Hva med noen chipamper?

[Asbjørn]

Til Midas' spørsmål:
1. Ja, jeg startet med TI's nedlastbare Spice-modeller for IC'ene, gjorde en liten reverse engineering av dem for å få ut transferfunksjoner med poler etc i scilab for respektive ic, og bygget så opp transferfunksjonene for kretsen i Scilab ut fra de ic-modellene og verdier for alle r og c i kretsen. Det ble noen ark med skisser av filtre og kladdet algebra med impedanser før det hele så ut til å fungere. Resultatet er en transferfunksjon for hele kretsen, men jeg kan også plukke den fra hverandre for å se hva som skjer i bestemte deler av kretsen. Det gir en helt annen innsikt i hva som egentlig skjer i gain og fasevinkel enn bare en Spice-simulering. Deretter gjør jeg kretssimuleringer i Spice (TINA-TI) med samme komponentverdier for å forstå mer der, spesielt i tidsdomenet. Spice er kanskje bedre verktøy til å forstå hva som skjer, Scilab til å forstå hvorfor det skjer.

2. Takk! Bakgrunnen er blant annet en PhD EECS fra MIT og siv.ing fra gamle NTH, men i et annet fagfelt enn analoge kretser. Jeg var også noen år som forsker på Forsvarets Forskningsinstitutt. Nå har jeg en jobb som SVP i et større norsk konsern og holder på med helt andre ting enn dette på dagtid, så dette er bare et nødvendig utløp for ingeniørgenet når man sitter i business-møter hele dagen og ofte halve kvelden. Et annet motiv for å gå løs på dette var at min sønn studerer på Chalmers og hadde reguleringsteknikk som fag i fjor. Det gikk sådär, så jeg brukte litt tid på å diskutere fag med ham og behøvde et relevant eksempel for å diskutere Bode-diagrammer og stabilitetskriterier. Det tok kanskje litt mer av enn jeg tenkte, men nå leter han ihvertfall etter eksamensprosjekt i forsterkerdesign, så hovedformålet ble tydeligvis oppnådd.

@Sluket: Stabiliteten har vi kontroll på så lenge komponentene er i nærheten av nominelle verdier, men vi begynner å nærme oss et nivå hvor det er lite margin for store avvik i komponentverdier. Jeg mistenker også at stabilitetsvinduet i neste versjon begynner å bli som å tre en tråd gjennom et nåløye. Skal ikke mye avvik til før noe skjer. Det vil i så fall vise seg nokså umiddelbart første gang vi setter strøm på et eksemplar. Levetid vil først og fremst være et spørsmål om termisk design, men det har vi ikke regnet på ennå. I utgangspunktet er det app note AN-1192 som gjelder for denne, ettersom den er en BR-100 med et drivertrinn foran. Selve LM4780'en har innebygget beskyttelse mot både overtemperatur og kortslutning, så det bør bli en ganske robust liten ting.

http://www.ti.com/lit/an/snaa021b/snaa021b.pdf

Er på reise nå, men fikk noen ideer på flyturen, så jeg skal gjøre et forsøk til på å se hvor høyt det egentlig går an å presse NFB i denne forsterkertopologien. Jeg innser at det antagelig er enda litt mer reserve enn jeg trodde i går.

 

[Asbjørn]

Jeg kom til 94,2 dB NFB ved 20 kHz og 4x gain, hvorav 2x i inngangsbufferen og 2x i komposittforsterkeren:

Da er frekvensgangen ned 0,001 dB ved 20 khz og 1 dB ved 1,15 MHz. Det burde jo holde. 94 dB er 62 dB mer enn databladets standard gainclone. Hver 20 dB flytter kommaet en plass i THD+N, så dette burde redusere 0,01 % til like under 0,00001 % ved 20 khz. Dvs "parts per billion". Det burde også holde.

Jeg har gjort noen forsøk på å få til 100 dB NFB ved 20 kHz, om ikke annet fordi det er et rundt tall. Det ser lovende ut i Scilab, men Spice er ikke fornøyd:

Ved 96,2 dB NFB er vi helt på kanten:

Grensen for hva det er teoretisk mulig å få til med denne topologien og disse IC'ene går nok der et sted. Da har vi antatt nominelle komponentverdier. Hva som lar seg bygge i praksis kan være en annen historie, ettersom forholdsvis små komponentvariasjoner kan være nok til å bikke denne utfor kanten. Det er nok tryggest å holde seg et godt stykke unna den absolutte grensen, men likevel bør det være mulig å slå det meste med ganske mye.

Edit: Fant en tilsynelatende stabil versjon med 98,0 dB NFB ved 20 kHz. Skal si fra hvis jeg finner noe som treffer 100-tallet, men jeg tror egentlig ikke det er mulig.

 

[VegardW]

Om du finner den , utover tilfredsstillelsen ved det...
hva skulle det kunne utgjøre for forskjell når du spiller musikk?

 

[Asbjørn]

Ingen som helst. Vi passerte enhver tenkelig hørbarhetsterskel for lenge siden. Kun akademisk interesse, sånn i tilfelle vi behøver et blikkfang i overskriften på en artikkel. Dessuten ville jeg gjerne vite hvor grensen går for å forstå hvilke sikkerhetsmarginer som finnes ved litt mer moderate NFB-verdier.

 

[Armand]

Vi bruker 1% C0G 0805 kondensatorer og 0805 0.5% metallfilm motstander i feedbackkretsløpet. Kort signalvei og lite følsomt for innstråling er fordeler med dette. Hva foreslår du vil kunne gi bedre lydresultater?
Dette med feedback et gammelt og mye diskutert tema. I denne konstruksjonen støtter vi oss på teorien om at skal man ha feedback så må man bare passe på å ha nok. Det er kjent at ingen feedback er bedre enn litt feedback, men kommer man langt nok vil ulempene forsvinne.
Denne har vært linket til før, men tåler nok dagens lys en gang til
https://www.google.no/url?sa=t&sour...7lThhpaXG9Q2I_VKQ&sig2=XC99ft02ZHllu2jaatPn_g

 

[Asbjørn]

Kondensatorers og motstanders egenlyd etter at den har passert gjennom en krets med 100+ dB PSRR og nesten like mange dB NFB tror jeg man skal ha helt uvanlige lytteferdigheter for å kunne høre. Spesielt ved 2-3 MHz.

Uansett, en fordel med å ha testet grensene for konstruksjonen er at det blir så mye enklere å velge parametre som oppfyller spec'en fra åpningsinnlegget:

Det kan være morsomt å sette noen foreløpige designparametre som 100 W pr kanal i 8 ohm, minst 75 dB negativ feedback, minst 150 kHz båndbredde, balansert input, max 20 dB gain, støygulv og forvrengning minst 100 dB under normalt lyttenivå, tilnærmet flatt forvrengningsnivå fra 20 Hz til 20 kHz for å matche NC400'ene. Når vi først tenker å bruke IC'er til minst hundreogfemti kroner pr to-kanals forsterkerkort bør det vel være såpass.

Da får vi sikte på 75 dB NFB ved 20 kHz og 20 dB gain, da. Det kan f eks bli slik:

Svart er fortsatt loop gain, blått closed loop gain, grønt NFB for ytre + indre loop, og turkis er open loop gain for de to IC'ene i serie. Det ble visst 76,5 dB NFB - en fordel å holde seg til komponentverdier som faktisk eksisterer. Dessuten ville jeg holde gainet på integratoren litt oppover i frekvens for å være sikker på å ha nok loop gain til flat frekvensgang. Closed loop gain for komposittforsterkeren er her 13,9 dB - 4,95x. Båndbredden (-3 dB) for closed loop er ved 266 khz. Ved 20 kHz er closed loop ned 0,05 dB. Open loop båndbredde for denne tingen er ca 20 MHz - et godt stykke over 20 kHz, ja.

Her har jeg dratt ned båndbredden i feedback-kretsen slik at den når 0 dB ved 626 kHz. Der har den -49 grader fase, dvs 131 grader fasemargin. Legg merke til "grunnflaket" med negativt loop gain og enda mindre fasevridning over dette. Det er en indikasjon på sikkerhetsmarginen i kretsen. Om det skulle dukke opp en ekstra pol ved en MHz eller to gjør ikke det så veldig mye fra eller til. Fasevinkelen blir aldri større enn -80 grader på noe punkt under 7,5 MHz. Det tyder også på at det ikke gjør så veldig mye for stabiliteten om gainet i kretsen skulle bli litt høyere eller lavere enn dette.

So far, so good. Jeg økte også båndbredden på inngangsfilteret til 400 kHz og utgangsfilteret til 800 kHz for ikke å strupe ned båndbredden mer enn nødvendig der. Med såpass sikkerhetsmargin i komposittforsterkeren mot reaktiv last som dette skulle ikke det være noe stort problem. Da sier Spice følgende:

Med de ekstra 2x gain fra inngangsfilteret/bufferen traff vi 19,97 dB gain. Fortsatt ned 0,05 dB ved 20 kHz, -3 dB ved 158 kHz - check, check.
Og tidsdomenet, da?

En kjedelig sak med totalt fravær av dramatikk. Avrunden av siste del av firkantbølgen kan ikke være så mye annet enn et simuleringsartifakt. Dette er ikke et akausalt filter som kan se inn i fremtiden, men en analog krets som responderer på signalet som det kommer, og her ser det ut til at kretsen responderer noen mikrosekunder før signalet endrer seg. Den tror jeg ikke helt på, og har derfor ignorert den effekten hele veien i prosjektet.

Hvis denne tingen fungerer i nærheten av like bra på et kretskort som simuleringene tyder på lover jeg å vise kretsdiagrammet også.

 

[KJ]

^ er det linjene fra 980 µs til 1 ms ? Sjekk ev «time step» e.l. Linjene er rette, dvs det kan være ei rett linje mellom to samplepunkter.

mvh
KJ

 

[Asbjørn]

Ja, det er de linjene, og jeg tror det er eksakt hva som skjer. Hvis jeg setter max time step til 50 ns for å hindre simulatoren fra å forsøke å være smart, blir det slik i stedet:

25 ns max time step og zoomet inn:

10 ns og skikkelig innzoomet:

Det var ikke noe mer tegn på ustabilitet når vi gjør det slik. En snill og tam forsterker som tilfeldigvis har 76,5 dB NFB ved 20 kHz.
Derimot ser jeg at noen av de mest elleville versjonene med over 90 dB NFB virker nokså ustabile med denne tidsoppløsningen. Da kan vi nok være helt sikre på at 100 dB NFB ikke lar seg gjøre med disse IC'ene. Noen-og-åtti dB NFB ser fortsatt stabilt ut.

Jeg byttet forresten PC for et par uker siden, og denne greier så korte time steps uten problemer. Den gamle ville nok knelt på de beregningene der.

 

[Asbjørn]

Bruno beskriver eksakt det forsøket på s 14 - 15 i artikkelen Armand linket til. Dette kan simpelthen ganske enkelt forklares. Det er overhodet ikke noe mystisk der, og du sier selv indirekte at det forsøket bare kan gjøres med slike forsterkere som Bruno beskriver. Det kan ihvertfall ikke gjøres med denne.

Forøvrig tror jeg vi har rimelig god kontroll på frekvens, fase, gruppeforsinkelse og det hele her. Dette er gruppeforsinkelsen gjennom forsterkeren med samme komponentverdier som i innlegg #249:

5,6 nanosekunder endring i gruppeforsinkelse fra 1 kHz til 20 kHz. Vi har sett verre. I tidsdomenet utgjør denne forsterkeren bare en konstant tidsforsinkelse på 1,65 us. Det signalet som presenteres på inngangene leveres på utgangene med 10x gain og tilnærmet null utgangsimpedans 1,65 us senere, uansett hva inngangssignalet finner på. I frekvensdomenet er den et andreordens low-Q lavpassfilter med 10x gain og knekkfrekvens rundt 200 kHz. That's all, folks.

 

[Midas]

Kontrollspørsmål: Behersker du kontrollteori/reguleringsteknikk med systemanalyse av transferfunksjoner?

Denne tråden er noe av det mest akademiske tilnærmingen på faget som jeg har sett på veldig lenge. La oss nå holde tråden fri for synserier og holde oss til dokumenterbar teori satt ut i praksis, slik resten av den har vært. Vi har for lite av slikt!

 

[Asbjørn]

Jeg mener ikke han beviser noget som helst, han starter med at ignorerer de harmoniske sammensætning og vigtigheden af at anden harmonisk dominerer og de andre kommer falende, sandsynligvis fordi det passer meget dårligt ind i feedback teorien.
[...]
Derudover har jeg som sagt selv eksperimenterer en del med feedback både lidt feedback og meget , eksperimenterne er lavet med konstruktion med openloop gain på 62 db , og et openloop -3 db punkt på ca 170KHz .
[...]
Men lad jer ikke forstyrre af mine skriverier , synes bare der manglede lidt modspil , og lidt alternativer til hvordan målet kan nås. Og jeg har i øvrigt ikke mere at sige.

Vi er mildt beæret over at du velger å bryte din taushet og opprette et nytt nick bare for å veilede et par villfarne nordmenn. Kun et par observasjoner:

For det første kan du legge merke til forvrengingsspekteret fra den forsterkerkonstruksjonen vi holder på med:

Legg merke til de relative nivåene på andreordens, tredjeordens, osv. Legg også merke til fordelingen mellom likeordens og oddeordens, samt nivået på forvrengningen og støygulvet. Dette er ved 171 W i 8 ohm fra en chipamp. Capisce?

For det andre har denne tingen 18,5 MHz open loop båndbredde og 255 dB open loop gain. Det er relativt lite i de tidligere erfaringene du henviser til som ser ut til å være spesielt relevant for dette prosjektet, hvis vi skal bedømme dette ut fra de tallene du selv nevner.

For det tredje har vi allerede hørt dine synspunkter fra forskjellige nick og sammenlignet dem med egne erfaringer såpass mange ganger at du trygt kan gå ut fra at vi ikke kommer til å følge rådene. Spesielt ikke når disse rådene stort sett går ut på at alt som handler om lyd er mystisk og uforståelig og må håndteres som alkymi og svartekunst. Det er jeg definitivt ikke enig i. Dette prosjektet er snarere ment som en demonstrasjon av hvor totalt feil et slikt "konvensjonelt audiofilt" synspunkt er. Det skal ikke så mye actual engineering til for å komme opp med noe som får bedre ytelser enn alle kommersielt tilgjengelige produkter til en bagatellmessig kostnad sammenlignet med hva vi har blitt vant til at high end audio må koste. Det er hva som skjer i alle andre tekniske felt, så hvorfor ikke audio?

Generelt må vi snart slutte å innbille oss at det er noe mystisk med lydgjengivelse. Analog audio er et signal med 20 kHz båndbredde som skal forsterkes og overføres uten lineær eller ulineær forvrengning. Det er nokså trivielt sammenlignet med all annen kommunikasjon vi omgir oss med. Feedbackkretsene som brukes i audio er såre enkle sammenlignet med nærmest all annen kontrollteori og feilkorreksjon. Matematikken vi har brukt i dette prosjektet ble stort sett utviklet av Henrik Bode & co hos Bell Labs på 1930- og -40-tallet. Det har ikke vært nødvendig å bruke mer moderne kontrollteori enn det.

Avansert kontrollteori og feilkorreksjon i dag er sånt som dette:
[video]http://www.space.com/36292-touchdown-spacexs-1st-reused-rocket-lands-on-drone-ship-video.html#ooid=NmODhsYTE6RclgKQREoBuRYbbwcMr7MZ[/video]

Det er litt bortenfor hva to amatører kan utvikle på kveldstid. Til sammenligning: Jeg skriver dette på en PC med en 3,60 MHz hexacore-prosessor, 2133 MHz RAM og databusser med overføringshastigheter på opptil 32 Gb/s. Regnekraften i maskinen er ca 200x den Cray X-MP supercomputeren vi hadde da jeg studerte, og prisen er ca 0,04 % av hva Cray'en kostet - en forbedring i ytelse/pris på 114 dB. Hvorfor ser vi ikke samme utvikling i audio?

Denne typen "konvensjonell audiofil visdom" har dessverre gjort lydinteresserte til latter i brede kretser i lang tid. Dessuten har det gjort at bransjen kan nøye seg med å pakke inn de samme gamle kretsløsningene i nye bokser og fortelle eventyr i stedet for å utvikle noe. Nå er det kanskje på tide å komme videre fra det.

Kom tilbake hvis du kan vise oss noe i transferfunksjonen eller stabilitetskriteriene som vi ikke har forstått ennå. For eksempel finner jeg ikke noe i litteraturen om betydningen av fase i forsyningsimpedansen. Det ser også ut til å være et sekundært stabilitetskriterie for komposittforsterkere som jeg ennå ikke helt har forstått, noe med fasedreining i kombinasjonen av indre og ytre loop. Jeg vil være takknemlig for konkrete tips og litteraturhenvisninger.

 

[W.Sand]

FFI.. var det ikke en gruppe der på Lillestrøm som jobbet med en forsterker med høy feedback på 80 tallet om jeg husker korrekt?
Super tråd! Deilig at det spres annet budskap enn kontakter, sandposer og spray, kabel-kåper og annet juggel.
Kanskje noe fra erfaringene i tråden kan overføres for oppgradering av et ebay-kit (LM4780 / 3886)?
Vi vil uansett sitte igjen med at høyttaler er det svakeste ledd.

 

[oks81]

Denne tråden er NTNU verdig!
Selv om jeg skjønner ikke halvparten av bæret en gang!

Selv har jeg klasse A med flere prosent vreng på horna og en A/B på bassene.
Om jeg hadde fått testet en slik konstruksjon som arbeides med her en vakker dag hadde vert artig siden jeg har forsterkere som skiller seg totalt vekk fra den!

Stå på gutter!!
Gløtter stadig innom selv om jeg skjønner omtrent ingenting

 

[Asbjørn]

FFI.. var det ikke en gruppe der på Lillestrøm som jobbet med en forsterker med høy feedback på 80 tallet om jeg husker korrekt?
Super tråd! Deilig at det spres annet budskap enn kontakter, sandposer og spray, kabel-kåper og annet juggel.
Kanskje noe fra erfaringene i tråden kan overføres for oppgradering av et ebay-kit (LM4780 / 3886)?
Vi vil uansett sitte igjen med at høyttaler er det svakeste ledd.

Takk! Jeg kan ikke huske noen forsterkerprosjekter fra min tid der på sent 1980- og tidlig 1990-tall. Det store skryteobjektet var søkeren i Pingvin-missilet. Det var verdens første autonome (fire & forget) sjømålsmissil, basert på en passiv infrarød detektor og analog reguleringsteknikk nok til å låse seg på et skip og fly en bestemt baneprofil dit. Først lansert i 1972 etter et FFI-prosjekt som startet i 1961. Den digitaliserte versjonen som kunne gjøre diverse manøvre underveis kom i 1982. Det var også mye rart på IFE (med atomreaktoren) og Televerkets Forskningsinstitutt TF. Et nokså brokete teknologimiljø.

Fun fact: Norsar på Kjeller var første node utenfor USA på Internett (da Arpanett). Kjeller var på nett sommeren 1973, før f eks Pentagon og NSA. Noden i London var til å begynne med en kablet forbindelse fra Kjeller. De fikk egen linje fra USA ca 1980. Når den første danske noden kom på nett vet jeg sannelig ikke. De er tydeligvis tilkoblet nå.

ARPANET Completion Report

Enig i at høyttaler (og rom) alltid vil være det svakeste ledd.

 

[Bjørn.H]

Tråden er ryddet for spam.

bjornh, moderator

 

[RJEL]

Det som for minutter siden var en stolt "state of the art" regulator ble på sekunder transformert til først en glødende vulkan og så til en trist klump.

Vis vedlegget 429553

Jeg hadde disablet utgangen fra de to stolte regulatorene ved i kutte banen på utgangen når jeg monterte de nye regulatorene. Planen var at jeg enkelt kunne gå tilbake til disse hvis de nye er for dårlige. Når jeg gradvis guffet opp spenningen for å teste de nye som tåler 55V så glemte jeg at de to gamle fremdeles har spenning *inn*. Skjelvende ble de vitner til at spenningen steg og steg til langt forbi de maksimale 30V de er laget for. Den positive regulatoren takket for seg på rundt 35V med et sprak og spyttet sinna ut glødende biter av seg selv på sin uvørne bruker. Som en slags hevn lagde den et fint krater på kretskortet -muligens i et forsøk på å spare sine fremdeles friske og umonterte brødre fra å bli og misbrukt på samme måte. Eller var det kanskje et uttrykk for skuffelse for at den ble disablet til fordel for "trellen" av regulatorer, LM317?
Ja ja -jeg tar det ikke så tungt. Det ser ut til at LM317 gjør en fin jobb.

LM317LZ ble montert med litt "kreativ" plassering av SMD komponenter som er langt i fra noen IPC standard.
1uF på inngang, 10uF på adjustpinnen og 15uF Polymerkondis på utgangen (vises ikke på bildet). Motstanden på 240 ohm (den det står 241 på) ble anbefalt monteres så nærme beina som mulig. Tror vi er innafor der
Vis vedlegget 429564

Jeg skal teste mer i kveld og legger ut resultater.

Ingenting er så skøy som en liten modifisering med SMD. Da bygger man ofte i høyden....
Forøvrig en meget innteressant tråd

 

[Asbjørn]

Det er vanskelig å slutte med å fikle med parametrene her. Denne kretsen er rimelig robust, ser det ut til. En bekymring har vært hva som skjer hvis vi tilfeldigvis har en LM4780 som er på nedre grense av spec. Gjeldende variant har 78 dB NFB ved 20 kHz og 133 grader fasemargin ved 1,4 MHz.

Hvis vi utfordrer skjæbnen ved å slenge inn en LM4780 som er på nedre toleranse med 90 dB open loop gain (i stedet for 115 dB) og 2 MHz GBWP (i stedet for 8 MHz), så har vi "bare" 90 grader fasemargin, men nå ved 900 kHz. Om vi dessuten antar en pol ved 5 MHz i stedet for Spice-modellens 10 MHz har vi fortsatt 86 grader fasemargin.

Men vi kan ofre litt NFB for å gjøre kretsen enda mer robust. Hvis vi setter gain i komposittforsterkeren til 10x i stedet for 5x (og inngangsbufferen til 1x i stedet for 2x for å beholde samme totale gain på 20 dB) og justerer et par andre småting kan vi få en versjon med 71,7 dB NFB ved 20 kHz og 138 grader fasemargin ved 380 kHz. Da er vi ned 0,12 dB i closed loop frekvensgang ved 20 kHz:

Det er faktisk mulig å velge parameterverdier som gir mindre enn 50 grader fasedreining for loop gain helt fra DC til 5 MHz, men her lar vi det være litt mer fasedreining for å beholde mest mulig loop gain. Databladet tilsier at dårligere LM4780 enn 2 MHz GBWP får vi ikke, og da er det ikke nødvendig å ta høyde for noe som er enda dårligere enn det. Hvis vi nå slenger inn en LM4780 på nedre toleranse blir det slik i stedet:

122 grader fasemargin, fortsatt ned 0,12 dB ved 20 kHz, men "bare" 59,5 dB NFB ved 20 kHz. Jaja, det er fortsatt 5-6 dB mer enn hva en NCore 400 har, akkurat nok til å balansere ut reduksjonen på 6 dB SNR ved en mindre gunstig gainstruktur gjennom forsterkeren. Ikke helt optimalt, men burde være tilstrekkelig det også, sånn i nødsfall. Og om polen i tillegg til alt dette skulle bestemme seg for å havne på 1 MHz i stedet for 10 MHz vil vi fortsatt ha ca 75 grader fasemargin å gå på. Temmelig robust, ja.

Nå får jeg ikke til å simulere en off-spec LM4780 i Spice, men de samme komponentverdiene og en normal LM4780 ser ikke så helt dumt ut det heller. Her har jeg satt inngangsfilteret tilbake til 200 kHz, så det er stort sett den endringen vi ser:

Apropos hvor mystisk og komplisert det er med sånne audio-kretser, så har jeg forsøkt å komme på noe som har omtrent samme teknologiinnhold som denne forsterkeren med 78 dB NFB og det hele. En ting som ligner ganske mye i både størrelse og kompleksitet er kretskortet inni en Osram 470 lm "40-watts" LED lyspære til ca 140 kr på REMA 1000, formodentlig produsert i noe høyere volum:

Det ligger formodentlig fler ingeniørtimer bak den der. Hvis vi bare lodder fast ledningene inn og ut av Bifrôst i stedet for å bruke skrueklemmer vil den faktisk ligne ganske mye, bare med litt fler store kondensatorer og penere loddinger fra Armands side. OK, så Bifrôst er litt større. Dessuten har vi nok høyere komponentkvalitet og mindre toleranser. Men nå er jeg sikkert ikke spesielt egnet som hifi-selger heller.

 

[Armand]

Impedansmålinger av kondensatorer

Som jeg var inne på tidligere så hadde jeg bommet litt på avkoblingen av power supply. Før jeg tester ut Asbjørns nye idéer rundt komponentverdier går jeg grundigere til verks og har kjøpt inn noen av de tøffeste kondisene som er å få tak i. Jeg bruker en bode-plotter (Red Pitaya) som er satt opp til å måle impedans og har nå gjort målinger på kondisene vi tenker å bruke.

Bak til høyre ser vi Red Pitaya. Det er en kul liten sak som bruker web som brukerinterface. Båndbredden er 60MHz og AD konverteren er 14 bit.
Til venstre er et bufferkort jeg laget til dette formålet. Der sitter det en BUF634 som gasser opp strømmen på signalet til 100mA så vi får simulert litt kraftig rippel. Med denne måleriggen kan jeg måle impedans ned til ca. 3mOhm.

Kalibrering

Måleriggen ble kalibrert ved å måle en kjent motstand. Først prøvde jeg en 0,1 metallfilmmotstand i bakgrunnen, men det viste seg at denne begynte å bli induktiv allerede ved 40kHz. Ved å bytte ut til en 0805 SMD motstand på 0,1 ohm var ikke dette et problem lengre. For å få nøyaktige målinger er det egne kabler for signal og måling. Komponenter som skal måles må også loddes fast. Krokodilleklemmer vil innføre flere milliohm feil.

Den gule kurven er impedansen til SMD motstanden på 0,1 ohm. Vi ser at den som forventet er flat helt til 2MHz der den begynner å falle litt. Grønn gurve er fasen.
Da er vi klare til å se på impedansen til kondisene. La meg presentere noe av det ypperste som er å få tak i i dag

1800uF Panasonic high frequency capacitor. EEU-FR1V182L
470uF Panasonic high frequency capacitor. EEU-FR1V471L
82uF Panasonic OSCON. 35SEPF82M+TSS
22uF Panasonic OSCON. 35SEPF22M+TSS
10u Murata MLCC. GRM32ER71J106MA12L
4,7u TDK MLCC. C2012X7R1V475M125AC

Målet er å få lavest mulig impedans over hele frekvensspekteret opp til et par megahertz ved å spre disse utover kretskortet. Her kommer også induktansen på banene på kortet inn i bildet og det er vanskelig å beregne hvordan resultatet blir. For å få det endelige resultatet må man måle på kretskortet når alt er montert.

Her er resulatene av målingene av hver enkelt kondesator.
Den totale impedansen er ikke målt direkte, men beregnet ved å summere alle kondensatorene i parallell i excel.

Total impedans på mellom 5 og 8 milliohm er svært bra. Man kan senke impedansen ned mot 5 milliohm under 100kHz også ved å montere dobbelt opp med 1800uF kondiser.

 

[Asbjørn]

For noen innlegg siden lovde jeg å si fra hvis jeg fant en måte å komme over 100 dB NFB på. På tide å holde løftet, da. Dessuten er det nokså flatt NFB på 102 +/- 1,5 dB mellom ca 6 kHz og 20 kHz, og bare 15 dB forskjell mellom 1 kHz og 17 kHz. Blå kurve loop gain, svart closed loop gain for en halvdel av forsterkeren uten inngangs- og utgangsfiltre:

For den som vil er det lov å sammenligne med tilsvarende kurve i en Hypex nCore 400:

Kan hende at Bifrôst er på størrelse med kretskortet inni en lyspære, men nå begynner den å bli ganske avanserte saker. Dette er ikke helt trivielt, og jeg tror jeg forstår hvorfor Hypex aldri har vist frem kretsløsningen for det der. Ikke engang i patentsøknaden.

 

[Asbjørn]

Jeg har fiklet litt mer med feedbackkretsløpet. Det er ikke sikkert vi skal bygge denne varianten, men det er litt nerdete moro å se hvor langt man kan presse det og det fortsatt ser ut til å være en stabil forsterker. Nå har jeg en versjon med 170 dB NFB ved 4 kHz, 140 dB ved 12 kHz og 120 dB ved 20 kHz, hvor NFB-kurven følger formen på høreterskelen fra 2-3 kHz og opp. Den fungerer i simuleringen, for å si det slik.

Bildet over viste loop gain for å kunne sammenligne med NCore, men den riktigste måten å vise dette på er som error gain. Det er forsterkningen som støy og forvrengning fra utgangstrinnet får. Det er et negativt tall i dB, ettersom den forvrengningen skal undertrykkes hardest mulig. I bildet nedenfor har jeg også vist ørets følsomhetskurve. Det er ISO226 hørselsterskel, her referert til full utstyring fra forsterkeren ved 120 dB SPL. Med en 100-watts forsterker betyr det helt enkelt at vi forutsetter høyttalere med 100 dB følsomhet. Hvis closed loop gain fra forsterkeren på fullt blås tilsvarer 120 dB SPL i rommet, er den grønne kurven hørselsterskelen. Ved 1 kHz er den 0 dB SPL, her altså 120 dB under fullt blås.

Som vi ser er det kanskje ikke nødvendig å forme NFB-kurven så nøye etter ørets respons. Den ligger allerede en 50-60 dB under hva som noensinne kan bli hørbart med så effektive høyttalere som 100 dB @ 1 W. Og da har vi gått ut fra at chipampens egen SNR er 0 dB, og så dårlig er den jo ikke. Hvis vi i stedet går ut fra at den ureformerte chipampen uten NFB har 1 % THD+N vil kurven havne enda 40 dB lavere, ved -210 dB ved 3-4 kHz, eller -90 dB SPL når man spiller med 120 dB i toppene. Det skal godt gjøres å høre det, tror jeg.

 

[Asbjørn]

Dagens lille fremskritt: Klipping. Hittil har Bifrôst klippet ganske hardt med en del spraking, som diskutert tidlig i tråden, men nå var det på tide å få kontroll på det. Dette er versjonen med ~80 dB NFB ved 20 kHz, simulert 129 W i 8 ohm.:

Versjonen med 120 dB viser fortsatt en liten retursladd på vei ut av klipping, men den kan nok også temmes om det skulle være noe behov for det:

Den spiken henger forøvrig sammen med den lille toppen i closed loop frekvensgang rundt 500 kHz på bildet i forrige innlegg. Kan formodentlig dempes ned en god del.

 

[jane]

Dagens lille fremskritt: Klipping. Hittil har Bifrôst klippet ganske hardt med en del spraking.

Ved så mye feedback vil det vel alltid klippe hardt? Du får veldig mye gain til overs når feedback-loopen blokkeres og jeg ser egentlig ingen god løsning hvis du velger å overstyre. Det enkleste er kanskje å begrense forward-signalet, altså limitere på inngangen?

 

[Asbjørn]

Ja, det er mest et spørsmål om å velge hvor det skal klippe. Hvis utgangstrinnet klipper først vil hele feedback-loopen kaste seg over det og hale og dra for å forsøke å få det til å gjøre noe det ikke er i stand til å gjøre. Når utgangstrinnet etter hvert kommer ut av klipping vil alt være i ytterstilling og alle integratorer vil ha samlet opp mye akkumulert feil, så alt spretter veggimellom en stund før ting forhåpentligvis roer seg ned. I verste fall fortsetter det å oscillere.

Det jeg gjorde her var å la drivertrinnet klippe først. Da tar det seg selv ut av loopen og utgangstrinnet følger bare etter. Det er i sin tur et spørsmål om railspenninger vs gain i de forskjellige trinnene. Nokså enkelt, egentlig, når man først kommer på å teste det. Som den første grafen ovenfor viser fungerer det som en drøm i simulatoren. Toppene kuttes tvert over, selvsagt, men det skjer ikke noe mer enn det.

Forskjellen på de to grafene over er at den med mest NFB har et ekstra drivertrinn i serie med det første. Her klipper det andre drivertrinnet først. Det er gain i hvert trinn, så det andre drivertrinnet ser sterkere signal enn det første, men samme railspenning. Etter at det klipper går første drivertrinn også til max og klipper. Sprakingen på vei ut av klipping i grafen er når det første drivertrinnet løsner igjen og resten av kjeden responderer på den firkantpulsen. En måte å løse det på er dobbelt opp med spenningsregulatorer også, slik at første drivertrinn får lavest railspenning og igjen klipper først.

Sånn, for eksempel, her satt opp slik at inngangsbufferen klipper først og hele forsterkeren tror at den bare skal gjengi en klippet tone fra en gitar med vrengpedal. Nesten juks, men det funker...

 

[Asbjørn]

Bare en kort oppdatering: Første prototyp fungerte jo aldeles utmerket, men jeg er nokså sikker på at det er mulig å redusere THD+N med ytterligere 10-15 dB. Så vi forsøker litt forskjellige ideer for å se hvor langt den lar seg presse. En av ideene var å forsøke å gjøre den helt differensiell uten jordreferanse i driver- og utgangstrinn. Tanken var at det ville få vekk siste rest av jordstøy fra feedback-kretsene, men det fungerte rett og slett ikke til tross for heroiske forsøk fra Armands side. Jeg mistenker at det er det kvasikomplementære utgangstrinnet i LM4780/LM3886 som forhindrer dette. Der er den ene halvdelen et Sziklai-par og den andre et Darlington-par, og det kan godt hende at de er såpass forskjellige at de påfører hverandre en oscillasjon hvis de skyver og drar rett mot hverandre. Så vi noterer at utgangstrinnet må ha en lavimpedant jordreferanse for å være stabilt, og forsøker noe annet.

Neste forsøk blir å gjøre drivertrinnet inverterende. Med et ikke-inverterende drivertrinn vil det være et ganske bredt frekvensbånd med unity gain fra drivertrinnet, som i sin tur stiller en del krav til resten av loopen. I Bode-plottet under er den blå kurven loop gain for en variant med ikke-inverterende drivertrinn. Det gir veldig bra fasemargin, men nær unity gain til langt opp i frekvens og nokså medioker gainmargin. Den svarte kurven er i stedet en variant med inverterende drivertrinn. Da fungerer drivertrinnet som et "ekte" lavpassfilter og gainet fortsetter å falle også etter at det har truffet 0 dB. Det gjør det enklere å dimensjonere gain i resten av loopen, men fasemarginen blir "bare" 90 grader. Vi får vel se etterhvert om det gjør ting mer robust. I så fall gjør vi et nytt forsøk på å skru opp NFB så langt det går for å teste grensene med den topologien. Og om det ikke blir mer stabilt, vel, så får vi finne på noe annet, da.

 

[ePi]

Veldig moro å følge med her, selv om mye er et stykke over mitt nivå

 

[coolio]

Hvordan går dette prosjektet?

 

[Asbjørn]

Langsomt.

Armand hadde en blow-up av et kretskort i analyseinstrumentet og deretter et par andre prosjekter som tok tid. Jeg holder fortsatt på med å maskinere chassis til nCore pausefiskene mellom diverse andre prosjekter på jobb og hjemme. Jeg pådro meg bl a et ekstra hus for noen uker siden, et passe gammelt et med sopp i kjelleren, lekkasje i taket og overgrodd hage. Det hadde sikkert vært hunky dory hvis jeg skulle bruke huset til å dyrke champignon, men det skulle jeg ikke, så det ble litt oppstyr.

Men stay tuned, prosjektet rasler plutselig i gang igjen.

 

[Armand]

Forsøk på å reparere måleinstrumentet uten store kostnader ble bare bortkastet tid og vi måtte bite i det sure eplet og bestille nye og svinedyre deler. Men nå er det i full drift igjen Imidlertid så er det en del prosjekter som i mellomtiden har tårnet seg opp.
I løpet av noen uker håper jeg at jeg får sett mer på Bifrost ogjen.

 

[bambadoo]

https://www.avermetrics.com/products/averlab/

Bl.a. noen fra audio precision som har gått ut og startet sitt eget.

 

[Asbjørn]

Det er forsåvidt en pausefisk, for å låne et uttrykk fra Valentino, men nå begynner ihvertfall chassisene til NCore-ampene å bli ferdige. Maskinert fra 10 og 3 mm aluminium kjøpt hos byggevarehandler. Her prøvemontert, mangler bare overflatebehandling og innmat.

Speakon utganger + ekstra laboratoriekontakter for å hente ut høynivåsignal til sub. Hvert chassis skal inneholde 2x NC400 og 2x SMPS600, så det var et poeng med litt kjøling selv med effektive kretsløsninger. Såpass tykke plater som 3 mm gjør at det blir en del areal i luftehullene. Tanken er at luftstrømmen gjennom platene (oppover og forover) vil sikre at dette er mer enn nok kjøling til formålet. Bifrôst-kortene bør nok heller festes til tradisjonelle kjøleflenser, for jeg tror ikke jeg har lyst til å bore så mange huller en gang til.

 

[Armand]

Nice. Skal de elokseres? Ellers så skal man ikke underslå meditasjonseffekten av å stå og borre hull.

Bifrost har hatt en ufortjent lang pause. Måleriggen min er forlengst oppe å gå, men andre prosjekter har fått prioritet. Jeg tenker at jeg begynner å pusle med det om et par-tre uker.

 

[E.H.]

Har du lagd alle luftehullene selv? Det står det isåfall respekt av, imponerende stayeregenskaper.
Jeg husker en prosjektleder en gang kom ut til oss 'gutta på gulvet' for å vise hvor lett det var å forstørre hullene i en perforert plate.
Det tok ikke lange tiden før han tuslet tilbake til kontoret og bestilte plater med større hull, det var vel ikke kostnadseffektivt å bore likevel.

Men jeg mistenker at de hullene virkelig trengs, jeg ble overrasket av varmen fra UcD180.

 

[Asbjørn]

Ja, luftehullene er håndboret på søylebor/fres. Det er 40 % åpning, 5 mm hull på 7,5 mm senteravstand. Det skal være i henhold til gjeldende krav og direktiver, så jeg tror jeg kunne CE-merket boksene som egenerklæring om samsvar. Det var en stående vits hele høsten om at jeg skulle ned i kjelleren og bore et hull. Kunne vel brukt det som unnskyldning til å sette CNC på maskinen, men den er av beste kinesiske kvalitet med mye slakk, så det ville blitt nokså skakt etter noen rader.

Kjølingen er basert på at NC400 skrus fast til bunnplaten, så hullene i den fungerer som en kjøleflens for forsterkerkortene. Det er en såvidt synlig loddrett profil inni boksene som fungerer som «dam» i tilfelle en kondensator skulle lekke eller noe ta fyr og smelte. Direktivet, vettu. I tillegg er den profilen litt ekstra kjøleflens og avstivning, men bare litt over halv høyde i boksen. Varmen fra SMPS’ene vil trekke rett opp, så de vil suge luft forover og ut, og dermed bidra til luftgjennomstrømning for forsterkerkortene.

 

[Asbjørn]

Nice. Skal de elokseres? Ellers så skal man ikke underslå meditasjonseffekten av å stå og borre hull.

Bifrost har hatt en ufortjent lang pause. Måleriggen min er forlengst oppe å gå, men andre prosjekter har fått prioritet. Jeg tenker at jeg begynner å pusle med det om et par-tre uker.

Bra, da venter jeg litt med å bygge bokser til multikanals-UcD’ene så lenge.

Jeg kikket litt på de gamle målingene av Bifrôst og la merke til at THD var nokså konstant med effekt. Det betyr formodentlig at den gjenværende forvrengningen ikke kommer fra utgangstrinnet, men enten fra drivertrinnet, inngangsbufferen, eller måleriggen. Det går an å eksperimentere litt med å øke lokal feedback rundt drivertrinnet (og dermed redusere gainet derfra litt) for å se om det kniper enda en desimal eller to.

Tenkte å lakkere mesteparten og la frontene være børstet. Eloksering er fullt mulig, men jeg tror ikke det er nødvendig selv om «nakent» aluminium er nokså myke og sårbare greier.

Meditasjonseffekten var kanskje der mens jeg boret, men det er nok mer å anbefale som terapijobb for livstidsdømte. Lett å få konsentrasjonssvikt og gjøre en feil.

 

[dagfaune]

Ser frem til foto ferdig montert (uten topplaten)

 

[Asbjørn]

Det kommer nok. Først prepping og lakkering, så sluttmontering.

 

[Asbjørn]

Omtrent så kompakte som to dual mono NCore 400 stereochassis kan bli. Halv 19" rack i bredde, 1,5 U i høyde. Det lille som var av "engineering" i disse handler om varmetransport. Siden forsterkerkortene er skrudd fast i bunnplaten er det ventilasjonshullene i bunnplaten som er den egentlige kjøleflensen, og varmen fra SMPS'ene sikrer at luftstrømmen går fremover gjennom boksen. Platetykkelser på 3 og 10 mm sikrer god varmetransport, og jeg la litt varmeledende pasta i alle skjøtene for sikkerhets skyld. Resten var stort sett bare å lære seg håndverket godt nok til at det ble presentabelt. (De på bildet er tredje forsøk på å lage disse boksene - det er en annen historie å jobbe i aluminium enn i stål.)

Brennlakkert med Quick Hot Paint, forresten. Bakt i stekeovnen på 180 grader mens fruen var ute av huset en tur. De børstede aluminiumsfrontene er rett og slett børstet med en stålbørste kjøpt for formålet hos Clas.

 

[knarfar]

Utrolig sober løsning. Meget godt jobbet! Lyden?

 

[Asbjørn]

Takk! Vet ikke hvordan de låter ennå. Må lodde et par kabler også pga Speakon-terminalene.

 

[Asbjørn]

OK, da var det loddet to stk 75 cm Klotz 4x2,5 mm2 høyttalerkabler med Speakon i hver ende, og et par ledninger inni høyttalerne er flyttet på. Da ble det lyd også:

Nå koblet jeg de to NCore-kanalene til elementene på forsiden, mens en UcD700 fortsatt driver bassen på baksiden. Det låter helt utmerket, men jeg kan ikke si at det låter så veldig forskjellig fra UcD'ene heller. Det er som forventet. Disse høyttalerne er ikke bygget for å "avsløre" forskjeller mellom forsterkere etc, men for å være så lettdrevne at ikke engang en chipamp vil begynne å svette. Om det er noen forskjell, er det kanskje litt mer oppløst, dynamisk og detaljert. Ingen merkbar endring i klangfarge.

Men kanskje de fikk de gamle UcD stålchassisene til å se litt... hjemmelagde ut i sammenligning med de nye?