Thiết kế opamp rời rạc

Tôi đang làm việc để sửa đổi âm học SG SGA-SOA-2 op-amp . Mục tiêu là làm cho nó hoạt động trên tải tai nghe 32 và sử dụng các bóng bán dẫn phổ biến hơn.$\Omega$

Những gì tôi đã làm là:

1. Thay thế tất cả các bóng bán dẫn bằng các loại SM thông thường có mức tăng cao nhất (BC847C / BC857C).
2. Dòng điện điều chỉnh lại cho méo thấp nhất và điện áp bù đầu vào. Trả về C2 để bù tần số do các bóng bán dẫn nhanh hơn nhiều và mức tăng op-amp cao hơn.
3. Diodes bảo vệ bị loại bỏ
4. Tôi đã tìm ra rằng thiết kế ban đầu (thay thế bóng bán dẫn) có các sóng hài có thể nhìn thấy khi làm việc với tải 32 (~ -80dB), tôi đã thay thế giai đoạn đầu ra bằng bóng bán dẫn ghép. Tôi cũng đã cố gắng thiết kế giai đoạn năng lượng MOSFET, nhưng sóng hài rất tệ (~ -60dB), có lẽ là do sự giao nhau quá lớn, phản hồi không đủ nhanh để khắc phục. Một tùy chọn khác là thêm giai đoạn sức mạnh thêm BJT, nhưng hiệu suất cuối cùng tương đương với phiên bản ghép.$\Omega$
5. Giảm sức đề kháng của R10 và R11 xuống 1 , 4,7 ban đầu đã gây ra sóng hài.$\Omega$$\Omega$
6. Đã loại bỏ 10 Điện trở giữa C4 và C5. Không chắc tại sao nó lại ở đó. $\Omega$

Đây là những gì tôi đã nhận được ở cuối: Mô phỏng trên sin 1kHz cho thấy sóng hài thứ 1 ở mức -124dB, thứ hai ở -135dB.

Các câu hỏi là:

1. Mô hình nào phù hợp hơn cho tai nghe? Tôi hiện đang sử dụng điện trở 32ohm, nhưng tôi cảm thấy điều này là xa thực tế.
2. Mục đích của điện trở R7, R10 và R11 là gì? Trên kết quả mô phỏng giữ nguyên nếu tôi loại bỏ chúng.
3. Mục đích của C1 / R8 là gì?
4. Có điều gì trong mạch này sẽ làm cho nó hoạt động kém hơn nhiều khi được triển khai trong thế giới thực (ứng dụng đích - bộ khuếch đại tai nghe 32 )?$\Omega$
5. Có một số bóng bán dẫn có hiệu suất tốt hơn đáng kể cho mạch này? Chẳng hạn như tiếng ồn thấp hơn ... Tôi đã suy nghĩ về SS9014 / SS9015 phổ biến - nhưng không chắc chúng tốt hơn BC847C / BC857C cho ứng dụng này.
6. Mặc dù hiệu suất với phản hồi có vẻ ổn, nhưng khi cấp tín hiệu nhỏ (1mV) mà không có phản hồi tôi thấy bộ khuếch đại này rất phi tuyến tính. Có lợi để làm cho nó tuyến tính hơn trong cấu hình này?

1. Một tải điện trở không phải là một mô hình xấu cho tai nghe. Nếu bạn muốn trở thành pedantic, bạn có thể thêm độ tự cảm cho cuộn dây loa và ký sinh L, C, R cho cáp, nhưng một điện trở đơn giản là được. Tôi sẽ tìm kiếm trở kháng tai nghe của bạn và sử dụng trở kháng do nhà sản xuất cung cấp.

2. Tôi sẽ coi R10 & R11 là một hình thức giới hạn hiện tại. Đây là lý do tại sao. (Tôi đang sử dụng các trình chỉ định tham chiếu của sơ đồ gốc SGA-SOA-2 về sg-acoustics cho câu hỏi này, giả sử các trình chỉ định tham chiếu theo sơ đồ của bạn cho phần còn lại) Nhánh được tạo bởi Q6 & Q7 là giai đoạn đầu ra của op -amp. Chúng tôi biết V_be6 + V_R10 = V_d5 + V_d6. V_d có liên quan đến dòng diode trong mối quan hệ logarit, và do đó V_d5 + V_d6 sẽ không thay đổi đáng kể. Do đó, chúng ta có thể nói V_be6 + V_R10 = hằng số. Do đó, ở các dòng đầu ra cao, R10 sẽ giảm điện áp và giảm V_be6, do đó hạn chế lượng dòng có thể chạy qua giai đoạn đầu ra. Điều này là tốt để bảo vệ chống lại ngắn mạch. Dù sao đó cũng là dự đoán của tôi, nó hơi lạ đối với việc bảo vệ ngắn mạch, thông thường chúng ta thấy một bóng bán dẫn khác theo dõi R10 và sau đó rút ngắn V_be6. Xem (http://users.ece.gatech.edu/mleach/lowtim/prot.html , hình 3).

3. R8 thực hiện Thoái hóa Emitter. Có rất nhiều điều để nói về chủ đề này, việc tìm kiếm bộ phát chung với sự thoái hóa bộ phát sẽ tạo ra rất nhiều tài nguyên. Ý tưởng cấp cao là chúng tôi sử dụng R8 để đặt dòng điện phân cực của bóng bán dẫn vì không có nó, bộ khuếch đại bộ phát chung (Q7) rất nhạy với V_be7 và gây khó khăn cho việc đột nhập vào các mô hình tín hiệu nhỏ & tín hiệu nhỏ. Vì vậy, R8 ổn định bộ khuếch đại của chúng tôi, nhưng nó cũng giết chết lợi ích của chúng tôi. Độ tăng điện áp của bộ khuếch đại bộ phát phổ biến suy biến là -R_C / R_E trong đó R_C là điện trở của bộ thu và R_E là điện trở bộ phát. Bạn có thể thấy rằng khi R_E tăng mức tăng giảm. Điều này là xấu vì giai đoạn khuếch đại này cung cấp phần lớn mức tăng op-amp. Để khắc phục điều này, chúng tôi sử dụng bypass tụ C1. Tụ điện có trở kháng 1 / (jwC) nên ở tần số thấp, nó có trở kháng rất cao và ở tần số cao, có trở kháng thấp. Hãy xem xét DC (trường hợp sai lệch). Tại DC, C1 có trở kháng cao và mạng song song C1 | | R8 xấp xỉ R8. Vì vậy, tại DC, chúng tôi vẫn có tất cả các lợi ích của thoái hóa phát (về cơ bản giúp chúng tôi thiên vị bóng bán dẫn). Ở tần số cao, chúng tôi muốn có mức tăng lớn. Trong tình huống này, C1 | | R8 hiện đang bị chi phối bởi C1 có trở kháng thấp và C1 "bỏ qua" hoặc rút ngắn R8. Bây giờ chúng tôi trở lại với bộ khuếch đại bộ phát chung tiêu chuẩn của chúng tôi có mức tăng cao hơn nhiều so với phiên bản suy biến bộ phát. Về cơ bản C1 làm cho mức tăng của tần số khuếch đại phụ thuộc để chúng ta có được cả mức tăng lớn ở tần số cao và độ lệch tốt của bóng bán dẫn. C1 có trở kháng cao và mạng song song C1 | | R8 xấp xỉ R8. Vì vậy, tại DC, chúng tôi vẫn có tất cả các lợi ích của thoái hóa phát (về cơ bản giúp chúng tôi thiên vị bóng bán dẫn). Ở tần số cao, chúng tôi muốn có mức tăng lớn. Trong tình huống này, C1 | | R8 hiện đang bị chi phối bởi C1 có trở kháng thấp và C1 "bỏ qua" hoặc rút ngắn R8. Bây giờ chúng tôi trở lại với bộ khuếch đại bộ phát chung tiêu chuẩn của chúng tôi có mức tăng cao hơn nhiều so với phiên bản suy biến bộ phát. Về cơ bản C1 làm cho mức tăng của tần số khuếch đại phụ thuộc để chúng ta có được cả mức tăng lớn ở tần số cao và độ lệch tốt của bóng bán dẫn. C1 có trở kháng cao và mạng song song C1 | | R8 xấp xỉ R8. Vì vậy, tại DC, chúng tôi vẫn có tất cả các lợi ích của thoái hóa phát (về cơ bản giúp chúng tôi thiên vị bóng bán dẫn). Ở tần số cao, chúng tôi muốn có mức tăng lớn. Trong tình huống này, C1 | | R8 hiện đang bị chi phối bởi C1 có trở kháng thấp và C1 "bỏ qua" hoặc rút ngắn R8. Bây giờ chúng tôi trở lại với bộ khuếch đại bộ phát chung tiêu chuẩn của chúng tôi có mức tăng cao hơn nhiều so với phiên bản suy biến bộ phát. Về cơ bản C1 làm cho mức tăng của tần số khuếch đại phụ thuộc để chúng ta có được cả mức tăng lớn ở tần số cao và độ lệch tốt của bóng bán dẫn. Trong tình huống này, C1 | | R8 hiện đang bị chi phối bởi C1 có trở kháng thấp và C1 "bỏ qua" hoặc rút ngắn R8. Bây giờ chúng tôi trở lại với bộ khuếch đại bộ phát chung tiêu chuẩn của chúng tôi có mức tăng cao hơn nhiều so với phiên bản suy biến bộ phát. Về cơ bản C1 làm cho mức tăng của tần số khuếch đại phụ thuộc để chúng ta có được cả mức tăng lớn ở tần số cao và độ lệch tốt của bóng bán dẫn. Trong tình huống này, C1 | | R8 hiện đang bị chi phối bởi C1 có trở kháng thấp và C1 "bỏ qua" hoặc rút ngắn R8. Bây giờ chúng tôi trở lại với bộ khuếch đại bộ phát chung tiêu chuẩn của chúng tôi có mức tăng cao hơn nhiều so với phiên bản suy biến bộ phát. Về cơ bản C1 làm cho mức tăng của tần số khuếch đại phụ thuộc để chúng ta có được cả mức tăng lớn ở tần số cao và độ lệch tốt của bóng bán dẫn.

4. Không thực sự, bạn nên mong đợi hiệu suất tương đương vì bạn đang sử dụng các mô hình thực tế và các thành phần không lý tưởng. Tôi đã xây dựng các op-amp rời rạc trước đây và chúng thường khớp với 10% kết quả mô phỏng.

5. Vâng, một số bóng bán dẫn nhất định có thể có số liệu nhiễu tốt hơn, nhưng tôi ngần ngại nói rằng chính các bóng bán dẫn này là nguồn gốc của sóng hài thay vì thiết kế của bộ khuếch đại. Tôi sẽ cẩn thận xem xét xu hướng của mạch trước khi cố gắng sử dụng bóng bán dẫn tốt hơn. Hãy nhớ rằng nếu chúng ta phá vỡ giả định mô hình tín hiệu nhỏ của mình, chúng ta không thể giả sử tuyến tính trên các bộ khuếch đại. Hãy chắc chắn rằng mỗi giai đoạn của bạn là tuyến tính trong phạm vi mà bạn mong đợi. Ngắt kết nối giai đoạn đầu ra và đảm bảo cặp diff + CE là tuyến tính và nhớ rằng tín hiệu đầu vào phải thực sự nhỏ để đáp ứng giả định tín hiệu nhỏ của bạn trong vòng lặp mở. Độ tăng op-amp thông thường có thể> 10 ^ 4. Điều đó có nghĩa là ngay cả tín hiệu 1 mV cũng sẽ được khuếch đại lên 10 V swing. Kiểm tra vòng lặp diff & CE open loop, kiểm tra độ tuyến tính. Biến dạng chéo nên được loại bỏ gần như chắc chắn bởi phản hồi op-amp. Nếu không, thì mức tăng op-amp không đủ lớn.

6. Các phép đo vòng mở của op-amps rất khó khăn vì mức tăng lớn. Tôi thậm chí sẽ cố gắng hạ thấp xuống 100 uV. Chúng ta chỉ có thể mong đợi tuyến tính nếu các mô hình tín hiệu nhỏ của chúng ta hợp lệ, có nghĩa là nhiễu loạn xung quanh điểm thiên vị đủ nhỏ để chúng ta có thể tuyến tính hóa. Lặp lại những gì tôi đã nói cho câu hỏi 5, kiểm tra tính tuyến tính của từng giai đoạn một cách độc lập, cặp diff, CE và giai đoạn đầu ra. Có thể có nghĩa là tạo ra mạch thiên vị để kiểm tra từng giai đoạn riêng biệt. Nếu bạn đang chạy vào bão hòa đường ray điện (chạy so với 18, -18 V), có thể kiểm tra độ lệch của bộ khuếch đại để đảm bảo có đủ khoảng trống điện áp ở đầu ra để cho phép xoay. Nếu bạn thấy méo, đảm bảo tín hiệu nhỏ vẫn còn hiệu lực. Cuối cùng, hãy kiểm tra bảng dữ liệu và đảm bảo bạn không chạy theo bất kỳ ràng buộc hiện tại nào.

R7, R10, R11 là cho sự ổn định nhiệt. Họ thêm một chút thoái hóa phát, do đó mức tăng phụ thuộc vào đặc tính của điện trở (ổn định theo nhiệt độ) chứ không phải là điện áp tiếp giáp BE (thay đổi rất nhiều theo nhiệt độ).

Tôi mong đợi R8 thực hiện một chức năng tương tự, tuyến tính hóa Q7. Ngoại trừ việc nó được bỏ qua bởi C1, loại bỏ hiệu ứng ở tần số cao hơn. Có lẽ nó chỉ là một tinh chỉnh đáp ứng tần số? Q7 là bộ khuếch đại điện áp và đóng góp rất nhiều biến dạng. Tôi nghĩ Douglas Self đã viết về điều này.

Đây có thể không phải là một câu trả lời cho 6 câu hỏi của bạn, nhưng nếu bạn muốn cải thiện thiết kế của mình, điều cấu trúc rõ ràng nhất phải làm là thay thế R3 và R4 bằng một chiếc gương hiện tại. Điều này sẽ cải thiện đáng kể giai đoạn đầu vào và tất cả những gì bạn cần làm là thêm hai bóng bán dẫn. Nếu bạn không thể giải thích mục đích của L1, bạn cũng nên xem xét loại bỏ nó. Ít nhất là xem những gì xảy ra trong mô phỏng khi bạn làm như vậy.