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Nelson Pass über Single-Ended Class A-Verstärker
 

Als wir vor 25 Jahren anfingen, Verstärker zu entwickeln, hatten Festkörperverstärker gerade einen festen Einfluss auf den Markt. Leistungs- und harmonische Verzerrungszahlen waren das Wichtigste, und das größte Audiomagazin sagte, dass Verstärker mit den gleichen Spezifikationen gleich klangen.

Wir haben Trioden, Pentoden, Bipolar-, VFET-, Mosfet-, TFET-Ventile, IGBT, Hybride, THD-Verzerrung, IM-Verzerrung, TIM-Verzerrung, Phasenverzerrung, Quantisierung, Rückkopplung, verschachtelte Rückkopplung, keine Rückkopplung, Vorwärtskopplung, Stase, harmonische Zeitausrichtung gehört , High Slew, Klasse AB, Klasse A, Reine Klasse A, Klasse AA, Klasse A / AB, Klasse D, Klasse H, Konstante Vorspannung, dynamische Vorspannung, optische Vorspannung, Real Life Bias, Sustained Plateau Bias, große Vorräte, intelligente Vorräte , geregelte Versorgungen, separate Versorgungen, Schaltversorgungen, dynamischer Headroom, Hochstrom, symmetrische Eingänge und symmetrische Ausgänge.

Abgesehen von digital aufgezeichnetem Quellmaterial haben sich die Dinge nicht sehr verändert. Festkörperverstärker dominieren immer noch den Markt, das größte Audiomagazin hört den Unterschied immer noch nicht und viele Audiophile hängen immer noch an ihren Röhren. Abgesehen von den Beispielen des Marketing-Hype haben wir eine große Anzahl von Versuchen, den Klang von Verstärkern zu verbessern, wobei jeder versucht, einen hypothetischen Leistungsfehler zu beheben.

Bei dem Versuch, Spezifikationen zur Charakterisierung der Feinheiten der Schallleistung zu verwenden, ist ein Fehler aufgetreten. Verstärker mit ähnlichen Messungen sind nicht gleich, und Produkte mit höherer Leistung, größerer Bandbreite und geringerer Verzerrung klingen nicht unbedingt besser. In der Vergangenheit ist dieser Verstärker mit der höchsten Leistung oder der niedrigsten IM-Verzerrung oder dem niedrigsten THD oder der höchsten Anstiegsrate oder dem niedrigsten Rauschen kein Klassiker geworden oder sogar mehr als ein bescheidener Erfolg. In der technischen Gemeinschaft besteht seit langem das Vertrauen, dass eine objektive Analyse die subjektive Erfahrung des kritischen Zuhörers mit der Labormessung in Einklang bringen würde. Möglicherweise wird dies eintreten, aber in der Zwischenzeit lehnen Audiophile Bankspezifikationen als Indikator für die Audioqualität weitgehend ab. Dies ist angemessen.

Die Wertschätzung von Audio ist eine völlig subjektive menschliche Erfahrung. Wir sollten nicht mehr Zahlen die Audioqualität definieren lassen, als wir die chemische Analyse als Schiedsrichter für erlesene Weine zulassen würden. Messungen können ein Maß an Einsicht liefern, sind jedoch kein Ersatz für menschliches Urteilsvermögen.

Warum wollen wir eine subjektive Erfahrung überhaupt auf objektive Kriterien reduzieren? Die Feinheiten der Musik- und Audiowiedergabe sind für diejenigen, die es zu schätzen wissen. Die Differenzierung nach Zahlen gilt für diejenigen, die dies nicht tun.

Wie in der Kunst sind klassische Audiokomponenten das Ergebnis individueller Bemühungen und spiegeln eine kohärente zugrunde liegende Philosophie wider. Sie geben eine subjektive und objektive Qualitätserklärung ab, die geschätzt werden soll. Es ist wichtig, dass die Schaltung einer Audiokomponente eine Philosophie widerspiegelt, die sich in erster Linie mit der subjektiven Natur ihrer Leistung befasst.

Da wir nicht in der Lage sind, die Leistung objektiv vollständig zu charakterisieren, sollten wir einen Schritt von der resultierenden Wellenform zurücktreten und den Prozess berücksichtigen, durch den sie erreicht wurde. Die Geschichte dessen, was mit der Musik gemacht wurde, ist wichtig und muss als Teil des Ergebnisses betrachtet werden. Alles, was mit dem Signal gemacht wurde, ist darin eingebettet, jedoch subtil.

Die Erfahrung, zu korrelieren, was für das Wissen über das Komponentendesign gut klingt, liefert einige allgemeine Richtlinien, was gut klingt und was nicht.

Einfachheit und eine minimale Anzahl von Komponenten sind ein Schlüsselelement und spiegeln sich gut in der Qualität der Rohrkonstruktionen wider. Je weniger Teile mit dem Signalpfad in Reihe geschaltet sind, desto besser. Dies gilt im Allgemeinen auch dann, wenn durch Hinzufügen einer weiteren Verstärkungsstufe die gemessenen Spezifikationen verbessert werden.

Die Eigenschaften von Verstärkungsgeräten und ihre spezifische Verwendung sind wichtig. Individuelle Leistungsunterschiede zwischen ähnlichen Geräten sind wichtig, ebenso wie Unterschiede in der topologischen Verwendung. Alle signaltragenden Vorrichtungen tragen zur Verschlechterung bei, es gibt jedoch einige unterschiedliche Eigenschaften, die Beachtung verdienen. Nichtlinearitäten niedriger Ordnung sind in ihrer Qualität weitgehend additiv und bringen falsche Wärme und Färbung mit sich, während abrupte Nichtlinearitäten hoher Ordnung additiv und subtraktiv sind und Härte hinzufügen, während Informationen durch Intermodulation verloren gehen.

Maximale intrinsische Linearität ist erwünscht. Dies ist die Leistung der Verstärkungsstufen, bevor eine Rückkopplung angewendet wird. Die Erfahrung zeigt, dass Feedback ein subtraktiver Prozess ist. es entfernt Verzerrungen aus dem Signal, aber anscheinend auch einige Informationen. Bei vielen älteren Konstruktionen wurde eine schlechte intrinsische Linearität durch große Rückkopplung korrigiert, was zu einem Verlust an Wärme, Raum und Details führte.

Ein hoher Leerlaufstrom oder eine hohe Vorspannung ist sehr wünschenswert, um die Linearität zu maximieren, und ergibt einen Effekt, der nicht nur leicht gemessen, sondern auch leicht demonstriert werden kann: Nehmen Sie einen Verstärker der Klasse A oder einen anderen Verstärker mit hoher Vorspannung und vergleichen Sie den Klang mit der vollen Vorspannung und mit Vorspannung reduziert. (Die Vorspannungseinstellung ist leicht durchzuführen, da praktisch jeder Verstärker über einen Vorspannungseinstellungstopf verfügt, dies sollte jedoch sehr sorgfältig erfolgen.) Als Experiment hat es die Tugend, nur die Voreingenommenheit und die Erwartungen des Experimentators zu ändern.

Wenn die Vorspannung verringert wird, nimmt die Wahrnehmung der Bühnentiefe und des Ambientes im Allgemeinen ab. Diese Wahrnehmung der Tiefe wird durch die Rohmenge des Vorspannungsstroms beeinflusst.

Wenn Sie den Vorspannungsstrom weit über den Betriebspunkt hinaus weiter erhöhen, werden anscheinend Verbesserungen mit Vorspannungsströmen vorgenommen, die viel größer als der Signalpegel sind. Normalerweise sind die Pegel, die beim kritischsten Hören auftreten, nur wenige Watt, aber ein Verstärker, der auf das Zehnfache dieser Menge vorgespannt ist, klingt im Allgemeinen besser als einer, der auf die wenigen Watt vorgespannt ist.

Aus diesem Grund werden Konstruktionen bevorzugt, die in der sogenannten "reinen" Klasse A arbeiten, da ihre Vorspannungsströme die meiste Zeit viel größer als das Signal sind. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei den Vorverstärkerverstärkungsstufen und den Frontends der Leistungsverstärker routinemäßig um Single-Ended-Class A der reinen Klasse A. Da die Signalpegel bei kleinen Bruchteilen eines Watt liegen, ist der Wirkungsgrad der Schaltung nicht wichtig.

Die „Reinheit“ von Designs der Klasse A war in den letzten Jahren umstritten, wobei „reine“ Klasse A lose als Leerlaufwärmeableitung definiert wurde, die mehr als das Doppelte der maximalen Verstärkerleistung beträgt. Bei einem 100-Watt-Verstärker wären dies konstant 200 Watt aus der Wand. Designs, die die Vorspannung gegen das Musiksignal variieren, haben im Allgemeinen Vorspannungsströme auf oder unter dem Signalpegel. Dies ist unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz sicherlich eine Verbesserung, aber der Klang spiegelt den geringeren Vorspannungspunkt wider.

Unter der Annahme, dass jeder Prozess, den wir mit dem Signal ausführen, gehört wird, müssen die besten Verstärker die Prozesse verwenden, die am natürlichsten sind.

Es gibt ein Element in der Kette, das wir nicht ändern oder verbessern können, und das ist die Luft. Luft definiert Schall und dient als natürlicher Maßstab.

Nahezu alle Verstärker auf dem Markt basieren auf einem Push-Pull-Symmetriemodell. Die Push-Pull-Symmetrietopologie hat keine besondere Grundlage in der Natur.

Ist es gültig, die Luftcharakteristik als Modell für den Entwurf eines Verstärkers zu verwenden? Wenn Sie akzeptieren, dass jede Verarbeitung ihre Signatur auf der Musik hinterlässt, lautet die Antwort Ja.

Eine der interessantesten Eigenschaften von Luft ist ihre einseitige Natur. Schall, der sich durch Luft bewegt, ist das Ergebnis der Gasgleichung:

PV1,4 = 1,26 x 104

wobei P der Druck und V das Volumen ist. Die geringe Nichtlinearität, die sich aus der Luftcharakteristik ergibt, wird bei normalen Schallpegeln im Allgemeinen nicht als signifikant beurteilt und ist mit den Verzerrungszahlen von Feinverstärkern vergleichbar. Diese Verzerrung wird im Allgemeinen nur in den Kehlen der Hörner zu einem Problem, wo der intensive Druck ein Vielfaches des Drucks am Mund beträgt und wo die harmonische Komponente mehrere Prozent erreichen kann.

Wir können Luft drücken und den Druck um einen beliebigen Betrag erhöhen, aber wir können nicht daran ziehen. Wir können es nur entspannen lassen und einen Raum füllen, wie es will, und der Druck wird niemals unter „0“ fallen. Wenn wir auf Luft drücken, ist der Druckanstieg größer als der entsprechende Abfall, wenn wir Luft ausdehnen lassen. Dies bedeutet, dass für eine gegebene Bewegung einer auf Luft wirkenden Membran die Überdruckstörungen geringfügig größer sind als die negativen. Daraus sehen wir, dass Luft phasensensitiv ist.

Aufgrund seiner Single-Ended-Natur ist der harmonische Gehalt von Luft in erster Linie 2. Ordnung, und der größte Teil der Verzerrung eines einzelnen Tons ist eine zweite Harmonische. Die Verzerrungscharakteristik der Luft ist monoton, dh ihre Verzerrungsprodukte nehmen mit abnehmendem Schallpegel gleichmäßig ab. Dies ist ein wichtiges Element, das im Audiodesign oft übersehen wurde und sich in der schlechten Qualität früher Festkörperverstärker sowie D / A- und A / D-Wandler widerspiegelt. Sie sind nicht monoton: Die Verzerrung nimmt mit abnehmendem Pegel zu.

Das übliche elektrische Bild eines Audiosignals ist eine Wechselstromwellenform ohne Gleichstromkomponente. Audio wird als Wechselspannung und Wechselstrom dargestellt, wobei positive Spannung und Strom wechselseitig und symmetrisch mit negativ abwechseln. Diese Fiktion ist praktisch, weil sie sich für die Verwendung eines energieeffizienten Designs für Verstärkerstufen eignet, die als Push-Pull bezeichnet werden, bei denen eine "Plus" -Seite eines Verstärkers den Betrieb mit einer "Minus" -Seite abwechselt. Jede Seite eines Gegentaktverstärkers verarbeitet das Audiosignal abwechselnd. Die Plus-Seite liefert positive Spannung und Strom an den Lautsprecher und die Minus-Seite liefert negative Spannung und Strom.

Probleme mit Push-Pull-Verstärkerdesigns, die mit Überkreuzungsverzerrungen verbunden sind, wurden an anderer Stelle ausführlich diskutiert, und eines der Hauptergebnisse ist die Nicht-Monotonie. Klasse B und viele AB-Designs weisen Verzerrungsprodukte auf, die mit abnehmendem Signal dramatisch zunehmen. Dies wird durch den Klasse-A-Modus stark reduziert, aber die Überkreuzungsverzerrung bleibt als Diskontinuität niedrigerer Ordnung in der Übertragungskurve erhalten.

Um Musik so natürlich wie möglich wiederzugeben, ist ein symmetrischer Push-Pull-Betrieb nicht der beste Ansatz. Luft ist nicht symmetrisch und hat keine Push-Pull-Charakteristik. Schall in der Luft ist eine Störung um einen Überdruckpunkt. Es gibt nur Überdruck, mehr Überdruck und weniger Überdruck.

Beschreibungen von Push-Pull veranschaulichen diese Art der Operation häufig mit einem Bild von zwei Männern, die einen Baum von Hand sägen, einen auf jeder Seite der Säge. Dies ist sicherlich eine effiziente Methode, um Bäume zu fällen, aber können Sie sich zwei Männer vorstellen, die Geige spielen?

Eine Analogie unter Verwendung einer Violine oder eines ähnlichen Saiteninstruments veranschaulicht den Einzelendbetrieb gut und zeigt die Steuerung und Finesse auf, die erreicht werden kann, wenn nur eine Verstärkungsvorrichtung die Leistung einer Verstärkungsstufe steuert.

Im Gegensatz dazu haben Push-Pull-Schaltungen der Klasse A zwei entgegengesetzte Verstärkungsvorrichtungen, die das Ausgangssignal erzeugen, und obwohl es industriell effektiv und effizient ist, ist es nicht die empfindlichste Art, ein Signal zu verstärken. Gegentaktschaltungen führen zu ungeradzahligen Harmonischen, bei denen die Phasenausrichtung die Kompression sowohl bei positiven als auch bei negativen Spitzen und die Nichtlinearität der Überkreuzung nahe dem Nullpunkt widerspiegelt.

Nur eine lineare Schaltungstopologie liefert die entsprechende Charakteristik, und das ist der Single-Ended-Verstärker. Single-Ended-Verstärkung gibt es nur in der reinen Klasse A und ist die am wenigsten effiziente Form der Leistungsstufe, die Sie vernünftigerweise erstellen können. Sie liegt normalerweise im Leerlauf zwischen dem Drei- und Fünffachen der Nennausgangsleistung.

Single-Ended-Betrieb ist nicht neu. Es ist routinemäßig in den Low-Level-Schaltungen der feinsten Vorverstärkerstufen und in den Front-End-Schaltungen der feinsten Leistungsverstärker zu finden. Die ersten Röhrenleistungsverstärker waren Einzelschaltungen unter Verwendung einer einzelnen Röhre, die die Primärwicklung eines Transformators ansteuerte.

1977 entwarf und veröffentlichte ich im Audio Magazine einen Single-Ended-Class-A-Verstärker mit bipolaren Followern, die durch eine Konstantstromquelle vorgespannt sind. Eine beträchtliche Anzahl von Amateuren hat das Gerät mit einer Leistung von 20 Watt gebaut, und viele haben seine einzigartige akustische Signatur kommentiert. Es ist eines der wenigen Beispiele für eine verfügbare Festkörper-Endstufe.

Single-Ended Class A-Betrieb ist weniger effizient als Push-Pull. Singleend-Verstärker sind in der Regel größer und teurer als Push-Pull-Verstärker, haben jedoch eine natürlichere Übertragungskurve.

Eine sehr wichtige Überlegung beim Versuch, einen Verstärker mit einer natürlichen Charakteristik zu erzeugen, ist die Auswahl der Verstärkungsvorrichtungen. Eine einheitliche Klasse-A-Topologie ist angemessen, und wir wollen eine Eigenschaft, bei der die positive Amplitude sehr, sehr geringfügig größer als die negative ist. Für eine Stromverstärkungsvorrichtung würde dies eine Verstärkung bedeuten, die mit dem Strom gleichmäßig ansteigt, und für eine Röhren- oder Feldeffektvorrichtung eine Transkonduktanz, die mit dem Strom gleichmäßig ansteigt.

Trioden und Mosfets haben eine nützliche Eigenschaft gemeinsam: Ihre Transkonduktanz nimmt tendenziell mit dem Strom zu. Bipolare Leistungsgeräte haben eine leichte Verstärkungszunahme, bis sie ungefähr einen Verstärker erreichen, und fallen dann bei höheren Strömen ab. Im Allgemeinen ist die Verwendung von Bipolar in einer Einzelendschaltung eine schlechte Anpassung.

Ein weiterer Leistungsvorteil von Tubes and Fets ist die hohe Leistung, die sie in einfachen Klasse-A-Schaltungen liefern. Bipolare Designs auf dem Markt haben zwischen vier und sieben Verstärkungsstufen, die mit dem Signalpfad verbunden sind, aber mit Röhren und Mosfets sind gute objektive Spezifikationen mit nur 2 oder 3 Verstärkungsvorrichtungen im Signalpfad erreichbar.

Ein dritter Vorteil von Röhren und Mosfets gegenüber bipolaren Geräten ist ihre höhere Zuverlässigkeit bei höheren Temperaturen. Single-Ended-Leistungsverstärker verbrauchen vergleichsweise hohe Wattzahlen und laufen heiß.

Bei einer Entscheidung zwischen Trioden und Mosfets liegt der Vorteil des Mosfets darin, dass er auf natürliche Weise mit den Spannungen und Strömen arbeitet, die wir an einen Lautsprecher liefern möchten. Die Bemühungen zur Schaffung eines direkt gekoppelten Single-Ended-Trioden-Leistungsverstärkers wurden durch die hohen Spannungen und niedrigen Plattenströme, die die Provinz der Röhren sind, stark eingeschränkt.

Power Mosfets haben insofern einen interessanten Charakter, als sie eine relativ hohe Verzerrung aufweisen, bis Sie eine ziemlich große Menge Strom durch sie fließen lassen. Dies macht sie sehr geeignet für den reinen Betrieb der Klasse A, insbesondere für Single-Ended. Dies macht sie auch weitaus weniger für den Betrieb der Klassen B und AB geeignet, wo sie nahe ihrem Grenzwert ziemlich nichtlinear werden und eine große Menge an negativer Rückkopplungskorrektur erfordern, um eine saubere Ausgabe zu liefern.

Auch sind nicht alle Power Mosfets gleich. Die frühen Mosfets hatten eine viel geringere Transkonduktanz und einen höheren Eigenwiderstand und eine höhere Verzerrung als die neueren Generationen. Sie waren auch in Bezug auf Strom, Spannung und Wattzahl ziemlich anämisch.

Wenn wir uns die Schaltpläne früher und sogar zeitgenössischer Mosfet-Verstärkerentwürfe ansehen, sehen wir außerdem, dass sie normalerweise einfach als Ersatz für bipolare Geräte in Klassen B- und AB-Entwürfen eingesetzt wurden, ohne Rücksicht auf ihre besonderen Linearitätsanforderungen und ohne ihre einzigartigen Eigenschaften nutzen.

Angesichts der Mosfet-Charakteristik ist es leicht zu verstehen, warum frühe und sogar moderne Verstärker, die sie verwenden, nicht das Maß an Schallleistung erreicht haben, das die Geräte zu bieten schienen.

Das Versprechen der Transkonduktanzcharakteristik in Leistungsverstärkern bei der Bereitstellung der realistischsten verstärkten Darstellung von Musik wird von Mosfets am besten in Single-Ended-Class-A-Schaltungen erfüllt, wo sie sehr einfach verwendet und auf sehr hohe Ströme vorgespannt werden.

Letztes Jahr habe ich im Audio Amateur Magazine ein Single-Ended-Leistungsverstärker-Design der Klasse A veröffentlicht. Es wird nur eine Verstärkungsstufe für den gesamten Verstärker verwendet. Der so genannte Zen-Verstärker (wie klingt schließlich das Klatschen eines Transistors?) Zeigt die extreme Einfachheit, die mit Mosfets erreicht werden kann, die in Single-Ended-Klasse A betrieben werden und eine hohe objektive und subjektive Leistung aufweisen. Weitere Informationen zum Zen-Verstärker und seinem Nachfolger, dem Son of Zen, erhalten Sie bei The Audio Amateur.

Bisher sind nur sehr wenige andere Single-Ended-Solid-State-Verstärker auf dem Markt erhältlich. Dies wird sich ändern, wenn die Nachfrage weiter steigt und andere Designer lernen, wie man sie baut.

In der Zwischenzeit sind transformatorgekoppelte Single-Ended-Triodenverstärker die Alternative, bei denen Transformatoren mit sehr großem Spaltkern verwendet werden, um eine Kernsättigung durch den hohen Gleichstrom zu vermeiden. Diese Entwürfe spiegeln das traditionellere Denken bei der Single-Ended-Verstärkung wider. Sie leiden unter der Eigenschaft eines lose gekoppelten Transformators, einer geringeren Leistung und einer höheren gemessenen Verzerrung als ihre Festkörper-Gegenstücke, setzen jedoch immer noch den Standard für Klarheit im mittleren Bereich und sind nicht zu vernachlässigen.

Mosfets sind nicht nur einfacher zu bedienen, sondern haben auch den größten Vorteil gegenüber Röhren, dass sie mit Spannungen und Strömen arbeiten, die für Lautsprecher ohne Umwandlung geeignet sind, und keinen Ausgangstransformator benötigen.

Unabhängig von der Art der Verstärkungsvorrichtung sind in Systemen, in denen das Ziel der natürlichen Reproduktion am höchsten ist, einfache Single-Ended-Class-A-Schaltungen die Topologien der Wahl.

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