Diseño de opamps discretos

Question

Estoy trabajando en la modificación de SG acoustics SGA-SOA-2 op-amp . El objetivo es que funcione en 32 \$ \Omega\$ carga de los auriculares, y utilizar transistores más comunes.

Lo que hice fue:

1. Sustituí todos los transistores por los comunes SMD de mayor ganancia (BC847C/BC857C).
2. Corrientes reajustadas para obtener la menor distorsión y tensión de offset de entrada. C2 devuelto para la compensación de la frecuencia debido a los transistores mucho más rápidos y a la mayor ganancia del amplificador óptico.
3. Diodos de protección retirados
4. Me di cuenta de que el diseño original (con transistores reemplazados) tenía armónicos visibles cuando se trabaja en 32 \$ \Omega\$ carga (~ -80dB), sustituí la etapa de salida por transistores compuestos. También intenté diseñar una etapa de potencia con MOSFET, pero los armónicos eran terribles (~-60dB), probablemente debido al enorme crossover, que la retroalimentación no era lo suficientemente rápida para arreglar. Otra opción era añadir una etapa de potencia BJT adicional, pero el rendimiento final era más o menos el mismo que el de la versión compuesta.
5. Reducción de la resistencia de R10 y R11 a 1 \$ \Omega\$ , original 4,7 \$ \Omega\$ que causaban armónicos.
6. Eliminado 10 \$ \Omega\$ resistencia entre C4 y C5. No estoy seguro de por qué estaba allí.

Esto es lo que tengo al final: La simulación de un seno de 1kHz muestra que el primer armónico está a -124dB y el segundo a -135dB.

Las preguntas son:

1. ¿Cuál es el modelo más adecuado para los auriculares? Actualmente utilizo una resistencia de 32 ohmios, pero me parece que está lejos de la realidad.
2. ¿Para qué sirven las resistencias R7, R10 y R11? En la simulación los resultados siguen siendo los mismos si los quito.
3. ¿Para qué sirve el C1/R8?
4. ¿Hay algo en este circuito que hará que su rendimiento sea mucho peor cuando se implemente en el mundo real (aplicación de destino - 32 \$ \Omega\$ amplificador de auriculares)?
5. ¿Existen transistores que tengan un rendimiento significativamente mejor para este circuito? Menos ruido, por ejemplo... Estaba pensando en los también comunes SS9014/SS9015 - pero no estoy seguro de que sean mejores que los BC847C/BC857C para esta aplicación.
6. Mientras que el rendimiento con retroalimentación parece estar bien, cuando se alimenta una pequeña señal (1mV) sin retroalimentación veo que el amplificador es altamente no lineal. ¿Es beneficioso hacerlo más lineal en esta configuración?

Answer 1

R7, R10, R11 son para la estabilidad térmica. Añaden un poco de degeneración del emisor, por lo que la ganancia depende de las características de una resistencia (estable a lo largo de la temperatura) en lugar de una tensión de unión BE (cambia mucho con la temperatura).

Yo esperaría que R8 realizara una función similar, linealizando Q7. Excepto que es puenteado por C1, que elimina el efecto a frecuencias más altas. ¿Tal vez sea sólo un ajuste de la respuesta en frecuencia? Q7 es el amplificador de voltaje y aporta mucha distorsión. Creo que Douglas Self ha escrito sobre esto.

Answer 2

1. Una carga resistiva no es un mal modelo para los auriculares. Si quieres ser pedante, podrías añadir inductancia para las bobinas de los altavoces y parásitos L, C, R para el cableado, pero una simple resistencia está bien. Yo buscaría la impedancia de tus auriculares y utilizaría la impedancia suministrada por el fabricante.

2. Yo consideraría R10 y R11 como una forma de limitación de corriente. He aquí por qué. (Estoy usando los designadores de referencia del esquema original del SGA-SOA-2 en sg-acoustics para esta pregunta, asume los designadores de referencia según tu esquema para el resto) La rama formada por Q6 & Q7 es la etapa de salida del op-amp. Sabemos que V_be6 + V_R10 = V_d5 + V_d6. V_d está relacionada con la corriente del diodo en una relación logarítmica, y por lo tanto V_d5 + V_d6 no cambiará apreciablemente. Por tanto, podemos decir que V_be6 + V_R10 = constante. Así, a altas corrientes de salida, R10 tomará la caída de tensión y disminuirá V_be6, limitando así la cantidad de corriente que puede pasar por la etapa de salida. Esto es bueno para proteger contra cortocircuitos. Esa es mi suposición de todos modos, es un poco extraño para la protección contra cortocircuitos, típicamente vemos otro transistor controlando R10 y luego cortocircuitando V_be6. Ver ( http://users.ece.gatech.edu/mleach/lowtim/prot.html , figura 3).

3. Implementos R8 Degeneración del emisor . Hay mucho que decir sobre este tema, la búsqueda de emisor común con degeneración de emisor generará muchos recursos. La idea de alto nivel es que usamos R8 para fijar la corriente de polarización del transistor porque sin ella, la ganancia del amplificador de emisor común (Q7) es muy sensible a V_be7 y hace difícil romper en modelos de señal grande y señal pequeña. Así que R8 estabiliza nuestro amplificador, pero también mata nuestra ganancia. La ganancia de tensión del amplificador de emisor común degenerado es -R_C / R_E donde R_C es la resistencia de colector y R_E es la resistencia de emisor. Puedes ver que a medida que R_E aumenta la ganancia disminuye. Esto es malo ya que esta etapa del amplificador proporciona la mayor parte de la ganancia del amplificador óptico. Para solucionar esto, utilizamos el condensador de bypass C1. Los condensadores tienen una impedancia de 1 / (jwC) por lo que a baja frecuencia, tiene una impedancia muy alta y a alta frecuencia, hay una baja impedancia. Vamos a examinar la CC (caso de polarización). En DC, C1 tiene alta impedancia y la red paralela C1 || R8 es aproximadamente R8. Así que en CC, seguimos teniendo todos los beneficios de la degeneración de emisor (básicamente nos ayuda a polarizar el transistor). A alta frecuencia, queremos tener una gran ganancia. En esta situación, C1 || R8 está ahora dominado por C1 que tiene baja impedancia y C1 "puentea" o pone en cortocircuito a R8. Ahora volvemos a nuestro amplificador de emisor común estándar que tiene una ganancia mucho mayor que la versión degenerada de emisor. Básicamente C1 hace que la ganancia del amplificador dependa de la frecuencia por lo que obtenemos tanto una gran ganancia a alta frecuencia como una buena polarización del transistor.

4. En realidad no, deberías esperar un rendimiento comparable ya que estás utilizando modelos reales y no componentes ideales. He construido op-amps discretos antes y suelen coincidir dentro del 10% de los resultados de la simulación.

5. Sí, es probable que ciertos transistores tengan mejores cifras de ruido, pero dudaría en decir que los propios transistores son la fuente de los armónicos en lugar del diseño del amplificador. Yo miraría cuidadosamente la polarización del circuito antes de intentar utilizar mejores transistores. Recuerda que si rompemos nuestra suposición del modelo de señal pequeña, no podemos asumir la linealidad sobre los amplificadores. Asegúrate de que cada una de tus etapas es lineal en el rango que esperas. Desconecte la etapa de salida y asegúrese de que el par dif + C-E es lineal y recuerde que la señal de entrada debe ser realmente pequeña para cumplir con su suposición de señal pequeña en bucle abierto. La ganancia típica de un op-amp puede ser > 10^4. Eso significa que incluso una señal de 1 mV se amplificaría a 10 V de oscilación. Prueba el par de diferenciales y el lazo abierto C-E, verifica la linealidad. La distorsión de cruce debería ser eliminada casi definitivamente por la retroalimentación del amplificador óptico. Si no es así, entonces la ganancia del amplificador óptico no es lo suficientemente grande.

6. Las mediciones en bucle abierto de los op-amps son difíciles debido a su gran ganancia. Yo intentaría incluso bajar a 100 uV. Sólo podemos esperar linealidad si nuestros modelos de señal pequeña son válidos, lo que significa que las perturbaciones alrededor del punto de polarización son lo suficientemente pequeñas como para poder linealizar. Reiterando lo que dije para la pregunta 5, comprueba la linealidad de cada etapa de forma independiente, el par diff, C-E y la etapa de salida. Esto puede significar la creación de circuitos de polarización para probar cada etapa por separado. Si se encuentra con la saturación del carril de potencia (corriendo contra 18, -18 V), probablemente compruebe la polarización de los amplificadores para asegurarse de que hay suficiente margen de tensión en la salida para permitir la oscilación. Si ves distorsión, asegúrate de que la señal pequeña sigue siendo válida. Por último, comprueba las hojas de datos y asegúrate de que no te encuentras con ninguna limitación de corriente. Estas podrían estar en el BJT o en parte de nuestro diseño como se ve en la limitación de corriente para R10, R11.

Answer 3

Puede que esto no sea una respuesta a tus 6 preguntas, pero si quieres mejorar tu diseño, lo más obvio a nivel estructural es sustituir R3 y R4 por un espejo de corriente. Esto mejorará drásticamente la etapa de entrada y todo lo que necesitas hacer es añadir dos transistores. Si no puedes explicar el propósito de L1, deberías considerar eliminarlo también. Al menos ve lo que ocurre en la simulación cuando lo haces.