Jump to content

Från linjesignal till musikalitet


Anders65

Recommended Posts

Hej!

 

Den här tråden handlar om att skapa ett slutsteg med några unika egenskaper. Ytterligare ett förstärkarprojekt låter nog inte så intressant... Det finns ju redan så många riktigt bra produkter och efter mer än 100 år måste väl ändå allt vara provat?

 

Lavardin IS som jag har i min setup just nu är en annorlunda konstruktion och som låter musikglädjen blomma ut genom elektroniken och högtalarna. Visst har den sina begränsningar, men jag är ändå imponerad av den ur ett musikaliskt perspektiv. Med denna Lavardin så började jag snart läsa på - vad det är för speciellt med denna förstärkare? Vad har man för konstruktionslösningar som skapar denna känsla av musikalitet? Den är konstruerad kring bipolära transistorer, men många tycker att den har en karaktär av en bättre rörförstärkare. Jag är en av dem.

 

Efter mycket grävande finns en särskiljande egenskap mot andra förstärkare med BJT´s i signalvägen. Det finns flera, men jag fastnade för en specifik.  Lavardin har hanterat problemet med vad de kallar minnesdistorsion - eller en term som jag gillar bättre - termodynamisk distorsion. Jag läste in vad som skrivits om detta och hur man kan hantera det. Min slutsats är att det finns två vägar att gå. Antingen går man Lavardin's väg eller så använder man bara JFET/MOSFET i signalvägen. Lavardin's väg innebär, som jag förstått det att, säkerställa konstant effektutveckling som transistorer i ingångssteg och VAS oberoende av nivå på insignalen. Men jag föll för den alternativa vägen med JFET/MOSFET. Dels är den enklare och dels ser jag Nelson Pass som en av mina största inspirationskällor. Han har gjort en del riktigt snygga lösningar med JFET/MOSFET som jag inspirerats av. Men jag vill inte kopiera andras lösningar, utan vidareutveckla. Därför blir detta något nytt som ingen gjort förut. Att göra det någon annan gjort är inte min grej.

 

Några egenskaper slutsteget kommer att ha:

  • Justerbar nivå på jämna övertoner (samma konstruktion som försteget jag gjorde tidigare för justering av H2). Syftet är att kunna justera karaktären på slutsteget genom att justera förhållandet mellan jämna och udda övertoner.
  • Justerbar dämpfaktor. Syftet är att kunna anpassa steget mot olika högtalare. Jag kommer kanske skriva mer senare om varför jag vill ha den funktionen och varför jag tycker detta är centralt. Men det görs med justerbar PCF (Positive Current Feedback) enligt blockschemat nedan. Med detta kan jag ha möjlighet att nå oändlig dämpfaktor och hantera induktiva och kapacitiva laster (högtalare) på ett fantastiskt bra sätt. Har kört rätt mycket simuleringar kring detta med ett flertal olika testsignaler och provocerande laster. Jag har förresten bytt simuleringsprogram igen... Kör nu Superspice. Har precis vad jag behöver för detta projekt - och gratis :-)  Kan rekommenderas, även om det tyvärr finns en del buggar.
  • Endast JFET och MOSFET i signalvägen. Laterala MOSFET i utsteget (klass AB) och P-kanals JFET i ingångssteget. En MOSFET i VAS-steget som körs i klass A.
  • Just nu siktar jag på ca 80W/kanal i 8 ohm. Ser ut att landa på ca 20-30V/us i slewrate vilket jag tror borde vara tillräckligt. 

 

Det jag jobbar mest på nu är termisk stabilitet och optimeringar. Jag funderar även på om jag ska addera volymkontroll och kanske ha två-tre ingångar? (integrerad förstärkare) Tankar kring det?

 

Kom gärna med frågor, funderingar och idéer kring detta projekt :) 

 

- Tidplan? 2020

- Ska jag göra fler ex? Kanske.

BlockDiagram

 

Link to comment
Share on other sites

Hej!

Tack :)

Min tanke är så här... Verkligheten är som vanligt lite mer komplex än man tror vid en första anblick.

 

Detta gäller även dämpfaktorn. Man måste vara medveten om att dämpfaktorn bara är ett mått som motsvarar utstegets resistiva impedans. Dämpfaktorn i sig säger inget om förstärkarens förmåga att hantera induktiva eller kapacitiva laster, vilket är ett betydande problem när man pratar om detta. Det är viktigt att inse detta då högtalare inte är rent resistiva laster för förstärkare. Men om man för ett ögonblick bortser ifrån den aspekten och bara tittar på problemet rent resistivt så skulle jag helst vilja att utsteget har samma dämpfaktor som användes då högtalarna konstruerades. Det är en av anledningarna till jag vill ha en justerbar dämpfaktor. Men ur andra aspekter vill jag ha en oändlig dämpfaktor. Jag har gjort simuleringar med laster som bara består av en ideal induktans i serie med en kondensator och sett att lösningen för PCF även ger en mycket, mycket högre dämpfaktor vid induktiva och kapacitiva laster än "normala" förstärkarsteg som saknar strömåterkoppling. Jag har i min lösning tre olika typer av positiva och negativa feedbackloopar vilket gör det hela lite lurigt. Men detta blir ett krav för att kunna få de egenskaper jag vill ha som i nära oändlig dämpfaktor vid komplexa laster.

 

I de allra flesta förstärkare har man bara en enkel global negativ återkoppling. Ibland kompletterat med någon lokal negativ återkoppling. Lite förenklat använder man dessa återkopplingar för att minimera THD. Jag tänker annorlunda när det gäller distorsion. Jag tycker det finns mycket bättre parametrar att optimera en förstärkare mot än THD. 

 

Hoppas det reder ut saken lite och inte rör till det för mycket.

 

Edited by Anders65
Link to comment
Share on other sites

Dags att presentera lite kring strömförsörjningen. Jag var inne på en traditionell lösning med en toroid transformator på ungefär 250VA och ett gäng 47000uF kondensatorer. Men det är ju inget speciellt med det... jag har i andra sammanhang jobbat rätt mycket med olika batteriteknologier, så det vore mycket roligare att bygga in ett antal Li-Ion celler att strömförsörja slutsteget. Lösningen blir totalt 20st Li-Ion celler samt inbyggd laddfunktion och balansering mellan cellerna. Kraftpaketet kommer kunna leverera 1,4kW med en impedans vid 1kHz på ca 0.15 Ohm. Tillsammans med PCF borde jag kunna nå en helt platt effektkub vid 2-8ohm. Steget kommer kunna köras off-line ett tag på bara intern strömförsörjning om man vill. Blir tyvärr lite dyrare än traditionell lösning men rätt extrem prestanda å andra sidan :-)

 

En kul effekt blir att man kan koppla steget till en timer som är på 3-5 timmar varje natt och då laddar upp batteeipaketet. Eftersom jag har så mycket energi att tillgå så borde man kunna spela hela kvällen (lite svårt att veta hur länge dock) på egen strömförsörjning. Då slipper man alla typ av störningar från transformator o regulatorer samtidigt som man får mycket mer stabilitet o kraft jämfört med vanliga lösningar.

Edited by Anders65
Link to comment
Share on other sites

Tänkte skriva lite om utsteget. Som jag skrivit tidigare blir det laterala Mosfets. Jag har dock ingen erfarenhet av denna del så jag blir lite osäker.. Många använder ju ett antal parallella transistorer. En anledning är att sänka utimpedansen. Strömmen eller effekten borde inte vara ett problem kan jag tycka. Men vilka fler motiv finns det? Lägre distortion?

Link to comment
Share on other sites

Dagens arbete handlade en hel del om batteriladdning. Eftersom batteripacket består av två delar. En för positiv o en för negativ spänning blir allt dubblerat. Två av AC/DC convertrar, LC-filter, cellbalanserare o inbyggda batteriladdare. Lösningen för batteriladdning blev dock mycket enkel. Två LM317 i serie. Den första agerar strömbegränsare o den andra spänningsregulator. Då får man en billig o bra cc/cv laddare för Li-Ion celler. Trevligt med rena o enkla lösningar:-)

Link to comment
Share on other sites

Hej Anders65

 

Ser ut som du vill jobba med egna idéer och det är alltid lovvärt! Ska bli kul att följa ditt bygge. 

 

Apropå frågan ovan om dämpfaktor så är det ju som du säger inte helt lätt att svara enkelt på en sådan fråga. Jag skulle ju (bara för att provocera) säga att en förstärkare låter bättre (!) ju mindre negativ återkoppling (NFB) den har. Rent musikaliskt sett. Och ju mindre återkoppling ju lägre dämpfaktor. Jag baserar detta helt enkelt på de lyssningar jag gjort där NFB varit ställbart på förstärkaren. Om det sedan beror på att en återkoppling alltid kommer "fel" i tiden eller om återkoppling alltid låter skit låter jag vara osagt men det är min erfarenhet. Kan man däremot tillverka en förstärkare med ytterst liten återkoppling med ändå med en bra dämpfaktor (pga låg utgångsresistans) så tror jag inte det blir samma problem. Jag tror du får mycket mindre problem med en enda transistor istället för många parallellt. Det finns jättefina MOS-Fet som har < 0,01 Ohm på utgången som borde gå bra att göra dina experiment med. 

 

Någon som läste den mycket intressanta artikeln i Hifi & Musik för snart ett par år sedan? Tror det var en person med finskt namn som har gjort en massa tester på högtalare och konstaterat att det nog ofta lät bättre med en högre utgångsimpedans! Om jag minns rätt så ansåg han att på många högtalare så var optimum kring 4 Ohm vilket han motiverade väl (med öronen...). Inte minst en bättre bas blev resultatet. Oväntat för många vilket kanske är varför den fick så lite spridning? 

 

Så nej, jag tror inte att det alltid (snarare aldrig) är bättre med en oändlig dämpfaktor. Justerbart är nog är smart väl för att sedan kunna prova sig fram till en passande nivå till just dina högtalare. För ja, jag tror också att olika högtalare vill ha helt olika drivning. De låter normalt klart bäst med den förstärkare som de konstruerades på. 

Link to comment
Share on other sites

On 2020-01-11 at 21:18, Anders65 said:

Några egenskaper slutsteget kommer att ha:

Mycket bra!

 

Högtalare handlar ju om precisa konrörelser. Det där som ofta talas om med olika förstärkares "kontroll" på konerna är svårbegripligt.

Konrörelser kommer av en kraft som induceras av spole/magnet med en kraftfaktor Bl, och den kraften är enbart styrd av strömstyrkan. Dvs F=Bli.

Kraften ger konen en hastighet och hastigheten skapar ljudtrycket.

När man blandar in spänningen över högtalaren så blir förhållandena mycket mer komplicerade eftersom impedansen är en frekvensberoende komplex kombination av talspolens resistans och induktans, det mekaniska systemets impedans och membranets strålningsimpedans.

 

Så om man fokuserar på en förstärkare som ger "konstant" ström så borde man enklare kunna kringgå / frikoppla förstärkaren från högtalarens lynniga beteende. Jag kan det för dåligt, men att "integrera" högtalare och förstärkare är ingen lätt uppgift. Jag tror mer på att hitta bästa sätt att frikoppla deras respektive kretsar.

 

 

On 2020-01-12 at 17:44, Anders65 said:

 Man måste vara medveten om att dämpfaktorn bara är ett mått som motsvarar utstegets resistiva impedans.

Det gör den till ett väldigt trubbigt, om inte irrelevant, mått på hur väl förstärkare och högtalare passar ihop.

 

 

On 2020-01-20 at 15:24, Transient Design said:

Inte minst en bättre bas blev resultatet.

Logiskt eftersom en drivers impedans är som högst i sitt lägre register.

 

 

 

En helt annan fråga; vad händer när du aktiverar H2-funktionen i både för- och slutsteg? 

 

 

Link to comment
Share on other sites

On 2020-01-20 at 15:24, Transient Design said:

Jag tror du får mycket mindre problem med en enda transistor istället för många parallellt. Det finns jättefina MOS-Fet som har < 0,01 Ohm på utgången som borde gå bra att göra dina experiment med. 

Jag är inne på den linjen med. Med bara en lateral mosfet (ECW20N20/ ECW20P20) transistor kan jag driva dem direkt från VAS som består av en MOSFET som körs i klass A och ändå få en slewrate på ca 30V/us. Jag får visserligen inte jättehög dämpfaktor men istället för fler eller andra mosfetar med lägre Rds on i utsteget använder jag PCF som metod. Jag får nu ett mycket enkelt o lättdrivet utsteg där jag kan justera dämpfaktorn från rätt låg positiv till oändlig o till och med negativ om man skulle vilja testa det. 

Link to comment
Share on other sites

7 hours ago, calle_jr said:

 

En helt annan fråga; vad händer när du aktiverar H2-funktionen i båder- och slutsteg

Ohh... jag behöver förklara min tanke här :-) Försteget var en test för vägen framåt. Jag ville jämföra transparent, rörsteg och H2 ur ett lyssningspespektiv. Min slutsats från lyssning blev att jag kunde bekräfta det jag läs om hur jämna övertoner påverkar karaktären. Så jag tog H2 delen av designen till slutsteget. Sen har det blivit så att jag adderat volymkontroll o ingångsväljare vilket förstås gör att försteget faller bort ur signalkedjan.

Link to comment
Share on other sites

Mina slutsteg (VTL 450 Mk III) har variabel dämp vars användning beskrivs enligt nedan. Det är ju rörsteg och jag vet inte om man kan göra motsvarande på transistorsteg. Problemet är väl att kunna gaffla in var kurvorna mellan kontroll och ljud skär sig för bäst slutresultat. Jag inbillar mig att mina högtalare är tillräckligt bra för att använda LOW. Jag har provat alla lägena och LOW känns bäst hos mig. Det ger ett större släpp, eller hur jag skall uttrycka det. Känns mer dynamiskt, framför allt i lägre halvan.

 

Another new feature is a user adjustable Damping Factor feedback control that allows the user to adjust the amplifier’s output impedance by varying the amount of negative feedback.  Impedance can now be precisely set to suit the listener’s taste, and to improve control of the loudspeaker loads to deliver best performance.

The 4 possible settings are:

  1. LOW – Lowest damping factor, good loudspeaker control, most natural sound.
  2. MED – Better loudspeaker control, with some impact on sound quality
  3. HI – Best loudspeaker control, with a little more impact on sound quality, but on speakers that need the control the sonic improvement is clear
  4. MAX – Maximum damping factor, but sonic impact is noticeable

Vippomkopplarna sitter nederst i bild (DF).

 

MB-450-III-top-deck-view.jpg

Link to comment
Share on other sites

8 hours ago, Bebop said:

Mina slutsteg (VTL 450 Mk III) har variabel dämp vars användning beskrivs enligt nedan. Det är ju rörsteg och jag vet inte om man kan göra motsvarande på transistorsteg.

Verkligen intressant!

 

Jag gör en diskret uppbyggd förstärkare helt baserad på JFET och Mosfet-transistorer i aktiva delar. Genom att jag har minimerat antalet aktiva komponenter i signalvägen så har jag kunna välja dessa enbart på prestanda utan hänsyn till kostnad. Min lösning för justerbar dämpfaktor baseras på en justerbar positiv strömåterkoppling och inte justering av negativ feedback. Har ännu inte sett någon annan med den lösningen. Ska bli intressant att se hur karaktären på ljudet påverkas av dämpfaktorn. Sen skulle jag tro att effekten av justerbar dämpfaktor till rätt stor del beror på högtalarens egenskaper.

 

Är nu i slutfasen av simuleringar och scheman - 90% klart ;-)

Edited by Anders65
Link to comment
Share on other sites

 

Om det nu handlar om "kontroll", dvs att förstärkaren ska dämpa back-EMF, så borde det vara respektive drivers mekaniska oscillering som man ska matcha med kritisk elektrisk dämpning hos förstärkaren. Dvs så att drivern varken är över- eller underdämpad.

I så fall är optimal utimpedans beräkningsbar för en specifik driver.

 

Men är det möjligt att matcha med tanke på att man har en talspole med säg Re=6ohm och Le=0.4mH? :39:

Och egentligen är det väl främst problem lågfrekvent där driverns impedans är 5-10 ggr högre än nominell impedans.

För att inte tala om flervägare, delningsfilter och högtalarkablar.

 

Jag har ärligt talat svårt att se vad dämpfaktorn ska göra.

Hur ser scenariot ut? Någon borde väl ha tittat på det?

Det borde vara mycket mer relevant att dämpa mekaniskt i själva drivern.

 

 

Link to comment
Share on other sites

17 hours ago, Anders65 said:

Min lösning för justerbar dämpfaktor baseras på en justerbar positiv strömåterkoppling och inte justering av negativ feedback. Har ännu inte sett någon annan med den lösningen.

 

ACE-bass är väl ungefär det här men använt på ett mer specialiserat sätt. Stig Carlsson använde och patenterade tekniken långt tidigare och jag hittade en del intressant i den här tråden på faktiskt:

https://www.faktiskt.io/phpBB3/viewtopic.php?f=17&t=35132&full=1

 

Tekniken är klart intressant men kanske inte så enkel att justera in men för den äventyrslystne och nyfikne konstruktören är det ett härligt projekt att hoppa in i.

Link to comment
Share on other sites

Intressant. Jag tog o grävde lite djupare i positiv strömåterkoppling. Redan 1954 började artiklar dyka upp o 1959 det första patentet som jag hittade. Sen finns det ett antal patent i området med liknande lösningar. Patent US9225301 ligger ganska nära min lösning precis som Pass Labs F7.

Edited by Anders65
Link to comment
Share on other sites

En kortare statusuppdatering efter helgen. Jag trodde jag skulle hinna betydligt mer, men den justering av batteriladdaren jag behövde göra innebär mer arbete än jag anade. 

 

Jag hade ju en enkel CC-CV laddfunktion för Li-Ion cellerna, men insåg snart att jag behöver ligga och pendla mellan ~20-80% kapacitet i batterierna för att maximera livslängden. Denna förändring påverkar cykellivslängden hos cellerna väldigt mycket. Laddaren slår nu automatiskt på vid strömpåslag och vid 3.4V cellspänning och den slår av när laddströmmen sjunkit till 100mA. Konstantspänningen som är justerbar är sänkt till 4.0V isf 4.2V för att inte ladda upp till 100% kapacitet.

Link to comment
Share on other sites

On 2020-01-25 at 10:38, Anders65 said:

Jag tog o grävde lite djupare i positiv strömåterkoppling.

Det är onekligen intressant.

Om jag förstår det rätt så är det egentligen inte positiv strömåterkoppling, sett från högtalarens perspektiv :)

Positiv feedback är normalt något vi ryggar för eftersom det skapar distorsion.

Men från högtalarkonens synvinkel är det snarare mindre negativ feedback, eftersom det förstärkaren ska göra är att dämpa oscilleringen från back-EMF, och den strömmen är ju i motsatt riktning.

Eller är jag fel på det?

 

Jag har svårt att förstå el-kretsar generellt och speciellt om det bara förklaras i ord. Skulle man kunna visa ett mer konkret exempel?

 

 

Link to comment
Share on other sites

Rätt balanserad blir effekten exakt som du skriver. Man dämpar oscillering från back-EMF. Jo, man ska vara försiktig med positiv feedback... Jag använder dock lite liknande feedback-teknik för H2. Dock inte strömåterkoppling i det fallet. 

 

Simuleringarna med en fyrkantvåg genom förstärkaren och en last som självsvänger visar att dämpningen av oscillationen blir fantastisk bra jämför med en traditionell lösning. Jag får en väldigt fin fyrkantvåg till högtalaren som är i princip oberoende av "hur lasten ser ut". Jag ska se om jag kan lägga upp någon bild på hur det ser ut.

 

Har lagt en del tid för distorsionstråden för att skapa några musikfiler med resp. utan pålagd harmonisk distorsion. Nu har jag äntligen vettiga plugins på plats så att jag kan styra och verifiera övertonerna bra. Klart om ett par dagar hoppas jag :-) 

Link to comment
Share on other sites

Tanken var att ta lägga upp några bilder ikväll, men det slog tvärstopp på grund av ett märkligt fel vid simulering när jag använder pulsgeneratorn i superspice. Har använt den tidigare utan problem för att simulera förstärkarens beteenden med fyrkantvåg och svåra laster. Men tack vare jättesnabb support från killen som gjort superspice hoppas jag snart vara igång igen. 

Link to comment
Share on other sites

Jag gjorde en något mer realistisk last som består av en induktans (1mH), en kapacitans (50uF) samt en resistans på 2 ohm i serie. Jag vill inte påstå att lasten på något sätt motsvarar en högtalare, men bara för att illustrera en skillnad med respektive utan PCF med en "jobbig" last. Skulle vilja ha några modeller (med värden) av riktiga högtalare som inkluderar elektromekaniska egenskaper. Har inte hittat någon ännu.

 

Bilden nedan med respektive utan PCF med last enligt ovan. Lasten har en resonansfrekvens på strax under 700 Hz och en lägsta impedans vid den frekvensen på 2 ohm.

AmpPCF_2ohm

 

 

Edited by Anders65
Link to comment
Share on other sites

Såg att man med programmet REW, ett ljudkort o ett 100 ohms motstånd kan mäta upp högtalares impedans. Verkar som det kan vara en enkel o framkomlig väg att skapa modell för simulering. Bara tiden som saknas... Måste tillfälligt pausa projektet på grund av jobb o familj resten av veckan. Men jag kommer tillbaka.

Link to comment
Share on other sites

22 hours ago, Anders65 said:

Skulle vilja ha några modeller (med värden) av riktiga högtalare som inkluderar elektromekaniska egenskaper. Har inte hittat någon ännu

För att inledningsvis inte göra det för komplicerat kan man titta på endast en driver.

Det borde räcka för att se hur förstärkaren beter sig nära fs och i driverns övre register.

Här är RAMP förstärkaren, och det är därefter data för en Scan-Speak 22W/8534G00 som sitter i öppen baffel:

 

  image.png

 

 

image.png

 

 

 

Det är en 8.5" mellanbas med fs=30Hz och känslighet 89 dB @ 2.83 V.

 

 

 

Link to comment
Share on other sites

20 hours ago, Anders65 said:

Såg att man med programmet REW, ett ljudkort o ett 100 ohms motstånd kan mäta upp högtalares impedans. Verkar som det kan vara en enkel o framkomlig väg att skapa modell för simulering. Bara tiden som saknas... Måste tillfälligt pausa projektet på grund av jobb o familj resten av veckan. Men jag kommer tillbaka.

 

Det är jättelätt att göra. Jag har själv byggt en rigg med ett ljudkort från Beringer, totalkostnad runt 300 kr. Men om du använder ljudkortet som utgångskälla borde du använda ett motstånd med högre ohm, ca 600-1000 ohm. Det finns en beskrivning av detta på REWs hemsida: https://www.roomeqwizard.com/help/help_en-GB/html/impedancemeasurement.html 

Link to comment
Share on other sites

Blev så att jag beställde ett ex av Beringerljudkortet som jag tänker använda för impedansmätning med REW. Jag såg att det finns en moddning som tar bort ett problem med överhörning mellan ingång och utgång. Kanske fixar det då det helt löser det problemet. En länk till moddet för den intresserade: 

 

https://www.faktiskt.io/phpBB3/viewtopic.php?f=3&t=65916&start=30

 

Link to comment
Share on other sites

4 hours ago, Anders65 said:

Blev så att jag beställde ett ex av Beringerljudkortet som jag tänker använda för impedansmätning med REW. Jag såg att det finns en moddning som tar bort ett problem med överhörning mellan ingång och utgång. Kanske fixar det då det helt löser det problemet. En länk till moddet för den intresserade: 

 

https://www.faktiskt.io/phpBB3/viewtopic.php?f=3&t=65916&start=30

 

Jag läste lite i tråden (men inte hela) och problemet verkar vara överkörning mellan ingång och utgång. Överhörningen är på ca -40 dB vilket är rätt kasst, men om du mäter impedans, är inte 40 dB motsvarande en skillnad på 1 respektive 10 000 Ohm? Då borde detta vara fullt tillräckligt? 

 

Om man sen gör det för att det är kul, ja, såklart man ska det :) Alltid kul att förbättra saker!

Link to comment
Share on other sites

Join the conversation

You can post now and register later. If you have an account, sign in now to post with your account.

Guest
Reply to this topic...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

×
×
  • Create New...