Предыдущая публикация
Идеология усилителя «Дзен» от Нельсона Пасса (Nelson Pass Zen)
1. Главные проблемы транзисторных усилителейЕсть два наиболее существенных требования к усилителям звука. Во-первых, простота. Во-вторых, линейность.
Эйнштейн сказал: «Все должно быть сделано настолько просто, насколько это возможно, но не проще». Простота — общий элемент лучших конструкций. Не только из чисто эстетических соображений, но и потому, что меньшее число элементов меньше окрашивает звук, теряется меньше информации. Многие аудиофилы, включая меня, готовы пожертвовать другими параметрами для достижения комфортного звука с помощью простой схемы.
Усилитель должен быть простым, но сохранять линейность. Некоторые искажения в усилителе являются неизбежными и простительными, если они мало раздражают, но по-прежнему важно, чтобы измеряемые искажения были достаточно низкими. Достоинства простой схемы теряются, если звук становится избыточно окрашенным.
Многие сложные схемотехнические решения оправданы высокими измеряемыми техническими параметрами. Этот подход прекрасно работает для объективных параметров. Есть много приложений, где потребность в высокоточных параметрах является важной, а субъективные параметры не важны. Любое приложение, где параметры имеют решающее значение для получения точных цифр, например медицинские установки с магнитным резонансом, следует оценивать объективным способом.
Но наша цель — не ракетостроение; наша цель сделать аппаратуру для прослушивания музыки. Если мы примем такой подход, называя его искусством, а не наукой, это будет прекрасно.
Нашей целью является компромисс между простотой и объективным качеством звука. Многие коммерческие усилители имеют по 7 каскадов усиления включенных последовательно. Простейший, который я знаю, имеет 3 каскада. Большое число усилительных каскадов важно для создания избыточного усиления, которое используется для создания ООС (отрицательной обратной связи). ООС используется для коррекции характеристик усилителя. Как это ни парадоксально, дополнительное усиление используется для борьбы с искажениями дополнительных каскадов усиления.
Насколько простую схему мы можем сделать, чтобы она хорошо работала? Очевидно, усилитель с одной ступенью усиления будет самым простым, но мы зададим вопрос: «Что мы можем получить от однокаскадного усилителя?»
↑ 2. Однотактный усилитель класса А
Есть единственное простейшее решение: однотактный усилитель, работающий в классе А. Эта топология применялась уже в первых усилителях (ламповых, конечно), но не часто используется в выходных каскадах твердотельных усилителей из-за того, что двухтактные выходные каскады имеют гораздо более высокий КПД и малый ток покоя при работе в режиме класса АВ.
Двухтактные усилители при воспроизведении музыкального сигнала могут основную часть времени работать в классе А при высоком токе покоя, например, при токе покоя 1 А. При увеличении амплитуды сигнала может произойти выход из режима класса А и переход в класс АВ, ограничение сигнала можно сделать симметричным.
Напротив, однотактные усилители класса A не могут обеспечить линейность при превышении тока покоя, и они, как правило, рассеивают на холостом ходу тепловую мощность превышающую более чем в 4 раза их номинальную мощность. Их типовой КПД составляет около 20%.
Только этой огромной неэффективностью можно объяснить, почему однотактным усилителям уделяется столь ограниченное внимание, хотя внимательное рассмотрение возможных схем показывает, что есть возможность приблизить эффективность к 50%. Кроме того, есть способы, в которых однотактный усилитель при превышении определенного порога, может работать как двухтактный. Pass Labs получила один патент и имеет новые разработки в этой области.
На рис. 1 показана простейшая схема однотактного усилителя класса А. Приведено устройство на полевом транзисторе, хотя концепция в равной степени относится к лампе и биполярному транзистору. Входной сигнал подается на затвор, транзистор обеспечивает усиление сигнала по току и напряжению, а усиленный сигнал поступает в нагрузку. Усиленный сигнал выделяется на сопротивлении нагрузки в цепи стока, которой может быть как источником тока, так и резистором.
Поскольку через такую нагрузку протекает значительный постоянный ток, то маловероятно, что мы хотели бы для этого использовать громкоговоритель. Как правило, громкоговоритель подключается параллельно, через блокирующий конденсатор. Если в цепи стока стоит резистор, типичный КПД будет около 4%…
Однотактным усилителям в последнее время уделяется повышенное внимание, в основном благодаря энтузиастам ламповых усилителей. В последнее время ряд компаний стал выпускать лампы для однотактных усилителей класса А. Эти усилители характеризуются ограниченной выходной мощностью, высокой стоимостью, а также несколькими каскадами усиления.
Ещё в 1977 году в журнале Audio Magazine я опубликовал схему усилителя на биполярных транзисторах, который работает в классе А и имеет выходную мощность 20 Вт, в нем было четыре каскада усиления. Pass Labs производит серию «Алеф» из несимметричных усилителей класса А с 1992 года, у них три каскада усиления. Я не знаю других аналогичных твердотельных усилителей в США, хотя я надеюсь, что моя гегемония будет недолгой.
Простота — не единственная причина для использования такой топологии. Усилитель с такой топологией воспроизводит музыку наиболее естественно. Его асимметрия подобна сжатию/разрежению воздуха, где при заданном смещении, давление, наблюдаемое на положительном этапе (сжатие), немного выше, чем давление на отрицательном этапе (разрежение). Давление самого воздуха тоже несимметрично относительно среднего уровня, давление воздуха может быть очень высоким, но никогда не опускается ниже нуля.
Неправильно, когда от усилителей добиваются преднамеренной второй гармоники для достижения ложного благозвучия.
Низкий уровень искажений по-прежнему является важной задачей, по моим наблюдениям, преднамеренное введение второй гармоники в музыкальный сигнал не улучшает качество звука.
Однотактный несимметричный усилитель отличается от двухтактного тем, что обрабатывает сигнал целиком на каждой стадии усиления, не разделяя его на две половинки. Это деление на положительную/отрицательную половину искусственно и вызвано желанием эффективно обрабатывать только сигнал переменного тока, без постоянной составляющей.
Большинство проектов двухтактных усилителей превышают по энергоэффективности несимметричные конструкции, по крайней мере, в два раза, они также обладают меньшими искажениями. В усилителях с хорошо подобранными выходными транзисторами измеренные искажения будут ниже, и содержать в основном третью и другие «странные» гармоники, отражающую симметрию между плюсом и минусом половины сигнала.
Возможна работа в классе А, классе АВ, и классе B. Наиболее линейным из них является класс, в котором схема будет рассеивать на холостом ходу мощность более чем в два раза превышающую его номинальную мощность. Мы можем значительно повысить эффективность, если отделим ток смещения от тока сигнала. Можно добиться этого путем смещения цепи с источником постоянного тока и поднять КПД до 20%, или приблизительно в 5 раз.
Источник постоянного тока обеспечивает только постоянный ток, который не изменяется с сигналом. В дополнение к улучшению эффективности, источник тока удаляет шум питания от смещения и обеспечивает постоянную нагрузку на источник питания. В результате этого снижаются требования к источнику питания, его внутреннему сопротивлению, и два канала могут работать от одного источника без модуляции сигнала друг друга.
Очевидно, использование источника тока более выгодно по сравнению с использованием резистора, хотя и не каждый проектировщик с этим согласен.
↑ 3. Применение MOSFET транзисторов в аудио
Мы должны рассмотреть, какая элементная база наиболее подходит для нашей цели.
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.
Чтобы в полной мере ощутить преимущества транзисторов MOSFET, они должны работать в классе А. Поэтому неудивительно, что MOSFET не нашли той поддержки в среде аудиофилов, которой они заслуживают. Я ожидаю, что ситуация изменится в ближайшем будущем, MOSFET должны занять своё место в несимметричных усилителях класса А.
↑ 4. Принципиальная схема усилителя Pass Zen
Поскольку через такую нагрузку протекает значительный постоянный ток, то маловероятно, что мы хотели бы для этого использовать громкоговоритель. Как правило, громкоговоритель подключается параллельно, через блокирующий конденсатор. Если в цепи стока стоит резистор, типичный КПД будет около 4%…
Однотактным усилителям в последнее время уделяется повышенное внимание, в основном благодаря энтузиастам ламповых усилителей. В последнее время ряд компаний стал выпускать лампы для однотактных усилителей класса А. Эти усилители характеризуются ограниченной выходной мощностью, высокой стоимостью, а также несколькими каскадами усиления.
Ещё в 1977 году в журнале Audio Magazine я опубликовал схему усилителя на биполярных транзисторах, который работает в классе А и имеет выходную мощность 20 Вт, в нем было четыре каскада усиления. Pass Labs производит серию «Алеф» из несимметричных усилителей класса А с 1992 года, у них три каскада усиления. Я не знаю других аналогичных твердотельных усилителей в США, хотя я надеюсь, что моя гегемония будет недолгой.
Простота — не единственная причина для использования такой топологии. Усилитель с такой топологией воспроизводит музыку наиболее естественно. Его асимметрия подобна сжатию/разрежению воздуха, где при заданном смещении, давление, наблюдаемое на положительном этапе (сжатие), немного выше, чем давление на отрицательном этапе (разрежение). Давление самого воздуха тоже несимметрично относительно среднего уровня, давление воздуха может быть очень высоким, но никогда не опускается ниже нуля.
Неправильно, когда от усилителей добиваются преднамеренной второй гармоники для достижения ложного благозвучия.
Низкий уровень искажений по-прежнему является важной задачей, по моим наблюдениям, преднамеренное введение второй гармоники в музыкальный сигнал не улучшает качество звука.
Однотактный несимметричный усилитель отличается от двухтактного тем, что обрабатывает сигнал целиком на каждой стадии усиления, не разделяя его на две половинки. Это деление на положительную/отрицательную половину искусственно и вызвано желанием эффективно обрабатывать только сигнал переменного тока, без постоянной составляющей.
Большинство проектов двухтактных усилителей превышают по энергоэффективности несимметричные конструкции, по крайней мере, в два раза, они также обладают меньшими искажениями. В усилителях с хорошо подобранными выходными транзисторами измеренные искажения будут ниже, и содержать в основном третью и другие «странные» гармоники, отражающую симметрию между плюсом и минусом половины сигнала.
Возможна работа в классе А, классе АВ, и классе B. Наиболее линейным из них является класс, в котором схема будет рассеивать на холостом ходу мощность более чем в два раза превышающую его номинальную мощность. Мы можем значительно повысить эффективность, если отделим ток смещения от тока сигнала. Можно добиться этого путем смещения цепи с источником постоянного тока и поднять КПД до 20%, или приблизительно в 5 раз.
Источник постоянного тока обеспечивает только постоянный ток, который не изменяется с сигналом. В дополнение к улучшению эффективности, источник тока удаляет шум питания от смещения и обеспечивает постоянную нагрузку на источник питания. В результате этого снижаются требования к источнику питания, его внутреннему сопротивлению, и два канала могут работать от одного источника без модуляции сигнала друг друга.
Очевидно, использование источника тока более выгодно по сравнению с использованием резистора, хотя и не каждый проектировщик с этим согласен.
↑ 3. Применение MOSFET транзисторов в аудио
Мы должны рассмотреть, какая элементная база наиболее подходит для нашей цели.
Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.
Чтобы в полной мере ощутить преимущества транзисторов MOSFET, они должны работать в классе А. Поэтому неудивительно, что MOSFET не нашли той поддержки в среде аудиофилов, которой они заслуживают. Я ожидаю, что ситуация изменится в ближайшем будущем, MOSFET должны занять своё место в несимметричных усилителях класса А.
↑ 4. Принципиальная схема усилителя Pass Zen
На рис. 2 показана полная схема усилителя. На Q1 собран каскад усиления, источник тока на транзисторе Q2. Узел на транзисторе Q3 служит для регулировки режима транзистора Q2. Цепь R6 R7 С5 служит для фильтрации пульсаций питания.
Ток, проходящий через Q2, вызовет падение напряжения на R1, и когда оно достигнет 0,66 В, транзистор Q3 начнет открываться, что ограничит напряжение затвор-исток Q2 примерно до 4 Вольт. Равновесие наступает при постоянном токе через Q2 примерно 2 А.
R3 и R4 улучшают стабильность петли регулировки и предотвращают паразитные колебания тока через транзистор Q2. Этот же постоянный ток 2 А будет протекать и через транзистор Q1. Резистор R8 и потенциометр Р1 создают цепь обратной связи по постоянному току, которая управляет затвором Q1, поддерживает напряжение около 4 В и позволяет установить напряжение на стоке Q2 равное половине напряжения питания, или около 17 В.
Входной сигнал через С6 и R5 поступает на затвор Q1, а выходной сигнал проходит через С3 и С4 на громкоговоритель. R9 и R2 служат для разрядки конденсаторов С6 и С3 С4. Стабилитрон Z1 защищает затвор Q1 при переходных процессах.
Ток, проходящий через Q2, вызовет падение напряжения на R1, и когда оно достигнет 0,66 В, транзистор Q3 начнет открываться, что ограничит напряжение затвор-исток Q2 примерно до 4 Вольт. Равновесие наступает при постоянном токе через Q2 примерно 2 А.
R3 и R4 улучшают стабильность петли регулировки и предотвращают паразитные колебания тока через транзистор Q2. Этот же постоянный ток 2 А будет протекать и через транзистор Q1. Резистор R8 и потенциометр Р1 создают цепь обратной связи по постоянному току, которая управляет затвором Q1, поддерживает напряжение около 4 В и позволяет установить напряжение на стоке Q2 равное половине напряжения питания, или около 17 В.
Входной сигнал через С6 и R5 поступает на затвор Q1, а выходной сигнал проходит через С3 и С4 на громкоговоритель. R9 и R2 служат для разрядки конденсаторов С6 и С3 С4. Стабилитрон Z1 защищает затвор Q1 при переходных процессах.
На рис. 3 показан рисунок печатной платы двух каналов усилителя. Фольга со стороны монтажа деталей не удалена и используется в качестве экрана, под выводы деталей фольга удалена с помощью высверливания.
Обратите внимание на полярность выхода. Поскольку топология усилителя инвертирует фазу входного сигнала, положительный вывод динамика должен быть соединён с общим проводом усилителя.
Обратите внимание на полярность выхода. Поскольку топология усилителя инвертирует фазу входного сигнала, положительный вывод динамика должен быть соединён с общим проводом усилителя.
На рис. 4 и рис. 5 показано размещение деталей на плате и список деталей. Обратите внимание, что трансформатор Т1, предохранитель F1 и диодные мосты В1 не располагаются на печатной плате. Часть деталей, конечно, можно заменить.
Основным требованием для МОП-транзисторов является способность надёжно непрерывно рассеивать 30 Вт. Это означает, что необходимо выбирать транзисторы с мощностью 125 Ватт и более. МОП-транзисторы должны быть рассчитаны на напряжение 50 В и более, и я полагаю, что их максимальный постоянный ток должен быть 10 А или более. Я выбрал транзисторы фирмы International Rectifier.
Очень важным элементом является радиатор. Для каждого канала он должен обеспечить непрерывный отвод 70 Вт тепла при температуре окружающей среды 25 градусов по Цельсию. Менее эффективный теплоотвод сократит срок службы МОП-транзисторов.
Если при эксплуатации вы обнаружите, что не можете коснуться радиатора, я рекомендую использовать вентилятор.
Силовой трансформатор должен обеспечить переменное напряжение около 25 В при токе 6 А для каждого канала. В то время как через усилитель постоянно протекает постоянный ток 2 А на канал, из-за режима работы источника питания трансформатор должен обеспечивать ток больше, чем 2 А. Я предложил силовой трансформатор с вторичными обмотками для каждого канала, однако приемлемо питать оба канала от одной обмотки и диодного моста.
↑ 5. Настройка усилителя Pass ZEN
Когда вы закончили сборку усилителя, подключите его. Если предохранитель питания не сгорит, вы должны будете установить напряжение около 0,66 В на R1, а постоянное напряжение на стоке Q1 около 17 В.
Подав сигнал на вход и увеличивая его, с помощью потенциометра P1 установите симметричное ограничение на нагрузке 8 Ом. Проведите более точную регулировку при прогреве усилителя и наступлении теплового равновесия.
Основным требованием для МОП-транзисторов является способность надёжно непрерывно рассеивать 30 Вт. Это означает, что необходимо выбирать транзисторы с мощностью 125 Ватт и более. МОП-транзисторы должны быть рассчитаны на напряжение 50 В и более, и я полагаю, что их максимальный постоянный ток должен быть 10 А или более. Я выбрал транзисторы фирмы International Rectifier.
Очень важным элементом является радиатор. Для каждого канала он должен обеспечить непрерывный отвод 70 Вт тепла при температуре окружающей среды 25 градусов по Цельсию. Менее эффективный теплоотвод сократит срок службы МОП-транзисторов.
Если при эксплуатации вы обнаружите, что не можете коснуться радиатора, я рекомендую использовать вентилятор.
Силовой трансформатор должен обеспечить переменное напряжение около 25 В при токе 6 А для каждого канала. В то время как через усилитель постоянно протекает постоянный ток 2 А на канал, из-за режима работы источника питания трансформатор должен обеспечивать ток больше, чем 2 А. Я предложил силовой трансформатор с вторичными обмотками для каждого канала, однако приемлемо питать оба канала от одной обмотки и диодного моста.
↑ 5. Настройка усилителя Pass ZEN
Когда вы закончили сборку усилителя, подключите его. Если предохранитель питания не сгорит, вы должны будете установить напряжение около 0,66 В на R1, а постоянное напряжение на стоке Q1 около 17 В.
Подав сигнал на вход и увеличивая его, с помощью потенциометра P1 установите симметричное ограничение на нагрузке 8 Ом. Проведите более точную регулировку при прогреве усилителя и наступлении теплового равновесия.
На рис. 6 показана зависимость гармонических искажений от выходной мощности от 10 милливатт до 20 ватт на частоте 1 кГц и нагрузке 8 Ом. Ниже 10 Вт есть только вторая гармоника.
На рис. 7 показана зависимость искажений от частоты при мощности 2 Вт во всем звуковом диапазоне.
На рис. 8 показана АЧХ усилителя. Спад составляет 0,25 дБ на частоте 20 Гц и около 0,5 дБ на частоте 20 кГц.
Выходное сопротивление усилителя составляет примерно 1 Ом, коэффициент демпфирования около 8. Не все громкоговорители подходят для данного усилителя, либо потому, что они должны иметь высокий коэффициент демпфирования, либо имеют импеданс ниже 8 Ом, либо требуют более 10 Ватт. Есть немало громкоговорителей с сопротивлением 8-16 Ом и чувствительностью 90-100 дБ, которые вполне пригодны.
Усилитель весьма хорош в качестве СЧ-ВЧ, и особенно хорош для рупорных АС. Если вы обязательно хотите использовать нагрузку 4 Ом, я предлагаю просто включить параллельно два канала по входу и выходу. Входное сопротивление усилителя 4,75 кОм, усиление около 8,5 дБ. Это означает, что усилитель должен работать от источника сигнала, способного обеспечить напряжение 3,5 В при токе 700 мкА. Входное сопротивление может быть скорректировано для источников с большим напряжением и меньшим током за счет увеличения R5, и наоборот.
↑ Как звучит Pass Zen?
При подходящем громкоговорителе, просто замечательно. После публикации таких проектов, как этот, я всегда получаю большое число вопросов о том, как улучшить дизайн, как сделать его мощнее, меньше, лучше.
Используйте более качественный провод, лучшие конденсаторы, разъемы. Все элементы легко масштабируются, вы можете либо найти более мощные MOSFET, или выбрать режимы ближе к предельно допустимым. Я построил более мощные версии этой схемы с использованием промышленных MOSFET в крупных корпусах, рассчитанных на 600 Ватт, и они прекрасно работают.
Простота усилителя определяет повышенную терпимость к изменениям. В отличие от большинства конструкций, нет критичных компонентов, и нет проблем с устойчивостью.
Nelson Pass,
1994
Выходное сопротивление усилителя составляет примерно 1 Ом, коэффициент демпфирования около 8. Не все громкоговорители подходят для данного усилителя, либо потому, что они должны иметь высокий коэффициент демпфирования, либо имеют импеданс ниже 8 Ом, либо требуют более 10 Ватт. Есть немало громкоговорителей с сопротивлением 8-16 Ом и чувствительностью 90-100 дБ, которые вполне пригодны.
Усилитель весьма хорош в качестве СЧ-ВЧ, и особенно хорош для рупорных АС. Если вы обязательно хотите использовать нагрузку 4 Ом, я предлагаю просто включить параллельно два канала по входу и выходу. Входное сопротивление усилителя 4,75 кОм, усиление около 8,5 дБ. Это означает, что усилитель должен работать от источника сигнала, способного обеспечить напряжение 3,5 В при токе 700 мкА. Входное сопротивление может быть скорректировано для источников с большим напряжением и меньшим током за счет увеличения R5, и наоборот.
↑ Как звучит Pass Zen?
При подходящем громкоговорителе, просто замечательно. После публикации таких проектов, как этот, я всегда получаю большое число вопросов о том, как улучшить дизайн, как сделать его мощнее, меньше, лучше.
Используйте более качественный провод, лучшие конденсаторы, разъемы. Все элементы легко масштабируются, вы можете либо найти более мощные MOSFET, или выбрать режимы ближе к предельно допустимым. Я построил более мощные версии этой схемы с использованием промышленных MOSFET в крупных корпусах, рассчитанных на 600 Ватт, и они прекрасно работают.
Простота усилителя определяет повышенную терпимость к изменениям. В отличие от большинства конструкций, нет критичных компонентов, и нет проблем с устойчивостью.
Nelson Pass,
1994
Следующая публикация
Комментарии 1