Darbo metu suprojektavau stiprintuvo su “Only Distortion Feed Back” korekcija ir Hawksford’o pasiūlyta klaidų korekcijos grandine. Šie du metodai įpatingi tuo, kad grįžtamo ryšio traktu keliauja tik iškraipymai – stiprintuvo tiesioginis traktas turi fiksuotą stiprinimą, todėl grįžtamo ryšio grandines galima junginėti tiesiog stiprintuvui veikiant. Visa teorija ir rezultatai ataskaitoje, čia pateiksiu tik pačius įdomiausius grafikus ir trumpą aprašymą.Pirmiausia trumpai apie schemą. Stiprintuvas susideda iš trijų dalių: įtampa valdomo srovės šaltinio (transconductance stage), kuris atlieka įtampos stiprintuvo vaidmenį; vienetinio stiprinimo išėjimo pakopos, kuri stiprinina tik srovę; klaidos stiprintuvo LME49710 pagrindu. Hawksford’o korekcijos metodas realizuotas pačioje galinėje pakopoje ir įjungiamas/išjungiamas S1 jungikliu. ODNF grandinė įjungiama jungikliu S4, o įtampos nuėmimo taškas parenkamas jungikliu S3. Ataskaitoje “A” yra “VAS”, o “B” yra “output” signalas atitinkamai apimant įėjimo grandines arba visą stiprintuvą.

Čia matote visų 6 režimų iškraipymų palyginimą prie 10W. Kaip matote, iškraipymai beveik nepriklauso nuo dažnio. “Nothing” yra režimas be korekcijos. Geri rezultatai gaunami kuomet abi sistemos veikia nepriklausomai, tai yra režimas “A+EC” – galios kaskadas koreguojasi sau, o įtampos stiprinimo kaskadas sau, bei kuomet ODNF apima visą stiprintuvą be galios kaskado korekcijos – režimas “B”. Gauti 0,009% iškraipymai prie 10W tikrai nėra prastas rezultatas.

Čia reikėtų parodyti ir THD priklausomybę nuo galios. Kadangi stiprintuvas gavosi gan triukšmingas ir matuota buvo 200kHz juostoje, iškraipymai tik gan vėlai išlenda iš triukšmų. Grafike matyti jog visos grandinės veikia, bet galios pakopos korekcija kažkodėl maždaug nuo 5W pradeda labiau gadinti nei koreguoti. Greičiausiai būsiu prastai parinkęs ramybės sroves mažuosiuose galios kaskado tranziukuose ir jie tiesiog išeina iš tiesiško srovės stiprinimo. Kas nebuvo netikėta, tai jog ODNF kaip reikiant sumažina visos sitemos triukšmų lygį – SNR padidėja kone 10dB.

Šie trys spektrai – ODNF efektyvumo iliustracija. Žalias plotas – korekcinio signalo spektas, juodas – koreguoto, o raudonas – nekoreguoto. Kaip matote, triukšmų “grindys” pastumiamos žemyn, II ir III harmonikų lygis pakrenta 50 kartų. Čia pirmos harmonikos amplitudė – 10,5V. Grįžtamojo ryšio signale pirmoji harmonika tėra 13,7mV arba -57,6dB. Tai greičiausiai yra šiokio tokio fazės posūkio pasekmė, nes operacinio stiprintuvo CMRR – 110dB.

Čia matote išėjimo signalą, kuomet įėjiman paduodami 32 nesusiję tonai. Aukščiau esančiame grafike – signalas be korekcijų. Bendras galingumas 8R apkrovoje – 1W. Apačioje tas pats signalas, tik jau su abiem korekcijos grandinėm režime “A+EC”. Triukšmų, THD ir IMD “grindys” – kukliais 30dB žemiau ir tėra vos apie 2uV. Kad ir kas ten toje košėje bebūtų, net ir pačias aštriausias ausis turintis audiofilas nieku gyvu to tikrai neišgirs. Beje, kaip su THD grafikėliu kiek aukščiau, ši triukšmų košė ten apačioje nuo dažnio beveik nepriklauso, nes kitaip nei naudojant įprastinį neigiamą grįžtamąjį ryšį, šio gylis taip stipriai nekrinta.

Na ir paskutinis, bet ne prasčiausias – išėjimo imepdanso ir damping-factor grafikėlis. Be korekcijos išėjimo varža solidūs 250 mR, tačiau jau su Hawksford’o išėjimo pakopa ji krenta iki kur kas kuklesnių 5 mR, o įjungus “B” režimą, kuomet apimamas visas stiprintuvas, ji pasidaro visai menkučiai 300 mikro Omų. DF savo ruoštu ūgteli iki 30’000. “B” grafikas dešinėje nutrūksta, nes išmatuotos reikšmės pasidaro neigiamos – nebe užtenka matavimo sistemos tikslumo išmatuoti reikšmių su ir be apkrovos skirtumui.

Plačiau viskas aprašyta ataskaitoje, siūlau ją paskaitinėti. Teorija, bei jos šaltiniai ten taip pat yra.

http://www.radistas.eu/wp-content/2012/01/Paulius_Jurkstas._Class_A_audio_amplifier_with_high_efficiency.pdf

Iš įdomesnių dalykų – parinktų ir neparinktų tranzistorių panaudojimo palyginimas. Parinktieji triukšmingesni, bet iškraipymai mažesni, nors jie ne tokie tiesiški. Kadangi schema simetriška, poros turėtų kompensuoti pačios savo iškraipymus. Taip pat ataskaitoje visi su stiprintuvais atlikti matavimai, jų rezultatai ir šioks toks aptarimas. Mielai forume plačiau padiskutuočiau apie tai, ką pavyko padaryti ir pamatuoti.

Atkreipkite dėmesį į High-Tech tranzistorių pritvirtinimo prie radiatoriaus metodą. Tai nėra labai rimta ar patikima, bet užtai skamba kur kas geriau, che che Tiesiog šeštadienį vakare sudėtinga patekti į mechanikos dirbtuves. Teks palaukti pirmadienio kol bus galima rimčiau užsiimti šaltkalvyste, o kol kas su nedidele maitinimo įtampa (+-15V) užtenka ir tiek – vis tik su 300mA ramybės srove šilumos tik 4,5W vienam pečiui.

Šiame projekte stengiausi naudoti kuo daugiau SMD komponentų. Tarp jų jau minėti keturgubi rezistoriai ir 2W rezistoriai išėjimo grandinėlei bei emiteriams:

Rezistoriai šalia TO-264 galios tranzistoriaus. Ketveriukės yra 0603 rezistoriai 1206 korpuse.

O štai energijos šaltiniai:

Viršutinė pora maitina pradinius laipsnius, apatinė – galinį. Atitinkamai 2x30V ir apie 50mA bei 2x15V bei 300mA.

Taip pat išsibandžiau ribojimo grandines, kurios užtikrina ribojimą maždaug 3V žemiau galinio laipsnio maitinimo įtampos šuntuojant VAS srovę. Tokiu būdu nė vienas tranzistorius neįsisotina. Taip atrodo viršutinė ribotuvo pusė:

Stabilitronas nustato ribojimo įtampą maitinimo atžvilgiu. R9 tekina srovę per stabilitroną. R4 kartu su C1 yra maitinimo filtriukas, kurio pagalba išlaikomas CMRR. D3 šuntuoja R4 varžą kai krenta maitinimo įtampa, todėl net esant didelėms pulsacijoms tiesiog atitinkamai žemėja ribojimo slenkstis. Parenkant R4 ir C1 galima parinkti tiek reakcijos, tiek atsistatymo laiką bei 100Hz pulsacijų slopinimą. Q7 yra tiesiog BB pakopa, o D4 saugo emiterio sandūrą nuo neigiamo neigiamos įtampos poveikio. Ribojimo įtampa yra stabilitrono įtampa – Vbe – Vd4 arba apie 3V. Tokia pat grandinė reikalinga iš kitame gale, nebent norite riboti tik iš vienos pusės

Pirmadienį pratęsiu konstravimą bei pamėginsiu atlikti jau kiek rimtesnius matavimus nei negarsus paklausymas per neaiškią AS.

Jau gavau PCB ir surinkau pradinius kaskadus. Ir ką? Na gi veikia

Šiame paveiksliuke – oscilografo skrynšotas. Taip atrodo VAS neapkrautas galiniu laipsniu išėjimas. 42V p-p, kiek ilgesni nei 1 mikrosekundės frontai. Jokio NGR, šventės niekas negadina. Žinoma, reikalai kiek pasigadins prikabinus galinį kaskadą, bet vis vien turėtų būti neblogai, a? Matosi nemažas 0 postūmis į viršų, nes dar neužkurtas dc-servo. Visos svarbios vienodų rezistorių poros – keturgubi pagal poreikį sujungti rezistoriai. Nors jų absoliutinė reikšmė nėra tiksli (+-5%), bet tarpusavyje jie kone vienodi tiek nominalais, tiek temperatūrinėmis savybėmis ir visi kartu plaukia +-200ppm/C. Dėl plaukimo šiek tiek turėtų plaukti stiprinimas (iki 400ppm/C arba 0,003dB/C) bei ramybės srovės pradiniuose kaskaduose, tačiau CMRR (įėjimas diferencialinis), simetrija turėtų beveik nejudėti iš vietos.

Šitas egzempliorius surinktas su paprastais diskrečiais neparinktais tranzistoriais. Antrą kanalą lipdysiu su dvigubais tranziukais, kurių hFE skirtumas <2%, o Vbe skirtumas <2mV. Bus galima palyginti realią šiek tiek brangesnių, bet iškart poromis parinktų tranzistorių naudą.

Štai taip atrodo PCB:

Kaip matote, trūksta viso galinio laipsnio, ramybės srovės ir ribojimo grandinių. Taip pat dar nėra daugumos smulkių radiatorių – visi matomi TO-220 tranzistoriai bus jais aprūpinti siekiant kuo vėsesnių komponentų – karščiausias ne galinis puslaidininkis neturėtų šilti daugiau nei 30C virš aplinkos temperatūros, o dauguma ne daugiau nei 20C.

Kol kas PCB brėžinio nededu – dar gali būti (ir yra) klaidų. Vien jau tai, kad visi TO-92 tranzukiai kažkaip išėjo atbuli…

Ketinu tirdamas prisukti prie štai šių radiatorių:

Nuotraukoje TO-220 tranzistoriai dėl mastelio.

O štai taip atrodo visa mano darbo vieta DTU:

Visas stalas mano. Ant lentynos tai patvirtinanti kortelė su mano fotografija, projekto pavadinimu, terminais ir kuruojančio dėstytojo pavarde. Beje, ne ką prastesnes sąlygas turi ir KTU TEF studentai. Skirtumas tik toks, kad DTU galima sėdėti laboratorijoje 24/7, kai tuo tarpu KTU “tik” 6-22 darbo dienomis.

Šis vyrukas kartelę kilsteli kiek aukščiau. Jūsų dėmesiui:

• HP skeneris – vokalasb.
• Atari 800XL su EiCO osciloskopu – vargonai
•  Texas instrument Ti-99/4A su Tektronix Oscilloscope – gitara
• Kietasis diskas su PiC16F84A mikrovaldikliu – mušamieji

Gero klausymo/žiūrėjimo!

Taigi taip atrodo schema:

O štai taip atrodo dažninė ch-ka:

Absoliutinis SPL lygis čia prasmės neturi, nes nežinoma signalo amplitudė. Fazių skirtumas, o tuo pačiu ir kryptingumas, visai nedidelis:

Taip atrodo absoliutinės fazės:

Spaudžia laikas, pavyko sėkmingai ištaisyti ankstesnio varianto klaidas bei pasiekti norimą rezultatą (tiesi ADCh, ties sukirtimu nedidelis fazių skirtumas), todėl nieko nebekeisime ir tikėsimės, kad ne taip jau blogai palyginus su kitais mums čia pavyko

Detalesnis aprašymas bus, kai surašysime ataskaitą.

Ačiū Gediminui iš Audio Solutions už gerus patarimus, nors ir su kolega neklausėme ir padarėme savaip

Kadangi mokymosi tikslais, nesistengėme supaprastinti, todėl VD ir AD garsiakalbių impedansai išlyginti visiškai, ŽD garsiakalbio – augimas dėl induktyvumo. ŽD garsiakalbio filtras – 2-os eilės, VD – 2-os eilės, o AD – net 4-os, nes reikėjo jį užvėlinti tiek, kiek jis yra priekyje VD garsiakalbio.

Taip atrodo PSPICE schema su prieinamais komponentais:

O čia garsiakalbių jautrumas:

Matuota su nežinoma įtampa, nes neaktualus absoliutinis jautrumas, o tik santykis. ŽD iki maždaug 400Hz nekryptingas, o VD nekryptingas iki maždaug 2,5kHz, todėl garsiakalbiai sukertami ties 300Hz ir 2kHz.

Štai ką rodo PSPICE simuliacija:

O štai kaip atrodo matavimas:

Aiškiai įsivėlė klaida VD filtre, nes juosta susiaurėjusi iš abiejų pusių. Kadangi komponentai panaudojami pakartotinai, gali būti, kad koks nors išėjęs iš rikiuotės arba kažkur ant maketinės plokštės slepiasi koks nors ankstesnio lituotojo paliktas mikrotiltas.

Ok, šiek tiek apie patį sprendimą. Iš esmės tai taikyta į 2-os eilės Linkwitz-Riley filtrą mat ši konfiguracija duoda lygų sukirtimą tarp juostų. Eigoje VD filtras buvo supaprastintas iki dviejų 1-os eilės filtriukų, o AD teko apkabinėti papildomai, nes reikėjo suvėlinti signalą , tačiau parinkus realius komponentus vietoj optimalių, rezultatas kiek suprastėjo.

Štai kaip atrodo fazių grafikėliai:

Čia fazės su optimaliomis komponentų reikšmėmis. Kaip matote, ŽD-MD (raudona linija) ties 300Hz skirasi keliasi laispniais. MD-AD (žalia linija) tiek 2kHz skiriasi taip pat nedaug. Be manipuliacijų skirtųsi gerokai daugiau.

Taip atrodo Fazės su parinktomis komponentų reikšmėmis:

Reikalai pagenda, bet nestipriai.

O štai kaip atrodo išmatuotas rezultatas:

Čia absoliutinės fazės. Aukštadažnio matavimas žemiau 300Hz nepatikimas dėl itin mažos signalo amplitudės – ten SPL makaluojasi -20..10dB ribose – matuojamas akustinės patalpos triukšmų lygis Analogiška situacija su žemadažniu virš 5kHz.O čia skirtumai:

Vėl gi ties 300Hz ŽD-VM (mėlyna linija) apie nulį, bet VD-AD (žalia linija) yra aukščiau nei turėtų būti. Šįkart matuodami neturėjome su kuo pamatuoti aukščio ir greičiausiai nepataikėme nustatyti ties aukštadažniu kaip prieš tai. Kadangi mikrofonas kiek žemiau (greičiausiai) ir absoliutinė aukštadažnio fazė kiek didesnė. Ji kiek didesnė ir už visos sitemos fazę. Maždaug 5mm atstumo skirtumas duoda skirtumą absoliutinių fazių grafike.

O čia laboratorinių darbų ataskaitos su visais pradiniais duomenimis:

Impedanso, artimo lauko matavimas

Matavimas akustinėje kameroje

Optimizavimo procesas susideda iš kelių etapų. Toliau apie kiekvieną iš eilės.

1. Veikianti schema

Norint optimizuoti reikia turėti grandinę, kuri simuliuojasi ir tinkamai veikia bei jos veikimą galima analitiškai įvertinti. Taip pat turi būti parametrai nuo kurių šis analinis įvertis priklauso. Šis metodas netinka priversti neveikiančią schemą veikti. Aš pabandysiu pagerinti RIAA korektoriaus perdavimo funkciją – sumažinti nuokrypį nuo standarto. Pradinė schema atrodo taip:

ELAPLACE atlieka atvirkštinę RIAA korekciją, todėl V(out) idealiu atveju turėtų būti pastovus visame mus dominančiame 20..20000Hz diapazone. Čia prieiname prie antro etapo

2. Parametrai

Optimizavimas atliekamas manipuliuojant parametrais. Šiuo atveju tai bus korekcinės grandinėlės R5, R6, C2, C3 nominalai. Pirmas žingnis – “Opmizer parameters” bloko įterpimas į schemą. Tai atliekama meniu “PSPICE->Place Optimizer parameters” punkto pagalba. Jį pasirinkus patogioje schemos vietoje padedame naująjį bloką:

Ant jo spustelėjus dukart gauname progą įvesti šiuos dalykus:

• Name – parametro pavadinimas
• Initial Value – pradinė parametro reikšmė
• Current Value – einamoji parametro reikšmė
• Tolerance – parametro reikšmės tolerancija
• Lower Limit – apatinė leistina parametro reikšmė
• Upper Limit – viršutinė leistina parametro reikšmė

Šiuo atveju parametrų vardus surašiau pagal komponentų numeriukus,, bet tai nebūtina. Pradinė ir einamoji reikšmė iš pradžių ta pati ir tiesiog nurašyta nuo schemos. Tolerancija optimizuojant nėra aktuali, na o leistinos reikšmės ribos tiesiog leidžia apibrėžti realiai prieinamas parametrų reikšmes (pvz. plėvelinių kondensatorių prieinamas talpas ar pan.).

Iliustracijoje matome C2 parametro duomenis. Pakeitus jau įvestą parametrą norint išsaugoti pakeitimą reikia spausti Change, o norint įtraukti naują parametrą reikia spausti Add. Dešinėje viršuje svarbus pasirinkimas: “Simulation With”. Šis nustatymas nurodo kurios reikšmės bus įstatytos sumuliuojant su PSpice kai paspaudžiamas PSpice->Run (F11). Optimizatoriaus parinkti parametrai įrašomi į “Current Value” stulpelį, o “Initial Value” lieka kaip buvusi, jei tik taip nori vartotojas, todėl neprarandant pradinių reikšmių galima pasižiūrėti į susimuliuotas charakteristikas su optimizatoriaus parinktomis reikšmėmis. Surašius parametrus reikia jų vardus suvesti į reikiamus schemos komponentų laukelius. Šiuo atveju tiesiog kondensatorių ir rezistorių nominalai pakeičiami į atitinkamus pavadinimus, kas jau padaryta aukščiau esančioje schemoje. Svarbu nepamiršti {skliaustelių}, nes kitaip bus šnipštas. Kai tai atlikta, galima pereiti prie simuliacijos aprašymo.

3. Simuliacijos aprašymas

Optimizavimas vykdomas simuliuojant schemą ir iš gautų duomenų įvertinant jos veikimą. Kadangi mus domina RIAA korektoriaus dažninė charakteristika, kuriame AC analinės aprašą:

Šį vaizdelį galima pamatyti paspaudus “Pspice->New simulation profile”, įrašius vardą (aš daviau trumpą “ac” vardelį) ir pasirinkus “Analysis type” reikšmę “AC sweep/noise”. Viską suvedus tiesiog spaudžiame OK, tada įsitikiname, kad mūsų schema simuliuojasi (PSpice->Run arba tiesiog F11). Štai kaip atrodo simuliacijos rezultatas:

ELAPLACE 1kHz slopinimas yra 40dB, todėl mūsų schema stiprina 42dB ir per dvi dekadas nuo idealios RIAA charakteristinos skiriasi +/-0.5dB (čia akylas skaitytojas gali pastebėti, kad šis grafikas skiriasi nuo ankstesiame straipsnelyje pateikto – taip yra todėl, kad į kitą vietą perkeltas skiriamasis kondensatorius C1). Galima daryti išvadą, kad nesame labai toli ir schema atlieka savo funkciją.

4. Tikslai ir apribojimai

Optimizatoriaus gyvenimo tikslas – pasiekti geriausias tikslų (goals) reikšmes išlaikant tinkamas apribojimų (constraints) reikšmes.

Pirmiausia paleidžiamas optimizatorius: PSpice->Run Optimizer:

Taip atrodys jūsų Optimizer lango vaizdas kai bus aprašytas tikslas “riaa_curve”. Tai atliekama meniu punkto “Edit->Specifications…” pagalba. Iššaukiamas štai toks dialogas:

Jūsiškiame dar nebus riaa_curve. Spaudžiame Add ir pamatome štai ką:

Čia būtų galima plėstis, bet aš apžvelgsiu tik šiam pratimui reikalingus dalykus:

• Name – specifikacijos pavadinimas
• Target – tikslo reikšmė. Mūsų tikslas – 0dB nuokrypis nuo idealios reikšmės.
• Range – leistinas nuokrypis nuo reikšmės – užteks jei pataikysime į +-0,05dB
• Constraint – pažymėjus šis tikslas taptų apribojimu.
• Simulation Profile or Circuit File – čia pasirenkame prieš tai aprašytą simuliacijos profilį ……ac.sim
• Evaluate – iš simuliacijos duomenų apskaičiuojamas skaičius, kuris ir turi atitikti tikslą. RIAA korektoriaus atveju tiesiog skaičiuojama skirtumą tarp minimalios ir maksimalios perdavimo funkcijos reikšmių, kas ir atitinka bendrą nuokrypį neatsižvelgiant į ne visai tikslų bendrą stiprinimą – tebūnie tie 2dB papildomo stiprinimo mums nesvarbūs.

Viską surašę spaudžiame OK. Tada galima patikrinti esamą situaciją: “Tune->update performance”. Rodo, kad esama parametro reikšmė – 1,10863. Tuomet įsitikiname, kad komponentų parametrai turi įtakos: “Tune->update derrivatives” ir “Tune->show derrivatives”. Pamatome, kad ne visi parametrai įtakos turi:

R9 ir R10 išvestinės lygios 0, nes šių komponentų reikšmės schemoje fiksuotos, o ne atitinkamai {R9} ir {R10}, bet tai nesvarbu, nes šios varžos nustato stiprinimą, į kurį dabar dėmesio nekreipiame. Paleidus automatinį optimizavimą “Tune -> auto -> start” prasideda procesas:

Čia matome jau trečią iteraciją bei tai, jog jau įvykdyta 15 simuliacijų. Kai kurių komponentų reikšmės pakeistos. O štai galutinis rezultatas:

Kaip matote, nuokrypis nuo idealo jau tik 0,3dB. Atlikta 74 simuliacijos parinkinėjant parametrų reikšmes. Kiek tai užtruktų atliekant rankytėmis? Ir ar pavyktų rasti optimalų variantą? Dabar pabandykime pasižiūrėti į dažninę charakteristiką su naujaisiais parametrais. Tam spaudžiame “Edit->update schematic” ir parinktos reikšmės bus įrašytos į “current” stulpelį. Jei “Optimizer parameters” nustatyta simuliuoti su “current” reikšmėmis, paleidus simuliavimą (Capture lange PSpice->run (F11)) turėtume pamatyti štai ką:

Stiprinimą taip pat būtų galima pritempti prie reikiamo parenkant R9 ir R10, bet tai palieku kaip namų darbą

Viskas ko aš nepasakiau yra [PDF]  Optimizer User’s Guide.

Sėkmės optimizuojant! Jei kiltų klausimų ar būtų komentarų, nesikuklinkite ir tarkite žodį po pranešimu ar forume. Sėkmės!