Strømtilbakekoplet effektforsterker

Prinsipp

Denne audio effektforsterkeren er i prinsippet av typen 'Current Feedback' (i motsetning til de fleste som er av typen 'Voltage Feedback'), se figuren. Inngangssignalet fødes til en inngangsbuffer med spenningsforsterkning lik 1 gang og med utgangsimpedans R0.

Kretsskjematisk beskrivelse

Hele forsterkeren, se kretsskjemaet, er fullt symmetrisk oppbygget som en spenningsforsterker etterfulgt av en strømforsterker. Lukket sløyfe forsterkningen vil være tilnærmet gitt som R14/R15.

Inngangsbufferen består av to JFET i en symmetrisk kopling i stedet for de sedvanlige (minimum 4 stk.) bipolare transistorer. Dersom en genererer forskjellen mellom drenstrømmene for disse komplementære felteffekttransistorene, vil i teorien en forvrengningsfri forsterker kunne realiseres. I praksis vil imidlertid de to transistorene  være ulike, noe som gir seg utslag i at differansestrømmen vil inneholde like overharmoniske. Idet det benyttes bipolare transistorer i en symmetrisk kopling til å fremkalle differansestrømmen, vil det fra disse i tillegg opptre ulike overharmoniske. Sluttresultatet er følgelig en forsterker som minner om en rørforsterker: Forvrengningen består av 2. harmoniske større enn 3. harmoniske osv., m.a.o. symmetrisk fallende komponenter.

Offsetjusteringen foretas av P13. Inngangsimpedansen settes av R1 + R2. Motstanden R1 vil sammen med forforsterkerens utgangsmotstand og forsterkerens inngangskapasitet bestemme forsterkerens øvre grensefrekvens. Ved en forforsterkers utgangsmotstand på 600 ohm er denne ca 2 MHz, som gir en ekvivalent inngangskapasitet på ca 45 pF.

Felteffekttransistorene J11 (N-kanal) og J12 (P-kanal) tåler hhv. maks. 40 og 20 V for å virke tilfredsstillende, samtidig som de interne kapasiteter er forholdsvis høye. Dette kan løses ved å benytte kaskadekoplingen som vist. Felles base transistorene Q9/Q10 er bipolare typer. Det benyttes 'basedegenerering' vha motstandene R3-6 istedenfor å bruke en konstant spenning på transistorenes baser. Forvrengningen fra disse er meget lav sammenlignet med den forholdsvis høye like harmoniske forvrengningen fra felteffekttransistorene.

Istedenfor å sende strømmen fra Q9/Q10 gjennom et ordinært strømspeil, benyttes her et strømspeil med forsterkning. Spenningen på inngangen omformes til en proporsjonal strøm i FET'ene. Denne strømmen sammenlignes med den tilbakekoplede strømmen (via R14). Den resulterende feilstrømmen omformes til en spenning over R7 (og R8). Denne feilspenningen vil foreligge over R19 (og R20) med hele sin verdi, idet Q16 (og Q17) drives med konstant strøm (og dermed base-emitter spenning). Feilstrømmen forsterkes opp som forholdet R7/R19 (og R8/R20) og omdannes til en proporsjonal spenning i summasjonspunktet før strømforsterkeren.

Åpen sløyfe forsterkningen er gitt som FET'enes transkonduktans redusert med lokal motkopling, multiplisert med forholdet R7/R19 og til slutt multiplisert med den doble lasten på basen av Q31/Q32. Uten motstandene R23 og R24 er lasten i dette punkt både last- og parameteravhengig. Disse motstandene vil dermed fastlegge åpen sløyfe forsterkningen til ca 46 dB. Med en lukket sløyfe forsterkning på ca 26 dB, er således tilbakekoplingsfaktoren forholdsvis lav: ca 20 dB.

Det benyttes derivatkompensering istedenfor den normale integralkompensering. Dette gir en stabil forsterker med høy hastighet og stor båndbredde, der kompensasjonskondensatorene ikke har noen negativ innflytelse på lyden fra forsterkeren. Den lave verdien på kompensasjonskondensatorene C25 og C26 er ensbetydende med en meget høy Slew Rate verdi. I dette tilfellet inntrer ikke Slew Rate begrensningen før over 200 V/µs (med inngangstrinnet drevet i metning).

Forsterkeren er gitt samme åpen sløyfe forsterkning og båndbredde for alle audiofrekvenser idet åpen sløyfe båndbredden er meget høy, ca 100 kHz. Dette er ensbetydende med tilnærmet samme forvrengning og utgangsimpedans over hele det hørbare området. Utgangsimpedansen er nærmest resistiv over hele audioområdet, bare svakt induktivt ved de høyeste frekvensene (noen få grader ved 20 kHz).

Fasemarginen er ca 75 grader ved den gitte lukket sløyfe forsterkningen. Ønskes større fasemargin kan verdien på C25 og C26 dobles uten nevneverdig innflytelse på lyden. Lineariteten er god, takket være bruk av en 'invertert' Compound-kopling (Q16/Q21 og Q17/Q22). Forvrengningen er mindre enn det vil være mulig å få til med et ordinært strømspeil (uten ekstra buffer).

Den benyttede strømforsterkeren er en vanlig Darlington emitterfølger, valgt ut fra stabilitetshensyn, linearitetskrav og gode termiske stabilitet. Biasgeneratoren består av komponentene 27-30. Tomgangsstrømmen stilles inn ved hjelp av P29.

Den uregulerte forsyningsspenningen til spenningsforsterkeren lavpassfiltreres vha. R38 og R39 samt C40 og C41. Sammen med avkoplingskondensatorene C42 og C43 og motkoplingen sikrer lavpassfiltreringen at rippel og støy på forsyningsspenningen ikke når frem til utgangen.

Den anvendte strømforsyningen til strømforsterkeren kan være felles for de to kanaler, se skjema (transformatoren er ikke vist). Siden dette er en klasse A forsterker med global motkopling, er en felles forsyning tilstrekkelig når filterkondensatorene er store nok. Det kan imidlertid benyttes separat forsyning for strøm- og spenningsforsterker, om ønskelig. Da fjernes R38 og R39, og spenningen påtrykkes over C40 og C41. Forsyningen til spenningsforsterkeren kan da være ca. 5 V høyere enn forsyningsspenningen til strømforsterkeren. Det oppnås da høyere utgangseffekt uten nevneverdig høyere effektdissipasjon (for samme verdi på strømforsterkerens forsyningsspenning).

Med de i stykklisten oppgitte verdier yter forsterkeren 25 W RMS i 8 ohm. Dette krever en tomgangsstrøm på 1.25 A. Med de benyttede kjølefinner (0.35 K/W) kan tomgangsstrømmen økes utover denne verdien. Ved å sette denne til 1.6 A, svarer dette til klasse A drift for full utgangsspenning ned til 6 ohms last. Ved høyere forsyningsspenning for spenningsforsterkeren kan utgangseffekten økes til 30 W RMS i 8 ohm. Dette krever en tomgangsstrøm på minimum 1.4 A. Økes denne, husk på kjølebehovet.

Hvis du har muligheten til å lage egne mønsterkort, har jeg forberedt en zip-fil hvor du kan finne de nødvendige filene. Filbetegnelsene er som følger:

bot - Gerber plot file (copper tracks bottom)
ctr - Gerber plot file (board contour)
lis - Text file (Aperture list)
smb - Gerber plot file (soldermask bottom)
sst - Gerber plot file (silkscreen top)
tap - Exellon drill file

Byggebeskrivelse

Med unntak av effektmotstandene kan det benyttes 1/2 W metallfilmmotstander med 1 % toleranse. Effektmotstandene bør være ikke-induktive, om ikke annet kan de realiseres ved å parallellkople høyeffekt metallfilmmotstander (f.eks. tre stk 1 ohm for å lage en 0.33 ohm). Det bør benyttes JFET' ene 2SK170BL/2SJ74BL for J11/J12. Paret 2SK147GR/2SJ72GR kan benyttes i stedet. Disse har høyere interne kapasiteter og transkonduktans og er noe mer lineære. Til gjengjeld er prisen atskillig høyere. Verdien på R7 og R8 er valgt ut fra en strøm i felteffekttransistorene på ca 7 mA. Dersom strømmen er høyere, bør motstandsverdien justeres tilsvarende. Dersom en ikke får tak i paret 2SC1775/2SA872 for Q9/Q10, kan f.eks. 2SC1815/2SA1015 eller 2SC2240/2SA970 benyttes. Transistorene Q16/Q17 kan også erstattes av 2SA970/2SC2240. 2SC3421/2SA1358 er brukt for (Q30)Q31/Q32. Disse kan erstattes av 2SC4793/2SA1837. Ved alle erstatninger, vær sikker på at ‘pinningen’ er korrekt når disse monteres på kretskortet.

Transistorene Q21 og Q22 har en strøm på nominelt 27 mA og bør monteres med en liten kjølefinne. Transistorene Q16 og Q17 kjører på ca 4 mA og trenger i utgangspunktet ingen kjøling. Utgangstransistorene som benyttes for Q34/Q35, er det velkjente paret 2SC2922/2SA1216 fra Sanken. Forfatteren har ikke vært på utkikk etter noen erstatning for disse. De er forholdsvis lineære, hurtige og samtidig meget robuste; en sjelden kombinasjon. Disse har vært på markedet en del år nå og brukes forholdsvis mye i kommersielle forsterkere, og de er således ganske billige. De kommer imidlertid i et ganske utradisjonelt plasthus, noe som nødvendiggjør at de festes direkte på kjølefinnen. Det samme er gjort for driverne (Q31/Q32) og biastransistoren (Q30). En bedre løsning ville være å la driverne ha separat kjøling, men arbeidspunktet driver forholdsvis lite når temperaturen har stabilisert seg. Dessuten spares ekstra kjølefinner på denne måten.

Transformatorens to uttak føres til likeretterne som vist på strømforsyningsskjema (det bør være sikringer her i tilfelle likeretterne bryter sammen). Fra likeretterne legges en forbindelse til et felles jordpunkt på chassis. Phonobøsningenes jord skal forbindes til chassis (nær inngangen) og skjermen på phonokabelen skal forbindes til kretskortet i punktet merket SG (Signal Ground). Phonokabelens varme ende skal forbindes til kretskortet i punktet merket 'IN'. Fra høyttalerutgangen snos de to lederne og festes til kretskortet i de to punktene merket 'OUT' og 'GND'. Sistnevnte skal forbindes til minuslederen. Høyttalerens minusutgang skal forbindes til chassis. Alle forbindelser skal være så korte som mulig. Skulle noen form for ustabilitet eller støy opptre, er sannsynligheten stor for at dette skyldes dårlig ledningsføring/oppbygging (f.eks. jordsløyfer).

Oppstart og justering

Det anbefales å bruke en variabel transformator eller variabel likespenningsgenerator ved første gangs oppstart av forsterkeren. Ettersom forsyningsspenningen økes, justeres til 0 V likespenning på utgangen vha. P13, og tomgangsstrømmen justeres først til minimum for så å økes gradvis  vha. P29. Tilslutt gjerne et oscilloskop til utgangen, det skal ikke være noe å se her hvis alt er i orden. Ettersom temperaturen øker, vil det være nødvendig  å etterjustere både offset og tomgangsstrøm (min. 1.25 A). Offset på utgangen vil variere noe, men bør ikke være over 30 mV.

Det kreves ca. 0.775 V RMS inngangsspenning for full utgangseffekt. Dette skulle være tilstrekkelig for de fleste signalkilder uten å være nødt til å bruke en forforsterker. Dersom det ønskes høyere forsterkning, kan R15 reduseres. Bemerk at tilbakekoplingsmotstanden R14 skal være uendret. Ingen av forsterkerens gode egenskaper med hensyn på båndbredde, forvrengning og Slew Rate endres nevneverdig ved moderate endringer av R15.

Utgangsseffekten på denne forsterkeren kan økes til 50 W RMS i klasse A. Kjølebehovet er imidlertid stort stort og må ikke undervurderes. Men denne 25 W klasse A forsterkeren kan faktisk være kraftig nok i mange tilfeller, en klasse A forsterker oppfattes generelt mer kraftfull enn en klasse B (eller A/B).