Una nuova avventura

b.veneri ha scritto:Non vedo l'ora [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Anche io [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine].

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Ciao.
Giulio.

Set di misure effettuate sulla scheda del finale del Lightning

Impedenza di ingresso: circa 400 Kohm
Impedenza di uscita: 12 / 120 ohm (selezionabile)
Gain: circa 1

Banda passante (3 MHz)
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Banda passante dopo piccola modifica (10 MHz)
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Onda quadra 10 KHz, 10 Vp, carico 100 ohm
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Onda quadra 100 KHz, 5 Vp, carico 100 ohm
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Fondo di rumore, ingresso su 50 ohm, carico 100 ohm, banda 80 KHz
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Fondo di rumore, banda 500 Hz
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Mancano ancora le misure di THD, e la potenza su varie impedenze di carico.

Alex potresti allegare alle misure un commento esplicativo/didattico per chi come me non ne capisce nulla?
Magari quando avrai completato il set di misure con quelle mancanti.

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Ovviamente... devo fare un altro paio di test e poi ne parleremo insieme.

bandAlex ha scritto:
Ovviamente... devo fare un altro paio di test e poi ne parleremo insieme.

Salve!

Misure moooolto promettenti!

Rientro Lunedì prossimo, cosi se hai tempo iniziamo i test di ascolto.

bandAlex ha scritto:
Ovviamente... devo fare un altro paio di test e poi ne parleremo insieme. [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Grazie!!

Allora, cominciamo con la misura più eclatante, quella della banda passante.

Diciamo che questa misura serve a capire i limiti dello stadio finale nel dominio delle frequenze e, in ultima analisi, della sua "velocità".

Bandwidth, input 1 Vp 50 ohm, output load 100 ohm[Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Nel grafico ho indicato con la freccia gialla il punto in cui il segnale in ingresso (di colore verde) e quello in uscita dall'amplificatore (di colore rosso) si dividono, ovvero la frequenza a partire dalla quale il finale non è più in grado di gestire il segnale. Si tratta di rumore bianco a largo spettro, un segnale di tipo casuale che, detto in parole molto semplici, contiene tutte le frequenze possibili, dalla continua alla radiofrequenza.

Come si vede, la banda passante di questo finale è eccezionalmente ampia: 12.5 MHz.

Tale misura è confermata dall'onda a 100 KHz, su un carico di 100 ohm:
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Queste due misure indicano che ci troviamo di fronte ad uno stadio finale con una risposta ai transienti così veloce, da poterlo considerare il classico "straight wire with gain" (in questo caso il gain è in corrente).

(segue)

Nel grafico della banda passante la freccia rossa indica una zona, intorno ai 5 MHz, dove il segnale in uscita è leggermente superiore a quello in ingresso. Tale anomalia rappresenta di fatto una risonanza, dovuta alle capacità parassite dei transistor finali, che insieme alle induttanze parassite delle piste della pcb formano un circuito risonante. L'entità di tale risonanza è piuttosto blanda, per cui non comporta alcun problema di stabilità. Se il finale dovesse mai oscillare, la frequenza di oscillazione sarebbe proprio nei dintorni dei 5 MHz.

Ed ora passiamo alle misure di THD. Dirò subito che l'obiettivo non era quello di ottenere la più bassa THD possibile: per quello bisogna ricorrere ad alti tassi di NFB, oppure agli operazionali. Il nostro finale non è controreazionato (se si esclude la controreazione locale insita negli emitter follower), ed è un single-ended, per cui ci dobbiamo aspettare una percentuale di distorsione armonica proporzionale alla potenza erogata sul carico.

THD 1 KHz, 2 Vp, load 100 ohm[Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Con 2 Volt di picco su 100 ohm, che corrispondono a circa 20 mW RMS, la THD è solo di seconda armonica, e raggiunge lo 0.009% al netto della THD prodotta dal generatore di segnali.

THD 1 KHz, 5 Vp, load 100 ohm[Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Con 5 Volt di picco su 100 ohm, che corrispondono a circa 126 mW RMS, la THD sale allo 0.03%, e anche in questo caso è prevalentemente di seconda armonica.

THD 1 KHz, 10 Vp, load 100 ohm[Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Subito prima del clipping, con 10 Volt di picco su 100 ohm, corrispondenti a circa 500 mW RMS, la THD aumenta decisamente, e raggiunge lo 0.14% circa. In questo caso i prodotti di distorsione sono anche armoniche dispari, comunque di livello decrescente con la frequenza.

Ai normali livelli di ascolto, con le comuni cuffie dinamiche a media impedenza e media efficienza, la THD prodotta da questo stadio finale sarà a livelli praticamente irrisori.

bandAlex ha scritto:...

Tale misura è confermata dall'onda a 100 KHz, su un carico di 100 ohm:
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...

Cosa e' cambiato da questa onda quadra pubblicata un paio di post sopra?
Mi sembra di vedere nella 'vecchia' una oscillazione,un picco (a proposito, quale e' il termine esatto?)

bandAlex ha scritto:...
Onda quadra 100 KHz, 5 Vp, carico 100 ohm


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Diamo ora un'occhiata allo schema elettrico del finale del Lightning. Nello schema sottostante è riportata solo la parte amplificatrice di un solo canale, sono esclusi quindi tutti i circuiti "accessori" come il servo-dc, il circuito di protezione, etc.

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Del circuito ne ho già illustrato le caratteristiche qualche tempo fa, per cui ora riassumo brevemente gli aspetti principali.

Il segnale, tramite C35 e R28, arriva alla base di Q1, un inseguitore di emettitore con carico attivo, che sta lì con il solo scopo di aumentare l'impedenza di ingresso del finale ad un valore consono per lo stadio di preamplificazione a valvole. C35 in realtà, se si utilizza il preamplificatore del Lightning, è sostituito da un ponticello, in quanto il condensatore di accoppiamento è già presente sulla scheda preamplificatrice.

Q1 porta l'impedenza di ingresso ad un valore di tutto rispetto, circa 400 Kohm, che consentono di far lavorare lo stadio valvolare nella condizione più favorevole.

Tramite R14 il segnale arriva a T11, che insieme a T9 e T10 rappresenta il finale vero e proprio. T9 e T11 sono un cascode dinamico, mentre T10 e Q8 sono un carico attivo, ovvero un generatore di corrente costante (CCS), tarato su una corrente di circa 110 mA.

C47 è un condensatore di "speed-up" e serve a neutralizzare la capacità parassita in ingresso di T11, in modo da aumentare considerevolmente la velocità dello stadio ai transienti ed estendere in maniera eccezionale la banda passante. Questa è la piccola modifica di cui parlavo nel post precedente, non prevista sullo stampato del prototipo. Senza questo condensatore il circuito funziona perfettamente lo stesso, si tratta più che altro di una pignoleria, anche se - forse per l'effetto della suggestione - dopo l'aggiunta di questo piccolo condensatore mi sembra che la resa in gamma alta sia ulteriormente migliorata. Sicuramente è migliorata la risposta all'onda quadra alle alte frequenze, ma non posso dire con certezza quanto questo poi possa influire in fase d'ascolto.

(segue)

b.veneri ha scritto:Cosa e' cambiato da questa onda quadra pubblicata un paio di post sopra?Mi sembra di vedere nella 'vecchia' una oscillazione,un picco (a proposito, quale e' il termine esatto?)

I due grafici rappresentano la stessa misura, solo che la prima è con un segnale in uscita di 5 Vp, mentre la seconda di 1 Vp. Con il segnale di ampiezza maggiore è visibile un leggero over-shot (quello che chiami "picco"), ma la sua entità è minima, mentre molto più importante è la netta velocità di salita del segnale, che nella sua parte verticale è perfettamente sovrapposto al segnale di ingresso.

Uno stadio finale veramente veloce, ottimo! [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]
Alex, se per te non è un problema, potresti postare delle misure di THD anche a frequenza più elevata? (10Khz)

Ciao.
Giulio.

Questa è la THD a 10 KHz, sempre su carico di 100 ohm, 2 Vp (0.001%):
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5 Vp (non rilevabile):
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10 Vp (0.11%):
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Con il nostro finale possiamo permetterci anche una misura a 100 KHz, che non viene mai fatta:

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Siamo intorno allo 0.005%, per 5 Vp su 100 ohm.

Negli amplificatori che fanno uso della NFB per abbattere la THD, in genere quest'ultima aumenta all'aumentare della frequenza, perchè per via della necessaria compensazione l'efficacia della NFB è tanto minore quanto più alta è la frequenza.

Nella tipologia di circuito utilizzata nel Lightning, priva di NFB totale, non è detto che la THD aumenti con la frequenza, anzi è possibile che possa anche diminuire.

Ed ora alcune misure fatte sull'insieme finale + preamp del Lightning:

Banda passante:
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Onda quadra a 10 KHz, 10 Vp su 100 ohm:
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THD 1 KHz, 3 Vp su 100 ohm (0.005%):
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THD 10 KHz, 10 Vp su 100 ohm (0.087%):
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Veramente un eccellente risultato! [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]
Grazie mille, Alex.

Uno spettacolo!!!
Grazie Alex [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Alex e Nemo, quando avrete tempo, raccontateci anche un po' come suona. [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]
Ciao.
Giulio.

Questo è lo schema completo dello stadio di amplificazione di un singolo canale.
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Si vedono i due rami di alimentazione stabilizzati con shunt, e il servo-dc. Come vedete non è presente l'ultima modifica relativamente al condensatore di speed-up, in quanto non era ancora pronta l'immagine da usare per il web, ma per gli scopi illustrativi va benissimo questa che ho messo.

Per prima cosa, vorrei far notare una cosiddetta "anomalia" di questo schema. Nella quasi totalità dei progetti, sulle linee di alimentazione si trovano sempre uno o più condensatori elettrolitici, spesso bypassati da altrettanti condensatori a film plastico da 100 nF. Tali condensatori - parlo degli elettrolitici - servono a tenere bassa l'impedenza proprio di queste linee, e in definitiva ad evitare che le improvvise richieste di corrente sul carico si tramutino in variazioni di tensione sull'alimentazione. Ma nello schema qui sopra non ce n'è neanche uno.

Una linea di alimentazione perfetta dovrebbe avere un'impedenza verso massa uguale a zero, ovvero dovrebbe comportarsi come un generatore di tensione ideale. Un generatore di tensione ideale dovrebbe riuscire a mantenere costante la sua tensione a prescindere dalla corrente richiesta dal carico. Ovviamente, nella realtà un tale generatore non esiste. Si può solo tentare di avvicinarsi al modello ideale, ma spesso si tratta per l'appunto solo di un tentativo, con risultati più o meno buoni a seconda della soluzione adottata.

Perchè è importante che l'alimentazione abbia l'impedenza più bassa possibile - e quindi che la sua tensione non vari al variare del segnale audio? Il motivo è molto semplice: perchè tutto il segnale che attraversa il carico - ovvero la nostra cuffia - deve chiudersi attraverso l'alimentazione stessa.

Nell'immagine che segue si può vedere lo schema semplificato di uno stadio finale generico, le alimentazioni e il collegamento con la cuffia.
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Nei progetti cosidetti "esoterici", spesso l'alimentazione non è stabilizzata. Si preferisce rinunciare ai regolatori di tensione in quanto ritenuti dannosi dal punto di vista sonoro, e ci si affida completamente a batterie di condensatori, elettrolitici o costosi polipropilene, lungo le linee di alimentazione, come si vede nello schema semplificato.

Durante la semionda positiva del segnale, T11 conduce più corrente, che viene erogata dal ramo positivo di alimentazione, e i condensatori in prossimità del finale chiudono il collegamento:
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Stessa cosa per la semionda negativa:
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Per quanto possano essere costosi questi condensatori, e per quanti se ne possano mettere, essi comunque non possono garantire un'impedenza sufficientemente bassa da chiudere completamente il percorso, e quindi in realtà accade questo:
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Il percorso del segnale audio si chiude in parte sugli elettrolitici in prossimità del finale, e in parte su quelli di filtraggio. E' questo il motivo per cui gli audiofili spesso cambiano i condensatori di filtro e sentono differenze sonore. Le loro sensazioni sono ampiamente giustificate. Il problema, con questo tipo di alimentazione, è che si è completamente in balia dei condensatori elettrolitici. Non si scappa, anche se vengono eliminati altri condensatori sul percorso del segnale, e anche se si usano pregiati dielettrici in olio di oliva extra-vergine per tutti gli altri che rimangono: sempre attraverso almeno un elettrolitico si passa.

In alcuni progetti - diciamo bizzarri - i primi condensatori su cui si chiude il segnale di ritorno non sono nemmeno in prossimità dei finali, ma ben distanti. Con il risultato più probabile di rendere ancora più critici gli elettrolitici di filtraggio:
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Ed è probabile che nell'intento di rendere l'amplificatore più esoterico, l'alimentatore risieda su una scheda diversa, o addirittura in un cabinet separato tutto suo, con la conseguenza che il segnale su cui si chiude il percorso passerà pure attraverso diversi centimetri di cavo dell'alimentazione grezza. Con risultati sonori che a qualcuno potrebbero anche piacere.

Un modo per evitare questo giro diabolico al segnale, è quello di fare in modo che il percorso si chiuda il più vicino possibile allo stadio finale e al punto dove si collega la cuffia. Nella maggior parte dei casi vengono utilizzati dei regolatori di tensione, ma per avere un po' di efficacia anche questi devono trovarsi in prossimità dello stadio finale, non certo da qualche parte nel cabinet a far bella mostra di se'.

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Nello schema qui sopra, vengono impiegati dei regolatori in serie all'alimentazione (series regulator, i classici 78xx oppure LM317, etc.). La situazione è decisamente migliore, perchè gli stabilizzatori abbattono l'impedenza delle linee di alimentazione, rendendo meno importanti gli elettrolitici. Ma anche in questo caso, poichè il regolatore di tensione non è veloce a sufficienza nel seguire le grosse variazioni di corrente richieste dal segnale audio, nell'istante iniziale in cui si presenta un picco di richiesta di corrente, è il condensatore elettrolitico, e non il regolatore, a fornire energia.

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Oltretutto i normali regolatori in serie, tipo l'LM317 e simili, devono il loro funzionamento al controllo di feedback, che altro non è che controreazione, o NFB. E poichè un regolatore di questo tipo è comunque in serie al segnale audio, ne consegue che tutti i nostri intenti di "zero feedback" saranno subdolamente disattesi...

(segue)

L'unica costante in ciò che abbiamo visto finora è la presenza di condensatori elettrolitici sulle linee di alimentazione, che quindi bene o male influiranno sul risultato sonoro finale, essendo attraversati dal segnale audio.

C'è però un'altra soluzione. E immagino che abbiate già capito di cosa si tratta.
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Invece di utilizzare regolatori in serie, si possono utilizzare regolatori in parallelo al carico. Ovvero, degli shunt.

La caratteristica di uno shunt è quella di farsi attraversare dalla corrente necessaria a mantenere la tensione ai suoi capi al valore impostato dallo zener. Se ad esempio la tensione è troppo alta, lo shunt (il transistor) aumenterà la sua conduttività, facendosi attraversare da una corrente maggiore. Dal momento che l'insieme CCS + SHUNT forma un partitore, è chiaro che ad un aumento della corrente nello shunt corrisponderà una diminuzione della tensione ai capi dello shunt stesso (e quindi dell'alimentazione) e viceversa.

Anche lo shunt funziona con un controllo di feedback, ma si tratta dell'accoppiamento "stretto" di due soli componenti (transistor + zener), e quindi con una risposta molto veloce alle variazioni di corrente imposte dal carico.

Il CCS è un generatore di corrente costante, che ha due funzioni principali: la prima è quella di impostare la massima corrente che potrà mai attraversare lo shunt (nel nostro caso 0.2 A) e la seconda è quella di isolare lo shunt stesso dai disturbi dell'alimentazione "grezza" proveniente dai condensatori di filtro.

Lo shunt presenta un'impedenza molto bassa (di fatto è quasi un corto-circuito) per cui questa soluzione ci permette di ottenere quello che volevamo, ovvero la chiusura del segnale audio di ritorno tramite il percorso più breve, ma soprattutto senza passare per lo stadio di filtraggio del rettificatore.
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Al contrario, il CCS presenta un'impedenza dinamica molto elevata, e quindi il fattore di attenuazione dell'insieme CCS + SHUNT è molto alto (circa -100 dB) il che ci assicura un'ottima attenuazione del ripple a 100 Hz, e degli eventuali disturbi provenienti dalla rete elettrica, senza la necessità di utilizzare grossi elettrolitici sui due rami di alimentazione. Gli unici elettrolitici sono quelli di filtraggio subito dopo il ponte di diodi, che però, come abbiamo visto, non sono più attraversati dal segnale audio.

(segue)

Uno dei principi che contraddistinguono il Lightning, sia nel preamplificatore che nello stadio finale, è quello di considerare lo stadio di alimentazione come parte integrante dell'amplificazione. Nel Lightning si mette in pratica questo principio quasi all'estremo: gli shunt sono stati messi vicinissimi ai transistor finali, e sono stati eliminati tutti gli elettrolitici sulle alimentazioni, lasciando solo i condensatori effettivamente necessari, in poliestere o polipropilene, in prossimità dei transistor o delle valvole che gestiscono il segnale audio.

Ma se questa tecnica è così vantaggiosa, come mai gli shunt sono raramente utilizzati in campo audio? Una delle risposte è che uno shunt fa circolare sempre la massima corrente possibile, a prescindere dalle richieste del carico, e quindi è poco efficiente. Ciò comporta l'utilizzo di dissipatori abbastanza grandi, che fanno aumentare i costi ed occupano spazio.

Inoltre, uno shunt deve essere ben progettato per fargli svolgere correttamente il suo lavoro, entro margini abbastanza ristretti. Altrimenti si rischia di ottenere una regolazione insufficiente, oppure di mandare a fuoco lo shunt. Per questo motivo in questi giorni sto monitorando le temperature e la stabilità delle tensioni, in modo da avere la certezza che tutto funzioni regolarmente. A quanto pare, almeno finora, tutto funziona alla grande...

bandAlex ha scritto:...Per questo motivo in questi giorni sto monitorando le temperature e la stabilità delle tensioni, in modo da avere la certezza che tutto funzioni regolarmente. A quanto pare, almeno finora, tutto funziona alla grande...

Non ne avrei mai dubitato [Devi essere iscritto e connesso per vedere questa immagine]

Caro Alessandro,

la tua illustrazione dell' alimentazione shunt è esaustiva. Cosa pensi delle alimentazioni a batteria? La ritieni una alternativa valida?

Alex come procedono gli ascolti e i test?

Bene bene... stasera la part-list, e parliamo di alcune cosette...

Ciao Alex,

ho letto con molta attenzione le puntuali come sempre descrizioni/spiegazioni. E' veramente un circuito sorprendente che a volte si stenta davvero a capire come mai progetti e progettisti di oggetti "nominati" come hi-end non lo impieghino (parlo dell'alimentazione shunt)...

Desideravo gentilmente chiederti se hai stimato la possibilità di rendere possibile ai beta-testers/sperimentatori (come vorrei essere io :) ) la possibilità di entrare in possesso della PCB...

Si, lo ammetto, sono in trepidante attesa :)

Buon lavoro ancora e grazie,

Andrea