Do It Yourself : venez présenter vos fabrications et autres bidouillages

Message Ampli casque à étage de sortie Diamond Buffer 19 Oct 2013 21:54

Bonjour à tous,

Je crée un topic dédié à la réalisation d'un design d'ampli perso suite à quelques échanges ici.

Mon "cahier des charges" est le suivant : Réaliser un ampli
  • capable de driver un HD600 (au minimum)
  • capable de driver des faibles impédances (32 ohms)
  • avec un taux de distorsion très faible. Mon objectif est une TDH < 0.001% pour un signal 20kHz à 90% de la tension max. (dans dans le pire des cas)
  • pas de prédominance des harmoniques impaires

Pour ce qui est de l'alimentation, je la design en fonction des casques que je veux driver. Pour connaitre les valeurs de tension/courant, j'ai fais un petit tableur exel ;)
Vu que j'écoute ma musique en dessous de 90dB et que je sais que sur de la musique classique ou du métal, je peux avoir des pics dynamiques de 25dB max, je vais me baser sur les couples tension/courant pour avoir une puissance sonore de sortie de 115dB (90+25).

Pour un HD600 par exemple, il me faut un ampli capable de sortir du 11.5Vpic-pic pour correctement le driver.
Pour un Beyer T1, il faudra 22Vpp.
Concernant les casques faibles impédances qui consomment beaucoup, on a par exemple les grado. A 115dB, ils peuvent avoir des pics de consommations de +/-150mA.
Du coup, si mon ampli est capable de cracher du +/-10V et +/-150mA, je serai capable de driver quasiment tous les casques mis à part les hifiman :p


Pour avoir une faible distorsion, je suis parti sur un design d'ampli à étage de sortie en diamond buffer qui est connu pour sa très faible distorsion (même sans boucle de rétroaction !)
On retrouve cette étage de sortie pour la première fois ici.
En audio, plusieurs designs utilisent cet étage de sortie. C'est le cas de l'ampli Sapphire par exemple.

Voila deux simulations de cet étage de sortie.
A gauche, j'ai repris le schéma du l'ampli Sapphire. La distorsion est assez bonne pour un étage de sortie en classe AB, mais n'est pas négligeable (0.01%). Le problème majeur, c'est qu'il y a énormément d'harmoniques impaires.
A droite, j'ai remplacé les résistances des drivers par des sources de courant, ce qui a pour effet de réduire la distorsion (<0.003%) ainsi que le taux d’harmoniques impaires.
Image


Bien sûr, une source de courant idéale, ça n'existe pas, en réalité, il faut la remplacer par un petit montage à transistor comme le schéma ci dessous.
Outre le fait d'avoir remplacé les sources de courants par des montages à transistors, j'ai réglé le courant à 9mA afin d'avoir un courant de biais d'environ 30mA lorsque les transistors de sorties Q5 et Q7 sont au repos.
Pourquoi cette valeur de 30mA pour le biais ? Bah je l'ai prise un peu au pif :) Suffisamment grande pour réduire la distorsion de croisement inhérente aux classes AB, mais aussi suffisamment petite pour ne pas se retrouver en classe A pur... 30mA me semble un bon compromis.
Image

Sur cette base, on peut ajouter une boucle de rétroaction. Pour faire simple, j'ai utilisé un AOP (OPA134). Le résultat est immédiat, la distorsion tombe à 0.0001% à 1kHz (et à 0.0015% à 20kHz, soit quasiment l'objectif que je m'était fixé).
Concernant la répartition des harmoniques, il y a une légère accentuation des harmoniques impaires, mais c'est vraiment minime.

Le gain en boucle ouverte de l'AOP est de 1 million et celui de l'étage de sortie est d'environ 0.94 pour un casque de 32ohm.
Image

Je vais essayer de réaliser cette première version à AOP pour valider le principe. Ensuite, je compte remplacer l'AOP par des transistors afin d'avoir la main sur les harmoniques (et virer au maximum les harmoniques impaires).
La question principale est : est-ce que ça va vraiment changer quelque chose au niveau sonore ?



Pour répondre à la question de Bidoux^
Bidoux^ a écrit:Pour ce design : gallery/image.php?album_id=209&image_id=1098

Comment est-ce que tu détermines le gain en boucle ouverte de chaque étage ? Quel est le courant de repos que tu as dans l'étage de sortie (Q5 & Q7) et de quelle manière est-ce qu'il est fixé ?

(j'ai aucune notion quantitative en fait  |-) )

Et bien, en fait, je n'ai pas encore essayé de calculer le gain bo sur ce schéma.

En gros, pour avoir un ordre d'idée, pour la paire différentielle, j'ai une charge active avec Q10 et Q11, du coup cet étage va venir piloter en courant l'étage d'amplification (VAS). De plus, j'ai ajouté un émetteur suiveur au niveau du VAS, ce qui va augmenter énormement l'impédance d'entrée de cet étage d'amplification.
Ce qui fait que le gain de la paire différentielle est normalement assez important (gain de 100 au pifomètre ?)
En ce qui concerne le VAS, je ne sais pas estimer le gain (>5000 ??).
Pour l'étage de sortie, avec 1ohm à chaque émetteur, j'ai un gain de 0.94 pour un casque de 32ohm.
Il faudra bien que je le calcul un jour, mais j'espère atteindre un gain BO global d'au moins un demi million. (en simu, le gain BO est de 3 million (130dB))


Je peux essayer de t'expliquer le calcul sur la version non améliorée, qui est plus simple : ça me permettra en même temps de voir si j'ai vraiment compris ce que je fais :p

Pour le courant de repos, je l'ai expliqué plus haut : j'ai choisi 30mA qui est selon moi un compromis pour réduire la distorsion de croisement et ne pas tomber dans une classe A.

++
Adhafera

Message 19 Oct 2013 22:32

Je vais suivre ton topic de très près et si jamais ton ampli aboutit, je m'en fabriquerais bien un pour le plaisir  :)

Message 20 Oct 2013 11:26

Adhafera a écrit:Pour le courant de repos, je l'ai expliqué plus haut : j'ai choisi 30mA qui est selon moi un compromis pour réduire la distorsion de croisement et ne pas tomber dans une classe A.

Pour reprendre ce schéma : gallery/image.php?album_id=209&image_id=1102 , je vois qu'il y a 9mA qui passent dans Q1 et Q2 mais je ne vois pas comment tu détermines le courant dans Q5. Est-ce que tu as un moyen de contrôler la fraction qui va dans la base de Q5 ?


Y'a un truc que je comprends pas très bien dans ta démarche : pourquoi est-ce que tu te limites à ±12V d'alim et 30mA de classe A ? Le premier t'oblige à optimiser la conception de ton ampli pour arriver à produire du signal très près de la tension de rail ; est-ce que cette optimisation se fait au détriment d'autre chose ? Pareil pour le faible courant de polarisation. Tes transistors de sortie peuvent encaisser bien plus et ce ne serait pas non plus un problème pour ton alim (un simple couple LM317/337 peut donner 1A en continu).

Message 20 Oct 2013 13:31

Comme déjà dit en privé.. Si tu as besoin de testeurs, n'hésites pas .. j'ai du lourd/chiant à driver à la maison  :loool:

Message 20 Oct 2013 13:56

Ah oui on veut bien faire testeur....

Message 20 Oct 2013 14:10

Bidoux^ a écrit:Pour reprendre ce schéma : gallery/image.php?album_id=209&image_id=1102 , je vois qu'il y a 9mA qui passent dans Q1 et Q2 mais je ne vois pas comment tu détermines le courant dans Q5. Est-ce que tu as un moyen de contrôler la fraction qui va dans la base de Q5 ?

ça dépend des Vbe des transistors. Les transistors driver/sorties (Q2 et Q5) sont branchés en émetteur suiveur, mais comme ces transistors sont différents, leurs Vbe diffèrent aussi. Ces quelques mV de différences va entrainer un courant au travers de la résistance d'émetteur des transistors de sorties.
Par contre, cette façon de faire est très mauvaise car il est assez dur de régler ce courant de polarisation ! (il faut ajuster le courant des drivers par la pratique...)
Pour bien faire, il aurait fallu que je rajoute une résistance entre le collecteur de Q2 et la base de Q5. (Ce que je n'ai pas encore fait car je n'ai pas encore étudié l'impact de cette modification sur la distorsion.)

Image
J'ai rajouté ces fameuses résistances dans la simu ci-dessus.
De ce fait, si on considère que les Vbe sont quasi identique, la tension aux bornes de cette nouvelle résistance R1 sera égale à la tension aux bornes de R3.
C'est donc en théorie le ration R1/R3 qui va déterminer le courant de biais (i_biais/i_drivers = R1 / R3).
Si on prend en compte le courant de base de Q3, on peut peaufiner la formule : i_biais/(i_drivers - i_biais/hfe) = R1 / R3

En pratique, les Vbe des transistors Q1/Q3 et Q2/Q4 ne sont pas identique. Ce qui induit une petite erreur.

Petit test : Je veux 100mA de courant de biais et je sais que la source de courant des driver délivre du 10mA. Mes résistances de sorties sont de 1ohm. et le gain des transistor de sortie est de 250.
R1 = 1 ohm * 0.1A / (0.01A - 0.1A/250) = 10.4ohm

On voit sur la simu qu'il y a une légère erreur du aux Vbe des couples drivers/sorties qui ne sont pas identiques. Il suffit d'ajuster la valeur de R1 et R2 en pratique.


Bidoux^ a écrit:Y'a un truc que je comprends pas très bien dans ta démarche : pourquoi est-ce que tu te limites à ±12V d'alim et 30mA de classe A ? Le premier t'oblige à optimiser la conception de ton ampli pour arriver à produire du signal très près de la tension de rail ; est-ce que cette optimisation se fait au détriment d'autre chose ?

+/-12V car je n'ai pas besoin de plus. Et puis cette tension d'alim dépendra aussi des transformateurs que je choisirai.
Si je prend un transfo 2x9V, j'aurai une alim +/-10V et les tensions de sorties max seront de +/-8.5V.
Avec un transfo 2x12V (je pense partir là dessus), l'alim sera de +/-14V et la sortie pourra varier de +/-12.5V
J'arrive à une tension de déchet inférieure à 1.5V sans faire trop d'effort. Même 2V de déchet, c'est pas énorme.
Après, si je prend des tensions d'alimentations trop importantes, je devrais me poser des questions de dissipation thermique de certains composants...

Bidoux^ a écrit:Pareil pour le faible courant de polarisation. Tes transistors de sortie peuvent encaisser bien plus et ce ne serait pas non plus un problème pour ton alim (un simple couple LM317/337 peut donner 1A en continu).

Si je polarise à 100mA, alors autant faire une classe A pur (car j'ai besoin de +/-150mA max dans le pire des cas).
100mA au repos, avec une alim de 14V, ça fait que mes transistors de sorties doivent dissiper 1.4W en permanence.

Ce n'est donc pas l'alim ni les transistors de sortie qui m'ont conduit à ces "contraintes", mais plutôt des questions d'optimisation de puissance dissipées. Après, si j'ai besoin d'une tension d'alim plus importante ou d'un courant de polarisation plus fort, je ne m’embêterai pas, j'augmenterai ces valeurs (ce ne sont pas des contraintes fortes)


Sorrodje a écrit:Comme déjà dit en privé.. Si tu as besoin de testeurs, n'hésites pas .. j'ai du lourd/chiant à driver à la maison  :loool:

Fabaaroan a écrit:Ah oui on veut bien faire testeur....

Faut déjà que j'arrive à finir cet ampli. Ensuite, oui, pourquoi pas :p

Message 21 Oct 2013 09:40

Bidoux^ a écrit:Y'a un truc que je comprends pas très bien dans ta démarche : pourquoi est-ce que tu te limites à ±12V d'alim et 30mA de classe A ?


Suite à ta question, je me suis interrogé sur la légitimité de cette valeur de 30mA afin de trouver des arguments un peu plus solides que juste "ça semble un bon compromis".

Pour préciser ma réponse d'hier, 30mA de classe A, ça fait que pour un casque de 32ohm, je fonctionne en classe A pour des tensions se baladant entre -2 et 2V.
Plus l'impédance du casque augmente, la plage de tension de classe A augmente. Ainsi, avec une impédance de 300 ohm, je suis en fonctionnement classe A de -18 à +18V, c'est à dire tout le temps tout le temps ! :)

Donc 30mA de biais, c'est pas déconnant.
On pourrait même prendre un peu plus si on veut être en classe A sur toute la plage d'alimentation pour un casque de <300 ohm, mais arrivé à un certain seuil, autant designer directement une classe A pur.

30mA reste une valeur très honorable. Qu'en penses-tu ?

++
Adhafera

Message 21 Oct 2013 15:34

Ony a écrit:Je vais suivre ton topic de très près et si jamais ton ampli aboutit, je m'en fabriquerais bien un pour le plaisir  :)


+1

J'aime beaucoup le projet Sapphire... j'ai hésité de nombreuse fois à en faire un.

Le wire par défaut n'est également rien d'autre qu'un buffer à gain unitaire (mais avec des circuit intégrés). on peut changer sa config pour avoir du gain.

adhefara a écrit:Si je polarise à 100mA, alors autant faire une classe A pur (car j'ai besoin de +/-150mA max dans le pire des cas).
100mA au repos, avec une alim de 14V, ça fait que mes transistors de sorties doivent dissiper 1.4W en permanence.

Ce n'est donc pas l'alim ni les transistors de sortie qui m'ont conduit à ces "contraintes", mais plutôt des questions d'optimisation de puissance dissipées. Après, si j'ai besoin d'une tension d'alim plus importante ou d'un courant de polarisation plus fort, je ne m’embêterai pas, j'augmenterai ces valeurs (ce ne sont pas des contraintes fortes)


Tant que c'est pour faire du sédentaire: c'est vrai que je serai également tenté de dire: ne pas lésiner sur l'alimentation. vu les chiffres invoqué, on peut facilement aller sur de la classe A pure sans avoir besoin d'un monstro-refroidissement.

- Quand je vois les 23/45w à dissiper d'un OPC NTD1 - la ça me fait peur :D

Message 21 Oct 2013 15:41

GourouLubrik a écrit:Le wire par défaut n'est également rien d'autre qu'un buffer à gain unitaire (mais avec des circuit intégrés). on peut changer sa config pour avoir du gain.

un wire ? kesako ? :)

GourouLubrik a écrit:Tant que c'est pour faire du sédentaire: c'est vrai que je serai également tenté de dire: ne pas lésiner sur l'alimentation. vu les chiffres invoqué, on peut facilement aller sur de la classe A pure sans avoir besoin d'un monstro-refroidissement.

- Quand je vois les 23/45w à dissiper d'un OPC NTD1 - la ça me fait peur :D

Haha, c'est vrai que comparé à ça, 1.5Watt, ce n'est vraiment pas grand chose. Je vais tout de même partir sur 30mA de polarisation pour commencer. De toute manière, 30mA de biais sont suffisant pour faire parler un HD600 en classe A tout le temps.

Une fois que j'aurai une première version sur pcb, je pourrait modifier ce courant et voir l'impact sur le son et sur la dissipation pour un casque à plus faible impédance :)

Message 21 Oct 2013 16:22

Adhafera a écrit:un wire ? kesako ? :)

http://www.diyaudio.com/forums/headphon ... -pcbs.html

Et la group buy qui courrait chez nous - on a pas encore payé - mais c'est plus ou moins fermé là - quoi qu'on peut peut être négocier.
viewtopic.php?f=48&t=5458

Message 21 Oct 2013 18:19

Adhafera a écrit:Suite à ta question, je me suis interrogé sur la légitimité de cette valeur de 30mA afin de trouver des arguments un peu plus solides que juste "ça semble un bon compromis".

Pour préciser ma réponse d'hier, 30mA de classe A, ça fait que pour un casque de 32ohm, je fonctionne en classe A pour des tensions se baladant entre -2 et 2V.
Plus l'impédance du casque augmente, la plage de tension de classe A augmente. Ainsi, avec une impédance de 300 ohm, je suis en fonctionnement classe A de -18 à +18V, c'est à dire tout le temps tout le temps ! :)

Donc 30mA de biais, c'est pas déconnant.
On pourrait même prendre un peu plus si on veut être en classe A sur toute la plage d'alimentation pour un casque de <300 ohm, mais arrivé à un certain seuil, autant designer directement une classe A pur.

30mA reste une valeur très honorable. Qu'en penses-tu ?

++
Adhafera

Merci de m'avoir expliqué comment tu fixais le courant de sortie, je pense voir à peu près. Du coup ça lève une interrogation de mon côté : comment ton raisonnement va s'adapter aux tolérances composants que l'on ne manquera pas d'observer (Vbe non-uniforme dans ce cas-ci) ? Je n'ai pas d'ordre de grandeur de ces disparités, si elles sont importantes tu peux par exemple rajouter les résistances aux émetteurs des transistors d'entrée et augmenter la valeur de celles qui sont aux émetteurs des transistors push-pull.
(puis éventuellement mettre des étages de sorties en // si l'impédance de sortie devient trop élevée. Bon peut-être que les valeurs de Vbe sont gentiment distribuées ou que tu choisiras d'appairer ça  :mrgreen: )


En fait pour le courant de sortie, j'essayerais d'aller aussi haut que possible avec un refroidissement et une alimentation adaptée. Rogner là-dessus c'est pour moi être dans une démarche industrielle et chercher à économiser un peu sur chaque unité (transfo plus petit, radiateur ou non) pour faire de vraies économies sur plusieurs centaines d'unités produites. Dans mon esprit DIY=overkill parce qu'on peut se le permettre et qu'une différence de coût de quelques € importe peu. Mais c'est pas bien subtil, je le reconnais  8-)

Ok si on fait de l'ampli enceinte la classe A risque de limiter la puissance de sortie et de nous obliger à sortir les radiateurs de plusieurs kg et les transfos à plusieurs centaines d'€. Mais dans le cas de l'amplification casque c'est dommage de se priver de la classe A dans la mesure où elle ne nous contraint pas vraiment.

Et je suis toujours un peu étonné de ton choix de ±12V. Tu n'es pas limité par un circuit intégré qui t'interdirait de dépasser cette limite, l'augmenter permettrait d'atteindre plus facilement tes objectifs de tension de pilotage sans te soucier d'avoir une bonne rentabilité en tension du circuit. Je vois l'élégance de la démarche qui consiste à optimiser au maximum, mais perso je serais trop tenté de concevoir au plus large possible (et j'ai bien insisté : pour tout  :lol: )

Message 21 Oct 2013 18:29

GourouLubrik a écrit:Le wire par défaut n'est également rien d'autre qu'un buffer à gain unitaire (mais avec des circuit intégrés). on peut changer sa config pour avoir du gain.


GourouLubrik a écrit:
Adhafera a écrit:un wire ? kesako ? :)

http://www.diyaudio.com/forums/headphon ... -pcbs.html

Et la group buy qui courrait chez nous - on a pas encore payé - mais c'est plus ou moins fermé là - quoi qu'on peut peut être négocier.
viewtopic.php?f=48&t=5458


Oh, bien ce petit ampli !! :)
Le buffer de sortie est aussi un diamond buffer justement ! magnifique :)
Voir le schéma page 2, mise à part les protections tension et courant que je n'ai pas encore intégré, c'est exactement la même chose que mon étage de sortie : http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lme49600.pdf

Message 21 Oct 2013 18:34

Bidoux^ a écrit:En fait pour le courant de sortie, j'essayerais d'aller aussi haut que possible avec un refroidissement et une alimentation adaptée. Rogner là-dessus c'est pour moi être dans une démarche industrielle et chercher à économiser un peu sur chaque unité (transfo plus petit, radiateur ou non) pour faire de vraies économies sur plusieurs centaines d'unités produites. Dans mon esprit DIY=overkill parce qu'on peut se le permettre et qu'une différence de coût de quelques € importe peu. Mais c'est pas bien subtil, je le reconnais  8-)

Ok si on fait de l'ampli enceinte la classe A risque de limiter la puissance de sortie et de nous obliger à sortir les radiateurs de plusieurs kg et les transfos à plusieurs centaines d'€. Mais dans le cas de l'amplification casque c'est dommage de se priver de la classe A dans la mesure où elle ne nous contraint pas vraiment.

Et je suis toujours un peu étonné de ton choix de ±12V. Tu n'es pas limité par un circuit intégré qui t'interdirait de dépasser cette limite, l'augmenter permettrait d'atteindre plus facilement tes objectifs de tension de pilotage sans te soucier d'avoir une bonne rentabilité en tension du circuit. Je vois l'élégance de la démarche qui consiste à optimiser au maximum, mais perso je serais trop tenté de concevoir au plus large possible (et j'ai bien insisté : pour tout  :lol: )


Oui, tu as surement raison. C'est peut être mon côté informaticien/embarqué trop carré qui ressort : j'essaye d'optimiser au maximum tout ce que je peux :p
Mais ça ne change rien au concept : si mon ampli est bien designé (ce qui sera le cas car je met tous mes effort sur ce point), rien n'empêche d'augmenter les tensions d'alimentations et le courant de biais, les performances seront les même (voir un poil meilleur).
D'ailleurs, pour mes tests, je n'essaye pas d'optimiser. J'utilise une alim +/-15V @ 1A.

Message 29 Oct 2013 17:10

Bon, bad news...
Je viens de cramer mon alim +/-15V en foirant l'étage de sortie du diamond buffer...
Je savais bien que j'aurai du intégrer des protections sur-intensité dans l'alim :/

Deux options : soit je rachète un vieux 7815 pour avoir du 15V régulé sans effort (mais toujours pas de protections) soit je me refais une vrai alim de labo digne de ce nom, mais ça va me faire perdre un sacré temps (même si j'ai déjà quelques schémas quasi finalisés en stocke) :/

Sinon, j'ai testé une version perso du CMOY (que je n'aime pas car je le trouve mal conçu...).
  • Alim -/+15V
  • Voltage Swing : 26V
  • Double AOP par voie => Intensité de sortie max : -/+ 70mA
  • Gain x11
  • Filtrage et compensations fréquentielles : vraiment basique (Bande passante : 0-500kHz)

J'ai fais un premier test avec des AOP audio bon marché (TL072), le DAC de mon Aune X1 en entrée et un HD650 en sortie. Je dois dire que le résultat était assez impressionnant malgré le manque de basses et la légère impression d'être dans un grand hall de magasin.
J'ai refais les tests avec de meilleurs AOP (OPA2134) et cette impression d'être dans un grand hall a disparu !

Je n'ai pas pu pousser les tests et comparer à mon Aune X1 à cause de mon problème d'alim...
Je crachait encore sur le CMOY il y a quelques temps (et je continue à penser que certaines versions de cet ampli ne sont pas top, surtout la version mono AOP + alim 0-9V qui ne peut pas driver grand chose :/), mais je suis agréablement surpris de sa performance sur des casques forte impédances comme le HD650 (pour lequel la tension et le courant de sortie sont bien designé) !

Dès que j'aurai une refait une alim, je testerai plus en profondeur ce design et ferai des tests d'écoutes plus poussés avec mon Beyer !

Message 30 Oct 2013 01:54

Tu peux essayer une alim avec le couple 317/337 et des potentiomètres 20 tours à la place des résistances. Ca te fait pas un truc parfaitement ajustable mais tu peux quand même modifier un peu ta tension en sortie ; adaptable quoi ...

D'ailleurs curiosité perso : qu'est-ce que t'appelles une alim de labo ? Je veux dire, quelles qualités en plus on en attend par rapport à une alim de type sigma11 par exemples ?