Усилитель на N-канальных полевиках

[Alex Nikitin]

Схема усилителя здесь:

http://www.ant-audio.co.uk/circuits/MOSFET1.gif

Извините за не очень изящный рисунок от руки, но это всё, что я мог сделать в спешке. Потом как-нибудь сделаю в редакторе - или если у кого есть время, то помогите и перерисуйте. Надеюсь, что тем не менее всё понятно и читаемо.

Это переработанный вариант на основе схемы разработанного мной и уже давно снятого с производства усилителя Creek 4330 (выпуска примерно 1997 года) . Почти в точности такая схема у усилителя, который я и сейчас использую дома.

Как видите, схема довольно простая с небольшим количеством деталей.

Выходная мощность при питании +/- 35 Вольт примерно 40 Вт на 8 Омах, 65-70 Вт на 4 Ом.

Не показаны на схеме цепи питания, в том числе питания ОУ ( +/-15В) . Основной блок питания может быть от +/-25 до +/-35 Вольт с ёмкостью сглаживающих конденсаторов от 6800 до 10000 мкФ на два канала, защищённый плавкими предохранителями на 3-4 А ("медленными", с буквой Т) на ВХОДЕ выпрямительного моста, то есть последовательно с каждой половиной вторичной обмотки трансформатора. Выходные транзисторы помещены на теплоотвод с тепловым сопротивлением не больше 1-1,5 градусов на Ватт, закреплены прижимом сверху алюминиевым блоком 10х10х45мм, изоляция ОБЯЗАТЕЛЬНО слюдяная с теплопроводящей смазкой с обеих сторон. Q9 должен иметь хороший тепловой контакт (со смазкой) с теплоотводом выходных транзисторов и лучше всего прямо между ними. Величина R15 определяет крутизну температурной компенсации и может быть слегка изменена для другого типа выходных транзисторов. Теплоотвод желательно заземлить.

В целом рекомендую на выход поставить ещё последовательно цепь из резистора 3Вт 1 Ом параллельно с намотанными на него 10 витками эмалированного провода диаметром 1 мм. Это в целом обеспечит хорошую стабильность на реактивной нагрузке даже при не слишком удачной разводке.

Вот пока и всё.

Алексей

[yan]

как именно менял выходное сопротивление? Последовательным резистором?

Именно так, последовательным резистором на выходе УМ по схеме Zen от Нельсона Пасса (однокаскадный ОИ на irf540 c динамической нагрузкой, ток покоя уменьшил до 0,5А питание увеличил до +60В).

Здесь могут быть свои подводные камни, так как в таком случае искажения могут зависеть от поведения входной ёмкости Р-канального транзистора.

Надо попробовать зашунтировать дополнительной ёмкостью.
В крайнем случае, можно и каскод сгородить.

Первые варианты 4240 и А42 имели дополнительную петлю ООС с выхода УН, ограничивая глубину ОООС с выхода глубиной примерно в 20дБ практически во всём диапазоне ЗЧ. Но позже выяснилось, что в такой простой схеме это приносит звучанию скорее вред, чем пользу

Дополнительная петля ООС сильно уменьшит Rвых УМ.
При слишком малом Rвых УМ, выходные полевики будут по разному работать на высоких частотах.
Верхний полевик раскачивается истоком (практически-источником напряжения), нижний - стоком(источником тока), зашунтированным Rgs.
Поэтому, кажется важным обеспечить срез по высоким частотам до проявления разницы частотных свойств выходных полевиков.

Кстати, интересно, какая верхняя граница частотного диапазона заявляется у 4330?

[Alex Nikitin]

Именно так, последовательным резистором на выходе УМ по схеме Zen от Нельсона Пасса (однокаскадный ОИ на irf540 c динамической нагрузкой, ток покоя уменьшил до 0,5А питание увеличил до +60В).

Я думаю, что в такой ситуации может иметь место некоторая вычитание искажений, внесённых на ВЧ Зеном и входной ёмкостью Р-канального драйвера.

Дополнительная петля ООС сильно уменьшит Rвых УМ.

УН? У УМ выходное сопротивление скорее увеличится .

При слишком малом Rвых УМ, выходные полевики будут по разному работать на высоких частотах.
Верхний полевик раскачивается истоком (практически-источником напряжения), нижний - стоком(источником тока), зашунтированным Rgs.
Поэтому, кажется важным обеспечить срез по высоким частотам до проявления разницы частотных свойств выходных полевиков.

Не надо забывать, что нижний полевик по сути охвачен петлёй местной ООС. На звуковых частотах эта асимметрия практически незаметна. Если нужно расширить диапазон частот, то достаточно увеличить ток драйвера.

Поэтому, кажется важным обеспечить срез по высоким частотам до проявления разницы частотных свойств выходных полевиков.

Разница сама по себе приведёт только к увеличению искажений при больших размахах сигнала на ВЧ, в первую очередь чётных гармоник, что на практике особо заметно не будет.

Кстати, интересно, какая верхняя граница частотного диапазона заявляется у 4330?

Малосигнальная АЧХ имеет завал на 3 дБ примерно на 50 кГц в результате применения входного ФНЧ. Скорость нарастания выходного напряжения не меньше 30-35 В/мкс, то есть полоса полной мощности, ограниченная этим, где-то 200 кГц. Это обеспечивает достаточный запас.

Алексей

[yan]

Дополнительная петля ООС сильно уменьшит Rвых УМ.
При слишком малом Rвых УМ, выходные полевики будут по разному работать на высоких частотах.

УН?

Да, я имел именно УН, драйвер и его Rвых.

[anli]

При правильной "настройке" серво ... эта схема на удивление музыкальна.

Алексей,

А не найдётся ли у Вас несколько минут рассказать про правильное проектирование и настроку серво-усилителя? Что делает серво "немузыкальным" и как этого избежать?

[Alex Nikitin]

рассказать про правильное проектирование и настроку серво-усилителя? Что делает серво "немузыкальным" и как этого избежать?

Кроме возможных очевидных проблем (сервоканал не должен добавлять шумов и искажений, нормально реагировать на перегрузку УМ, в том числе и асимметричным сигналом, иметь достаточный диапазон регулировки и т.д.) , полезно ещё настроить серво на слух под конкретные усилитель и блок питания - проще всего в обсуждаемой схеме путём замены R28 на переменник 47К (лучше сдвоенный для настройки двух каналов одновременно), последовательно с ограничивающим минимальное значение сопротивления резистором (скажем 4К7). Кроме того, в некоторых случаях можно попробовать фильтр второго порядка, поставив конденсатор в 100-220 нФ параллельно R27, подобрав его по отсутствию выброса на АЧХ в области инфранизких частот или по хорошей форме меандра на 20-30 Гц. Вообще настроить серво не так просто, поскольку это должна быть последняя "точная" настройка на слух, после того, как правильно выбраны основные параметры и компоненты блока питания, установлен оптимальный ток покоя выходного каскада и т.д.

В некоторых случаях можно улучшить согласование конкретной пары "акустика-усилитель" путём регулировки серво. На усилителе мощности Creek A52SE настройка серво была выведена на переднюю панель как раз для этого.

Алексей

[anli]

То есть, возможен вариант, что звучит лучше, когда R28 меньше, чем необходимо для обеспечения диапазона регулирования? Несколько неожиданно, честно говоря

Я понимаю, что это, возможно, весьма размыто и субъективно, тем не менее - как Вами на слух ощущается, что серво-усилитель неправильно настроен?

А из каких соображений выбраны номиналы фильтра перед интегратором (R24,C10)? Также из "ушных" ?

Offтопик:
P.S. Алексей, сори, что пристаю к Вам с серво, просто сам тут вынужден применить серво, хоть и слышал отрицательные мнения о серво как классе. Однако, исходя из Вашего опыта, серво может быть только полезен, а не "полезен и вреден" Я тут уже людей про серво мучаю, начиная с 4-й страницы:

https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=1637

[yan]

Интересно, в усилителях Creek, так же как и на приведённой схеме отсутствует конденсатор между движком регулятора громкости и базой входного транзистора?
Ведь со временем почти любой переменник начнёт шуршать. Басовый динамик будет двигаться в такт поворотам ручки громкости, чувствительные динамики можно и пожечь.
С релейным регулятором - вообще будет сплошной треск.

[Alex Nikitin]

То есть, возможен вариант, что звучит лучше, когда R28 меньше, чем необходимо для обеспечения диапазона регулирования? Несколько неожиданно, честно говоря

Строго говоря, при уменьшении величины R28 диапазон регулирования увеличивается . Но он даже и при 100К составит порядка 150 мВ по входу, что вполне достаточно.

Я понимаю, что это, возможно, весьма размыто и субъективно, тем не менее - как Вами на слух ощущается, что серво-усилитель неправильно настроен?

Здесь есть некоторая аналогия с фокусировкой изображения в фотоаппарате - при правильной настройке музыка как бы приходит в "фокус", просто слышно становится больше нюансов. Но это из моих субъективных наблюдений .

Интересно, в усилителях Creek, так же как и на приведённой схеме отсутствует конденсатор между движком регулятора громкости и базой входного транзистора?

Да, именно так.

Ведь со временем почти любой переменник начнёт шуршать.

Со временем всё ломается . Это за все 12 лет выпуска проблемой стало только однажды, когда нам продали действительно дерьмовые потенциометры - пришлось заменять все уже установленные... Те же регуляторы, которые мы обычно применяли, никаких проблем не показывают и после 5-8 лет даже в 4330 и А50, где входной ток довольно заметный - около 1-2 мкА. У 5350 входной каскад двойной дифференциальный и токи на порядок меньше.

Басовый динамик будет двигаться в такт поворотам ручки громкости, чувствительные динамики можно и пожечь.

Только если ручку крутить очень быстро, в противном случае серво всё отработает. Максимально, что можно получить на выходе если очень постараться - около 1 Вольта, этим динамики не сожжёшь.

С релейным регулятором - вообще будет сплошной треск.

Это смотря как сделать релейный регулятор , кроме того, можно при желании легко компенсировать ток базы (скажем через 10 МОм от стабилизированного источника в 10-15 В), и свести этот эффект практически к нулю. Но даже без компенсации это не представляет серьёзной проблемы - проверено.

Алексей

[anli]

Строго говоря, при уменьшении величины R28 диапазон регулирования увеличивается . Но он даже и при 100К составит порядка 150 мВ по входу, что вполне достаточно.

Я как раз это и имею ввиду. Предположим, что диапазона достаточно при 100K. Однако, как я понял, может случиться, что при 20K звучит лучше, что меня и удивляет

А из каких соображений выбирается постоянная интегрирования?

[PSV]

Строго говоря, при уменьшении величины R28 диапазон регулирования увеличивается . Но он даже и при 100К составит порядка 150 мВ по входу, что вполне достаточно.

Кстати изменяется не только диапазон регулирования,но и постоянная времени серво.

Вообще настроить серво не так просто, поскольку это должна быть последняя "точная" настройка на слух, после того, как правильно выбраны основные параметры и компоненты блока питания, установлен оптимальный ток покоя выходного каскада и т.д.

Алексей,а не пробовал после проведения точных настроек серво её убрать и сравнить.Заметно ли улучшение звука?
Ещё давно хотел спросить,почему во входном каскаде не применяешь JFETы?

[Alex Nikitin]

Я как раз это и имею ввиду. Предположим, что диапазона достаточно при 100K. Однако, как я понял, может случиться, что при 20K звучит лучше, что меня и удивляет

Как правильно заметил PSV:

изменяется не только диапазон регулирования,но и постоянная времени серво.

Именно её мы и настраиваем. Серво работает в этом случае как эквивалент проходного конденсатора на входе, и изменением номинала резистора мы подбираем точное значение этого "конденсатора", соответственно и реакцию усилителя в области низких частот.

Алексей,а не пробовал после проведения точных настроек серво её убрать и сравнить.Заметно ли улучшение звука?

Убирать не пробовал - схемотехника не позволяла, дрейф был слишком заметный в УПТ, но пробовал увеличивать постоянные времени до очень больших значений и это звук не улучшает .

Ещё давно хотел спросить,почему во входном каскаде не применяешь JFETы?

Кто сказал, что не применяю . В упомянутом уже А52 входной каскад был на них, причём с "честным" балансным входом. В серийном производстве, к сожалению, то, что их приходится подбирать в пары или использовать очень дорогие сдвоенные полевики, ограничивает их использование.

Алексей

[PSV]

но пробовал увеличивать постоянные времени до очень больших значений и это звук не улучшает .

Алексей,как ты считаешь,почему так?Логично было бы сделать постоянную времени как можно ниже,только бы успевала отслеживать собственный дрейф усилителя.
-----------------------------------------------------------------
Промоделил серво с параметрами как у Алексея.Может настройка заключается в подборе фазового сдвига на НЧ?При таких параметрах он получается около 5гр на 10гц.
Левые графики с резистором ООС по серво 100к,правые 18к как на схеме.

[anli]

Offтопик:

Может настройка заключается в подборе фазового сдвига на НЧ?

Сергей, почти всю ночь не спал и всё думал , как так может быть, что при меньшей постоянной времени серво-усилителя звучание лучше. Вот ответ: Алексей слушал виниловую пластинку с ненулевым эксцентриситетом. Так что, чтобы рокот не попадал в звуковой тракт, постоянная не должна быть слишком большой!

[PSV]

как так может быть, что при меньшей постоянной времени серво-усилителя звучание лучше.

Вот и я не пойму,почему так?Будем надеятся,что Алексей расскажет.

[Scop]

Я могу ошибиться, но мне кажется, что настройка постоянной времени серво цепи в очень большой степени зависит от характера температурного дрейфа, вызванного тепловыми искажениями схемы.
В зависимости от тепловых постоянных времени всех (!) каскадов и их сочетания температурный дрейф может иметь сложную зависимость от уровня сигнала.

[Alex Nikitin]

Алексей,как ты считаешь,почему так?Логично было бы сделать постоянную времени как можно ниже,только бы успевала отслеживать собственный дрейф усилителя.

У меня есть свои гипотезы, но главное, что практика показывает, что усилитель звучит "правильно" при вполне определённом значении частоты среза по низам - причём это не одна точка, а обычно несколько, отличающиеся в разы. Если "промахнуться", то усилитель будет слушать ммм... неинтересно, что-ли. Эти точки зависят от постоянных времени блока питания, например (размер и параметры трансформатора, величина сглаживающих конденсаторов, применённые выпрямительные диоды и т.д.)

Может настройка заключается в подборе фазового сдвига на НЧ?

Скорее всего. Но вот почему разные усилители звучат хорошо при определённых, но разных фазовых сдвигах? Моя гипотеза состоит в том, что при определённом сочетании параметров реакция усилителя на музыкальный сигнал минимально мешает восприятию музыкальной информации, становится "гармоничной" с точки зрения человеческого слуха.

В зависимости от тепловых постоянных времени всех (!) каскадов и их сочетания температурный дрейф может иметь сложную зависимость от уровня сигнала.

Это очень интересный момент, тут можно говорить не столько о "дрейфе", как уходе "нуля", сколько об изменении параметров усилителя от изменения температуры транзисторов от усиливаемого сигнала, поскольку постоянные времени этих изменений лежат как раз в области низких и инфранизких частот... . Тем не менее, мой опыт говорит, что указанный эффект "настройки" слышен (а часто и более заметен) и на небольшой громкости, что в известной степени противоречит этому объяснению.

Алексей

[anli]

Алексей,

Если я правильно понимаю, Ваши наблюдения-ощущения-гипотезы в меньшей степени применимы к цепям, работающим в мостовом классе A, когда потребляемый ток меняется почти никак, да?

[Alex Nikitin]

Если я правильно понимаю, Ваши наблюдения-ощущения-гипотезы в меньшей степени применимы к цепям, работающим в мостовом классе A, когда потребляемый ток меняется почти никак, да?

Не знаю, не пробовал... (с) .

Возможно, но это устраняет только один (хотя и очень важный) момент.

Алексей

[PSV]

Алексей,спасибо,очень интересная информация.

Если "промахнуться", то усилитель будет слушать ммм... неинтересно, что-ли.

Скажи ещё пожайлуста ,подбор параметров серво сказывается именно на низких частотах?На высоких и середине это как-то ощущается.

[Alex Nikitin]

Скажи ещё пожайлуста ,подбор параметров серво сказывается именно на низких частотах?На высоких и середине это как-то ощущается.

Да, и даже в первую очередь. Наше восприятие музыкальной информации на средних и высоких частотах очень сильно зависит от "правильной" ситуации с басами.

Простой пример - часто вполне приятно слушать музыку от источника практически без басов вообще - переносного радиоприёмника, например, даже когда качество откровенно слабовато. Легче следовать за мелодией и воспринять эмоции, хотя такой звук никак не назовёшь полноценным. Стоить добавить басов, и музыка может просто развалиться на части, если это сделано неаккуратно .

Я, например, настраивал серво именно по слышимости музыки на средних частотах - голосу на фоне сложной загруженной музыки, например - при правильной настройке голос неожиданно становится "слышнее", легче разобрать слова и т.д.

Алексей