Hi-Fi Solid-state Аудио Усилвател

[Parni_Valjak]

Щраквай по някоя снимка от процеса на изграждането 

[Mairomaster]

Щракам, въпреки че не е кой знае колко за гледане   От бързане, не мога да докарам чак толкова добър естетически вид. Иначе днес почти го завърших, малко неща ми останаха, които ще ги дооправя вкъщи. И в четвъртък ще имам 3 часа за тестване.

[Mairomaster]

Готов е вече първият прототип. Ето снимки:

http://media.snimka.bg/s1/1837/029917462-big.jpg

http://media.snimka.bg/s1/1837/029917469-big.jpg

http://media.snimka.bg/s1/1837/029917473-big.jpg

 

Не е първа хубост, но като за прототип и това е добре мисля.

 

Изненадах се, че тръгна от раз и не направи никакви проблеми. Основно го тествах с тон генератор, с подаване на различни честоти и слушане на резултата. На изхода свързах осигурената 200 W, 8 ohm колона. За тестове с осцилоскоп и други не остана време. Ето измерванията, които успях да направя на бързо:

 

It = 4.86 mA (IS tail current)

I1 = 2.81 mA (IS left side)

I2 = 2.11 mA (IS right side)

 

Im1 = 2.028 mA (IS mirror current 1)

Im2 = 2.082 mA (IS mirror current 2)

 

Iva = 7.8 mA (VAS bias current)

Vspr = 3.28 V (output stage bias voltage - around the voltage spreader transistor)

 

Iout+ = 89 mA (TIP3055 bias current)

Iout- = 88 mA (TIP2955 bias current)

 

Ipre = 11 mA (pre-driver stage bias current)

Idrive = 24 mA (driver stage bias current) 

 

Voutdc = 76 mV (output DC offset)

 

Като цяло не са толкова далеч измерванията от теоретичните предсказания. Диференциалният вход не е особено балансиран, но даскала каза, че това не е особен проблем, понеже обратната връзка оправя нещата в последствие. Аз смятам обаче да помисля как да оправя това (най-малкото Валякът ще ме изяде ей сега  ). По-голямото ми притеснение е високият ток на driver транзисторите. Прилично над очакваната стойност е, и понеже имаме клас А, транзисторите греят ненужно много. Но и над това имам време да мисля.

[Parni_Valjak]

Няма да те тормозя, зaщото разбираш, че има много неща за оправяне. Виж, ако не схващаше, сигурно щях да тропам по канчето  .

• Токовете в диф. усилвател са много високи. Огледай се колко са във фабрични продукти. (Шум, T^o стабилност, честотни параметри...) (look Marshall Leach for TIMD )
• Изходното стъпало на усилвателя по напрежение не е правилно разчетено и от там идва проблема с балансирането. Тук ще те оставя сам да се помъчиш.
• Когато се свързват много транзистори в серия, токовете трябва да са в пропорция на минималните коефициенти на усилване по ток на всяко стъпало. Това се отнася за изходната част на усилвателя. Ако всичко ти е клас А, нека всички да са клас А, но когато са B или AB близък до B е лошо да се комбинират с клас А.
• Да не забравя: Измервания се правят само на активен (омичен) товар. Комплексен товар, като озвучително тяло изобщо не става за измервания. Познай защо.
• Токовете в крайните транзистори са прекалено много.

Засега стига толкова.  

 

PS. Your tutor/teacher can buy me a drink. Soft drink!

 

PS2. Чак сега видях снмките. Много са ти големи охладителите на крайните транзистори, ще вземат да замръзнат ... не се излагай!

Толкова дълги проводници за транзистора определящ началния ток не са добро решение. Особено при липса на блокиращ кондензатор. Не знам дали няма разлика между схемата и прототипа.

Редактирано Март 15, 2013 от Parni_Valjak

[Mairomaster]

Ще си позволя да цитирам предишно мнение, тъй като по доста части от него трябва да коментирам.

 

• Токовете в диф. усилвател са много високи. Огледай се колко са във фабрични продукти. (Шум, T^o стабилност, честотни параметри...) (look Marshall Leach for TIMD )
• Взимам си поука.
• Изходното стъпало на усилвателя по напрежение не е правилно разчетено и от там идва проблема с балансирането. Тук ще те оставя сам да се помъчиш.
• Когато се свързват много транзистори в серия, токовете трябва да са в пропорция на минималните коефициенти на усилване по ток на всяко стъпало. Това се отнася за изходната част на усилвателя. Ако всичко ти е клас А, нека всички да са клас А, но когато са B или AB близък до B е лошо да се комбинират с клас А.
• Това с pre-drivers и drivers в клас А неслучайно съм го избрал. В две от малкото свестни книги които намерих по темата - Cordell и Slone, беше препоръчана дадената топология. И в интернет четох за нея. Аргументите са, че когато двете степени (ауу как предпочитам да пиша на английски по технически теми) преди крайната работят в клас А, те почти не внасят допълнителни изкривявания. Също общата ефективност не страда много от тях, тъй като през тях текат по-малки токове и се губи сравнително малко топлина. Вече и крайната степен ако е в клас А, имаме голям компромис с ефектнивността. Това е изключено да тръгна да го правя, поради ред причини. По-скоро бих свалил първите две степени в клас Б, ако наистина се окаже, че така е по-добре.
• Да не забравя: Измервания се правят само на активен (омичен) товар. Комплексен товар, като озвучително тяло изобщо не става за измервания. Познай защо.
• Това го знам да. Извинявам се, пропусна да поясня, че измерванията които дадох са правени без товар на изхода.
• Токовете в крайните транзистори са прекалено много.
• Това съм го смятал по логиката, че за минимален (на теория) gm doubling effect, което от своя страна носи минимален switching distortion, re = Re  --> I = Vt/Re. По тези сметки дори се получава, че тока трябва да е по-голям, около 120 mA, но поради различия между теорията и практиката, оптималният ток трябва да е по-малък, около 80 mA (така пише в дебелите книжки, сам ще го проуча по-подробно по-късно)

Засега стига толкова.  

 

PS. Your tutor/teacher can buy me a drink. Soft drink!

 

PS2. Чак сега видях снмките. Много са ти големи охладителите на крайните транзистори, ще вземат да замръзнат ... не се излагай!

Радиаторите имат топлинно съпротивление (?) 5 K/W. При максимална мощност имам около 7 W dissipated power на транзистор. Qjc = 1.4 K/W за дадените транзистори. Qcs може да се приеме за около 0.5 K/W примерно. По тези данни, разлликата между температурата на прехода (?) и стайната температура приблизително ще е T = P(Qjc+Qcs+Qsa) = 48 K. Което при стайна температура от 20 - 25 градуса дава 70 - 75 градуса температура на прехода, което би трябвало да е доста добре.

Толкова дълги проводници за транзистора определящ началния ток не са добро решение. Особено при липса на блокиращ кондензатор. Не знам дали няма разлика между схемата и прототипа.

Мисля, че нищо не съм променял по схемата, след като я дадох тук, така че трябва всичко да е по схемата. Дългите проводници поради възможността за индуциране на сигнали в тях ли не са добро решение? По други начин мисля че няма как да го направя лесно.

[Parni_Valjak]

Радиаторите имат топлинно съпротивление (?) 5 K/W. При максимална мощност имам около 7 W dissipated power на транзистор. Qjc = 1.4 K/W за дадените транзистори. Qcs може да се приеме за около 0.5 K/W примерно. По тези данни, разлликата между температурата на прехода (?) и стайната температура приблизително ще е T = P(Qjc+Qcs+Qsa) = 48 K. Което при стайна температура от 20 - 25 градуса дава 70 - 75 градуса температура на прехода, което би трябвало да е доста добре.

Познай какво не си отчел. 

Какъв товар е реалния? И как се отразява на разсейваната мощност?

В режим B, AB - къде е максимума на разсейваната мощност?

Какво става, когато околната температура не е 20^оC , а примерно 40^оC (както се случва обикнновенно и у нас напоследък)

Приятно четене!

[Mairomaster]

Смятъл съм го за 8 ома резистивен товар. При 4 ома пак не е убийствено зле положението - около 100 градуса разлика с околната среда. И все пак това са крайни положения, при които на куп се събират нисък товар и работа в точката на най-голяма  разсейвана мощност. За реален товар с реактивна компонента не съм го смятал още, но се надявам да не доведе до големи разлики, при положение че се използва смислено озвучително тяло. На бързо пробвах няколко теста в LTSpice, колкото за бърза проверка и не излязоха фрапиращи резултати. Но задължително ще взема и това предвид, като почна да правя по-дълбоките сметки.

В режим B, максималната разсейвана мощност би трябвало да е при максимална пикова стойност на изходното напрежение равна на 2/pi от захранващото напрежение или около 64%. Извеждал съм го това и съм го проверил в книгите също.

 

И 40 градуса да е околната температура, ако са ми верни сметките, пак няма да скочи толкова много температурата на прехода. В упътването на транзистора дават безопасна температура на работа до 150 градуса, естествено предполагам е добре да се стои колкото се може по-далеч от нея.

 

Най-големият ми проблем да използвам радиатори с по-ниско топлинно съпротивление е, че има само един модел такива в склада, останалите са все с по-високо. А този конкретен модел не е изобщо практичен в моя случай, тъй като има размер колко платката ми.

Редактирано Март 16, 2013 от Mairomaster

[Parni_Valjak]

Редактирано Март 16, 2013 от Parni_Valjak

[Mairomaster]

Полезно е това.

Не съм много убеден, обаче мисля че има уловка. На пръв поглед това 1.27 изглежда доста фрапиращо сравнено с 0.4. При реален товар обаче, който има смислена активна компонента (5 ома примерно), при увеличаване на реактивната компонента, следователно увеличаване на power factor-a, максималната изходна мощност намалява, с което и намалява разсейвана мощност на транзисторите. Понеже изчислението на разсейваните мощности от транзисторите при товари съдържащи реактивна компонента не е много лесна работа мисля, отново направих няколко симулации с LTSpice. Използвам модела от Fig. 2 тук:

http://www.tymphany.com/files/resources/papers/AES122nd-Impedance.pdf

 

При множество проби с различни стойности на елементите, неможах да изкарам проблемно висока разсейвана мощност от транзисторите. Естествено, напълно възможно е да бъркам. Трябва да му отделя повече време.

[Parni_Valjak]

Hello, the student!

What's up with the project?

[Mairomaster]

Във ваканция съм сега и има повечко време, но по много предмети има да се учи и не съм се занимавал със усилвателя. Но има време.

[Parni_Valjak]

Учи, учи! За това си там! Когато можеш, ще продължим.

[Mairomaster]

Така, дойде време да продължа с проекта. Направих някои промени по схемата (с червено са означени реалните измервания, за които ще стане дума по-късно):

http://media.snimka.bg/s1/1955/030153723-big.jpg

 

Намалих tail current-a на 2 mA. Смених емитерните резистори на входните транзистори и на транзисторите в current mirror-a с 240 ohm, за да се запази 1:10 emitter degeneration.
Мисля че открих каква е уловката, за постигане на минимален output dc offset, на теория поне. При балансирана работа, колекторните токове през входните транзистори са равни. Като се използват еднакви тразнистори, които в идеалния теоритичен случай имат еднакъв коефициент на усилване по ток, имаме еднакви токове през базите. За левият транзистор, базовият dc ток минава през R8 и R9 и отива към маса, където потенциалът е 0. Та за да имаме 0 V на изхода, трябва R22 = R8 + R9. Това ми е другата промяна в схемата, заместил съм R8 с 3 kohm и съответно съм компенсирал входния филтър с промяна на C2. Тази промяна, при симулацията даде перфектни резултати, output dc offset = 340 uV.
Също съм добавил два противоположно свързани диода между базите на входните резистори, за защита от големи входни напрежения.
Около bias voltage spreader-a съм сложил decoupling кондензатор 100 uF.

След промените, поне на симулация схемата работи много добре. Направих няколко THD теста. Това са резултатите:
 

1 kHz    1.41 Vin (20W):    0.000496%
20 kHz  1.41 Vin (20W):    0.024829%

1 kHz       1V (10W):          0.000575%
20 kHz     1V (10W):          0.022415%

 

Трябва да се има предвид използването на различни модели крайни транзистори в симулацията. Предполагам ако са matched, един и същи модел, резултатите ще са още една идея по-добри.

 

Проблеми излязоха обаче, като направих промените по прототипа и започнах да го тествам. Тестовете правих без товар и без входен сигнал. Можете да видите резултатите по-горе в схемата. Да се има предвид, че имах доста малко време за тестовете и не съм записвал резултатите, по спомени карам в момента, които при положение, че съм мерил всяко нещо по десетина пъти, би трябвало да са прилично точни.

Изходният dc offset е прекалено голям, дори след upgrade-a, който целеше да го сведе до нула. Това е взаимно свързано със силния дисбаланс на тоците във входните тразнистори. Tail current-a излиза точно по сметките - 2 mA с прилична точност. Тока през втория транзистор не помня точно, но излизаше над 0.8 mA, клонящ към 0.9. Това е странно, понеже сборът от лявата и дясната страна излиза над 2 mA. На мултиметъра предполагам може да се вярва, настолен Fluke с прилична точност, който показваше консистенти резултати, и повечето измервания за VAS и изходните транзистори бяха същите като с тестването на първия прототип (които правих със същият модел мултиметър, но различна бройка).
На всичкото отгоре, сборът от токовете на current mirror-a е само 1.13 mA, което говори че около 0.9 mA се губят някъде.

Доста си играх с проверка на спойки, проверки на стойности на елементи и т.н., но нищо нередно не открих. VAS дарлингтън двойката, по измерените токове си работи както трябва. Изходните транзистори, заедно с drivers i pre-drivers също. Единственият ми вариант, който остана, е да се пробвам да сменя входните транзистори, да не са се повредили нещо или да имат фабричен дефект. Сега като проврих, пропорцията между двата тока във входните транзистори е същата като при стария прототип. Тогава това беше повече обосновано, но след upgrade-a, токовете трябваше да се балансират.

Лошото е, че времето ме притиска. Във понеделник е последната лабораторна сесия (въпреки че най-вероятно ще мога да ползвам лабораторията и по друго време) и трябва да оправя проблема, да добавя защита от късо на изхода (която в момента мисля) и да направя всички тестове. Така че ще се радвам на мнения, ако забележите че правя глупава грешка или на идеи като цяло.  

[Mairomaster]

Така, след 10 минути зяпане на прототипа отново, осъзнах че не е зле все пак да свържа колектора на първият транзистор от дарлингтън двойката към маса Та прави грешки понякога човек де...

[Evtim Djerekarov]

На симулация резултатите изглеждат добре. Интересно ще ми е какви ще са на практика?