» » » Девятый Дзен Нельсона Пасса. Усилитель класса "А" (Nelson Pass Zen 9)

 
 
 
3

Девятый Дзен Нельсона Пасса. Усилитель класса "А" (Nelson Pass Zen 9)

Разместил maxtr 31 января 2009. Просмотров: 51 190

Впервые по русски!
Усилитель «ZEN 9»
Автор Нельсон Пасс (Nelson Pass)


Введение

При создании усилителя ZEN восьмой версии мы коснулись рассмотрения нового мощного JFET транзистора «LU1014D» производства компании Lovoltech (JFET — полевой транзистор с управляющим p-n-переходом) в простой схеме включения. Основной акцент статьи был сделан именно на самом транзисторе как таковом, не распространяясь о каскаде предусиления и использованных пассивных элементов усилителя. Настоящей статьей на примере 4х схем мы постарались рассмотреть более подробно схемотехнику JFET транзистора, сделав основной упор на достижении наименьших искажений, и на момент написания статьи были удивлены полученными лучшими результатами этого параметра среди серии усилителей линейки «ZEN».

Для краткой ссылки привожу ниже базовую схему включения на рисунке № 1.

Рисунок№ 1. Схема усилителя ZV8 без цепей обратной связи


Внимание! На Датагоре появилось продолжение темы усилителей класса «А» от Нельсона Пасса: Penultimate Zen — предпоследний Дзен Нельсона

ШАГ № 1 / Введение фильтра питания и источника постоянного тока

Напряжение смещения в ZV8 образовывается за счет применения пары ламп накаливания, общее активное сопротивление которых составляет примерно 11 Ом, что в свою очередь обеспечивает ток в 2,2 ампера для усиливающего транзистора. Данная схема имеет три недостатка:
1) Она не эффективна — источник питания должен обеспечивать на 50% большее напряжение, чем максимальное напряжения выходного сигнала усилителя.
2) Включение сопротивления ламп накаливания параллельно нагрузке (к примеру общее сопротивление ламп накаливания при при 8-омной нагрузке достигает 4,6 Ома) ведет к ужесточению режима работы выходного транзистора в два раза и росту нелинейных искажений.
3) Слабая фильтрация помех источника питания — порция помех от источника питания проникает в выходную цепь через лампы накаливания.

Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.


На рисунке № 2 мы настраиваем потенциометром P1 напряжение на стоке равное половине напряжения питания схемы путем подстройки напряжения Сток-Исток (Vds) полевого JFET транзистора. К примеру при напряжении на стоке транзистора Q3 равным 46 Вольт нам необходимо выставить напряжение в 23 вольта на стоке транзистора Q2. При подборе значения сопротивления резистора R3 (примерно равному 2 Ом) мы добьемся минимальных искажений сигнала, что соответствует примерно значению падения напряжения Vds на JFET-e Q1 от 2 до 3 Вольт. Мощность рассеивания данного резистора должна составлять 4—6 ватта!

Выходное сопротивление данной схемы усилителя тока, управляемого напряжением на основе источника тока определяется значением резистора R7 равного примерно 100 Омам. Для дальнейшего снижения выходного сопротивления усилителя позднее мы введем цепь отрицательной обратной связи.

Рисунок № 3 наглядно показывает лучшую функциональность усилителя по схеме № 2, что выразилось в падении уровня искажений примерно в два раза.

В версии усилителя с лампами накаливания нелинейные искажения в 10% (клипинг) наступают при выходной мощности в 10 Ватт, в то время как в схеме на основе источника постоянного тока эффект клипинга наступает уже при мощности 20 Ватт.


Рисунок № 3. Сравнение схемы усилителя с лампами накаливания и схемы с источником постоянного тока


ШАГ № 2 / КаскОдное модулирование

Примечание переводчика:
Наибольшее применение каскад с ОБ (ОЗ) находит в сочетании с каскадом с ОЭ (ОИ). Это так называемый каскод — последовательное соединение ОЭ-ОБ (ОИ-ОЗ). Каскодные усилители примечательны тем, что в каскадах почти полностью развязаны входная и выходная цепи, т. к. база транзистора каскада с ОБ имеет неизменный потенциал. Следовательно, в каскодных усилителях эффект Миллера не проявляется. Поскольку входное сопротивление каскада с ОБ ничтожно мало, каскад с ОЭ работает в режиме короткого замыкания на выходе (т. е. по сути работает как каскад с ОК), обеспечивая такое же усиление, как идеализированный каскад с ОЭ. Входное сопротивление на высоких частотах выше, т. к. существенно уменьшается входная ёмкость каскада. Резкое ослабление ОС с выхода на вход способствует устойчивой работе каскада, особенно в резонансных усилителях.

Возможные сочетания каскада с ОЭ на n-p-n транзисторе с каскадом ОБ (ОЗ) на транзисторах разной проводимости:
Девятый Дзен Нельсона Пасса. Усилитель класса "А" (Nelson Pass Zen 9)

Аналогичные схемы для каскада с ОИ на полевом транзисторе с каналом n-типа:


При создании прототипа ZV8 мы уделили время обсуждению JFET мощного полевого транзистора и выяснили его схожесть с характеристиками лампы-триода на участке низких напряжений, где оба участка крутизны и «ровной» части характеристики (Vds) имеют экспоненциальное поведение. Используя данный электронный прибор (JFET), мы можем разработать схему снижения нелинейных искажений путем точного подбора нагрузочных цепей таким образом, что коэффициент усиления по току становится пренебрежительно малым по отношению к коэффициенту усиления по напряжению, что в свою очередь обеспечивает весьма разительное снижение искажений усиливаемого сигнала.

Вышеупомянутый феномен мы только обсуждали в процессе создания ZV8, здесь же мы его постараемся использовать на практике. Во многих случаях, правильное измение напряжения на участке Сток — Исток (Vds) по отношению к силе тока в цепи Сток — Исток (Ids) приводит к значительному усложнению схемотехники на JFET транзисторах, но в данном случае Мать Природа делает нам подарок. Оптимальное варьирование напряжения может быть обеспечено за счет подбора сопротивления резисторов R1-R3, при точном выборе которого формируется необходимое нам значение тока само-смещения полевого транзистора, которое устанавливается в районе 2х Ампер.

На рисунке 2 емкость С5 служит для того, чтобы переменная составляющая на Истоке транзистора Q2 сопрягалась с Истоком транзистора Q1, поддерживая тем самым Vds транзистора Q1 по постоянному току на уровне 2—3 вольта. Это классическое каскодное включение. Правда стоит отметить, что постоянно поддерживаемое напряжение Vds для транзистора Q1 не обеспечивает минимальное значение нелинейных искажений для нагрузочных цепей этого электронного прибора. Так как мы стремимся избежать двух нелинейных характеристик, оптимальное значение Vds для Q1 будет смесью постоянного тока плюс ограниченное значение переменной составляющей в районе минус 600 мВ на Ампер, что обнаружилось при тестировании на мощности 1 Ватт. На рисунке № 4 мы достигаем этого наиболее простым путем — заземляя однин полюс обкладки конденсатора C5.


Рисунок № 4. Заземление вывода конденсатора C5.


Рисунок № 5. График показывающий различие работы схем на основе источника постоянного тока и каскодного модулирования.


Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.


Давайте внимательно рассмотрим рисунок № 6. Он отличается от рисунка № 4 цепями R16, R17 и C8, которые и образуют отрицательную обратную связь. Наш усилитель ZV9 как и многие его собратья — предшественники использует ООС для снижения выходного импеданса (полного сопротивления). Коэффициент передачи определяется грубо путем деления значения сопротивления резистора R17 на значение сопротивления резистора R16. От значения сопротивления резистора R16 в основном зависит входное сопротивление усилителя. С указанными на схеме значениями мы создали отрицательную обратную связь с уровнем 10 dB, чтобы получить коэффициент демпфирования равного 3, достигнув тем самым снижения нелинейных искажений почти в половину. Введением конденсатора С8 нам удалось значительно улучшить передачу прямоугольных импульсов (в процессе наладки усилителя прямоугольные импульсы служат для оценки качества передачи сигналов с крутыми фронтами).


Рисунок № 7. Сравнение работы схем с отрицательной обратной связью и без нее


Для наглядности работы отрицательной обратной связи на рисунке № 7 приводятся соответствующие графики. Примечание: это улучшение схемы не является стандартным — в цепях с простой малой отрицательной обратной связью это часто не выполняется.

ШАГ № 4 / Алефовский источник тока

Те из Вас, кто уже знаком с прототипом усилителя ZV4 наверное поймут меня, почему за основу разработки источника тока я взял схему по рисунку № 2 — данный источник тока очень легко трансформировать в непостоянный источник тока, использованный при создании линейки усилителей серии «Алеф» («Aleph»), что подробно описано в моих патентах № 5, 710, 522.

В описании усилителя ZV4 я подробно рассмотрел источник тока, но возвратившись к рисунку № 8 мы заметим, что источник тока имеет дополнительные элементы C9, R18 и R19 которые заставляют величину переменной составляющей источник тока «отслеживать» случайную фракцию на выходе схемы. При номиналах указанных на схеме № 8 и сопротивлении акустических систем 8 ом, для усилительного транзистора (JFETа) общее эквивалентное сопротивление нагрузки окажется равным 16 омам. С увеличением импеданса нагрузки, источник тока снижает искажения транзистора Q1 до тех пор пока он способен контролировать выходной сигнал.

При значении мощности в 1 Ватт улучшение коэффициента достигает значения равному 5, а при 10 Ваттах уже становится равным 10. Это происходит потому, что источник тока увеличивает усиление цепи обратной связи на 6 dB, соответственно коэффициент демпфирования поднимается до уровня 6, а выходное усиление увеличивается примерно на один децибел или около того. Так как усиление цепи обратной связи все же предельно, общий входной импеданс все же выше чем примерное значение 10 кОм входного сопротивления R16. Частотный диапазон усилителя на уровне −3 dB составляет 1 Гц — 80 кГц.


Рисунок № 8. Схема усилителя с «Алефовским» источником тока



Рисунок № 9 показывает разницу между схемой включающей два резистора и конденсатор, которые активируют алефовский источник тока и без нее


Несколько конструкторских замечаний

Я упомянул в данной статье на необходимость подбора сопротивления R3 для достижения наименьших нелинейных искажений. Конечно лучший способ подбора R3 это использование мощного потенциометра на 5 Ом и одновременное проведение подстройки переменного резистора P1 контролируя результат с помощью измерителя нелинейных искажений. Однако это требует прибора, который не у всех есть под рукой. Подбирая различные значения резистора в усилители мне удалось добиться уровня нелинейных искажений значением менее 0,003% на выходной мощности в 1 Ватт.

Так как большинство из Вас не имеют в наличии анализатора нелинейных искажений, у меня есть альтернативный вариант подбора этого сопротивления R3 с достаточной точностью,
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен только полноправным членам сообщества и подписчикам.
Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями доступа.

Данный усилитель разработан на мощность 100 Ватт / канал, что требует для каждого отдельно взятого канала усиления радиатор с уровнем температурного отвода 0,25 С / Ватт. Транзистор Lovoltech LU1014D так же требует отвода тепла, так как оперирует постоянно с мощностями от 4 до 6 Ватт. В виду большой мощности рассеивания на транзисторах Q2 и Q3 — я настоятельно рекомендую использовать слюдяные изоляторы и термопасту при установке их на общий радиатор.

Как известно характеристики всех полупроводниковых приборов изменяются вместе с изменением их температуры, поэтому вы сами убедитесь в необходимости перенастроить режимы транзистора после его «прогрева» в течение определенного времени. Этот момент надо учитывать и при последующей эксплуатации усилителя, и прогревать его в течение времени чуть менее часа перед прослушиванием, обычно этого времени вполне достаточно для установления режимов работы полупроводниковых приборов.

Если не оговорено отдельно, то в схеме использованы резисторы мощностью в 0,25 Ватта и конденсаторы на напряжение не менее 50 Вольт, однако не забудьте про резисторы мощностью в 3 Ватта (я использовал резисторы фирмы Panasonic). Электронные компоненты компании Lovoltech трудно найти в открытой продаже.

Заключение

С момента опубликования первой схемы усилителя ZEN минуло уже 12 лет, в прошлом я и не мог предположить какой отклик общественности встретит данная разработка. Однокаскадный усилитель весьма привлекателен для разного уровня подготовки радиолюбителей — он служит прекрасной базой для обучающих проектов не только благодаря концепции «изолирования» процесса усиления, но и благодаря простоте схемного решения, оказывающийся весьма привлекательной для новичков.

Конечно схемное решение на основе однокаскадного усилителя имеет и эстетическое значение. Наша задача состоит в создании наилучшего и как можно более простого усилителя, используя концепцию обеспечения кратчайшего пути сигнала от источника к нагрузке, что в свою очередь обеспечит максимум передачи неискаженной информации при минимуме вносимой тембровой окраски от самого усилителя.

Отметим, что мы наблюдаем реальный прогресс в развитии данной концепции. Самый первый оригинальный усилитель ZEN имел коэффициент нелинейных искажений 0,6% на мощности 1 Ватт, настоящая же схема обеспечивает в сто раз меньшую величину этого же параметра. Я уверен, лучшей оценкой сравнения полученных результатов для простых схем является реальное прослушивание, и конечно же в процессе прослушивания и сравнения возникает резонный вопрос, действительно ли звучание этого усилителя стало в сто раз лучше?

Ответ прост: конечно нет! Всего в 10 раз лучше. wink

© 2006 Nelson Pass, all rights reserved.
© 2009 Максим Третьяков специально для портала datagor.ru, перевод на русский, авторские примечания.
© 2009 Игорь Котов, верстка, подготовка графики.
Максим (maxtr)
г. Алматы, Казахстан
Профиль maxtr
Люблю свою супругу и двух детишек. В свободное время от труда на хлеб насущный, а так же времени проведенного с семьей, уделяю немного интересам рыбалки, отдыха на природе, копанию в своем железном коне, иногда люблю приготовить какой кулинарный изыск или что-нибудь неординарное. Ну и конечно люблю попаять :)
 

Понравилось? Палец вверх!

  • всего лайков: 13

Поделись с друзьями!

Связанные материалы:


Схема на Датагоре. Новая статья Soft-start на MOSFET и выключатель питания для УНЧ и других устройств... Привет, друзья! Делал я как-то УНЧ с конденсаторами фильтра БП по 50.000 мкФ в плече. И задумал...
Схема на Датагоре. Новая статья Идеология усилителя «Дзен» от Нельсона Пасса (Nelson Pass Zen)... Конструкции Нельсона Пасса популярны среди радиолюбителей, хотя частенько вызывают ожесточенные...
Схема на Датагоре. Новая статья Двухтактный ламповый усилитель на 6П3С по мотивам Нобу Шишидо... Очень удачный двухтактный усилитель на лампах 6П3С. Эти лампы незаслуженно отнесли в разряд...
Схема на Датагоре. Новая статья TA7317P – микросхема для устройств защиты акустических систем... Усилители мощности с двуполярным питанием должны иметь узел для защиты подключаемых к ним...
Схема на Датагоре. Новая статья Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда в выходном каскаде УМЗЧ... Не мечтай, действуй! Особенность построения УМЗЧ настоящего проекта заключается в том, что его...
Схема на Датагоре. Новая статья Транзисторный фильтр питания с высоким КПД для аудиоаппаратуры... При создании прибора для ремонта телевизоров мне потребовался регулируемый источник питания 30-300...
Схема на Датагоре. Новая статья Плавное включение и выключение ламп накаливания... Как известно, лампы накаливания в основном перегорают в момент включения, когда нить накаливания в...
Схема на Датагоре. Новая статья Простое управление тиристором... Предлагаю для любителей схемку, которую «открыл» (для себя) сам. Случилось это, когда искал...
Схема на Датагоре. Новая статья Предпоследний Дзен Нельсона Пасса. Усилитель класса "А" (Nelson Pass PENULTIMATE ZEN)... Впервые по русски! Усилитель «PENULTIMATE ZEN» Автор Нельсон Пасс (Nelson Pass) Уважаемые...
Схема на Датагоре. Новая статья Блок питания с защитой по току для наладки усилителей и пр. радиоконструкций... Нередко при ремонте или создании нового усилителя возникает проблема безопасной проверки его...
Схема на Датагоре. Новая статья УМЗЧ класс "А". С лампами, но не ламповый!... Если посмотреть на фото этого усилителя, то первое, что приходит в голову: «Очередной гибридник с...
Схема на Датагоре. Новая статья Реальный безтрансформаторный ламповый усилитель для низкоомных наушников по мотивам «Лаконика»... Безтрансформаторный ламповый усилитель для головных телефонов с максимальной возможностью...
<
  • Гражданин
25 апреля 2012 18:28

Николай / VNN84

Цитата
  • С нами с 9.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 11 комментариев
  • 0 публикаций
 
  • 0
LU1014D - а чем можно заменить?

<
  • Главный редактор
27 апреля 2012 14:05

Игорь Петрович Котов / Datagor

Цитата
  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 664 комментария
  • 267 публикаций
 
  • 0
LU1014D - высокоэффективный N-канальный JFET с защитным диодом.
Берите оригинальный даташит тут: LU1014D.pdf
и находите нечто похожее по электрическим параметрам.

Вообще LU1014D транзистор интересный и редкий. Может его Пасс специально в схеме указал, чтобы затруднить домашнее повторение?
pardon

<
  • Гражданин
1 мая 2012 20:59

Николай / VNN84

Цитата
  • С нами с 9.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 11 комментариев
  • 0 публикаций
 
  • 0
Интересно услышать мнение по этой схеме //www.firstwatt.com/pdf/art_f5_turbo.pdf
Более поздняя Нельсонская схема. Привлекает полное отсутствие электролитов в цепи сигнала... Очень привлекает!

Добавление комментария


Налетай! Паяльники, станции, жала с доставкой
  • smilelolbyewinkyahoocoollaughing
    crazybadcryingsadirefulsickstraight
    ballooncakegooddrinksmailbombsun
    nightrainstarscolddashguitar-manhandshake
    musicnegativenopardonshoksleepunknown
    wackoyawnblushbullyhashsmokingwhew
Скопируйте текст вашего комментария на случай неверного ответа на контрольный вопрос.