Как можно сделать плохой аудио усилитель?

Узнав, насколько хороши операционные усилители и какие очень хорошие - особенно на низких уровнях мощности - доступны по разумным ценам, я удивляюсь, почему все аудиоусилители, большие или маленькие, не достигают превосходной производительности, просто комбинируя хороший малосигнальный операционный усилитель с простым выходным каскадом.

Я имею в виду, что с операционным усилителем не нужно беспокоиться обо всех этих напряжениях смещения и температурной стабильности, просто используйте операционный усилитель и любые непревзойденные транзисторы Дарлингтона, и вы готовы к работе.

Есть подводные камни?

Использование операционных усилителей в усилителях может существенно упростить их конструкцию, но операционные усилители не идеальны. Если бы они имели бесконечное усиление по всей своей полосе пропускания, они могли бы колебаться , поэтому они внутренне компенсированы, что ограничивает их полосу пропускания. Ограниченная полоса пропускания делает усилитель подверженным переходным интермодуляционным искажениям (TIM), тип искажения гораздо более раздражающий, чем гармоническое искажение (HD).

Причина, по которой публикуется только HD, а TIM никогда нет, состоит в том, что гораздо проще получить красивые HD-цифры. Кого бы не впечатлила цифра вроде гармонического искажения 0,01%? Большинство клиентов не понимают, что эта цифра совершенно не имеет значения, потому что искажения системы по большей части определяются динамиками, которые легко добавляют искажения в несколько процентов.

Силовая сцена тоже не без проблем. Усилители класса А практически не используются из-за их низкой эффективности. Усилители класса B или AB имеют перекрестные искажения, когда один транзистор сменяет другой. Это нелинейное искажение, которое не может быть компенсировано обратной связью . Может не быть правдой. Если кто-то может просветить здесь, я бы хотел это услышать. ,

Заключительная цитата об операционниках:

«Нет такой вещи, как безусловно стабильный операционный усилитель, если он не лежит на столе при отключенном питании» [ 1 ]

Дополнительная литература
[1] Приложение Intersil AN9415: обратная связь, операционные усилители и компенсация

Интересный вопрос - ответ (ну мой ответ) таков, что вы можете сделать отличный аудио усилитель. Вам все равно придется обратить внимание на выходной каскад и общий дизайн, но использование операционных усилителей не составляет проблем (и очень распространено в настоящее время для базовых, дешевых усилителей с хорошей производительностью).
Хотя операционные усилители являются удобными инструментами, и есть несколько превосходных современных если есть такие, есть множество способов их использования для достижения плохого результата, если вы не обращаете внимания на детали.

Это не означает, что люди купят его, и дизайнеры это знают, так что вы по-прежнему получаете высококачественные усилители на основе клапанов Hi-Fi стоимостью более £ 2000 с 2% THD. Можно было бы сказать, что целью было создать «плохой» усилитель, поскольку (по иронии судьбы) он принесет больше денег - к сожалению, «отличный» означает много разных вещей для многих людей.
У вас в лагере субъективистов есть люди, которые решили, что человеческое ухо точнее любого измерительного инструмента, и вы можете слышать то, что никто из них не может видеть. Поэтому они всегда могут сказать: «Да, ваш THD + n действительно <0,001% от 20 Гц-20 кГц, но вы не допускаете неизмеримого эффекта x с вашим дизайном, и именно поэтому он не звучит хорошо для слуха»

Если бы стремление к техническому совершенству имело значение, то такие вещи, как бескислородные кабели стоимостью в сотни, никогда бы не попали на рынок :-)

Я думаю, что вы, возможно, захотите прочитать «Аудио дизайн малых сигналов» и «Справочник по дизайну усилителей мощности аудио» Дугласа Селфа.
Я нашел его достаточно авторитетным в таких вопросах. В его книгах обсуждается использование как операционных усилителей, так и дискретных транзисторов. Он взвешивает сильные и слабые стороны, которые включают в себя множество реальных тестовых данных, и приводит примеры, где вы можете добиться лучшей производительности с дискретными транзисторами.

На самом деле, в бытовой электронике для усилителей звука низкой и средней мощности характерно использование микросхемы, называемой «чип-усилитель».

Одна из проблем заключается в том, что большинство этих дешевых операционных усилителей, на которые вы ссылаетесь, не имеют достаточно широкого колебания напряжения, чтобы управлять выходным каскадом, который сам по себе не имеет усиления по напряжению. Если операционный усилитель работает на максимуме +/- 15 В, и после этого мы ставим силовой каскад, размах выходного сигнала все еще ограничен до +/- 15 В. Есть операционные усилители, которые работают на значительно более высоких напряжениях, но они становятся дорогими.

Добавление большего усиления по напряжению после операционного усилителя, так что усиление заключено в глобальную петлю обратной связи, является рискованным и сводит на нет некоторые преимущества экономии места и затрат, поскольку в этом случае дискретные компоненты имеют большую сложность, чем просто выходной каскад.

Тем не менее это на самом деле иногда делается. Например, посмотрите на стоечный гитарный усилитель Marshall 8008 . Операционный усилитель управляет дополнительным каскадом усиления напряжения, за которым следует выходной каскад. VAS интересен: он использует пару дополнительных транзисторов на общей базе, причем базы связаны с шинами +/- 15 В. соответственно. Обратная связь берется прямо с выходного каскада, поэтому дополнительный коэффициент усиления включается в контур обратной связи. Хотя операционный усилитель имеет внутреннюю компенсацию, этот VAS с болтовым креплением имеет собственную компенсацию в виде C15 и C17. Полный коэффициент усиления без обратной связи операционного усилителя не используется, поскольку он имеет локальную обратную связь через R3, и R45 также, по-видимому, играет роль в обеспечении более локального пути обратной связи в пределах глобальной.

Таким образом, если размах выходного напряжения находится в пределах диапазона обычного операционного усилителя (или даже выше), использование операционного усилителя не дает никаких преимуществ, поскольку вы можете использовать микросхему усилителя, например LM3886. Тем не менее, использование операционных усилителей в качестве точки суммирования обратной связи с дискретным выходным каскадом не является неслыханным.

Также необходимо учитывать требования привода выходного каскада. Усилитель, рассчитанный на среднюю выходную мощность 100 Вт при нагрузке 8 Ом, использующий стандартный выходной каскад эмиттер-повторитель, потребует колебания от пика +/- 40 Вольт до пика от каскада драйвера. Операционные усилители, которые могут выводить эти «высокие» напряжения, значительно дороже, чем обычные аудио операционные усилители. Кроме того, все еще существует проблема правильного смещения выхода и обеспечения стабильности температуры; использование операционного усилителя в качестве драйвера магическим образом не решает эту проблему.

Существуют способы использования дискретных транзисторов в драйвере и на выходных каскадах вместе с соответствующей схемой смещения и использования операционного усилителя в качестве драйвера, как указано в приложениях . Эти схемы, по-видимому, в первую очередь предназначены для высокоскоростных приложений, и какое преимущество они могут иметь для Hi-Fi аудио (где заявленная цель обычно состоит в том, чтобы иметь как можно меньше ступеней усиления, и сделать каждый из них как можно более линейным до чтобы обратная связь применялась) неясно.