Amplificador Zen

Mirando por internet he encontrado informacion sobre los laboratorios Pass Lab de Mr. Nelson Pass que habla sobre este tipo de amplificador.
En esencia es un circuito solo con MOSFET de potencia que trabaja en clase A pura y que dispone de un generador de corriente constante como carga activa.
Según Mr. Pass la ventaja del circuito es la gran linealidad y la baja distorsión, como contrapartida la disipación es muy elevada
He localizado un Sr. de Croacia que vende circuitos impresos para este diseño en varias versiones de potencia como Clone Pass y he comprado un juego para 15 Wrms.
Adjunto un link con el esquema https://www.dropbox.com/s/zgscm575s874uun/
Para aprovechar material lo he montado con el IRFP250 y zeners de 9,1 V 1 W
Una vez puesto en marcha la respuesta a partir de los 10 KHz es muy alta y con elevada distorsion pero se puede solventar el problema con algunas modificaciones.
Si alguien está interesado en el tema puedo pasar información sobre este trabajo ya que es un circuito en apariencia bastante sencillo y no demasiado caro.

En los siguientes links hay fotos del montaje sobre una caja hecha a partir de unos radiadores standard y unos trozos de plancha cortada a medida.
https://www.dropbox.com/s/rflw38p5wfdfp7x/P1000872.JPG?dl=0
https://www.dropbox.com/s/w1jfdmkybghlwrh/P1000873.JPG?dl=0
https://www.dropbox.com/s/xskp4215wnjlwxi/P000874.JPG?dl=0
 
Como la alimentacion es bipolar a +/- 18 V. he usado dos fuentes conmutadas de 15V 5A y las he ajustado a la máxima tensión (17V) y el lugar de sacar 15 Wrms saco solo 13,5 Wrms
He colocado un circuito auxiliar para eliminar el "pop" en los altavoces al desconectar el equipo.
Es bastante mas económico que un equipo a valvulas y haciendo pruebas de sonido con varios expertos no se notan diferencias respecto a un equipo con push pull de EL84 o similar.

Mas fotos
https://www.dropbox.com/s/cso1964x615iu0e/P1000875.JPG?dl=0
https://www.dropbox.com/s/xduwjah3qq851in0/P1000876.JPG?dl=0
https://www.dropbox.com/s/rib0x8ssr1bqo70/P1000877.JPG?dl=0

Enhorabuena por el trabajo, el Zen es un circuito clásico del señor Pass, muy conocido y construido por los Diyers del todo el mundo. Tiene muchos seguidores.

Este en concreto no lo he probado, si en cambio el famoso F5, y si, suena bien, el problema que le veo es que como se dispone de pocos "W" los altavoces deben ser de alto rendimiento sino no hay dinámica, los mismos "W" en válvula es otra historia, para mi mejor.

Y lo que si es una evidencia indiscutible es que son electrónicas sencillas, baratas, fáciles de construir y de un gran nivel de calidad de audio.

Es perfectamente comparable al push pull de EL84, se ha probado con varios altavoces, uno de ellos de 12 pulgadas y responde perfectamente para la potencia que tiene
He profundizado en el esquema y observo:
Dada la elevada capacidad de los zeners de 1 W (sobretodo los del cto. de realimentación) se produce un exceso de ganancia en alta frecuencia que hace la respuesta no sea lineal y distorsione a partir de los 10 KHZ.
Se colocan zeners de 6,2 V 0,5 W y la cosa mejora bastante.
Las resist. de 100K y 10K de la realimentacion se pasan a 10K y 560 Ohm respectivamente y el efecto de los zeners desaparece del todo y la respuesta es plana hasta los 30 KHz aunque exixte una ligera distorsión a partir de los 15 KHz.
Como los MOS de salida usados tienen mas capacidad de Gate que los propuestos, se pasan las dos resistencias de Gate de 220 a 22 Ohm y practicamente se elimina la distorsión.
Se colocan los IRFP240 y la distorsión se elimina del todo
Como la entrada es diferencial se necesita aparear muy bien los MOS de dicha etapa para que no haya Offset a la salida y aparezca componente continua (lo mínimo que he podido ha sido de 70 mV) y además su capacidad de entrada es relativamente alta y limita la respuesta en alta frecuencia.
He procedido a eliminar los MOS de entrada y el cto. de corriente constante que lo controla y en su lugar he colocado un integrado NE5532 que es un amplificador operacional para audio en un cto. impreso adicionado a la placa principal junto con un transistor BC140.
El Offset desaparece (menos de 10 mV), la respuesta en alta frecuencia es totalmente lineal y sin distorsión hasta mas arriba de los 50 KHz y se elimina la necesidad de aparear los MOS de entrada
El BC140 sirve para adaptar la tensión de salida del operacional al valor adecuado que necesita el MOS de salida.
En realidad para tabajar a +/- 18 V no haria falta ponerlo ya que el NE5532 admite hasta +/- 22 V, pero de esta manera se ha dejado al operacional trabajar a 12 V y darle margen de seguridad.
El BC140 suministra la misma corriente que antes el MOS y de paso el circuito queda adaptado a valores de alimentación superiores por si se quiere hacer el amplificador para mayor potencia.
Ajunto link con el esquema definitivo
https://www.dropbox.com/s/35ckz4nop7ehv7h/Al

Felicitaciones.

Proyecto muy bien llevado y mejor explicado.
Me gusta el uso de un operacional en la entrada.

Una pregunta .

Al usar unos MOS con mayor capacidad en la puerta ¿No hay un cierto aumento de limitación en las frecuencias altas?
Supongo que por eso viene el cambio de 220 ohm a 22 ohm.

Sigue informandonos.

Salud

Correcto, el problema de los MOS es la elevada capacidad de puerta que es mas alta cuanto mas robusto es el componente, de ahí el cambio de valor de la resistencia de gate.
En teoria el driver del MOS deberia trabajar con una muy baja impedancia y una alta capacidad de corriente para poder controlarlo bien a altas frecuencias

El Ne5532 trabaja y suena mejor a +-18v que a menor voltaje, y de paso podrías eliminar el BC640 con ese paso asociado. También vendría bien eliminar los zener de ese circuito ya que no son necesarios cuando no se manejan puertas de mosfet, ni en la entrada ni en el lazo de realimentacion, en el anterior esquema los llevaban para proteger las puertas de los mosfet, que como sabéis son muy sensibles a los voltajes relativamente altos.

En mi opinión cuando intercalas un amplificador operacional "estropeas" el circuito y lo dijo entre comillas. Un amplificador diferencial simple hecho con componentes discretos para mi es mucho mejor que un "chip". De hecho hay muchos fabricantes y se esta poniendo de moda desde hace tiempo que fabrican amplificadores operacionales con componentes discretos hechos en placas con adaptador para DIP8 y sustituir los clásicos amplificadores operacionales en chip por estos otros que suenan mejor.

Aparte hay otra cosa importante, la filosofía del Alep o Zen se basa en el diseño SE "single-ended" todo el circuito desde el primer componente hasta el ultimo amplifica la señal "completa" de una sola vez, en cambio al introducir el NE5532 ya estas introduciendo un circuito "push-pull" y parte de la señal ya se amplifica de esa manera, que no digo que sea malo ni mucho menos.

El circuito puede sonar genial, solo quería intercambiar opiniones.

No hay ningún problema en alimentar el operacional a +- 18V, solo hay que cambiar los zener de regulación.Lo que pasa es que empecé con el TL082 que por cierto no se nota ninguna diferencia en funcionamiento con respecto al NE5532, lo que pasa es que +- 18V ya es su limite absoluto.
No quiero eliminar el BC640 ya que pretendo hacer otro a +- 24V y el operacional no aguantaría, además se necesita manejar una intensidad que los operacionales no permiten.
Los zener de protección los pongo porqué las protecciones de los operacionales muchas veces son muy debiles
Aunque el operacional tenga una salida en push pull trabaja en clase A
Un diferencial hecho con componentes bipolares si, pero no como estaba de origen ya que era con MOSFET de 5 A y tenian una capacidad de gate muy alta para trabajar correctamente a altas frecuencias de audio. Podia haber usado MOSFET de pequeña señal, pero como tienen que manejar corrientes de alrededor de los 20 mA a casi 40 V pues disipaban casi 1 W. Si se utilizan intensidades menores, hay una cierta dificultad en controlar bien en alta frecuencia los MOSFET de salida que tienen una capacidad muy muy alta (1300 pF)

He sacado la curva de respuesta del amplificador usando como carga una resistencia de 8 Ohm.
Estos son los enlaces
https://www.dropbox.com/s/fryngulyavyj2vo/Aleph%20mini%20B%20a%201%20Wrms.pdf?dl=0
https://www.dropbox.com/s/9odghtvgtk2z6sk/Aleph%20mini%20B%20a%2013Wrms.pdf?dl=0
Alguna irregularidad es del Excel

La respuesta se ve muy plana en todo el espectro de audio.

La intensidad de salida que tienen la totalidad de los operacionales de audio del mercado es mucho mas que de sobra para atacar la puerta de un mosfet (la corriente que consume la puerta un mosfet es ridícula, inapreciable, y generalmente nunca se toma en consideración, los mosfet funcionan por tensión en su puerta, no por corriente en la base como lo hacen los transistores bipolares).

Lo de los zener si los quieres poner ponlos (a mi personalmente no me gusta poner componentes demás y que no sean estrictamente necesarios, me gusta lo contrario, menos es mas), su utilización en el anterior esquema del señor Pass esta claro por que son (prácticamente imprescindibles), en los operacionales yo nunca he visto utilizarlos, si quieres proteger los operacionales existe otra forma mucho mas eficaz, y menos dañina para el audio.

El trabajar en clase A o AB son formas de polarizar un tipo de diseño, Y hablar de SE o Push-Pull es cosa distinta. Y dije que no pasa nada, solo que se mezclan topologias, pero no hay nada de malo en ello, solo que algunos diseñadores no les gusta hacerlo.

Se pueden elegir multitud de opciones y modalidades tanto de componentes como de polarizaciones al gusto en un amplificador diferencial, cada uno tiene su efecto y personalidad en el sonido, en el caso que describes al principio del hilo, el Alep o Zen del señor Pass el eligió esa configuración por que le gustaría mas...

Tienes toda la razón, no hace falta proteger el operacional para estos niveles de entrada, otras veces lo he hecho colocando diodos hacia positivo y negativo, pero como estaba en el esquema pues lo dejé.
Teoricamente el MOS no gasta corriente en gate pero esto no es cierto del todo, cuando empieza a conducir es cuando llega a tensión de unbral de gate y entonces interviene la famosa carga de gate, en este momento la gate se convierte en un condensador que necesita cargarse y si no tiene una resistencia baja y un suministro de corriente algo fuerte tarda mucho en cargarse y no responde en alta frecuencia, de ahí la limitación de los operacionales en esta aplicación, en este caso hablo de mA.
Como el MOS está hecho para trabajar en conmutación a alta frecuencia, para estos tipos de MOS de potencia los drivers que se usan suministran picos de 2 ó 3 A para cargar la Cgate en menos de 1 useg. eso si el consumo total de corriente es practicamente nulo.
Ahora voy a ver si me aclaro y con el osciloscopio consigo sacar una serie de Fourier para ver la serie de armonicos que genera, mi idea es hacer otro equipo para sacar unos 30 ó 35 W, lo que pasa es que dada la elevada disipación que tienen estos amplficadores me es muy dificil conseguir un radiador adecuado y con un tamaño razonable sin tener que usar un ventilador

Yo siempre he tenido ganas de hacer algo parecido.

Es similar al Zen y parecido al tuyo, solo que no lleva diferencial ni operacional, todo va en SE (single-ended) de principio a fin y mas sencillo no puede ser, un CCS sencillo en la parte de potencia y otro CCS en la parte de previo, con alimentación simple de 40V como en los diseños de válvulas, lo bueno de la alimentación simple es que nunca le llegara tensión dc al altavoz en caso de que "casquen" los finales, en teoría entregaría unos 17-18W rms a 8 Ohm.

Se puede hacer también con el mismo mosfet que usas tu (IRFP240), lo que pasa es que el IRFP150N lo hay en versión de 230W en capsula TO-247 que es el que se debe elegir e ira mejor (tiene casi el doble de potencia para margen y disipara mejor en el radiador), ademas es mas barato. Cada transistor en este esquema va a disipar nada mas y nada menos que 40W cada uno y se necesitara un radiador grandote (a calentar la habitación ).

Con la fuente al ser de tensión simple se podrá experimentar con una SMPS de 36v o dos de 24v en serie ajustando a 45v como máximo, o también optar por la fuente lineal de trafo de toda la vida (en este caso habrá que preparar una buena batería de condensadores de filtro para minimizar el rizado, porque este circuito ademas de consumir una intensidad alta y constante, es muy sensible al ruido de la fuente).

Una diferencia importante de este esquema con el Zen o el tuyo, es que la alta capacidad de puerta del mosfet de potencia afecta menos a la limitación del ancho de banda al estar colocado el mosfet como seguidor de tensión y el CCS abajo hacia gnd.

Es un autentico Clase A en SE, de esquema prácticamente idéntico a un diseño de válvulas pero hecho con semiconductores. No lo probé, pero tiene una pinta excelente ¿Que te parece?

Es muy parecido al Zen pero hay que ajustar los cero voltios de la salida con un potenciometro y seguramente habrá alguna deriva térmica sobretodo por parte de los bipolares de control
No te fies de que al ser seguidor no tendrás problemas de polarización,la capacidad de gate afectará igualmente y necesitarás una cierta corriente para polarizarlo, prueba a bajar la resistencia de gate y a dar mas corriente al ccs del driver, yo lo he puesto a unos 25 mA.
Otro problema es que vas a perder de 4 a 5 V en el MOS seguidor y esto significa un monton de Watios de calor de mas. El circuito que yo uso tiene un bootstrap para alimentar la gate con una tensión por encima de la de alimentación y así no se pierden watios y ademas el ccs de potencia está modulado en corriente por la de salida hacia el altavoz para ahorrar energia.
Con el IRFP150 tambien te funcionará, yo ya lo probé debido a que me quedan algunos de cuando trabajaba
Si tienes interes en el tema te puedo mandar el dibujo del cto. impreso que he diseñado

El ajuste del pote siempre se hace o reajusta cuando lleva ya minutos y alcance la temperatura de estabilización y trabajo, no hay problema en eso. He diseñado muchos amplificadores, conozco bien el funcionamiento térmico de los componentes.

Para dar mas corriente al driver necesitaría otros transistores mas potentes y añadirles un pequeño disipador, en principio creo que no va ser necesario, pero contemplare esa opción (aunque drivers mas potentes tienen menos Hfe). 25mA en mis driver supondría 500mW de disipacion en el BC560/550, su potencia maxima a 25ºC es de 600mW, demasiado justo, me gusta sobredimensionar como mínimo al doble. Pero esta bien tu puntualizacion.

La potencia de salida es de unos 17-18w rms a 8 Ohm teniendo en cuenta la caída de la puerta (la caida de tension de la puerta afecta solo a la atenuación de la tensión que le llega a la puerta del MOS, no afecta en mas calor que quede claro, el calor es el mismo y viene dado solo por la corriente de drenador multiplicado por el voltaje entre drenador surtidor). Si yo en el paso del previo alimento a mas tensión recupero la caída del MOS, pero aunque fueran 15W me valdrían igual para este proyecto.

Yo utilizo desde hace muchos años Kicad, si tienes hecho el PCB en ese formato me vendría de perlas, si lo tienes en "gerber" creo que Kicad tiene opción de visualizar "gerber" de otros programas. Gracias.

Muy interesantes estos circuitos tan sencillos, me gusta mucho.
Los principales problemas que me pudieran preocupar, son en la derivación térmica y en el ancho de banda.

Aunque sean transistores necesitan al menos media hora de calentamiento para que se estabilice todo, aunque en principio ya suenan bien. Y el calor es la espada de Damocles, al menos en las etapas PASS que le dieron la fama, tenían problemas de estabilidad.

MONOLITO escribió:Muy interesantes estos circuitos tan sencillos, me gusta mucho.
Los principales problemas que me pudieran preocupar, son en la derivación térmica y en el ancho de banda.

Aunque sean transistores necesitan al menos media hora de calentamiento para que se estabilice todo, aunque en principio ya suenan bien.  Y el calor es la espada de Damocles, al menos en las etapas PASS que le dieron la fama, tenían problemas de estabilidad.

En el diseño que yo he puesto, la deriva térmica es muy pequeña porque entre otras cosas la polarización del driver es pequeña (solo 6mA) y se basa en un CCS con diodos que también compensan la Vbe.

En estos circuitos que trabajan en clase A con tanta corriente la estabilización térmica no tarda demasiado, y entre otras cosas una ventaja que tiene es que si "casca" algún final nuestros altavoces no sufrirían ni un rasguño, no harían falta protecciones.

De todas formas como no lo he probado, no tengo conclusiones, pero por mi experiencia en diseño y practica con amplificadores es un circuito muy atractivo con un ancho de banda en teoría muy alto, la distorsión eso si, creo que seria el punto débil, pero habría como digo probar y sobre todo la prueba auditiva.

Como la gate tiene que estar del orden de 4 a 5 Volt. por encima de la source, suponiendo que des 40V a la gate en la source tendrás un seguidor que te dará de 35 a 36V con la corriente necesaría que será del orden de los 2A mas la que se vaya hacia el altavoz que a plena potencia estará del orden de 1,5A, en total 3,5A que multiplicados por los 5V de caida dan 17,5 W.
Si dispones de una tensión mas alta para alimentar el driver ningún problema
Yo aproveché unos ctos. impresos que vende un Sr. de Croacia a muy buen precio que van con un diferencial y un ccs para controlarlo con MOS de mediana potencia (capsula TO-220), como no me gustó del todo le hice la modificación con una plaquita que diseñé con el operacional y el transistor y la coloqué en su lugar respetando los taladros y sus medidas, el transistor disipa solo 80 mW. la posición de las conexiones tampoco me gustó y por eso me diseñe una nueva placa a mi gusto.
En la placa nueva está todo incorporado
Tengo el diseño en Kicad de la plaquita auxiliar para la placa original y la placa nueva con todo integrado, te puedo enviar lo que quieras incluso la información que viene con la placa

Pues si usas Kicad perfecto! envíamelo si quieres.

Te mando mi mail, le hecho un vistazo y si quieres ponemos la foto en el foro. A mi se me da muy bien fabricar placas en casa, ya le cogí el truquillo hace mucho tiempo. Te enseño algunas.







Si algún día hago el clase A, pondré el PCB también a disposición.

Ya he visto tu privado, perdona pero no sabia como funcionaba esto
Por email te enviaré la informacion

Peret escribió:Ya he visto tu privado, perdona pero no sabia como funcionaba esto
Por email te enviaré la informacion

Gracias por la información, muy buen diseño de PCB.

He cambiado de opinión, lo que quería hacer lo voy a dejar para hacer otro proyecto que encaja muchísimo mejor, "se me ha encendido la bombilla", es en algo donde no se necesitan apenas "watios".

Sobre lo que tu presentas cuando vaya pudiendo o tenga tiempo si quieres puedo ir modificando informándote, como por ejemplo quitando los zeners de la entrada, poniendo condensadores específicos en los sitios críticos, el primer lazo de realimentacion que va en serie con el condensador a lo mejor tampoco es necesario, eliminar los zeners de la alimentación del operacional y colocar un CRC en cada rama, etc. En fin solo si quieres y cuando tenga algo de tiempo.

Si necesitas algo, ya sabes...

Hola
He observado que debido a las fuentes de alimentación conmutada que habia colocado, con el amplificador con la entrada cortocircuitada aparecia algo de ruido a la salida, no se notaba a oido pero si se veia con el osciloscopio, eran restos de la frecuencia de conmutación de las fuentes.
He sustituido las fuentes por una alimentación clasica con transformador, rectificador y condensadores de filtro y el ruido a desaparecido aunque a nivel auditivo no se ha notado nada.
Dejo enlace con el esquema de la nueva fuente
https://www.dropbox.com/s/r8921m8et7xmirg/Fuente%20aliment%20Aleph%20mini%20B.pdf?dl=0

Las fuentes de alimentación conmutadas "tradicionales" pueden ser conflictivas para su utilización en audio y menos en sistemas de clase A que tiene muy mal rechazo al ruido.

Solamente las fuentes de alimentación conmutadas "especificas" diseñadas para audio son las que se pueden usar.

Al final como un buen amigo forero siempre dice, para esto del audio como fuente no hay mejor que un buen transformador y fuente de toda la vida, sencillez, robustez, durabilidad y sin ruido de alta frecuencia que puede ser peligroso luego para los tweeters.

adiaz escribió:Las fuentes de alimentación conmutadas "tradicionales" pueden ser conflictivas para su utilización en audio y menos en sistemas de clase A que tiene muy mal rechazo al ruido.

Solamente las fuentes de alimentación conmutadas "especificas" diseñadas para audio son las que se pueden usar.

Al final como un buen amigo forero siempre dice, para esto del audio como fuente no hay mejor que un buen transformador y fuente de toda la vida, sencillez, robustez, durabilidad y sin ruido de alta frecuencia que puede ser peligroso luego para los tweeters.

Pues si: nada como una fuente lineal y no solo en audio... para todo!!!!

Aprovechando la funcion FFT del osciloscopio he sacado datos sobre el amplificador
Offset a la salida < 5mV
El ruido a la salida con la entrada cortocircuitada es inmedible con el osciloscopio y un multimetro True RMS ya que el ruido propio de los instrumentos enmascara el resultado, pero tomando 2 mV me sale una relación s/n de -63 dB
Potencia de salida: 15 Wrms
Ganancia: 25 dB
Sensibilidad: 0,62Vrms para 15 Wrms de salida
He medido la distorsión del generador que he usado y ha resultado ser del 0,064 % a 1 KHz
La THD del amplificador a 1 Wrms y 1 KHz es: 0,1 %
La THD a 15 Wrms y 1 KHz es: 0,27 %
No se la precisión de estas ultimas medidas ya que solo se veia componente medible en la fundamental y en el 2º y 3º armonico y este último ya estaba enmascarado por el ruido del osciloscopio
La medicion la he realizado con osciloscopio Tektronix TD2004