Diskretes Opamp-Design

1. Eine ohmsche Last ist kein schlechtes Modell für Kopfhörer. Wenn Sie pedantisch sein möchten, können Sie Induktivitäten für die Lautsprecherspulen und parasitäre L, C, R für die Verkabelung hinzufügen, aber ein einfacher Widerstand ist in Ordnung. Ich würde die Impedanz Ihrer Kopfhörer 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 Referenzbezeichnungen des SGA-SOA-2-Originalschaltplans zu sg-acoustics, nehme für den Rest Referenzbezeichnungen gemäß Ihrem Schaltplan an.) Der von Q6 und Q7 gebildete Zweig ist die Ausgangsstufe des Betriebs -Ampere. Wir kennen V_be6 + V_R10 = V_d5 + V_d6. V_d steht mit dem Diodenstrom in einer logarithmischen Beziehung in Beziehung, und somit ändert sich V_d5 + V_d6 nicht merklich. Somit können wir sagen V_be6 + V_R10 = konstant. Somit übernimmt R10 bei hohen Ausgangsströmen den Spannungsabfall und verringert V_be6, wodurch die Strommenge begrenzt wird, die durch die Ausgangsstufe fließen kann. Das 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, die Suche nach gemeinsamen Emittern mit Emitterdegeneration wird viele Ressourcen generieren. Die High-Level-Idee ist, dass wir R8 verwenden, um den Bias-Strom des Transistors einzustellen, da ohne ihn die Verstärkung des gemeinsamen Emitterverstärkers (Q7) sehr empfindlich auf V_be7 reagiert und es schwierig macht, in Großsignal- und Kleinsignalmodelle einzubrechen. R8 stabilisiert also unseren Verstärker, tötet aber auch unsere Verstärkung. Die Spannungsverstärkung des emitterdegenerierten Verstärkers in Emitterschaltung beträgt -R_C / R_E, wobei R_C der Kollektorwiderstand und R_E der Emitterwiderstand ist. Sie können sehen, dass die Verstärkung abnimmt, wenn R_E zunimmt. Dies ist schlecht, da diese Verstärkerstufe den Großteil 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 eine niedrige Impedanz. Untersuchen wir einfach den DC (Vorspannungsfall). Bei DC ist C1 hochohmig und das Parallelnetzwerk C1 || R8 ist ungefähr R8. Bei DC haben wir also immer noch alle Vorteile der Emitter-Degeneration (die uns im Grunde hilft, den Transistor vorzuspannen). Bei hoher Frequenz wollen wir einen großen Gewinn haben. In dieser Situation C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 "umgeht" oder R8 kurzschließt. Jetzt sind wir wieder bei unserem Standardverstärker mit gemeinsamem Emitter, der eine viel höhere Verstärkung als die degenerierte Emitterversion hat. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung des Verstärkers frequenzabhängig, sodass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine schöne Vorspannung des Transistors erhalten. C1 ist hochohmig und das Parallelnetzwerk C1 || R8 ist ungefähr R8. Bei DC haben wir also immer noch alle Vorteile der Emitter-Degeneration (die uns im Grunde hilft, den Transistor vorzuspannen). Bei hoher Frequenz wollen wir einen großen Gewinn haben. In dieser Situation C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 "umgeht" oder R8 kurzschließt. Jetzt sind wir wieder bei unserem Standardverstärker mit gemeinsamem Emitter, der eine viel höhere Verstärkung als die degenerierte Emitterversion hat. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung des Verstärkers frequenzabhängig, sodass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine schöne Vorspannung des Transistors erhalten. C1 ist hochohmig und das Parallelnetzwerk C1 || R8 ist ungefähr R8. Bei DC haben wir also immer noch alle Vorteile der Emitter-Degeneration (die uns im Grunde hilft, den Transistor vorzuspannen). Bei hoher Frequenz wollen wir einen großen Gewinn haben. In dieser Situation C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 "umgeht" oder R8 kurzschließt. Jetzt sind wir wieder bei unserem Standardverstärker mit gemeinsamem Emitter, der eine viel höhere Verstärkung als die degenerierte Emitterversion hat. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung des Verstärkers frequenzabhängig, sodass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine schöne Vorspannung des Transistors erhalten. In dieser Situation C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 "umgeht" oder R8 kurzschließt. Jetzt sind wir wieder bei unserem Standardverstärker mit gemeinsamem Emitter, der eine viel höhere Verstärkung als die degenerierte Emitterversion hat. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung des Verstärkers frequenzabhängig, sodass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine schöne Vorspannung des Transistors erhalten. In dieser Situation C1 || R8 wird jetzt von C1 dominiert, das eine niedrige Impedanz hat und C1 "umgeht" oder R8 kurzschließt. Jetzt sind wir wieder bei unserem Standardverstärker mit gemeinsamem Emitter, der eine viel höhere Verstärkung als die degenerierte Emitterversion hat. Grundsätzlich macht C1 die Verstärkung des Verstärkers frequenzabhängig, sodass wir sowohl eine große Verstärkung bei hoher Frequenz als auch eine schöne Vorspannung des Transistors erhalten.

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

5. Ja, bestimmte Transistoren haben wahrscheinlich bessere Rauschwerte, aber ich würde zögern zu sagen, dass die Transistoren selbst die Quelle der Oberwellen 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, wenn wir unsere Kleinsignalmodellannahme brechen, keine Linearität über die Verstärker annehmen können. Stellen Sie sicher, dass jede Ihrer Stufen über den Bereich, den Sie erwarten, linear ist. Trennen Sie die Ausgangsstufe und stellen Sie sicher, dass das Diff-Paar + CE linear ist, und denken Sie daran, dass das Eingangssignal wirklich klein sein muss, um Ihre Kleinsignalannahme im offenen Regelkreis zu erfüllen. Die typische Verstärkung des Operationsverstärkers könnte > 10 ^ 4 sein. Das bedeutet, dass selbst ein 1-mV-Signal auf 10 V Hub verstärkt würde. Testen Sie das Diff-Paar und die offene CE-Schleife, überprüfen Sie die Linearität. Die Crossover-Verzerrung sollte durch das Feedback des Operationsverstärkers fast definitiv eliminiert werden. Wenn dies nicht der Fall ist, ist die Verstärkung des Operationsverstärkers nicht groß genug.

6. Open-Loop-Messungen von Operationsverstärkern sind wegen der großen Verstärkung schwierig. Ich würde sogar versuchen, auf 100 uV zu gehen. Wir können nur Linearität erwarten, wenn unsere Kleinsignalmodelle gültig sind, was bedeutet, dass die Störungen um den Bias-Punkt herum klein genug sind, dass wir sie linearisieren können. Wiederholen Sie, was ich zu Frage 5 gesagt habe, 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 in eine Stromschienensättigung geraten (bei Betrieb gegen 18, -18 V), überprüfen Sie wahrscheinlich die Vorspannung der Verstärker, um sicherzustellen, dass am Ausgang genügend Spannungsspielraum vorhanden ist, um eine Schwingung zu ermöglichen. Wenn Sie Verzerrungen sehen, vergewissern Sie sich, dass das kleine Signal noch gültig ist. Überprüfen Sie schließlich die Datenblätter und stellen Sie sicher, dass Sie nicht gegen 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 Temperatur) als von einer BE-Übergangsspannung (ändert sich stark mit der Temperatur) abhängt.

Ich würde erwarten, dass R8 eine ähnliche Funktion ausführt und Q7 linearisiert. Außer dass es von C1 umgangen wird, wodurch der Effekt bei höheren Frequenzen entfernt wird. Vielleicht ist es nur eine Anpassung des Frequenzgangs? Q7 ist der Spannungsverstärker und trägt viel zur Verzerrung bei. Ich denke, Douglas Self hat darüber geschrieben.

Dies ist möglicherweise keine Antwort auf Ihre 6 Fragen, aber wenn Sie Ihr Design verbessern möchten, ist die naheliegendste strukturelle Maßnahme, R3 und R4 durch einen aktuellen Spiegel zu ersetzen. Dadurch wird die Eingangsstufe dramatisch verbessert und Sie müssen lediglich zwei Transistoren hinzufügen. Wenn Sie den Zweck von L1 nicht erklären können, sollten Sie auch erwägen, es zu entfernen. Sehen Sie sich zumindest an, was in der Simulation passiert, wenn Sie dies tun.