Zniekształcenia wzmacniaczy tranzystorowych

[przemak]

Wg mojego znajomego pseudo audiofila istotny jest kolor rezystora - najlepsze audiofilsko są te malowane na błękitno i beżowo.

Beżowe są węglowe...

[Dragon]

Dziękuję za odpowiedzi. W szczególności Tomkowi, za wyjaśnienie przyczyny powstawania wyższych harmonicznych.
Wiadomo może komuś, jakiej wielkości są te zniekształcenia w klasie A (nawet dla tych niewielkich sygnałów) bez sprzężenia zwrotnego? W internecie same sprzeczne informacje. Na jednej ze stron(http://www.diyaudio.com/forums/solid-st ... utput.html) autor zaprezentował wzmacniacz na tranzystorze MOSFET w układzie SE, gdzie bez globalnego sprzężenia zwrotnego, uzyskał THD dla 1W/1kHz/4 Om równe 0,06%, gdzie podobno dominuje druga i trzecia harmoniczna(podobno, bo poniżej 90db pojawia się szum, w którym mogą kryć się dalsze harmoniczne). Czy z samej liniowości takiego tranzystora i lokalnego USZ da się faktycznie uzyskać takie parametry? Na podanej stronie znajduje się schemat, spektra harmonicznych i inne dane.

Pozdrawiam,
Dragon

[Tomek Janiszewski]

Na jednej ze stron(http://www.diyaudio.com/forums/solid-st ... utput.html) autor zaprezentował wzmacniacz na tranzystorze MOSFET w układzie SE, gdzie bez globalnego sprzężenia zwrotnego, uzyskał THD dla 1W/1kHz/4 Om równe 0,06%, gdzie podobno dominuje druga i trzecia harmoniczna(podobno, bo poniżej 90db pojawia się szum, w którym mogą kryć się dalsze harmoniczne).

To nie są zniekształcenia MOSFETa M2 w układzie WS, tylko zniekształcenia wtórnika Sziklay'ego zawierającego oprócz końcowego MOSFEta także tranzystor bipolarny Q2. Oraz kaskody wejściowej. Nieprawdą jest zatem że są to zniekształcenia stopnia końcowego nieobjętego USZ: przeciwnie jest on objęty 100% napięciowym sprzężeniem zwrotnym. Stąd małe zniekształcenia. Oczywiście sprawność marna, bo i klasa A, i złe wykorzystanie napięcia zasilającego (traci się dobrych parę woltów na napięcie otwierające MOSFETa). Ażeby zaś z uwagi na konfigurację SE sprawność nie była jeszcze gorsza - istotną rolę pełni dławik 20mH ze szczeliną w rdzeniu, odpowiadający transformatorowi głośnikowemu w klasycznym wzmacniaczu lampowym SE. Układ reprezentujący poziom odbiornika samochodowego MINI z końca lat 60-tych, gdzie w miejsce MOSFETa zastosowano Tegessiedemdziesiątkę (druga byłaby w tamtych latach zbyt droga aby na radio wyposażone aż w dwa takie tranzystory było stać użytkownika syrenki marki Syrena czy też syrenki marki Trabant).
Gościu nie dość że rzeźbi w klocku to jeszcze ściemnia coś o braku USZ.

[Einherjer]

Zniekształcenia są takie jak w danym układzie zmierzysz. Nie ma ogólnej odpowiedzi. W przytoczonym przez Ciebie układzie autor użył pary Sziklaiego, która ma silne lokalne sprzężenie zwrotne to raz, dwa, że ten wzmacniacz to tylko wtórnik, nie ma stopnia wzmocnienia napięciowego. Uzyskiwana moc jest też niewielka. Jestem w stanie uwierzyć w te pomiary.
Większa liniowość MOSFETów to też półprawda. Owszem są one nieco bardziej liniowe niż BJT, ale mają znacząco mniejszą transkonduktancję. Jak wykorzystasz ten nadmiar transkonduktancji tranzystora złączowego w lokalnym sprzężeniu zwrotnym to dostaniesz uzyskasz lepszą liniowość.

[Tomek Janiszewski]

Uzyskiwana moc jest też niewielka. Jestem w stanie uwierzyć w te pomiary.

Zwrócę przy tym uwagę że fenomenalne THD 0,06% uzyskano przy mocy zaledwie 1W, czemu odpowiada amplituda prądu drenu 0,7A (wobec prądu spoczynkowego 2A). W tranzystorze sterującym Q2 amplituda sygnału stanowi jeszcze mniejszą część prądu spoczynkowego. Przy mocy wyjściowej 8W THD wzrasta do 0,25% przy 1kHz, co oczywiście głowy nie urywa.

Jak wykorzystasz ten nadmiar transkonduktancji tranzystora złączowego w lokalnym sprzężeniu zwrotnym to dostaniesz uzyskasz lepszą liniowość.

A w danej konfiguracji (SE z obciążeniem dławikowym) - także większą moc wyjściową. Straty napięcia byłyby w okolicach 1V, i spokojnie uzyskałoby się 18W na 4 omach. Oczywiście, kosztem zwiększenia prądu spoczynkowego do 3A, więc i tak nie ma się czym rajcować.

[Dragon]

Dziękuję bardzo kolegom za odpowiedzi.

Faktycznie jeżeli ten wzmacniacz jest w całości samym wtórnikiem, to THD nie jest jakieś imponujące. Bardziej zainteresował mnie fakt, że na spektrach harmonicznych pojawiła się tylko 2 i 3 harmoniczna jak w układach lampowych. Lecz faktycznie, można uznać te spektra za nieważne, ponieważ szum pojawia się już przy 90db. Poniżej wyjaśnienie.
Tutaj mamy spektrum harmonicznych dla układu LM3886. https://www.neurochrome.com/lm3886-done ... ohm-1-khz/
Jak widać pojawiają się wyższe harmocznine, sięgające 20-stej harmonicznej, a może i dalej, bo pasmo jest ucięte przy 20kHz. Jednak gdyby wprowadzić, jak wyżej, szum poniżej 90db, to na spektrum od LM3886 pojawiła by się sama druga harmoniczna, a przecież tak nie jest

Mam w takim razie dwa pytania.
1)Jakiej wielkości THD mniej więcej wnosi goły(bez rezystorów w emiterze, bez sprzężeń zwrotnych itp.) tranzystor w klasie A, obciążony źródłem prądowym? Kilkanaście procent?
2)Jakiej wielkości(może być w db) może maksymalnie(w praktycznym układzie) wynieść lokalne sprzężenie zwrotne? Możemy wziąć na ten przykład wtórnik. 20db-40db?

Pozdrawiam,
Dragon

[Einherjer]

1) Dowolne Nie da się odpowiedzieć na tak postawione pytanie. Zależy jaki tranzystor, jaki prąd spoczynkowy a przede wszystkim jaki poziom sygnału. Zresztą, zainstaluj LTSpice'a i się pobaw.
2) Bez lokalnego sprzężenia zwrotnego wzmocnienie byłoby równe transkonduktancji tranzystora pomnożonej przez rezystancję obciążenia (równolegle z rezystancją wewnętrzną tranzystora, ale ta jest zwykle ogromna). Transkonduktancja tranzystora złączowego jest w przybliżeniu równa prądowi kolektora podzielonemu przez 26mV. Możesz policzyć.

[kolawski]

Jednak gdyby wprowadzić, jak wyżej, szum poniżej 90db, to na spektrum od LM3886 pojawiła by się sama druga harmoniczna

Przepraszam za zmianę tematu, ale czy zjawisko podobne do opisanego przez kolegę Dragon (maskowanie zniekształceń harmonicznych szumem) to znany z edycji nagrań dithering? Pewnie kolega przemak będzie wiedział.

[Romekd]

Przepraszam za zmianę tematu, ale czy zjawisko podobne do opisanego przez kolegę Dragon (maskowanie zniekształceń harmonicznych szumem) to znany z edycji nagrań dithering? Pewnie kolega przemak będzie wiedział.

By dowiedzieć się nieco na ten temat, warto obejrzeć film z linku poniżej (nieco rozwlekły, ale są w nim konkretne przykłady - minuta 6:15, 8:27, 9:34...):

https://www.youtube.com/watch?v=ZMbTUD6c4a8

Jednak gdyby wprowadzić, jak wyżej, szum poniżej 90db, to na spektrum od LM3886 pojawiła by się sama druga harmoniczna

Ten badany wzmacniacz, to jakiś "szumofon"... Aparatura pomiarowa analizuje poszczególne składowe sygnału w bardzo wąskich pasmach częstotliwości, przez co szum widoczny w dolnej części wykresu nie odzwierciedla bezpośrednio całkowitego odstępu szumu od poziomu sygnału użytecznego. Wykres poniżej przedstawia harmoniczne generowane przez wzmacniacz Pioneer A-717 przy mocy wyjściowej 1 W na obciążeniu 5 Ω.

PIONEER A-717 THD przy 1W_5R.png

Linia z uśrednionymi szumami leży na poziomie -120 dB, choć odstęp sygnału od szumu z harmonicznymi wynosi tylko 82,16 dB (z filtrem wagowym "A").

Przy pełnej mocy (ponad 140 W) odstęp sygnału od szumu zwiększy się o 21,5 dB, czyli wyniesie ok. 104 dB (na wykresie z analizatora szum będzie widoczny na poziomie niższym niż -140 dB). Poniżej wykres dla mocy 100 W na obciążeniu 5 Ω.

PIONEER A-717 THD przy 100W_5R.png

Pozdrawiam
Romek

[przemak]

Jednak gdyby wprowadzić, jak wyżej, szum poniżej 90db, to na spektrum od LM3886 pojawiła by się sama druga harmoniczna

Przepraszam za zmianę tematu, ale czy zjawisko podobne do opisanego przez kolegę Dragon (maskowanie zniekształceń harmonicznych szumem) to znany z edycji nagrań dithering? Pewnie kolega przemak będzie wiedział.

Nie za bardzo, to są inne zjawiska. Dither nie maskuje zniekształceń, jak to pokazane jest na poniższym filmiku, tylko umożliwia zachowanie informacji, które byłyby usunięte. Zresztą nawet na tych filmikach widać, że harmoniczne "znikają" szybciej, niż są maskowane szumem.

[Tomek Janiszewski]

Zresztą nawet na tych filmikach widać, że harmoniczne "znikają" szybciej, niż są maskowane szumem.

A to na pewno harmoniczne znikają, czy może jednak przyrząd pomiarowy w obecności szumów głąbieje?

[Romekd]

Witam.

Zresztą nawet na tych filmikach widać, że harmoniczne "znikają" szybciej, niż są maskowane szumem.

A to na pewno harmoniczne znikają, czy może jednak przyrząd pomiarowy w obecności szumów głąbieje?

A czy doświadczalne zbadanie tego zagadnienia stanowi aż tak duży problem? Zastanawiam się czemu użytkownicy naszego Forum tak bardzo teoretyzują, a tak mało przeprowadzają jakichkolwiek eksperymentów? Dla mnie dodawanie szumów może mieć sens gdy "zaszumia" się sygnały cyfrowe, nigdy analogowe. Bardzo dawno temu chcieliśmy z kolegą wykonać układ nakładający szum (cyfrowy) w na sygnały trafiające do dwóch przetworników cyfrowo-analogowych. Dodany do cyfrowych sygnałów wejściowych szum miał być w "fazie" (na wejściu jednego przetwornika) i w "przeciwfazie" (na wejściu drugiego), natomiast analogowe sygnały z wyjść przetworników miały być sumowane, co w naszych oczekiwaniach miało powodować znoszenie się szumu i rozmycie efektów kwantyzacji w sygnale wyjściowym (uzyskanie jeszcze bardziej "analogowego" sygnału ). Jednak ze względu na brak czasu pomysłu nie zrealizowaliśmy. Natomiast dodawanie szumu do sygnałów analogowych uważam za bezsensowne. W książce "Domowe systemy audio" (książkę polecam, choć jej autor jest przeciwnikiem budowania wzmacniaczy lampowych) pan Marek Leśniewicz próbuje przekonać swoich czytelników, że szum stanowi jeden z najgorszych rodzajów zakłóceń i wzmacniacz, który nie zapewnia odstępu sygnał-szum na poziomie co najmniej 100 dB, w ogóle nie ma prawa nazywać się wzmacniaczem elektroakustycznym...

Pozdrawiam
Romek

[przemak]

Zresztą nawet na tych filmikach widać, że harmoniczne "znikają" szybciej, niż są maskowane szumem.

A to na pewno harmoniczne znikają, czy może jednak przyrząd pomiarowy w obecności szumów głąbieje?

No nie
Albo się bawimy w taki filmik, jak pokazany powyżej, i każdy może sobie to powtórzyć i zaobserwować, że harmoniczne znikają dużo wcześniej, zanim poziom szumu się z nimi zrówna, albo po prostu wiemy, jak działa dither i że nie ma nic wspólnego z maskowaniem szumem.

PS
Ja oczywiście ten eksperyment powtórzyłem, i używając sensowniejszego (aczkolwiek darmowego) analizatora można to ładnie zaobserwować. Mogę pokazać

[Tomek Janiszewski]

Ja oczywiście ten eksperyment powtórzyłem, i używając sensowniejszego (aczkolwiek darmowego) analizatora można to ładnie zaobserwować. Mogę pokazać

Nie dotknę - nie uwierzę, ja niewierny Tomasz . Ten sensowaniejszy darmowy analizator jest oczywiście cyfrowy, prawda? Całkowitą pewność mogłoby dać jedynie użycie "analizatora" choćby i prymitywnego, ale analogowego. Mógłby to być filtr na częstotliwość interesującej harmonicznej o wysokiej dobroci, pasywny lub aktywny, ale w żadnym wypadku nie z pętlą fazową, która też mogłaby zgłąbieć w obecności szumu. Ewentualnie - detektor synchroniczny z pętlą fazową, dostrajający się jednak nie do badanego, zaszumionego sygnału, lecz do sygnału z generatora (ściślej mówiąc do odpowiedniej jego harmonicznej) a więc tam gdzie szumów jeszcze nie ma.

[przemak]

Ja oczywiście ten eksperyment powtórzyłem, i używając sensowniejszego (aczkolwiek darmowego) analizatora można to ładnie zaobserwować. Mogę pokazać

Nie dotknę - nie uwierzę, ja niewierny Tomasz . Ten sensowaniejszy darmowy analizator jest oczywiście cyfrowy, prawda? Całkowitą pewność mogłoby dać jedynie użycie "analizatora" choćby i prymitywnego, ale analogowego. Mógłby to być filtr na częstotliwość interesującej harmonicznej o wysokiej dobroci, pasywny lub aktywny, ale w żadnym wypadku nie z pętlą fazową, która też mogłaby zgłąbieć w obecności szumu. Ewentualnie - detektor synchroniczny z pętlą fazową, dostrajający się jednak nie do badanego, zaszumionego sygnału, lecz do sygnału z generatora (ściślej mówiąc do odpowiedniej jego harmonicznej) a więc tam gdzie szumów jeszcze nie ma.

W zasadzie chwalebna postawa, ale... mam dwa ale
Po pierwsze - dithering jest to w sumie prosta operacja, i słyszalna i mierzalna, znana i opracowana matematycznie dokładnie i precyzyjnie, nie budząca wątpliwości. W tym sensie testy takie jak ten filmik służą tylko do sprawdzenia, że to rzeczywiście działa, jak piszą. Nie trzeba tego udowadniać za pomocą takich metod, są lepsze.
Po drugie - to jest operacja występująca w domenie cyfrowej i badanie jej metodami analogowymi nie jest właściwe, bo dodaje tylko dodatkowe niewiadome, podczas gdy to ma działać i działa również wyłącznie "w cyfrze".
Trzecie ALE, już oczywiste - wiadomo, co to jest, wiadomo, że działa, wiadomo też, czym nie jest.
Po trzech ale czas na pilsnera