Nostalgia

En 25 W Klasse A Effektforsterker (a la JLH)

I 1969 John Linsley Hood publiserte en liten Klasse A effektforsterker. Forsterkeren fikk et godt rykte for ytelsen til tross for den begrensede utgangseffekten. Originalartikkelen kan finnes her. Skjemaet er vist nedenfor.

Jeg vil ikke gå i detalj her, men Nostalgia er konfigurert på samme måte. Det er imidlertid to hovedforskjeller. Nostalgia bruker kun FET-transistorer, og den bruker også en delt spenningsforsyning. Sistnevnte gjør at vi unngår utgangskondensatoren, mens FET-inngangen gjør det mulig å unngå kondensatoren også på inngangen. FET-delen er inspirert av Nelson Pass, som i 2005 så på den originale JLH-forsterkeren vist ovenfor med nye øyne. Han fjernet inngangstrinnet og erstattet de andre transistorene med MOSFET-er, noe som resulterte i PLH-forsterkeren som er vist nedenfor. Artikkelen finner du her. Her har Nelson Pass introdusert et potensiometer (P2) som sammen med bootstrap-kondensatoren (C2) kan variere forsterkeren fra å operere i push-pull til single ended. I artikkelen kan du også studere forvrengningstallene for de ulike potensiometerinnstillingene og Nelson Pass-preferansene.

I Nostalgia-forsterkeren har jeg ikke brukt et potensiometer, men en bryter for å bytte mellom Single ended og Push-pull konfigurasjon. Skjemaet av Nostalgia er vist nedenfor.

Inngangstrinnet

Inngangstrinnet er vist i figuren under. Jeg bruker P-kanal JFET J175 fra Fairchild som forsterker. IDSS-variasjonen er ganske stor. Jeg har brukt transistorer med IDSS på ca 20 mA.

Fra karakteristikken nedenfor kan du se at en 1,8 kohm motstand (R14) vil gi ca ID =1,5 mA drenstrøm (drain current) for VGS = 2,7 V som arbeidspunkt for J5 (forutsatt at utgangen er på 0 V DC), siden ID = VGS/R14. Potensiometeret P6 brukes til å stille inn arbeidspunktet for M18 (og M11). Forsterkningen i det første trinnet er gitt av transkonduktansen til JFET og motstandene R4 og P6. Transkonduktansen som funksjon av drenstrømmen er vist i figuren til venstre. Forsterkningen er gitt av:

Push-pull/Single ended operasjon

Fasesplitteren utgjøres av M11, se skjemaet nedenfor.

Signalet på spring (source) til denne MOSFET'en er i fase med signalet på grind (gate), og signalet ved dren (drain) til denne MOSFET'en er faseinvertert. Dette betyr at effekt-MOSFET-ene M16 og M18 vil minke og øke utgangsstrømmen i utakt. Koblingen av C20 i den øvre enden av R9 innebærer at de to transistorene drives i push pull-modus, dvs. når strømmen i M16 øker, reduseres strømmen i M18, og omvendt. Men når C20 er koblet til den nedre enden av R9, er M16 nærmest koblet som en strømgenerator og M18 må levere mesteparten av strømvariasjonen, vi kan si at utgangen drives Single ended. Forsterkningen er lavere for Single ended. Når man ser bort fra effekten av C20 og R10, er forsterkningen:

Her er RLoad høyttalerlasten (her antatt 8 ohm) og gm er transconduktansen til M18 (ca 5 S ved en hvilestrøm på 1.5 A). Faktisk er forsterkningen A2 noe høyere på grunn av bootstrapping (C20 og R10): A2 ≈ 23 dB. Ved bruk i push-pull er forsterkningen ca. 3 dB høyere: A2 ≈ 26 dB. Den resulterende åpne sløyfeforsterkningen er dermed A ≈ 44 dB i Single ended-modus og A≈ 47 dB i Push-pull-modus. Åpensløyfebåndbredden er omtrent 40 kHz og 30 kHz for henholdsvis Single ended og Push-pull. Den resulterende forsterkningen med lukket sløyfe med R4 = 120 ohm er G ≈ 23dB med en båndbredde som strekker seg opp til 700 kHz.

Forvrengningen er høyere i Single ended operasjon, idet det has høyere andre ordens harmonisk forvrengning. I Push pull er forvrengningen lavere, men forsterkeren kan da levere mer strøm til lasten. Utgangsimpedansen er også høyere for Single ended enn for Push pull. Valget mellom Push pull og Single ended operasjon gjøres med en bryter på forsterkerens bakplan (I PLH forsterkeren gjøres denne operasjonen med potensiometeret P2).

Strømforsyning

Jeg startet med en vanlig uregulert strømforsyning med ekstra RC-filtrering, se skjemaet nedenfor.

Dette var imidlertid ikke tilstrekkelig for den negative forsyningen (M11 og M18 opererer i felles grind (gate) for signaler på spring (source)), siden det ble noe rippel på forsterkerutgangen som var hørbar. Så en ekstra RC-seksjon ble lagt til for den negative forsyningen med en ekstra motstand på en ohm og en 22000 μf kondensator. En bedre løsning kan kanskje være å bruke en kapasitansmultiplikator i stedet for all RC-filtreringen. Jeg har brukt en 2x18 V 500 VA transformator (TR i figuren over) felles for de to kanalene. Likeretteren og filterkondensatorene er imidlertid separate for de to kanalene. Spenningen er ca. 24 V for den positive forsyningen og ca. 23 V for den negative forsyningen. Dette betyr at forsterkeren maksimalt kan levere ca 25 W til en 8 ohm belastning. Likeretteren skal tåle minst 35 A. Effektmotstandene som brukes er 5 W trådviklede typer. Filterkondensatorene bør være merket for mer enn 25 V.

Oppbygging

Det trykte kretskortet (PCB) måler ca 99x52 mm, se komponentplasseringen her. Utlegget er vist her. Med unntak av effektmotstandene brukes 0,6 W metallfilmoksidmotstander med 1 % toleranse. Effektmotstandene R17 og R19 er vanlige trådviklede 3 W-typer. Hvis du vil endre forsterkningen, øk R4 for å redusere forsterkningen, og omvendt. Utgangstransistorene som brukes for M16 og M18 er IRFP240 fra International Rectifier (IR). Hvis du leter etter en erstatning for disse, sørg for at de er vertikale MOSFET-er. Disse krafttransistorene er montert direkte på kjølefinnen. Fasedeleren er IRF610, som også kommer fra IR. Dette er også en vertikal MOSFET, men denne transistoren er ikke montert på den store kjølefinnen. Jeg har ikke prøvd noen erstatning for denne transistoren. Jeg har montert kretskortet direkte på kjølefinnen.

Utgangene fra transformatoren føres til likeretterne som vist i strømforsyningens skjema. Jeg har brukt prinsippet om stjernejording her; det vil si at jeg bruker en felles kobling mellom filterkondensatorene (C4, C5, C8, C9) til midtpunktet fra transformatoren. Dette punktet kobles så til et stjernepunkt hvor høyttalerminus også er koblet til. GNDS-terminalen på PCB er også koblet til dette stjernepunktet. Det samme er GND-terminalen på kretskortet. Jeg har også koblet GNDF-terminalen på PCB-en til GNDS-terminalen på selve PCB-en. Signaljorden (SG) på PCB med inngangen kobles til phono-kontakten på baksiden av forsterkeren med en skjermet kabel. Jeg har brukt en chassisforbindelse fra stjernejord. Fra høyttaler plussutgang har jeg brukt en enkelt leder til OUT på PCB. Du kan prøve andre jordingsløsninger, men hvis en slags ustabilitet eller støy skulle oppstå, er sannsynligheten stor for at årsaken er dårlig ledningsføring (f.eks. jordsløyfer).

Finalen

Jeg brukte en variabel likespenningsgenerator første gang forsterkeren ble startet opp. Når strømforsyningsspenningen ble økt, ble både utgangsoffsetspenningen og tomgangsstrømmen justert ved hjelp av potensiometrene P6 og P23. Tomgangsstrømmen ble satt til ca. 1,6 A. Det anbefales å kjøre denne forsterkeren med høy tomgangsstrøm, jo høyere jo bedre. Kjølefinnene må imidlertid være store, og kjølefinner med en maksmal termisk motstand på 0,35 K/W anbefales. Tomgangsstrømmen og offsetspenningen ble justert på nytt når den ordinære strømforsyningen ble koblet til. Stillestrømmen er ganske stabil når kjølefinnene når sin arbeidstemperatur.