AMPLIFICADOR

Baby Trans-Z REV 2


INTRODUCCIÓN

Tras un tiempo funcionando y tras experiencias con otras etapas de realimentación en corriente (V-GR y Ultra principalmente) decidí hacer unas mejoras que han contribuído a una mayor calidad de sonido. Se basan símplemente en variar los valores de algunas resistencias, las que marcan la ganancia en lazo abierto y las de la etapa de salida, dando lugar a una mayor estabilidad térmica (se puede usar en clase A si así se desea). También es algo más sencillo de polarizar, y sobre todo: el problema del que adolecía la etapa de salida de Sciklay que hice: la distorsión de cruce por cero. Ahora es bastante menor, y sólo ha sido necesario variar algún valor.

Este amplificador pretendía ser otro experimento más en la lista, pero es el primero de de un grupo, los resultados han superado de lejos las espectativas, y bien merece un lugar para el recuerdo. Ahora, cinco meses después de hacerlo estoy más convencido de que merece este hueco.

Baby Trans-Z es un curioso nombre, pero todo tiene su explicación. En mi nomenclatura, baby significa la versión previa de bajo presupuesto que precede a un definitivo. Las dos opciones que hay para experimentar son este tipo de etapas, de poca potencia (30W max), o los headphone. Normalmente los proyectos baby no salen a la luz, pero este es una excepción.

Trans-Z es la manera de escribir transimpedancia evitando la EPT (excesiva pulsación de teclas). Es el primer experimento sobre los amplificadores de realimentación en corriente.

 

Amplificador Baby Trans-Z

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TOPOLOGÍA.

Como búffer de entrada, utilizamos dos etapas en colector común polarizadas con una fuente de corriente Jfet, para que las variaciones de VBE sean mínimas. Usamos resistencias de emisor para evitar deslizamientos térmicos, de 22 Ohm.

Estas dos etapas están alimentadas a través de una alimentación regulada mediante los 7815 y 7915, para evitar ruidos.


etapa montada

De ahí, se pasa a la segunda parte del búffer, que es más o menos lo mismo, tiene la misma configuración pero la corriente consumida por los transistores en colector común sale del espejo de corriente.

Se ha utilizado un espejo de Wilson por ser el más adecuado y simple, aunque es posible que no sea el que mejores características dinámicas ofrece para este diseño concreto, por la capacidad no lineal CBC de los transistores Q5 y Q25, quizás el cascodo lo sea.


Esquema completo

Aqui, la transformación de la corriente en voltaje se hace a través de una carga activa (el otro espejo), que hemos degenerado con 100k para obtener un sonido más cálido. El motivo de degenerar las cargas activas viene explicado en "sonido y otros factores".

La etapa de salida es una etapa de Sciklay, dadas sus bajas tasas de distorsión.


montaje

Como leve lujo en lo que es un prototipo, he utilizado transistores japoneses en vez de los habituales Motorola. Los motivos, el principal es la calidad de Sanken, el ancho de banda es 30MHz y aqui requerimos gran velocidad. La capacidad de entrada y salida es bastante baja, ya que es un transistor de 60W, sobrado para una versión baby.

También la nueva disponibilidad fue uno de los motivos.


Detalle de los transistores.

Una de las grandes desventajas de los CFB frente a los VFB es la pésima precisión DC, lo que los excluye de aplicaciones como sensores e intrumentación. Aqui un leve offset es permisible, ya que los woofer soportan fácilmente potencias del orden de 50 WRMS, y 100mV producen un consumo que no llega ni a 100mW. Pero este offset, a diferencia de los VFB, es el que tenemos ya en el propio buffer de entrada (equivalente al VOS), luego se ve amplificado, y puede superar y mucho 1V.


Cara inferior

Utilizar un servo de DC es algo obligado. Además, la adición de esta corrección no modifica el punto de operación de los transistores.

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FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

Los amplificadores CFB tienen un rechazo al ruido de alimentación particularmente alto, pueden llegar fácilmente a cifras de 120dB. Esto es así porque el espejo de corriente sólo puede producir errores por el efecto Early, y suelen estar por debajo de 60dB. Por otra parte, en el buffer de entrada si existe una mayor sensibilidad ya que hay que emplear una fuente de corriente. Pero las etapas en colector común, al igual que el espejo tienen un rechazo ya muy alto de por sí, se debe al efecto Early y tiene como tope -60dB. A todo esto hay que añadir la realimentación, que reduce muy notablemente este tipo de ruido.

Este diseño cuenta con un gran rechazo al ruido por motivos propios de la topología y además por tener fuentes de corriente autopolarizadas, con Jfet, (a la derecha)

Por ese motivo y por ser un prototipo, no lleva ningún tipo de fuente regulada y todo se alimenta desde una fuente estándar.

La tensión del transformador son +-24V, la potencia que puede entregar la etapa son unos 30-35W. El espejo de wilson permite aprovechar de manera eficiente los voltajes de alimentación, y lo mismo para la etapa de Sciklay.

Con los transformadores y el rectificado, como la capacidad empleada es bastante alta, los condensadores tienen a cargarse con el voltaje de pico, que en el caso de los 24V son ~34V. Pero ante demandas de corriente ese voltaje baja, y para un rizado del 5-10%, la tensíón media es de 26-28V, pero el gran problema son los picos inferiores, que pueden recortar la onda y meter ruido de 100Hz y armónicos. Por eso me parece prudente dejar un margen de voltaje. Aparte, consumiendo 200-250mA en reposo no subirá de 29V.

Lo que si es muy importante es que los electrolíticos a 25V no lo aguantarán, reventarán, deben ser de 35V.

Para una etapa estéreo con dos Baby trans-Z se requiere un transformador de mínimo 120VA, y 160-200VA preferiblemente. Con un puente rectificador de 6A, 200V, y una capacidad de filtrado de unos 5000-10000µF funciona correctamente.

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SONIDO.

La topología de realimentación en corriene es superior a la de realimentación en voltaje. La velocidad obtenida proporciona unos agudos superiores a lo acotumbrado, y la capacidad de la realimentación para corregir los defectos también.

Los graves por su parte no son los habituales de los diseños con esta topología principalmente por el motivo de que el factor de realimentación no es excesivamente alto, ya que en el espejo de corriente no hay ningún tipo de ganancia, es una simple transacción de "lo que entra sale", unido a que la impedancia de salida del buffer tampoco es muy baja y a la degeneración de la carga, dan una menor ganancia en lazo abierto.

Análoga e inesperadamente a los VFB, en términos de sensaciones se traduce a un sonido más cálido y relajado que los habituales CFB, pero con capacidad de impacto y dinámica semejante a un buen VFB.

Su tonalidad es bastante correcta, sin pecar de frialdad ni de excesiva calidez y laxitud. Ha hecho méritos para merecer un hueco en el Hall of Fame.

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MEDICIONES.

Potencia:
  • 35 WRMS @ 8 Ohm
  • 45 WRMS @ 6Ohm
  • 50 WRMS @ 4 Ohm
  Ancho de banda
  • F.compensación: 1.4MHz
  • power bandwith > 500kHz.
  • Filtro RF:150kHz
SNR
  • >80dB ( > límite de medición)
  D.F.
  • >100 ( > límite de medición)
THD
  • 1kHz & 1W: 0.02%
  • 1kHz & 35W: 0.06%
  IMD (SMPTE)

60,7000 4:1;
9VP (60Hz) +2.25 VP (7kHz):

-76dB (0,015%)

Slew-rate
  • el suficiente ( > límite de medición)
  IMD (CCIF)

18000,19000 1:1;
8 VP cada una

-76dB

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PCB`s.

Se ofrecen las máscaras de PCB para uso personal y no lucrativo, están en el archivo PDF

Están a escala 1:1, es necesario desactivar cualquier zoom o cualquier ajuste de página para una correcta impresión. A pesar de haber capa superior la PCB es a una cara, las capa superior consiste en cuatro hilos, por lo que no merece la pena hacer una de doble cara.

  • La primera máscara es la de la capa de cobre, las pistas, que es lo que hay que usar para insolar la PCB
  • La segunda es la capa de componentes superior (top silkscreen), con tres puentes que hay que hacer en la PCB. Se pueden hacer con hilo rígido, como el que se usa para los prototipos en entrenador, o con una pata de resistencia si llega.
  • La tercera es la capa de componentes inferior (bottom silkscreen), la de los SMDs.
  • La cuarta es la máscara para los pads y los agujeros.

Es posible obtener la PCB, o la etapa con los componentes ya montados (recomendado). Para ello, diríjanse a consultas y recibirán información sobre precios y plazos.

En todo caso, los derechos de explotación pertenecen exclusivamente al autor, Pablo Crespo.

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Lista de componentes:

Se puede descargar en .TXT.

Conviene hacer una advertencia: utiliza componentes SMD: resistencias y condensadores en 1206 y transistores en SOT-23. Se pueden conseguir todos fácilmente en Farnell y en RS.

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Notas sobre la construcción.

Los transistores de salida que vienen en el esquema y en las listas no son los utilizados en realidad, aunque sirven perfectamente. Se emplearon los MJLs porque ya tenía hecho el símbolo y el footprint, y los pines son compatibles con los Sanken utilizados. Conviene dejarles las patas lo más largas posible. Los empleados en este diseño son los 2SC4466Y y 2SA1943Y. El subfijo Y marca la ganancia, mayor de 90. Molgar los distribuye. Todos los transistores deben estar aislados del disipador. He probado también los 2SC5200 y 2SA1943 de Toshiba con mejores resultados, de hecho las mediciones están hechas con esos transistores. También Molgar los distribuye.

Es conveniente que los transistores drivers lleven una pequeña chapa de aluminio a modo de disipador. Deben estar aisladas del colector.

El OP-07 del servo de DC es un un IC en cápsula DIP-8-300mil", la habitual, pero soldado en superficie. Para esto hay que doblar las patas hacia el exterior con un alicate, a la altura del estrechamiento, y cortar la parte sobrante. Suele ser conveniente apretar un poco las patas hacia dentro para que encajen en la huella.

Con una broca de 1mm es posible hacer todos los agujeros excepto los de los transistores de salida. Como las patas son planas, conviente mover el taladro hacia los lados para hacer un agujero más ancho por los lados en vez de utilizar una de 1.25mm.

Para montarlo, lo habitual: empezar por lo más pequeño, y terminar los los condensadores, resistencias de potencia y transistores de salida. Las pistas que queden debajo de algún componente como el OP07 deben estar estañadas, ya que si no, cuando se barnize no les llegará barniz y se oxidarán.

El método más eficiente de limpiar la resina del estaño de entre los SMDs y demás soldaduras es la acetona. Los electrolíticos no están protegidos contra disolventes a diferencia de los MKTs, transistores y resistencias, y al potenciómetro no le conviene, así que la limpieza general debe hacerse antes de soldarlos. Luego, con un bastoncillo impregnado se puede quitar.

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Instrucciones de monaje.

No intente montarlo si no tiene conocimientos sobre cómo protejerse de los peligros de la electricidad. PCPaudio.com no se responsabiliza de los accidentes que su uso pueda causar.

Es necesario utilizar un soft start, para evitar los picos de corriente demandados para cargar los condensadores al encender. Si no, es posible ver parpadear las bobillas de la habitación, ocasionalmente saltan el limitador. Un speaker enable no es necesario porque casi no produce ruidos cuando se enciende, pero es recomendable, si hay música mientras se apaga el recorte (clipping) es molesto.

La etapa tiene exactamente 6 cables. Tres de ellos son los de alimentación, +24V, -24V y tierra. Otro de ellos es la salida de audio de potencia, y los otros dos restantes son la señal de entrada.

En el esquema se indica cual es cada uno de ellos, visto desde arriba.

Una vez que esta todo comprobado, que las soldaduras están bien, que no hay hilillos de cobre sueltos en la PCB, volvemos a comprobarlo todo. Cuando estemos seguros, hacemos lo siguiente:

  • Comprobamos que la fuente de alimentación funciona correctamente sin conectarla a las etapas. Debe dar entre 24 y 35V, ya que sin demanda de corriente se carga con el valor de pico de la onda, que son aproximadamente 35V. Debemos descargar lo condensadors a través de una resistencia bobinada de 50 Ohm. Es muy importante dejarlos descargados, almacenan energía y pueden darnos un susto.
  • Atornillamos los transistores al disipador de calor. Deben estar aislados de él, con almohdillas térmicas o con mica y grasa térmica.
  • Conectamos la entrada de señal a la entrada de tierra de señal.
  • Conectamos la tierra a la fuente de alimentación.
  • Conectamos las entradas de tensión de +24V y -24V a la fuente de alimentación a través de dos resistencias bobinadas de 50 Ohm, de 5W. Así si algo falla no quemaremos nada.
  • Colocamos el potenciómetro en el mínimo, para que la etapa de salida esté en clase B.
  • Colocamos las sondas del polímetro en modo VDC entre la salida del altavoz y tierra.
  • Encendemos. Si todo va bien, en pocos segundos debe estabilizarse y marcar un valor muy próximo a 0V, en menos de 1 minuto llega a un nivel de +-10mV

Esto quiere decir que parece que funciona. Ahora hay que probar con una onda senoidal (si no se dispone de un osciloscopio no pasa nada, con el polímetro se puede medir). Conectamos la entrada al RCA y con un generador de ondas o el ordenador le introducimos una señal senoidal de 0,15V y 400Hz. A la salida del amplificador colocamos el polímetro en modo VAC. Debe dar una medida de varios voltios, y debe ponerse a cero en el momento que se interrumpe la señal.

Si todo es correcto, polarizaremos la etapa. Para esto, primero protegemos la salida de un posible cortocircuito, con cinta aislante o algo así. Colocamos el polímetro en modo VDC alrededor de las resistencia de 50 Ohm. Encendemos, y veremos que al principio se produce una gran demanda. Esto es para cargar los condensadores de la etapa. Luego llegará a un nivel de alrededor de 0.8V y se estabilizará.

Ahora empezamos a mover MUY SUAVEMENTE el potenciómetro. Al principio no sucede nada porque le cuesta salir de la clase B, pero llega un momento que empiezan a subir los voltios. Terminaremos cuando marque 3V. Luego hay que esperar para ver cómo se comporta térmicamente. Cuando se caliente, ese valor variará entre uno o dos voltios (deslizamiento térmico). Debemos esperar 5 minutos y comprobar que el mismo se estabiliza. Pasado un rato, volveremos a aumentar la corriente de polarización mediante el potenciómetro, hasta que marque 5V. Se volverá a calentar y llegará a unos 5.5, pero no debe pasar de 6 en ningún caso. Si la tensión sube demasiado, hay que apagarlo y volver a empezar. Las peculiaridades de la etapa de salida hacen que sea una etapa que cuesta polarizar, varía enormemente.


Esto le proporciona una corriente de polarización de salida de unos 150-200mA, lo suficiente para obtener tasas de distorsión tan bajas como las medidas. Ahora estamos preparados para conectarlo a un altavoz de pruebas. No hace casi ningún ruido al encenderse. Conectamos la entrada a un preamplificador (o al ordenador mismo) con el volumen al mínimo. Cuando esté encendido, subimos el volumen poco a poco. La música debe surgir del invento. A partir de ahí, estamos listos para sustituir las resistencias bobinadas por fusibles de 2-2.5A y montarlo en el chasis definitivo.

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