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Inviato: 10 apr 2009, 23:46
da semola
Salve a tutti ,

Vorrei proporrre al Forum la mia ipotesi di progetto riguardante un amplificatore per cuffia di riferimento tecnico e sonoro (almeno questa è l’intenzione…) in configurazione bilanciata in grado di pilotare cuffie dinamiche di impedenza compresa tra 25 e 600 Ohm con distorsione trascurabile su tutta la banda audio a qualunque livello di uscita.
Si tratta di di un amplificatore basato su due operazionali ad alta corrente di uscita di tipo “current feedback” in configurazione “SuSy”. Tale configurazione, ideata da Nelson Pass, contribuisce attraverso un sistema di controreazioni incrociate e simmetriche all’abbattimento della distorsione generata dai due amplificatori che compongono lo stadio di uscita bilanciato. Per ulteriori informazioni rigardanti la teoria in questione fate riferimento al sito www.diyaudio.com dove lo stesso Pass coordina la sezione “Pass Lab”.
Lo stadio di uscita costituito dai due LT1210CT7 è preceduto dallo stadio di ingresso realizzato da due operazionali LME49710 in configurazione “ instrumentation amplifier” ciò per consentire allo stadio seguente di lavorare con ingresso bilanciato esprimendo così il massimo delle proprie potenzialità come indicato dallo stesso Pass nella documentazione tecnica.
Per quanto riguarda la componentistica attiva ho scelto operazionali noti per le loro ottime caratteristiche soniche e prestazionali. Soprattutto il recentissimo National LME49710 vanta caratteristiche tecniche allo stato dell’arte e unanimi eccellenti valutazioni sotto il profilo di trasparenza ,dinamica, dettaglio ed equilibrio generale. L’LT1210 seppure meno conosciuto ha il suo punto di forza nella sua alta corrente di uscita ( 1 A di picco) nella estrema velocità e nelle eccellenti doti di trasparenza e dinamica riferite da chi l’ha utilizzato per applicazioni simili.
La struttura bilanciata di questo amplificatore dovrebbe consentire un pilotaggio più coerente e simmetrico del driver e fornire una dinamica disponibile virtualmente illimitata capace di pilotare se configurata per un guadagno adeguato, anche le famigerate AKG K1000. Inoltre, aspetto non trascurabile è possibile scegliere tramite un ponticello se avere un ingresso bilanciato o sbilanciato permettendo così la possibilità di sfruttare al meglio ogni tipo di sorgente.

Descrizione del circuito:

Premetto innanzitutto che non avendo alcuna precedente esperienza progettuale e mancando di sufficiente padronanza degli aspetti teorici inerenti alla progettazione dei circuiti elettronici , il progetto che presento è sicuramente da verificare e contiene probabilmente errori o ingenuità. Spero che risulti comunque interessante, o stimolante tanto da spingere qualcuno degli esperti progettisti che frequentano questo Forum a esaminarlo ed eventualmente correggerlo o contribuire al suo sviluppo in modo che possa magari concretizzarsi la possibilità di realizzare un layout di circuito stampato disponibile per tutti gli interessati. (Una volta realizzato il prototipo ho la possibilità di misurarlo con un Audio Precision Sytem One)
Detto questo, il dubbio fondamentale su questo progetto è il comportamento riguardo all’offset di uscita che in un amplificatore per cuffia deve essere il più possibile tendente allo zero.
Data la particolare configurazione dello stadio di uscita non sono in grado di capire se il notevole offset generato intrinsecamente dagli operazionali “current feedback” sia annullato o meno dalla reazione incrociata che lo caratterizza. Non sapendo quindi prevedere questo comportamento ho in ogni caso provvisto l’amplificatore di un circuito di controllo dell’offset che inietta una tensione continua pulitissima nell’ingresso non invertente dello stadio di ingresso. Questo circuito di servizio potrebbe essere realizzato in un modo alternativo sicuramente più compatto ed elegante utilizzando in chip disponibile presso RS Components,il Ref 200, appositamente progettato per questo scopo che però se utilizzato come indicato nella nota applicativa fornisce uno swing di tensione utile molto più modesto, forse non sufficiente per lo scopo dato anche il basso guadagno dello stadio in questione . Affido agli esperti la sentenza…

I valori delle reti di reazione degli LT1210 sono state scelte per la massima linearità e larghezza di banda (35/40 Mhz) per un carico di 60/100 Ohm , mentre C7/C8 incrementano la stabilità dello stadio per carichi capacitivi fino a circa 1000pF. C5/C6 sono opzionali e limitano la banda passante dello stadio in caso di problemi di stabilità, mentre C3/C4 anch’essi opzionali ,dovrebbero servire a simmetrizzare la capacità vista dall’ingresso invertente , riducendo così la distorsione, in caso di uso dei condensatori C5/C6.
Un aspetto critico del progetto è la fondamentale perfetta simmetria delle reti di reazione dello stadio di uscita così come i collegamenti tra le uscite del primo stadio e gli ingressi del secondo. Maggiore è la simmetria nella impedenza di queste tracce tanto più sarà efficace il mutuo abbattimento della distorsione tra i due operazionali di uscita. Da qui l’adozione di resistenze allo 0,1% (o più se possibile) di tollereanza nei quattro collegamenti sensibili.
Per quanto concerne l’alimentazione, è prevista la possibilità, sempre opzionale, di mantenere separate le linee del primo e secondo stadio per minimizzare le interazioni tra gli stadi ad alta e bassa corrente. R19 dovrebbe servire a stabilire un carico minimo adeguato al corretto funzionamento dell’alimentatore che si occupa del primo stadio che di solito non gradisce un assorbimento di pochi mA quale quello prodotto dai due operazionali National.
Le resistenze in parallelo da R15 a R18 e da R20 a R23 permettono di scegliere con maggiore libertà un valore ottimale per la rete R/C in parallelo ai condensatori di baypass che essendo realizzata con un condensatore ceramico necessita di una piccola resistenza serie per evitare che il suo stretto picco a bassissima impedenza possa interagire negativamente con l’alimentatore spingendolo alla risonanza ad altissima frequenza nella regione dei MHz.dove le possibilità di reiezione degli operazionali sono ormai quasi inefficaci.
A mio parere , data la bassa reiezione ai disturbi di alimentazione (circa 50 dB) propria degli operazionali “current feedback” sarebbe opportuno adottare come alimentatore un “Jung Super Regulator” che garantisce eccezionali caratteristiche di reiezione ai disturbi, rumore e impedenza di uscita. In questa particolare realizzazione , il maggior costo e complessità dovrebbe essere ben ripagato.
Il valore di R11 come suggerito dallo stesso Pass nel forum DIYAUDIO.COM dovrà essere determinato in modo abbastanza sperimentale in un range compreso grossomodo tra 100 e meno di 1000 Ohm. Secondo l’autore, il valore di questa resistenza ,variando il guadagno ad anello aperto dello stadio determina non solo la stabilità dello stesso ma anche una differente prestazione in termini di distorsione e di impostazione sonora sottolineando che la distorsione più bassa possibile non necessariamente equivarrà al miglior (o al soggettivamente migliore) suono possibile. In ogni caso, la procedura consiste nel trovare il valore resistivo che manda lo stadio in oscillazione e moltiplicare tale valore per un fattore compreso tra 5 e 10.
Citando Pass:” Op amps being what they are, if you set it at 0, it will probably oscillate. On the other hand, at 1 Kohm,you might see more distortion than you like.Best guess offhand? 100 ohms.Better way? Find the highest value that still causes oscillation and multiply by 5 to 10. Like with the resistance to ground on the inputs of the X and Aleph X amps, there will be an alteration in soundas you adjust this. I think similar thing occurs in the Aleph P and BSOZ circuit: there is apparently an optimal sonic value, and it is not the same as the least distortion value.Nelson Pass”
Per ora mi sembra tutto.
Spero comunque che questa idea possa interessare la comunità degli autocostruttori. Personalmente non sono in grado, almeno per ora, di portare a termine questo progetto in tutti i suoi aspetti ( come si vede lo schema l’ho realizzato a mano) ma confido che qualche esperto frequentatore del forum possa dare un aiuto colmando le lacune che si dovessero evidenziare.
Ringrazio anticipatamente tutti quanti vorranno contribuire alla realizzazione di questo progetto.

A presto

Semola
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Inviato: 11 apr 2009, 01:35
da Giaime
Benvenuto "semola",

il tuo progetto è sicuramente ambizioso. Però:
Un aspetto critico del progetto è la fondamentale perfetta simmetria delle reti di reazione dello stadio di uscita così come i collegamenti tra le uscite del primo stadio e gli ingressi del secondo.

Originally posted by semola - 10/04/2009 :  18:46:43
Probabilmente invece la cosa più critica nel tuo circuito per quanto riguarda la simmetria dei due rami è proprio l'attenuatore a scatti sull'ingresso, è quello che può introdurre le dissimmetrie più forti...
Tieni presente che nella configurazione InAmp per alterare il guadagno basta agire su R6, senza bisogno di attenuare separatamente le due fasi del segnale in ingresso...

Tra l'altro, l'idea di mettere brutalmente in corto l'ingresso di uno dei due rami, per utilizzare un segnale sbilanciato, non è una grande idea: tieni conto che in ogni condizione di utilizzo i piedini 3 degli LME vorrebbero vedere un'impedenza verso massa la più simmetrica possibile...

Inoltre sarebbe molto più facile e sicuro adottare un circuito attivo (con un integratore a opamp) per la regolazione dell'offset.

Non ho capito poi come fai a definirti mancante "di sufficiente padronanza degli aspetti teorici inerenti alla progettazione dei circuiti elettronici" quando hai a disposizione e sai usare un AP1 :?:

Ciao!
Giaime Ugliano

Don't Be a Wimp. Use NFB and use tons of it.
Bruno Putzeys

Inviato: 12 apr 2009, 15:10
da LuCe
Poichè sono pigro e non ho voglia di leggermi uno zibaldone in lingua straniera e odiosa, saresti così gentile da dirmi in due parole, quale è il motivo fisico per il quale se prendo la reazione incrociata abbatto la distorsione ?

Grazie per la comprensione
LuCe

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Al mondo ci sono 10 categorie di persone: quelle che conoscono il binario e quelle no.

Inviato: 14 apr 2009, 18:07
da semola
Grazie Giaime per il tuo contributo,
entro subito nel merito:

Ecco che si palesano già le mie lacune !......

1)-Non ho considerato che la resistenza R6 ha la funzione di stabilire e quindi anche regolare il guadagno dello stadio. Ciò vuol dire che quella resistenza può diventare un potenziometro con escursione da 0 a 1KOhm e conseguente escursione del livello di uscita da -infinito a 0 dbr?

2)-Se quello che ho definito come un jumper sull'ingresso del ramo negativo lo cambio con un resistenza da 1 KOhm o giù di li sarebbe salva la simmetria delle impedenze viste dall'ingresso dell'LME49710
ma se R6 è variabile per consentire la regolazione del volume la agognata simmetria viene alterata dalla variazione di R6 Giusto?
Allora cosa si fa'?
Tieni presente che personalmente punterei maggiormente sull'ottimizzazione del circuito per l'ingresso sbilanciato. Ho previsto la possibilità dell'ingresso bilanciato solo perchè lo stadio di ingresso con configurazione in.Amp. mi sembrava facile da implementare come opzione non considerando che proprio lo sbilanciamento creato dalle tolleranze dell'attenuatore di ingresso diventa il problema maggiore.

3)-Ho visto leggendo nei forum circuiti del genere ma in questa particolare applicazione non saprei proprio come realizzarlo.
Il circuito dovrebbe essere singolo o doppio e su quale ramo collegare l'uscita dell'integratore? inoltre non saprei come progettare correttamente il circuito.Ci vorrebbe uno schema chiarificatore.
Fra i puristi questi circuiti servo non sono considerati molto favorevolmente.Sembra che alterino le prestazioni sonore a causa del residuo di segnale in banda audio ripresentato all'ingresso. Che ne pensi?

3)-Misurare una THD è un conto, progettare è ben diverso!

Risposta a LuCe:
preferisco non spigare quello che io stesso non ho perfettamente compreso.


Grazie a tutti per l'interesse e i pareri tecnici.

a presto!

semola

Inviato: 14 apr 2009, 18:39
da Giaime
1)-Non ho considerato che la resistenza R6 ha la funzione di stabilire e quindi anche regolare il guadagno dello stadio. Ciò vuol dire che quella resistenza può diventare un potenziometro con escursione da 0 a 1KOhm e conseguente escursione del livello di uscita da -infinito a 0 dbr?

Originally posted by semola - 14/04/2009 :  13:07:28
Non proprio purtroppo, il range di regolazione non è ampio: v. qui, con un'opportuna scelta delle resistenze penso però si possa rendere "sufficiente".
2)-Se quello che ho definito come un jumper sull'ingresso del ramo negativo lo cambio con un resistenza da 1 KOhm o giù di li sarebbe salva la simmetria delle impedenze viste dall'ingresso dell'LME49710
ma se R6 è variabile per consentire la regolazione del volume la agognata simmetria viene alterata dalla variazione di R6 Giusto?
Allora cosa si fa'?
Tieni presente che personalmente punterei maggiormente sull'ottimizzazione del circuito per l'ingresso sbilanciato. Ho previsto la possibilità dell'ingresso bilanciato solo perchè lo stadio di ingresso con configurazione in.Amp. mi sembrava facile da implementare come opzione non considerando che proprio lo sbilanciamento creato dalle tolleranze dell'attenuatore di ingresso diventa il problema maggiore.

Originally posted by semola - 14/04/2009 : 13:07:28
Dovresti mettere a massa l'ingresso a monte di C2.
3)-Ho visto leggendo nei forum circuiti del genere ma in questa particolare applicazione non saprei proprio come realizzarlo.
Il circuito dovrebbe essere singolo o doppio e su quale ramo collegare l'uscita dell'integratore? inoltre non saprei come progettare correttamente il circuito.Ci vorrebbe uno schema chiarificatore.
Fra i puristi questi circuiti servo non sono considerati molto favorevolmente.Sembra che alterino le prestazioni sonore a causa del residuo di segnale in banda audio ripresentato all'ingresso. Che ne pensi?

Originally posted by semola - 14/04/2009 : 13:07:28
Penso che ci rimarrei male se bruciassi le cuffie a causa di un guasto o di una tensione di offset troppo elevata. Un progetto di questa complicazione (potrebbe essere complicato l'eventuale debug di errori!) dovrebbe almeno prevedere il servo contro l'offset, meglio se con una protezione contro i guasti. Per entrambe queste cose puoi imitare ("in scala") quelle analoghe negli amplificatori di potenza, vedi qui. Potresti prendere spunto dall'integratore presente in questo ampli per cuffia, che sto finendo di realizzare anch'io.

Ciao!
Giaime Ugliano

Don't Be a Wimp. Use NFB and use tons of it.
Bruno Putzeys

Inviato: 16 apr 2009, 16:07
da semola
Giaime,

Grazie alle tue "dritte" comincio a focalizzare meglio i punti deboli del progetto.
Per quanto riguarda l'ingresso bilanciato,rinuncio volentieri a tale possibilità dati i problemi che si creerebbero insistendo su questa strada.
Il potenziometro nella rete di reazione non mi convince anche per motivi di layout (in quella posizione allungare le tracce sarebbe rischioso) e perchè limiterebbe la libertà di scegliere quello che si desidera o si ha già a disposizione.(potenziometro di qualità,stepped attenuator, ladder attenuator ecc. sono comunque piuttosto ingombranti e andrebbero posizionati fuori dallo stampato)

Con l'accorgimento di riferire a massa l'ingresso negativo dello stadio di ingresso con una resistenza da circa 1K come da te suggerito tutto il front end mi sembra molto meglio ottimizzato e convincente.

Anche se raramente ho visto sofisticate protezioni su amplicuffia se non il solito fusibile magari inserito nella rete di reazione o la tipica resistenza di uscita da 33/50 Ohm devo concordare che data la ragguardevole corrente di uscita e lo swing di tensione disponibile una protezione contro i malfunzionamenti è sicuramente utile. Ho tovato sul sito AMB Labs il progetto Epsilon 12 che mi convice più di quello proposto perchè ottimizzato proprio per gli amplicuffia (la soglia di intervento è fissata a 70mV) E' comunque anche questo un circuito a se stante che si può scegliere di installare o meno.

La reazione incrociata della configurazione "SUSY" evidentemente mi intimorisce. Il servo offset che mi suggerisci deve essere collegato tra l'uscita positiva (piedino 7 del LT1210 out+) e l'ingresso positivo dell'ampli(piedino 3 del LME49710), giusto? E ciò basta a compensare l'offset anche del ramo negativo dell'uscita?
A riguardo ho trovato un servo offset sul sito di John Conover che è studiato su un integrato di uscita simile a quello che uso Io. Mi sembra che il filtraggio apportato in banda audio sia molto deciso con probabili minori interferenze sul suono. Cosa ne pensi del particolare operazionale utilizzato?

Ma il controllo "manuale" dell'offset che ho proposto perchè è rischioso?
Una volta ben regolato e controllato che la taratura sia stabile anche a caldo,che cosa potrebbe portare una variazione pericolosa (guasti a parte)? Mi sembra che l'aspetto sul quale un controllo manuale non può agire è la variazione della impedenza del potenziometro del volume che dovrebbe creare un modesto offset variabile sull'uscita dello stadio di ingresso mentre l'offset generato dalllo stadio di uscita dovrebbe essere fisso e quindi esattamente compensato.Per quel che ho capito questo offset variabile dovuto al Pot. di volume è legato anche alle caratteristiche dell'operazionale usato e al suo guadagno. Quindi se non sto prendendo cantonate dovrebbe essere nell'ordine di qualche mV, un livello sicuramente accettabile . Qualcosa mi sfugge?

Saluti

semola



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Inviato: 03 giu 2009, 19:17
da semola
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Salve a tutti,

Ho aggiornato lo schema in base ai suggerimenti di Giaime.
Inoltre ho aggiunto una proposta alternativa di servo contollo per l'offset.
Qualcuno mi può dire se lo schema di servo ad opamp è corretto?
Ogni suggerimento in merito al progetto è graditissimo!!
Sopratutto ho bisogno di aiuto per la realizzazione dello stampato perchè non ho alcuna conoscenza dei sistemi CAD e un progetto del genere necessita di esperienza
Spero interveniate numerosi...

Grazie

Semola