無大環負反饋功放電路的實驗

hsiehwm

音樂傳真 A1,是我的實驗電路一開始的模仿對象,
雙差動,全對稱,還可以穩定輸出級靜態電流.

用交流小信號分析,看它的輸出端特性,(music fidelity a1_zo.gif)
似乎沒什麼問題,(除了低頻端那個小小的相位隆起)

後來,做加了喇叭模型的暫態分析,(music fidelity a1_I_Re.gif),
一樣看參照組電流 I(Re1),放大電路輸出電流 I(Re2),和兩個電流的差值 V(nc_02),

V(nc_02)一開始是 5u,比 HIraga 的 27u 低許多,表示音樂傳真 A1輸出阻抗低許多,
但是接下來,在 6ms 之內的扭曲,雖然幅度很小(5u/2m=0.25%).
另外,放大電路輸出電流 I(Re2)回到穩態的時間,也比 Hiraga 長許多.

問題可能就在輸出阻抗低頻端的等效電感量(26mH),
至於等效電感量產生的原因,應該是反饋路徑的10u電容,
經由負反饋效應產生的,

喇叭振膜由偏移回復的過程,釋放出能量,
迫使放大電路輸出級電流變化,

像 Hiraga 的電流負反饋電路,在沒有輸入信號的情況下,
輸出級電流可以看成完全由負反饋電流決定,
負反饋電路是低阻抗,喇叭產生的電流,一小部分流經負反饋電路,
整個閉回路自然達到平衡.

當輸入級是(雙)差動電路時,就比較複雜,
要讓輸出級電流產生變化,
必須差動電路四個晶體的集極電流發生變化,(以及相對應的基極電流變化)
集極電流(的差異)由兩端的基極電壓決定,
而影響基極電壓差的,除了反饋電壓,還有基極電流流過基極阻抗的電壓降變化,

音樂傳真 A1 的輸入差動電路兩端的基極電路都有電容,
於是產生不同的時間常數,影響放大電路的輸出電壓和輸出電流.(music fidelity a1_vo_Io.gif)

但是至少,它四個差動晶體基極有各自的電阻流基極電流,
考慮到零件的差異,直接把兩端的基極短路,可能讓情況更複雜.

hsiehwm

我的實驗電路,輸出端特性和等效輸出阻抗,

電路負反饋分兩路,內圈只包括輸出級,交流負反饋,
外圈包括輸入差動級,但是負反饋分壓只有電容,沒有電阻,
改變內外圈的電容量,使得輸出阻抗低頻端產生一個諧振峰,
(當然也可以讓峰值消失)

這個諧振峰有點像倒相音箱的作用,
如果適當調整諧振峰的頻率和峰值高度,
應該可以延伸原喇叭系統的低頻,
而低頻量,可以調整輸入電容量來改變,

電路實驗早就做完,只是對實驗得到的聲音改變,
找不到合理的解釋,以上仿真分析,只為了解釋實驗.

功放和喇叭,同樣是解決聽音問題的手段,
自己裝的好處是,可以把兩個問題合在一起處理.

hsiehwm

這個雙差動全對稱功放的輸出端頻率特性,
困擾了我很久.


後來才明白,它的等輸出阻抗,
低頻端是負電阻,負電感,負電容構成的並聯諧振電路,


負電阻比較好解釋,如果放大電路輸出阻抗是負電阻,
加載後,它的輸出電壓會比空載高.


它的諧振峰已經跨到音頻範圍內(100Hz)
也許會對音頻信號的暫態產生影響.

hsiehwm

大部分的功放只控制輸出電壓,
但是,對常用的電動式喇叭來說,
決定音圈和振膜推動力的是電流,

F=B*l*I

B:磁隙磁通密]度
l:音圈線總長度
I:音圈電流

打算送一個含暫態的電壓信號,
來觀察理想電壓源和功放電路產生的音圈電流有什麼不同,

vs是對稱的鋸齒波,振幅1v,
快速變動側的電壓改變斜率是1v/us,
I(Re1)是對應的音圈電流,
在40ms的位置,當作音圈電流已經穩定.

要和功放電路準確比對,

在理想電壓源的前面加上和功放電路一樣的RC低通濾波電路,
同時,配合功放電路的信號延遲(小於1us),
理想電壓源也做了相對應的時間延遲,
最後,根據功放電路的放大倍數,功放輸入要適當衰減.

hsiehwm

理想電壓源產生的電流 I(Re1)
功放電路產生的電流 I(Re2)
以及兩個電流的差值 V(nc_02)=I(Re1)-I(Re2)

整個來看,I(Re1)和I(Re2)幾乎是重疊的,
表示這個電路追隨輸入電壓的能力是很好的(低總諧波失真)

但是,把我們關心的暫態邊緣展開來看(40ms)

電流差值代表的意思是,
功放電路的輸出電流裡,
包含了和音圈(應該有的)電流形狀非常不一樣的(干擾)成分,
最大幅度約 0.6% (600uA/110mA)
時間約100us

最讓人憂心的,暫態初始電流差值的快速上升邊緣.
功放電路的開環增益越高,這個現象可能會更嚴重.

另外,以上討論只針對電動式喇叭,
若是像QUAD的靜電式喇叭,喇叭模型不同(電容性負載)
需要的功放條件自然不同.

hsiehwm

改用50Hz的方波當信號源,重做仿真,
同樣的,方波邊緣斜率 1v/us,
首先仍是那個全對稱的大環負反饋功放,

I(Re1) 理想電壓源的喇叭電流
I(Re2) 功放的喇叭電流
V(nc02) 電流差 I(Re1)-I(Re2)
V(amp_out) 功放輸出電壓

前面對波形的解說錯誤,這裡更正.

當暫態發生時(這裡看的是電壓上升邊緣)
對照功放輸出電壓 V(amp_out) 和 電流差 V(nc02)
在輸出電壓上升期間,上升斜率落後,所以電流差持續增加,
直到輸出電壓達到穩態,電流差緩慢下降.

hsiehwm

補發上一個仿真,全對稱功放的輸出電壓波形全圖,
(ocl amp tran 4.gif) 以便於和其他電路比較,
輸出電壓主要受大環負反饋控制,追隨輸入電壓的波形.

Hiraga 電路的仿真分析,
和前一個全對稱功放電路相比,
電流差值V(nc_02),在大約10us(hiraga tran 2.gif)
和10ms(hiraga tran 1.gif)各有一次大幅向下修正,
對照功放的輸出電壓(hiraga tran 3.gif)(hiraga tran 4.gif)
各有一個峰值.
在(輸入)方波的穩態區,電流差值持續擺盪,
(相對的,輸出電壓微幅擺盪).

hsiehwm

Pass zen v5和 Hiraga有相似仿真波形,
但是擺盪幅度更大,因為它的輸出阻抗更高,
它電路很簡單,但是輸入阻抗很低,使用上有限制.

hsiehwm

另一個可以比較的是像Dartzeel 108結構的電路,

從仿真結果來看,波形和 Hiraga 以及 Pass zen v5 是同一種類的,
只是電壓上的峰值沒那麼高,
畢竟是量產的高端商品,不同於DIY電路,
產品特性還是會被要求的.(輸出阻抗不能太高)

hsiehwm

這是我實驗電路的仿真結果,

如果只看第一個圖(my amp tran 1.gif)
和前面三個電路(Hiraga, Pass zen v5, Dartzeel 108)似乎沒什麼差別,
而且電流差值V(nc_04)也只比Pass zen v5略小,

有趣的地方在圖 my amp tran 2.gif,
在電壓波形上升的邊緣,功放電路的輸出電流,
不但不比理想電壓源慢,還稍稍的領先一點點,
(差值 V(nc_04)先下降一點點,再慢慢上升)

對照輸出電壓上升的波形(my amp tran 3.gif),
電壓上升比較陡峭,電壓峰值出現的時間比前面的電路早.

hsiehwm

實驗電路,接FE103E喇叭單體,50Hz方波的輸出電壓波形,

和仿真比較,實驗電路多了兩個 "振鈴",
頻率低的,在方波的穩態區,頻率約300Hz,
頻率高的振鈴在方波的暫態之後,頻率約20kHz,

頻率高的振鈴在接電阻負載時也會發生,
所以應該是電路的關係,
改善走線或加電源旁路電容,希望可以抑制,
這也符合了我的經驗,實作電路比仿真容易發生振盪(不穩定).

頻率低的振鈴,不容易理解,可能是喇叭單體的關係,
也可能電路的緣故.

話說回來,這個實驗電路我聽了大半年了,
那兩個振鈴,也沒造成我聽音樂的困擾,
反而是這個電路的快速暫態反應,
讓我在聽打擊樂,或大編制管弦樂時,多了許多樂趣.

hsiehwm

這個電路擺在這裡乎有些奇怪,
我是想說明,同樣電路架構,還可以有別的用法,

圖裡是五極管(束射管)標準接法的單端膽機,
有五極管的高效率,同時又有三級管的低失真,
低音控制能力,比我以前裝的RCA4604三級接膽機好,
輸出功率也大些,聽定馬林巴琴或音鼓獨奏都還足夠.

因為只用了一般的輸出變壓器,高低頻兩端的延伸不如晶體機,
好處是不用擔心晶體機輸出中點飄移和喇叭保護的問題.

6DQ6B是晚期的水平掃描管,用它是因為大電流,高跨導,同時容易取得,
高跨導的膽管比一般音頻管更適合這個電路.

因為沒有仿真模型,電路圖裡列出的是實測電壓.

hsiehwm

和前面的實驗方法相同,

(zobel circuit)

參照組電路,以一個加了頻寬限制的方波理想電壓源,
加到喇叭的電路模型,來觀察喇叭電流,I(Re1)

另一組電路和參照組相似,只是在喇叭前接了所謂的"zobel"電路,
6uH電感併聯10歐姆電阻.

V(nc_01)代表喇叭電流的差值 I(Re1)-I(Re2)

電壓的暫態邊緣,zobel電路使喇叭電流的變化延遲,

暫態電流峰值160mA,電流差值最大4.5mA,
整個延遲的時間80us,

電壓暫態結束,電流差值有反向過激.峰值約0.4mA

從輸出電壓的比較 V(ref) V(amp_out)可以印證電流的差異.


從喇叭的電路模型來看,推動音圈_振膜的瞬間推力,
只和音圈電流相關,F=I*(BL)

即使是(電阻負載下)輸出電壓特性相同的兩部功放,
只要們的輸出阻抗(頻率特性)有微小差別,
聽感上可能出現明顯差距.


只是,大部分的功放(為了電路穩定)必須加zobel電路.

hsiehwm

新的電路實驗
沒有真空管的真空管式單端電路
電路比原來的更簡潔
圖上的電壓電流是實測值
Mosfet 用 IRFPF30 只是因為買的到
兩個 Mosfet只是同批次 沒有配對
聲音不是真空管式的溫暖音色
但是低音清楚些
重要的是 Mosfet可以選擇的比真空管多太多

pbjacob

记得版上老曹就帮别人修了一台音乐传真A1来着。

hsiehwm

pbjacob 发表于 2017-8-20 19:56
记得版上老曹就帮别人修了一台音乐传真A1来着。

單顆 Mosfet 和  Mosfet 電流鏡
電路特性是不一樣的

pbjacob

hsiehwm 发表于 2017-8-20 20:27
單顆 Mosfet 和  Mosfet 電流鏡
電路特性是不一樣的

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发烧求败

我最近完成的无环路负反馈功放 电流级没有纳入负反馈 电压放大级也没有环路负反馈 可以说 我做过这么多功放 这台声音是自己最喜欢的

hsiehwm

實驗的電路加了兩個小電阻在 Mosfet 的閘極
對電路穩定應該有幫助 自己覺得聲音也有些微改進

另外高壓電源原來有串降壓電阻 為了適應真空管的工作點
現在把降壓電阻拿掉 高壓電源提高(輸出功率提高)

用 Mosfet 的好處 改變電源電壓 幾乎不影響工作點
而且 只要散熱許可 容許消耗功率比真空管大

電路有個小缺點 冷開機時 兩個 Mosfet 的熱耦合還沒穩定
(兩個 Mosfet 一同鎖在散熱片上)
工作電流約是穩定時的 1.5 倍

根據這兩天聽音樂的感覺
這個電路應該不會回頭使用真空管了

JTYX

可以试验一下飞利浦LHH-A700,很值的