AMPLIFICADOR

  V-AG 1.6

Producto descatalogado.

 INTRODUCCIÓN

La etapa V-AG 1.6 es el máximo exponente de una de mis líneas de desarrollo, los diseños carentes o prácticamente carentes de realimentación. Las ventajas de esta técnica hablan por sí solas aunque no sean muy conocidas. Pero si decimos que son en parte responsables de la tonalidad cálida y ausencia de "grano" de los amplificadores a válvulas los resultados serán más familiares.

A nivel de motivaciones de diseño, como no dependo de un departamento de marketing que me obligue a postergar la calidad del sonido en aras de las tendencias y la rentabilidad, el fin último de mis diseños es escucharlos y usarlos yo. El hecho de actualizar la versión pocos meses después de presentar el kit es una muestra de ello.

El abuso de la realimentación produce bajas cifras de THD, pero incrementa otras distorsiones temporales que son responsables de la calidad del sonido en gran medida, pero que habitualmente no se miden.

En este diseño se trata de obtener un buen sonido por encima de la perfección técnica. El resultado es un amplificador con cifras normales pero sin las habituales deficiencias tímbricas y sin distorsiones disonantes.

Señalaremos que prácticamente opera sin realimentación global (factor NFB < 20). En los diseños habituales ésta cifra se mueve entre 100 y 1000.


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 Mejoras sobre la versiones anteriores.

Este diseño conserva las características básicas de su predecesor v1.0: modo cascodo en todas las etapas para obtener más velocidad y menos distorsión, una gran realimentación local en detrimento de la realimentación global implementada en la degeneración de los emisores, configuración super-simétrica que cancela armónicos de orden par, alta corriente de polarización de las etapas para una mayor velocidad y mayor inmunidad a las limitaciones de slew-rate, y etapa de salida sobrepolarizada.

Pero aparte de esto, tiene unas mejoras a nivel de diseño y de sonido sobre la versión 1.0 que comentamos a continuación: Fuentes de corriente cascodas, más limpias e inmunes a ruido y modulaciones, uso de componentes SMD y PCB diseñada con técnicas de alta frecuencia y bajo ruido, mayor respeto por la señal de tierra, (porque es tan importante la señal como la tierra a la que está referida), uso de circuitos de protección avanzados, lazos parciales de realimentación en corriente, y la gran mejora sobre la versión 1.5:

La etapa de salida es más lineal, se emplea un equivalente a la etapa de salida desarrollada en la etapa Ultra, una etapa con una polarización dinámica que mantiene a los transistores en clase A con una corriente de polarización más baja de lo requerido. Esto aumenta la eficiencia notablemente sobre los clase A manteniendo sus bajas tasas de distorsión.

Otro punto corregido sobre la versión anterior y sobre los diseños de realimentación en voltaje es que las resistencias de realimentación han disminuido su valor 6 veces, lo que da un margen de 15dB sobre su anterior contribución al ruido. La de mayor valor ha bajado de 22k a 3k56. Ésta resistencia marca la ganancia, pero su comportamiento no es inocuo. La capacidad parásita de entrada, y el ruido de corriente modifican su comportamiento. El ruido de corriente se convierte en ruido de voltaje al atravesar una resistencia y se amplifica, disminuyendo éste valor el ruido de voltaje generado es 15dB menor. También aleja la distorsión creada por la modulación de la capacidad de entrada a una frecuencia 6 veces mayor.

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 Fuentes de corriente Jfet cascodas

La primera de ellas, la menos notable tiene como objetivo simplificar el diseño de la PCB, lo que posteriormente evitará pistas cruzadas y longitudes innecesarias. Se trata de sustituir las fuentes de corriente BJT por fuentes con Jfet autoreguladas, en modo cascodo y de bajo ruido. El modo cascodo evita modulaciones térmicas y aumenta muy notablemente la impedancia de salida, por lo que tiene un comportamiento más cercano a la fuente ideal de corriente.


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 Componentes SMD y nueva PCB

La segunda, más obvia se trata de que está construido con componentes SMD siempre que los consumos de potencia lo permiten. El diseño de la PCB tiene muy en cuenta la corriente máxima que circulará por todas las pistas, y ya que es un amplificador de gran velocidad y ancho de banda, era necesario tener en cuenta factores como capacidades parásitas y un correcto comportamiento de las pistas.

Todas las pistas de alta impedancia tienen minimizada su longitud, y no existen ángulos, todas las pistas y planos están suavemente redondeados para evitar los problemas asociados a los ángulos: rebote de las ondas, concentración de las cargas en las puntas, EMI... Lo que es la etapa de amplificación de voltaje y servo de DC ocupan 30 x 45mm, el área que ocupan dos dedos pulgares..


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 Tierra limpia

La tercera es el empleo de un cable de tierra único para la señal de tierra, ya que es conveniente aprovechar esta característica y sacárle el máximo partido. Así las corrientes de alimentación no circularán por ella y no inducirán ruidos. También la diafonía es mejor. La configuración de las tierras es en estrella, ésta y las demás se conectan únicamente en un punto.


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 Circuitos de protección.

Se emplea un circuito de control avanzado que posee las siguientes características: Posee un soft start , ya que la gran capacidad de filtrado y la potencia de transformador harían saltar el limitador de corriente de su red eléctrica.

Se emplea también un enable para los altavoces mediante un relé, únicamente conecta la salida de los altavoces cuando todo está operando correctamente, para proteger los altavoces de los pops al encender y apagar, aunque no hace más que un leve silbido cuando se apaga, y la amplitud está por debajo de 1Vp-p. Cuando se apaga con señal a la entrada, la salida va entrando progresivamente en recorte, a medida que disminuye la tensión de alimentación, y esa onda recortada puede resultar molesta.

Un sensor pasivo capta el momento en el que la corriente de salida supera 6 amperios y envía una señal al circuito de control, optoacoplada, para no inducir ruidos. Dependiendo de la duración de ésta señal, el circuito de control discrimina en función de la duración y reiteración si es un pico de corriente habitual en la carga de un altavoz o si es un verdadero cortocircuito, en cuyo caso desconecta la salida durante unos segundos. Si al cabo de ese tiempo se vuelve a detectar un cortocircuito, se inicia el bucle de nuevo.

Se ha evitado la limitación habitual de corriente porque es intrusiva con el sonido, y un aspecto secundario (pero fundamental) no puede ir en detrimento del objetivo primario. Aparte de que con los requistios esperados de esta etapa, una limitación de 10-15 Amperios no es suficiente.

También existe un sensor para detectar el fallo de algún fusible. Si ésto es así, se desconecta la salida de los altavoces y se encenderá un LED en el fusible correspondiente.

Por último, los apagones breves son sumamente perniciosos ya que inducen picos muy severos en las líneas. Para evitar estos ruidos derivados, cada vez que se detecta un fallo en la alimentación de 220V se activa la protección de los altavoces, bien sea por un breve apagón, porque se desconecta el amplificador o porque se funde el fusible principal. Para evitar los picos que demandan las fuentes de alimentación tras un breve cortocircuito, que muchas veces hacen saltar el limitador, el circuito del soft start también se resetea cada vez que se interrumpe la tensión AC.

El mecanismo de desconexión de los altavoces es redisparable, es decir, que si a mitad del ciclo de rearmado sucede un evento espúreo, el ciclo se vuelve a iniciar desde cero.

La entrada incluye una leve protección ESD con diodos Schottky.

 


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 Lazos parciales de realimentación en corriente.

La quinta son los lazos parciales de realimentación en corriente, ahí esta la principal mejora, donde una simple red ayuda a mitigar una de las más graves carencias de los amplificadores convencionales: las limitaciones de slew-rate y las capacidades parásitas no lineales base-emisor de los transistores. En todo amplificador convencional, una parte queda fuera del lazo de realimentación. Si el diseño está basado en corregir la distorsión mediante un alto factor de realimentación, el fenómeno se agrava. Me refiero al diodo base-emisor del transistor bipolar de entrada.


La modulación de la capacidad de entrada se corrige en gran medida empleando el modo cascodo en la primera etapa, característica ya utilizada y que erróneamente siempre se ha considerado inútil en el diseño tradicional. Sucede que por el efecto Miller, esta capacidad no lineal se multiplica, lo que agrava el problema.

Ahora además el emisor está incluido en un lazo de realimentación, por lo que a la realimentación de corriente que supone el uso de un alto valor de resistencia de emisor se le añade otro lazo que por una parte aumenta sustancialmente el ancho de banda y el slew-rate de la etapa, y por otro reduce la distorsión de dos maneras: una es la tradicional, amplificando sólo la tensión de error, y la otra es evitando la modulación de la capacidad de entrada.

Mantener constante VCB mantiene constante CBC

Otro tipo de distorsión es la que se produce por la carga de la segunda etapa. Esta etapa tiena una alta impedancia de salida, como toda etapa clase A. La cacacidad e impedancia de entrada no lineales de entrada en la segunda etapa degeneran la carga de la primera. La inclusión de la primera en un lazo parcial reduce su impedancia de salida y mitiga esos efectos. También la inclusión de la segunda etapa en un lazo parcial linealiza y aumenta la impedancia de entrada, por lo que el comportamiento es más ideal.


Mantener constante VBE mantiene constante CBE

Como acabamos de mencionar, en la segunda etapa también se utiliza esta técnica de lazo parcial de realimentación en corriente, pero incluyendo a la etapa de salida en el lazo.

Uno de los inconvenientes (o ventaja, según se mire) de esta técnica es que que se reduce el factor de realimentación global a aproximadamente algo menos de 20dB, por lo que se incrementa la especialización THD empeora a bajas frecuencias pero mejora a frecuencias altas. El aumento del ancho de banda, de slew-rate, la linealización de las capacidades de entrada, el menor factor de realimentación global son la realización de la especialización.


Efecto sobre THD de los lazos de realimentación parcial



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 Transistores ultralineales de salida.

La sexta son los transistores de salida. Se usa un transistor ultralineal con el fin de reducir la corriente de polarización, aumentar la eficiencia y reducir el volumen de los disipadores necesarios. Se emplean los transistores japoneses 2SC5200 y 2SA1943 de Toshiba, de mejores prestaciones que los antiguos americanos.

 


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 Etapa ultralineal de salida. Operación quasi clase-A

De mis investigaciones he deducido que en diseños de bajo factor de realimentación, o carentes de ella, la distorsión de la etapa de salida es la cifra dominante en la distorsión armónica total.

La distorsión de las etapas de salida en clase AB o B es sumamente perniciosa: crea armónicos de alto orden no relacionados con la música ni con nuestros mecanismos de audición (enmascaramiento). Para obtener cifras bajas y distorsiones no disonantes en diseños de bajo factor de realimentación el único método posible es corregir la distorsión por los propios medios de la etapa.

Una de las opciones es el uso de la clase A, y otra opción es una polarización dinámica en clase A. En este caso se ha tomado esa determinación, emplear una etapa de salida con una topología exactamente igual que la de la etapa Ultra pero con los transistores BJT ultralineales originales. Es una etapa de salida que corrige su propia distorsión de cruce por cero. Eso permite obtener las cifras de los amplificadores clase A, en una clase AB polarizada con una corriente notablemente inferior.

El método estándar se basa en mantener una de las partes en clase A, con lo que se eliminan la distorsión de cruce, pero éste método se basa en mantener las dos partes de la etapa en clase A, evitando un estado de corte profundo: así se eliminan los tiempos de almacenamiento, de corte a conducción y viceversa. Tenemos una etapa de salida más rápida y con menos distorsión a alta frecuencia. También tenemos una etapa más lineal de lo que permite la clase AB, y más eficiente que una clase A.

La eficacia del método permite que la distorsión creada por la etapa de salida se reduzca 30 dBs. Ahora, con la etapa de salida con una polarización muy pobre (10mA) ya no hay trazas de distorsión de cruce en el osciloscopio, incluso con bajos niveles de salida. Se emplean 250mA de polarización.

Con estas cifras, el radiador mostrado en las fotos de la derecha es suficiente.

También ha variado la red de polarización. Ahora es más inmune a las variaciones de la corriente en la parte de ganancia en voltaje, reduciendo una causa de intermodulación y deriva térmica.

También para mantener en condiciones más constantes la corriente de polarización los drivers están anclados al disipador de calor. La deriva térmica es menor y un fenómeno usual en todas las etapas, que tardan un tiempo en alzcanzar un equilibrio térmico y empezar a sonar correctamente, se reduce.


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 Fuente de alimentación.


A nivel de construcción, se emplea una fuente separada para los voltajes regulados, una gran mejora en cuanto a ruido. La rectificación y el filtrado de potencia se hacen por separado. La configuración de las tierras es en estrella.

En la fuente de las etapas de ganancia en voltaje, se emplea la misma configuración que en anterior, se usa un doblador de voltaje para regularlo posteriormente y alimentar a la etapa de ganancia en voltaje.

Pero en el doblador de voltaje, aparte de un regulador lineal de la serie 78xx/79xx se usa un filtro RC, lo que permite que el nivel de ruido menor de 1mV, muy por debajo de los 50mV de la versión inicial, y también muy por debajo de los 0,5~1V habituales, 60dB menos.

Para la parte de potencia, un rectificador de 25 Amperios convertido a opreación soft recovery mediante la inclusión de condensadores cerámicos. A partir de ahí, dos bancos de filtrado independientes para cada canal hacen el resto. Cuentan con una capacidad total de 75.200uF, lo que da de sobra para alimentar la etapa. Las bobinas reducen el contenido en armónicos de la alimentación y reducen de manera muy significativa la inrush current, los picos de corriente que cargan los condensadores.

 

 


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 Características técnicas.

Potencia:

  • 25 WRMS @ 8 Ohm
  • 33 WRMS @ 5 Ohm
  • 50 WRMS @ 4 Ohm
  • 70 WRMS @ 2 Ohm
 

Ancho de banda

  • Lazo abierto sin lazos parciales:32kHz
  • Lazo abierto con lazos parciales: ~200kHz
  • power bandwith > 600kHz.
  • Filtro RF:150kHz

Ganancia

  • +32dB

D.F.

  • >100 (mayor que el limite de la medición)

THD

  • 1kHz & 1W: 0.009%
  • 10kHz & 1W: 0.01%

IMD (SMPTE)

    60,7000 4:1;
    14.1 VP (60Hz) +3.5 VP (7kHz):

    0.025%

CMRR

  • 60dB @ 100Hz
  • 60dB @ 1kHz

Slew-rate

  • >20V/µs (mayor que el limite de la medición)

SNR

  • >80dB (mayor que el limite de la medición)

IMD (CCIF)

    18000,19000 1:1;
    8 VP cada una

    -79dB

Las mediciones vienen a confirmar los principios del diseño. Es un amplificador con un factor de realimentación bastante bajo, casi podría decirse que opera sin ella, pero de gran velocidad, baja distorsión en lazo abierto y que a diferencia de los amplificadores convencionales, mantiene los números a altas frecuencias.

Recordemos que la realimentación global reduce la distorsión de manera más o menos proporcional al factor de realimentación, y este diseño tiene un factor menor de 20, frente a los 100-1000 de otros, lo que sería equivalente al 0.003% de un amplificador convencional. De hecho alcanza esa cifra en ausencia de lazos parciales, pero es un ejemplo de cuándo las cifras no están completamente realcionadas con la audición.


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 Comentarios sobre el sonido.

Ésta versión tiene un sonido más equilibrado que las versiónes 1.5 y que la 1.0, ya que el punto menos fuerte de la etapa V-AG 1.5, el control del grave, se ha mejorado con la modificación de la etapa de salida, y en general muchos aspectos derivados, como la limpieza del sonido en esta banda.

La tonalidad resultante es una consecuencia del bajo factor de realimentación. Su tonalidad es cálida, en contraposición a lo que cabe esperar de los amplificadores de alta velocidad y a los lazos de realimentación de corriente. Su sonido es muy suave.

El resultado es un timbre cálido, con las ventajas de la realimentación y la velocidad: buena dinámica (las reproducciones de clavicordio lo demuestran), baja distorsión, baja intermodulación,... pero sin problemas de sobrecargas en nodos internos, una estabilidad envidiable y sin deficiencias tímbricas. El impacto en graves está a la altura de los diseños de alto factor de amortiguamiento (damping factor), y la limpieza de los graves profundos es sorprendente, sumamente coherente. No sólo se mantiene el sonido violento del grave con voz masculina o con saxofón, ahora son más penetrantes que en la 1.5.

Como en las versiones anteriores, la principal característica que sobresale en la banda aguda es la naturalidad. Y ahora es aún más limpia. La intermodulación se ha reducido de manera efectiva, hasta el rock más guitarrero mantiene sonidos de fondo y separación entre instrumentos. El sonido parece "vivo". Reúne la limpieza que suelen aportar las etapas de salida mosfet... pero sin mosfet.

En equipos mediocres, para un oído no educado, los agudos parecen sonar más, pero es el resultado de que todas las distorsiones armónicas e intermodulaciones se acumulan en esta banda y la recargan de información que no estaba presente en la grabación, falseando el timbre, haciéndolo metálico. La menor distorsión minimiza esta acumulación, y la mayor velocidad permite corregir mejor los errores de alta frecuencia.

De esta manera, el timbre de los instrumentos es más fiel al original, ya que no realza lo que no estaba, pero tampoco elimina lo que sí estaba. Una de las características más llamativas es que pueda recrear el ambiente de la sala de grabación. No es igual el silencio en una sala de mármol que en una sala insonorizada.

Como condiciones de trabajo, conviene respetar su potencia. Son 25 ó 50 WRMS @ 8Ohm por canal, limitada para mantener la calidad y permitir la correcta operación sin sobrecarga de las etapas. El recorte (clipping) es muy desagradable. No es un sticky clipping causado por la saturación de los nodos internos, ya que los lazos parciales y la baja realimentación impiden este fenómeno, pero el gran ancho de banda y la velocidad producen armónicos de muy alto orden.

En definitiva, un amplificador cálido con sonido limpio y dinámico, carente de grano, que puede usarse tanto en sistemas multiamplificados como en pantallas eficientes (>90dB@1W1m) de rango completo, su único requisito es una buena fuente de sonido. Prefiero no hacer valoraciones personales y basarme en apreciaciones objetivas, pero debo decirlo. Es una gran etapa.


  • Versiones especiales

Dado que ahora la etapa de salida permite una corriente de polarización menor sin detrimento de la calidad y sin un consumo excesivo, se han podido desarrollar versiones de 50W.

    • Etapa estéreo 50+50W
    • Etapa monocanal 50W
    • Etapa monocanal 25W

    • Kit ensamblado completo: 25+25W:360€
      • Transformador toroidal 250VA
      • Fuente de alimentación regulada
      • Banco de condensadores y filtrado
      • 2 etapas de potencia V-AG 1.6
      • Circuito de control y protección avanzado

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