Проект Prophetmaster Tierra - моноблоки 50 Вт в классе А

[Prophetmaster]

Строятся УПТ моноблоки в классе А, с планируемой выходной мощностью 50-70 Вт/4 Ом. Tierra, в переводе с испанского, означает Земля - навеяло это название, когда в каждом моноблоке скопилось по Фараде
Поставил себе задачу попытаться сконструировать и изготовить усилитель не хуже по звучанию, чем имеющийся на BUF634T, но с более высокой выходной мощностью.
Уже больше года прошло с момента начала разработки моноблоков, но ввиду сложности задуманного и в связи с малым количеством свободного времени, все двигается гораздо медленнее, чем хотелось бы.
Сначала были изготовлены блоки питания, потому что в данном проекте это самая трудоемкая часть и есть необходимость делать железный макет УМ, так как одним симулятором не обойдешься, а макет нужно питать от полноценного БП, для получения достоверных результатов.
Разводка плат БП для левого и правого канала симметричная в силовой части и в части стабилизаторов УН и УМ, но зеркальная в области первички, несигнальных цепей и выпрямителя УН. При такой разводке, получаются "правый" и "левый" моноблоки. Хочется, чтобы было еще и красиво
Проект некоммерческий, поэтому все схемы в полном объеме будут доступны для просмотра.
Схема БП во вложении.
Что представляет из себя БП одного канала - это полностью стабилизированный блок питания мощностью 600 Вт, который имеет:
1. Силовые двухполярные линии питания с напряжениями +\- 25 В, от мощного тороидального трансформатора (550 Вт). Стабы - LT1083 (7.5 А), 8 шт, соединены по 4 в параллель. Суммарная площадь радиаторов стабилизаторов каждого канала 3000 кв.см. Нагрузка на каждый стабилизатор не будет превышать 1 А, так как ток покоя усилителя планируется около 4 А.
2. Две линии питания с напряжениями +\- 27 В и +\- 15 В для усилителя напряжения от отдельного трансформатора (50 Вт). Стабы - LM317/LM337, по 2 шт. Напряжения +\- 15 В формируются из уже стабилизированного +\- 27 В.
3. Отдельный трансформатор для несигнальных цепей (50 Вт).
4. Отдельный трансформатор для дежурки (5 Вт).
5. Все трансформаторы, кроме дежурки, изготовлены по моему заказу компанией Audioinstrument Все трансформаторы сфазированы по первичным обмоткам.
6. Суммарная емкость конденсаторов фильтра силовых цепей около 1 Фарады на канал, большая часть которых, находится после стабилизаторов.
7. Емкость конденсаторов в цепях питания УН - 27000 мкФ/63 В на напряжение +\- 27 В и 40000 мкФ/25 В на +\- 15 В.
8. Софтстарт во вторичной цепи, с временем заряда конденсаторов около 1 минуты. Так как при выключении питания вторичные силовые цепи отключаются от платы УМ, то для разряда электролитов предусмотрены нагрузочные сопротивления, которые полностью разряжают емкости в течении 20 минут.
9. Оптоэлектронная защита АС от постоянного напряжения встроена в БП и выполняет две функции:
- подает или снимает напряжение со схемы управления реле защиты, которая находится на платах самого УМ.
- обесточивает все вторичные цепи силового питания, в случае появления постоянного напряжения (свыше 1 В) на выходе УМ. Восстановление выходных напряжений происходит через 1 минуту после срабатывания защиты.
То есть, в аварийном режиме, одновременно блокируется нагрузка УМ (как и в предыдущей конструкции, реле защиты будет закорачивать выход на землю) и отключается питание силовой части. Без отключения не обойтись: пока разрядится Фарада, на плате УМ может все успеть поджариться после выключения сети
10. БП имеет трехэтажную конструкцию, что практически дало возможность укоротить многие соединительные шины БП или практически свести их длину к нулю.
11. БП имеет каркасную конструкцию из алюминиевого профиля и алюминиевого бруска, поэтому платы практически не являются несущими элементами, если только чуть-чуть.
12. Силовая разводка в БП произведена плоской медной моножилой 4 кв.мм, разводка земли - плоской медной моножилой 6 кв.мм. Земля на послестабовых силовых емкостях выполнена из листовой меди толщиной 0.7 мм.
13. Первичные цепи 220 В имеют R-C фильтры.
14. Энергоемкость каждого БП составляет 450 Дж для силовых цепей и 20 Дж для питания усилителя напряжения.
15. Все силовые реле производства Finder промышленных серий на 12 В. Все слаботочные - Takamisawa RY12W, также на 12 В, кроме входа включения питания от 5 В, который реализован на слаботочном реле Finder.
Конструктивно БП выполнен на трех платах - нижняя несет на себе всю первичку, основную часть БП несигнальных цепей и защиту. На втором этаже расположены софтстарт и выпрямители сигнальных цепей с частью емкостей, а также остальные несигнальные цепи. На верхней плате расположены вторая часть достабовых емкостей, все стабилизаторы для аудиочасти и послестабовые емкости. Шунтирующих полипропиленовых конденсаторов тут немного - основные шунты будут расположены непосредственно вблизи потребителей - на платах УМ.

Для включения БП не нужен мощный тумблер - достаточно слаботочного выключателя, который может коммутировать постоянное напряжение 12 В и ток 40 мА Как вариант, БП можно включать, подав на него 5 В - пятивольтовое реле может управляться с преда, например.

Во вложении: несколько фото БП, полная схема БП одного канала, РГ (http://khozmo.com/products_dale_shunt.html), трансформаторы для УН, изготовленные А. Воробьевым, пара фото первого из 4-х повторителей и схема повторителя.

[viktor8m]

Это потребует наличия локальных ОС, что приведет к неизбежному удлинению всего тракта из-за падения усиления каскадов, кроме того, усложнит обеспечение устойчивости. Обычные искажения УН на базе ОЭ, не охваченного локальной ОС - более 1%.

А зачем использовать ОЭ? У меня есть на макетке простой усилитель в классе А как раз с искажениями менее 0.1% без ООС при 15 Вт на 6 Ом (усиление 3000). Для класса В/АВ без корректоров не получится (правда для АВ есть такой приём, как обеспечить класс А до мощности, соответствующей комфортной громкости на имеющихся колонках, и часто с ВК на множестве выходных пар это соблюдается). Кстати, поэтому и большинство ОУ вносят отсебятину из-за больших исходных искажений.

[bukvarev]

Для класса В/АВ без корректоров не получится

Думаю, при любом способе построения корректора (пусть даже по току базы выходного транзистора) он сведется к местной ОС. Попытка же сделать прямое управление вызовет нестабильность при комплексном характере нагрузки. Кроме того, потеряем такую важную полосу. Пока чего-то такого, чтобы "УХ!" не встречал. Все - шило на мыло. Быстрее пока что разрабатываются более качественные транзисторы.

Offтопик:
PS Похоже, мы с Вами начали не по теме.. Не заругают?

[viktor8m]

Думаю, при любом способе построения корректора (пусть даже по току базы выходного транзистора) он сведется к местной ОС.

В принципе это нестрашно, из-за минимума каскадов местную ООС проще сделать широкополосную, но некачественный ВК и она не спасёт.

Похоже, мы с Вами начали не по теме.. Не заругают?

Почему не по теме? Автор темы ищет направление (осный или безосный) и предлагал участвовать в обсуждении, так что мы в теме. Тем более, что он собирает усилитель в классе А, так что можно и ООС использовать и обойтись без корректоров.

[bukvarev]

так что можно и ООС использовать и обойтись без корректоров

Лично мне это очень даже по душе

[SAS-M]

хочу добавить, что качество баса, (как и вобще звука), сильно зависит и от типа разделительного конденсатора. Пока лучше ROE 82000uF х 25В мне ничего найти не удалось.

Тоже хочу добавить. Количество баса влияет на качество СЧ/ВЧ диапазона.
Тот артефакт, который был услышан нами с Олегом на PowerAmp-01 за несколько минут до отъезда Олега, после сегодняшнего изучения ситуации оказался именно вследствие смещение энергии спектра сигнала в сторону СЧ/ВЧ (из-за недостаточности НЧ).

На том диске, который мы использовали для теста ("Второе приближение"), на некоторых треках записаны фактически импульсы большой амплитуды - удары по клавишам рояля с открытой педалью, видимо.
Без нормальной НЧ составляющей, которая-таки имеется в записи, эти импульсные всплески сигнала приобрели неграмоничные звучания именно от перераспределения спектра сигнала при сохранении его общей входящей энергии.

В итоге быстрые и мощные сигналы звучат неграмонично в абсолюте, причём это не нелинейные искажения, они не изменяются от изменения входного напряжения источника.
При переходе на мой УМЗЧ, имеющий, разумеется, заметно бОльший процент гармонических искажений, такого явления нет.
Напротив, эти импульсные звуки мой усилитель показывает как намеренно исполненные почти (!) диссонансно, жёстко, терпко, но без искажений нелинейных.

Поэтому мои предположения относительно качества выходных конденсаторов не оправдались. Всё хуже.
И Олегу (Prophetmaster) тоже придётся учесть данное явление как при возможном применении межкаскадного транса, так и при возможном разделительном конденсаторе на выходе, если концепция изменится.
Иначе, ширина полосы по НЧ должна-таки быть широкой, чтобы не появились такого рода искажения формы сигнала, не имеющие ничего общего с нелинейными.

[belka]

Меня начал очень сильно мучить один вопрос. Можно я его здесь задам?
В практически любом ЦАП стоит восстанавливающий фильтр после микросхемки преобразователя. Положим, грубо -3дБ у него на 20-ти килогерцах. Как этот момент согласуется с немеренной широкополосностью, о которой мы все в последнее время так много говорим? Я не формулирую вопрос чётко, так как не могу его точно сформулировать (иначе я бы просто знал ответ), поррассуждайте на эту тему немного, кто что по этому поводу думает.

[SAS-M]

Я ужЕ говорил, что прекрасно обходился без такого фильтра де факто.
Теперь другое факто: при полосе УМЗЧ, например, 40 кГц (-3 дБ) слышны качественные изменения в звуке системы при увеличении полосы драйвера, входного каскада и интерфейса перед входным каскадом до единиц и десятков МГц. Понятно, что мы не слышим этих частот напрямую.

Из услышанного в моей системе (многими ужЕ) этого факта следует, по крайней мере, что слухо-мозг предположительно суперчувствителен к фазо-временнЫм соотношениям в звуковом сигнале.
Или есть иная модель устройства и работы ухо-мозга. Вот, придёт Игорь Гапонов, Игорь нас рассудит...

[belka]

SAS-M, при такой постановке вопроса про глубокоосный усилитель нужно забыть. Такого ответа я и ожидал, собственно.
Без восстанавливающего фильтра оставлять цап нельзя.

[Semigor]

Скажу больше, про каменный усилитель можно забыть, даже безосый, проверено.

[PMCF]

Скажу больше, про каменный усилитель можно забыть, даже безосый, проверено.

Не все варианты каменных безоосных видимо проверили. С пуш-пульными конфигурациями выходного каскада, или с различными модуляциями типа экономичный-А, точно хорошо не получается. Понятие каменный безоосный также неисчерпаемо, как и, по словам классика ленинизма, понятие атома.

[Semigor]

PMCF, конечно, все конфигурации безосников с ЦАПом без восстанавливающего фильтра я не проверял. Если есть положительный опыт в этом плане - очень интересно было бы о нем узнать. Какой был ЦАП? Какой усилитель?

[YUPOL]

Меня начал очень сильно мучить один вопрос. Можно я его здесь задам?
В практически любом ЦАП стоит восстанавливающий фильтр после микросхемки преобразователя. Положим, грубо -3дБ у него на 20-ти килогерцах. Как этот момент согласуется с немеренной широкополосностью, о которой мы все в последнее время так много говорим? Я не формулирую вопрос чётко, так как не могу его точно сформулировать (иначе я бы просто знал ответ), поррассуждайте на эту тему немного, кто что по этому поводу думает.

ИМХО:
Задача восстанавливающего фильтра после м\с ЦАП - это отсечь продукты преобразования цифры в аналог, т.е. максимально качественно восстановить спектр исходного цифруемого сигнала (т.е. аналога на входе АЦП) следуя теореме Шеннона\Котельникова. Желание иметь максимальную полосу усилительных устройств от ноля герц до мегагерц, имеет ту же задачу, а именно внести минимальные изменения в спектр усиливаемого аналогового сигнала, т.е. здесь эти фильтры нежелательны.

"Восстанавливающий" необходим для корректного Ц\А преобразования, "усилительные" фвч\фнч - это паразиты, которые надо минимизировать. Противоречий тут нет, они (фильтры полезные и паразитные) даже разнесены по разным функциональным блокам ЦАП и УМ.

[viktor8m]

Противоречий тут нет, они (фильтры полезные и паразитные) даже разнесены по разным функциональным блокам ЦАП и УМ.

Полностью согласен, добавлю, что любой "паразитный" ФНЧ, т.е. любой ФНЧ после цаповского выхлопного, если его частота не превышает частоту среза ЦАП в пару десятков раз, изменяет общую апроксимацию ПХ (а, как известно, если она не фазоволинейная, типа как у Бесселя, исконная музыкальная картинка начинает разваливаться). Но появилась идея, а что если все ФНЧ всего тракта (включая ЦАП) рассчитать как один ФНЧ Бесселя с большим порядком (конечно это возможно только для своего тракта)? Тогда не надо будет завышать ФНЧ в усилителе (чтобы не испортить общий ПХ тракта) и он будет частью восстановления информации, да и защита от ВЧ помех будет максимальной. Кстати, если в ЦАП ФНЧ не Бесселя, то наверное какой ФНЧ в усилителе уже роли большой играть не будет, наверняка исконная музыкальная картинка будет уже испорчена.

[SAS-M]

при такой постановке вопроса про глубокоосный усилитель нужно забыть. Такого ответа я и ожидал, собственно.
Без восстанавливающего фильтра оставлять цап нельзя.

belka, "Я Вам не скажу за всю Одессу"... Но у меня в системе ЦАПы без ФНЧ всегда давали лУчшее звучание.
В том числе и с разными транзисторными промусилителями. Я убрал эти фильтры довольно во многих ДАКах с ламповыми буферами (часто вместе с этими буферами).
Всегда было улучшение качества звука и в тех системах, где эти ДАКи впоследствие использовались.

Точно так же устранение сигнальных разделительных трансформаторов на входах ДАКов приводило к улучшению звучания.
Т.о., устранение любых фильтров в цепи сигнала давало положительный эффект.

Я уж и не говорю о таких "мелочах", как устранение коммутационных реле входов и печатных дорожек от входных разъёмов до цифровых приёмников и перевод их на кратчайшие проводниковые соединения, что тоже вносило позитив в звучание систем. Тем не менее, это тоже де факто. А уж как это интерпретировать...

[bukvarev]

В практически любом ЦАП стоит восстанавливающий фильтр после микросхемки преобразователя. Положим, грубо -3дБ у него на 20-ти килогерцах. Как этот момент согласуется с немеренной широкополосностью, о которой мы все в последнее время так много говорим? Я не формулирую вопрос чётко, так как не могу его точно сформулировать (иначе я бы просто знал ответ), поррассуждайте на эту тему немного, кто что по этому поводу думает.

В спектре музыкальной программы, записанной на цифровом носителе нет компонентов с частотами выше 20 КГц, поэтому система усиления такого сигнала должна проектироваться по критерию минимизации ошибок регулирования при сопровождения нестационарного шумового процесса, с известной полосой на нагрузке с заданными параметрами.

Исключение из тракта фильтра не допускается категорически.
Попытка убрать из системы восстанавливающий фильтр как раз и приводит во-первых, к различию формы записанного и воспроизводимого сигнала, а во-вторых - к наличию в спектре усиливаемого сигнала компонентов, не связанных с полезным сигналом вообще. Просто - фильтр должен быть правильный (эт. точно !!!).

Теперь о том, зачем полоса.
Полоса ВК, обеспечиваемая современными транзисторами составляет порядка 10 МГц. Выше наблюдается значительное запаздывание по фазе.
Поэтому, при проектировании системы ООС петлевое усиление к 10 МГц должно уходить под 1. Это - "технологически" обусловленное ограничение (на данный момент времени).
С другой стороны, средний квадрат ошибки регулирования системы на шумовом сигнале пропорционален амплитудному спектру звукового сигнала и обратно пропорционален квадрату ЛАЧХ усилительного звена с разомкнутой цепью ООС (грубо). Таким образом, при прочих равных условиях частотная характеристика усилительного звена должна бть такой, чтобы минимизировать ошибку регулирования, с учетом спектра типовой музыкальной программы и кривой чувствительности слуха человека. Это соответствует петлевому усилению с максимальной областью в районе 1,5 КГц. Но природа обусловила возможность не ограничивать услиение снизу, поэтому ничего плохого в том нет
Единственный способ (именно на шуме!!!) улучшить точность - накрутить петлевое в полосе 0-20 КГц. А к 1 МГц нужно его скинуть к 1. Причем, где-то, начиная с 5 МГц должен быть уже плоский участок. А вот между 20 КГц и 5 МГц может быть спад любого порядка. Данному условию удовлетворяет последовательное включение усилительных звеньев с нулями в районе 5 МГц и полосой единичного усиления, перекрывающей в несколько раз полосу ВК, т.е.до 20-50 МГц. Кроме того, в этом случае входной каскад работает при ультрамалых значениях изменения напряжения Б-Э, обеспечивая исключительную линейность. При такой системе регулирования никаких ошибок с высоким уровнем на входе быть не может, т.к. сигнал на выходе обратной связи оказывается очень близко к полезному сигналу в любой момент времени из-за ограниченной полосы последнего.
Иными словами полоса частот скорее бонус за "правильно" спроектированную систему регулирования. А все разговоры о плохости ОС на мой взгляд происходят от некачественно выполненного проекта (особенно - конструктива).

Что касается схем без ООС, то там работает такая же математика, но в масштабе каждого транзистора. Это - тоже цепь регулирования тока, где есть еще и нелинейная составляющая ошибки, которая жестко связана с амплитудой коллекторного тока. Глубина регулирования на НЧ ограничена коэффициентом передачи тока и rэ (~26мВ/Ik). Безосные усилители не имеют возможности максимизировать точность усиления по число физическим причинам.
А вот нелинейные и линейные (включая фазовые ) искажения от каскада к каскаду катастрофически множатся.

Offтопик:
P.S. Исходную музыкальную катринку слышат только музыканты, и то в своей голове, и то - по разному! По пути к слушателю бедную фазу укручивают столько и так, что мама не горюй! По моему, не стоит на этом заострять внимания, т.к. во всех записях присутствуют намного более грубые артефакты, в частности очень глубокая динамическая обработка, нелинейности, линейные искажения, шумы, помехи.

[viktor8m]

Offтопик:
По пути к слушателю бедную фазу укручивают столько и так, что мама не горюй! По моему, не стоит на этом заострять внимания, т.к. во всех записях присутствуют намного более грубые артефакты, в частности очень глубокая динамическая обработка, нелинейности, линейные искажения, шумы, помехи.

Offтопик:
Как раз про это можно не думать (Вы не первый приводит этот довод, ещё толкуют про стандартные ОУ в пультах звукозаписи и т.д.), ведь это (именно после всех накруток и обработок) и есть та музыкальная картинка, которую режисёр хочет до нас донести, и если мы в своём тракте накрутим ещё своего, то это уже будет не исконный замысел, а что-то от себя, поэтому кому что нравится, или послушать оригинал, созданный режисёром (на его аппаратуре со всеми обработками), или слушать только пародию на него.

Основной проблемой (остальные схемотехнические проблемы решаются не сложно и не одним способом) я вижу достижение малого выходного сопротивления (макс. десятки мОм) ВК без применения ООС (как уже отмечал, это важное условие и для осных схем). Широко известное решение применением корректора Хауксфорда мне не нравится по ряду причин (острая настройка, добавление полюса, что опасно для схем, где ВК внутри общей ООС). Предлагаю всем подумать над решением данной проблемы в рамках этой темы, т.е. для двухтактного ВК в классе А (мой собственный проект из-за этого уже более года заморожен, т.к. не нашёл подходящего решения, да и для многих других это будет важным).

[Analog]

bukvarev, какой подскажите модель использованного при замерах R&S?

[bukvarev]

Основной проблемой (остальные схемотехнические проблемы решаются не сложно и не одним способом) я вижу достижение малого выходного сопротивления (макс. десятки мОм) ВК без применения ООС

Абсолютно и безоговорочно поддерживаю! Но пока вижу лишь "брутальный" метод Может, у кого чакра откроется?

bukvarev, какой подскажите модель использованного при замерах R&S?

R&S FSP

[Prophetmaster]

Вчера разговаривал с А. Воробьевым по телефону и выяснилось, что в результате многочисленных экспериментов с разным железом, он так увлекся, что уже намотал мне один транс на торроидальном сердечнике Телефункен 60-х годов, с уникальными параметрами. Я уже заказал намотку второго, естественно

В общем, решил так - сделаю оконечный каскад и буду пробовать цеплять к нему УН с ООС на отдельной плате или повышающий трансформатор с безООСными буфером. Что даст лучший звук, то и оставлю. Трансы будут с полосой до 450 кГц и с Ктр = 4.5. Нижняя граница уже ниже 10 Гц.

По поводу УН с ОООС. Пришла в голову еще одна идея и уже немного покрутил ее в симуляторе - АЧХ линейна по 0дБ до 75 МГц, частота единичного усиления более 200 МГц, скорость внутри петли существенно более 1000 В/мкс, выходное напряжение около 16 В эфф. значения. Сваял на ОУ с дискретным выходом. Схема еще несовсем как надо работает - есть некоторые проблемы, поэтому выкладывать пока не буду.

[belka]

Вчера разговаривал с А. Воробьевым по телефону и выяснилось, что в результате многочисленных экспериментов с разным железом, он так увлекся, что уже намотал мне один транс на торроидальном сердечнике Телефункен 60-х годов, с уникальными параметрами. Я уже заказал намотку второго, естественно

Ну и отлично.