеем одинаковые, но противоположные по знаку напряжения [12В-падение напряжения на база эмиттер VT1 или VT2] соответственно положительной и отрицательной частям схемы. В связи с тем, что в нагрузку (R9) ток не течёт, единственный ток потребления ОУ определяется встроенными источниками тока, составляющими ток покоя. Таким образом, имеем автоматическое установление режима транзисторов VT1, VT2 с использованием источника тока в их эмиттерах. За исключением очень маленького тока базы, этот ток протекает и через R6, R7, определяя смещения и режимы работы VT3, VT4. При подаче на вход сигнала напряжение на выходе ОУ начинает изменяться. Соответственно этому начинает изменяться и напряжение эмиттер-земля для VT1 и VT2 (теперь между эмиттером и землёй включен не только ОУ, но и R9, на котором это напряжение "выделяется"). Так как сигнал подаётся в эмиттерную цепь, VT1 и VT2 получаются включенными по схеме с общей базой, эффективно буферизуя сигнал со входа. Усиление по напряжению этих транзисторов оказывается близким 1. Т.о., имеем классическое каскодное включение: усилительный каскад в эмиттерной цепи буферного.
Стоит отметить пару других хитростей. Первая - диоды VD3, VD4, VD5, VD6. Дело в том, что в данной схеме используются непосредственные (гальванические) связи. А это значит, что в какие-то моменты времени напряжения на R6-R7 (или R11) может не хватить для удержания VT3, VT4 (или VT5, VT6) в открытом состоянии, соответственно, произойдёт клиппирование. Вышеуказанные диоды выступают в качестве своего рода стабилитронов, ограничивающих минимальное напряжение на них падением на P-N переходе, примерно равном переходу база-эмиттер управляемых транзисторов. Вторая хитрость - цепь R11-L1, выравнивающая среднюю точку пуш-пул каскадов VT3-VT4 и VT5-VT6. При полностью сбалансированной схеме ток через R11 - L1 =0 и они никак не влияют на работу схемы. Однако, если имеется некоторая разбалансировка, то на R11 возникает разность потенциала. Реально это напряжение (на R11) является частью цепи база-эмиттер обоих транзисторов VT5, VT6, соответственно, эти транзисторы приоткрываются или закрываются для обеспечения равенства средних точек. Для звуковых сигналов L1 имеет несколько большее сопротивление, "обостряя" выравнивание усиления по напряжению двух каскадов пуш-пула. В связи с тем, что ток в нагрузку через L1 течёт противонаправленно выравнивающему, происходит их взаимная компенсация, уменьшающая нелинейность АЧХ из-за этого реактивного элемента.
VD7 и VD8 предназначены для подавления "обратных токов" из-за L1.
Схема и вправду интересная. Но... С моей точки зрения, интересная как вариант упражнения в остроумии. VD1, VD2 - достаточно шумные, их приходится шунтировать. Линейность элементов питания в ОУ, наверное, никто тоже не проверял, хотя этот аспект активно компенсируется полной обратной связью. Наличие нелинейных диодов в цепи сигнала (пусть и смещённых на относительно линейный участок их характеристики) мне тоже не видится "аудиофильским" решением. Хотя... Если это кем-то собрано и устраивает, "отводов" от повторения данной схемы быть не может. Выбор ОУ - практически любой с минимизированным смещением по напряжению и току (входы не сбалансированы с точки зрения импеданса), желательно с малым уровнем шума и сравнимым с применённым током покоя. Можно, конечно, и отойти от последнего параметра, но тогда придётся пересчитывать все режимы по постоянному току, что, учитывая гальванические связи, не так-то и просто.
С моей точки зрения, более элегантным решением явился бы дифференциальный каскад с общим источником тока в эмиттерной цепи, выполняющий те же функции, но ещё и добавляющий возможность создания балансного входа и соответствующих этому вкусностей.
Владислав

Аватара пользователя
Boss
Наблюдатель
Наблюдатель
Сообщения: 3
Зарегистрирован: 21 мар 2014, 20:20

#4

Сообщение Boss » 24 мар 2014, 12:18

Спасибо за подробный ответ! Рад, что нет ошибки в схеме, значит можно считать ее вполне надежной и собирать. Подскажите, пожалуйста, подойдет любой ОУ с рабочим напряжением +/- 18В и минимальным уровнем смещения на выходе или есть еще какие-то требования? Просто я планировал заменить TL071 на какой-нибудь более популярный ОУ из серии AD, например. По поводу VD1 и VD2, я правильно понял, что их надо зашунтировать конденсаторами?

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3748
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 73 раза
Поблагодарили: 132 раза

#5

Сообщение poty » 24 мар 2014, 14:11

Boss писал(а):Подскажите, пожалуйста, подойдет любой ОУ с рабочим напряжением +/- 18В и минимальным уровнем смещения на выходе или есть еще какие-то требования? Просто я планировал заменить TL071 на какой-нибудь более популярный ОУ из серии AD, например.
Основным требованием является сравнимость токов покоя (у TL071 это 1,4мА). Именно этот параметр определяет режимы практически всех каскадов. Можно, конечно, ориентироваться также на защиту выхода от КЗ, но не думаю, что эта функция будет востребована.
Boss писал(а):По поводу VD1 и VD2, я правильно понял, что их надо зашунтировать конденсаторами?
Крайне желательно. Кто-то может сказать, что должно сработать встроенное в ОУ подавление пульсаций питания и неотъемлемое свойство каскода (иммунитет) к качеству смещения на верхнем транзисторе каскада, но я бы не стал этому доверять, особенно на высоких частотах, где обе этих характеристики весьма плохи. Ну, если дальше рассуждать, то первый каскад я бы собрал на минимально возможной площади (в идеале - из SMD-компонентов, благо это сейчас не проблема). Шунтировать лучше конденсаторами с хорошей высокочастотностью (керамикой-плёночными или танталовыми/электролитами HFQ...).
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2604
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 116 раз
Поблагодарили: 106 раз
Контактная информация:

#6

Сообщение Алаев Ян » 24 мар 2014, 15:20

Смещение нуля можно компенсировать, как показано в Datasheet на TL071

tl071cn
Скриншот 2014-03-24 15.11.34.png
Компенсация смещения нуля

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2604
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 116 раз
Поблагодарили: 106 раз
Контактная информация:

#7

Сообщение Алаев Ян » 24 мар 2014, 16:07

Я полагаю, что можно применить здесь ОУ AD8510 от Analog Devices.

AD8510_8512_8513

Но лучше уточнить этот момент у "poty"

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3748
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 73 раза
Поблагодарили: 132 раза

#8

Сообщение poty » 24 мар 2014, 17:31

AD8510 вполне можно применить, хотя я не скажу, что он более распространённый. В принципе, в любом магазине можно вбить параметры и получить целый набор того, что можно применить. Например, на digikey.com, mouser.com, farnell.com и многих других. Сразу ограничиваем себя потребляемым током (1-2мА), потом вводим slew rate, допустим, >15В/мкс, напряжение смещения, допустим, не более 100 мкВ или с возможностью подстройки, ток смещения - не более 5 пикоампер, я бы ещё ограничился бы полосой (GBP) больше 10МГц, но это уже нюансы.
Владислав

Аватара пользователя
Boss
Наблюдатель
Наблюдатель
Сообщения: 3
Зарегистрирован: 21 мар 2014, 20:20

#9

Сообщение Boss » 25 мар 2014, 17:09

Большое спасибо за помощь всем откликнувшимся!!! Буду пробовать, буду собирать. Наверное, еще вопросы всплывут, так что я не прощаюсь.

Аватара пользователя
BASkow

#10

Сообщение BASkow » 23 июл 2014, 13:55

Специально зарегистрировался на вашем форуме чтобы поблагодарить "poty" и "Алаев Ян".
Схемотехнику этого усилителя критикуют и обсуждают уже несколько лет на известных порталах.
Лучшее обсуждение я встречал на двух из них, и то в качестве диалогов экспериментаторов что и где можно заменить или не менять вовсе.
Но чтобы вот так выложить теорию работы усилителя!!! Спасибо Вам большое теперь у меня многие вопросы по этому усилителю отпали.

Я разработал печатную плату под него в SMD исполнении по всем правилам разводки земель, собираю его тщательно отбирая детали, но на ютубе есть видео о его нестабильности на высоких частотах и мощностях.
Надеюсь с Вашими комментариями я заранее избегу всех непредвиденных неприятностей и соберу надежный усилитель!
Еще раз спасибо, специалисты!

Подскажите пожалуйста, автором рекомендуется замена диодов VD5-VD6 на отечественные Д311 в случае замены выходных транзисторов на 2SC5200-2SA1943, так как у этих диодов падение напряжения меньше и составляет 0,2-0,3 вольт. Так вот есть мнение, что на малых сигналах, когда выходные ключи закрыты и на нагрузку работают только VT3-VT4, то часть тока потечет через база-эмиттерные переходы выходных ключей, а часть через выше упомянутые диоды (VD5-VD6 Д311). Максимальный рабочий ток этих диодов составляет 0,15А. Не случится ли так, что на определенных сигналах при напряжении питания усилителя 37-38 вольт может произойти пробой этих диодов? Учитывая сопротивление резистора R11 и R8/R10, а также динамическое сопротивление нагрузки, возможно протекание тока через диоды почти до 1 Ампера? или эмиттерные переходы выходных ключей будут препятствовать этому?
Очень хочется услышать комментарий специалистов!

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2604
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 116 раз
Поблагодарили: 106 раз
Контактная информация:

#11

Сообщение Алаев Ян » 23 июл 2014, 15:39

BASkow писал(а):Я разработал печатную плату под него в SMD исполнении по всем правилам разводки земель, собираю его тщательно отбирая детали, но на ютубе есть видео о его нестабильности на высоких частотах и мощностях.
Очень интересно было бы на это посмотреть, тем более что на данный момент лично я знаю 2-х человек, которые возятся с этим усилителем. Возможно, Ваша печатная плата, ее топология для них будет очень интересной, плюс, может быть они захотят ее приобрести у Вас, что тоже вполне возможно. Чем больше информации Вы предоставите, тем проще нам будет Вам помочь.

Аватара пользователя
BASkow

#12

Сообщение BASkow » 23 июл 2014, 16:15

Алаев Ян, вот мои платы
p1210276.jpg
p1210279.jpg

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3748
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 73 раза
Поблагодарили: 132 раза

#13

Сообщение poty » 23 июл 2014, 16:42

Для того, чтобы ответить на Ваш вопрос аргументированно, необходимо провести полный расчёт, поэтому всё нижесказанное - мои предположения. Считаю их близкими к истине.
BASkow писал(а):Подскажите пожалуйста, автором рекомендуется замена диодов VD5-VD6 на отечественные Д311 в случае замены выходных транзисторов на 2SC5200-2SA1943, так как у этих диодов падение напряжения меньше и составляет 0,2-0,3 вольт. Так вот есть мнение, что на малых сигналах, когда выходные ключи закрыты и на нагрузку работают только VT3-VT4
С моей точки зрения, VD5-VD6 "организуют" ровно такое смещение, чтобы выходные транзисторы не закрывались (т.е., полное падение напряжения ориентировочно равно пороговому напряжению открытия выходного транзистора). Собственно, поэтому, видимо, автор и предлагает уменьшить это смещение: 2SC5200-2SA1943 - это обычные транзисторы, тогда как TIP142-TIP147 - это дарлингтонская пара. При дарлингтонском включении между базой и эмиттером составного транзистора получаются включенными 2 "обычных" база-эмиттер перехода (что увеличивает вдвое напряжение открывания).
Не будем сейчас рассуждать о снижении усиления по току транзисторов на выходе - думаю, раз автор предлагает эту замену, значит, в этом плане всё в порядке.
BASkow писал(а):на малых сигналах, когда выходные ключи закрыты и на нагрузку работают только VT3-VT4, то часть тока потечет через база-эмиттерные переходы выходных ключей, а часть через выше упомянутые диоды (VD5-VD6 Д311). Максимальный рабочий ток этих диодов составляет 0,15А. Не случится ли так, что на определенных сигналах при напряжении питания усилителя 37-38 вольт может произойти пробой этих диодов? Учитывая сопротивление резистора R11 и R8/R10, а также динамическое сопротивление нагрузки, возможно протекание тока через диоды почти до 1 Ампера? или эмиттерные переходы выходных ключей будут препятствовать этому?
Давайте предположим, что выше я не прав (это может быть так на самом деле, конечно, потому что, естественно, исхожу больше из логики, нежели из расчётов). Допустим, мы добились такой ситуации, что через один из VD5-VD6 протекает ток 0,15А. Я считаю, что по логике работы драйверного каскада - он работает в классе, близком к В, то есть, в покое ток в каскаде пренебрежимо мал, т.о. единственный путь, куда может потечь ток в 0,15А - нагрузка через R11. Допустим, у нас КЗ на выходе и единственный импеданс, который этот ток встречает - R11. В этом случае, на этом резисторе должно выделиться как минимум 0,15А*22Ом=3,3В! И всё это напряжение будет приложено непосредственно на базо-эмиттерный переход соответствующего выходного транзистора. Я думаю, он откроется всенепременно! И "перехватит" инициативу у бедных диодов! :)
Не могу не добавить: абсолютно стабильных схем нет и не может быть. В данном случае есть очевидное место, где можно повлиять на поведение усилителя на высоких и сверхвысоких частотах - это обратная связь (R12, C9, R1). Только она, имея нарастающий сдвиг фазы с увеличением частоты, может превратиться из отрицательной обратной связи в положительную и вызвать возбуждение. Но и "лечение" тоже очевидно! :)
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2604
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 116 раз
Поблагодарили: 106 раз
Контактная информация:

#14

Сообщение Алаев Ян » 23 июл 2014, 16:53

BASkow писал(а):Алаев Ян, вот мои платы
Где заказываете платы? В какой программе моделируете? Сделан ли запас плат на продажу или другую реализацию?

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3748
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 73 раза
Поблагодарили: 132 раза

#15

Сообщение poty » 23 июл 2014, 17:01

BASkow писал(а):вот мои платы
Красиво! Вот за что люблю транзисторную технику - зазоры можно делать очень маленькими, площадки получаются полненькими и прямо так и хочется к ним что-то припаять! :)
А разгрузка площадок, подключенных к земляному плану есть? Не могу просто рассмотреть.
Владислав

Аватара пользователя
BASkow

#16

Сообщение BASkow » 23 июл 2014, 17:34

Спасибо, вам poty, действительно я не заметил очевидное: при увеличении тока, протекающего через диоды VD5-VD6 резистор R11 будет служить как датчик тока и отдавать свое напряжение на базы выходных ключей. Вы меня успокоили.
Стоит ли эти диоды перенести ближе к радиаторам выходных ключей (увеличится ли термостабильность схемы)? насколько я понимаю, при увеличении температуры диода ток через них будет протекать меньше, а значит выходные ключи меньше открываться и меньше выделять тепла.
В данном случае есть очевидное место, где можно повлиять на поведение усилителя на высоких и сверхвысоких частотах - это обратная связь (R12, C9, R1). Только она, имея нарастающий сдвиг фазы с увеличением частоты, может превратиться из отрицательной обратной связи в положительную и вызвать возбуждение. Но и "лечение" тоже очевидно!
Вы конечно же правы, у автора на оригинальной схеме емкость С9 еще меньше - 24 pF, а здесь 33 pF, я думаю повысить эту емкость до 51 pF, уменьшив тем самым частоту раздела.
В правильном ли направлении я мыслю?
Где заказываете платы? В какой программе моделируете? Сделан ли запас плат на продажу или другую реализацию?
В Китае... есть 10 плат на 5 усилителей, все проектировал в самой простой программе Sprint-layout.
А разгрузка площадок, подключенных к земляному плану есть?
С этим я немного промахнулся, понял когда начал впаивать детали, приходится увеличивать время пайки.
Последний раз редактировалось Алаев Ян 23 июл 2014, 17:34, всего редактировалось 1 раз.

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2604
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 116 раз
Поблагодарили: 106 раз
Контактная информация:

#17

Сообщение Алаев Ян » 23 июл 2014, 17:41

BASkow писал(а):В Китае... есть 10 плат на 5 усилителей, все проектировал в самой простой программе Sprint-layout.
Хочу сделать небольшое предложение. Один из моих заказчиков просил сделать ему эти платы, но учитывая большую занятость и малый личный интерес к конкретно этому проекту - я отказался.
Что я предлагаю:
1. Определитель, за какую сумму Вы готовы продать комплект плат (2 шт.)
2. Разместите принципиальную схему усилителя с указанием применяемых корпусов деталей (вероятнее всего, что схема чем-то отличается от опубликованной на сайте).

Почти уверен, что при разумной цене плат - один комплект точно у Вас купят.

Аватара пользователя
poty
Профи
Профи
Сообщения: 3748
Зарегистрирован: 24 мар 2014, 10:00
Откуда: Россия, Москва
Благодарил (а): 73 раза
Поблагодарили: 132 раза

#18

Сообщение poty » 23 июл 2014, 18:32

BASkow писал(а):Стоит ли эти диоды перенести ближе к радиаторам выходных ключей (увеличится ли термостабильность схемы)? насколько я понимаю, при увеличении температуры диода ток через них будет протекать меньше, а значит выходные ключи меньше открываться и меньше выделять тепла.
Сложно сказать. Лучше бы, конечно, экспериментально... Я не думаю, что это как-то повлияет именно на термостабильность схемы. может, немножко улучшится... как бы это выразиться... режим работы выходного каскада при изменении температуры. Но не считаю это сильно принципиальным.
BASkow писал(а):Вы конечно же правы, у автора на оригинальной схеме емкость С9 еще меньше - 24 pF, а здесь 33 pF, я думаю повысить эту емкость до 51 pF, уменьшив тем самым частоту раздела.
Общий ход мыслей - правильный. Так как эти мелкие конденсаторы дешёвые, я бы начал со значения, указанного автором (а то и ниже). Мне в принципе не нравятся ООС, а если их ещё делать частотнозависимыми чересчур, то это ещё больше ухудшает "карму"! :) Ну, это уже чисто внутреннее, особого техницизма здесь не ищите. Если повезёт и не будет осцилляций - оставите, как есть. Если не повезёт - можно прямо в параллель допаивать номиналы, пока не победите всё плохое!
Последний раз редактировалось Алаев Ян 23 июл 2014, 23:17, всего редактировалось 1 раз.
Причина: Общее редактирование
Владислав

Аватара пользователя
Алаев Ян
Основатель Форума
Сообщения: 2604
Зарегистрирован: 19 мар 2014, 12:05
Откуда: Саратов
Благодарил (а): 116 раз
Поблагодарили: 106 раз
Контактная информация:

#19

Сообщение Алаев Ян » 23 июл 2014, 23:16

BASkow писал(а):В Китае... есть 10 плат на 5 усилителей, все проектировал в самой простой программе Sprint-layout.
Вопрос... Я вот вижу, что у Вас есть там еще вторая плата (просматривается на фото, она явно не такая же, как первая, которая разделена отфрезерованной полосой). Что это за плата? БП? Просто хочется увидеть весь проект целиком.

Аватара пользователя
BASkow

#20

Сообщение BASkow » 24 июл 2014, 05:47

Я вот вижу, что у Вас есть там еще вторая плата
Есть там две платы - сетевой фильтр на 220 вольт, а также плата БП (мост, емкости, дросселя, защита).
На второй плате (БП) предусмотрена защита от КЗ на MOSFET ключах (собственная разработка). В Micro-CAP ее модель гонял, вроде работает в заданных пределах, но из-за стоимости всего проекта (корпус, платы, детали) решил подсократить затраты и обойтись простыми плавкими предохранителями...
Я обязательно выложу фото. Питание уже собрано вместе с платами, все проверено.
Разместите принципиальную схему усилителя с указанием применяемых корпусов деталей
Я хочу провести замеры, погонять на разных режимах, чтобы убедится, что все работает.
А так конечно можно и заявки принять :) Тем более, все платы уже укомплектованы деталями.

Вчера провел небольшие изменения в схеме усилителя:
1. Шунтировал выводы стабилитронов VD1-VD2 танталовыми SMD конденсаторами 47uF х 50v
2. Диоды VD5-VD6 развернул в сторону радиатора (теперь они в 1 мм от поверхности радиатора)
3. Выводы база-коллектор драйверов VT3-VT4 зашунтировал пленочными конденсаторами 330pF

Закрыто
  • Похожие темы
    Ответы
    Просмотры
    Последнее сообщение