HiFi Güç Amplifikatörü

Yakın zamanda bir çift vintage Infinity RS-5b hoparlörün satın alınması, bunları çalıştıracak bir amplifikatör arayışına yol açtı. Hoparlörlerimle birlikte gelen belgelere göre, 35W ile 135W arasında bir amplifikatör tavsiye ediliyor (%10 THD’deki 10W’lık çöp Sharp 3’ü 1 arada değil). Başlangıçta ticari amplifikatörlere (Yamaha, NAD ve Rotel) baktım, ancak oldukça sıradan distorsiyon rakamları karşısında hayal kırıklığına uğradım. Böylece yeni bir hobi projesi doğmuş oldu 🙂

Açıklama çeviridir…

Bazı nominal özellikler buldum:

Müzik seti. Film izlemek için kullanacağım ancak dairemde tam surround ses hoparlör seti için yer yok. Ana motivasyonum stereo müzik kaynaklarını dinlemek, bu yüzden stereo amplifikatör uygun. Düşük THD ve IMD. Sesli konuşmada bu, klinik veya doğru olarak tercüme edilir. Mesleğim gereği bir mühendisim, bu nedenle herhangi bir anlama gelebilecek “sıcak” veya “soğuk” yerine THD gibi terimleri tercih ederim. Çoğu ticari amfinin %0,02 veya civarında THD sunduğu göz önüne alındığında, iyi bir hedefin %0,001 olduğunu düşündüm. Bu, harmoniklerin ve intermodların temel seviyenin 100 dB altında olacağı anlamına gelir ve dolayısıyla sistem performansının amplifikatörden ziyade kaynak (CD) malzemesi tarafından belirleneceği anlamına gelir.

Geniş güç. 100W makul bir miktar gibi görünüyor. Şu anda iki yatak odalı bir dairede yaşıyorum ve komşularımın beni öldürmesini istemiyorum 🙂 Ancak cidden, 100W’ın bana 1W nominal dinleme seviyesinde 20dB’lik net bir boşluk payı sağladığını düşündüm.

Düşük gürültü. Müziğimi genellikle oldukça düşük seviyede dinlerim, bu nedenle amplifikatör girişinin düşük gürültü katkısına sahip olması önemlidir.

Orta maliyet. Geri ödeme olarak bol miktarda keyifli hobi saatleri (ve dinleme saatleri) aldığım sürece, yaklaşık 1000 $ harcamaktan mutluyum.

İyi görünüyor. Bu şey (preamp’ımla birlikte) salonumda yaşayacak. Bu, uyum sağlaması gerektiği anlamına geliyor. Barakamdan kaçmış gibi görünen bir şey istemiyorum, bu nedenle tasarımın önemli bir kısmı güzel bir kasa oluşturmakla ilgili. Kullanılabilirlik. Bu daha çok ön amplifikatörle ilgili, ancak her şeyin tamamen uzaktan kontrol edilebilir olmasını istedim.

Tasarım Arka Planı

Çocukken en sevdiğim aylık okumalardan biri ETI dergisiydi. Ocak 1981’de David Tilbrook tarafından tasarlanan ETI477 MOSFET güç amplifikatörünü anlatan bir dizi makale yayınladılar. Bu monoblok “5000 serisi” HiFi amplifikatörün temelini oluşturdu. Çaresizce bir tane inşa etmek istedim ama o zamanlar 9 kişi olduğum için bu gerçekleşmeyecekti.

5000 serisinin güzel yanı, yeni (o zamanlar) Hitachi yanal güç MOSFET’leri etrafında inşa edilmiş olmasıdır. Çoğu güç MOSFET’i (VMOS, trenchFET’ler, HexFET’ler vb.), akımın dikey olarak aktığı dikey bir yapı kullanır. Bu, şaşırtıcı derecede düşük Rds ve dolayısıyla yüksek verimlilik avantajına sahiptir, ancak doğrusallık veya kapasitans açısından hiçbir şey yapmaz.

Yanal MOSFET’ler, geçit oksidinin düz bir alt tabaka üzerinde oluşturulduğu ve akımın alt tabaka boyunca aktığı çok daha basit bir yapıdır. Bu, iyi tanımlanmış, kontrol edilebilir cihaz parametreleri, iyi doğrusallık ve nispeten düşük kapı kapasitansı ile sonuçlanır. Bununla birlikte, yanal MOSFET’lerin Rd’leri, evdekilere yazılacak bir şey değildir.

O zamanlar (ve şimdi de) çoğu amplifikatör iki kutuplu çıkış sürücülerini kullanıyordu. Bipolar transistörler ucuz ve bol miktarda bulunur. Nispeten yüksek iletkenliğe sahiptirler ve oldukça hızlı çalışabilirler. Ancak yüksek güçte kullanıldığında bazı dezavantajlara sahiptirler. Bunlardan en önemlisi termal kaçaktır. Bipolar transistörün kazancı ısındıkça artar. Bu, çıkış transistörleri arasında herhangi bir dengesizlik olması durumunda, en sıcak olanın akımın çoğunu geçireceği ve süresi dolana kadar daha da ısınacağı anlamına gelir. MOSFET’lerde bu sorun yoktur. Kazançları sıcaklıkla azalır, bu nedenle yükü iyi paylaşırlar.

MOSFET’ler ayrıca düşük frekanslarda yüksek bir giriş empedansına sahiptir ve (uygun bir kaynak tarafından çalıştırıldığında) son derece yüksek dönüş hızlarına sahiptir. Elbette bu özellik, uygun şekilde telafi edilmediğinde onları HF salınımına oldukça yatkın hale getiriyor, ancak dikkatli bir tasarımla etkileyici bir intermod performansı sağlayabiliyorlar.

Artık bir MOSFET amplifikatörü oluşturma zamanının geldiğine karar verdikten sonra işyerindeki kütüphaneye girdim ve eski ETI serisi 5000 amp makalelerini çıkardım ve okudum. Daha sonra 5000 serisinin Tilbrook’un MOSFET amplifikatörleri hakkındaki son sözü olmadığını keşfettim. 1987’de yeni bir dergi olan Australian Electronics Monthly’de konuyu yeniden ele aldı. Bu sefer (AEM6000 amplifikatör ile) uyumlu bir JFET diferansiyel giriş katı ve tamamlayıcı simetrik voltaj amplifikatör katı ile her şeyi ortaya koydu. Çok sayıda kazanç sağlayan, süper düşük distorsiyon rakamlarına yönelik bir arayış. Burası başlamak için iyi bir yer gibi görünüyor.

Optimizasyon

Tasarımın birkaç dezavantajı vardı. Birincisi, eski TO-3 paketlenmiş yanal MOSFET’lere dayanıyordu ve ikinci olarak PCB’ler (birçok kit seti kartı gibi) zaten oldukça zayıf bir tasarımdı. PCB’leri modern düz paket eşdeğerleri (Hitachi 2SK1058 ve 2SJ162) etrafında yeniden tasarlamaya başladım. Bunu yaparken birçok şeyi değiştirdim

modern (daha hızlı) eşdeğerler için kalan transistörlerin sayısı.

Aşağıdaki aktif cihaz değişikliklerini yaptım:

JFET giriş farkı: SST404 (SO-8). ECG461’di.
Düşük güçlü bipolarlar: MMBTA06/56 (SOT-23). BC547/557 ve BC639/640 idi.
Orta güçlü bipolarlar: MJE340/350 (TO-126). Değişmedi.
Güç MOSFET sürücüleri: 2SK1058/2SJ162 (TO-3P). 2SK176/2SJ56 (AEM6000) veya 2SK134/2SJ49 (AEM6005 ve ETI5000) idi.

8 Ohm’luk bir hoparlörde 100W’ı dağıtmak için yüke 28V RMS uygulanması gerekir. Bu 40V tepe noktasıdır. Zirvede (dirençli bir yük varsayarak), amplifikatörün 5A beslemesine ihtiyacı vardır. SOA toplamlarını yapmak (daha sonra), 2 çift sürücüye ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir. Ayrıca MOSFET’in Vgs’si yüksek akımda 10V civarında olabilir. Bu, beslemenin tepe çıkış voltajından en az 10V daha yüksek olması gerektiği anlamına gelir. +/-56V tepe sekonder gerilimi olan ikiz bir 40V transformatör uygundur.

Artık transistörleri değiştirdiğime göre, kararlılığı korurken makul bir performans elde etmek için diğer bileşenlerin çoğunun değerleriyle de oynamak zorunda kaldım. Öncelikle her zamanki 1V RMS tam güç girişi yerine bunu biraz 1,8V RMS’ye çıkarmaya karar verdim. Bu, ön yükselticimin mevcut dinamik aralığından daha fazlasını kullanmamı sağlıyor ve 16 veya 24dB’lik bir kazanç gerektiriyor.

Transistörler (ve valfler) doğası gereği doğrusal olmayan cihazlardır. Doğrusallaştırılmaları gerekir, yoksa sesi bozarlar. Bu hedefe ulaşmanın üç yolu vardır:

Transistörü çok küçük bir çalışma aralığında kullanın.
Distorsiyonu (simetri) iptal etmek için ileri beslemeyi kullanın.
Distorsiyonu iptal etmek için geri bildirimi kullanın.

Hemen hemen tüm amplifikatörler bu üçünün bir kombinasyonunu kullanır. Geri bildirimin “odyofil” türleri arasında kötü bir adı vardır. İyi düşünülmemiş geri bildirim (özellikle birden fazla aşamada) salınımla sonuçlanabilir (genellikle çok yüksek frekansta, bu kendi başına duyulamayan ancak amplifikatörün performansını bozar. Geri bildirimin hepsinin küresel olması gerekmez. Sağlam bir şema şunları içerir: Bir amplifikatörün her aşamasını bağımsız olarak doğrusallaştırmak (örneğin yayıcı dejenerasyonla), ardından kazancı ayarlamak için genel geri bildirimi (uygun telafiyle) kullanmak.

Devreyi yeni parçalar etrafında yeniden tasarlamak için Linear-Tech’in ücretsiz baharat simülatörünü kullandım. Benim ana değişikliklerim, mevcut genel açık döngü kazanımı pahasına, her aşamada yayıcı dejenerasyonunu artırmak, her aşamanın doğrusallığını iyileştirmekti. Bu, kolayca stabilize edilmiş bir amplifikatör sağlayan bir yaklaşımdır.

Aşağıda biraz basitleştirilmiş bir şema gösterilmektedir. Evet, olağanüstü derecede karmaşık bir amplifikatör canavarıdır. Bol miktarda açık döngü kazancı için çok sayıda simetri ve çok sayıda aşama. Şematik AEM6000 amplifikatörünü göstermiyor. Bu benim Tilbrook’un tasarımına bakış açım. Topoloji aynıdır ancak bileşen değerleri farklıdır. AEM6000’in şemaları için kütüphaneyi ziyaret etmeniz gerekecek. Güç kaynağı ayırma ve geçit koruma zenerleri vb. dahil olmak üzere gerçek şeyin .pdf versiyonu için gösterilen şemaya tıklayın:

Dahil edilen tasarım dosyaları, kendi tasarımınızı oluşturmak için ihtiyacınız olan tek şeydir (eğer bunu yapacak kadar çılgınsanız). Birçok PCB imalat şirketi Protel PCB dosyasını kabul edecek ve (para vermeniz şartıyla) size devre kartları sağlayacaktır.

Source: http://www.littlefishbicycles.com/index.html