Предпоследний Дзен Нельсона Пасса. Усилитель класса "А" (Nelson Pass PENULTIMATE ZEN)

Уважаемые датагорцы, продолжая начатую серию переводов о творчестве интересного конструктора и инженера Нельсона Пасса (смотрите статью на портале «Девятый Дзен Нельсона Пасса»), предлагаю вашему вниманию очередную порцию информации.



Сейчас пойдет речь о статье-предшественнице, опубликованной автором еще в 2002 году.
Не многие знают, что под марками всемирно известных фирм часто скрываются разработки Нельсона Пасса. Будучи приверженцем чистого, свободного, неискаженного звука, Нельсон Пасс выработал основные правила, которых следует придерживаться при проектировании усилителей: балансная схема, работающая в классе А, минимальное количество каскадов усиления, минимальная обратная связь или ее отсутствие, качественное питание для каждого каскада.
Нельсоном Пассом была разработана собственная балансная схема "Super Symmetric" (патент США 53776899). Более 700 патентов, полученных им за прошедшие годы, позволяют создавать продукт высочайшего класса, оставаясь на недосягаемой для конкурентов высоте. Опережая ваш вопрос, поспешу разъяснить почему мной была выбрана именно эта статья, а не какая другая. Да все очень просто! Во-первых, для повторения этой конструкции автором была разработана печатная плата устройства.
Во-вторых данную печатную плату, если хорошенько поискать в интернете, то можно и заказать готовую. А так как плата двухсторонняя и с металлизацией отверстий, то для большинства самодельщиков повторить такую плату самому будет по крайней мере хлопотно и ее заказ будет выходом из этой ситуации.
Ну и наконец, последний аргумент за перевод статьи - данный усилитель имеет репутацию основного, или как его назвал сам автор «предпоследнего» детища старика Нельсона (“The Penultimate Zen”).

На просторах интернета бытует мнение, что последующие клоны усилителя не внесли ничего значительного в звучание Дзена предпоследнего. Давайте разберемся в этом, прочитав вместе оригинальную статью автора в русском переводе! Кто знает, может быть кто-то из нас даже сможет собрать этот легендарный усилитель, и своими ушами оценить его...

Итак, приступим к чтению статьи.

↑ ВВЕДЕНИЕ

«Предпоследний» Дзен является результатом поэтапного улучшеня усилителя версии 1994 года. Вот уже восемь лет прошло и кануло в лету... За это время были предприняты несколько улучшений схемы, которые и были воплощены в версиях усилителя начиная со второй и окончились выпуском настоящей четвертой, и я уверен не последней вариации однокаскадного усилителя.

Во второй версии, мы усовершенствовали часть схемы - источника тока для устройств с единичным коэфициентом передачи. Стоит отметить, что источник тока несомненно является сердцем усилителя. Изначально, данная разработка была создана для серии «Алефовских» усилителей (Примечание переводчика: «Алефовские» усилители производит компания «First Watt», где каждый усилитель выпускается при непосредственном участии самого автора – Нельсона Пасса). Улучшенный источник тока позволяет удвоить выходной ток при снижении нелинейных искажений по сравнению с предыдущей версией устройства. Схематехника первой версии усилителя весьма ограничена в параметрах мощности и верности воспроизведения звука, поэтому можно смело заявить, что вышеупомянутое усовершенствование явилось вожделенным результатом для нас.

Оригинальная версия усилителя Дзен так же весьма ограничена в параметре подавления помех от источника питания. В третьей версии устройства мы рассмотрели потенциальные пути улучшения параметров питания для настоящей схемы и других схем усилителей семейства Дзен.

↑ ПОДНЯТИЕ ВХОДНОГО ИМПЕНДАНСА

Желание увеличения входного импенданса является деликатной темой. Дело в том, что не существует такого способа достижения поставленной задачи, кроме как несколько усложнить схему и добавить некоторые цепи в нее, однако постараемся сделать это в духе усилителей семейства Дзен, то есть минимизировать данные модификации.

Входной p-n переход полевого (MOSFET) усилительного транзистора работает с виртуальной землей, и Дзены предыдущих версиий имеют входной импенданс определяемый входным резистором помещенным между входной клеммой и затвором усилительного транзистора. Конечно, можно увеличить значение входного и соответственно резистора цепи отрицательной обратной связи, но в этом случае полевой транзистор будет работать на не идеальной части воль-амперной характеристики. Затвор полевого транзистора изначально имеет весьма высокое входное сопротивление переменному току, но в тоже время и имеет емкостную паразитную связь с выводами Истока и Стока. Величина емкостной связи весьма мала, что само по себе не налагает больших требований к значению сопротивления входного резистора. Однако, проблема заключается в том, что величина этой емкостой связи меняется в соттветствии с изменением напряжения и условий протекания тока, что в свою очередь порождает не линейные искажения особенно на высоких частотах. Вы можете наблюдать данный эффект на графиках нелинейных искажений предыдущих версий усилителя, где они растут с ростом частоты. При наибольшем значении входного сопротивления усилителя мы можем наблюдать и начало данного эффекта.

Чтобы увеличить входное сопротивление усилителя, при этом не увеличив нелинейные искажения, нам необходим буферный каскад. Наиболее часто встречающиеся решение, это использование входного повторителя, показанного на рисунке №1. Здесь маленький n-канальный полевой транзистор включен по схеме смещения истокового повторителя, что обеспечивает высокий входной импенданс. Так как мы применили весьма малый полевой транзистор, то эффект роста искажений с ростом частоты будет минимизирован в диапазоне звуковых частот.



На рисунке №2 приведен более удачный вариант повторителя. В приведенной схеме мы использовали p-канальный полевой транзистор со Стоком соединенным с земляным проводом и с Истоком смещенным источником тока, в данонм случае эту роль выполняет простой резистор.



Схема изображенная на рисунке №2 имеет несколько преимуществ обуславливающих такое техническое решение.

Во-первых, вход усилителя подключается непосредственно к источнику сигнала, и так как работает с потенциалом земли то тем самым исключает входную емкость и цепь смещения.

Во-вторых, такое решение обеспечивает само-смещение схемы, так как Сток работает с положительным потенциалом питания +Vgs (напряжение Затвор-Исток), где значение Vgs есть разность потенциалов на участке Затвор-Исток для полевого транзистора, что составляет примерно 3,5 Вольта. Величина тока поставляемого резистором не критична, впрочем может быть весьма значительна если того потребуется, так как сам полевой транзистор рассеивает ток при напряжении Vgs. Для транзистора ZVP3310, который мы и собираемся применить, эта величина составит примерно 50 мА, чего вполне достаточно.

В-третьих, нелинейность p-канала, будет иметь тенденцию работать в противофазе по отношению к искажениям n-канала усилительного полевого транзистора, что в свою очерердь приведет к общему снижению нелинейных искажений. Величину подавления этих нелинейных искажений можно менять путем подстройки тока смещения и величины нагрузки этого p-канального транзистора.

В-четвертых, так как вход каскада виртуально заземлен, мы можем «раскачать» управляющий ток так как нам хочется, при этом несколько не заботясь о напряжении действующего на входе устройства, так как это напряжение будет весьма близко к постоянному значению Vgs входного p-канала. При этом отличительно то, что эффект Миллера не будет проявляться, не будет емкостной модуляции усиления, улучшится эффективность. (Примечание переводчика - Эффект Миллера заключается в изменении межэлектродных ёмкостей в следствии изменения разности потенциалов между исследуемыми электродами. Изменение ёмкости под действием переменного напряжения приводит к появлению нелинейных искажений в области "высоооких" частот.
Изменение ёмкости происходит в результате действия закона Кулона, который говорит о том, что два электрода с разными зарядами взаимно притягиваются).

↑ СХЕМА УСИЛИТЕЛЯ

На рисунке №3 приведена та же схема, что и на рисунке №2, воплощенная уже в реальный усилитель «Дзен» четвертой версии с возможностью регулировки источника питания. Транзистор Q4 является добавленным буферным каскадом, смещение каскада организовано за счет резистора R13. Резистор R9 и конденсатор C7 являются фильтром напряжения поступающего на резистор R13. Цепь обратной связи R2 и R3, которая ранее была соединена с затвором транзистора Q1, теперь подсоединена к затвору транзистора Q4, и имеет двойное назначение, так как дополнительно еще и увеличивает входной импенданс усилителя до 47 кОм.


Как и во всех усилителях линейки Дзен, этот усилитель критичен всего к некоторым элементам. Поэтому, если вы распологаете резисторами и конденсаторами с близкими номиналами, вы можете смело их использовать в своей конструкции.

Как я ранее уже упомянул, транзисторы так же подлежат замене от указанных на схеме. Транзисторы Q2 и Q5 можно выбрать из массива IRF, они должны быть n-канальными, и способными выдерживать необходимый нам ток, примерно с мощностью рассеивания 150 Ватт и максимальным током не менее 10 Ампер. Эти транзисторы не вносят значительных изменений в качество звуччания, по сравнению с транзисторами Q1 и Q4.

В случае с транзистором Q1, предпочтительней использовать транзистор IRFP044 но в крайнем случае вы можете получить неплохие результаты и с транзисторами IRFP140 и 240, которые весьма близки по характеристикам к упомянутым в начале.
Касательно транзистора Q4 фирмы Zetex, номер ZVP3310 могу лишь отметить, что только с ним нам удалось получить отличное звучание из всех протестированных нами. Транзисторы IRF9510 и IRF9610, и подобные им, могут конечно работать в схеме, но имеют значительно большую собственную емкость, что в конце концов сказывается на росте искажений и снижении входного сопротивления усилителя. Несколько минимизировать данный эффект поможет снижение сопротивлений резисторов R2 и R3. Если же вас устраивает входной импенданс усилителя значением в 10 кОм, то вы можете обратить свое внимание на упомянутые p-канальные полевые транзистры и рассмотривать их как альтернативу ZVP3310.

Рассматривая вопрос о входном сопротивлении усилителя стоит упомянуть и том, что этот усилитель не защищен он значиельного превышения напряжения по входу. В случае если на вход будет подано переменное напряжение амплитудой в 20 Вольт, у вас появлется шанс вывести из строя входной полевой транзистор Q4. Если подобный случай и произойдет, то не повлечет за собой выход из строя остальных частей усилителя. И все-таки если вы планируете относиться к процессу подключения источника сигнала безалаберно, то Вам следует запастись некоторым количеством запасных транзисторов ZVP3310, которые в случае аварии должны быть всегда под рукой.

В качестве Q3 хорошо работает транзистор компании Zetex ZTX450 npn-структуры, однако любой подходящий npn транзистор способен работать в этой схеме, так как м ыпервоначально используем его для организации напряжения смещения в 0,66 Вольта для контроля прохождения тока через транзистор Q2. Именно такой тип транзистор (ZTX450) был выбран лишь потому, что он доступен для заказа радиолюбителями в компании Degikey по интернету, как впрочем и большинство элементов / деталей нашего усилителя.

Конденсатор C4 является шунтирующим для C1 и он может быть заменен на любой понравивщийся вам шунтирующий конденсатор, который вы возможно ранее использовали в своих конструкциях. Конденсатор С2 может быть электролитическим или неполярным (неполярный все же предпочтительней), однако он должен иметь емкость не менее 10 мкФ, для того чтобы не срезать нижний частотный диапазон. Если конденсатор С2 будет все же элетролитического типа, то стоит помнить что полярность его подключение не критична, так как поляирность по постоянному току на его обкладках будет примерна одинакова. Если вы находите, что я не прав, то уж Вам то видней как сориентировать положительный полюс обкладки конденсатора в этой схеме, не так ли?

Для того чтобы дать комментарии по основной аудио схеме усилителя, давайте обратимся к предыдущей второй версии усилителя Дзен.

Конденсаторы С8 и С10 являются поростыми шунтирующими элементами. Обычно схема вполне работоспособна и без них, но они вносят на мой взгляд ощутимый вклад с общую стабильность усилителя. Тоже самое справедливо и для конденсатора С12, который корректирует частотную характеристику таким образом чтобы избежать подъема на высоких частотах. К стати, компания «Digikey» уже более не имеет в наличии конденсаторов емкостью 5 пФ, поэтому я предлагаю Вам заменить его на два кондесатора по 10 пФ, включенных последовательно чтобы получить нужную емкость в 5 мкф. Как вариант имеющий право на жизнь, вы можете использовать два хорошо изолированных провода скрученных вместе длинной примерно 1,5 дюйма (3,8 см), что даст вам необходимую емкость в 5 пФ. Данная технология имеет преимущество так как дает возможность подстройки ёмкости путем подрезания пары скрученных проводов, варьируя длину «конденсатора», одновременно наблюдая качество прохождения прямоугольного импульса через тракт усилителя.

Стабилитроны Z1-Z5 расчитаны на напряжение стабилизации 9,1 Вольта, что дает общее напряжение стабилизации порядка 45,5 Вольт, которое является опорным для транзистора Q5. Вы можете попытаться «поиграться» с напряжением стабилизации этого звена, использовать другие стабилитроны с другим напряжением стабилизации. В этом случае стоит помнить, что цепочка стабилитронов должна иметь общее напряжение стабилизации на 4 вольта ниже нестабилизированного напряжения питания схемы, с примененными сглаживающими пульсации тока фильтрами (емкостями). Это вполне хорошо себя зарекомендовало на практике. Если вы интересуетесь остальными элементами цепи стабилизации напряжения, но я вынужден Вам направить на описание этого узла подробно описанного в усилителе Дзен третьей версии выпуска.

↑ КОНСТРУКЦИЯ

Рисунок №4: Расположение элементов на печатной плате

На рисунке №4 показана распечатка расположения положения элементов на печатной плате для нашего проекта усилителя Дзен четвертого поколения собранного согласно схемы изображенной на рисунке №3. Размеры печатной платы составляют примерно 165х75мм. Вы можете скачать файлы образа печатной платы (в формате Gerber) и изготовить плату самостоятельно.

На рисунке №5 приводим общий вид платы. Данная плата не включает элементы не стабилизированного блока питания усилителя на 50 Вольт, но на рисунке №6 приведена типичная схема этого блока для одного канала усилителя и схему заземления для стерео-усилителя. Необходимо использовать для блока питания понижающий трансформатор типа Plitron 077014201, который позволяет получить со вторичной обмотки переменный ток на двух секциях, по 18 Вольт каждая, сам трансформатор имеет мощность 300 Ватт. Для стерео-усилителя мы рекомендуем применять два трансформатора, хотя сами и собрали усилитель на базе лишь одного такого трансформатора. Он работает вполне удовлетворительно, но становится достаточно горячим и начинает механически гудеть при сумарной выходной мощности отдаваемой в нагрузку примерно в 200 ватт.



Добавим комментарий к рисунку №6. Мы решили изолировать два канала стерео-усилителя через выпрямительный мост от земляного провода. Каждый канал усилителя заземлен через вывод для переменного тока выпрямительного моста. Если вы используете всего один трансформатор для обоих каналов, соедините земляные выводы каждого канала вместе, ровно как и подсоедините к обоим выводам выпрямительного моста (выводы для переменного тока).






Рисунок №7 показывает установочные отверстия для печатной платы и силовых транзисторов. Эти отверстия сверлятся на радиаторе охлаждения, там же и устанавливаются силовые транзисторы (смотрите внимательно фотографию на рисунке №5). Силовые транзисторы должны быть изолированы от радиатора через теплопроводящие пластины из слюды или специального пластика. Применение теплопроводящей пасты весьма желательно. Используйте так же шайбы между шляпкой прижимного болта и корпусом транзистора, чтобы максимально плотно прижать транзистор к радиатору и исключить его перегрев в следствие плохого контакта, однако не стоит и переусердствовать, чтобы не разрушить от чрезмерного зажима сам транзистор. Земляной провод от печатной платы каждого из каналов соединен с радиатором через резистор R20, что обеспечивает резистивное соединение с корпусом / шасси устройства.

Следует иметь в виду, что радиатор должен рассеивать мощность холостого хода порядка 100 Ватт на канал, и должен выполнять свои функции при температуре окружающего воздуха в 30 градусов, что накладывает на него требования иметь температурный коэффициент рассеивания в районе 0,3 С / на один Ватт. Если вы будите использовать меньший по площади рассеивания радиатор, тогда уменьшите ток покоя (уберите R1) и/или оснастите радиатор вентилятором.

Если вы планируете организовать отличное охлаждение радиатора, то должны задаться вопросом - где взять соответствующую мощность для такого радиатора которая будет на нем рассеиваться. На практике лимит мощности для транзистора Q1 составляет примерно 44 вата при токе покоя в 2 ампера. Лично я допускаю использование данного транзистора и при мощности более 50 Ватт, однако вам потребуется немного «раскачать» питающее напряжение и неминуемо увеличить ток покоя. Для транзистора IRFP044 я все же не превышал 50 Вольт стабилизированного напряжения питания. Если есть желание попробовать увеличить напряжение питания еще выше, я порекомендовал бы вам использовать для этого транзистор IRF140 или IRF 240.

Обеспечить еще больший ток покоя можно заменив резистор R1 номиналом в 0,47 Ома, что предоставит вам ток покоя примерно 2,8 ампера, чего будет вполне достаточно для обеспечения мощности в 50 Ватт на нагрузке 4 Ома и 100 Ватт на нагрузке 8 Ом. Если вы замените резистор R1 на значение 0,47 Ома, я рекомендую заменить резистор R16 на значение 2 кОма соответственно.

Усилитель не критичен к влиянию внешних помех, поэтому вполне допустимо использование деревянного шасси и корпуса. Если вы пошли по этому пути, то обратите свое внимание на охлаждение выпрямительных мостов, которые бы охлаждались, будучи установленными на металлическое шасси усилителя. В этом случае целесообразно разместить их на основном радиаторе усилителя.

↑ УЛУЧШЕНИЯ

Подразумевая, что вы уже трижды проверили качество и правильность монтажа, можно перейти к этапу, когда мы наконец «зажжем эту свечу»!
Как только вы устраните все ошибки монтажа и сможете запустить усилитель, дайте ему поработать с час или два на холостом ходе, чтобы все режимы и температуры полупроводниковых приборов пришли в рабочую норму. В процессе «прогрева» усилителя контролируйте периодически температуру силовых полупроводниковых приборов установленных на радиаторе. Через час снова подстройте значение сопротивления резистора R4.

↑ Список деталей

↑ ТТХ УСИЛИТЕЛЯ

(Примечание переводчика: «ТТХ»=Тактико-технические характеристики — совокупность количественных характеристик единицы военной техники или оружия, описывающих её возможности )

Если не учитывать увеличившегося входного сопротивления усилителя, то данная схема показала значительно лучшие ТТХ, по сравнению с предшественниками. Так как мы применили для питания усилителя стабилизированный источник питания (цепь на стабилитронах), то мы могли получить 35 микровольт значения собственных шумов на выходе усилителя, что является превосходным результатом!

График зависимости уровня шума плюс нелинейных искажений от мощности приведен на рисунке №9, нагрузка 8 Ом, частота тест сигнала 1 кГц, ток покоя схема 2 ампера. Рисунок №10 показывает эту же характеристику, но при токе покоя в 1,3 ампера (R1 исключен, R16=1 кОм).



Рисунок №9: Зависимость коэффициента нелинейных искажений от мощности при токе покоя 2 А.



Рисунок №10: Зависимость коэффициента нелинейных искажений от мощности при токе покоя 1,3 А.

График на рисунке №11 показывает зависимость коэффициента нелинейных искажений измеренного при выходной мощности в 1 Ватт, в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. Эта характеристика получилась намного лучше чем у предыдущих усилителей ДЗЕН.



Рисунок №11: Зависимость коэффициента нелинейных искажений от частоты на мощности 1 Ватт.

Рисунок №12 показана частотная характеристика усилителя, которая является полностью прямой на отрезке от 10 Гц и вплоть до 100 кГц (на частоте 100 кГц наблюдается незначительный спад примерно на 2 дБ).



Рисунок №12: АЧХ усилителя (амплитудно-частотная характеристика).

Как и большинство усилителей, наш ДЗЕН четвертой версии может работать и с нагрузкой в 4 Ома, однако уже в возросшими нелинейными искажениями. Если вы оставите в схеме резистор R1, то получите максимальную мощность на нагрузке 4 ома примерно 30 Ватт. Если вы решите на базе этого усилителя создать пару стереоканалов, обеспечив их питание по мостовой или балансной схеме с установленным резистором R1, вы можете ожидать 60 Ватт максимальной мощности на нагрузке 8 Ом, причем с весьма высокими техническими характеристиками.

Как указано в технической документации к усилителям ДЗЕН первой и второй редакции, усилитель имеет тенденцию к сокращению нелинейных искажений по причине снижения второй гармоники, которая является доминирующей. Этот режим работы является предпочтительным, если вам необходимо получить максимум выходной мощности на нагрузке 8 Ом.

↑ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Что касается субъективного качества звучания этого усилителя, он настолько хорош, насколько вообще можно получить и «выжать» из этой технологии (Примечание переводчика - имеется в виду полупроводниковая технология) и лично мне качество звучания этого усилителя бесспорно больше нравится, чем например звучание усилителя «Алеф-3», при сопоставимых технических характеристиках обоих усилителей.

Визитной карточкой усилителя Дзен четвертого поколения является истинно расслабляющее и легкое звучание, наряду с весьма мощным и энергичным напором. Лучше всего этот усилитель работает в паре в 8 Омной акустикой, имеющей чувствительность 90 дБ. Применение именно такой акустики не требует слишком много «контроля / обратной связи» от самого усилителя. (Примечание переводчика - подобный «контроль» характерен для усилителей построенных на электронных лампах).

Звучит ли этот усилитель, как усилитель, собранный на лампах? Я бы сказал, что этот усилитель звучит где-то посередине между ламповыми и полупроводниковыми аппаратами, однако имеет определенно свой тембр звучания, окраску и характер, являясь следствием применения очень простой схемы на полевых транзисторах, работающих полностью в классе «А».

↑ Вот мы и собрали, отладили его.

Усилитель назван «Предпоследний ДЗЕН» («Penultimate Zen»), потому, что он должен олицетворять наше желание использовать именно эту топологию и метод построения усилителей звуковых частот, при этом не возвращаясь в средневековье.
Благодарю Карена Дугласа, Вайона Колбёрна и Десмонда Харингтона за их помощь в создании усилителя.

↑ Файлы

Печатка
🎁zen-v4.zip  24.41 Kb ⇣ 561

Оригинальная статья на английском. Картинки в высоком качестве.
🎁zen-v4.pdf  907.89 Kb ⇣ 453


© 2002 Nelson Pass, all rights reserved.
© 2009 Максим Третьяков специально для портала datagor.ru, перевод на русский, авторские примечания.
© 2009 Игорь Котов, правка, подготовка графики.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации