Kultowy audiofilski wzmacniacz Pass Labs X150

[Romekd]

Czołem.

Producent nie udostępnia schematu wzmacniacza, ale z tego co można się dowiedzieć "z natury", wiemy, że układ jest nie tylko od początku do końca przeciwsobny, ale też całkowicie zbalansowany (różnicowe wejście i wyjście). Można więc powiedzieć, że jest podwójnie symetryczny. O ile się nie mylę, składa się wyłącznie z tranzystorów polowych (MOSFET i JFET), a w ich przypadków dopuszczalny rozrzut parametrów jest naprawdę duży i bez ich dobierania trudno by było uzyskać jakąkolwiek symetrię punktów pracy. Jestem tylko ciekaw czy firma Pass Labs ma jakoś zautomatyzowany pomiar czy ktoś przerzuca te wagony po jednym tranzystorze Tak czy owak w przypadku tranzystorów polowych jeszcze bardziej niż w przypadku bipolarnych trudno o prawdziwie komplementarną parę. Nawet jak napięcia progowe uda się dobrać, to transkonduktancja będzie pewnie się różnić o pojemnościach już nie wspomnę. Widać to zresztą w pomiarach, teoretycznie powinny wykazać zero parzystych harmonicznych a widać je dość wyraźnie.

Musze przyznać, że w pewien sposób mi ten wzmacniacz imponuje, zwłaszcza zrównoleglony stopień wyjściowy, ale budowę podobnego cuda trzeba by zacząć od budowy testera, który może automatycznie zmierzyć co najmniej 10 tranzystorów na raz : Nie jestem też przekonany do tranzystorów MOSFET w stopniach napięciowych, chociaż we wzmacniaczach, które z założenia mają mieć płytkie USZ można to jakoś uzasadnić.

Jest dokładnie jak napisałeś. Są co prawda na każdym z modułów cztery tranzystory bipolarne, ale tworzą one połączenia kaskodowe z tranzystorami j-fet, pracującymi w symetrycznych wzmacniaczach różnicowych, jednak ich zasadniczą rolą jest zapewnienie podwójnym tranzystorom 2SK389BL i 2SJ109BL odpowiednich, bezpiecznych dla nich napięć pracy i ograniczenie niepotrzebnych strat mocy. W każdym z modułów są również cztery tranzystory typu mosfet, z kanałami "P" i "N" i w ich przypadku możliwe odchyłki parametrów mogą być już bardzo duże. Poniżej nota katalogowa jednego z nich.

Dla prądu drenu równego 1 mA napięcia bramka-źródło w poszczególnych egzemplarzach mogą mieć wartość leżącą w przedziale 0,8...2,4 V. Nie ma w tych tranzystorach podziału na grupy, jak np. w j-fetach BF245 (A, B, C), więc trzeba przemierzyć kilkadziesiąt sztuk z jednej partii produkcyjnej, by wybrać egzemplarze o bardzo podobnych charakterystykach i jeszcze zbliżonych współczynnikach temperaturowych prądu drenu dla typowego w układzie napięcia bramka-źródło. By naprawić i dokładnie zrozumieć zasadę działania tego wzmacniacza, rozrysowałem "z natury" cały jego schemat, jednak ze względu na prośbę autora tego rozwiązania, nie zamierzam go rozpowszechniać. W necie można znaleźć rozwiązania mniej lub bardziej "kompatybilne" z oryginalnym układem (modułem), ale schematu tego oryginalnego nie ma i nie będzie. Wykonując pomiary doszedłem do wniosku, że nie tylko tranzystory były precyzyjnie dobierane, ale również rezystory SMD i te w obwodach źródeł tranzystorów mocy. To oczywiście miało duże przełożenia na cenę końcową urządzenia, ale cena ta nie zniechęca kupujących, gdyż ci płacą za wysoką jakość wzmacniacza oraz ten ogrom pracy, który trzeba było włożyć w jego tworzenie...

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Romku, a czy rezystory w źródłach tranzystorów mocy N-MOSFET są takiej samej wartości jak te dla P-MOSFET? Spotkałem się z projektami wzmacniaczy, gdzie te rezystory miały różne wartości, żeby skompensować różne transkonduktancje MOSFETÓW N i P.

[Romekd]

Mają te same wartości, jednak w obwodzie kolektorów tranzystorów bipolarnych jednej pary znajduje się potencjometr nastawny, umożliwiający ustawienie odpowiedniego punktu pracy dla mosfetów.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Badając parametry wzmacniacza Pass Labs X150 sprawdziłem również poziom separacji kanałów dla kilku częstotliwości z pasma akustycznego. Pomiar wykonałem w sposób następujący:

Oba kanały obciążyłem sztucznym obciążeniem o parametrach 8 Ω/ 500 W (bezindukcyjnym).
Kanał lewy wysterowałem sygnałem z generatora w taki sposób, by na wyjściu kanału otrzymać napięcie skuteczne o wartości 20 V, któremu to napięciu odpowiadała moc równa 50 W na podłączonym obciążeniu. Poziom na wejściu karty pomiarowej ustawiłem potencjometrem w taki sposób, by dla mierzonej częstotliwości uzyskać wskazanie równe - 2 dB względem maksymalnego poziomu przetwornika analogowo-cyfrowego wynoszącego 0 dBFS.

Następnie przełączyłem wejście karty pomiarowej na rezystor obciążający drugi (prawy) kanał i dokonałem analizy poziomu sygnału dla danej częstotliwości oraz analizy poziomu częstotliwości harmonicznych, gdyż sygnały między kanałami mogą przedostawać się również przez wspólny zasilacz, a na napięciach zasilania zawsze obecne są zniekształcenia harmoniczne (interesował mnie również ich poziom na wyjściu kanału niewysterowanego). Podczas pomiaru przesłuchu na wejściu mierzonego kanału włączony był "terminator" o rezystancji 100 Ω, by gniazdo wejściowe nie "wisiało w powietrzu". Rezystancja generatora wykorzystywanego w pomiarach wynosiła również 100 Ω, przy czym sygnał ten podawałem na wejście cinch (RCA), a sygnały na obciążeniu badałem wykorzystując wejście symetryczne (zbalansowane) karty pomiarowej, ze względu na symetryczne wyjście wzmacniacza. Pomiary przeprowadziłem dla częstotliwości 100 Hz, 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz i 20 kHz. Wyniki tych eksperymentów poniżej:

Moim zdaniem wzmacniacz cechuje się bardzo dobrą separacją kanałów, mimo umieszczenia obu stopni mocy w jednej obudowie i zasilania wspólnym zasilaczem.

Pozdrawiam
Romek

[Krzysztof_M]

Rzeczywiście, separacja dla średnich częstotliwości jest bardzo dobra.
Generalnie ta konstrukcja pod wieloma względami zaskakuje pozytywnie, za wyjątkiem wagi i poboru mocy

[marma2]

Niestety taka jest klasa A. Fajne brzmienie ze względu na poziom i rodzaj zniekształceń ale coś za coś. Moc pobierana z sieci jest spora. Zrobiłem dwa klony wg Passa ale rzadko ich słucham. Korzystam na co dzień z klasy AB.

[Einherjer]

Niestety taka jest klasa A. Fajne brzmienie ze względu na poziom i rodzaj zniekształceń ale coś za coś. Moc pobierana z sieci jest spora. Zrobiłem dwa klony wg Passa ale rzadko ich słucham. Korzystam na co dzień z klasy AB.

Tylko, że to jest klasa AB, było o tym w wątku.

[marma2]

Przepraszam, nie doczytałem. Znam trochę "twórczość" N.Passa jeszcze z czasów pracy w Tresholdzie. Zawsze był zwolennikiem dużych prądów i mocy. No cóż, w USA energia elektryczna nie jest (a na pewno nie była) tak droga jak u nas. Trudno zaakceptować fakt, że moc wszystkich ledowych punktów świetlnych w moim domu a mam ich kilkadziesiąt jest mniejsza niż moc pobierana przez np. którykolwiek First Watt. Jeszcze jak się słucha kilka godzin tygodniowo to nie ma bólu. Co do klasy AB to też jest nieprecyzyjne określenie. Miałem i mam kilka wzmacniaczy fabrycznych w klasie AB gdzie BIAS jest np. 20mA (YBA) i Simmaudio Moon ok. 1A. Czyli dość spora rozpiętość. W kieszeni jest to już odczuwalne przy dłuższym słuchaniu

[Einherjer]

To prawda, są wzmacniacze, które zasadniczo pracują w klasie AB, a w klasie A są w stanie dostarczyć tylko ułamek wata, a są takie, gdzie to jest już dobrych kilka watów. X150 zdecydowanie zalicza się do tej drugiej kategorii.

[Romekd]

Czołem.

To prawda, są wzmacniacze, które zasadniczo pracują w klasie AB, a w klasie A są w stanie dostarczyć tylko ułamek wata, a są takie, gdzie to jest już dobrych kilka watów. X150 zdecydowanie zalicza się do tej drugiej kategorii.

Jest jeszcze trzeci typ wzmacniaczy, w których można załączyć pracę stopni mocy w klasie A do mocy wyjściowej rzędu 10...25 W, a po większym wysterowaniu wzmacniacza i przekroczeniu tej właśnie mocy, układ automatycznie zmniejsza wartość prądu spoczynkowego, przechodząc do pracy w klasie AB. Przełączeń wartości prądu spoczynkowego w stopniach mocy w ogóle nie słychać w głośnikach, a poznać że układ przełączył się do klasy AB można np. po spadku temperatury radiatorów (spadku temperatury obudowy wzmacniacza). Oczywiście pracę w klasie A dla tych mniejszych mocy wyjściowych da się całkowicie wyłączyć przełącznikiem i wówczas przy cichym słuchaniu wzmacniacza ten pozostaje chłodny, pracując cały czas w klasie AB.

Do tej pory pisząc o wzmacniaczu Pass Labs X150 skupiałem się głównie na jego zaletach, w kolejnym poście spróbuję opisać jego wady i pewne "niezgodności" zmierzonych parametrów z tymi podanymi przez producenta, czyli wspomnę o kilku "chwytach marketingowych", po które sięgnięto by lepiej zareklamować ten produkt...

Pozdrawiam
Romek

[Ola Boga]

Romku, bardzo mnie interesuje jakie cechy, czy parametry tego wzmacniacza są chwytem marketingowym. Rozumiem, że pasmo od 0Hz, które w rzeczywistości byłoby szkodliwe, ale czy pozostałe mają coś wspólnego ze "zbalansowaną" konstrukcją wzmacniacza? Zawsze zastanawiała mnie idea zbalansowanych konstrukcji w domowym sprzęcie. Reklamy często powołują się na analogię do sprzętu studyjnego, ale urządzenia nagraniowe, które znam są właśnie niesymetryczne. Symetryczna jest jedynie transmisja na duże odległości, czyli kable. Wszystkie urządzenia, czyli mikrofony, przedwzmacniacze, korektory, miksery itp, posiadają desymetryzator na wejściu i symetryzator na wyjściu.
Czy w badanym wzmacniaczu wyjście jest symetryczne? Czyli czy oba zaciski głośnikowe dają po pół sygnału względem masy?

ps. Głośniki, które mam teraz, to Lowther, szerokopasmowe z tubą, strasznie brzydkie. Wcześniej Klipsch Heresy, zamknięte z tubowymi średnimi i wysokimi tonami. Jedne i drugie mają podobną skuteczność, nie wiem dokładnie jak dużą w rzeczywistości, ale producenci podają okolice 98-99dB/W. Nie lubię basrefleksu jakoś...

[Einherjer]

Pisałem wcześniej w tym wątku, że wzmacniacz ma symetryczne wejście i wyjście. W zasadzie jest to "fully differential amplifier". Taki OPA1637 na sterydach

[Romekd]

Czołem.

Romku, bardzo mnie interesuje jakie cechy, czy parametry tego wzmacniacza są chwytem marketingowym. Rozumiem, że pasmo od 0Hz, które w rzeczywistości byłoby szkodliwe, ale czy pozostałe mają coś wspólnego ze "zbalansowaną" konstrukcją wzmacniacza? Zawsze zastanawiała mnie idea zbalansowanych konstrukcji w domowym sprzęcie. Reklamy często powołują się na analogię do sprzętu studyjnego, ale urządzenia nagraniowe, które znam są właśnie niesymetryczne. Symetryczna jest jedynie transmisja na duże odległości, czyli kable. Wszystkie urządzenia, czyli mikrofony, przedwzmacniacze, korektory, miksery itp, posiadają desymetryzator na wejściu i symetryzator na wyjściu.
Czy w badanym wzmacniaczu wyjście jest symetryczne? Czyli czy oba zaciski głośnikowe dają po pół sygnału względem masy?

Jak już wcześniej wspomniałem kilka parametrów, podczas dokonywania pomiarów wzmacniacza, okazało się być "nieco" gorszymi. Górna granica pasma przenoszenia nie osiągała 100 kHz (-3 dB), a wynosiła ok. 70 kHz, maksymalna szybkość narastania i opadania zboczy sygnału wyjściowego dla pobudzenia wzmacniacza przebiegiem prostokątnym była w układzie ponad dwukrotnie niższa niż deklarowana w specyfikacji i wynosiła ok. 22...23 V/μs, zamiast 50 V/μs. W materiałach reklamowych bardzo dziwnie podana została "dynamika" wzmacniacza, której wartość określono na 150 dB dla całej serii wzmacniaczy PASS Labs X...

W specyfikacji urządzenia podano dynamikę jako odstęp najwyższej impulsowej wartości sygnału wyjściowego (różnicowego) do poziomu "podłogi szumowej", co uważam z mocno "przekombinowane".

Nie podano wyjściowego napięcia różnicowego dla szumu i zakłóceń występujących na wyjściu przy stosunku ważonym, czyli najbardziej istotnym dla percepcji ludzkiego słuchu. Podano jakieś napięcie różnicowe szumu, ale bez określenia pasma częstotliwości, w jakim było mierzone. Dlatego dość zabawnie brzmią dla mnie pewne sformułowania z opisu serii tych wzmacniaczy. Poniżej jedna strona tego opisu z zaznaczonymi przeze mnie w czerwonych ramkach fragmentami, które w moim odczuciu mogą stanowić dość nieuczciwe "chwyty marketingowe" (autor tych wpisów zapewne był przekonany, że nikt z nabywców tego wzmacniacza nie będzie dysponował aparaturą potrzebną do zmierzenia rzeczywistych parametrów szumowych i innych).

W zaznaczonych przeze mnie fragmentach można ponadto przeczytać, że w super-symetrycznym układzie szumy i zniekształcenia samego układu będą się znosiły, a dzięki temu wzmacniacz ten będzie miał stokrotnie niższe poziomy szumu i zniekształceń nieliniowych THD, czyli parametry lepsze aż o 40 dB od parametrów "zwykłych" wzmacniaczy wysokiej klasy. Niestety przeprowadzone pomiary nie potwierdziły tych parametrów, co opiszę w kolejnej wypowiedzi.

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Pasmo przenoszenia i SR to może być kwestia obecności na wejściu filtra dolnoprzepustowego. Natomiast odstęp sygnału od szumu faktycznie jest podany w pokrętny sposób, żeby tylko pochwalić się tak imponującą wartością.

[Romekd]

Czołem.
Na wejściu wzmacniacza X150 nie ma filtru dolnoprzepustowego, a jest górnoprzepustowy o częstotliwości granicznej 0,14 Hz (włączając odpowiednie zworki można go całkowicie wyłączyć). W każdym kanale jest co prawda jeden ceramiczny kondensator kompensacji częstotliwościowej o pojemności ok. 5 pF, ale nawet przy zmniejszeniu jego pojemności o połowę, "trzydecybelowe" pasmo nie osiąga wspomnianych 100 kHz. Być może z innymi modułami wzmacniaczy napięciowych (w pewnym momencie te wcześniejsze zostały zastąpione przez producenta nowszymi) pasmo byłoby szersze
Wracając do poziomu "podłogi szumowej", to osoby korzystające z analizatorów widma zdają sobie sprawę, że to jak bardzo oddalona jest ona w dół względem poziomu maksymalnego (0 dBFS) będzie zależało od wybranej metody analizy (dla analizatorów z przemiataniem poziom odstępu "podłogi szumowej" od maksymalnego poziomu będzie zależał od wybranej szerokości pasma wzmacniacza p.cz. i ustawienia szerokości pasma filtru "VIDEO").
W prościutkiej karcie EM-u1616m przy ustawieniach: 24-bit i 192 kHz, podłoga ta leży na poziomie ok. -160...-150 dB, przy czym odstęp ważony szumu i zakłóceń od górnego pułapu wg krzywej wagowej "A" wynosi ok. -117,5 dB (A) dla symetrycznych wejść karty (wejść połączonych z przetwornikiem A/C) połączonych z symetrycznymi wyjściami karty (wyjściami przetwornika C/A). Gdy symetryczne wejścia karty połączy się przez rezystory 100 Ω z masą, ważony odstęp poziomu szumów względem poziomu 0 dBFS (w E-MU1616m dla najczęściej używanych przeze mnie ustawień poziom ten odpowiada napięciu wejściowemu 2 Vrms) poprawia się jeszcze o ok. 2 dB. Poniżej wykres z taką "podłogą szumową" dla wejść karty zwartych przez 100 Ω z masą.

Tak to przedstawia się dla pasma akustycznego, natomiast przebieg tej "podłogi szumowej" w całym paśmie przenoszenia karty wygląda jak na kolejnym wykresie.

Na dole pod wykresem wyświetlany jest również poziom dla częstotliwości i jej okolic, na której ustawiłem kursor (1 kHz, RMS=-154,06 dB).
Z wykresu widać, że parametry szumowe wejścia karty pogarszają się nieco wraz ze spadkiem częstotliwości poniżej 100 Hz, a jeszcze bardziej poniżej 10 Hz. Poniżej wykresu wyświetlana jest informacja o poziomie zakłóceń i szumu ("ważonym" wg krzywej "A"; po wyłączeniu filtru wagowego, wskazanie to pogarsza się o ok. 9 dB, przy czym w takiej sytuacji badany jest poziom szumów i zakłóceń w całym zakresie częstotliwości, w jakim pracuje karta dla 24-bitów (to można oczywiście odpowiednio zmieniać, zmieniając przy okazji szerokość analizowanego pasma).
Wejście karty podłączyłem kablem symetrycznym do wyjścia wzmacniacza Pass Lab X150, do którego to wyjścia podłączone było również obciążenie 8 Ω, wejście wzmacniacza zamknąłem rezystorem o wartości 10 Ω otrzymując wskazanie jak na wykresie poniżej.

Na wykresie widać zakłócenia przedostające się do toru wzmacniacza z prostownika napięcia w zasilaczu (50 Hz i jej harmoniczne) oraz z sieci elektrycznej 230 V (na częstotliwości ok. 18 kHz pracuje inwerter zasilający świetlówki podświetlające ekran w moim laptopie - poziom tych zakłóceń spada gdy zmniejszam jasność ekranu - oraz zakłócenia z pracujących w pobliżu zasilaczy /przetwornic impulsowych, w tym tej zasilającej kartę pomiarową.../). Poziom maksymalny wejścia karty odpowiada napięciu skutecznemu 2 V (0 dBFS). Ponieważ napięcie wyjściowe wzmacniacza dla pełnej mocy 150 W przy obciążeniu 8 Ω to 34,64 Vrms (jest 17,321 razy większe niż napięcie 2 Vrms, czyli większe o ok. 24,8 dB), to dla poznania faktycznego odstępu zakłóceń i szumów od sygnału dla mocy maksymalnej do wartości na wykresie należy dodać -24,8 dB. Wynik dla napięcia maksymalnego 2 Vrms, to wyrażony w decybelach stosunek zakłóceń i szumów dla mocy wzmacniacza równej 0,5 W/8 Ω lub 1 W/4 Ω. Zatem dla pełnej mocy wzmacniacza z przedstawionego powyżej wykresu wychodzi rzeczywisty stosunek zakłóceń i szumów od sygnału użytecznego na poziomie -112 dB (A). Nie jest to wynik jakoś szczególnie wysoki, jak dla czułości wejścia wzmacniacza równej ok. 1 V, gdyż np. odstęp szumy+zakłócenia/sygnał użytkowy innego badanego przeze mnie wzmacniacza (DENON POA-1500) o takiej samej mocy wyjściowej (150 W) i czułości wejściowej (1 V) wyniósł -123 dB, a więc okazał się ponad 10 dB lepszy, mimo że wzmacniacz firmy DENON nie miał konstrukcji super-symetrycznej...

Poniżej schemat blokowy końcówki mocy DENON POA-1500:

oraz schematy stopnia napięciowego i prądowego tego wzmacniacza:

Sprawdziłem jak zmienia się poziom szumów i zakłóceń wzmacniacza Pass Labs X150 w zależności od rezystancji wyjściowej źródła sygnału. Wyniki wypadły następująco:
dla 100 Ω

dla 1 kΩ

dla 10 kΩ

dla 100 kΩ

dla 1 MΩ

Jak widać poziom szumów wraz z rosnącą rezystancją źródła sygnału spada, choć rośnie poziom przedostających się zakłóceń z zasilacza i sieci elektrycznej 230 V. Jest to typowe w układach w których do każdego z symetrycznych wejść włączona jest pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego. Ponieważ jednak rezystancja wejścia wzmacniacza wynosi tylko 10 kΩ (dla wejścia cinch), to wzrost rezystancji źródła sygnału szybo zmniejsza poziom sygnału na wyjściu wzmacniacza, gdyż rezystancja źródła sygnału tworzy dzielnik rezytorowy z opornością wejściową wzmacniacza.

Pozdrawiam
Romek