Hva med noen chipamper?

[Armand]

^ Hva med å bytte ut hver av optokoblerne med to transistorer (en til hver signallinje) med emitter til jord (+motstand til signallinjene) ? Dvs slik at hver av inngangene «kortsluttes» til jord i stede for differensielt.

mvh
KJ

Problemet med en slik løsning er diodene i transistorer. Det vil gå strømmer fra signallinjen og ut til basen. Da må man i så fall inn med en transistor på base også.

En annen ting er at signalet inn kanskje har en offset i forhold til jord som vil påvirke klippekretsløpet skjevt.
Er dog ikke skråsikker på dette.

 

[Armand]

Glem det jeg sa i forrige post.. KJ's forslag er bra saker. Mitt ankepunkt om dioder løser seg ved bruk av opamper og differensielle ingangssignalet er jo linket til jord med 47k i enden..

Ny versjon.

Her brukes samme differensielle opamp for å lage single ended signal (U1). U2 bare inverterer signalet.
U3 sammenligner signalet fra U1 med en justerbar referansespenning man kan justere med et pot (RV1). Hvis spenningen kommer over vår satte spenning, så vil U3 gasse på oppover med gain på 100 og fyre opp transistor Q1. Denne drar så i + inngangen slik at denne synker (Rosa kurve). Det er ikke noe poeng å dra på - inngangen samtidig siden det kun er forskjellen mellom + og - som blir forsterket senere.

U4 og Q2 jobber etter samme prinsipp, men jobber ut i fra et invertert signal fra U2 og drar i - inngangen slik at denne synker (gul linje)

Når det gjelder lekkasje fra signalet og inn i kollektor og ut i basen gjennom dioden i transistoren så kan ikke dette skje nå. Se på følgende bilde:

Rød= Negativ input fra kilde, Gul=korrigert negativ input (etter R2), Turkis=Spenning på basen på Q2. Som vi ser så er spenningen på basen alltid mindre enn på kollektor og dioden inne i transistoren vil sperre.
Vi ser at innsignalet er på 2V men blir begrenset på 1,6V.

Hva så hvis vi skrur ned litt?

Her vi i grenseland med 1,85V inn. Vi ser nederst at basen på transistoren "var på vei", men var langt unna å starte opp strøm i kollektor.

Så skrur vi litt opp igjen til 1,90V.

Vi ser at kuttingen av toppen på den gule såvidt har startet.

Skrur vi opp til 2,5V inn ser det slik ut:

Signalet klippes pent på rundt 1,6V nå også.

Konvertert til single ended ser det siste signalet slik ut:

Med en standard quad opamp, et potmeter og et par lavstøy transistorer burde ikke dette være store saken å implementere. Og mye enklere enn optokoblere... .

 

[Asbjørn]

Det vil sikkert fungere, eventuelt soft-clippere også, men jeg tenker at preamp eller prosessor som står foran effektforsterkeren i signalkjeden allerede utgjør en helt utmerket limiter. Det gjelder bare å velge forsyningsspenning og gain i effektforsterkeren slik at maksimalt output fra preamp driver effektforsterkeren til "høyt nok" uten å klippe.

Grovregnet eksempel: La oss si at vi har 8-ohms høyttalere med 90 dB @ 1 W, at vi dimensjonerer for 110 dB peak SPL, og at preamp gir max 2 V RMS ut (balansert). 110 dB er opp 20 dB fra de nominelle 90 dB, så vi vil trenge 100 W uforvrengt effekt. Det er godt innenfor hva denne kretsen kan levere. 100 W i 8 ohm tilsvarer 28,3 V RMS, eller peaker ved +/- 40 V over høyttaleren. Ettersom forsterkeren er brokoblet over lasten betyr det 20 V fra hver halvdel. Det holder allerede med forsyningsspenning på +/- 23 V, men +/- 25 V gir litt sikkerhetsmargin.

Så trenger vi bare å sette gain slik at 2 V RMS på inngangene blir 28,3 V RMS ut, dvs 14x eller 23 dB gain. Komposittforsterkeren gir 3x gain, mens resten kommer fra inngangsbufferen. Vi behøver 14/3 = 4,67x gain der. Det gainet settes som 1 + (R13 + R23)/Rg. Her er R13 = R23 = 1k, så Rg blir 545 ohm.

Og vips, full utstyring på preamp med volumkontrollen skrudd til 11 gir 100 uklippede watt ut av effektforsterkeren. Preampen klipper først og tar jobben som limiter i kjeden.

Eller, hos meg med 16 ohm mellomtoneelementer på 99-100 dB @ 1 W holder det med 10 W for 110 dB. 10 W i 16 ohm er 12,6 V RMS og +/- 17,9 V peak. Da holder det med noe sånt som +/- 21 V forsyningsspenning, men 25 V eller 27 V skader selvsagt ikke. (Det er også bare 0,8 A RMS, milevis innenfor begrensningen på 7 A i en LM4780.) Prosessoren kan settes til forskjellige gain, men default er 1,5 V RMS single ended og 3 V RMS balansert max output. 12,6 / 3 = 4,2x, så inngangsbufferen behøver bare gi 1,4x gain. Dvs at Rg = 5k. Presto, flatt jern fra preamp er 110 dB uklippet lyd i rommet.

Dette er ikke noe man kan gjøre i et kommersielt produkt hvor det ikke er godt å vite hva noen kan finne på å koble til, hverken mht signalnivåer eller impedanser, men i DIY-verdenen er det en fullgod løsning. Ikke bare det, men det gir en nokså optimal gainstruktur fra preamp og ut. Hvis signalkilden i tillegg er satt opp slik at 0 dBFS på opptaket blir til max output fra preamp med volumkontrollen på 100 % maksimerer vi signal/støy-forholdet gjennom hele kjeden.

 

[Armand]

Chipamper PCB

Asbjørn og meg har syslet litt med å lage en prototype. Nå nærmer det seg bestilling og som vanlig er det det en haug med considerations underveis. Vi har gjort noen valg, men det hadde vært fint å få feedback på om det vi har gjort så langt er: Topp, OK, greit, tvilsomt eller helt bort i natta .

Jeg starter med et par bilder av kretskortet og skjema så langt.

Under ser vi de to firkantende low noise regulatorene fremme til høyre. Bak til høyre er high power input. Bakerst er LM4780 forsterkeren med en gjeng 10uF avkoblingskondiser. De store SMD'ene i trespann er motstanden i zobel-filtrene. Jeg ser nå at jeg må flytte litt på jordplanet rundt høyttalerterminalen til venstre. Litt dumt at det ligger helt inntil høye strømmer. Jeg ser også at jordplanet under feedbackkretsløpet har blitt delvis borte. Mere å fikse..

Signalpower input foran til venstre. High power input bak der. Høyttalertilkobling til høyre. De store elektrolyttene er Panasonic 1800uF 35V High frequency 12mOhm ESR. De 4 mindre elektrolyttene ved siden av LM4780 er 470uF 35V Panasonic High frequency 30mOhm ESR. Hele feedback-kretsløpet Asbjørn har fiklet med sitter tettpakket med 0805 komponenter mellom LME49840 og LM4780 beskyttet av et jordplan. Signalbaner er forsøkt å holdes så korte som mulig. Kortet er tosidig og for å få power distribution til å gå opp med lav impedans under LM4780 har vi måttet ty til et par linker som loddes på undersiden. Det samme gjelder utgangen fra LM4780 bort til terminalen på høyre side. Man kan se de to hullene foran LM4780 og hullene ved siden av terminalen. Eventuelt kan man lodde høyttalerledningene rett i hullene foran LM4780 hvis man vil.
Jordplanet på kortet er delt opp i tre deler. Ett for powerdelen på LM4780, ett for low noise rundt LME49740 og ett som sitter før regulatorene.

Skjema av hjertet i chipampen. Dette er likt det som Asbjørn har fiklet med og som er postet og forklart tidligere.

Skjema av power. Til signalpower bruker vi regulatorne fra TI med lavest støy vi kunne finne. 4uV RMS på positiv og 16uV på negativ spenning. LT3042 har mindre støy (0,8uV) og ble vurdert, men siden den bare finnes i positiv utgave ble dette forkastet. Vi har tenkt å bruke et switch mode power supply fra Connex (SMPS300RT). Dette jobber i frekvensområdet 100kHz-250kHz og filtering i dette området er viktig. Det sitter derfor ferriter på inngangen som i kombinasjon med kondisene vil dempe alt over 100kHz med over 50dB før det kommer inn på regulatorene. Ferriten har ved frekvenser under 1MHz en induktans på 7uH og vi får et LC filter. Regulatorene skal ta ytterligere rundt 50dB før det kommer til opampen. Denne har PSRR på rundt 80dB og med kombinert reduksjon på rundt 180dB håper vi at alt skal være borte før ting skal forsterkes.
Nederst til høyre er kondisene til high powerdelen.

Jeg har noe mer konkret jeg ønsker å lufte før vi jobber videre med dette. Det kommer.

Armand

 

[Armand]

Jeg tror jeg er fornøyd med regulatorlayout nå. Men jeg har spørsmål angående baner, induktans og kelvin sense feedback. Det er ikke lett å sette seg inn i en krets på sparket, så jeg har jeg lagt ut et par 3D-bilder lenger nede slik at det kanskje blir lettere få oversikt.

Her er et bilde av bottom layer. Alt av baner er lagt her. På top layer er det kun jordplan. For å starte med tanken bak layout på regulatorene så har jeg har tatt utgangspunkt i at jord under chippen er referansejord. Denne blir koblet direkte til det store jordplanet på oversiden gjennom 25 stk via under chippen. Da skulle vi ha en rimelig lavimpedant referanse.
Input til regulatorene (+ og - 15V) går gjennom en ferrit og blir avkoblet med 470uF elektrolytt og 2x10uF og 10nF MLCC kondiser. Jeg passet på at jord fra disse avkoblingene går innunder chippen og ikke blandes med jord for avkoblingskondisene til output fra regulatorene (+-12V) før jord møtes under chippen. Rød firkant er avkoblinger inn og grønn er avkoblinger ut. Ut fra regulator er det 2x22u og 2x10u MLCC kondiser for en total på 64uF. Databladet viser forbedringer hele veien opp til 47uF og da kan ikke vi være dårligere
Noise reduction kondisene har sin "egen" jord som kommer fra under chippen med sin egen bane. På den negative regulatoren deler "voltage adjustment" motstandene og "feed forward" kondisen den samme jorden. Vi kan kalle det signaljord.
Alt dette er jeg rimelig sikker på vil fungere fint, men tar gjerne i mot forslag.

+-12V skal bort til vår forbruker, LME49740 opampen. Hvor mye strøm den bruker vet jeg ikke sikkert men vi kan vel regne med et sted rundt 20mA. Banene bort til denne er nå 30mil (0.8mm) og avstanden bort til forbruker er ca. 40mm. Dette gir en resistans på 0.026 ohm. (The CircuitCalculator.com Blog � PCB Trace Resistance Calculator ) Induktansen i banen er beregnet til 40nH ved hjelp av denne formelen:

Analog Devices : Analog Dialogue : PCB Layout

Men dette var hvis banen ikke lå under et jordplan. Det gjør den og da stiller det seg annerledes. Induktansen kan beregnes fra å finne karakterisisk impedans ( Impedance Calculator | Hughes Circuits ) og bruke forsinkelsen et elektrisk signal har på kretskort når det ligger inntil et jordplan på ene siden og har friluft på andre. Den er estimert til 140ps per tomme av Howard Johnson. (Trace Inductance)

Karakteristisk impedans blir 95 ohm, og med formelen til Howard som sier at L=Z0*(delay per inch) kan vi finne induktansen. 95ohm*140ps = 13nH per inch eller 0.5nH per mm.
Med vår bane på 40mm får vi 20nH.

Vi får en stygg resonans ved 2MHz på +18dB.

Så til spørsmål nr1:
Er disse regnenmetodene for induktans og simuleringene OK eller er jeg på villspor her?

Jeg har uansett satt inn to stk. tantaler med 100mOhm ESR rett foran opampen som skal dempe denne resonansen. Man kan se de på 3D bildet under. Resultatet ble slik:

R_Trace og L_Trace er de første 30mm bort til tantalene og R_Trace2 og L_Trace2 er de siste 10mm bort til beinet på opampen og er beregnet etter formelen uten jordplan. Vi ser at systemet nå er dempet.


Spørsmål nr2:
Hvordan vil dette med induktans stille seg på kelvin sense banene som går tilbake til regulatorene? Kan vi regne med at inngangsimpedansen på regulatorene er slik at dette ikke utgjør noe problem?

Oversiden. Man ser at jordplanet på oversiden er "helt" og "pepret" med via for god kontakt med jordplanet under

Undersiden.

Håper noen tar seg tid til å kikke på dette og dele erfaringer.
Mvh Armand

 

[bambadoo]

Ikke tid og anledning til å svare men må si at dette er blitt en veldig flott tråd! Kudos.

 

[Midas]

Har sett litt på utlegget. Har dessverre ikke helt satt meg inn i spørsmålene dine, men én ting bemerket jeg meg:

Det "støyfrie" jordplanet har vias langs kanten og langs med kelvin sense banene. Men jeg ser at jordplanet på undersiden åler seg innimellom komponentene på undersiden igjennom ganske tynne baner uten særlig kobling mot oversiden. Dersom målet er at jordplanet på undersiden skal være på helt samme potensiale som på oversiden, så må man bare pepre på med vias. Og i min verden (digital og høye frekvenser vel og merke), så er det å pepre på vias uten system bedre enn å være veldig systematisk i plasseringen. Men så er vel neppe indukansen i viaene og radioressonanser på jordplan neppe noe problem i dette designet

 

[Midas]

Alt dette er jeg rimelig sikker på vil fungere fint, men tar gjerne i mot forslag.

Dette tror jeg blir bra! Klarer ikke se noe flere ting å sette fingeren på.

Så til spørsmål nr1:
Er disse regnenmetodene for induktans og simuleringene OK eller er jeg på villspor her?

Dette er jeg ikke veldig stø på lengre, men du har ikke tatt hensyn til de små kapasitansene på ledningen i dette oppsettet. Og når du først begynner å regne på karakteristisk impedans: https://en.wikipedia.org/wiki/Telegrapher's_equations. Men noe i meg sier at dette er overkill, så jeg tror angrepsmåten din virker fornuftig. Jeg regner med at du ikke spesifiserer veldig nøye på substratet på FR4, slik at der kan det bli en del +- på strøkapasitanser og induktanser.

Spørsmål nr2:
Hvordan vil dette med induktans stille seg på kelvin sense banene som går tilbake til regulatorene? Kan vi regne med at inngangsimpedansen på regulatorene er slik at dette ikke utgjør noe problem?

Databladet sier at FB-strømmen er i størrelsesorden 14-100nA på den negative regulatoren og typ 350nA på den andre. Altså rimelig høyimpedant. Men hvordan reaktansen påvirker AC-forløpet i tilbakekoblingen er jeg usikker på. Skulle de mot formodning bli for lange, så kan du vel i prinsippet laske utgang og FB sammen nære regulatoren (skrape litt lakk og lodde over en perle).

Dette blir nok bra! Veldig, veldig bra med sånne prosjekter her på HFS

 

[Armand]

Takk for innspill Midas. Ja, det er bra med litt motvekt fra MDF-freserne..
Jeg skal pepre kortet med via i alle kriker og kroker når endelig layout er klar. Det noe i meg også som sier at det er litt overkill, men better safe than sorry. Hvis skiten skulle oscillere så vet vi at vi har gjort vårt beste i hvert fall. Jeg har bare gått ut i fra kalkulatorer på nettet og "rules-of-thumb" når det gjelder induktanser, kapasitanser og dielektrisk konstant i PCB,. Det kommer nok ikke til å bli spesifisert noe spesielt substrat. Det blir vel det kineserne har for hånden.. Men det er nok sikkert at man får en resonans et sted mellom 1-3MHz bort til opamp med en avkobling på 470nF (pluss 100nF mellom + og -).
Jeg kom på en ting: Det er ikke lurt å prøve å dempe en resonans på 2MHz med en tantal som har øvre frekvens på 1MHz!! Skal dempingen ha effekt må vi bruke en kondis som klarer de frekvensene. Jeg har laget en versjon som bruker MLCC på 2.2u og en motstand på 200mOhm i serie. Den vil være effektiv opp til 7MHz og vil dermed dekke et mye bredere frekvensområde. Ulempen med å gå såpass ned i kapasitans er at dempingen blir dårligere. Men vi slipper i hvert fall en høy peak på opp mot 20dB med høy Q uansett om det skulle være 1 eller 4MHz.

Plasseringen av dette filteret er også bedre nå tror jeg. Det ligger nå helt i enden med kobling til begge jordplan på andre siden av opampen.

R100 og C100 tar +12V. R200 og C200 tar -12V


Jeg legger også inn en dummy motstand nærme regulatorene slik at vi har vi har muligheten til å linke over hvis feedbacken fra kelvin sense skulle lage krøll for oss.
Takk for tips.

 

[Midas]

Jeg kom på en ting: Det er ikke lurt å prøve å dempe en resonans på 2MHz med en tantal som har øvre frekvens på 1MHz!! Skal dempingen ha effekt må vi bruke en kondis som klarer de frekvensene. Jeg har laget en versjon som bruker MLCC på 2.2u og en motstand på 200mOhm i serie. Den vil være effektiv opp til 7MHz og vil dermed dekke et mye bredere frekvensområde. Ulempen med å gå såpass ned i kapasitans er at dempingen blir dårligere. Men vi slipper i hvert fall en høy peak på opp mot 20dB med høy Q uansett om det skulle være 1 eller 4MHz.

På jobb har vi forbud mot bruk av tantaler, og velger heller flere og større MLCC. Dels på grunn av deres ikke allverdens høyfrekvente egenskaper og dels fordi de har relativt høy feilrate. Jeg har egenhendig sett flere eksempler på tantaler som blir til lysdioder for en liten periode...

Jeg har ikke databladet foran meg nå, men var det ikke noe der om å velge X7R eller X5R MLCC? Chipkondensatorer er iallefall kjent for å ha veldig lave impedanser og høy frekvens. Hvis du ønsker høyere frekvenskapasitet, så er det jo bare å hive på en NP0 kondsendater <=10nF slik du har gjort på signal-PSUet.

(Men mine råd kan trenger ikke være riktige, det er en stund siden jeg har jobbet med rene analoge design. Jeg jobber stort sett i den digitale sfæren med klokkefrekvenser opp mot 800MHz, så der er det helt andre utfordringer mhp. på kretsdesign og andre designregler. F.eks. er det ikke like viktig med stille jord -- bare det ikke gir problemer i EMC/EMI-testingen.)

 

[W.Sand]

Er det vurdert brokoblet versjon?
Har mirakelet kortslutningssikring og forsinket oppstart?

 

[Armand]

Er det vurdert brokoblet versjon?
Har mirakelet kortslutningssikring og forsinket oppstart?

Kortslutningssikring ligger innebygget i utgangstrinnet. Eller rettere sagt en strømbegrensning som slår inn mellom 7-11A. Garantert minimum 7A.
Forsinket oppstart er satt med en 10uf SMD og to SMD motstander under utgangstrinnet. Det er nå satt til ca. 200ms men kan justeres opp noe. Men det kan ikke justeres opp så mye på grunn av begrensninger i størrelse på SMD kondiser.

Brokobling blir problematisk på grunn av strømtrekk. Den klarer som nevnt ikke mer enn 7A.

 

[Asbjørn]

Den er brokoblet i utgangspunktet. Topologien er en differensiell inngangsbuffer (som i en instrumentforsterker), som så driver to single ended komposittforsterkere med motsatte polariteter. Single ended, fordi feedback-kretsene i komposittforsterkerne refererer til signaljord. De to komposittforsterkerne er så brokoblet over lasten slik at det hele fungerer som en differensiell forsterker. Det vil ikke fungere spesielt godt å brokoble to av disse forsterkerkortene enda en gang.

Som Armand sier er vernet mot overbelastning både mht strøm og temperatur innebygget i LM4780. Vi kunne eventuelt lagt til en krets som senser DC på utgangene - et tegn på at noe har gått veldig galt - og nødstopper strømforsyningen, men det har vi ikke gjort.

Application note AN-1192 viser også beregninger av kjøleflenser. Kjernen i denne forsterkeren tilsvarer det de kaller en BR100, en brokoblet 100-watter. Det går nok an å tyne ut noe mer fra den, men de 7 A strøm og behovet for kjøling vil fort bli begrensninger. http://www.ti.com/lit/an/snaa021b/snaa021b.pdf

Edit: På den andre siden er det fullt mulig å lage en single ended versjon rundt en LM4562 og LM3886. Det vil bli veldig likt Tom Christiansens Modulus-86. Han bruker LME49710 i stedet for LM4562, men de er nokså like. Han har også satt en THAT1200 balansert inngangsbuffer og en LM2277 som DC servo. Mod-86 gir ca 40 W i 8 ohm med 0,00034 % THD+N. To slike kan brokobles, og vil da ende opp som noe i nærheten av den kretsen vi drodler på her. Men jeg tror det er en del fordeler i å bygge så kompakt som dette, inkludert at de to "LM3886'ene" i en LM4780 er fra samme die og formodentlig bedre matchet enn to tilfeldige LM3886 IC'er. En fordel med den single ended'e løsningen er derimot at komponentene fortsatt finnes å få kjøpt.

 

[Asbjørn]

Siden det ser ut som at disse tingene kommer til å bli bygd, behøver vi vel kanskje et prosjektnavn. Jeg tenkte først på Opus (etter min favorittpingvin), men det kryr allerede av hifidingser med Opus i navnet.

Det karakteristiske med denne dingsen er at den er balansert brokoblet (full bridge topology), så jeg begynte å se på broer i stedet. Rialto-broen i Venezia er en bra symmetrisk bro, men det finnes allerede minst en Rialto forsterker, og egentlig er det markedet på den ene siden som heter Rialto mens broen heter Ponte di Rialto. Det er ikke mange broer som strengt tatt har et eget navn. De heter gjerne noe slikt som xxx-broen etter stedet de står, går over, leder til, eller fra.

Men mytologiske broer har egne navn. To opplagte er Bifröst og Gjallarbrú, den ene fra Midgard til Ásgard, den andre fra Midgard til Hel. Det er kanskje mer attraktivt å se en forsterker som en bro fra hverdagens Midgard til musikkgledens Ásgard, snarere enn som veien rett nord og ned til Hels mørke og kulde. Dessuten har Gjallarbrú navn etter elven Gjóll som den krysser, ikke et helt eget navn. Derimot står det i Gylfaginning:

Þá mælti Gangleri: "Hver er leið til himins af jörðu?"
Þá svarar Hárr ok hló við: "Eigi er nú fróðliga spurt. Er þér eigi sagt þat, er goðin gerðu brú af jörðu til himins, er heitir Bifröst? Hana muntu sét hafa. Kann vera, at þat kallir þú regnboga. Hon er með þrimr litum ok mjök sterk ok ger með list ok kunnáttu meiri en aðrar smíðir. En svá sterk sem hon er, þá mun hon brotna, þá er Múspellsmegir fara ok ríða hana, ok svima hestar þeira yfir stórar ár. Svá koma þeir fram."
Þá mælti Gangleri: "Eigi þótti mér goðin gera af trúnaði brúna, ef hon skal brotna mega, er þau megu þó gera sem þau vilja."
Þá mælti Hárr: "Eigi eru goðin hallmælis verð af þessi smíð. Góð brú er Bifröst, en enginn hlutr er sá í þessum heimi er sér megi treystast, þá er Múspellssynir herja."

Det betyr vel omtrent at Bifröst er trefarget og meget sterk og er bygget med mer list og kunnskap enn andre byggverk. Men likevel, enda så sterk den er, vil den ramle sammen når Múspells sønner forsøker å ri over den. Det skal ikke gudene som bygde broen lastes for, ettersom det ikke finnes den ting i verden som tåler slik overlast.

Det er noen interessante paralleller der, i all beskjedenhet, inkludert at dingsen ikke er konstruert for å tåle brutal belastning i lave impedanser eller med høykapasitiv last. Oscillere kan den også gjøre hvis den utsettes for slikt - bifa betyr visstnok å skjelve eller riste. Så jeg foreslår at vi kaller den Bifröst.

Det finnes forsåvidt allerede en DAC fra Schiit Audio som heter Bifrost. ("Pronounced BEEF-roast".) Det löser vi med tödler. Eller med den alternative stavemåten Bilröst, men da mistenker jeg at folk tror den kommer fra Biltema.

 

[KJ]

^Ponte Scienziato pazzo ?

Ellers er Bifrost et særdeles bra HiFi navn, som du allerede skriver.

mvh
KJ

 

[Asbjørn]

Den broen tror jeg ikke er døpt ennå, dessverre.

Men altså Bifröst, ikke Bifrost. Har ingen ting med "tosidig frost" å gjøre, men noe med "bifa" - å skjelve, dirre - eller "bil" - et øyeblikk. Et kortvarig glimt av den skimrende regnbuen. Kann vera, at þat kallir þú regnboga.

@Armand: Får du inn det navnet et sted på silkscreen layer? Evt bedre forslag?

 

[Armand]

Jeg synes navnet er strålende. Noe sånt?

Ved siden av de to monteringshullene til venstre er det lagt opp til litt RC-ledd kobling av jord på kortet til chassis. Man kan også velge å koble det rett til chassis med en jumper. Bare ett skal brukes, men det kan være greit å kunne forske litt på hva som fungerer best. Det er også en jord tilgjengelig ved signalinput hvis man skulle prøve seg på noe jord der. Jeg tror det beste er å jorde direkte til chassis i hjørnet bak de store elektrolyttene men er ikke sikker på dette. Noen som har har forslag?
Jeg har igjen litt småpirk som pepring med via mellom jordplan og dobbeltsjekking av komponentstørrelser mot "in-stock" komponenter hos mouser.

Her er vi under og dette er nok nærme slik det blir til slutt. Litt småpirk og justering av baner står igjen her også. På dette bildet ser man at en del av pinnene på utgangstrinnet kræsjer med SMD komponentene, men disse pinnene er NC-pinner og skal klippes bort. Det blir ikke hull i kortet der og plassen er utnyttet til mer effektiv routing. Jeg har bare ikke giddet å redigere disse pinnene bort fra 3D-modellen.

Armand

 

[Asbjørn]

I mellomtiden: Kanskje en logo?

Font Space Age, Space Age Font Family

Det er mye å velge mellom, men her tror jeg kanskje futuristisk passer bedre enn retro:

Enslags miks av art deco og runeskrift. Runy Tunes Revisited NF Font

Tallet bakerst får vi kanskje vente med til vi ser om dette funker i lab og hvor mye effekt den egentlig gir.

 

[Armand]

Kult. Jeg likte den øverste best. Litt mer futuristisk

 

[Fenalaar]

Siden det ser ut som at disse tingene kommer til å bli bygd, behøver vi vel kanskje et prosjektnavn. Jeg tenkte først på Opus (etter min favorittpingvin), men det kryr allerede av hifidingser med Opus i navnet.

Hva med en anna pingvin? Pingu høres vel ikke dumt ut?

Johan-Kr

 

[Asbjørn]

Joda, Pingu er også en runner-up til tittelen som favorittpingvin, men tror likevel ikke det.

Det blir enslags o med cirkumfleks, ô. På norsk betyr den vanligvis lang vokal, men når man forsøker å gjengi Bohuslänsdialekt i skrift betyr det en åpen, lang ø-lyd. F eks "vanvôla", "bôar" eller "hôrr å en". Close enough, og vi vet vel ikke eksakt hvordan en "ø-rune" ble uttalt heller.

 

[EMI]

Kult prosjekt!


Er det satt av god nok plass til kjøleribbe? Ser ut som ytterkant kondensator vil havne helt inntil kjøleribba hvis den er av en viss bredde.

 

[Asbjørn]

Takk! Jeg tenker å sette IC'en på en heat spreader av kobber og klampe den fast med en annen kobberbit på forsiden, så det vil bli litt plass mellom kanten av kortet og kjøleribben. Men det er god plass på kortet, så det er ingen ting i veien for å skyve de kondensatorene et par millimeter innover for sikkerhets skyld.

 

[Armand]

Da er vi 99,9% klare for å sende avgårde prototype til produksjon. Det blir i første omgang bare 5 kort for å se om de virker som de skal. De blir bestilt fra http://www.gojgo.com/store/pcb/pcb-quote.html 5 kort koster 250 koner inkludert frakt.

Stensiler for å legge på loddepasta blir bestilt fra www.oshstencils.com. En slik koster runt 100 kroner.
Loddingen av alle overflatekomponenter blir da en relativt kjapp jobb selv med mange kort. Man lager seg en jigg man limer stensilen fast på slik at når man legger et kort inntil jiggen så passer loddepunktene på kortet med stensilen. Deretter er det bare å sette kortet inn i jiggen, smøre på pasta som da vil legge seg på alle loddepunkter, løfte stensilen, strø på komponentene og så legge hele kortet inn i ovnen på 220 grader i et par minutter.

Hysterese har også fått en finger med i prosjektet siden jeg har trekt kondisene litt lenger unna heatsink. Takk for innspill.
Slik ser det ut nå. Jeg har dasket på en god dose med via ut til alle hjørner av jordplan. Jeg har god tro på at dette jordplanet vil være rimelig lavimpedant overalt.

Hvis ingen har noen invendinger blir kortet sendt om et par dager og deler bestilt fra mouser.
Armand

 

[Armand]

Kort er bestilt

Så er bestillingen av kort endelig i havn. Jeg hadde glemt å slette et av de indre test-lagene i kretskortet og jeg fikk rask tilbalemelding på dette av min kinesiske PCB-kompis "Ted" hos gojgo.com som vennlig nok slettet dette for meg. De skal visst ha helligdager der fra 1 til 4 oktober og han får unna ordren før det. Alltid bra service hos Ted selv på en bestilling til bare 19 dollar.
I første omgang bestilte jeg bare 5 kort for å se om det fungerer som det skal. Prototypen blir seende slik ut:

Eneste forandringen fra sist er den lille 22uF kondisen øverst til høyre som er en del av mute-kretsløpet. Jeg gadd ikke koste på en 10 kroners SMD komponent til dette når en elektrolytt koster 50 øre.

Solder paste stensil er bestilt fra oshstensils.com. De koster 9 dollar stykket

Dette er stensilen for undersiden av kortet.

Dette er oversiden.

Delene fra mouser er også bestilt og om 10-12 dager håper jeg å ha en forsterker til test.

 

[Olav2]

Nå har ikke jeg fått lest hele tråden like grundig, så det er mulig det har blitt nevnt allerede. Men: Er tanken med dette prosjektet å sette dette i en viss produksjon/sirkulasjon, altså? Eller er det bare for egen oppbyggelse og fornøyelse?

 

[Asbjørn]

Egen fornøyelse, både som interessant prosjekt og forhåpentligvis til musikkglede hvis det fungerer som tenkt. Kretsen er konstruert rundt to IC'er som hhv allerede er gått ut av produksjon og er i ferd med å gå ut av produksjon. Vi har 32 sett IC'er, og etter det blir det ikke fler. Kanskje noen få blir til overs etter at Armand og jeg har bygget ferdig respektive høyttalersystemer, men det får vi se etterhvert. Kommersiell produksjon var utelukket fra start.

 

[Olav2]

Egen fornøyelse, både som interessant prosjekt og forhåpentligvis til musikkglede hvis det fungerer som tenkt. Kretsen er konstruert rundt to IC'er som hhv allerede er gått ut av produksjon og er i ferd med å gå ut av produksjon. Vi har 32 sett IC'er, og etter det blir det ikke fler. Kanskje noen få blir til overs etter at Armand og jeg har bygget ferdig respektive høyttalersystemer, men det får vi se etterhvert. Kommersiell produksjon var utelukket fra start.

Skjønner. Har veldig sansen for at dere går løs på slikt bare for egen fornøyelses skyld!

 

[Armand]

Kortene er ankommet

Jeg har i dag loddet de "verste" komponentene. Avstanden mellom jord i midten og beina på regulatorene er kun 0,2mm og jeg hadde mine tvil når jeg hadde påført loddepasta. Det så ut som det kom til å bli korstlutninger, men loddepastaen gjorde jobben sin og begge regulatorene fungerer fint.

Her er bilde før lodding som viser hvor smått det er sammen med en linjal.

Slik ble kortene. Det ene er ferdig loddet på ene siden. En komponent sitter litt skjevt på grunn av feil størrelse, så jeg måtte trikse litt med loddebolten. Det blir fikset på neste versjon.

Fortsettelse følger...

 

[Armand]

Målinger på regulatorer

Da har jeg sjekket at regulatorene som skal forsyne opampen med strøm gjør jobben sin. Vi skal bruke switch mode power supply til disse forsterkerene og det viktig at ikke switchestøy kommer seg inn i signalkretsløpet. Asbjørn og jeg drodlet lenge rundt hva vi skulle bruke og vi valgte å gå for overkill for å være på den sikre siden. Vi var litt usikre på hvor mye støy som kom fra disse supplyene. Det ligger dermed både passiv filtrering og aktiv regulering med de beste integrerte regulatorene man får tak i i designet.

Dette ble resulatet på positiv og negativ regualator. Positiv til høyre.
Den negative har ikke like god spec, men det er den beste integrerte negative som finnes i dag.
De totale RMS støytallene på 7,6uV og 19uV stemmer bra med det som er oppgitt i databladene (4uV og 16uV). Jeg måler her med høyere båndbredde og får dermed noe høyere tall.
Switchestøyen fra regulatorene ligger på -70dBV ut fra switch mode power supplyet med en frekvens på 120kHz. Denne ble dempet med 70dB som lovet i databladene og man se såvidt restene nede ved -140dBV (Det tillsvarer 0,3uV)
Opampen vi skal bruke har PSRR på over 90dB ved switchefrekvensen. Når den kan starte på -140dBV vil utgangen i teorien komme ned på -230dBV. Da er vi nede i picovolt området! Dette er selvfølgelig umulig og vi fikk den overkill-løsningen vi gikk for. Det kan hende vi kan slakke litt på regulatorkravene i neste versjon.

Neste steg blir å koble opp resten av kretsen for å se om det kommer lyd ut av dette.

 

[AAaF]

Har lurka rundt i denne tråden sidan starten, og må sei eg er imponert over arbeidet!

 

[Armand]

Loddepasta

Et par bilder av loddeprosessen.

Før lodding. Man kan tydelig se de små kulene. Man kan få pasta med forskjellig størrelse på disse kulene. Man får de også i forskjellige legeringer. Jeg kjører med god gammeldags bly/tinn formel som ikke trenger så høy temperatur og som gir myke holdbare loddinger.

Etter noen minutter i ovnen ser det slik ut.

Loddeovnen i slutten av perioden. Det er 3 sekunder igjen og temperaturen er 226 grader.

Varmt og godt

 

[Midas]

tommel opp!

Jeg skulle til å spørre om hvilken loddeprosess du benyttet, siden du snakket om pastamaske, men her kom svaret! Og QFN-pakkene er ikke DIY eller prototype-produksjonsfavoritter akkurat...

Ting blir mye enklere når man slipper å bekymre seg for RoHS og kan benytte blyholdig loddetinn (enn så lenge). Personlig kan jeg ikke fordra blyfritt fordi det er mye mer krevende å lodde med.

 

[Armand]

DUT

Testingen er gang.

Innledende resulatater er lovende. Den virker og den har lav forvrengning.


Her output fra en av kanalene i 8 ohm.

Den leverer en effekt på 32W i 8 ohm med 0,00042% forvrengning. Med et utsignal på 16V RMS (+24dBV) over 8 ohm last ved 1kHz ligger de harmoniske nede på -120dBV. Det en forskjell på 144dB! Eller ca. 16 millioner ganger lavere 8)
Merk: 1kHz "Stolpen" i FFT'en er lavere på grunn av at denne blir filtrert bort i måleinstrumentet.

Det gjenstår fremdeles litt tuning og etterhvert også brokobling.

 

[Armand]

Prosjektet skrider fremover

Vi støtte på problemer. Som forventet er slike kretsløp "kilne" i forhold til oscillering, og det fikk vi.

Slik ser en forsterker som oscillerer ut:

Den har det ikke godt...

Som Asbjørn har vært inne på, så skjer det alvorlige ting når vi nærmer oss klipping. Målinger viser at det starter med en svak oscillering ved 1,6MHz rett før systemet går "bananas" og begynner med 70kHz full power rail til rail oscillering. Med 200W ved 70kHz så dør de fleste diskanter rimelig raskt! Det verste er at denne oscilleringen ikke gir seg selv om nivået dempes. Man må slå av hele forsterkeren!
For å løse dette måtte vi legge inn et par "tweak" i kresløpet. Kortet ser ikke så pent ut lenger med kondensatorer og motstander på kryss og tvers på undersiden. Med med dette på plass ser kretsen nå ut til å være stabil.

Bifrost leverer nå 130W kontinuerlig i 8 ohm med 0,0015% THD+N og vi kan i hvert fall konkludere med at den virker og at den er stabil.

Neste utfordring blir å jobbe med å få THD lengere ned. Vi må prøve å få tre nuller..

 

[Asbjørn]

Spennende!

Den temperaturen er ikke noe å bry seg om, chipen lengter bare tilbake til smelteverket i Bremanger hvor det meste av verdens elektronikksilisium blir til:

 

[Armand]

Bifrost viser muskler.

Med et PSU på +-35V dytter den ut 210W i min 8,2 ohms last ved 1kHz.

117V P-P tilsvarer 58,5V peak. Det er 58,5/1,41=41,5V RMS og vi får 41,5^2/8,2=210W

Nå er dette riktignok "juksewatt" siden dette er målt over en tid på bare 10ms. Men det beviser at chippen kan levere strømpulser på 58,5/8,2=7,1A.
Selv om det er "juksewatt" så viser det at den kan levere dette i pulser, og det er jo det musikk tross alt er.

Mer tradisjonell måling viser nå følgende:

Her ser vi Bifrost levere 32,2V RMS (+30dBV) kontinuerlig med THD+N på 0,0007% inn i 8,2 ohms last ved 1kHz. Det tilsvarer 126W.
Andre ordens distortion ligger på -107dBV altså 137dB under signalet.
Mitt lineære PSU synker til +-27V ved denne testen og jeg mistenker at man hente ut enda mer effekt med høyere spenning. En annen ting er måleriggen jeg bruker nå er på grensen av hva den klarer å måle. "Low distortion" måleriggen er til reparasjon og det blir spennende å se om det faktisk ligger noe her.

Uansett så er det kult at vi nå beveger oss ned i NCore400-"land" som har 0,0005% THD+N ved samme effekt. (Riktignok i 4 ohm)

Fra NCore400 datasheet.

Røysa av en forsterker UcD400 ligger milevis over i distortion

Over 100W har den distortion på 0,025%. 35 ganger mer enn Bifrost.

Målet er forsåvidt nådd nå, men vi gir oss ikke enda. Jeg skal tweake litt mer på feedbackloopen for å se om det er mer å hente.

Armand

 

[Asbjørn]

Dette begynner å smake av fuggel.

Hvordan er støy og forvrengning ved lave effekter, f eks 1 W eller 10 mW? Hva med høyere frekvenser, f eks 10 eller 20 kHz?

 

[Armand]

Dette begynner å smake av fuggel.

Hvordan er støy og forvrengning ved lave effekter, f eks 1 W eller 10 mW? Hva med høyere frekvenser, f eks 10 eller 20 kHz?

Jeg har nettopp målt THD+N som funksjon av frekvens så det skal kan jeg fortelle. Ved 10mW og 1W vil jo støy dominere og da bør forsterkeren være montert i skjermet kabinett. Jeg skal ta de andre tingene etterhvert.

Her ser vi Bifrost THD+N som funksjon av frekvens. Utspenningen er rett under klipping og tilsvarer 132W i 8,2 ohm. Over 11kHz faller andre harmonisk utenfor 22kHz og THD+N går ned.
Til sammeligning bruker jeg igjen NCore, og vi ser at også den stiger opp til 0,002% ved høyere effekter.

Vi ser at den røde kurven (200W) er oppe på 0,002% for så å synke over 7kHz. Det betyr at 3-harmonisk forvrengning faller utenfor, og ved 10k ser vi at også andre harmonisk faller utenfor.

Vi har altså helt i grenseland lik ytelse som NCore her også.

Imens jeg gjorde denne målingen gikk Bifrost på full guffe og leverte 132W i flere minutter kontinuerlig. En eim av elektronikk fikk meg til å dra frem varmekameraet, men forsterkeren holdt seg stabil på 90 grader og heatsink lå på 50 grader. Plutselig kom et vanvittig høyt smell! .
Jeg datt bokstavelig talt nesten av stolen men fikk summet meg til å raskt skru ned variacen og foreta damage control.
Det viste seg å være min 50W effektmotstand som hadde fått nok. Jeg har mange, men hadde glemt å koble disse opp i serie/parallell. Denne sitter på baksiden av en heatsink og hadde dermed unngått mitt tidligere søk med varmekamera. Det burde ha ringt noen bjeller tidligere. Nå ringer det i stedet i ørene..

Den lille hvite prikken er det som kom ut av effektmotstanden og var varmere enn skalaen til kameraet. Over 280 grader..

Jeg glemmer ikke denne smellen så fort og husker nok serie/paralellkobleng neste gang...

 

[Asbjørn]

Hvis vi sammenligner med forvrengningskurven for en brokoblet LM4780 alene, får vi et inntrykk av hvor mye den ytre feedback-loopen undertrykker forvrengningen:

Forskjellen på 0,002 % og 0,01 % ved 10 kHz er 14 dB, ned fra -80 til -94 dB. Det er 15,7 bits oppløsning ved 10 kHz. Not half bad.