Desarrollo de un Amplificador

Buenas, consegui un tiempo como para planificar/armar (no uso la palabra diseñar, porque la mayoria de las partes de este amplificador ya fueron diseñadas y probadas). A lo mucho un copy past de amplificador, pero entendiendo la funcion que cumplen y adaptandolas unas con otras.

Los objetivos que tengo en mente son:

- Componentes clasicos (BC547, BC548, BC337/327, BD139/140, TIP3055/2955, resistencias, capacitores, zener, etc)
- No servo de DC (no consigo el OP07, a menos que usemos un TL para el servo)
- Entender cada parte o bloque que este en el amplificador
- Probarlo en una placa experimental (un poco bastante obvio)
- Analizar futuras mejoras
- Etapa de entrada Mirror-Image (Randy Slone)
- Poder determinar varios parametros (puede que tenga posibilidad de probarlo en la universidad con varios instrumentos)
- Potencia moderada (50W)

Por ahora estoy en la simulacion y con algunos percances:


Despues de un tiempo, logre que funcione.
Ahora viene la parte en la que espero sus opiniones/sugerencias!

No logro que funcione en clase B, la corriente por los transistores de 31A (!)
Comparo con el esquema de SiliconChip Class A y la tension Vce de Q10 no supera 1V, el resto se reparte entre Q9 y Q7.
Pero en este caen +26Vcc en el transistor equivalente a Q10 (XMM4)

Despues de esto, sin problemas todo.

Lo que quedaria en el tintero es:
- Forma de determinar la realimentacion (se hace "probando" o se determina en base al circuito?)
Para este amplificador, mire varias NFB y casi todas tienen una relacion 1:20
- Modo cascode en el VAS, que opinan?
- Los transistores (principalmente del VAS) los fui colocando de acuerdo a lo que he visto, pero estan bien colocados?
Es decir, en el VAS conviene un hfe elevado o algo como el BC547 (Q4) esta bien?
- El capacitor Miller, nuevamente lo coloque en base a que el 90% los tiene con valores entre 47pF y 100pF, pero estaria bueno ver la forma de determinarlo en base al circuito.

La idea tambien es que despues de varias revisiones del amplificador (tanto de ustedes como mias u otros), voy a tomarme un tiempo para explicar cada una de las partes/componentes, a modo de poder darle una buena conclusion a todo esto.

En fin, saludos
 

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Hay un pequeño error en el esquema, la base de Q2 debería ir conectada al colector de Q1 y no a su emisor, y después, para que circule menos corriente en la salida probaría duplicar el valor de R16 para empezar, suponiendo que el preset es de 100 Ohm pero al parecer no está bien definido, pero no lo puedo ver bien, pareciera que dice 10096, en el transistor que regula la corriente de reposo no debería haber más de 1.1 Volt entre colector y emisor. Eso es lo que se me ocurre de entrada, aunque yo prefiero usar cascodes a mirror current y resistores en vez de fuentes de corriente, y para la salida armar dárlington normales en vez de cruzados, con respecto al NFB, no la confundas con el gain, son cosas distintas. Mientras que gain es: Tensión de entrada sobre tensión de salida; NFB es: Ganancia en lazo abierto sobre ganancia en lazo cerrado.
Desde ya, te felicito por la valentía de exponerte así en un foro, lo que muestra tus ganas de aprender.
 
Error corregido.
Ahora mejoro un poco bastante el THD del simulador, de 2% a 0.063& @1kHz.

Espero armarlo en estos dias, estoy interesado en probar 2 configuraciones de salida diferentes, ir probando diferentes valores de las Re de los transistores de entrada tambien, de 68Ω a 1kΩ que he visto.

Y en vez de cascode (como en tu esquema de 800W) a mirror, utilizar las 2?
A este estilo:
basica_Isource_casc_localNFB_mirror.GIF


Igualmente tener 14 transistores en la etapa de entrada no es una feliz idea a la hora de realizar el PCB
Pero en el protoboar es algo que voy a probar seguro.
Les dejo el archivo de simulacion corregido
 

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Mientras más componentes tienes en un circuito, más posibilidades hay de que falle alguno, es lo que aprendí en mis años de experiencia, pero está bien que pruebes y hagas tus propias experiencias para conocer cada tipo de aplicación y cual es la supuesta virtud de cada uno.
Lamentablemente no puedo abrir tus archivos rar, y lo que te dije antes lo hice mirando la imagen del circuito que subiste al post. Ahora veo que la resistencia de entrada es 10 Ohm, ¿No es un poco baja?
Y fijate si podés poner el circuito en una imagen gif o jpeg en vez de rar.
Y me olvidaba! el BD 139 Y el BD 140 que figuran como Q 18 y Q 19 les falta una resistencia de emisor para emparejar y limitar la corriente en ellos.
 
Buenas y gracias ariel por los comentarios.
Arme todo y solamente una baja hubo, un BD139, el resto sigue de pie.

En la simulacion, hay un problema en el diseño del VAS (Voltage Amplifier Stage) creo, no funciona como deberia. Los valores de Iq son muuy pequeños (nV o pV sobre Re = 0.1Ω). Igualmente arme todo (sin las R de 100Ω en la alimentacion)
En un primer momento lo probe sin los transistores de salida Q18 y Q17 (TIP3055/2955), y Vce de Q13 no bajaba de 3V. El tema es que no estoy seguro de si es valido probar el circuito sin transistores de salida.


Y asi el esquema final (mal):


En resumen, me hago un tiempo en la facultad y sigo probando.
Lo bueno de esto, como diria Alba Edison, voy probando varias formas en la que NO debe hacerse un VAS.
Saludos

Edit: La etapa de amplificación de voltage esta mal en el Randy Slone. Hay problemas a la hora de usar la carga activa de la entrada. Un VAS cascode es una opcion. Asi que todo lo que esta arriba escrito, no le presten atensión.

Por lo que he leido, cual es el problema con el VAS de Slone? Este:


En un amplificador no simetrico, el espejo de corriente es una carga activa para la etapa de entrada, pero no fija la polarizacion del transistor del VAS. Ademas esta el hecho de tener una Rc alta en el VAS, pero implementar con una resistencia no es lo adecuado. Una alternativa son cargas activas como Rc.
En Douglas podemos ver varios tipos de configuraciones. Esto es lo que tengo en mente por probar:


Ahora en un amplificador simetrico esto es un poco diferente, ya que en el lugar de la fuente de corriente esta el transistor del VAS simetrico.

Una solucion es no usar espejos de corriente en la entrada y usar resistencias. Debemos calcularlas de modo que 4.3mA/2*R sea > 0.7V, para establecer un nivel de polarizacion (digo mayor por el uso de una degeneracion en el VAS).

Un VAS cascode es otra alternativa, que conseguimos es fijar una tension de polarizacion Vce en el transistor del VAS. En este circuito queda tenemos Vce=8,5V. Aun queda por ver un poco mas el modo cascode:
1- si ese Vce (8.5V)es el optimo
2- si podemos usar espejos de corriente en la entrada con un VAS cascode

Hay otra alternativa que es mediante una (o dos) fuente de corriente con resistencias en la base de los Tr del VAS y de esta manera fijar una polarizacion.

Tambien hay que tener en cuenta de colocar unas Re en los Tr del VAS. Por motivos de estabilidad y compensacion.
Esto se ve una vez armado el circuito, debemos estar atentos a cuanto varia la corriente del VAS (en DC). Es normal cierta deriva, pero en algun momento se debe estabilizar.

Este es el circuito al que llegue, la version 1.3.1.

En estos dias lo estoy probando, la version simulada anda 10 puntos.
Para los amantes del THD ultra bajo, con el amplificador sin carga, se obtienen estas cifras:

THD@100kHz 0.024% / 2Vpp a la salida
THD@20kHz 0.001%
THD@1kHz 0.000% (a los 0.09s de simulacion)
Offset 4.2mV sin servo de DC, ni potenciometro para el contro de continua :cool:

Les dejo el archivo en Multisim10 para el que este interesado lo simule.

Nuevamente TODO ESTO queda abierto a muchas sugerencias o errores que este cometiendo.
Quedan temas importantes por ver, como la realimetacion (tanto locales como global), respuesta en frecuencia, la determinacion de los transistores en cada etapa (BC547 o BC337 o BD139) y el porque.

En fin, saludos
 

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Ahora veo que lo que llamás VAS, para mí es la etapa clase A, haciendo el cascode allí, te quita 7.5 Volt de excursión por lado con lo cual, además de bajarte la potencia a la mitad, la salida va calentar porque la tensión de saturación colector emisor va a quedar en ese valor como mínimo, no entiendo el motivo para usar un seguidor por emisor entre los diferenciales de entrada y los clase A y por último, usando resistencias en los emisores de los clase A, limitás la corriente que circula por estos.
 
Buenas.
Con un poco de tiempo arme todo y funciono mas que bien (y sin bajas de componentes).

El circuito que tengo armado no es el del simulador. Para armarlo comence por lo basico: sin espejo de corriente en la entrada ni emisor seguidor, una vez funcionando, reemplaze por current mirror y funciono igual de bien.

Eso si, el offset antes y despues del espejo de corriente aumento de 14mV a 68mV.
Ariel, el cascode lo use porque lo considere como una forma de VAS que me permite utilizar corriente de espejo en la entrada, que es algo que queria que tenga el amplificador (junto que una topologia simetrica).

Este es el circuito que arme en el protoboar. (en el simulador no anda )


Con un poco mas de tiempo voy a probar una VAS con emisor seguidor.

Lo que esta quedando es la realimentacion, alguna sugerencia?
Seguramente mas adelante mire con mas detalle la realimentacion del Leach Amp, a modo de referencia y pruebas.
Y si tengo un tiempo, lo llevo a la facultad para medirlo con osciloscopio y generador.

Saludos
 
No tiene nada que ver usar espejo de corriente en la entrada con cascode en VAS, así como tampoco un seguidor por emisor entre la entrada y el VAS, lo que tendrías que probar me parece, con generador y osciloscopio, es la diferencia de ancho banda y/o de linealidad y ruido entre usar espejo de corriente y no usarlo, y así con cada cosa que quieras incorporar en un circuito conocer las verdaderas virtudes, y no que te las vengan a contar. Es muy importante saber qué se quiere lograr con un circuito y cómo veficarlo antes de encarar un diseño, al menos eso me pare a mí.

Saludos.
 
juanma dijo:
Lo que esta quedando es la realimentacion, alguna sugerencia?
Seguramente mas adelante mire con mas detalle la realimentacion del Leach Amp, a modo de referencia y pruebas.

Cual problema tenés con la realimentación?
La que has configurado ahí te produce una ganancia de 22 (27dB) que es un valor bastante estándar de ganancia. El problema con él es que no sabés como te cambia la realimentación las características del amplificador. Si vas a hacer ensayos, tratá de relevar (o simular) la curva de respuesta en frecuencia en lazo abierto. Eso te va a mostrar hasta donde podés corregir las características del amplificadorf. aplicando realimentación y cuanta realimentación podes aplicar para hacerlo.
También deberías medir el porcentaje de linealidad en lazo abierto para ver que tan bueno es el diseño que has hecho, pero eso es complicado de medir con precisión.

Saludos!
 
ezavalla dijo:
Cual problema tenés con la realimentación?
La que has configurado ahí te produce una ganancia de 22 (27dB) que es un valor bastante estándar de ganancia. El problema con él es que no sabés como te cambia la realimentación las características del amplificador. Si vas a hacer ensayos, tratá de relevar (o simular) la curva de respuesta en frecuencia en lazo abierto. Eso te va a mostrar hasta donde podés corregir las características del amplificador. aplicando realimentación y cuanta realimentación podes aplicar para hacerlo.
También deberías medir el porcentaje de linealidad en lazo abierto para ver que tan bueno es el diseño que has hecho, pero eso es complicado de medir con precisión.
Buenas, problemas con la realimentacion no tengo, de hecho, me he hecho muy amiga con ella :LOL:

Hablando en serio, la inquietud es si existe algun tipo el balance de las realimentaciones locales de cada etapa con la global? O las locales determinan el comportamiento a lazo abierto del amplificador?
Como mido la ganancia a lazo abiero? con la base del 2do transistor del par diferencial a tierra?
Por ejemplo, el SSUB de PCPAudio tiene un factor de ganancia de 21.27 (26.2dB), y comenta que el amplificador al no necesitar un gran ancho de banda puede usar un gran factor de realimentacion para reducir la distorsion. Pero es casi el mismo que en el amplificador que arme. Y un gran factor de realimentacion va en contra de factores como la TIM, por ejemplo.

Todo es cuestion de compromiso entre una cosa y otra, y a eso es a lo que apunto, algun criterio para eso.
Algun otro par de valores para probar en la realimentacion cual puede ser?
Acepto muchas sugerencias u opiniones/experiencias en este punto

Saludos
 
juanma dijo:
Hablando en serio, la inquietud es si existe algun tipo el balance de las realimentaciones locales de cada etapa con la global? O las locales determinan el comportamiento a lazo abierto del amplificador?

Las realimentaciones locales solo tienen efecto en el comportamiento de la zona/componentes sobre los que opera. A la larga, algo de efecto tienen en el comportamiento a lazo abierto, en particular la Capacidad de Miller que es una realimentación de C.A. que fija la frecuencia de corte superior del sistema a lazo abierto, las otras relimentaciones locales determinan la linealidad de cada etapa donde operan.

juanma dijo:
Como mido la ganancia a lazo abiero? con la base del 2do transistor del par diferencial a tierra?

No necesariamente, por que se te puede ir el offset a las nubes. Simplemente eliminá la resistencia de 2K2 que cierra el lazo de realimentación global, y probá así. Tené cuidado y reducí bastante el nivel de la señal de entrada, por que la ganancia en lazo abierto normalmente va a ser mucho mayor que en lazo cerrado (mínimo debería ser de 50 a 60dB de valor final) y el amplificador te va a saturar y lo tenes que mantener en la zona lineal.

juanma dijo:
Por ejemplo, el SSUB de PCPAudio tiene un factor de ganancia de 21.27 (26.2dB), y comenta que el amplificador al no necesitar un gran ancho de banda puede usar un gran factor de realimentacion para reducir la distorsion. Pero es casi el mismo que en el amplificador que arme. Y un gran factor de realimentacion va en contra de factores como la TIM, por ejemplo.

Ohhh...pero eso puede significar muchas cosas!
Esos 26.2 dB de realimentación no dicen mucho si no conoces la respuesta del sistema en lazo abierto, que es lo que hablabamos antes. También hay que ver a que le llaman gran factor de realimentación (gran en comparación con qué). Ya te voy a buscar (y si puedo lo escaneo) un artículo sobre estos temas de realimentación.
PD: La realimentación es mala para la TIM? Y la TIM existe? Las condiciones en las cuales se la medía hace muchos años, no eran representativas de ninguna señal de audio estándard, y su propio concepto es bastante "rebuscado". A menos que estemos hablando de amplificador que tengan limitación en el slew-rate, no creo que haya que pensar en la TIM.
Pero claro....las cosas pueden haber cambiado en estos años....
 
juanma, notaste un escalon que aparece en la salida cuando la salida esta casi llegando al recorte? aparece en ambos semiciclos y aparece cuando la salida llega al 60% o 70% de la tension de barra, si le sacas el cascode (sin tocar el seguidor de emisor) eso desaparece (siempre en la version 1.3.1) otra cosa, chequea el giro de fase que tenes con los cap miller en el VAS y sin ellos, me parece que mas que ayudar empeora. hoy es tarde, mañana lo vuelvo a simular y posteo imagenes sobre ellos.

otra cosa, ya habia un hilo llamado "sobre topologias en finales de audio" iniciado por fogonazo, sera mucho pedir juntar ambos hilos?
 
Buenas hazard, justamente ariel me estaba comentando algo parecido sobre el VAS cascode.
Ahi estuve viendo la simulacion, con 500mVpp de entrada no note nada, algo se ve con 1Vpp, pero no se si es por el simulador, y cambiando el Zener de 9V1 a 4V7 (Vce=4V) si se nota con una entrada de 1Vpp.

El punto óptimo de Vce es Vcc/2 entonces?
Cascode lo utilice por lo que comente mas arriba, el espejo de corriente en la entrada.
Hay otra manera de implementarlo son modo cascode, con una fuente de corriente y resistencia, polarizando directamente el transistor del VAS, en cuanto encuentre lo que digo lo subo.

El post que comentas ya lo habia visto, pero abri uno nuevo por el hecho de encarar un amplificador desde cero, viendo cada una de las partes, pero no seria mala idea, al contrario.
En ese post la salida era con IGBTs, lejos de este, pero sin perder de vista el post sobre las topologias finales, estaria bueno. Analizar bien todos los detalles que entran en juego a la hora de armar la salida, pros y contra de las diferentes configuraciones y ese tipo de cosas. Y NO si puedo conectar una carga de 1Ω

Estas son las imagenes.
500mVpp de entrada - Zener 9V1 no note nada


1Vpp de entrada - Zener 9V1 => Vce ≈ 8.5V


Ahora se nota:


Saludos!
 
ezavalla dijo:
Ya te voy a buscar (y si puedo lo escaneo) un artículo sobre estos temas de realimentación.

Bueno, encontré lo que buscaba, pero son como 150 páginas y es un poco largo para escanearlo.

El libro se llama "Electrónica Integrada" (o Integrated Electronics, en la versión sin traducir) de J. Millman y C. Halkias. La edición que tengo es la tercera y en ella, los capítulos 12 (Amplificadores multietapa), 13 (Amplificadores realimentados) y 14 (Estabilidad y Osciladores) tocan todos los temas de realimentación que a vos te interesan. También hay otro capítulo anterior donde explican la transformadorrmación de Miller (pero no me acuerdo el número) y luego la aplican en estos capítulos para transformar los modelos con parámetros hibridos y ahí aparece el famoso capacitorsito de Miller. También en el capítulo 14 aparece el tema Compensación, en el cual explica con detalle como opera la red de Zobel (pero claro...no la llaman así) a la salida del amplificador, que es una red de atraso/avance de fase para reposicionamiento de los polos del sistema de lazo cerrado.

Ese era (en mis épocas) un libro muy usado en Ingeniería Electrónica, pero lo recomendaban en tercer año, cuando los conocimientos profundos de las funciones de transferencia los teníamos al final de cuarto...y así que nadie le daba bola. Dado esto, es probable que lo encuentres en la biblioteca de tu Universidad. Preguntá si lo tienen...por que te va a aclarar muchas cosas. Yo dudo que esté en forma digital, por que la tercera edición es de 1985...pero habría que preguntarle a San Google...

Saludos!
 
Para que sea un verdadero cascode debería haber un capacitor electrolítico en paralelo con el zenner, y en vez de haber un escalón se detendría la excursión de la salida puesto que se satura Q8 ó Q9, se puede recuperar la excursión perdida dando ganancia a los darlington ya que tenés acoplamiento cruzado.
 
Acá encontré un par de artículos que tenía y que hablan sobre el diseño y uso de las etapas cascodo. Fijate que en el segundo artículo proponen su uso para un amplificador de audio, pero en la etapa de salida, no en el VAS. Analizalos...

Saludos!
 

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  • cascode_amplifiers_170.pdf
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  • cascode_190.pdf
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Gracias Ezavalla, bajo lo que subiste y lo leo.
En la facultad, el libro que usamos en electronica es el Boylestad, bastante basico por cierto me parecio.
Espero entre hoy y mañana descargar el Millman

Saludos
 
juanma, sigo simulando tu esquema y me encuentro con otra duda... se podrá cambiar los bc547 por la serie 2sa.... juaaaa.....

naaa, ahora en serio, la duda es la siguiente, vos colocaste los 2 capas miller dejando dentro del multiplicador miller al seguidor de emisor, por que?, de que sirve meterlo dentro del seguidor de emisor si este no multiplica miller, ya que es de colector comun y gana 1, inclusive este te separa la etapa de entrada de dicha capacidad. por otro lado, sigo pensando que el driver cascodo no beneficia mucho que digamos, le trace la curva de transferencia y fase, compare con cascodo y sin cascodo y nada, distorsion con y sin cascodo y tampoco, no encuentro diferencia, ....
 
juanma dijo:
Gracias Ezavalla, bajo lo que subiste y lo leo.
En la facultad, el libro que usamos en electronica es el Boylestad, bastante basico por cierto me parecio.
Espero entre hoy y mañana descargar el Millman

Ok. De nada! Me hace bien revisar libros viejos que hace años que no leo...

Al Boylestad ese no lo juno...se que ahora hay muchos libros de electrónica basica y no tan básica dando vueltas, pero el Millman era muy bueno, aunque un poco pesado por la parva de matemática que trae.

Y hablando del Millman. hay una copia en Rapidshare que recién bajo, pero es medio pedorra y no tiene el índice ni nada, solo el contenido, así que no pude ver que edición es.

Saludos!
 
hazard_1998 dijo:
juanma, sigo simulando tu esquema y me encuentro con otra duda... se podrá cambiar los bc547 por la serie 2sa.... juaaaa.....
Estoy preparado para ese tipo de preguntas en el post :LOL:
hazard_1998 dijo:
naaa, ahora en serio, la duda es la siguiente, vos colocaste los 2 capas miller dejando dentro del multiplicador miller al seguidor de emisor, por que?, de que sirve meterlo dentro del seguidor de emisor si este no multiplica miller, ya que es de colector comun y gana 1, inclusive este te separa la etapa de entrada de dicha capacidad. por otro lado, sigo pensando que el driver cascodo no beneficia mucho que digamos, le trace la curva de transferencia y fase, compare con cascodo y sin cascodo y nada, distorsion con y sin cascodo y tampoco, no encuentro diferencia, ....
Guarda, creo que simulaste la version que estaba mal (voy a dejar solamente todo lo que funciona, asi evito que simulen algo que no anda).
En la 1.3.1 que arme, no use el seguidor de emisor, y Cmiller quedo entre la base de Tr del VAS y el colector del cascode. En el esquema de mas arriba que arme esta colocado.

Lo del cascode, todo un tema. Comento un poco la historia.
Para armar este amplificador, tome como referencia otros, como comente.
El esquema de Randy no funciona, porque el current mirror no garantiza la polarizacion en clase A del transistor del VAS. Sin saber esto, lo arme en el protoboar y NO funciono, como era de esperar.
Por lo que me comentaron en el foro de DIYAudio, la solucion es no usar current mirror y usar resistencias tales que tengan una caida de tension >0.6V.

Encaprichado en usar current mirror, en esta pagina comenta el problema y la solucion del VAS:
http://users.picknowl.com.au/~glenk/K12A.HTM#3 (utiliza cascode)
En el V-AG de PCPAudio, que es un amplificador simetrico tambien encuentro cascode.
Tiempo despues encontre este hilo que justamente habla sobre el tema de DIYAudio (no lo he leido completo y en detalle, solo por arriba):
http://www.diyaudio.com/forums/showthread.php?threadid=16796

Por lo que conclui, el cascode fija un nivel de tension Vce en el transistor del VAS, pero lo que no pregunte es cual es el nivel optimo de Vce.
En resumen, encontre solo otra manera (la del K12A) de armar un amplificador simetrico sin modo cascode, porque de la otra forma no funciona, es decir, con el transistor del VAS.
Igualmente arme todo en protoboar y funciono. Escuche algunos temas y no escuche nada raro.

En este punto me desoriente un poco, donde me estoy equivocando, no logro verlo.
Comparo con el ClassA de SiliconChip, y Vce del transistor del VAS es casi Vcc, es decir, esta poco/nada polarizado. Cuando arme este amplificador, medi Vce≈8.5V (Vzener 9V1 . Vcc +/-22V) y sin embargo anduvo.
Esta es la medicion (respecto de tierra) de Vce de los transistores de VAS cuando el amplificador satura un poco. Estoy tratando de ver si es correcta:


Voy a leer lo que facilito ezavalla a ver si consigo un poco mas de luz y releer con mas detalle algunas partes de Douglas (que no comenta nada de amplificador simetricos :rolleyes: )

Como comente en un principio, esto esta justamente para eso, comentar/discutir las diferentes partes del amplificador, con sus pro/contras o errores y salir de la tipica clonacion de amplificador.

Saludos

PD: la evidencia de que "funciono" el amplificador
 

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