Come è possibile creare un cattivo amplificatore audio?

Dopo aver scoperto quanto sono grandi gli amplificatori operazionali e che alcuni estremamente buoni - specialmente a bassi livelli di potenza - sono disponibili a prezzi ragionevoli, mi chiedo perché tutti gli amplificatori audio, grandi o piccoli, non ottengano prestazioni eccellenti semplicemente combinando un buon amplificatore operazionale di piccolo segnale con un semplice stadio di uscita.

Voglio dire, con Opamp non c'è bisogno di preoccuparsi di tutte queste tensioni di polarizzazione e stabilità della temperatura, basta inserire Opamp e tutti i transistor Darlington senza pari, e sei a posto.

Alcune insidie?

L'uso di opamp negli amplificatori può semplificare drasticamente il loro design, ma gli opamp non sono perfetti. Se avessero un'amplificazione infinita su tutta la loro larghezza di banda, tenderebbero a oscillare , quindi sono compensati internamente, il che limita la loro larghezza di banda. Una larghezza di banda limitata rende l'amplificatore soggetto a distorsioni di intermodulazione transitoria (TIM), un tipo di distorsione molto più fastidioso della distorsione armonica (HD).

Il motivo per cui viene pubblicato solo HD, e TIM non lo è mai, è che è molto più facile ottenere figure HD di bell'aspetto. Chi non sarebbe impressionato da una cifra come lo 0,01% di distorsione armonica? La maggior parte dei clienti non si rende conto che questa cifra è totalmente irrilevante perché la distorsione totale del sistema è in gran parte determinata dagli altoparlanti, il che aggiunge facilmente una distorsione di qualche percento.

Anche lo stadio di potenza non è privo di problemi. Gli amplificatori di classe A sono poco utilizzati a causa della loro bassa efficienza. Gli amplificatori di classe B o AB hanno una distorsione crossover in cui un transistor prende il posto dell'altro. Questa è una distorsione non lineare che non può essere compensata dal feedback . Potrebbe non essere vero. Se qualcuno può illuminare qui mi piacerebbe ascoltarlo. .

Un'ultima citazione sugli opamp:

"Non esiste un amplificatore operazionale incondizionatamente stabile se non si trova sul tavolo con l'alimentazione scollegata" [ 1 ]

Ulteriori letture
[1] Intersil appnote AN9415: Feedback, Amplificatori operazionali e Compensazione

Domanda interessante: la risposta (beh, la mia risposta) è che puoi creare un ottimo amplificatore audio in questo modo. Dovresti comunque prestare attenzione allo stadio di uscita e al design generale, ma l'uso di opamp non è un problema (e molto comune al giorno d'oggi per amplificatori di base, economici con buone prestazioni)
Sebbene gli opamp siano strumenti convenienti e ci sono alcuni eccellenti moderni quelli disponibili, ci sono sicuramente molti modi in cui puoi usarli per ottenere un risultato scadente se non presti attenzione ai dettagli.

Ciò non significa che le persone lo compreranno, e i progettisti lo sanno, quindi si ottengono ancora amplificatori "Hi-Fi" basati su valvole di fascia alta che costano> £ 2000 con il 2% di THD. Potresti forse dire che l'intenzione era quella di creare un amplificatore "cattivo" qui perché (ironicamente) farà più soldi - sfortunatamente "grande" significa molte cose diverse per molte persone diverse.
Ce ne sono alcuni nel campo soggettivista che hanno sostanzialmente deciso che l'orecchio umano è più preciso di qualsiasi strumento di misurazione e può sentire cose che nessuno di loro può vedere. Quindi possono sempre dire "Sì, il tuo THD + n è in effetti <0,001% da 20Hz-20kHz ma non stai consentendo effetti non misurabili x con il tuo design, ed è per questo che non suona bene all'orecchio"

Se il desiderio di perfezione tecnica fosse tutto ciò che contava, cose come i cavi senza ossigeno che costano centinaia non arriverebbero mai sul mercato :-)

Penso che potresti voler leggere il "Small Signal Audio Design" di Douglas Self e il "Manuale di progettazione dell'amplificatore di potenza audio".
Ho trovato che lui era una vera autorità su tali questioni. I suoi libri parlano dell'uso sia di opamp che di transistor discreti. Valuta i punti di forza / di debolezza che includono molti dati dei test di vita reale e fornisce esempi in cui è possibile ottenere prestazioni migliori con transistor discreti.

In effetti, nell'elettronica di consumo, è comune che gli amplificatori audio a bassa e media potenza siano interamente su un chip, soprannominato "chip amp".

Un problema è che la maggior parte di quegli amplificatori operazionali a basso costo che allude a non avere un'oscillazione di tensione sufficientemente ampia da pilotare uno stadio di uscita che di per sé non ha alcun guadagno di tensione. Se un amplificatore operazionale funziona a +/- 15 V max, e dopo mettiamo uno stadio di potenza, l'oscillazione di uscita è ancora limitata a +/- 15 V. Ci sono amplificatori operazionali che funzionano con tensioni significativamente più elevate, ma diventano costosi.

L'aggiunta di più guadagno di tensione dopo l'amplificatore operazionale, in modo tale che il guadagno sia racchiuso nel circuito di feedback globale, è rischioso e annulla parte dello spazio e dei vantaggi in termini di risparmio di costi poiché da allora esiste più complessità espressa in componenti discreti rispetto a uno stadio di uscita.

Tuttavia, a volte questo è fatto a volte. Ad esempio, dai un'occhiata all'amplificatore per chitarra su rack Marshall 8008 . Un amplificatore operazionale guida uno stadio di amplificazione della tensione aggiuntivo seguito da uno stadio di uscita. Il VAS è interessante: utilizza una coppia di transistor complementari in base comune, con basi legate rispettivamente alle guide +/- 15V. Il feedback viene preso direttamente dallo stadio di uscita, quindi il guadagno extra è incluso nel loop di feedback. Sebbene l'amplificatore operazionale sia compensato internamente, questo VAS imbullonato ha una propria compensazione sotto forma di C15 e C17. Il guadagno ad anello aperto completo dell'amplificatore operazionale non viene utilizzato, poiché ha un feedback locale tramite R3, e anche R45 sembra svolgere un ruolo nel fornire un percorso di feedback più locale all'interno di quello globale.

In sintesi, se l'oscillazione della tensione di uscita rientra nell'intervallo di un tipico amplificatore operazionale (o anche oltre), non vi è alcun vantaggio nell'utilizzo di un amplificatore operazionale, poiché è possibile utilizzare un amplificatore chip come un LM3886. Tuttavia, l'utilizzo di amplificatori operazionali come punto di sommatoria del feedback, con uno stadio di uscita discreto, non è inaudito.

Ci sono anche i requisiti di unità dello stadio di uscita da tenere a mente. Un amplificatore valutato per una potenza di uscita media di 100 watt in un carico di 8 ohm, utilizzando uno stadio di uscita standard emettitore-follower, richiederà un'oscillazione di circa +/- 40 volt da picco a picco dallo stadio del driver. Gli opamp che possono emettere queste tensioni "elevate" sono significativamente più costosi rispetto ai normali amplificatori audio op. Inoltre, esiste ancora il problema di differenziare correttamente l'output e garantire che la polarizzazione sia stabile alla temperatura; l'utilizzo di un opamp come il driver non risolve magicamente questo problema.

Esistono modi per utilizzare transistor discreti nel driver e negli stadi di uscita, insieme ai circuiti di polarizzazione associati, e utilizzare un opamp come driver, come le note delle applicazioni qui. Questi circuiti sembrano essere principalmente per applicazioni ad alta velocità, tuttavia, e quale vantaggio potrebbero avere per l'audio hi-fi (dove l'obiettivo dichiarato è di solito avere il minor numero di stadi di guadagno possibile e rendere ciascuno di essi il più lineare possibile prima al feedback applicato) non è chiaro.