Dizajn analognih kola za ultra niski THD+N

[nik]

Nadjoh ovo kratko predavanje g. Bruce E. Hofer-a, predsednika i suosnivača firme 'Audio Precision':

Designing for Ultra-Low THD+N in Analog Circuits


Mislim da ga valja imati ovde. Možda neko i prokomentariše, proširi?

[Braca]

Pokretanje ove teme je za pohvalu.

Mislim da sam par puta pomenuo ovaj značajan dokument u okviru teme BP Preamp LA Vol. 5, ali je svakako bolje imati ga na posebnom mestu.

Postoji i PDF članak, objavljen u "Audio Express", koji registrovani članovi mogu dobiti na web stranici AP, i u kome ima još detalja i slika.
Ne mora da znači da se preporuke B. Hofer-a odnose samo na vrhunski dizajn - ima stvari koje mogu imati uticaja i na tipičnom DIY nivou. Pomenimo, recimo, razlike izmedju "thick" i "thin" film otpornika, uticaj veličine otpornika na izobličenja u SMD konstrukcijama, ili nešto o čemu se retko priča, a to je mikrofonija kondenzatora.

Istakao bih i dobro slaganje rezultata proračuna šuma i izmerenih rezultata, koje pokazuje da u tu svrhu nije uvek potrebno koristiti simulatore. Ne želim da kažem da je prikazana metoda trivijalna, jer se i u jednom i u drugom slučaju moraju poznavati mehanizmi nastanka i širenja šuma kroz šemu, ali tabelarna metoda nudi bolji uvid.

Pokušaću da nadjem nešto na ovu temu i u svojoj biblioteci.

Pozdrav

[emiSAr]

Pokretanje ove teme je za pohvalu.
 Pomenimo, recimo, razlike izmedju "thick" i "thin" film otpornika, uticaj veličine otpornika na izobličenja u SMD konstrukcijama, ili nešto o čemu se retko priča, a to je mikrofonija kondenzatora.

@Braca pozdrav
70-tih godina proslog vijeka razvijao se neki VF uredjaj i za dekuplazu koristeni keramicki kondenzatori
tvornice iz Gevgelije. Preko 90% serije ponasao se kao piezo, unosio mikrofoniju, a u konkretnom slucaju
u uredjaj unosio nezeljenu FM modulaciju.-
SMD kondenzatori su uglavnom keramika, a ni pojedini tantali nisu imuni na mikrofoniju.
Slatko se nasmijem kad u specifikacijama nekog KV uredjaja procitam da je osjetljivost 0,25uV za 10dB odnosa
signal/sum.
Nivo kosmickog suma je toliki da tek signal iznad 1,9uV je moguce detektovati-registrovati i to za 6dB S/N
na frekvencijama ispod 20MHz. Porastom frekvencije situacija se popravlja.
U NF kod obrade malih signala (MC MM izvori kao i mikrofoni) ni vlastiti sum uredjaja (inverzno polarisani
PN spojevi i pojedini otpornici nije za zanemariti).-
pOz

[Braca]

@EmiSar: pozdrav i hvala za komentar.

Kako se ide prema sve nižim nivoima šuma i izobličenja, o takvim pojavama se u najmanju ruku mora razmisliti.

Nedavno je na diyAudio.com, tema "Low-distortion audio range oscillator", jedan od graditelja imao problem da razjasni izobličenja koja su se nenadano pojavila posle zamene kondenzatora u Wien-ovom mostu. Sumnjajući na ovu vrstu efekata, jedan vrlo ozbiljan član foruma mu je predložio da napravi par merenja pri različitim položajima oscilatora na stolu i uporedi rezultate. Očekivao je razlike u zavisnosti od orijentacije kondenzatora u odnosu na silu gravitacije. Pretpostavljam da su se neki nasmejali predlogu, ali pošto se radi o oscilatoru sa THD nižim od -120dB postoji verovatnoća da neka vrsta kondenzatora ipak pokaže takve effekte.

Pozdrav

[emiSAr]

Ako bilo kakav uredjaj nije magnetski oklopljen, uticaj Zemljinog magnetnog polja nije zanemariv.-
Ona magnetska folija za oklapanje iako visoke cijene ima smisla. I na to, kod veoma osjetljivih stvari
treba racunati, 99% TH komponenti ima Fe izvode, galvanski ili nekim drugim postupkom presvucene
nekim neoksidirajucim metalom koji se moze lemiti. Mislim na aktivne komponente-IC i tranzistore.-
pOz

[Braca]

Pre par nedelja sam vršio neka merenja na eval. modulu za INA1620 (pojačavač za slušalice sa uparenim otpornicima za pov. spregu na čipu)
https://www.ti.com/lit/ug/sbou205/sbou20...sal_search
i došao do jednog interesantnog i poučnog rezultata.

Imam taj modul već nekoliko godina i do sada nisam uspeo da dobijem THD koji TI daje u DS, naime drugi harmonik na -133,6dBc @ 32R @ 50mW (1,265V na 32R). Dobijao sam najviše oko -126dBc, što je velika razlika.
Na EVM TI dobija -125,5 (levi kanal) i -126,9 dBc (desni kanal) sa 32R @ 1V, tj. 31,2mW, što znači da su merenje za DS radili na nekoj drugoj platformi.

EVM nema na sebi elektrolite za bajpas na nožicama napajanja čipa, već samo X7R od 10uF/35V i 0,1uF/25V.
Kada pogledam DS za kondenzator od 10uF (Tayo Yuden GMK316AB7106KL) vidim da pri napajanju od 15V on ima kapacitet od samo 2,5uF (75% od nominale), a isto se može očekivati i od onog malog (0,1uF).
Sve u svemu, mizeran bajpas, pa nije čudo što su i moji i njihovi rezultati ispod onih na DS.

Vezivanjem elektrolita od 22uF/50V između (+) i (-) pola na ulaznom konektoru napajanja (blizu čipa nije moguće lemiti), 2. harmonik se poboljšava na -128,7dBc, a sa dva elektrolita na plusu i minusu prema masi dobio sam -129dBc, što se može smatrati identičnim rezultatom. Treći harmonik je za 1dB niži u konfiguraciji sa samo jednim elektrolitom.

Spektrogrami u prilogu pokazuju odozgo na dole tri gore pomenute varijante - razdvojeni su da bi se videle razlike.

Naravoučenije iz ove priče je da ako se za bajpas koriste keramički kondenzatori, onda uvek treba uzeti znatno viši napon od radnog, a još bolje je ići na elektrolite.
Varijantu sa jednim elektrolitom između plusa i minusa sam našao kod Gronera - on je puno koristi, ali ne uvek, o čemu ćemo drugom prilikom.

P.S. Moja merenja su urađena pri uslovima iz DS, što znači da je moj najbolji rezultat još uvek za 4,6dB slabiji od onoga iz DS-a.

[nik]

Link iz prvog posta više nije validan ali se pdf-ovi mogu naći. Evo ih da se ima. 
A Braca će da izgura do brojki iz DS za taj modul, siguran sam.
  

  HoferUltraLowTHD+NPart1.pdf (Size: 2,32 MB / Downloads: 15)
  HoferUltraLowTHD+NPart2.pdf (Size: 3,93 MB / Downloads: 11)

[mikikg]

Da se uradi onda "pismena" PCB, sa 4-sloja, sa X2Y kondenzatorima + Tantal + Elco + dodatni filteri za napajanje pa da se onda premeri ako već toliko utiču ti kondenzatori!? : )
I dodatno metalni poklopci, MU-metal ili CNC izglodani aluminijum ... kao RF da se pravi ... sa "zadihtovanim" konektorima, ne one pin-letvice ...

[BeliNinja]

Hvala Braco za trud i rezultate.

Eto ti ga sad 😅
Do skoro je bilo trpaj keramike u nizovima 10/1/0.1uF sad ispade da to nije neko rešenje.

LAMPE SU ZAKON 😅😅😅

[progster]

Odavno je prevaziđena ta priča, ali se na žalost i dalje vuče...
https://www.youtube.com/watch?v=3rxKZWQk_DY

[Braca]

Dopuna prethodno postavljenih rezultata poređenjem neinvertujućeg i invertujućeg ulaza.

Invertujući ulaz se ređe koristi zbog niske ulazne impedanse i, najčešće, većih izobličenja u odnosu na neinvertujući.
Međutim, invertujući ulaz je superioran u prisustvu zajedničkog moda (common mode, CM).

Gornji spektar u prilogu odnosi se na neinvertujući ulaz, a donji na invertujući pri istom pojačanju.
Kao prvo, vidimo da je inv. ulaz robustniji u odnosu na spoljašnje smetnje, koje se na ulazu u op-amp predstavljaju kao CM (merenje je obavljeno bez ikakvog oklapanja, a pločica se napaja jednostavnim kineskim SMPS-om sa TPS65131, bez dodatnih regulatora).
Invertovani ulaz ima za 2dB viši drugi harmonik i znatno slabije neparne harmonike (donja linija).

U suštini, 1620 je na EVM povezan kao diferencijalni pojačavač jer se na oba ulaza nalaze otporni delitelji 1k/1k, tako da bez obzira na koji se ulaz dovede signal, pojačanje je 0dB.
Međutim, vidimo da simetrija nije potpuna, pa bi bilo interesantno videti šta se dobija sa balansnim signalom...

[Vlada021]

Već par meseci se igram sa full wave bridge rectifier-om ali sa balansiranim ulazom ali bez korišćenja mase na ulazu, znači floating..., ono što ja pokušavam da uradim je da ga napravim što jednostavnije, jedan do dva op ampa...
Ono što sam ja zapazio u toj igrariji je da balansirani ulaz ima više buke ali da i na frkventni odziv sklopa jako utiče visina ulaznog signala naročito posle 10kHz.
Ovaj pdf što je @Braca postavio, čak vidim da je ostavljeno R4 i R16 da se sistem trimuje a i još jednu stvar sam primetio je npr. u ovom slučaju C1 i C2 ne mogu biti isti,bar ne u mom slučaju, ili imam roll off ili imam podizanje nivoa viših frekvencija na izlazu.
Verujem da se to dešava zbog različite ulazne impedanse non i inv ulaza up ampa.
Nemam baš znanja da sve objasnim kako treba ali nadam se da sam uspeo.
Nadam se da nije off topic ali morao sam da podelim svoja zapaženja.