Diskretes Opamp-Design

Ich arbeite daran, den SG-Akustik -Operationsverstärker SGA-SOA-2 zu modifizieren . Das Ziel ist es, dass es unter 32 Kopfhörern funktioniert und häufigere Transistoren verwendet werden.$\Omega$

Was ich getan habe war:

1. Ersetzte alle Transistoren durch gemeinsame SMD-Transistoren mit der höchsten Verstärkung (BC847C / BC857C).
2. Neu eingestellte Ströme für geringste Verzerrung und Eingangsoffsetspannung. Rückgabe von C2 zur Frequenzkompensation aufgrund viel schnellerer Transistoren und höherer Verstärkung des Operationsverstärkers.
3. Schutzdioden entfernt
4. Ich fand heraus, dass das ursprüngliche Design (mit ausgetauschten Transistoren) sichtbare Harmonische hatte, wenn mit 32 Last (~ -80 dB) gearbeitet wurde. Ich ersetzte die Ausgangsstufe durch zusammengesetzte Transistoren. Ich habe auch versucht, eine MOSFET-Leistungsstufe zu entwerfen, aber die Oberwellen waren schrecklich (~ -60 dB), wahrscheinlich aufgrund einer großen Frequenzweiche, deren Rückkopplung nicht schnell genug war, um sie zu beheben. Eine weitere Option war das Hinzufügen einer zusätzlichen BJT-Leistungsstufe, aber die endgültige Leistung entsprach in etwa der der Compound-Version.$\Omega$
5. Der reduzierte Widerstand von R10 und R11 auf 1 , die ursprünglichen 4,7 verursachten Harmonische.$\Omega$$\Omega$
6. 10 Widerstand zwischen C4 und C5 entfernt. Ich bin mir nicht sicher, warum es dort war. $\Omega$

Folgendes habe ich am Ende: Die Simulation auf 1-kHz-Sinus zeigt, dass die 1. Harmonische bei -124 dB liegt, die zweite bei -135 dB.

Die Fragen sind:

1. Was ist ein geeigneteres Modell für Kopfhörer? Ich verwende derzeit einen 32-Ohm-Widerstand, aber ich denke, das ist weit von der Realität entfernt.
2. Was ist der Zweck von R7-, R10- und R11-Widerständen? Bei der Simulation bleiben die Ergebnisse gleich, wenn ich sie entferne.
3. Was ist der Zweck von C1 / R8?
4. Gibt es etwas in dieser Schaltung, das die Leistung in der realen Welt erheblich verschlechtert (Zielanwendung - 32 Kopfhörerverstärker)?$\Omega$
5. Gibt es einige Transistoren, die für diese Schaltung eine deutlich bessere Leistung aufweisen? Geringeres Rauschen zum Beispiel ... Ich habe auch über gängige SS9014 / SS9015 nachgedacht - bin mir aber nicht sicher, ob sie für diese Anwendung besser sind als BC847C / BC857C.
6. Während die Leistung mit Rückkopplung in Ordnung zu sein scheint, sehe ich beim Einspeisen eines kleinen Signals (1 mV) ohne Rückkopplung, dass der Verstärker stark nichtlinear ist. Ist es vorteilhaft, es in dieser Konfiguration linearer zu machen?

1. Eine ohmsche Last ist kein schlechtes Modell für Kopfhörer. Wenn Sie pedantisch sein möchten, können Sie Induktivität für die Lautsprecherspulen und parasitäre L, C, R für die Verkabelung hinzufügen, aber ein einfacher Widerstand ist in Ordnung. Ich würde die Impedanz Ihres Kopfhörers nachschlagen und die vom Hersteller angegebene Impedanz verwenden.

2. Ich würde R10 & R11 als eine Form der Strombegrenzung betrachten. Hier ist der Grund. (Ich verwende für diese Frage die Referenzbezeichner des SGA-SOA-2-Originalschemas für SG-Akustik. Nehmen Sie für den Rest Referenzbezeichner gemäß Ihrem Schema an.) Der von Q6 & Q7 gebildete Zweig ist die Ausgangsstufe des Op -Ampere. Wir wissen, dass V_be6 + V_R10 = V_d5 + V_d6. V_d steht in logarithmischer Beziehung mit dem Diodenstrom in Beziehung, und daher ändert sich V_d5 + V_d6 nicht nennenswert. Wir können also V_be6 + V_R10 = Konstante sagen. Somit nimmt R10 bei hohen Ausgangsströmen den Spannungsabfall auf und verringert V_be6, wodurch die Strommenge begrenzt wird, die durch die Ausgangsstufe fließen kann. Dies ist gut zum Schutz vor Kurzschlüssen. Das ist sowieso meine Vermutung, es ist ein bisschen seltsam für den Kurzschlussschutz, Typischerweise sehen wir einen anderen Transistor, der R10 überwacht und dann V_be6 kurzschließt. Sehen (http://users.ece.gatech.edu/mleach/lowtim/prot.html , Abbildung 3).

3. R8 implementiert Emitter Degeneration. Zu diesem Thema gibt es viel zu sagen. Wenn Sie nach einem gemeinsamen Emitter mit Emitter-Degeneration suchen, werden viele Ressourcen generiert. Die Idee auf hoher Ebene ist, dass wir R8 verwenden, um den Vorspannungsstrom des Transistors einzustellen, da ohne diesen die Verstärkung des Verstärkers mit gemeinsamem Emitter (Q7) sehr empfindlich für V_be7 ist und es schwierig macht, in Modelle für große Signale und kleine Signale zu zerlegen. R8 stabilisiert also unseren Verstärker, tötet aber auch unseren Gewinn. Die Spannungsverstärkung des durch den Emitter entarteten gemeinsamen Emitterverstärkers beträgt -R_C / R_E, wobei R_C der Kollektorwiderstand und R_E der Emitterwiderstand ist. Sie können sehen, dass mit zunehmendem R_E die Verstärkung abnimmt. Dies ist schlecht, da diese Verstärkerstufe den größten Teil der Verstärkung des Operationsverstärkers liefert. Um dies zu beheben, verwenden wir den Bypass-Kondensator C1. Kondensatoren haben eine Impedanz von 1 / (jwC), also bei niedriger Frequenz, es hat eine sehr hohe Impedanz und bei hoher Frequenz gibt es eine niedrige Impedanz. Lassen Sie uns einfach den DC (Vorspannungsfall) untersuchen. Bei Gleichstrom hat C1 eine hohe Impedanz und das parallele Netzwerk C1 || R8 ist ungefähr R8. Bei DC haben wir also immer noch alle Vorteile der Emitterdegeneration (was uns im Grunde hilft, den Transistor vorzuspannen). Bei hohen Frequenzen wollen wir eine große Verstärkung haben. In dieser Situation ist C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 R8 "umgeht" oder kurzschließt. Jetzt kehren wir zu unserem Standard-Common-Emitter-Verstärker zurück, der eine viel höhere Verstärkung aufweist als die emitter-degenerierte Version. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung der Verstärkerfrequenz abhängig, so dass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine gute Vorspannung des Transistors erhalten. C1 hat eine hohe Impedanz und das parallele Netzwerk C1 || R8 ist ungefähr R8. Bei DC haben wir also immer noch alle Vorteile der Emitterdegeneration (was uns im Grunde hilft, den Transistor vorzuspannen). Bei hohen Frequenzen wollen wir eine große Verstärkung haben. In dieser Situation ist C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 R8 "umgeht" oder kurzschließt. Jetzt kehren wir zu unserem Standard-Common-Emitter-Verstärker zurück, der eine viel höhere Verstärkung aufweist als die emitter-degenerierte Version. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung der Verstärkerfrequenz abhängig, so dass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine gute Vorspannung des Transistors erhalten. C1 hat eine hohe Impedanz und das parallele Netzwerk C1 || R8 ist ungefähr R8. Bei DC haben wir also immer noch alle Vorteile der Emitterdegeneration (was uns im Grunde hilft, den Transistor vorzuspannen). Bei hohen Frequenzen wollen wir eine große Verstärkung haben. In dieser Situation ist C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 R8 "umgeht" oder kurzschließt. Jetzt kehren wir zu unserem Standard-Common-Emitter-Verstärker zurück, der eine viel höhere Verstärkung aufweist als die emitter-degenerierte Version. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung der Verstärkerfrequenz abhängig, so dass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine gute Vorspannung des Transistors erhalten. In dieser Situation ist C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 R8 "umgeht" oder kurzschließt. Jetzt kehren wir zu unserem Standard-Common-Emitter-Verstärker zurück, der eine viel höhere Verstärkung aufweist als die emitter-degenerierte Version. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung der Verstärkerfrequenz abhängig, so dass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine gute Vorspannung des Transistors erhalten. In dieser Situation ist C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 R8 "umgeht" oder kurzschließt. Jetzt kehren wir zu unserem Standard-Common-Emitter-Verstärker zurück, der eine viel höhere Verstärkung aufweist als die emitter-degenerierte Version. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung der Verstärkerfrequenz abhängig, so dass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine gute Vorspannung des Transistors erhalten.

4. Nicht wirklich, Sie sollten eine vergleichbare Leistung erwarten, da Sie tatsächliche Modelle und keine idealen Komponenten verwenden. Ich habe bereits diskrete Operationsverstärker gebaut, die normalerweise innerhalb von 10% der Simulationsergebnisse übereinstimmen.

5. Ja, bestimmte Transistoren haben wahrscheinlich bessere Rauschwerte, aber ich würde zögern zu sagen, dass die Transistoren selbst die Quelle der Harmonischen sind und nicht das Design des Verstärkers. Ich würde mir die Vorspannung der Schaltung genau ansehen, bevor ich versuche, bessere Transistoren zu verwenden. Denken Sie daran, dass wir keine Linearität über die Verstärker annehmen können, wenn wir unsere Annahme eines Kleinsignalmodells brechen. Stellen Sie sicher, dass jede Ihrer Stufen über den erwarteten Bereich linear ist. Trennen Sie die Ausgangsstufe und stellen Sie sicher, dass das Diff-Paar + CE linear ist. Denken Sie daran, dass das Eingangssignal wirklich klein sein muss, um Ihre Annahme eines kleinen Signals im offenen Regelkreis zu erfüllen. Die typische Verstärkung des Operationsverstärkers kann> 10 ^ 4 sein. Das bedeutet, dass sogar ein 1-mV-Signal auf 10-V-Swing verstärkt wird. Testen Sie das Diff-Paar und die offene CE-Schleife und überprüfen Sie die Linearität. Crossover-Verzerrungen sollten durch die Rückkopplung des Operationsverstärkers fast definitiv beseitigt werden. Wenn dies nicht der Fall ist, ist die Verstärkung des Operationsverstärkers nicht groß genug.

6. Open-Loop-Messungen von Operationsverstärkern sind aufgrund der großen Verstärkung schwierig. Ich würde sogar versuchen, auf 100 uV zu sinken. Wir können Linearität nur erwarten, wenn unsere Kleinsignalmodelle gültig sind, was bedeutet, dass die Störungen um den Vorspannungspunkt klein genug sind, um linearisieren zu können. Wiederholen Sie, was ich zu Frage 5 gesagt habe, und überprüfen Sie die Linearität jeder Stufe unabhängig voneinander, des Diff-Paares, des CE und der Ausgangsstufe. Dies kann bedeuten, dass eine Vorspannungsschaltung erstellt wird, um jede Stufe separat zu testen. Wenn Sie auf eine Stromschienensättigung stoßen (gegen 18, -18 V), überprüfen Sie wahrscheinlich die Vorspannung der Verstärker, um sicherzustellen, dass am Ausgang genügend Spannungsspielraum vorhanden ist, um ein Schwingen zu ermöglichen. Wenn Sie Verzerrungen feststellen, stellen Sie sicher, dass das kleine Signal noch gültig ist. Überprüfen Sie abschließend die Datenblätter und stellen Sie sicher, dass Sie nicht auf aktuelle Einschränkungen stoßen.

R7, R10, R11 dienen der thermischen Stabilität. Sie fügen eine kleine Emitterdegeneration hinzu, sodass die Verstärkung eher von den Eigenschaften eines Widerstands (stabil über der Temperatur) als von einer BE-Sperrschichtspannung abhängt (ändert sich stark mit der Temperatur).

Ich würde erwarten, dass R8 eine ähnliche Funktion ausführt und Q7 linearisiert. Nur dass es von C1 umgangen wird, wodurch der Effekt bei höheren Frequenzen beseitigt wird. Vielleicht ist es nur eine Frequenzgangoptimierung? Q7 ist der Spannungsverstärker und trägt stark zur Verzerrung bei. Ich denke, Douglas Self hat darüber geschrieben.

Dies ist möglicherweise keine Antwort auf Ihre 6 Fragen. Wenn Sie jedoch Ihr Design verbessern möchten, ist es am naheliegendsten, R3 und R4 durch einen aktuellen Spiegel zu ersetzen. Dadurch wird die Eingangsstufe erheblich verbessert, und Sie müssen lediglich zwei Transistoren hinzufügen. Wenn Sie den Zweck von L1 nicht erklären können, sollten Sie auch in Betracht ziehen, ihn zu entfernen. Sehen Sie zumindest, was in der Simulation passiert, wenn Sie dies tun.