超低THD失真(<-120db)模拟电路的设计(翻译）

wwwtttwww · 发表于 2024-8-20 21:00

最近在网上偶尔看到一个讲座的视频，不知有人翻译和贴过没有。个人认为非常有趣，特分享。共40页，每天有时间翻译几页。

设计超低THD(<-120db)的模拟电路

Bruce E. Hofer

Audio Precision Inc原董事会主席和联合创立者（现退休）

wwwtttwww · 发表于 2024-8-20 21:02

前言
1. 这个讲座出自我个人48年设计高性能和最先进的电路的经验
2. 你将不能在课本书找到这些东西（一些话题是专利性的，只能超级简略提提，另一些还有待于更多研究和数据）
3. 讲的如有错，全在我（这个讲座出于我对设计模拟电路的热爱和把设计弄好，欢迎讨论反馈）

wwwtttwww · 发表于 2024-8-20 21:20

本帖最后由 wwwtttwww 于 2024-8-20 21:21 编辑

引言
1. 常常，人们仅仅从电路图上并不能看出那些是获得超低失真的重要东西
2. 一个好的电路设计仅仅是重要的第一步
3. 但一个模拟电路设计师必须明了各种元件的不完美和非线性会限制电路的性能
4. 今天我们将重点讨论这些因素
- 元件的非线性模型，估算失真
- 电阻和电容的善恶丑
- 运算放大器的非线性
- 一些电路建议和提示

无语密码 · 发表于 2024-8-20 22:06

这种电路一直是个难题，尤其是频响扩展
利用超低失真的特点，也容易实现DC

capa · 发表于 2024-8-20 22:15

看了两行我觉得这是在吹牛B

wwwtttwww · 发表于 2024-8-21 07:10

非线性的泰勒数列模型
1. 许多非线性形式可用泰勒公式表示，如动态增益：

2. 谐波失真与泰勒数列中的系数有关，如果忽略高阶失真的话：
3. 正弦波的二次和三次谐波失真可用动态增益的正向峰值（Ap），负向峰值（An）和过零点的增益（Ao）来估算

wwwtttwww · 发表于 2024-8-21 07:12

射极跟随器实例

1. 一个射随器电路，由三极管MPSA18，4.02k电阻接-15V，集电极接+15V
2. 任务：估算输出信号中的的失真，基极输入为10Vp-p，1KHz
假设温度22C（295K）Vbe约0.64V
3. 电路见下页
- 元素re是晶体管的b-e极之间的音频下的动态阻抗
- 100K是测量失真的音频分析器的输入阻抗（DC隔断）
- re和负载共同组成总负载使电路的增益略小于1，这个增益随着射极电流的而变化

wwwtttwww · 发表于 2024-8-21 07:14

射极跟随器电路
其中re=kT/qIe

wwwtttwww · 发表于 2024-8-21 07:16

失真估算
1. 动态射极电阻re约等于kT/qIe，k波尔兹曼常数，T温度（295K恒温，这假设常常不是太精确），q电子电荷
2. 计算Vb在-5V，0V，+5V下的动态增益
3. 2HD估算-74.3db
4. 3HD估算-92.7db
5. 该电路测量2HD=-75.4db，3HD=-92.5db

daoren · 发表于 2024-8-21 08:34

模拟电路发掘性能的余地不大了，音质的瓶颈还在于音箱喇叭。

筑明 · 发表于 2024-8-21 09:18

这几天翻看了了楼主的几个帖子，都是很有干货的好贴，这个分享贴更是有技术含量，谢谢楼主的翻译和分享！论坛有你更精彩！

wwwtttwww · 发表于 2024-8-21 10:45

本帖最后由 wwwtttwww 于 2024-8-21 10:48 编辑

筑明发表于 2024-8-21 09:18
这几天翻看了了楼主的几个帖子，都是很有干货的好贴，这个分享贴更是有技术含量，谢谢楼主的翻译和分享！论 ...

我见你非常重视电路的失真，我也非常支持你设计一款IC前放，这个讲座的最后一部分是讲IC电路的非线性失真，并提出如果制作低失真IC放大器，第一个IC应该有什么性能，第二个IC应该有什么性能，你可以参考。

值得提出的是，这个作者是AP的联合创始人和前董事会主席，Audio Precision Inc，他的经验应该值得我们认真学习。

daoren · 发表于 2024-8-21 10:55

本帖最后由 daoren 于 2024-8-21 16:09 编辑

一个负反馈，把非线性问题都解决了，我们关键要做的是相位差要小。

彭星 · 发表于 2024-8-21 11:20

感谢分享！

PHszl · 发表于 2024-8-21 16:22

前人的经验是一笔不可多得的财富！支持楼主

wwwtttwww · 发表于 2024-8-22 04:32

本帖最后由 wwwtttwww 于 2024-8-22 04:47 编辑

频率相关的非线性

1. 一些形式的非线性取决于频率，这种情况下泰勒公式中的系数也是频率的函数
2. 从这些系数，特定频率下的失真可被估算，这里还是忽略高阶失真
3. 其中一个特例就是由电阻的热调制产生的一类失真

wwwtttwww · 发表于 2024-8-22 05:03

因为这个PPT是Bruce E. Hofer用于讲座的，都是一些纲领性的东西，加上专业隔阂，直接翻译感觉有时力不从心，词不达意。结合他的视频，简单小结一下。
作者虽然是讲超低失真模拟放大器设计，但他一开始就发问听众有没有音响爱好者。他这个1-8页总体就是提出估算线路非线性失真的泰勒公式，然后用一个简单的射极跟随器电路进行理论计算和实测，结果相符，表示这个公式是可用来计算非线性失真的。然后在第8页进一步引申，这个公式可用用来描述电路在特定频率下的非线性失真。最后一句就是他要作为例子讨论电阻热效应引起的调制的非线性失真。

wwwtttwww · 发表于 2024-8-22 10:33

电阻的热调制
1. 电阻上耗散功率的瞬间变化并不能使3D电阻体积温度也瞬间变化-电阻温度变化的幅度会响应它上面的正弦信号，因此也是频率相关的
2. 下面是一个计算电阻热调制的模型
泰勒数列 k2(w)=0, k3(w)=TC*Z(w)/Ro
3. TCr是电阻的直流温度系数ppm/C
4. Z(w) 是热阻c/w，非常复杂的频率的函数，不易简单地描述围为单极或0极
w趋近0，Z(w)接近电阻的直流下对环境的热阻，典型的1206厚膜电阻的这个值约为340C/W，相当尺寸的薄膜电阻为240-440C/W

wwwtttwww · 发表于 2024-8-22 10:36

电阻的热调制继续
1. 在非常低的频率下(<0.2hz)，电阻随信号到达热平衡- 2HD 为0， 3HD为
2. 随着信号频率增加，Z(w)的幅度，及相应的3HD滚降，在频率达到1-2KHz可以忽略不记
- W趋近无穷大，Z(w)趋于0
- 作者实验对一个1206表面安装的电阻可用公式计算(需要更多数据)
- 作者做的其他试验(其他人也获得）表明金属箔电阻表现出非常强的这个特性，在3HD开始滚降前
, 在Z(w)的绝对值＞θRa在10-200Hz范围，

wwwtttwww · 发表于 2024-8-22 10:39

泰勒数列模型应用的局限性
1. 泰勒模型实用于随信号电压或电流增加的非线性
2. 单它不能用于描述下面几类非线性
- 信号减少时的过零非线性失真
- 接触电阻引起的非线性失真
- 削顶或压摆率太小引起的非线性失真
- 时间变化失真
- 被动元件的电压系数效应

[分析测量] 超低THD失真(<-120db)模拟电路的设计(翻译）