Costruzione OpAmp a componenti discreti

[elfo]

Su suggerimento di IsidoroKZ guarda questa pagina di Self.

Ci sono ottime misure sul "tuo" amplificatore (blameless amplifier).

http://www.douglas-self.com/ampins/dipa/dipa.htm

[BrunoValente]

Mi pare che la semionda positiva sia leggermente meno ampia della negativa, questo dovrebbe significare che, quando la palla passa da Q12 a Q11, il guadagno ad anello aperto si riduca parecchio e che diventi confrontabile con quello ad anello chiuso, per cui durante la semionda positiva la controreazione non è sufficientemente efficace (fattore di discrepanza insufficiente, mi pare si chiami così) e così anche ad anello chiuso si riesce a notare la differenza.

Azzardo l'ipotesi che la causa di questo diverso guadagno tra le due semionde possa dipendere dal fatto che nello stadio finale per la semionda negativa il guadagno di corrente è dato da Q12 e Q13, mentre invece per quella positiva solo da Q11.

Se così fosse credo gioverebbe aggiungere un altro transistor NPN collegato in Darlington con Q11

[MarcoD]

I suggerimenti dei post 21 e 22 sono ottimi.

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Prova a inserire il condensatore C4, permette la stabilizzazione del punto di lavoro in continua, ma riduce la reazione a frequenza audio, quindi aumenta il guadagno dell'amplificatore, mettendo in evidenza le distorsioni.
Fissando una uscita del generatore di segnale ad ampiezza opprtuna, rileva con l'oscilloscopio la presenza di inizio di distorsioni nei vari stadi e verifica che la limitazione avvenga in modo simmetrico.

Qunanto al circuito, hai detto che ha scopo didattico, non puoi pensare di raggiungere le prestazioni ottenute da progettisti che si specializzano per anni sugli amplificatori.

[MarcoD]

Esaminato le immagini:

4605 pare più distorto l'ingresso dell'uscita. L'ingresso è molto rumoroso!
adoperi sonde schermate o un pezzo di filo?
Se possibile, prova a ridurre la banda dell'oscilloscopio a 20 MHz.
Forse ti sei connesso alla massa in un punto infelice.
oppure metti un condensatore da 1 nF in parallelo all'ingresso sonda.
Hai cavi lunghi di alimentazione fra circuito e alimentatore ?
L'alimentatore è switching ?
Metti un condensatore da 100 uF almeno 50 Vl ai capi dell'alimentazione 30V del circuito.

4606, aumenta il guadagno orizzontale finio a fare apparire una retta con pendenza a 45 gradi.
potrai osservare meglio la relazione uscita- ingresso.

4609 FFT, se fai comparire solo 3 sinusoidi, la FFT risulta larga e poco significative,
varia la base tempi e farne apparire almento 100, nella FFT vedrai le armoniche.

Nelle immagini oscillo, visualizza anche le impostazioni dell'oscilloscopio.

Invia una immagine di insieme generatore-amplificatore- alimentatore oscilloscopio

Quella di fare misure con l'oscilloscopio e collegare opportunamente le sonde non è un'arte, ma quasi.

[lorespaul]

Grazie. In effetti utilizzo dei jumper per collegare le sonde alla breadboard ma pensavo che andasse bene avendo utilizzato lo stesso modus operandi anche su implementazioni di altri amplificatori didattici.

Per esempio su questo non ho avuto problemi.

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L'alimentatore è uno switching e ho gia un condensatore di bypass da 10u sulle linee di alimentazione. Putroppo nel cassetto ho solo 220u per tensioni maggiori di 25v.

Comunque grazie per la dritta sulla funzione FFT. Stasera riprendo le misure con tutti gli accorgimenti descritti.
Magari potrebbe avere senso aumentare la resistenza di ingresso R6?
EDIT: Oppure potrei provare ad invertire lo stadio differenziale con dei PNP (e di consegunza anche il VAS)?

[elfo]

Non se se hai dato una occhiata al link del post [21] (pagina di Self).

Dovresti guardare la pagina indicata perche' risponde a (quasi) tutti i tuoi "problemi" con annesse misure.

Oltre agli ottimi suggerimenti che ti hanno gia' dato sul forum qui sotto riporto nello schema alcuni punti ulteriori (non necessariamente i piu' importanti o i primi da considerare):

***** Slew Rate
- Slew Rate 0,91 V/us (in realta' e' il doppio perche' la corrente che puo' essere "iniettata" nel condensatore C2 e' il doppio - tutta quella del generatore di corrente del differenziale in ingresso)

- a questo SR corrisponde un frequenza max di circa 16 kHz (32 kHz) per una ampiezza di picco del segnale in uscita di 10 V (20 Vpp - 7 V efficaci)

Generalmente e' richiesto un SR da 5 a 10 V/us quello minimo per non avere distorsione.

***** Cablaggio
Vedi nello schema qui sotto come deve essere cablato il nodo di uscita e il prelievo del segnale di feedback

***** Reiezione alimentazione
Per il metodo con cui hai polarizzato gli specchi di alimentazione hai una reiezione dei disturbi e della variazione dell'alimentazione "nulla"
Al posto delle resistenze dovresti avere dei generatori di corrente (o utilizzare una topologia diversa - vedi la pagina di Self)

***** Guadagno anello aperto
L'aggiunta del condensatore "C" circa 10 - 100 uF dovrebbe aumentare il guadagno ad anello aperto dell'amplificatore

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[elfo]

Generalmente e' richiesto un SR da 5 a 10 V/us quello minimo per non avere distorsione

Mi e' scappato questo errore

La frase "giusta" e':

Generalmente e' richiesto uno SR da 5 a 10 volte quello minimo per non avere distorsione.

[lorespaul]

Grazie elfo.
Si sto tentando di seguire lentamente la pagina che mi hai linkato per capire bene. Ho provato anche qualche simulazione con LTSpice e stavo pensando di riprodurre il primo circuito indicato nella pagina per escludere problemi negli strumenti utilizzati per la prototipazione.

Ho provato ad aggiungere il condensatore C da 47u. Il risultato è che la distorsione è cambiata. Si è anche mitigata, ma potrebbe essere per il fatto che avendo maggior guadagno ho dovuto abbassare la resistenza di retroazione per non clippare l'uscita (vedi l'immagine sotto).

Dimmi se ho capito bene:
- allo slew rate di 0.91V/us corrisponde una frequenza di 16kHz e quindi 5-10 volte il minimo vuol dire che dovrei stare sotto i 1.6-3.2kHz per non avere distorsione?
- per la reiezione di alimentazione potrei usare la topologia del primo circuito indicato nella pagina di di Self

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Per il cablaggio allego IMG_4629.jpg nello zip. Mi pare che sia già come hai indicato ma non ne sono sicuro.

Aggiungo nell'allegato anche:
- IMG_4611 immagine complessiva del banco di lavoro
- IMG_4621, FFT a 1kHz a vuoto
- IMG_4623 e IMG_4624 sempre a 1kHz a carico (10ohm)

Le FFT mi sembrano sempre uguali. Forse sto ancora sbagliando qualcosa.

Comunque vi ringrazio. Ora o molto materiale su cui lavorare.

[elfo]

riprodurre il primo circuito indicato nella pagina per escludere problemi negli strumenti utilizzati per la prototipazione

Riguardo alla prototipazione - se sai cosa stai facendo - non mi proccuperei molto.
Guarda questa pagina (le immagini) e questo testo relativo alle immagini: nota la distorsione che ottiene con un simile "groviglio".

All circuitry was initially experimented on 3M breadboards. Although it is widely believed that nothing of ultra high performance can be built on breadboards, our experience was entirely positive. Good quality breadboards (as usual, forget those Chinese cheapos!), a careful breadboarding layout and the usual grounding best practices led us to measured performances that justified designing the PCBs. We were able to measure 0.00014% (1.4ppm) THD20 distortion on a breadboarded version of the front end, coupled with the finished Class AB EC OPS!

http://www.synaesthesia.ca/early_stage.html
http://www.synaesthesia.ca/history.html

Ho provato ad aggiungere il condensatore C da 47u. Il risultato è che la distorsione è cambiata. Si è anche mitigata, ma potrebbe essere per il fatto che avendo maggior guadagno ho dovuto abbassare la resistenza di retroazione per non clippare l'uscita (vedi l'immagine sotto)

Questo non lo capisco.

Il guadagno ad anello chiuso - se quello ad anello aperto e' "sufficiente" - e' legato solo dalle due resistenze di controreazione e detto guadagno ad anello chiuso non dovrebbe aumentare se quello ad anello aperto aumenta montando - ad es - il condensatore C.

Sembrerebbe che nella versione "senza condensatore" il guadagno ad anello aperto non fosse "sufficiente"

Io metterei - schema post [15]:

- R6 3k3
- R11(gain) 100 k

e verificherei che il guadagno ad anello chiuso ( senza carico) e' ~ 30
Se non lo fosse vuol dire che il guadagno ad anello aperto non e' sufficiente.

Dimmi se ho capito bene:
- allo slew rate di 0.91V/us corrisponde una frequenza di 16kHz e quindi 5-10 volte il minimo vuol dire che dovrei stare sotto i 1.6-3.2kHz per non avere distorsione?

SI
Per avere un segnale indistorto a 16 kHz @ 10 Vp dovresti avere uno SR > 5 V/us (vedi formula nello schema post [26])
Vedi ancheI Linear Brief National ("piratata" dalla TI)

Predicting Op Amp SlewRate Limited Response

https://www.ti.com/lit/an/snoa852/snoa8 ... e.com%252F

Per le "orecchie d'oro" (ma non solo) occorre un margine di sicurezza > 5

- per la reiezione di alimentazione potrei usare la topologia del primo circuito indicato nella pagina di di Self

Si, oppure sostituire la R con un generatore di corrente come nello schema qui sotto

Nota inoltre che Self nello schema "definitivo" che e' in fondo alla pagina linkata nei post precedent ha lo schema riprodotto qui sotto in cui e' presente la resistenza R cerchiata di rosso (pochi k).

La sua funzione e' quella di "debugging" in caso di guasto: isola I due tranistor "generatori di corrente" permettendo di capire quale dei due e' guasto ( e' spiegato nel libro - non nella pagina linkata)

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[lorespaul]

Sono finalmente giunto ad una conclusione.

Dopo diversi test, questa mattina ho aggiunto alla simulazione spice una resistenza serie di 0.2ohm al generatore di tensione ed è spuntata la distorsione sul segnale di uscita. La relazione tra aumento di distorsione proporzionale all'aumento della resistenza di gain tornava anche nella simulazione, problema da cui il circuito del post [25] non era affetto.
Sul prototipo, inoltre, ho notato che a carico veniva a formarsi un ripple di 300mV sulla tensione di alimentazione, principalmente durante i picchi positivi della sinusoide.
Quindi mi sono procurato un condensatore elettrolitico da 10000uF-50V che ho posizionato sulla linea di alimentazione ed ora il segnale in uscita rimane pulito, anche se l'ampiezza a carico diminuisce di qualche centinaio di mV.

Tra l'altro ho misurato lo slew rate con l'oscilloscopio ed è risultato essere di circa 0.5V/us. Cambiando R1 = 47k e R20 = 2k2 sono riuscito ad ottenere poco più di 1V/us. Un miglioramento non da poco.

Grazie ancora a tutti per i consigli!