การออกแบบเครื่องเสียง High-end

[Mr.K]

ขอบคุณมากครับ ผมพยามหาวิธีหาอินพุตอิมพีแดนซ์ตั้งนานที่ไหนได้จับกระแสอินพุต รู้แรงดันอินพุตใช้กฎของโอห์มหาค่าอินพุตอิมพีแดนซ์ได้เลย แค่นี้ก็คิดไม่ออก 

ดูจากรูปแล้ว หากมองอิมพีแดนซ์ออกเป็นเฟสบวกและลบแล้วอิมพีแดนซ์สัญญาณเฟสบวกกับลบจะไม่เท่ากันใช่ไหมครับ?

 

[ช่างชนบท(บ้านนอก)]

ขอบคุณครับ    ที่มาให้ความรู้   

[Order]

ขอบคุณมากครับ ผมพยามหาวิธีหาอินพุตอิมพีแดนซ์ตั้งนานที่ไหนได้จับกระแสอินพุต รู้แรงดันอินพุตใช้กฎของโอห์มหาค่าอินพุตอิมพีแดนซ์ได้เลย แค่นี้ก็คิดไม่ออก 

ดูจากรูปแล้ว หากมองอิมพีแดนซ์ออกเป็นเฟสบวกและลบแล้วอิมพีแดนซ์สัญญาณเฟสบวกกับลบจะไม่เท่ากันใช่ไหมครับ?

 

สูตรการหา Rin แบบ Push-Pull คือ Rin=Rin(NPN)//Rin(PNP) เพราะในทาง AC Model มันต้อง Short DC ลงGround หมดทำให้มองเข้าไป
ซึกทางด้าน NPN และ PNP มันจะขนานกันนั้นเอง
คำถามที่ว่ามันเท่ากันไม เรามาวิเคราะห์ด้วยสูตร Rin 
RinNPN=(hfeNPN+1)(reNPN+(ro//RL) จากสูตร RL เรา 8ohmถือว่าน้อยมากไปขนาน roและ +re ก็เหลือแต่ RL
RinPNP=(hfePNP+1)(rePNP+(ro//RL)จากสูตร RL เรา 8ohmถือว่าน้อยมากไปขนาน roและ +re ก็เหลือแต่ RL
สูตรมันจะสั่นลง
RinNPN=(hfeNPN+1)RL
RinPNP=(hfePNP+1)RL
ถูกต้องครับ Rin ด้าน NPN แล PNP ไม่เท่ากันเพราะค่า hfe ของ TR ทั้งสองไม่เท่ากัน สามารถดูที่ Datasheet ได้ และยิ่ง
มันขยายสัญญาณขนาดใหญ่ค่า hfe มันยิ่งเปลี่ยนแปลงลดลงมาก  ถือเป็นคำถามที่ดีมากครับ
และวงจรนี้เวลาคิด hfe แต่ละด้านให้คิดสูตรเดียวกับดาร์ลิงตัน โดยเอา hfe ของ Drive คูณกับ  hfe Power  ครับ

[Order]

หลังจากที่เราได้ Rin=22K ก็เอาไปกำหนดเป็นตัวแปรในการออกแบบภาคขยายภาคหน้าได้เลย
และเวลาลงอุปกรจริงควรทำที่ภาคและวัด spec. อย่าลงแบบ kit คือลงทั้งหมดและวัด Spec.
มันทำให้เราวิเคราะห์ผิดได้สูง

จากรูปจะเห็นว่าวงจรขยายแรงดันมี 2 stage หรือมี 2 ออร์เดอร์ ทางระบบเรียกว่ามี 2 pole.
1st stage = วงจรดิฟแอมป์ ข้อดีเยอะมากจะเล่าให้ฟัง ครั้งหน้า
2nd stage= คอมมอนอีมิเตอร์ ถือเป็นวงจรอัมตะเลยครับ ต้องคำนวนให้ได้ ใช้บอยมาก

หลักการออกแบบวงจรขยายเสียงสมัยใหม่ต้อง stage น้อยที่สุด หรือ ออร์เดอร์ 1 มี 1 pole สเถียรภาพจะดีมาก
แต่บอกได้เลยว่าออกแบบยากมาก ในการทำวงจร 1 stage ให้มี open-loop Gain สูง ๆ

Specที่สำคัญมีอะไรบ้าง
1. Open-Loop Gain และ Close loop Gain กี่ dB
2. Frequency Response กี่ Hz โดบทั่ว ๆ ไปบอกว่า 20-20KHz และบ้างวงจรไปถึง 200KHZ บ้างท่านอาจจะบอกว่า
    หูเรารับรู้แค่ 20Khz ไม่เห็นต้องออกแบบให้ไปไกลขนาดนั้นเลย ผมมีคำตอบจากประสบการณ์รอติดตามนะครับ
3. Slew-Rate ยิ่งมากยิงดี เสียงจะกระชับไม่อืด แต่โอกาสออสิเรตสูง ถ้าออกแบบไม่ดี
4. Sinal to noise Ration ป้องกัน Noise ได้กี่ dB
5. THD@1KHz and THD@20KHZ and THD@Full Power.

ซึ่งถ้าเราใช้วิธีการสั่งเคราะห์วงจรตาม Spec ค่อนข้างยากมาก และ อาจหาอุปกรณ์จริงไม่ได้
เราควรเริ่มจากการศึกษา Platform ตามรูปและปรับปรุ่งที่ละภาค เราก็จะเข้าใจและออกแบบเองได้

 ดังนี้จึงต้องไล่ทิศทางกระแสให้ได้ก่อนตามรูป ยึดหลัก นอร์ตันเทวนินไว้ด้วย ว่ากระแสไหลเข้าเป็น +
ไหนออกเป็น-  ถ้าเฟสของอินพุทกับเอาพุทเฟสเดียวกัน แสดงว่าสามารถใส่ วงจรป้อนกลับได้ ก็เป็นอันถูกต้อง

[Order]

เมือเราไล้ทิศทางสัญญาณได้แล้ว เราต้องแปลงแหล่งจ่ายกระแสคง ให้เป็นวงจรที่ใช้งานจริง ด้วย Transistor 
สามารถนำไปปรับแต่เครื่องเสียงคุณได้ คือการคำนวน R ตามรูป
กระแส 8mA เราหาได้จาก R=(Vref-VBE)/I=(1.2-0.7)/8mA= 62.5ohms ในที่นี้เราใช้ 68 ตามท้องตลาดที่มี
สำหรับ Vref ลองคิดว่า ใช้อะไรได้บ้าง  ?  ผมขอตั่งคำถามรอไว้  ใครได้ช่วยเสนอด้วยครับ

[Mr.K]

เข้ามาตอบก่อนเลยครับติดตามมาตลอด
Vrf หรือค่าแรงดันอ้างอิงสามารถใช้ แรงดันตกคร่อมไดโอด, LED, Zener Diode หรือ แม้แต่วงจรแบ่งแรงดันโดยใช้ตัวต้านทานก็สามารถนำมาเป็นค่าอ้างอิงก็ได้ครับ

ภาคแหล่งจ่ายกระแสคงที่มีผลต่อสเถียรภาพของวงจรมาก มีหลายๆวงจรที่ออกแบบภาคแหล่งจ่ายกระแสคงที่สำหรับภาคแรกแบบแย่ๆโดยใช้ตัวต้านทานเพียงตัวเดียว หรือไม่ก็อาจจะมี C ต่อบูสแท็รปเท่านั้นเอง การออกแบบวงจรแบบนี้ผมคิดว่าทำได้เหมือนกันหากแหล่งจ่ายไฟสำหรับภาคหน้าเป็นแบบเร็กกูลเลเตอร์นิ่งๆ เพราะเป็นที่รู้ๆกันอยู่ว่าเมื่อแรงดันไม่คงที่เวลาขับโหลดหนักๆทำให้ค่าอัตราการขยายของทรานซิสเตอร์ไม่มีความเป็นลิเนียร์การป้อนกลับเพื่อชดเชยความผิดเพี้ยนของภาคดิฟเฟอเรนเชียลอาจมีความผิดพลาดด้วย บางวงจรอาจมีการทำ "คาสโคด" เพื่อให้ทรานซิสเตอร์มีความเป็นลิเนียร์ที่สุดแต่จะดีขึ้นคุ้มค่าหรือให้บุคลิดเสียงที่ตรงกับที่เราชอบแค่ไหนนั้นมันก็แล้วแต่การตัดสินใจของผู้ออกแบบอีกทีใช่ไหมครับ?

ผมเห็นมีหลายท่านเข้าใจว่าวงจรที่มีอุปกรณ์น้อยๆจะให้เสียงที่ดีกว่า ผมคิดว่าไม่ถูกต้องเสมอไป ส่วนมาวงจรขยายเสียงที่มีอุปกรณ์น้อยๆก็เช่นวงจรซิงเกิ้ลเอนด์คลาสเอ ของเนลสันพาส จะเน้นทางเดินผ่านของสัญญาณให้น้อยที่สุด แต่ในวงจรขยายคลาส AB นั้นวงจรที่มีทรานซิสเตอร์(ไม่นับภาคเอาต์พุต)จำนวนมากกว่าส่วนมากจะเป็นวงจรที่ออกแบบได้ดีกว่า แต่ไม่ขอฟันธงว่าเสียงจะดีกว่าหรือไม่นะครับ คือทรานซิสเตอร์ที่นำมาใช้ก็คือใช้เป็นวงจรสะท้อนกระแส วงจรแหล่งจ่ายกระแสคงที่ นั่นเองครับ
 
รอท่านอื่นๆมาเสริมต่อ ถือเป็นการแชร์กันครับ...

 

[warin.k]

ได้ความรู้มากเลยครับ...ต่อเรื่อยๆเลยครับติดตามเป็นขาประจำ...
ขอบคุณมากครับ...

[Order]

เข้ามาตอบก่อนเลยครับติดตามมาตลอด
Vrf หรือค่าแรงดันอ้างอิงสามารถใช้ แรงดันตกคร่อมไดโอด, LED, Zener Diode หรือ แม้แต่วงจรแบ่งแรงดันโดยใช้ตัวต้านทานก็สามารถนำมาเป็นค่าอ้างอิงก็ได้ครับ

ภาคแหล่งจ่ายกระแสคงที่มีผลต่อสเถียรภาพของวงจรมาก มีหลายๆวงจรที่ออกแบบภาคแหล่งจ่ายกระแสคงที่สำหรับภาคแรกแบบแย่ๆโดยใช้ตัวต้านทานเพียงตัวเดียว หรือไม่ก็อาจจะมี C ต่อบูสแท็รปเท่านั้นเอง การออกแบบวงจรแบบนี้ผมคิดว่าทำได้เหมือนกันหากแหล่งจ่ายไฟสำหรับภาคหน้าเป็นแบบเร็กกูลเลเตอร์นิ่งๆ เพราะเป็นที่รู้ๆกันอยู่ว่าเมื่อแรงดันไม่คงที่เวลาขับโหลดหนักๆทำให้ค่าอัตราการขยายของทรานซิสเตอร์ไม่มีความเป็นลิเนียร์การป้อนกลับเพื่อชดเชยความผิดเพี้ยนของภาคดิฟเฟอเรนเชียลอาจมีความผิดพลาดด้วย บางวงจรอาจมีการทำ "คาสโคด" เพื่อให้ทรานซิสเตอร์มีความเป็นลิเนียร์ที่สุดแต่จะดีขึ้นคุ้มค่าหรือให้บุคลิดเสียงที่ตรงกับที่เราชอบแค่ไหนนั้นมันก็แล้วแต่การตัดสินใจของผู้ออกแบบอีกทีใช่ไหมครับ?

ผมเห็นมีหลายท่านเข้าใจว่าวงจรที่มีอุปกรณ์น้อยๆจะให้เสียงที่ดีกว่า ผมคิดว่าไม่ถูกต้องเสมอไป ส่วนมาวงจรขยายเสียงที่มีอุปกรณ์น้อยๆก็เช่นวงจรซิงเกิ้ลเอนด์คลาสเอ ของเนลสันพาส จะเน้นทางเดินผ่านของสัญญาณให้น้อยที่สุด แต่ในวงจรขยายคลาส AB นั้นวงจรที่มีทรานซิสเตอร์(ไม่นับภาคเอาต์พุต)จำนวนมากกว่าส่วนมากจะเป็นวงจรที่ออกแบบได้ดีกว่า แต่ไม่ขอฟันธงว่าเสียงจะดีกว่าหรือไม่นะครับ คือทรานซิสเตอร์ที่นำมาใช้ก็คือใช้เป็นวงจรสะท้อนกระแส วงจรแหล่งจ่ายกระแสคงที่ นั่นเองครับ
 
รอท่านอื่นๆมาเสริมต่อ ถือเป็นการแชร์กันครับ...

 

เป็นการตอบคำถามที่มีเหตุผลประกอบได้ดีมากครับ
สำหรับ Vrf นี้สำคัญมากจำเป็นต้องใช้เทคนิคตามที่ Mr.K กล่าว ในที่นี้ขอใช้ Diode ต่ออนุกรมกัน 2 ตัว ซึ่งว่าถือว่าเป็นวงจรพื่นฐานที่ดีในระดับหนึ่ง
เราสามารถคำนวนหา RREF ที่จะมา Forword Bias ให้ Diode ได้จากสมการตามรูปครับ
สำหรับการกำหนดกระแสให้ดู Data sheetของ Diode ว่าVf=0.6V แล้ว If ต้องเป็นเท่าไหร ในที่นี้ขอใช้ 1mAครับ

สำหรับเรื่องวงจรที่มีอุปกรณ์น้อยและเสียงดี Mr.K ให้เหตุผลได้ดีมากครับ  เพราะเราไม่ควรเชื่อใคร 100% ถ้าไม่ได้ลงมือทำเอง อย่างมีหลักการ 
ซึ่งเนลสันพาส ถือเป็นเจ้าพ่อด้านการออกแบบวงจรน้อยชิ้นและเสียงดี  เป็นตัวอย่างหนึ่งที่เขาทุ่มเทกับ 1st Stage มาโดยตลอด
และก็มีนักออกอีกหลายท่านที่ทำวงจร 2nd&3rd Stage และเสียงดีไม่แพ้เนลสันพาสก็มีอยู่มาก ซึ่งผมก็มีประสบการณ์และเห็นด้วยไม่น้อย
เพียงแต่ที่อ้างอิง Single Stage ก็เพราะการออกแบบให้เสียงดี น่าจะยากกว่าวงจรหลาย ๆ Stage ( จากประสบการณ์และความเชื่อส่วนตัว )
มันไม่สามารถไป Modify หรือลองผิดลองถูกได้เหมือนวงจรหลาย ๆ Stage เพราะเปลี่ยนอะไรตัวหนึ่งมันกระทบไปทั้งวงจร
แต่ถ้าเราออกแบบได้และเสียงดี บอกได้เลยว่าจะเข้าใจการได้มาของแต่ละวงจรทุก ๆ stage เลยที่เดียวละครับ ก็เลยให้คะแนนมันเยอะหน่อยละครับ

[prasert2553]

      หาอยู่ตั้งนาน  เจอแล้ว  ครับ
   
      ขอบคุณครับ....  กำลังติดตาม...อยู่ครับ

       เชิญต่อครับ

[ช่างชนบท(บ้านนอก)]

ผมเรียนมาน้อย ขอ เก็บความรู้ด้วยคน

[Order]

ในส่วนภาคขยายแรงดัน Stage ที่ 2 ให้นำค่า Input Impedance  ของภาคหน้ามาคิดเป็น RL ของภาคนี้
และนำมากำหนด Open Loop Gain หรือ AVo2 = Total RC /Total RE = RL / ( re+RE)
= 22K/(3.7+39)=515 หรือ 55dB เห็นได้ว่าเมื่อเรานำเทคนิค Current Source มาเป็น Active Load
ทำให้ปรับแต่ง  Common Emitter ง่ายขึ้นทั้ง IDC และ AVo2

เราสามารถปรับ AV02 ได้ด้วยการปรับ RL ให้มากขึ้น หรือ ไม่ลด RE ลง
และเป็นอิสระกับ IC  สามารถลองปรับ IC ดูได้  AVo ยังคงเท่าเดิม
ซึ่งถือเป็นข้อดีของ Common Emitter แบบ Active Load

สำหรับกระแส IC ในภาคที่ 2 นี้ เท่าไหร่ ? จึงจะเหมาะสม 
ต้อง bias IC ที่ iPeak สวิง้แล้วผิดเพี้ยนน้อยที่สุด เพราะจะช่วยให้วงจรป้อนกลับไม่ต้องทำงานหนัก
iPeak=Vpeak/RL=40V/22K=1.8mA ดังนั้นเราควรกำหนดให้ IDC ให้มากกว่า 2 เท่าของกระแสสวิ้ง
เช่นถ้าเรา IDC= 2mA->THD@1K=4%, 4mA->HD@1K=0.9%, 6mA-THD@1K=0.4%,
จะเห็นว่ายิ่ง IC มาก THD ยิ่งดีเหมือนหลักการ Class-A  ซึ่งในที่นี้ขอใช้ประมาณ 7-8mA เผื่อไว้เพื่อขับกำลัง >  100W 

สำหรับ input Impedance ของภาคนี้ก็หาได้จากสมการ Rin2=(hfe)(re+RE)=4.2K หรือจะใช้การ
จับกระแส ipeak ก็ได้และใช้กฏของโอห์มก็จะได้ 4.2K เช่นกัน ซึ่ง Rin2 นี้ก็คือ RL ของภาคหน้า
และตัวกำหนด AVO1 ของภาคหน้าด้วย ตามหลักแล้วควร Rin2 ให้มาก ๆ ไว้ก่อนแล้วค่อยปรับแต่งอีกครั้ง

คำถามคือถ้าจะให้ Rin 2 มากต้องทำอย่างไร ?

[Order]

ขอโทษที่ ติดงานหลักอยู่หลายวัน มาต่อกัน
หากเราต้องการให้ Rin2’ ในภาคขยายที่ 2 มากขึ้น เพื่อที่นำค่า Rin2’ นี้ไปกำหนด Gain ในภาค Diff Amp ต่อไป
ให้ทำการเพิ่มวงจร Emitter Follower หรือ  Buffer เพื่อให้  Rin2’ มากขึ้นตามสมการตามรูป 
ซึ่ง R2(820)จะเป็นกำหนด Rin2’ และ Ic2
ซึ่ง Ic2ในที่นี้ Bias ไว้ที่ 1mA เพื่อเป็นกระแสอุ่นเครื่องแบบ Class-A

และหากสังเกตค่า Rin2' ที่คำนวณได้ประมาณ 70K
แต่กราฟ Simulate วัดได้ 20K ที่ความที่ 0-1KHz  ซึ่งค่าต่างกันมาก
ก็มาจากสาเหตุของ hfe ของ TR ส่วนหนึ่ง  ซึ่ง hfe ของแต่ละเบอร์ไม่เท่ากัน
 ดังนั้นเวลาที่เราออกแบบวงจรได้แล้ว จำเป็นต้องต่อวงจรจริงเพื่อปรับปรุ่งค่าต่าง ๆใหม่

ซึ่งถ้าใครไป Copy วงจรอื่นมาก็ยากที่จะได้เสียงเหมือนเครืองนั้น
เพราะค่า hfe ของอุปกรณ์ถือเป็นตัวสำคัญต่อพารามิเตอร์ใน Open Loop Gain
ดังนั้นวงจรดัง ๆ จึงขุดเบอร์ TR ออกไงละครับ

[Order]

ช่วงสินปีงานยุ่งมาก เลยมา update ช้า  ต้องขออภัยทุกท่านด้วย
มาต่อกันหลังจากได้ Rin2' แล้ว ก็ให้นำมากำหนดค่า AVo1 หรือ
อัตราขยายของ ภาคขยายภาคหน้า(input stage) ในที่นี้เป็น
วงจร Differential Amp และตัวแปรสำคัญในวงจรนี้มีดังนี้
1. AVO1= gm*Rin2' ( ใครรู้บ้างว่ามาได้อย่างไร Active load ช่วยอย่างไร ?)
2. Current-Mirror emitter-resistor = 68 ohms ( RE ทำหน้าที่อะไร ? )
3. Differential Amp emitter-resistor = 10 ohms ( RE ทำหน้าที่อะไร ? )

ในส่วนของ Diff-Amp ผมจะค่อย ๆ ไป เพราะภาคนี้เป็นตัวกำหนด Spec พอควร
และการทำงานของภาคนี้มีผลกับ distortion ซึ่งอณุหภูมิก็มีส่วนสำคัญ
 ผมขอทิ้งรูป DC Biasing ไว้ก่อน แล้วจะมาต่อให้นะครับ
ใครพอได้ก็ช่วยบรรเลงได้ครับ

[Order]

ข้อดีของวงจร Diff-Amp ที่ใช้วงจรสะท้อนกระแส เป็น Active load ก็ตือ Open loop Gain ค่อนข้างสูง
ทำให้ง่ายแต่การออกแบ Gain   เนื่องจาก Ro ของ Current Mirror สูงมาก ทำให้ละเลยผลของ Rload ตัวอื่น ๆไป
เหลือเฉพาะAVo1=gm*Rin2' นั้นเอง ซึ่งเราสามารถออกแบบ Gain ด้วยการปรับ gm นั้นเอง

วงจรสะท้อนกระแสที่ดีนั้น เอาต์พุตอิมพีแดนซ์ต้องสูง อัตราขยายของกระแสต้องเท่ากับ 1
สำคัญมากในด้านสเถียรภาพ แต่ในความเป็นจริงพบว่า การผลิต Transistor ไม่สามารถโด๊ปสารกึงตัวนำ
ให้ Vbe Junction ของ Transistor ทุกตัวเท่ากันได้  ดังนั้นเครื่องเสียงดี ๆ จำเป็นต้องคัด transistor ให้ แมชกัน

และจากสมการ iC=IS*e^(Vbe/VT)  หรือ ln(IC/IS)=(Vbe/VT)  พบว่าเราสามารถจำลองการปรับค่า VBE toleracesได้
ให้เหมือนกับ Trainsistor ที่ชื้อตามบ้านหม้อ ได้โดยการปรับกระแส IS นั้นเอง  หรือ การปรับกระแสอิ่มตัวใน Spice นั้นเอง
พบว่า กระแส Iin=1mA และIout ได้ 1.154mA ค่าต่างกันมาก
สาเหตุมาจาก VBE toleraces นั้นเอง ดังรูปกระแส DC ด้านซ้าย บน

เราสามารถแก้ได้ด้วย Degeneration RE ที่ Current-Mirror emitter-resistor = 68 ohms
ทำให้ค่า Iout ที่ได้จะใกล้เคียงขึ้นหรือประมาณ 1.019mA นั้นเอง แถมยังช่วยรักษาสเถียรภาพ DC Bias ด้วย
เมื่อ Amp ขับ load มาก ๆ  แรงดัน VCE จะเปลี่ยนแปลง ทำให้ กระแส IC เปลี่ยนแปลงด้วย จุดการทำงานก็เปลี่ยนด้วย
เราจึงใส่ RE เข้าไป ช่วยให้ Ro ของ Current-Mirror มากขึ้น ro(1+gm(RE//Rpi)) เท่า
ทำให้กระแส IC เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมาก เมื่อ VCE เปลี่ยน ตามกราฟขาวมือ

สำหรับค่า 68 ohms ได้มาจากการกำหนดค่า VBE toleraces 30-80mV
และนำมาหารด้วย IC จะได้ประมาณ 30-80ohms ในที่ใส่ 68 ohms
จะใส่มากน้อยอย่างไรต้องออกแบบให้พอดี เพราะถ้าใส่มาก มันก็ทำให้ Iout=Iin มากขึ้น
แต่มันก็ส่งผลกับ Noise ที่มากับ Resistor ด้วยจะพูดในคราวต่อไป

และถ้ามากไปก็จะทำให้ Transistor หลุดออกจากยานการทำงาน Mode Active ง่ายขึ้นด้วย
ดังนั้นควรต้องออกแบบ Vce sat ให้มากกว่า Spec ที่กำหนดไว้ 0.3V
อาจจะเผื่อไว้สัก 1V ( สูญเสียไม่มากเมื่อเทียบกับเสถียรภาพที่ได้มา )

และ RE ยังมีคุณประโยชน์ ด้านการป้อนกลับเมื่ออนุหมิสูงขึ้นด้วย ( Thermal feedback  )
เช่น ถ้า IC สูงขึ้น แรงดัน VRE จะลดลงทำให้ไปควบคุม VBE ให้ลดลง IC จะกลับมาคงที่

[รถเบนซ์ メルセデスベ]