DIY : Ampli 20W classe A

[jsilvestre]

Le schéma retenu :



Le point de départ du design est d'utiliser un nouveau FET appairé, sorti dernièrement par Texas Instrument et dont les caractéristiques de matching sont actuellement les meilleures du marché : le JRE2140. Il est facile à se procurer, d'un prix tout à fait raisonnable (environ 5€) et disponible en version SOIC. Je l'ai déjà utilisé dans d'autre design d'amplification, c'est plutôt très bon.
Le point de départ du design et d'utiliser le bon appairage entre les deux FET pour un fonctionnement en compensation de l'étage d'entrée (dont la fonction soustraction de la boucle de rétroaction). Les FET sont montés ici pour avoir sur la plage d'utilisation prévue :
 - un Vds identique en statique et en dynamique
 - un Id identique en statique, et quasi identique en dynamique
 - un dissipation thermique identique en statique et quasi identique en dynamique
Ce qui apporte quelque gains intéressants :
- Offset de sortie indépendant de la température
- Distorsion thermique de l'étage d'entrée autocompensée et indépendant de la température
- Distorsion harmonique très faible

La compensation en fréquence est une simple capacité Miller sur M1. Aucun réseau de compensation n'est nécessaire en sortie (sur le papier bien-sûr, on verra bien sur le proto)

C'est prévu pour fonctionner en Classe A : dissipation de 1.5A*42V = ~65W par canal pour 20W en pure classe A dans 5 ohms.
Ca fonctionne aussi en classe AB avec une transition assez douce

La suite avec les mesures au simulateur

Bonjour Jacques,

comme d'habitude encore un schéma pas conventionnel, bravo pour ta créativité!

Peut être il y a un peu trop de condensateurs, souvent ne conserver que ceux qui sont fonctionnellement absolument nécessaires peut améliorer le son. Pour savoir c'est simulations, mesures et écoutes comme d'habitude...

Pour investiguer un peu plus sur la stabilité de la boucle tu peux tracer le diagramme de Bode sur le simulateur. La aussi il faut s'assurer de la validité du modèle en comparant simulations et mesures. Changer la valeur d'un composant est bien plus rapide et facile sur une simulation que pour de vrai!

joël

joël

[jacquese]

Il faut également supprimer tous les amplis à tubes, (qui en plus de surconsommer, réchauffent le son et l'atmosphère) y compris ceux des guitaristes et bassistes de rock, blues et jazz. Les obliger à fermer les fenêtres pendant leurs concerts (surtout ceux en plein air) et les obliger de jouer sur des totors polarisés en classe D.
Ils participeront ainsi, comme les audiophiles bien-pensants, à l'effort collectif contre le réchauffement climatique.

Beau projet, Jacques. Attention avec le choix de M1 et la valeur de X2 pour régler le courant de repos, il risque (à première vue) d'être chatouilleux.

Bonjour 6336A et tous,

J'ai pourtant indiqué que le schéma est compatible classe A et classe AB ! Je prévois un interrupteur pour passer de l'un à l'autre.
Concernant le courant de repos : il est indépendant de M1. Et comme l'étage final est ne voit le tension de bias qu'au travers de 2 Vbe, ca doit être assez stable. La tension de biais (sur C5) est stable car est s'appuie sur un courant de référence contrôlé par un régulateur shunte et un miroir de courant avec un petit gain entre 3 et 4. Finalement ça ne dépend que des deux jonctions de Q10/Q11 et c'est partiellement compensé par les résistances d'émetteur R24/R25

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Bonjour Jacques,

comme d'habitude encore un schéma pas conventionnel, bravo pour ta créativité!

Peut être il y a un peu trop de condensateurs, souvent ne conserver que ceux qui sont fonctionnellement absolument nécessaires peut améliorer le son. Pour savoir c'est simulations, mesures et écoutes comme d'habitude...

Pour investiguer un peu plus sur la stabilité de la boucle tu peux tracer le diagramme de Bode sur le simulateur. La aussi il faut s'assurer de la validité du modèle en comparant simulations et mesures. Changer la valeur d'un composant est bien plus rapide et facile sur une simulation que pour de vrai!

joël

Bonjour Joêl,

Merci pour tes encouragements.
Oui il a pas mal de condensateurs. il ne font pas monter la disto à 20Hz.
Concernant la boucle de contre-reaction , tu verras dans les courbes qui suivent une marge de phase supérieur à 70% avec une capa de 1n à la sortie, ce qui plutôt pas mal. Complètement dépendante de la capacité de compensation.
Je fais toujours l'ensemble des mesures au simulateur. Généralement, j'ai les "mêmes" résultats aux mesures du circuit monté.

[jacquese]

Alors pour continuer sur le design, les mesures au simu :

1/ fonctionnement en classe A

Courbe 1 : Entrée / sortie
Courbe 2 : Delta dissipation J1/J2
Courbe 3 : tension Vds J1/J2
Courbe 4 : courants dans le push-pull de sortie

   

2/ Fonctionnement en classe AB (bias = 50mA)

Même courbes

   

3/ Bias versus température

c'est stable de 20 à 80%

   

4/ Réponse en AC

BP : environ 500KHz/-3dB
Marge de phase environ 72%

   

5/ Impédance de sortie

Injection d'un sinus de 1A sur la sortie de l'ampli
Résultat : 4mV crête à crête soit 0.002 ohm

   

A suivre, les mesures de distorsions

[JM Plantefeve]

Le schéma retenu :

Bonsoir Jacques,

Ce schéma fait preuve de ta belle créativité technologique. Je vais suivre ce fil assidûment.
Et merci pour la découverte du double Fet JFE2140 !

Bien à toi, Jean-Marc.

[jacquese]

Bonsoir Jean-Marc,

Merci !

La suite avec les mesure de distorsion en simulation, en % sur les 10 premières harmoniques :

1/ 1Wrms, 1KHz

   

2/ 1Wrms, 20Hz

   

3/ 1Wrms , 10KHz

   

4/ 20W, 20Hz

   

[Argo]

Bonjour

Joli projet DIY comme on les aime! Belle trouvaille que ce dual Jfet, je pense m'en inspirer pour un prochain projet... L'étage d'entrée n'est pas commun, belle créativité!

Concernant les condensateurs, je ne vois pas ce qu'il y a de trop (?) je ne vois pas ce qu'on pourrait supprimer... Le condo miller (68p) me parait un peu élevé (risque d'un slew rate un peu court?), mais j'imagine que c'est pensé...
Concernant les mesures en températures, je suppose que seuls les BJT de puissance et le Vbe multiplier sont sur un rad commun. Du coup, figes tu la température des autres BJT et Jfet pour la simulation de stabilité du Bias en fonction de la température?
Et pour la stabilité globale, la mesure de marge de gain et de phase est elle faite en boucle ouverte? Perso je simule avec un condo de charge de 1µ, pour être sûr...

[jacquese]

Bonjour Argo, à tous

Concernant la stabilité du bias : seuls les deux transistors de sortie seront sur le dissipateur. Les autres sont tous sur le PCB. Les deux transistors Q7/Q9 (TO-126) sont proches et un peu couplé thermiquement via le PCB. J'aurai pu les mettre sur le radiateur mais c'est plus simple à monter. De toute façon la température n'est bien répartie sur un dissipateur. Pour la simulation, la température appliquée est celle de tout le circuit. C'est donc effectivement en écarts par rapport à la réalité. Au doigt mouillée, je dirai qu'il y aura 10 à 20°C d'écart entre le dissipateur et la carte (genre 60°C l'un, et 45% l'autre) quelque que soit la température extérieure, si c'est écart reste à peu près stable, le bias ne bougera pas trop. A vérifier une fois l'ampli monté.

La mesure de phase et de la marge de phase est en boucle fermée sur résistance de 8 ohms en parallèle avec 1nF. Au simulateur, le slew rate est entre 1 et 1.5us à pleine échelle, Le carré est parfait jusque 10nF en sortie. Ensuite ca se dégrade de plus en plus jusque 1uF, mais ca reste stable.

Le relevé à 10nF//8R en sortie, sans le filtre HF à l'entrée :

   

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J'ai fait une première version du PCB. L'objectif est d'avoir pour chaque canal une carte unique avec l'ampli + l'alimentation mono. Elle sera montée entièrement sur le dissipateur peigne. Au milieu du boîtier, il y aura juste le transfo.
L'alimentation embarque 3 étages de filtrage / régulation : un étage RC, un étage LC puis une stabilisation + C. La stabilisation ne joue que sur la dynamique. En statique, elle suit le tension en amont, pour limiter les pertes et la dissipation des transistors de la la stabilisation.

Le schéma complet de la carte Ampli + Alim est celui-ci :

   

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Première version de PCB.

Partie gauche : la section ampli,
Partie droite la section alim.
La sortie alim rencontre la sortie ampli au milieu du PCB, la charge étant branchée à cette endroit.
Le redressement est a l'opposé de l'entrée de l'ampli sur la carte pour éviter les interactions problématiques.

   

   

[6336A]

Bonjour Jacques

Je vois que tu as ajouté le réglage de l'offset entre les émetteurs de Q1 et Q6  par rapport au 1er schéma.
Quand je disais chatouilleux, c'est le courant de repos qui, suivant la position du curseur, peut varier de quelques mA à plus de 3A sur le schéma d'origine.
Je trouve 19dB de gain et donc 1,4Veff en entrée pour 20 W/8R.

Schéma remarquable par son originalité.  Bravo !

[Argo]

Chapeau, beau travail!

je craignais concernant la stabilité du bias, en fait car moi c'est un problème que je rencontre souvent sur mes réalisations, mais en classe AB. Ici en classe A, la sensibilité à la variation de température est beaucoup moins importante...

On attend les résultats d'écoute avec impatience ;-)

[jacquese]

Bonjour Jacques

Je vois que tu as ajouté le réglage de l'offset entre les émetteurs de Q1 et Q6  par rapport au 1er schéma.
Quand je disais chatouilleux, c'est le courant de repos qui, suivant la position du curseur, peut varier de quelques mA à plus de 3A sur le schéma d'origine.
Je trouve 19dB de gain et donc 1,4Veff en entrée pour 20 W/8R.

Schéma remarquable par son originalité.  Bravo !

Bonsoir 6336A,

Ah oui ! j'avoue que je n'ai même pas vérifié le fonctionnement aux limites du curseur. Effectivement c'est beaucoup trop sensible. Alors soit j'en trouve une trimmer de valeur de 4.7, soit j'en mets un de plus grande valeur en parallèle de la résistance. En plus il y a une erreur pour la résistance, ce n'est pas 75 mais 39 ohms (valeur utilisée pour la simu)
Merci pour cette remarque bien utile.

Concernant le gain c'est 1+(R11/R10) [sur le dernier schéma]. soit (442 ohm / 56.2 ) +1 = 8.86.
2Vx8.86=17.72V ce qui nous fait 39.8W crête dans 8 ohms et 20Wrms en sinus

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Chapeau, beau travail!

je craignais concernant la stabilité du bias, en fait car moi c'est un problème que je rencontre souvent sur mes réalisations, mais en classe AB. Ici en classe A, la sensibilité à la variation de température est beaucoup moins importante...

On attend les résultats d'écoute avec impatience ;-)

Je ne suis pas un adepte non plus du bias qui fait le yoyo ou qui met 20 minutes pour se stabiliser.  Je trouve la solution du transistor "capteur de température" inefficace et compliquée,. Alors, généralement, j'asservis complètement le bias par un intégrateur à grande constante de temps ou je fais du darlington inversé en séparant themiquement les deux transistors pour ne laisser agir que le premier.
Là c'est une simplification. J'espère que je ne vais pas le regretter, d'autant que je vais aussi utiliser cet ampli en classe AB : il est prévu un bouton de sélection du mode de fonctionnement.