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

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.


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.



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.

↑ ШАГ № 2 / КаскОдное модулирование

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.





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).



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.

↑ 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,
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.

© 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.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации