Wie ist es möglich, einen schlechten Audioverstärker herzustellen?

Nachdem ich herausgefunden habe, wie großartig Operationsverstärker sind und dass einige extrem gute - insbesondere bei niedrigen Leistungspegeln - zu vernünftigen Preisen erhältlich sind, frage ich mich, warum alle großen oder kleinen Audioverstärker keine hervorragende Leistung erzielen, wenn sie einfach a kombinieren Guter Kleinsignal-Operationsverstärker mit einfacher Ausgangsstufe.

Ich meine, mit opamp müssen Sie sich keine Sorgen um all diese Vorspannungen und die Temperaturstabilität machen. Halten Sie einfach opamp und alle unübertroffenen Darlington-Transistoren fest, und Sie können loslegen.

Fallstricke?

Die Verwendung von Operationsverstärkern in Verstärkern kann deren Design drastisch vereinfachen, aber Operationsverstärker sind nicht perfekt. Wenn sie über ihre gesamte Bandbreite eine unendliche Verstärkung hätten, würden sie dazu neigen, zu schwingen , so dass sie intern kompensiert werden, was ihre Bandbreite begrenzt. Eine begrenzte Bandbreite macht den Verstärker anfällig für Transient Intermodulation Distortion (TIM), eine Art von Verzerrung, die viel ärgerlicher ist als die harmonische Verzerrung (HD).

Der Grund, warum nur HD veröffentlicht wird und TIM nie, ist, dass es viel einfacher ist, gut aussehende HD-Zahlen zu erhalten. Wer würde nicht von einer Zahl wie 0,01% harmonischer Verzerrung beeindruckt sein? Die meisten Kunden wissen nicht, dass diese Zahl völlig irrelevant ist, da die Verzerrung des Gesamtsystems größtenteils von den Lautsprechern bestimmt wird, wodurch leicht einige Prozent Verzerrung hinzugefügt werden.

Auch die Endstufe ist nicht ohne Probleme. Klasse-A-Verstärker werden wegen ihres geringen Wirkungsgrades kaum eingesetzt. Verstärker der Klasse B oder AB weisen eine Überkreuzungsverzerrung auf, bei der ein Transistor den anderen übernimmt. Dies ist eine nichtlineare Verzerrung, die nicht durch Rückkopplung kompensiert werden kann . Kann nicht wahr sein. Wenn hier jemand aufklären kann, würde ich es gerne hören. .

Ein letztes Zitat zu Opamps:

"Es gibt keinen bedingungslos stabilen Operationsverstärker, wenn er nicht ohne Strom auf dem Tisch liegt" [ 1 ]

Weiterführende Literatur
[1] Intersil Appnote AN9415: Feedback, Operationsverstärker und Kompensation

Interessante Frage - die Antwort (nun meine Antwort) ist, dass Sie auf diese Weise einen großartigen Audioverstärker herstellen können. Sie müssten immer noch etwas auf die Ausgangsstufe und das Gesamtdesign achten, aber die Verwendung von Operationsverstärkern ist kein Problem (und heutzutage sehr häufig für einfache, billige Verstärker mit guter Leistung).
Obwohl Operationsverstärker praktische Werkzeuge sind und es einige ausgezeichnete moderne gibt Es gibt sicherlich noch viele Möglichkeiten, wie Sie sie verwenden können, um ein schlechtes Ergebnis zu erzielen, wenn Sie nicht auf die Details achten.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Leute es kaufen werden, und Designer wissen dies. Sie erhalten also immer noch High-End-Ventil-basierte "Hi-Fi" -Verstärker für> £ 2000 mit 2% THD. Man könnte vielleicht sagen, dass die Absicht war , hier einen "schlechten" Verstärker herzustellen, da er (ironischerweise) mehr Geld verdient - leider bedeutet "großartig" für viele verschiedene Menschen viele verschiedene Dinge.
Sie haben einige im subjektivistischen Lager, die im Grunde genommen entschieden haben, dass das menschliche Ohr genauer ist als jedes Messinstrument und Dinge hören kann, die keiner von ihnen sehen kann. Sie können also immer sagen: "Ja, Ihr THD + n ist zwar <0,001% von 20 Hz bis 20 kHz, aber Sie lassen bei Ihrem Design keinen nicht messbaren Effekt x zu, und deshalb klingt es für das Ohr nicht gut."

Wenn nur der Wunsch nach technischer Perfektion von Bedeutung wäre, würden Dinge wie sauerstofffreie Kabel, die Hunderte kosten, niemals auf den Markt kommen :-)

Ich denke, Sie möchten vielleicht Douglas Selfs "Small Signal Audio Design" und "Audio Power Amplifier Design Handbook" lesen.
Ich habe festgestellt, dass er in solchen Angelegenheiten eine ziemliche Autorität ist. In seinen Büchern wird die Verwendung von Operationsverstärkern und diskreten Transistoren erörtert. Er wägt die Stärken / Schwächen ab, die viele reale Testdaten enthalten, und gibt Beispiele, bei denen Sie mit diskreten Transistoren eine bessere Leistung erzielen können.

In der Unterhaltungselektronik ist es üblich, dass sich Audioverstärker mit niedriger bis mittlerer Leistung vollständig auf einem Chip befinden, der als "Chipverstärker" bezeichnet wird.

Ein Problem ist, dass die meisten dieser billigen Operationsverstärker, auf die Sie anspielen, keinen ausreichend breiten Spannungshub haben, um eine Ausgangsstufe anzutreiben, die selbst keine Spannungsverstärkung aufweist. Wenn ein Operationsverstärker mit maximal +/- 15 V betrieben wird und wir danach eine Leistungsstufe einrichten, ist der Ausgangshub immer noch auf +/- 15 V begrenzt. Es gibt Operationsverstärker, die mit deutlich höheren Spannungen betrieben werden, aber sie werden teuer.

Das Hinzufügen einer größeren Spannungsverstärkung nach dem Operationsverstärker, so dass die Verstärkung in der globalen Rückkopplungsschleife eingeschlossen ist, ist riskant und negiert einen Teil des Platz- und Kosteneinsparungsvorteils, da in diskreten Komponenten mehr Komplexität ausgedrückt wird als nur in einer Ausgangsstufe.

Trotzdem wird dies tatsächlich manchmal gemacht. Schauen Sie sich zum Beispiel den Marshall 8008 Rackmount-Gitarrenverstärker an. Ein Operationsverstärker steuert eine zusätzliche Spannungsverstärkungsstufe an, gefolgt von einer Ausgangsstufe. Das VAS ist interessant: Es verwendet ein Paar komplementärer Transistoren in gemeinsamer Basis, wobei die Basen jeweils an die +/- 15 V-Schienen gebunden sind. Die Rückkopplung erfolgt direkt von der Ausgangsstufe, sodass die zusätzliche Verstärkung in der Rückkopplungsschleife enthalten ist. Obwohl der Operationsverstärker intern kompensiert ist, verfügt dieses angeschraubte VAS über eine eigene Kompensation in Form von C15 und C17. Die volle Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers wird nicht verwendet, da er über R3 eine lokale Rückkopplung aufweist und R45 auch eine Rolle bei der Bereitstellung eines lokaleren Rückkopplungspfads innerhalb des globalen zu spielen scheint.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung eines Operationsverstärkers keinen Vorteil bietet, wenn der Ausgangsspannungshub im Bereich eines typischen Operationsverstärkers (oder sogar darüber hinaus) liegt, da Sie einen Chipverstärker wie einen LM3886 verwenden können. Die Verwendung von Operationsverstärkern als Rückkopplungssummierungspunkt mit einer diskreten Ausgangsstufe ist jedoch keine Seltenheit.

Es sind auch die Antriebsanforderungen der Ausgangsstufe zu berücksichtigen. Ein Verstärker, der für eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 100 Watt bei einer 8-Ohm-Last unter Verwendung einer Standard-Emitterfolger-Ausgangsstufe ausgelegt ist, erfordert einen Schwing von etwa +/- 40 Volt von Spitze zu Spitze von der Treiberstufe. Operationsverstärker, die diese "hohen" Spannungen ausgeben können, sind erheblich teurer als normale Audio-Operationsverstärker. Darüber hinaus besteht immer noch das Problem, den Ausgang richtig vorzuspannen und sicherzustellen, dass die Vorspannung temperaturstabil ist. Die Verwendung eines Operationsverstärkers als Treiber löst dieses Problem nicht auf magische Weise.

Es gibt Möglichkeiten, diskrete Transistoren in den Treiber- und Ausgangsstufen zusammen mit der zugehörigen Vorspannungsschaltung zu verwenden und einen Operationsverstärker als Treiber zu verwenden, wie in der hier angegebenen Anwendung angegeben . Diese Schaltungen scheinen jedoch in erster Linie für Hochgeschwindigkeitsanwendungen gedacht zu sein und welchen Vorteil sie für HiFi-Audio haben könnten (wobei das erklärte Ziel normalerweise darin besteht, so wenig Verstärkungsstufen wie möglich zu haben und jede von ihnen vorher so linear wie möglich zu machen auf Feedback angewendet wird) ist unklar.