PA Endstufe in Entwicklung - einige Fragen

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JP-A
Neuling

#1 erstellt: 15. Okt 2014, 16:01

Hallo,

ich versuche zur Zeit eine PA Endstufe zu entwickeln. Ich habe viel in den Büchern von Douglas Self gelesen und mir viele Schaltpläne von kommerziellen Endstufen angesehen und versucht diese nachzuvollziehen. Das möchte ich erreichen:
- 500 W Sinusleistung an 8/4/2 Ohm
- Kurzschlussfest
- THD < 0,05 % @20 kHz

Das ist der derzeitige Stand:

Die Stützelkos sind in dieser Simulation nicht eingezeichnet, außerdem fehlen (noch) sämtliche Schutzschaltungen und einige ideale Strom-/Spannungsquellen müssen noch durch Diskrete ersetzt werden. Soweit funktioniert das in der Simulation ganz gut mit niedrigem Klirr.

Ich hätte jetzt einen Kanal jeweils als Brückenschaltung aufgebaut, da man so in freundlichere Bereiche der Safe Operating Area der Transistoren kommt. Im Schaltplan oben ist also praktisch nur eine Hälfte abgebildet. Als Kurzschluss- und Überlastschutz hatte ich einen einfachen VI-Limiter an der Basis von Q14/Q15 und eine Temperaturüberwachung geplant. Ist das so in Ordnung? Weiterhin kommt natürlich noch eine DC-Schutzschaltung.
Wie sieht's denn in der Praxis mit den Stromspiegeln am Differenzverstärker aus? In der Simulation ist das ja schön und gut, aber in der Realität gibt es schließlich deutliche Streuungen bei den Transistoren. Wird das ausreichend durch die Emitterwiderstände kompensiert?
Brauche ich zwingend einen Gegentaktspannungsvertärker (und somit auch zwei Differenzverstärker inkl. Stromspiegel) für so wenig Klirr? Irgendwie ist diese Variante deutlich kritischer gegenüber dem eingestellten Strom für die Differenzverstärker und den Bauteilwerten. Es entstehen dann gerne wilde Schwingungen... Einfachere Schaltungen ohne Darlingtonschaltung im Spannungsverstärker in Eintaktschaltung verzeihen schon die ein oder andere Fehldimensionierung. Ist mein Gegentaktspannungsverstärker in der Praxis (auch bei richtiger Dimensionierung) anfälliger gegen HF-Schwingungen? Könnte ich mein Ziel bzgl. des Klirrfaktors auch einfacher erreichen?
Das Clippingverhalten der Schaltung stellt für mich momentan ein großes Problem dar. Bei 2 V am Eingang passiert das hier am Ausgang:

Ich habe keine Ahnung wodurch diese komischen Spitzen verursacht werden. Wo liegt hier das Problem?
Was kann ich tun, um gute HF Stabilität zu gewährleisten? Ich hätte z.B. einen 100 p Kondensator über R8 vorgesehen. Bewirkt nur leider genau das Gegenteil... warum?
In vielen kommerziellen Endstufen habe ich gesehen, dass an der Stelle des Spannungsverstärkers, wo bei mir Q23/Q24 sitzt gerne mehrere Transistoren parallel geschaltet werden. Was steckt da dahinter? Die Leistung kann nicht der Grund sein, einer könnte das gut bewältigen.
Am Ausgang findet man meistens auch ein LR in Reihe und ein RC Glied nach Masse. Wie sind diese Bauteile zu dimensionieren? Ich meine mich daran zu erinnern irgendwo gelesenzuhaben, dass das RC Glied nur früher bei älteren Endstufen benötigt wurde und heute unnötig und sogar kontraproduktiv ist. Stimmt das?
Was würdet ihr sonst noch anders machen, wo kann ich noch was verbessern?

Würde mich freuen wenn ihr mir ein paar Tipps geben könnt

Grüße

Hier nochmal die Bilder in groß:

http://www.directupload.net/file/d/3776/lnx63vm2_png.htm

http://www.directupload.net/file/d/3776/m22e6w4j_png.htm

[Beitrag von JP-A am 15. Okt 2014, 16:04 bearbeitet]

zucker
Inventar

#2 erstellt: 15. Okt 2014, 18:22

Hallo,

2V~ am Eingang ist gar heftig, bei 1V~ ist die Endstufe ausgefahren, wenn 10K für R8 und 220R für R9. Du kannst natürlich den R8 so senken, daß die Endstufe bei 2V~ Ue die volle Ausgangsspannung bringt. Das wäre sogar gegen die Schwingneigung gut. Je kleiner v ist, desto stabiler wird die Sache. Es setzt natürlich dann einen Vorverstärker vor dem Eingang voraus.
Ein C über R8 sollte sein. Die obere Grenztransitfrequenz (Fog) errechnet sich aus C = 1 / ( 2 x pi x F x R8 ) Bei angenommenen 100Khz Fog (realistischer Wert) und den 10K bei R8 sollte C über R8 also in etwa 150p haben, was aber duchaus zu Laufzeitveränderungen, sprich einem Phasenversatz zwischen rücklaufendem Signal an den Basen von Q6 und Q12 im Gegensatz zum Eingangssignal an den Basen von Q5 und Q13 führt. Solange da etwas um die 5...8 ° ensteht ist es nicht tragisch, andernfalls sollte das Gebilde der globalen Rückkopplung etwas umdimensioniert werden, bspw 21K zu 820R. Damit wäre dann auch die Ue von 2V wieder im Spiel und der Klopper von 1000µ bei C1 kann gesenkt werden. Dort wärst Du mit 100µ bis 2Hz Fug gut dabei.
Jedenfalls kann bei diesen Werten für R8 und R9 der C über R8 erheblich gesenkt werden, so auf gut 56...68p. Wenn der Aufbau gut gelungen ist, kann dieser C sogar noch weiter runter im Wert.

Q1 , Q2 - das wird so nüscht werden. Innerhalb der CE Strecke muß hier die volle Betriebsspannung "behandelt" werden, das kann der kleine MPSA nicht. Zwischen Masse und dem Kollektor von Q1 (Q2) muß ein R hin, würde ihn so bewerten, daß 4...5 mA fließen, analog dazu R3 ebenfalls mit diesem Strom. Im günstigsten Fall würde über diesen eingefügten R die halbe Ub abfallen, die andere über die CE Strecke und ein Rest von ca 2...2.2V über R3

Die Ströme im Diff bzw im Spiegel: Man kann einen exakten Abgleich durch einfügen eines zusätzlichen Einstellreglers bei R11 duchführen, also R11 + R11a.
Über R10 und R11 genügen zur Kompensation 500mV U Abfall. Mit 3mA Stromzufuhr am Fußpunkt des Diff, also da wo sich R12 und R13 treffen, ist man gut dabei, würde für jeden Zweig 1.5mA ergeben. Damit kann man ziemlich kleine Werte für die R`s verwenden und die U-Abfälle über die Re gering halten, bis hin zum Spannungsverstärker Q23.

[Beitrag von zucker am 17. Okt 2014, 07:19 bearbeitet]

JP-A
Neuling

#3 erstellt: 15. Okt 2014, 19:47

Hallo,

vielen Dank für Deine ausführliche Antwort und die Mühe! Hier die aktualisierte Version:

http://www.directupload.net/file/d/3776/eynxbdkb_png.htm
Mit der Kombination 22k und 2k2 an Q1/Q2 fallen am 22k Widerstand etwa 25V und am 2k2 etwa 2V ab, aber der Strom beträgt gerade mal etwas mehr als 1mA. Sobald ich den Strom durch die Stromquellen am Differenzverstärker >1mA einstelle schwingt der Verstärker nur noch wild, auch mit Anpassung der Rs an Q1/Q2. Sogar so schlimm, dass das Ausgangssignal wirklich nicht mal mehr ansatzweise etwas mit einem Sinus zu tun hat. Was mache ich da falsch?
An R10/R11 fallen bisher etwa 220 mV ab. Wenn ich die Rs auf 1k (und damit den Spannungsabfall auf 500mV) erhöhe entstehen an der Basis von Q2 diese komischen Spitzen im Signalverlauf:

http://www.directupload.net/file/d/3776/u8f6o6uh_png.htm Wodurch wird das verursacht?
Für C5 habe ich 72p berechnet. Sobald man C5 anschließt gibt es HF Schwingungen, die praktisch auf die Sinuskurve am Ausgang aufmoduliert werden (Sinus am Ausgang sieht aus wie mit einem Textmarker gezeichnet).

Grüße

zucker
Inventar

#4 erstellt: 15. Okt 2014, 20:49

Ähh - geht das hier nur um eine Simu mit LT Spice oder ist da etwas Reales vorhanden. Eine Simu kann das nicht, max ansatzweise Veranschaulichen.

4...5mA für den Querstrom über Q1 (Q2), R17 4.7K, R3 470R
Was ist da eigentlich bei "V5" drinn? Immerhin ist das der neuralgische Punkt.

Spannungsabfälle von hinten nach vorn:
R44 600mV
R3 2...2.2 V (ergibt sich aus R44 + Ube Q23 + Uv 600mV über R3)
R10 (R11) ca 2.7V (ergibt sich aus R44 + Ube Q23 + R3 + Ube Q1), wenn Q8 (Q7) nicht vorhanden wären, mit dem Spiegel in etwa (weil Uce Strecke Q8 (Q7) ca 1V) 500...700mV

Stromvorschlag:
R44 20...30mA
R3 4...5mA
R10 1.5mA (und demzufolge 3mA von der aktiven I Quelle des Diff)

JP-A
Neuling

#5 erstellt: 15. Okt 2014, 21:52

Vorerst nur über die Spice Simulation. Bevor ich Platinen ätze sollte es ja wenigstens in der Simulation einigermaßen funktionieren...
Habe jetzt noch die Stromquellen und die Ruhestromeinstellung diskret eingezeichnet. Die Eingestellte Spannung über Q27 scheint kritisch zu sein. Bei 3,8V funktioniert alles so wie es soll. Darüber und darunter schwingt's, bei Übersteuerung auch. Ansonsten passen alle Ströme und Spannungen wie besprochen.

Aktueller Schaltplan:

http://www.directupload.net/file/d/3776/wo4wa4zt_png.htm
AC-Analyse ohne C6:

http://www.directupload.net/file/d/3776/by7neik3_png.htm
AC-Analyse mit C6:

http://www.directupload.net/file/d/3776/mfuuafmy_png.htm

Ist das so in Ordnung mit der Phasenverschiebung? Irgendwie bin ich noch nicht so richtig davon überzeugt, dass die Schaltung so in der Realität funktionieren kann

Grüße

ehemals_Mwf
Inventar

#6 erstellt: 15. Okt 2014, 22:43

Hi,

ich habe in der Praxis gute Erfahrungen mit einem zusätzlichen R in Reihe mit C6 gemacht.
Einge hundert bis 1k Ohm -- ähnlich oder etwas größer als R9, welches mit 1 k schon am oberen Ende liegt ( wg. Rauschen und knappem Gain) --,
wobei C6 noch kleiner sein kann (33 - 22 pF) und alles wird gut :angel.

Die Simus sind bez. Bandbreite noch einiges zu optimistisch...

Gruss,
Michael

JP-A
Neuling

#7 erstellt: 16. Okt 2014, 16:22

Hallo,

selbst mit großen Rs in Reihe zu C6 und kleinerem C6 schwingt die Schaltung in der Simulation. Wie meinst Du das genau mit der Bandbreite, was heißt das für meine Endstufe? Dass die Schaltung in Realität gutmütiger gegenüber HF Schwingungen ist?

Grüße

ehemals_Mwf
Inventar

#8 erstellt: 17. Okt 2014, 00:09

Zeig mal deine aktuelle Schwingneigung.

Dass eine Audio-Leistungsendstufe bis >10 MHz verstärkt ist unrealistisch.

JP-A
Neuling

#9 erstellt: 17. Okt 2014, 12:57

Ja eigentlich schon... Hier die FFT der Ausgansspannung ohne C6:

http://www.directupload.net/file/d/3778/ilwmjcwd_png.htm
Und das passiert mit C6:

http://www.directupload.net/file/d/3778/txxyxpep_png.htm

Grüße

ehemals_Mwf
Inventar

#10 erstellt: 17. Okt 2014, 14:37

Wie groß sind Ein- und Ausgangssignal ?
Bist du schon im Clipping ?

JP-A
Neuling

#11 erstellt: 17. Okt 2014, 18:26

Eingang 2.2V~
Ausgang 50V~ kein Clipping

Grüße

zucker
Inventar

#12 erstellt: 17. Okt 2014, 20:34

50V~ Ua bei 55V= Ub geht nicht, da müßten schon 72V Ub her.
LT Spice - es ist ein Hilfsmittel um zunächst überhaupt etwas zu simulieren, keinesfalls aber ein Verlaß darauf. Du wirst nicht umhinkommen, etwas reales aufzubauen.
Vielleicht eine kleine Hilfe, läuft seit Jahren so, allerdings ohne Spiegel und mit Compoundendstufe:

JP-A
Neuling

#13 erstellt: 17. Okt 2014, 20:45

Ups, ich meinte natürlich 50V Spitze nicht ~. Ich denke, ich baue einfach mal einen Prototyp.

Grüße

audiophilanthrop
Inventar

#14 erstellt: 17. Okt 2014, 23:58

JP-A (Beitrag #1) schrieb:

Ich hätte jetzt einen Kanal jeweils als Brückenschaltung aufgebaut, da man so in freundlichere Bereiche der Safe Operating Area der Transistoren kommt.

Dafür ist dann die Endstufe aber natürlich auch nicht mehr brückbar.

Alternativ würde ich mal verschiedene Varianten durchgehen:
1. eine Endstufe entsprechend "fetter" machen
2. mit Kaskode arbeiten
3. evtl. Class G in Erwägung ziehen, das hätte in der Leistungsklasse schon deutliche Vorteile

JP-A (Beitrag #1) schrieb:

In vielen kommerziellen Endstufen habe ich gesehen, dass an der Stelle des Spannungsverstärkers, wo bei mir Q23/Q24 sitzt gerne mehrere Transistoren parallel geschaltet werden. Was steckt da dahinter? Die Leistung kann nicht der Grund sein, einer könnte das gut bewältigen.

Das sagst du, aber evtl. ist (gerade ungekühlt) die SOA anderer Meinung...

So'n MJE340 ist übrigens schon recht grobschlächtig, für die VAS wird man eigentlich Transistoren mit kleiner Cob (und hoher Ua) bevorzugen. Z.B. BF469/BF470, wenn man nix anderes hat. Der kann zwar nur 30 mA, kommt aber in TO-126 und hat bloß ein paar pF. Ansonsten z.B. KSC3503/KSA1381, wie z.B.

bei diesem Design (die originalen 2SC/2SA sind inzwischen abgekündigt, aber die erwähnten KSC/KSA von Fairchild sind auch gut).

JP-A (Beitrag #1) schrieb:

Am Ausgang findet man meistens auch ein LR in Reihe und ein RC Glied nach Masse. Wie sind diese Bauteile zu dimensionieren?

L ist typisch 1-1,5 µH Luftspule mit Rs <30 mOhm oder so, R 4,7-10 Ohm als Resonanzpeak-Killer. Beim RC-Zobel sind's je nach Gusto (Stabilitätsanforderungen) 4-30 Ohm und 22-100 nF, damit der Verstärker bei HF eine niederohmige Last sieht.

JP-A (Beitrag #1) schrieb:

Ich meine mich daran zu erinnern irgendwo gelesenzuhaben, dass das RC Glied nur früher bei älteren Endstufen benötigt wurde und heute unnötig und sogar kontraproduktiv ist. Stimmt das?

Da würde mich mal interessieren, was das für ein Verstärker sein soll, der davon stabilitätstechnisch nicht profitiert. Bei Class D könnte es halt von der Verlustleistung her etwas problematisch werden, weil da jede Menge HF rauskommt.

JP-A
Neuling

#15 erstellt: 18. Okt 2014, 12:48

audiophilanthrop (Beitrag #14) schrieb:

Dafür ist dann die Endstufe aber natürlich auch nicht mehr brückbar.

Ja, aber das brauche ich eigentlich nicht

audiophilanthrop (Beitrag #14) schrieb:

1. eine Endstufe entsprechend "fetter" machen

Da man die Endstufe nicht unbedingt brücken muss, kommt diese Variante wahrscheinlich in meinem Fall teurer...

audiophilanthrop (Beitrag #14) schrieb:

2. mit Kaskode arbeiten

Entstehen dann nicht wieder neue HF Probleme? Bzw. würde das in meinem Fall wirklich signifikante Vorteile mit sich bringen?

audiophilanthrop (Beitrag #14) schrieb:

3. evtl. Class G in Erwägung ziehen, das hätte in der Leistungsklasse schon deutliche Vorteile

Wird aber auch wieder um einiges teurer, vor allem der Trafo. Dann brauche ich noch mehr Siebelkos und Transistoren. Soooo schlimm ist A/B doch eigentlich nicht bis 1000W Leistung. Die Verlustleistung kann noch ohne große Anstrengung abgeführt werden. Wie sieht's denn da mit Verzerrungen aus? Ich kann mir vorstellen, dass das um einiges komplizierter wird in der Entwicklung als meine klassische A/B Endstufe

audiophilanthrop (Beitrag #14) schrieb:

So'n MJE340 ist übrigens schon recht grobschlächtig, für die VAS wird man eigentlich Transistoren mit kleiner Cob (und hoher Ua) bevorzugen. Z.B. BF469/BF470, wenn man nix anderes hat. Der kann zwar nur 30 mA, kommt aber in TO-126 und hat bloß ein paar pF. Ansonsten z.B. KSC3503/KSA1381, wie z.B.

bei diesem Design (die originalen 2SC/2SA sind inzwischen abgekündigt, aber die erwähnten KSC/KSA von Fairchild sind auch gut).

Hm, an die KSC/KSA kommt man aber anscheinend schwer ran. Die BF bekommt man z.B. bei Reichelt und 30mA sollten in meiner VAS eigentlich ausreichen. Habe mal meine MJE durch die BF in der Simulation ersetzt und die Schwingneigung hat sich wieder verstärkt, bzw. war gar nicht mehr wegzubekommen. Aber mir leuchtet schon ein, dass die eigentlich besser geeignet sein sollten.
Auf der Seite habe ich unter 1.4 gelesen, dass die Stromspiegel wohl ungeeignet sind, da nicht DC stabil? Wie ist das gemeint, ich kann mir das irgendwie nicht vorstellen mit dem "sticky rail"-Problem...
Oder soll ich es in eventuell doch noch Erwägung ziehen, den Differenzverstärker/VAS auf ein unsymmetrisches Design zu vereinfachen? Damit lassen sich ja auch schon relativ gute Klirrfaktoren erreichen. Bei einer PA Endstufe kann man 0,05% THD eigentlich auch gut in kauf nehmen, wenn ich mir das so überlege. Da hört wahrscheinlich eh niemand mehr einen Unterschied...

Grüße

[Beitrag von JP-A am 18. Okt 2014, 12:50 bearbeitet]

ehemals_Mwf
Inventar

#16 erstellt: 18. Okt 2014, 18:52

audiophilanthrop (Beitrag #14) schrieb:

... Beim RC-Zobel sind's je nach Gusto (Stabilitätsanforderungen) 4-30 Ohm und 22-100 nF, damit der Verstärker bei HF eine niederohmige Last sieht....

...egal was extern dran hängt.
Oft besonders ekelig:
ein rel. langes Kabel (noch) ohne Lautsprecher