Unity gain utgangstrinn

Figuren viser et tradisjonelt unity gain utgangstrinn. Navnet har det fått fordi forsterkningen i trinnet er ~1. Når gitteret i utgangsrørene blir påtrykt signal vil katoden følge med, den samme strømmen som går i katoden går også i anoden og siden antall viklinger er likt vil også anodekretsen svinge med samme amplitude. Viklingene orienteres slik at de arbeider i takt. Trinnet arbeider altså som en mellomting mellom en katodefølger og et felles katodetrinn. I motsetning til en ultralinear kobling, som tilfører g2 negativ feedback via tapping i utgangstrafoen, kobles g2 her til en tredje vikling som svinger i motsatt fase av anoden og i UL-termer gir dette 100% positiv feedback. Det kan høres ut som en god oppskrift på en oscillator, men husk at trinnet i utgangspunket kjører med 50% negativ feedback grunnet katodeviklingene. En detalj å legge merke til er at siden g2 svinger i takt med katoden vil spenningen mellom g2 og katode hele tiden være konstant.



Og hva er alt dette godt for?
Det eliminerer så godt som all tendens til notch forvrengning som kan forekomme i rør push-pull forsterkere. Notch er det som oppstår når signal krysser nullpunket og skyldes forholdet mellom utgangsresistansen i rørene og lekkasjeinduktans i utgangstrafoen. I et unity steg kan utgangstrafoen bi/tri/quad-filar vikles og koblingen mellom primærviklingene blir meget tett (lav lekkasje). En annen ting er at forholdet mellom push og pull side som vi er vant til å se det blir snudd på hodet. Begge sidene i trafoen er både push og pull. Strømmen gjennom hvert rør går i begge sidene, henholdsvis anode og katodestrøm. Et annet viktig moment er 50% negativ feedback som, litt avhengig av rørtype, utgjør 12-15dB noe som vil redusere rørenes tilsynelatende indre resistans tilsvarende. Igjen noe som påvirker dempingen og undertrykker notch.
Den lokale feedbacken gjør også at global feedback (gNFB) kan reduseres tilsvarende.

Noen ulemper?
Den største ulempen er kravet til drivertrinnet. Siden et unity steg krever veldig høy drivespenning (ac) på inngangen stiller dette store krav til trinnet foran. En vanlig måte å gjøre det på er å bootstrape driveren med spenningssving fra utgangstrafoen, enten via en separat vikling eller fra anoden på motsatt fase. Når drivertrinnet har behov for å levere høy spenning får det ekstra hjelp fra utgangen som er tilbakekoblet i fase og gir driverrøret en ekstra boost når det trenger det som mest.
Et annet problem kan være å finne en produsent som tør å bryte seg på en trifilar viklet utgangstrafo.


Det jeg har skrevet her er en kort gjennomgang av arbeidet til Frank McIntoch, som til slutt ledet frem til MC275. Årsaken til at jeg interesserer meg for dette er at jeg har tenkt å konstruere et unity gain utgangstrinn og hvis noen andre har arbeidet med tilsvarende ønsker jeg å høre om det.

Jan E Veiset

Referanser:
Realistic Audio Engineering Philosophy. N.H. Crowhurst
A survey of AF power amplifier circuits. Peter G: Sulzer
Modern High-end Valve amplifiers. Ir.Menno van der Veen

Interessant Jan. Utgangssteget går vel i klasse A eller AB? Trur du det let seg gjere å køyre røra i klasse B med denne koplinga? Klasse B kan gi ei virkningsgrad på over 70% og er på alle måtar meir økonomisk enn klasse A. På den andre sida får ein ei rekke nye utfordringar: driver må ha svært lav utgangsimpedans og kunne levere litt effekt. Røra må vere godt matcha langs fleire punkt på karakteristikken og straumforsyninga må ha svært lav impedans og gi ei stabil spenning. Alt dette let seg løyse. Så har ein eit meir substansielt problem med sokalla 'crossover-forvrengning'. Det må vel vere det same som det du kallar 'notch-forvrengning'? Rett før det eine røret skrur seg (nesten) av og det andre tek over. Då opererer ein i den nederste del av rørkarakteristikken som er ganske krum og det gir forvrengning. Vil denne kretsen kunne løyse det problemet?

Er det en topologi som burde være velegnet til noe i nærheten av klasse B så vil jeg tro det er denne. McIntoch kjørte forsterkerne sine i veldig tynn klasse AB, på grensen til B så vidt jeg husker. Men som du skriver vil ren klasse B medføre nye utfordringer.
Notch og crossover er ikke helt det samme. Begge opptrer mest i klasse B, crossover pga ulinearitet og notch som følge av høy rp når røret nærmer seg cut off og en av sidene i trafoen slutter å lede. Sammen med lekkasjeinduktans i utgangstrafoen skaper dette en knekk i signalforløpet. I tradisjonell PP vil på et eller annet tidspunkt (når signalet passerer null) den ene primærsiden ta over for den andre noe som flytter fluksfeltet i trafoen fra en side til den andre. Ved hele tiden å kjøre signalet i både push og pull siden av trafoen og samtidig ha en veldig tett kobling mellom viklingene (lav lekkasje), som det gjøres i et unity trinn, vil vi ikke oppleve at en side tar over for den andre og notch forvrengningen elimineres.

Notch er slik jeg ser det et trafoproblem, crossover et linearitetsproblem. I et unity trinn er et nok trafoproblemet som løses slik at forutsetningene for å kjøre et trinn i tynn klasse AB, og dermed øke effektiviteten, blir bedre.

Nå må det legges til at jeg ikke er noen trafoekspert så her må jeg i første omgang støtte meg på det jeg leser uten å kunne bidra med så mye fra eget bryst på akkurat det området.

Jan E Veiset

Hei Jane,

Føler jeg må takke for et bra innlegg! Svært intressant. Jeg har ikke stålpeiling på disse tingene du tar opp her, så derfor spør jeg bare noen sikkert litt dumme spørsmål.

Altså, Notch forvregning kommer av at røret jobber i nærheten av cut-off området til røret, ja? Siden dette ikke er et problem(?) hvis rørene kjører i klasse A (i allefall da kun et problem med Full utstyring av rørene, og da har du endel andre ting som klipping etc som også kommer inn) så vidt jeg ser det er derfor motivasjonen for å bruke et unity-gain utgangstrinn å kunne tyne ut maksimalt med virkningsgrad ut av rørene med å kjøre de i klasse AB eller B?

Det finnes jo endel andre varianter av denne typen utgangstrinn, som f.eks. der du opererer utg. rørene som katodefølgere, også har du trafoen koblet i serie med katodene på hvert rør. Dette blir jo ikke direkte Unity gain, siden du da har step down i trafoen, men for selve rørene så opererer de jo med spennings gorsterkning lik 1.

Forskjellen mellom dette utg. trinnet og det du viser er vel kanskje at rørene i ditt trinn opererer rørene med nærmest konstant strøm igjennom anode/katode? Jeg vil da anta at et slikt vanlig katodefølger trinn vil ha Notch forvregning? Dog, dette kan vel minimeres med den reduserte lekasje induktansen som medfølger en trafo som har lavt viklingstall, noe som er fordelen med en slik katodefølger topologi.

- Stig

Jeg fant et dokument her
http://www.pearl-hifi.com/06_Lit_Archive/01_Audio_Notes/Audio_Output_Trans.pdf som forklarer notch distorsjon på denne måten:

In a class A amplifier, current always flows in both halves of the primary, whereas pentode class AB operation results in the cessation of the current flow in one or the other half-primarys as the output stage makes the transition from class A into class B. Because the two half-primaries are never perfectly flux-coupled to each other, a back EMF spike is generated in the half-primary-to-half-primary L(leak) whenever current flow is abruptly terminated in either half primary. This voltage acts to stimulate a resonant circuit consisting of the half-primary to half-primary L(Leak) and som portion of the varius capacitances present.

Videre påpekes det at problemet er størst i pentodemodus. Det sies ikke hvorfor men forklaringen må være at trioder har lavere intern resistans og derfor langt bedre vil undertrykke (dempe) slike fenomener.

Foreslått løsning på problemet i dette dokumenter kan enten være:
o Reduksjon av L(leak) til et forsvinnende lavt nivå (som er veldig vanskelig)
o Bruk at McIntosh unity koblet utgangssteg.


McIntosh bruker selvfølgelig McIntosh unity steg, men de bruker også en utgangstrafo med veldig tett kobling mellom viklingene og dermed lav L(leak). Dette kan gjøres fordi både katode og anodesiden har like mange viklinger og trafoen dermed kan vikles bifilar. I og med denne tette koblingen og det faktum at både push og pull siden drar strøm i 360 grader av signalet vil det effektivt undertrykke det som omtales som "EMF back spike" ved overgang til klasse B.
I en ren katodefølger vil disse forutsetningene ikke være til stede, men på den annen side har en PP CF veldig lav utgangsresistans som igjen vil dempe et slikt forløp. Jeg tipper du har rett i at motivasjonen for unity steget var å konstruere en forsterker med både høy virkningsgrad (klasse AB med lav hvilestrøm) og lav distorsjon.

Jan E Veiset

På innsiden av utgangen i et unity trinn.

Jeg har funnet veldig lite litteratur om dette emnet, det meste er overfladiske betraktninger og derfor synes jeg det passet god på en lørdags formiddag å prøve å analysere et unity steg og sette opp noen mettematiske modeller (jeg må ha et kjedelig liv, eller hur).

For det første er det greit å vite hva man skal se etter, hvordan ser feedback ut for å si det slik. Et av kjennetegnene er reduksjon av gain. Tradisjonell negativ feedback vil alltid redusere gain og graden av reduksjon er per definisjon lik graden av feedback.

I et felles katodetrinn er forsterkningen gitt av Ak=gm*Rload, hvor gm er rørets steilhet og Rload er lasten røret titter inn i, altså primærsiden av utgangstrafoen. Og i et unity steg er Au=1+1. Husk at både anode og katodekretsløpet gir et bidrag på 1.
Det vi her sammenligner er et unity trinn og det samme trinnet med katodeviklingene flyttet opp til anodesiden. Det vil si at røret arbeider mot samme reflekterte last i begge tilfellene. Forholdet mellom disse to tallene forteller forholdet mellom gain, B=Ak/Au.

En typisk pentode i EL86-klassen har gm i området 10mA/V og hvis vi sier at lasten er 1400 ohm (noe som tilsvarer en anode til anode last (Raa) på 5600 ohm) gir dette Ak=10E-3*1400=14.

Forholdet (B) mellom 14 (Ak) og 1+1 (Au) er 7, altså har vi oppnådd en reduksjon i gain på 7x eller 17dB.

Vi har fått en tilsvarende reduksjon av rørets indre motstand (rp), som i utgangspunket var ~30k, ned til: rp' = rp/B = ~30k/7=4k3. Noe som gir seg direkte utslag i trinnets utgangsimpedans og dempingsfaktor.

En annen kjekk ting er at distorsjonen blir redusert med samme faktor (B). En titt i databladet for EL86 forteller at Dtot i et normalt PP-oppsett ligger i området 4% ved Po=15W, noe som her er redusert til ~0.6%

Alt dette uten hjelp av global negativ feedback, gevinsten ligger så å si nedarvet i topologien.

Et lite skår i gleden over disse vakre tallene er at for å drive trinnet kreves høyt spenningssving og for å greie det har jeg tatt i bruk bootstrapping som egentlig er et penere ord for positiv feedback. Hvis vi sier at bootstrappingen tilfører 3dB positiv feedback står vi fortsatt tilbake med 14dB eller 5x netto reduksjon.

Uansett, dette bidrar til at global negativ feedback (loop feedback) kan begrenses til et minimum med de fordelene det gir.

Årsaken til at jeg har valgt EL86 som utgangsrør er at dette kan kjøres på forholdsvis lav spenning og i en trifilar viklet utgangstrafo ligger viklingene side ved side uten beskyttelse slik at ved en ikke alt for høy spenning vil isolasjonen på koppertrådene bryte sammen og føre til overslag og redusere en spesialviklet trafo til en klump med kobber og jern.

Så får vi etter hvert se om teoriene stemmer med praktiken. :-\

Jan E Veiset

Om dette kommer til å låte som Macintosh blir det nå i allefall bra ;D.

Slarssen skrev:

Det finnes jo endel andre varianter av denne typen utgangstrinn, som f.eks. der du opererer utg. rørene som katodefølgere, også har du trafoen koblet i serie med katodene på hvert rør. Dette blir jo ikke direkte Unity gain, siden du da har step down i trafoen, men for selve rørene så opererer de jo med spennings gorsterkning lik 1.

- Stig

Klikk for å utvide...

Litt OT:
http://www.tubecad.com/2007/04/blog0104.htm Her omtales også dette som "unity gain" steg, selv om det er mer til utgang feks i preamper. Nå spør jeg jo som "utenforstående" men er terminologien "unity gain utgangstrinn" egentlig dekkende for det trinnet du beskriver? Broskie skriver om å bufre for å kunne drive lav inngangsimpedans i effekttrinn og lange kabler, når man ikke trenger mer gain. Det er vel heller ikke så sjeldent som han mener. Det finnes jo rørbuffere å få kjøpt i hifibutikkene også her til lands. Det du Jane jobber med her er jo noe litt annet, eller?

Unity gain betyr rett og slett at utgangssignalet har samme amplitude som inngangssignalet, altså en forsterkning på 1. Unity kan sikkert brukes om tusen forskjellige ting men når vi snakker om utgangstrinn basert på rør er det ofte ideene til McIntosh det refereres til.

McIntosh selv kaller det ofte for “McIntosh Unity Coupled Circuit”. Jeg har egentlig aldri tenkt så nøye over hva det offisielle navnet måtte være, virkemåten er mer interessant.

I McIntosh MC275 owner's manual [1] vil du finne en kort beskrivelse av prinsippet bak unity trinn i avsnittet "Technical Description".

Jan E Veiset

[1] http://www.berners.ch/McIntosh/Downloads/MC275_own.pdf

Da har jeg bestemt meg for å gjennomføre dette prosjektet. McIntosh brukte tre år fra ideene lå på bordet til de resulterte i et produkt. Jeg håper jeg slipper å bruke så lang tid..

Jeg kan si litt om konstruksjonen slik den for øyeblikket ser ut på papiret:
Problemet i en slik konstruksjon er utgangstrafoen, på det området har jeg diskutert med Brian Sowter i Sowter UK og han påstår at de greier å lage en OPT med høy nok båndbredde og lav nok lekkasjeinduksjon mellom de ulike viklingene til å brukes til dette formålet. Trafoen vil bestå av 32 interfoliere seksjoner. Så hvis denne holder mål skal resten gå bra.

Grunnet den trifilare trafoen er forsyningsspenningen hold lav, omtrent 250V. Skjermgitterspenningen vil bli regulert med et VR-rør og et power-rør i en regulatorsløyfe.
Utgangen er parallell push-pull 4 x EL86 per kanal. Driver/bootstrap vil enten bli 12BH7 eller ECC99.

Inngangstrinnet vil være av Mullard-topologi med ECF80 som inngangstrinn og E80CC som LTP. Pentodedelen i ECF80 skal brukes som CCS i katoden for LTP.
Global NFB kommer til å bli holdt på et moderat nivå, ~10-15dB.

Jeg regner ikke med å starte på dette før tidlig neste år og vil når den tid kommer starten en egen tråd om selve konstruksjonen/byggingen.

Jan E Veiset

Siden jeg er litt over middels interessert i disse tingene har jeg samlet en del gamle betraktninger om emnet.
Først ute er Pen-Tung Sah som teoretisk påviste problemstilling tilbake i 1936.

http://www.veiset.net/tech/Mac1936.pdf

Dette arbeidet er solid fundamentert både teoretisk og med praktiske eksempler men det leder oss egentlig ikke noe særlig videre. Det påpeker at lekkasjeinduktans kan være problematisk, men har ingen forslag til mulige løsning på det praktiske plan.

Den praktiske løsningen kom over 10 år senere ført i pennen av Frank Macintosh og Gordon J Gow.

http://www.veiset.net/tech/Mac1949.pdf

Hvilket er en genial løsning. For det første er dette både en brute force løsning ved å redusere reflektert primærimpedans (og lekkasjeinduktans) og på den annen side er dette noe mer siden det dreier seg om distribuert effektfordelig av anode og katodelast og ikke minst bifilar viklede utgangstrafoer.

Jan E Veiset

Selv med noget mangelfull teoretisk ballast er det artig å lese og prøve å forstå (forhåpentligvis noe).Jeg har forøkt å finne en definisjon på begrepet unity gain.Det synes å være slik at forskjellige produsenter kan bruke begrepet forskjellig.Se http://prosoundweb.com/studyhall/rane.php her finnes en forklaring på ulike anvendelser av begrepet.Jeg må ærlig innrømme at jeg først ikke forstod hensikten med et trinn der 1v inn gir 1v ut.Om vi nå sammenligner Janes skjema med det vi ser i linken over, er det da slik at vi kan si at 1v+1vinntil hver "linje" i sluttsteget(smil om jeg roter med begrepene)gir 2v "ut" ?

Hvordan ville det bli å vikle en bifilar eller trifilar trafo for bruk i en forforsterker? Linje trinn jobber som oftest på lave spenninger, samt den forbedrede båndbredden vil være veldig attraktiv. Dog, nå om dagen får man lett en vanlig linje trafo med båndbredde rundt 100kHz...

Hvordan vil bifilar eller trifilar vikling påvirke parametre som fase og forvregningen til selve kjerne-materialet?

Sett at man har en forforsterker med et klasse A pushpull eller diff trinn med en bifilar eller trifilar viklet utg.trafo, vil det være noe å vinne på dette, utover høy båndbredde? Ville det vært intressant å se på Parafeed trafoer som er viklet bifilar eller trifilar?

- Stig

Bifilar viklede trafoer til bruk på signalnivå er å få tak i, jeg bruker selv en bifilar viklet single ended interstagetrafo. Den har en båndbredde på over 250kHz. Når det gjelder faseforløp er dette tett knyttet opp mot frekvensgang, i et analogt kretsløp er faseforvrengningen lav så lenge frekvensgangen er flat.

Båndbredde og lekkasjeinduktans er to parametere som ofte henger sammen. Høy L(leak) medfører som regel begrenset båndbredde, i tillegg til andre problemer. I klasse A er det antagelig mest å hente på selve båndbredden.

Jeg er som tidligere nevnt ikke noen ekspert på trafoer. Derfor driver jeg for tiden og kjører en del praktiske forsøk på bøttekottet mitt. Her er noe av det som skjer i en side av en push pull trafo når den mates i klasse B. Trafoen som er valgt har høy L(leak) og lav båndbredde:




Jan E Veiset

vega65 skrev:

Selv med noget mangelfull teoretisk ballast er det artig å lese og prøve å forstå (forhåpentligvis noe).Jeg har forøkt å finne en definisjon på begrepet unity gain.Det synes å være slik at forskjellige produsenter kan bruke begrepet forskjellig.Se http://prosoundweb.com/studyhall/rane.php her finnes en forklaring på ulike anvendelser av begrepet.Jeg må ærlig innrømme at jeg først ikke forstod hensikten med et trinn der 1v inn gir 1v ut.Om vi nå sammenligner Janes skjema med det vi ser i linken over, er det da slik at vi kan si at 1v+1vinntil hver "linje" i sluttsteget(smil om jeg roter med begrepene)gir 2v "ut" ?

Klikk for å utvide...

ikke for å mase men jeg er stadig nysgjerrig på dette
mvh vegard

vega65 skrev:

vega65 skrev:

Selv med noget mangelfull teoretisk ballast er det artig å lese og prøve å forstå (forhåpentligvis noe).Jeg har forøkt å finne en definisjon på begrepet unity gain.Det synes å være slik at forskjellige produsenter kan bruke begrepet forskjellig.Se http://prosoundweb.com/studyhall/rane.php her finnes en forklaring på ulike anvendelser av begrepet.Jeg må ærlig innrømme at jeg først ikke forstod hensikten med et trinn der 1v inn gir 1v ut.Om vi nå sammenligner Janes skjema med det vi ser i linken over, er det da slik at vi kan si at 1v+1vinntil hver "linje" i sluttsteget(smil om jeg roter med begrepene)gir 2v "ut" ?

Klikk for å utvide...

ikke for å mase men jeg er stadig nysgjerrig på dette
mvh vegard

Klikk for å utvide...

Litt av problemet med å forsøke og gi et svar er at jeg ikke vet hva du mener, siden linken din peker på en side med "Page not found".

Jan E Veiset

PS: Tråden flyttet til Tech hjørnet

Sorry.Vet ikke hvor øynene var da jeg knottet linken.Det skal være: http://www.rane.com/note124.html mvh vegard

Unity begrepet i konteksten "Unity Couplet Circuit ala McIntosh" er knyttet til at både anode og katode er unity, altså 1+1. I virkeligheten mindre enn 1, men det kommer an på rørkonstantene til utgangsrørene som brukes.

Jan E Veiset

Tusen takk