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VHF-1 versione 1.2: Il progetto

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9/5/2011, 19:59
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Il VHF-1 è un amplificatore per cuffia adatto ad essere collegato a qualunque sorgente audio (lettori CD, DAC, etc.) ed è in grado di pilotare qualunque cuffia in commercio, sia a bassa che ad alta impedenza.

Caratteristiche del VHF-1 ver. 1.2:

- Finale in classe A, single-ended
- Alimentazione duale standard di +/- 15 volt
- PCB di dimensioni 160x100
- Alimentatore integrato sulla stessa PCB (trasformatore escluso)
- Completamente accoppiato in DC (senza condensatori sul segnale)
- Nessuna taratura da fare
- Completamente a discreti
- Circuito di servo-DC
- Circuito di protezione cuffia e ritardo all'accensione
- Componenti di facile reperibilità e basso costo
- Zero NFB totale e bassa impedenza d'uscita

Classe A
Non c'è dubbio che tra gli audiofili la polarizzazione in classe A sia la più amata/odiata. Amata per la sua superiorità sonora, odiata per la sua estrema inefficienza. In un classe A, tipicamente l'80% dell'energia si tramuta in calore. Questo comporta tutta una serie di conseguenze, ma la più noiosa è senza dubbio la necessità di smaltire il calore generato. Vediamo cosa comporta questo considerando la potenza necessaria a pilotare una cuffia.

Tipicamente, una cuffia può dissipare/gestire una potenza di circa 100 mW, cioè 0,1 Watt. E' un valore abbastanza elevato, che con alcune cuffie non viene mai raggiunto durante l'ascolto. Per avere un buon margine, moltiplichiamo questo valore per 2 ed otteniamo quindi 0,2 Watt di potenza massima da erogare. Dividiamo ora per l'impedenza minima che vedrà il nostro ampli, supponiamo una cuffia da 30 ohm, ed otteniamo un valore la cui radice quadrata ci dirà quale sarà la corrente massima circolante nel carico: 0,082 Ampere, cioè 82 mA. Come si vede, anche nel caso peggiore di una cuffia da 30 ohm e al massimo della potenza sopportabile da questa, la corrente sarà minuscola, e ciò è il motivo per cui la classe A è particolarmente allettante in un ampli per cuffia. Anzi, è il motivo per cui non ha senso non utilizzarla.

Specifiche del VHF-1 ver. 1.2
- Zero controreazione totale
- Parte audio completamente a discreti
- Risposta in frequenza: DC - 1.5 MHz -3 dB
- Impedenza d'ingresso: 10 Kohm
- Accettazione all'ingresso: 24 Volt picco-picco
- Impedenza d'uscita: 3 ohm
- Potenza max.: 280 mW (32 ohm, versione 90 mA di bias)
- Potenza max.: 1.5 W (200 ohm, 90 mA bias), 2.2 W (400 ohm, due canali a ponte)
- THD + noise 0.003% su 200 ohm 0 dbV (10 KHz)
- THD + noise max 0.06% su 200 ohm prima del clipping (10 KHz)
- Rapporto S/N lineare tipico: -120 dB
- Slew rate 30 V/uS

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Completamente in DC
Su questo credo ci sia poco da dire: niente condensatori sul segnale vuol dire che non si va in paranoia alla ricerca del condensatore d'uscita esoterico che costa quasi quanto l'ampli. Avevo dei dubbi (e ce l'ho tuttora) sul condensatore all'ingresso. Per due motivi: primo, perchè all'ingresso il valore eventualmente da utilizzare sarebbe compatibile con l'uso di condensatori in polipropilene, senza grande sforzo economico o di spazio; secondo perchè non si è mai sicuri che la sorgente collegata al nostro ampli non abbia di suo una componente continua, che verrebbe amplificata alla stregua del segnale d'ingresso e che potrebbe danneggiare la cuffia.

L'accoppiamento in DC comporta necessariamente l'utilizzo di un servo-controllo per mantenere la tensione in uscita (a riposo) esattamente a zero volt. Tale servo-controllo è anche una specie di cane da guardia per l'eventuale componente continua all'ingresso: in un attimo l'offset in uscita viene annullato dal servo-DC. Se ciò si dovesse mai verificare, le conseguenze sarebbero uno sbilanciamento dell'amplificatore, ma la cuffia ne uscirebbe indenne. Per aumentare ulteriormente la sicurezza, ho previsto un circuito di disattivazione della cuffia nel caso sia presente della corrente continua all'uscita. Per questo motivo il condensatore all'ingresso non c'è.

Alcuni ritengono l'utilizzo di un servo-DC dannoso all'ascolto, e per questo ho effettuato diversi test, con e senza servo-DC. Effettivamente, se la costante di tempo non è alta a sufficienza, c'è il rischio che parte delle basse frequenze del segnale audio riescano ad influenzare il circuito di ingresso, creando una sorta di NFB non voluta, alterando la risposta in frequenza e peggio ancora la risposta in fase.

La costante di tempo molto alta del servo-DC del VHF-1 fa sì che questo non sia possibile, mantenendo il servo-DC completamente al di fuori del percorso audio.



Ultima modifica di bandAlex il 13/10/2011, 00:23 - modificato 6 volte.
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7/8/2011, 23:06

Per le modifiche, vedere gli ultimi post di questo thread.

plane


Ultima modifica di bandAlex il 5/10/2011, 14:45 - modificato 4 volte.
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8/8/2011, 08:41
Ho alcune domande da porre la prima - scontata - delle quali è sulla causa del miglioramento : sono state ragioni di ordine teorico a portarti a questa nuova release e quali sono state le conseguenze del cambiamento sul piano pratico dell'ascolto ?
Posto che ogni progetto è figlio del momento in cui nasce ed ha la sua dignità è consigliabile comunque il passaggio a questa nuova release e - riagganciandomi a quanto scritto sopra - cosa ci si deve aspettare di nuovo e migliore ?
:|
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8/8/2011, 12:31
Non avevo ancora visto lo schema del VHF-1. Molto bello anche questo. Complimenti. :D
Vedo con piacere che è stata ridotta la capacità di compensazione C4 (una delle mie "fissazioni"). Molto positivo anche il fatto di aver aumentato la resistenza che porta il segnale di controllo del servo-DC alla rete di controreazione.
Non mi riesco a spiegare una cosa: come mai R7 e R17, nella nuova release, hanno valori differenti? Credo che in questo modo si sbilancino le correnti di ingresso dello stadio differenziale, o sbaglio? :D


:D
Ciao.
Giulio.
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8/8/2011, 12:51
Più tardi nel pomeriggio scriverò qualcosa relativamente alle modifiche della 1.2, per il momento chiarisco che quelle ora pubblicate, sono solo una parte della nuova versione, perchè le rimanenti modifiche circuitali impongono il cambio della PCB, come ad esempio l'aggiunta dello stabilizzatore sulla linea di alimentazione del rele'.

Dal momento che un paio di forumer stanno iniziando ora il lavoro di montaggio del VHF-1, mi sembrava utile mettere le modifiche che sono facilmente applicabili alla PCB che hanno già, che comportano miglioramenti sia strumentali che all'ascolto.

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8/8/2011, 12:54
bandAlex ha scritto:[...]
Dal momento che un paio di forumer stanno iniziando ora il lavoro di montaggio del VHF-1, mi sembrava utile mettere le modifiche che sono facilmente applicabili alla PCB che hanno già, che comportano miglioramenti sia strumentali che all'ascolto.

Hai fatto benissimo. :D
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8/8/2011, 13:09
bandAlex ha scritto:Più tardi nel pomeriggio scriverò qualcosa relativamente alle modifiche della 1.2, per il momento chiarisco che quelle ora pubblicate, sono solo una parte della nuova versione, perchè le rimanenti modifiche circuitali impongono il cambio della PCB, come ad esempio l'aggiunta dello stabilizzatore sulla linea di alimentazione del rele'.

Allora mi sa che la famiglia di VHFxx subirà un allargamento... tongue
Mi prenoto sin d'ora per la prossima PCB ! ;)

bandAlex ha scritto:
Dal momento che un paio di forumer stanno iniziando ora il lavoro di montaggio del VHF-1, mi sembrava utile mettere le modifiche che sono facilmente applicabili alla PCB che hanno già, che comportano miglioramenti sia strumentali che all'ascolto.

Tali modifiche sarebbero estendibili anche alla realizzazione del VHF1 bridged, vecchie PCB ?
E conviene metter mano a quelle precedentemente realizzate secondo te, scontando il rapporto rischio cazzate/benefici ( :oops: ) durante il lavoro di modifica ?
:)
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8/8/2011, 13:21
Dirty Harry ha scritto:Tali modifiche sarebbero estendibili anche alla realizzazione del VHF1 bridged, vecchie PCB ?

Se per vecchie intendi quelle marchiate 1.1D, allora direi di sì, visto che il circuito non è cambiato sostanzialmente.


E conviene metter mano a quelle precedentemente realizzate, secondo te scontando il rapporto rischio cazzate/benefici ( :oops: ) durante il lavoro di modifica ?

Queste modifiche, come si può vedere intervengono solo sul valore di alcune resistenze, e l'eliminazione di alcuni condensatori, quindi se si fa attenzione non dovrebbero esserci problemi.

La tecnica da usare è quella di staccare le resistenze con le tronchesine, e saldare quelle nuove sulle piazzole lato componenti, quindi senza cercare di dissaldare e di ripristinare i fori passanti, operazione difficile e rischiosa.
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8/8/2011, 14:27
bandAlex ha scritto:
Se per vecchie intendi quelle marchiate 1.1D, allora direi di sì, visto che il circuito non è cambiato sostanzialmente.

Sì, sono quelle ordinate tramite Gabriele.



bandAlex ha scritto:
Queste modifiche, come si può vedere intervengono solo sul valore di alcune resistenze, e l'eliminazione di alcuni condensatori, quindi se si fa attenzione non dovrebbero esserci problemi.

La tecnica da usare è quella di staccare le resistenze con le tronchesine, e saldare quelle nuove sulle piazzole lato componenti, quindi senza cercare di dissaldare e di ripristinare i fori passanti, operazione difficile e rischiosa.

O.K. !
Ma non hai dettagliato la portata dei miglioramenti, pur ammettendoli...
Mi sa che la vecchia VHF1.e me la tengo così com'è ed introduco i cambiamenti sulla Versione Bridged.
Aspettando il prossimo gruppo d'acquisto dell'1.2... ;)
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8/8/2011, 19:59
Dirty Harry ha scritto:O.K. !
Ma non hai dettagliato la portata dei miglioramenti, pur ammettendoli...
Mi sa che la vecchia VHF1.e me la tengo così com'è ed introduco i cambiamenti sulla Versione Bridged.
Aspettando il prossimo gruppo d'acquisto dell'1.2... ;)

Penso che chi ha già il VHF-1 ed è soddisfatto, non ha necessità di fare l'aggiornamento, soprattutto coloro che hanno già sigillato il cabinet. :D

Per chi invece deve ancora assemblarlo il discorso è diverso, è ovvio che conviene applicare le ultime modifiche, visto che sono a costo zero.

Non fa differenza versione bridged o stereo, le modifiche si applicano tali e quali.

E ora vediamo di cosa si tratta. Giulio ha già scritto qualcosa, indicando giustamente il dimezzamento del condensatore C4/C23 come fatto molto positivo.

Quel condensatore (parlo di un solo canale, il discorso è uguale anche per l'altro) è la cosiddetta capacità di compensazione di Miller, ed è molto importante in quanto garantisce la stabilità a tutto l'amplificatore. Il valore di tale capacità non è casuale, ma è definito da un'opportuno calcolo, del quale i parametri più importanti sono la trasconduttanza dello stadio di ingresso e il massimo slew-rate che bisogna mantenere per non mandare in distorsione l'amplificatore.

Il massimo slew-rate è definito a sua volta dal massimo swing di tensione che ci serve sul carico peggiore, che corrisponde al carico dove serve la massima escursione, ovvero le cuffie ad alta impedenza che come noto hanno bisogno di tensioni più elevate.

Benchè lo slew-rate necessario nel caso delle cuffie non sia stratosferico, è bene però che sia il più alto possibile, e per fare questo si deve viceversa diminuire il valore di C4, restando però nei limiti per mantenere l'amplificatore stabile. Insomma, l'ideale sarebbe poter fare a meno di quel condensatore, ma poichè ciò non è possibile, si cerca di minimizzarne il valore, e quindi gli effetti.

L'occasione di poter dimezzare il valore di C4, nasce dal fatto di aver aumentato il valore delle resistenze R1 e R2. L'aumento di questi valori porta a una consistente diminuzione della trasconduttanza del differenziale (Q1 e Q2), in quanto è maggiormente degenerato rispetto a prima, e questo aumenta il margine di stabilità, consentendoci di diminuire C4. Un altro effetto benefico dell'aumento di R1 e R2 è quello di linearizzare ancora di più Q1 e Q2, rendendo di fatto tutto lo stadio di ingresso più lineare. Di contro, si ha però una diminuzione della controreazione totale (allo stadio di ingresso), visto che il gain a loop aperto diminuisce, ma ciò non ci preoccupa più di tanto in quanto la THD prodotta dallo stadio è già a livelli irrisori, e quindi è preferibile linearizzare il differenziale mangiandosi un po' di open loop gain, con il benefico effetto di poter dimezzare C4. Come vedete, ogni variazione a un componente è legata a quella dell'altro, e ha una precisa ragion d'essere.

Nella versione 1.1E, si era già su questa strada, e se ricordate bene il condensatore C4 ha già subito una diminuzione consistente, e in quel caso la strada fu spianata dalla diminuzione della corrente nel differenziale (che influisce sulla sua trasconduttanza) apportata con l'aumento di R3 a 330 ohm, che fu deciso a sua volta per diminuire la corrente circolante nel potenziometro.



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8/8/2011, 21:29
Giulio ha scritto:Non avevo ancora visto lo schema del VHF-1. Molto bello anche questo. Complimenti. :D
Grazie Giulio.

Vedo con piacere che è stata ridotta la capacità di compensazione C4 (una delle mie "fissazioni"). Molto positivo anche il fatto di aver aumentato la resistenza che porta il segnale di controllo del servo-DC alla rete di controreazione. Non mi riesco a spiegare una cosa: come mai R7 e R17, nella nuova release, hanno valori differenti? Credo che in questo modo si sbilancino le correnti di ingresso dello stadio differenziale, o sbaglio? :D
Sì, bisognerebbe cercare di mantenere le correnti bilanciate, per il semplice motivo di non alterare l'offset del differenziale. Nel VHF-1 però questo è un problema relativo, in quanto c'è un servo-dc che controlla l'uscita. In realtà le correnti non erano bilanciate neanche prima, in quanto il potenziometro è collegato in continua, e per giunta presenta un valore resistivo che cambia in base alla posizione della manopola.

Per continuare nella disamina, il valore di R7 è stato portato a 75 Kohm, in modo da portare il gain dello stadio di ingresso a circa 8 volte. Mi sono reso conto infatti che con alcune cuffie il VHF-1 rischiava di avere la manopola del volume troppo ruotata verso destra. Questo valore di gain mi sembra che sia l'ideale compromesso, mentre invece la R7 si trova ora al massimo consentito, per non portare il rapporto S/N sopra i -100 dB (a causa del rumore di Johnson).

Ci si potrebbe chiedere come mai non abbia adottato per entrambe R7 e R8 valori più bassi, abbattendo quindi il rumore di Johnson e mantenendo lo stesso rapporto e quindi lo stesso gain. Il motivo è che non volevo caricare eccessivamente il collettore di Q4, che è già caricato dall'impedenza del finale, che come sappiamo è piuttosto bassa.
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10/8/2011, 11:36
Essendo tutto accoppiato in DC, ci si ritrova una piccola corrente circolante nel potenziometro. Ho visto che hai già preso tutte le "contromisure" necessarie facendo scorrere una modesta corrente nel differenziale.
All'atto pratico, quando si ruota il potenziometro, è completamente silenzioso?

PS: Ottima l'idea di degenerare maggiormente il differenziale di ingresso.

:D
Ciao.
Giulio.
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10/8/2011, 11:57
Hai centrato uno dei possibili problemi del potenziometro collegato direttamente alla base di un BJT. :)

In effetti nella versione iniziale del VHF-1 si sentiva qualcosa, soprattutto ad ampli freddo, appena acceso. Nella versione 1.1E il problema è quasi del tutto scomparso.

E' proprio questo il motivo per cui qualche tempo fa presi in considerazione i JFET per il differenziale. Ma le prove di ascolto non mi convinsero (le misure erano solo leggermente peggiori) e tornai ai BJT. C'è da dire che per sbrigarmi non apportai grandi modifiche al circuito, limitandomi a mettere i JFET al posto dei BJT e a modificare i valori delle resistenze per adeguarli ai nuovi componenti, per cui dovetti usare dei JFET a canale p, che hanno prestazioni inferiori rispetto a quelli a canale n.
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10/8/2011, 12:00
Alex riesci ad indicare le modifiche anche sulla PCB come facesti a suo tempo per il passaggio dalla 1.1D alla 1.1E? Io devo ancora fare l'upgrade (non mi sono ancora deciso a comprare un benedetto dissaldatore......che poi mi serve anche per altre cosucce) e quindi colgo l'occasione per passare dalla 1.1D direttamente alla 1.2
Grazie
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10/8/2011, 12:04
Ciao Andrea, avevo già pensato di farlo, e credo per domani di pubblicare le foto con le indicazioni.

Riguardo alla sostituzione dei componenti (parliamo di resistenze, soprattutto) se vedi che il dissaldatore fa bene il suo lavoro, procedi su quella strada, altrimenti il mio consiglio è quello di staccare i componenti con le tronchesine e di risaldarli direttamente sopra le piazzole, senza tentare di ripristinare il foro passante. Per le resistenze soprattutto, questo è il modo che consente (senza un dissaldatore professionale) di fare un lavoro pulito e quasi invisibile.
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10/8/2011, 12:15
bandAlex ha scritto:Hai centrato uno dei possibili problemi del potenziometro collegato direttamente alla base di un BJT. :)
[...]

Infatti questa è la motivazione per cui negli amplificatori che volevo realizzare senza condensatori sul percorso del segnale ho sempre adottato i JFet (o meglio, non sempre, nell'ultimo ho usato addirittura dei MosFet di potenza per ridurre gli stadi a due).

:D
Ciao.
Giulio.
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10/8/2011, 12:24
Questa cosa della corrente nel potenziometro non mi ha fatto dormire la notte, quando è partito il primo gruppo di acquisto, ora posso confessarlo. :D

A quanto pare ho sopravvalutato il problema, perchè nessuno si è mai accorto di nulla. O meglio, il rumore durante la rotazione è talmente basso che bisogna appositamente farci caso (io lo sapevo, ma chi è che gira la manopola del volume senza segnale all'ingresso?).

Per i JFET mi sono ripromesso di fare un altro tentativo, usando però quelli a canale n. Il che comporterà l'inversione di polarità di tutti i semiconduttori dello stadio di ingresso, per cui servirà una PCB apposita.
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30/8/2011, 21:38

Per le modifiche, vedere gli ultimi post di questo thread.

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Ultima modifica di bandAlex il 5/10/2011, 14:46 - modificato 1 volta.
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30/8/2011, 23:17
Alex, consigli di fare l'upgrade a chi ha la 1.1e?
In caso è difficile? A suo tempo non ho avuto particolari difficoltà a passare dalla d alla e...

Grazie
Matteo
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30/8/2011, 23:25
micio_mao ha scritto:Alex, consigli di fare l'upgrade a chi ha la 1.1e?
In caso è difficile? A suo tempo non ho avuto particolari difficoltà a passare dalla d alla e...

Grazie
Matteo

No, non è difficile. Si tratta di cambiare alcune resistenze che già hai cambiato a suo tempo per passare da D ad E, togliere qualche condensatore ed aggiungerne altri. Roba di routine.

Sulla qualità sonora non ti so dire, sto aspettando una resistenza per ultimare la modifica.....sentiamo che dice Alex :)
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30/8/2011, 23:29
Grazie Andrea,
bene bene, sono proprio curioso di capire le differenze all'ascolto..
Più ascolto musica con il VHF1 e più mi sorprende..

Matteo
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31/8/2011, 10:51
micio_mao ha scritto:Alex, consigli di fare l'upgrade a chi ha la 1.1e?
In caso è difficile? A suo tempo non ho avuto particolari difficoltà a passare dalla d alla e...

Grazie
Matteo

Se non hai trovato difficoltà a passare dalla d alla e, allora non dovresti avere difficoltà neanche ora. Se sei soddisfatto del tuo VHF-1, la domanda da porsi è che vantaggi apporta la 1.2. E posso dire con sicurezza che dal punto di vista sonoro si ha la percezione di una gamma bassa leggermente più presente, e in generale un suono più rifinito in gamma alta.

Tecnicamente, contribuiscono soprattutto la modifica di R21, che isola maggiormente il servo-dc, il dimezzamento di C4 (legato all'aumento di R1 e R2) e i condensatori in parallelo agli zener, in particolare C40. Anche se l'apporto alle misure di questo condensatore è evidente solo nella regione delle centinaia di kilohertz, ho la sensazione che il suo contributo migliori leggermente la gamma alta.

Si tratta di piccole sfumature, non di uno stravolgimento, ma se la modifica non costa troppa fatica, la si fa senza pensarci troppo.

Ne è passato di tempo da quando scrissi che la 1.1E sarebbe stata l'ultima versione... le cose sono cambiate con il nuovo forum, ma credo davvero che la 1.2 sarà l'ultima modifica del VHF-1, che secondo me non ha più grossi margini di miglioramento, senza stravolgere il progetto.

Con il VHF-2 eviterò la strategia delle versioni: ci sarà un'unica release, un'unica versione, un'unica pcb.
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31/8/2011, 11:19
bandAlex ha scritto:
Con il VHF-2 eviterò la strategia delle versioni: ci sarà un'unica release, un'unica versione, un'unica pcb.

Questa è una gran bella notizia per me :)

Più che altro perchè puoi "ci"......(ehm diciamo più ti :face: ) possiamo dedicare ad un altro bel lavoretto.

Voglio l'impianto full BandAlex :cheers:
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31/8/2011, 12:41
bandAlex ha scritto:
micio_mao ha scritto:Alex, consigli di fare l'upgrade a chi ha la 1.1e?
In caso è difficile? A suo tempo non ho avuto particolari difficoltà a passare dalla d alla e...

Grazie
Matteo


Se non hai trovato difficoltà a passare dalla d alla e, allora non dovresti avere difficoltà neanche ora.
Si tratta di piccole sfumature, non di uno stravolgimento, ma se la modifica non costa troppa fatica, la si fa senza pensarci troppo.

Grazie Alex,
allora sicuramente passerò alla 1.2 magari attendo qualche foto così andrò meglio a fare le modifiche ;-)

Matteo
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31/8/2011, 23:12
Ecco la posizione dei 4 condensatori da 470 pF, e quelli da 100 nF in parallelo agli zener (i 4 un po' più grandi).

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