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The goal of this project is to create a very reference solid state
amplifier. Class-A Vacuum tube amplifiers may have their special sound but
most of them are not OTL or they may use capacitors for
inter-stage coupling, resulting in alterations in the original sound
source. The solid state amplifier presented here, operates in pure class-A
and it is based on simplicity and high grade components to achieve
excellent performance.
Born in Paris in 1943 from a French mother and a Japanese father, Jean
Hiraga shown early a considerable interested for complementary domains of
audio and electro-acoustic fields.
My test system
Components datasheets
Figure 3. The pcb components placement Note the change I have made here. The source pins of the JFets must be linked to the 100ohm trimpot and the drain pins must be linked to the resistor drain of 1k via the bipolar of the cascode (2SC1175/2SA872). I will modify the PCB sometime so that thermal equilibrium occurs between the FETs, but the original hiraga PCB did not have this thermal equilibrium option anyway.
Building the amplifier We are not going to get
into technical details about the amplifier circuit because everything is
described in the original articles posted by Hiraga, which are shown in
the end of this page. Instead, we are going to focus more on other issues
concerning the peripherals of the amplifier and the building details.
Shinkoh tantalum resistors are among the best for this amplifier. They have non-inductive ends and tinned copper leads. Diyaudio members that have tested them, seem to agree that they are among the best. It seems that the tantalum material and the non-magnetic properties plays its role on this. The problem is that Shinkohs are no longer manufactured and they are very hard to find. They are sold in small quantities, the values left in stocks are limited and the prices are exceptionally high. In our configuration I have managed to find all the Shinkohs, but in higher wattage, so these have to be a bit squeezed when mounted on the PCB. The leads in some of them may be a bit longer when soldered on the PCB (0.5-1cm) but this has no effect in audio frequencies. Diyaudio members have in fact suggested the use of higher wattage resistors if possible. That is because they tend not to heat so their properties do not change during operation. At this point a word about the solder must be said. I have acquired a reel of Mundorf 9.5% silver solder supreme which contains 88.6%S-Sn, 1.8%Cu, 9.5%Ag, 0.1%Au and thought to be the best. Well NO-NO-NO. Do not be fascinated about the chemical components of this solder. I have tried it in different temperatures and in different solder times and the soldering always seems to be cold (not shiny). I have also tried other lead-free solders in different temperatures and in different solder times. They all seem to make cold solderings. We may not like lead because of it's toxicity but it seems to be the only good stabilizer for the solder. So use good quality 60/40 lead solder and forget about lead-free ones. The box construction is important to ensure a rigid construction. The box is fully handmade, made of aluminum sheets and corners fit together with lots of little screws at the corners to ensure rigidity. An aluminum sheet splits the box into two parts, the PSU section and the audio section. The voltage connections to the amplifier boards are done through holes to this sheet and the overall construction ensures minimum length of cable is used. The boards are mounted vertically to the heat sink and all the cables are solid silver plated central conductors from good quality (but relatively cheap) RF coaxial cable. In some points the same insulation of the coaxial cable is used to prevent the conductor from accidentally touch the chassis. For the I/O connections (battery connections, interconnections and speakers) I used the BNC connectors in MBB configuration for rigidity and immunity to noise. This configuration is the best to my taste and I do not see any reason why should I use standard RCA types, since impedance is not of much importance at such low frequencies. Surplus and really non-magnetic silver plated connectors produced by AMP, were bought in a very cheap price and would probably cost a fortune if produced by a company dedicated for audio use. Star topology was used for grounding and all the grounds are connected together at the main GND point of the battery connection. The GND, +12V and -12V connectors are also of the same type but I have used only their shield to transfer the power. The power is transferred from the batteries to the amplifier through three RG-223 coaxial cables which are cheap and silver plated. I have used only the shields of these cables to ensure a thick conductor is carrying the power to the amplifier. If using the shield, the +12V and -12V connectors have to be insulated from the chassis, so I used a nice piece of oak wood for this.
The markings on the aluminum chassis were made using a punch kit. These markings will never fade out throughout the years!
The new board alignment allows to tie the driver transistors together using heat conductive lube, to ensure thermal equilibrium. I have also found that the 1K bias resistors at the 2SB716 and 2SD756 transistors are more than it is needed and drive the load resistors hot. I have added a 2k good quality military multi-turn potentiometer in each of them (blue ones in the picture above) to be able to set the bias of the amplifier at the desired value. Something around 500-600 ohms would be probably ok, but the exact value has to be verified in the tuning process later on. If you set the bias at the required value then you can omit this potentiometer and replace the 1K resistor accordingly, but for the time being I will leave that there. Note, the picture above shows my first version of PCB where there was an error and the JFETs were connected inversely. The JFETs must be connected the other way round, so they cannot be connected using tie wraps and lube for thermal equilibrium. As I said earlier I will correct the PCB in the near future so that thermal equilibrium may happen again. In the corrected version the picture should look identical the one above.
The finished amplifier is neat. A very well shielded box with a huge heat sink and mechanically rigid. Thick aluminum combined with oak insulators ensure a good looking amplifier. Many little stainless steel screws tightly hold all the box parts together. Two thick aluminum holders out of an old rack mountable computer server box, make the carrying of this amplifier easy and add a little bit of a good look.
Such an amplifier needs a special front panel with a minimal look. A good quality key switch serves as an ON/OFF switch and "protects" the amplifier from unauthorized access. The ON/OFF indicator is a silicon carbide blue LED! It is quite rare so I waited for a special quality device to use it in. The LED is dim, as all silicon carbide LEDs, but it is special. It is connected to GND and to the +12V power connector. The PSU is one of the most important things in an amplifier. You cannot have a good amplifier without a good PSU. Hiraga has done an extensive testing on the PSU for this amplifier and he proposes some different options. The battery-only PSU is by far the quietest one and it produces the cleanest DC of any other PSU. For such a reference amplifier I would chose this option. Fortunately, solid state amplifiers of this kind operate only on +/- 12V, so by connecting two batteries in series, you can have a balanced PSU. Battery has some drawbacks though, that we have to overcome. First of all you have to use lead acid batteries because the amplifier operates in class-A, so it consumes the maximum current at all times. Lead acid batteries are generally able to provide the required current for some hours of continuous operation. Do not use common car batteries though. Car batteries are not deep-cycle ones. This means that they must not be discharged too much or they will be progressively damaged. Buy a pair of deep-cycle lead acid batteries. These are used in solar panels and can be deep discharged without damaged. Although they can be deep discharged, the manufacturer suggests that the lowest safe discharge voltage is 12V (they are 13.4V when fully charged), so if you want your batteries to last more try not to discharge them below this level. In the picture below you can see the pair of batteries that were obtained. They are able of providing 80Ah so they can last for some hours of continuous operation. The ecc83 tube in the left is there to denote the size of the batteries. Yes they are big and heavy.
The total cost for the specific batteries is 270 Euros including the automatic charger. The cost is quite high but you have to compare it with the cost of the huge fine quality capacitors that are used in the battery-less or mixed mode PSU and you also have to think that you are actually building the best quality PSU. So another advantage of
using battery-only PSU is that you save cost from these large
electrolytics. But you cannot avoid caps entirely. They are needed for the
batteries because the series impedance of the source rises rapidly after
about 10KHz. However, you don't need high capacities, about 1000uF could
be fine as long as it's good quality capacitance. There are basically two
issues with audio power supplies of this kind: The Battery PSU can be summarized in the next picture. Keep leads and wires as short and solid as possible.
As far as I know, Hiraga constructed each channel of the amplifier with a separate smaller heat sink and the box was full of little holes so the components did not heat too much when the heat sink heated. I bet the amplifiers would need some kind of fan to cool down the much smaller heat sink though. In my version I used one box for all circuicity and no holes on it so all the components inside the box are affected by the changing temperature of the touching heat sink and this affects both bias and balance. That is why I have chosen to keep the temperature of the heat sink low, down to room temperature, using a fan running on half the voltage and much lower speed and audible noise, as I mentioned earlier in this article. Note the power supply of the fan needs to be different of that of the amplifier. I used a jack wall PSU directly connected to the fan. Alignment procedure The alignment procedure I followed was quite simple but time consuming and can be summarized below:
* Note, If you run the amplifier cool at all times using a huge heat sink and a fan, then alignment does not need to be repeated twice. Although, it is always a good idea to repeat this alignment several times, in order to ensure that no significant bias and balance change will occur due to variations in temperature.
1.
question:
2.
A good technique would be to have the
batteries charged when the amplifier is switched off. Using an automatic
charger can compensate for over charging and battery maintenance, to keep
the battery always fresh. ++++++++++++++++++++++++
Transistor substitutions An interesting article on the web shows a version of the amplifier with more commonly available transistors. I have not tested this version so I provide it for your reference and as a starting point for experimentation.
Figure 4. The transistors substitution
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ARTICLE 1 (French)
Amplificateurs classe A 8 watts
« Le monstre »
Jean Hiraga
(l’Audiophile No. 27) En
fin 1979, le haut de gamme de la haute fidélité en matière d'amplificateurs concernait, en bonne partie, les
amplificateurs à couplage direct, les montages en pseudo classe A ainsi que les
amplificateurs ultra-puissants, pour
lesquels on confondait parfois qualité et quantité. Ce qui n'empêchait pas des
milliers d'amateurs de se contenter de 5 à 30 watts, sous forme
d'amplificateurs à tubes ou à transistors, d'un niveau de qualité
particulièrement élevé. La plupart de ces amateurs avaient compris, à force de
déceptions, d'expériences, d'essais
comparatifs, que la qualité primait sur la quantité. Ils avaient même
remarqué, mis à part les « watts musicaux » et les exagérations imprimées sur
certaines publicités, un fait curieux. Ils avaient la nette impression qu'il
existait « des watts plus puissants que d'autres ». Le Monstre I-08 C'est
ainsi qu'en octobre 1979, dans le cadre de l'Audio-Fair de Tokyo, un exposant
présentait un énorme appareil, un prototype d'amplificateur, qui ne vit
malheureusement jamais le jour. Vu sa taille, son poids, son transformateur de
1 200 VA, son alimentation à régulation « shunt » pour chaque étage, il n
aurait pu s'agir que d'un amplificateur de très grande puissance. 2 x 300 watts
? 2 x 500 watts ? D'ailleurs, ce prototype était baptisé «
The Monster » (Le Monstre), un nom bien mérité. Mais il y avait quelque chose
de très anormal. C'était la pancarte placée devant le « Monstre », qui
indiquait « Amplificateur monaura,l puissance nominale 8 watts, pure classe A
». De quoi satisfaire les audiophiles passionnés par le watt de très haute
qualité, le watt « hyper-puissant ». Déjà, dès 1958, la firme anglaise Quad
démontrait que 15 watts (amplificateur Quad II) suffisaient pour « driver » le
fameux haut-parleur électrostatique ESL, dont le rendement n'excédait pas 87 dB
par watt. Ici aussi, l'exposant en question était la firme Stax Industries Co.
Ltd, réputée pour la qualité de ses haut-parleurs et de ses casques
électrostatiques et aussi de ses amplificateurs. Avec ce prototype, Stax
prouvait que le watt « hyper-puissant ) », que le watt « hyper-transparent », d'une qualité surpassant la majorité des meilleures
réalisations à tubes, existait. Pourtant, en matière d'amplificateurs à tubes,
cela peut se dire en connaissance de cause. Expériences
et philosophie Songeons,
par exemple, qu'un amateur japonais moyennement « mordu » se monte facilement,
en quelques années des dizaines d'amplificateurs à tubes, avec des centaines de
variantes. Les tubes triodes anciens sont connus par chacun d'eux d'une façon
intégrale, en particulier pour les qualités et défauts subjectifs : «
rondeur » du tube 2A3, « finesse » et « fouillé » des tubes PX4, PP3/250, AD1
ou VT52, puissance, dynamique, qualité du médium, musicalité du 300H, sans
parler de l'influence des transformateurs de sortie, un point déterminant les
principales qualités, les éventuels défauts, colorations ou limites d'un
amplificateur. Sans parler aussi des dizaines de réalisations vendues montées
ou en kit par des petits magasins spécialisés et d'une bonne quinzaine de
fabricants d'amplificateurs à tubes de haut de gamme. On comprend que dans ces
conditions, la compétition soit rude, les amateurs soient avertis. Il ne
serait pas question de parler, sous forme publicitaire ou autre, du « meilleur
amplificateur du monde », sans en avoir des preuves réelles, exagérations que
l'on rencontre malheureusement assez souvent dans le monde de la haute
fidélité. Le croire ne suffit pas. Il est d'ailleurs courant que l'audiophile
chevronné connaisse un appareil mieux que le constructeur lui-même, lequel n'a
pas toujours le temps ni le moyen d'effectuer de très longs tests, de
nombreuses écoutes comparatives. Pour en revenir à notre « Monstre », le stand
Stax Industries qui exposait ce prototype, ne se contentait pas d'un prototype
statique, d'une maquette incapable de fonctionner ou d'une photo.
Parallèlement à l'Audio-Fair, souvent appelée « Noise Fair » en raison de son
bruit ambiant de 90 dB en moyenne, ce qui rendait évidemment une écoute
sérieuse impossible, des écoutes permanentes du « I-08 » étaient organisées
dans l'auditorium de la firme Stax, située dans le quartier d'Ikébukuro (nord
de Tokyo). Chacun sait que pour bien « driver » des grands électrostatiques du
genre Stax ESS-6A, ELS 6A, des modèles anciens comme le KLH, des modèles plus
récents comme le Dayton-Wright, des modèles combinés comme les « doubles
panneaux Quad », on recommande, par expérience, des amplificateurs
particulièrement stables, supportant bien les charges capacitives ou complexes,
les montées et chutes d'impédance comprises parfois entre 1ohm et 20ohm. Depuis
fort longtemps, Stax s'était acharné à rechercher, voire à réaliser expérimentalement
des amplificateurs s'adaptant bien à leurs grands panneaux électrostatiques :
amplificateurs a tubes O.T.L. (Technics 20A, Luxman,
Futterman), amplificateurs à tubes étudiés par Stax (Stax AM6, OTL,
amplificateurs à couplage direct travaillant
sous haute tension (8 kV). La consommation secteur était telle que quelques visiteurs se rappellent
peut-être qu'à chaque attaque sonore, chaque note, sur les percussions ou même
sur la guitare acoustique, on pouvait voir les lampes d'éclairage de 'auditorium
s'assombrir. Comme les lecteurs le savent, Stax concevait plus tard un
amplificateur pure classe A, de 2 x 150W, le DA 300, étudié surtout pour bien
s'adapter à leurs enceintes. Au
stade amateur, on savait qu'il existait en circuits à tubes comme à
transistors, des montages peu puissants mais d'une qualité sonore
incomparable, capable de procurer une ampleur sonore, une tenue dans le grave
dignes d'amplificateurs dix fois plus puissants. Déjà, vers 1976, on pouvait
écouter chez des chercheurs comme M. Akiba (qui construisit les
préamplificateurs de haut de gamme Orthospectrum), chez M. Hata (firme Realon)
des amplificateurs d'une quinzaine de watts seulement procurant, avec les
panneaux Quad ESL des résultats atteignant presque la limite de l'incroyable.
Pourtant, il S'agissait de schémas simples : dix transistors dans un cas (par
canal), quatre tubes dans l'autre. Mais, dans les deux
cas, on y trouvait des points communs avec la ligne de conduite, les circuits
décrits depuis 1977 dans l'Audiophile : alimentation surdimensionnée,
transformateur d'alimentation et de sortie surdimensionnés, composants « audio » sélectionnés : condensateurs, fils de câblage, résistances,
connecteurs, supports. Le circuit de M. Akiba comportait notamment des
transistors de puissance de type RET (Ring Emitter Transistor) savamment
utilisés. Ce chercheur avait vite compris qu'il était de loin préférable de se
contenter de 14 ou 15 watts si l'on arrivait à obtenir des performances exceptionnelles. M. Hata, lui
aussi, avec ses quatres tubes, dont deux tubes de sortie 6RA8 (tubes triodes,
brochage noval, origine japonaise, dont la fabrication a été arrêtée en 1973), son transformateur de sortie de
150 W, son alimentation de 2 200 uF sous 380 V, obtenait une dynamique telle
que, même à bas niveau, des attaques de cordes, le bruit blanc d'une flûte,
suffisaient pour que l'on sente ses oreilles se saturer sur ces impulsions. Les
petits ESL en devenaient méconnaissables tant ils étaient dynamiques, clairs,
larges au point que leur effet directif en devenait subjectivement beaucoup
moins prononcé. Même à bas niveau, ces
panneaux électrostatiques arrivaient à « remplir » une pièce, d'une façon
étonnamment homogène. Comme on se l'imagine, l'écoute d'une paire de
I-08 était un « voyage » que l'on n'est pas prêt d'oublier. Comment expliquer,
tout d'abord, que deux amplificateurs monaurals, de puissance nominale 8 watts,
aussi « monstrueux » qu'ils soient, puissent être capables d'apporter un
résultat valable, entre 0 et 8 W avec des haut-parleurs de bas rendement.
Surtout quand ils sont de type électrostatique de grandes dimensions (Stax
ELS 6A), qu'ils doivent normalement être couplés à des amplificateurs d'une
puissance minimum de 50 à 100 watts. Un amplificateur OTL à tubes, lui, ne
pourrait donner, par expérience de bons résultats au-dessous de 30 watts. malgré
l'avantage de n'employer que peu de tubes de sortie montés en parallèle. Un bon
classe A changeait les choses, quoique comparativement, le 2 x 15 W de notre
ami M. Akiba se montrait supérieur à un montage Kanéda en classe A de
puissance 2 x 30 W, malgré les qualités indéniables de ce dernier. Une autre
exception : le bien connu amplificateur classe A 2 x 20 W dont il est
souvent question dans ces pages, pour lequel les diverses démonstrations
effectuées jusqu'ici ont vite prouvé qu'il existait, subjectivement parlant,
une nouvelle notion des « watts », aussi absurde que cela puisse paraître.
Comment contester des expériences vécues d'un amplificateur de 2 x 20 watts
qui est subjectivement plus « puissant » qu'un autre de 2 x 300 watts. Comment
expliquer que l'amplificateur de 2 x 300 watts, fonctionnant entre 0 et 20
watts, donc largement au-dessous de ses possibilités, aux circuits d'alimentation
peu sollicités, puisse paraître moins dynamique, moins « puissant » qu'un autre
amplificateur de seulement 2 x 20 watts, travaillant entre 0 et 20 watts, aux
limites de ses possibilités.... Ce «
I-08 » était malheureusement trop lourd, trop peu « puissant », trop onéreux
pour en faire un produit commercial valable. C'est dire combien cette notion du
watt de très haute qualité, de très haute définition, reste une choses
difficile à « avaler » par la majorité du public. Fort heureusement, quelques
bons exemples ont relevé ce défi, comme l'imposant Mark Levinson ML-2, dont la
puissance ne dépasse pas 25 watts. Mais le but n'est pas ici de faire l'éloge
d'un prototype japonais, aussi bon qu'il soit. L'essentiel est d'avoir compris
la philiosophie qui s'en dégage, la ligne de conduite à suivre, celle devant
mener à un résultat précis, prédéterminé, même si ce résultat doit être le
fruit d'un laborieux travail. Comprenons aussi que le fait d'aboutir à un
amplificateur de petite puissance n 'est pas une qualité en soi, que ce n'est
pas non plus un des buts recherché. C'est, à grand regret le seul paramètre que
l'on se voit très souvent obligé de sacrifier pour en préserver d'autres. Le
meilleur exemple est celui d'un amplificateur travaillant soit en classe B,
soit en pure classe A, la perte de puissance, le gain en qualité dans le second
cas étant à la fois avantages et inconvénients. Quelques références Sans
prétendre s'en vanter, l'amplificateur classe A 20 W + 20 W doit être pris
comme une des références, vu qu'il a déjà été étudié dans le même but. Il est
basé sur un schéma original mais simple et très performant sur le plan de la
qualité subjective. Il
possède l'énorme avantage d'être d'une stabilité absolue sur charge capacitive,
inductive ou complexe. Avantages provenant en bonne partie de la conception de
l'étage de sortie, de l'alimentation stockant une énorme réserve d'énergie. Mais
il serait ingrat de cacher aux lecteurs le fait qu'il existe d'autres bonnes
références qui pourront ainsi servir de « fondations » au présent projet.
Entre 5 et 20 W, aucune référence commerciale ne peut être retenue, ce qui
confirme la remarque faite auparavant. Quelques produits ésotériques doivent
cependant retenir l'attention. Par contre, au niveau des réalisations amateur,
le choix est plus vaste. On note, par exemple des montages très particuliers,
sans contre-réaction, basés sur le principe « anti-distorsion » (correcteur de
linéarité de transfert, de linéarité de Hfe, etc.) étudiés par quelques
Japonais et aussi par le Dr Brian Elliott (Hewlett Packard), lequel avait déjà
publié dans le journal de l'AIES des montages amplificateurs dont le taux de
distorsion voisinait 0,000001 %. Montages très attirants mais malheureusement
beaucoup trop complexes. Beaucoup moins performants, mais aussi beaucoup plus
simples : quelques circuits conçus par M. Yasui (un « rival » de Kanéda),
publiés en partie dans la revue Stereo Technic (dont il est fait assez souvent
référence dans ces pages). Un de ses schémas, de puissance 30 W utilisant des
transistors de sortie Mos-Fet est assez fascinant : c'est le seul qui
parvient assez bien a maîtriser le problème de la distorsion en « palier »
(distorsion constante dans une certaine marge de puissance, augmentant au-delà
et diminuant en-deça), un inconvénient que l'on rencontre « automatiquement »
sur les étages de sortie Mos-Fet. Grâce à un étage driver de type cascode M.
Yasui obtient une caractéristique de distorsion régulièrement montante,
presque « douce ». Mais
là aussi, on y rencontre, en essayant ce montage, un défaut d'instabilité sur
charge capacitive, dû en partie à des composants actifs inutilement
performants. Le montage Kanéda 30 W + 30 W est à
retenir, malgré la remarque faite ci-avant. Muni d'une alimentation différente,
il représente un bon compromis. « Trop bien » alimenté, le son devient trop « tendu », un
peu trop « mat », quoique vivant, mais avec un certain manque d'ouverture
propre à quelques petits amplificateurs à tubes. Du côté amplificateurs à tubes
de petite puissance, le choix devient plus large. La plupart sont des montages
à deux étages munis d'une triode de
puissance. Par contre, même en montage simple étage, les pentodes et tétrodes
se situent nettement en dessous du « minimum acceptable », en particulier si en
limite à un tube puissent, facile à se procurer mais limité un niveau
des performances subjectives : le tube KT88 ou la 6550. Il serait inutile de revenir sur ce sujet déjà traité
dans l'Audiophile, puer un montage monotube, la limite se situant aux alentours
du montage décrit dans le n0 14. Mais avec un tel tube, il serait
complètement stupide de croire que, pour une raison ou une autre, il serait
possible d’en faire un véritable « bijou », un diamant. N’importe quel amateur
ayant eu l’expérience de centaines de montage, à l’aide de plusieurs dizaines
de tubes, de transformateurs de sortie français, anglais, américains et
japonais répondrait à un tel propos « qu’une casserole, même fabriquée par les
maisons « Pyrex » ou « Le Creuset » restera toujours une casserole. » Ce serait nier totalement les milliers d’expériences,
plusieurs centaines d’articles publiés sur plus de cinquante ans sur les
triodes, nier les performances immédiatement vérifiables qu’obtiennent près de
30 000 amateurs japonais de triodes à chauffage direct. En prenant pour exemple, des petites triodes de puissance
construites entre 1930 et 1950, on peut trouver des modèles qui, en montage
mono-lampe à deux étages procurent, sans aucune contre-réaction, des timbres
musicaux d’une vérité remarquable, une richesse harmonique et une sensation
d’espace, de liberté étonnants. Les meilleures de ces triodes ne sont peut-être
pas connues des lecteurs, car très anciennes. Il s’agit, pour prendre les
préférées, de la première version RE604 Telefunken datant de 1930, de la PX4 et
de ses équivalents (4PX, PP3/250), de l’AD1, d’origine allemande (Loewe Opta,
version avec radiateur fixé su les plaques), de la VT52, dont il a déjà été
question, (cette triode étant toutefois inférieure en qualité subjective), de
la WE275A (Western Electric U.S.A.), de la 205B (l’un des plus vieux tubes
triodes, fabriqué en 1917, comportant une grille en platine pur) et de quelques
autres. Tous ses tubes, dont la dissipation plaque se situe entre 10 et 15 W ne
permettent d’obtenir en montage mono-lampe qu’une puissance comprise 2,5 et 5
W. Dans un montage réussi, la qualité de reproduction peut parfois dépasser
celle 99% des meilleurs amplificateurs transistorisés. Les meilleurs devant
donc nous servir comme base. Dans les versions plus puissantes, retenons les tubes
300B, DA30, PX25A, TM100, TM75, WE25A, E105B. Toutefois, sur le plan de la
véracité des timbres. Mis à part peut-être la TM100 et la 300B, il faut avouer
une perte plus ou moins prononcé de qualité, bien que compensée par une
puissance de sortie plus élevée : 6 à 12 watts en mono-tube. On pourrait
trouver stupide de prendre pour référence des tubes si anciens, la majorité
ayant disparu, ce qui est exact. Le principal est de savoir qu’entre un violon
de 15 dollars et un Stradivarius, la différence est audible, et que l’on ne
doit pas délaisser ce dernier sous prétexte qu’il est trop vieux ou qu’il n’est
plu fabriqué. Parmi les appareils plus puissants, le Kanéda classe A 50
W + 50 W reste une référence très importante. On ne peut délaisser non plus « l’Exclusive
M-4 », également un classe A 50 W + 50 W conçu par Pioneer, ni l’hyper-puissant
MacIntosh MC3500 (à tubes, bloc mono de 350 W), tous remarquables dans diverses
partie du spectre : qualités de délié, d’espace infini, de tenue, de
dynamique, de justesse de timbres du Kanéda, équilibre, « filé » du M-4,
bas-medium et ampleur sonore du MC3500 telle que celui-ci devient difficile à
rivaliser sur un morceau d’opéra, sur une symphonie enregistrée en public. Pour en revenir à l’amplificateur Hiraga classe A 20 W +
20 W, on ne pourrait renier les qualités de l’ensemble utilisé en large bande.
Par contre il est indéniable que pour faire mieux, il aurait fallu lui ajouter
les qualité du grave, du bas médium du Kanéda 50 W classe A jointes à celles du
MC3500, apparamment contradictoires. Il aurait fallu aussi ajouter la finesse
des timbres des meilleurs tubes triodes à celles de propreté, de délié, de
justesse des timbres du Kanéda. Que de prétentions. Mais, pour aller très loin, il faut vouloir, il faut persévérer.
Le préamplificateur Kanéda, le petit Sunsey Minimum, le préamplificateur Hiraga
à tubes (l’Audiophile No 21)’ le préamplificateur Minimum à tubes, le
pre-préamplificateur Hiraga, et l’amplificateur Hiraga 20 W + 20 W classe A,
montrent qu’il est possible, à l’aide de schémas simples, de composants
soigneusement choisis, d’aller très loin. L’essentiel étant de croire que ce doit être possible. Le
résultat, c’est ce « Monstre » 8 W + 8 W classe A. Le « Monstre » Contrairement
à ce que son nom indique, à sa puissance efficace, à son travail en pure
classe A, il ne s'agit pas d'une copie, d'un montage inspiré du « Monstre »
I-08 de Stax. Celui ci ne comportait pas moins de 42 transistors dans sa
section amplification, Malgré ses performances, c'était un circuit trop complexe.
En quelques mots, c'est en fait un montage inspiré du 20 W classe A. Avant de
revenir sur ce circuit, d'autres essais, d'ailleurs toujours en cours,
concernaient des montages comportant des sorties mono-transistor, de type germanium.
La puissance limitée à 5 W, la difficulté de trouver de bons transistors de
puissance au germanium ont fait que ce projet n'a pas encore abouti. D'autres
essais, qui n'ont pas abouti à un résultat satisfaisant concernent plusieurs
montages sommairement décrits sur la figure 1.
Brièvement,
nous nous sommes principalement attachés aux points suivants par rapport au
montage classe A 20 W bien connu des lecteurs.
Sachant, bien évidemment, que le sacrifice en matière de puissance nous
autorisait une marge de manœuvre beaucoup plus large. · Etage d'entrée :
transistors encore plus silencieux, à grand gain, mais linéaires -- faible
courant de fuite en entrée --
impédance d'entrée plus élevée --
circuit à réduction de l'effet Miller, pour réduire le taux de distorsion aux
fréquences élevées --
étage d'entrée pouvant être surmodulé sans risque de saturation. · Etage driver : --
circuit d'autocompensation de distorsion de linéarité --
faible impédance de sortie --
faible distorsion --
niveau de sortie plus élevé
--
large bande passante. · Etage de puissance
: --
similaire au 20 W classe A --
choix orienté vers d'autres transistors de sortie, moins puissants, mais
supérieurs en qualité subjective. Pour
les améliorations souhaitées sur le plan subjectif, elles ont été décrites
auparavant. Certaines paraissent assez contradictoires mais, mis à part le
résultat qui le prouve, la façon de procéder dans le choix des différents
paramètres montre comment cela est possible. A part l'imprévisible, ce serait
de la sonorité sur mesure. L'écoute finale ne devant pas pas surprendre, à
part, peut-être, de très petits détails. La
figure 2 montre le circuit général, où l'on reconnaît l'étage de sortie «
Darlingnot », en Darlington inversé. On note que l'ancienne combinaison
2SC1096/2SA634 et 2SD188/2SA627 passe à une nouvelle combinaison, un peu moins
puissante mais beaucoup plus performante. Le choix des drivers est à la fois
subjectif et objectif. La valeur du Cob. de 75 pF sur le
2SA634 passe à seulement 1,8 pF Sur le 2SB716. Par contre, on note un Pc
beaucoup plus faible (seulement 750mW) sur le nouveau driver, valeur cependant
suffisante pour driver l'étage de sortie. Les paires de sortie 2SD844 et 2SB754
sont de type moulé, en nouveau boîtier. Cette paire complémentaire possède un Pc de 60 W, ce qui est suffisant pour un travail en classe A sous une
puissance modulée de 8 à 15W. Cette paire peut travailler sous une tension
d'entrée deux fois plus faible que sur la paire 2SD188/2SA627, ce qui explique
l'emploi d'un étage driver plus petit. La figure 3 montre les différences
existant entre ces transistors. Noter que pour un travail en classe A jusqu'à
20 W, ces transistors n'auraient pu convenir. L'étage de sortie ainsi monté
avec les 2SB7l6/2SD756 et 2SD844/2SB754 procure, par rapport aux 2SC1096/2SA634
et 2SDl88/2SA 627 : -- un
peu moins de distorsion entre 0,1 et 3 W, aux fréquences élevées (effet de Cob plus faible des
drivers) ; --
aigu plus défini ; -- bas
médium plus ample ; --
grave encore mieux tenu (Rbb des transistors de sortie de 3,2ohm au lieu de
7ohm) ; -- son
plus ouvert (taux de C.R. plus faible) ; --
médium plus « chaud » mais aussi détaillé.
Fig. 2 : Circuit de l'amplificateur classe A 8 watts
Les
autres avantages ne changent pas. Contrairement aux amplificateurs courants,
la puissance de sortie n'augmente pas quand l'impédance de charge diminue. La
caractéristique puissance/impédance n'est pas descendante (amplificateurs courants)
mais arrondie, comme sur un amplificateur à tubes OTL. Entre 7 et 20ohms la
variation de. puissance est minima et à 30ohm elle est encore importante ce qui
avantage le travail sur des enceintes à haut rendement, l'impédance de
celles-ci à la résonance pouvant dépasser 100ohm. Le
circuit reste de stabilité inconditionnelle, même chargé par 1uF en parallèle
sur 8ohm (voir photos). L'ensemble permet d'obtenir une très large bande
passante (plus de 4 MHz), un temps de montée extrêmement rapide (moins de 0,5
uS). Noter qu'une telle performance sur transistors Mos-Fet ne pourrait être
aussi stable sur charge capacitive. Un autre avantage est la possibilité de
réduire la longueur des liaisons driver/transistor de puissance. D'environ 18
cm sur le 20 W classe A, elle est cette fois directe, les transistors de
puissance pouvant se monter directement sur le circuit imprimé. Ce qui réduit
les capacités de liaison et les éventuels risque d'instabilité. Comme
mentionné au préalable, on constate qu'il jectif exactement conformes à ce qui
était souhaité ainsi que l'inconvénient d'une puissance de sortie limitée à
environ 8 W. Comme
le mentionnions au préalable, on constate qu'il existe des relations très
étroites entre les performances subjectives et les configurations de schéma
utilisés. Un travail systématique et rigoureux permet ainsi d'atteindre le but
recherché, au sacrifice cependant d'un paramètre qui est, dans le cas présent,
la puissance limitée aux environs de 8 W.
Fig. 3 : Tableau de comparaison des transistors 2SD188 et 2SD844 L'étage d'entrée Il
n'est pas du tout similaire celui qui était employé sur le 20 W classe A. Dans
ce circuit, le choix de l'étage d'entrée était primordial. Aussi curieux que
cela puisse paraître, il s'agissait de retrouver ici un son proche d'un tube
driver réputé au Japon pour ses qualités subjectives : le WE310A, un tube
pentode absolument remarquable sur la voix, la guitare, le piano, bref
exceptionnel dans la bande 200 - 5 000Hz. L'emploi de transistors bipolaires
peut produire facilement de la distorsion par harmoniques impairs tandis qu'une
paire complémentaire à effet de champ produira un peu trop d'harmoniques
impairs (son dur et desagréable, ce qu'explique sommairement la figure 4. Dans
le cas du circuit du 20 W, le compromis consistait à employer des transistors
bipolaires de très bonne qualité subjective, les 2SA872(E) et 2SC1775(E) dont
le montage procurait un taux de distorsion plus élevé, mais un dégradé en
distorsion harmonique particulièrement bon. Le second étage attaquait d'ailleurs le driver à la limite de la saturation,
ce qui ne posa heureusement pas trop de problème, après les réglages divers
(voir n0 15) et ajustage de la tension d'alimentation à +/- 21V.
Fig. 4 (a) : Spectre de
distorsion sur montage cascade FET-Bipolaire.
Fig. 4 (b) : Spectre de distorsion sur paire
complémentaire FET. Les caractéristiques Id/Vds d'un transistor à effet de
champ étant de même configuration que celles d'un tube triode d'une part, les
caractéristiques de spectre de distorsion d'un tube 310A ne ressemblant pas
tout à fait à celles d'un transistor bipolaire d'autre part, un montage combiné
de transistors va apporter simultanément ce que l'on recherche : -- sortie à basse impédance ; -- gain très élevé ; -- faible distorsion ; -- faible courant de fuite en entrée ; -- circuit à très faible effet Miller ; -- niveau de saturation d'entrée élevé. Il s'agit d'une paire complémentaire cascode « panachée
» FET/bipolaire pour laquelle le choix des transistors sera fait
méticuleusement, afin d'obtenir les résultais souhaités. Sans ce montage cascode complémentaire, ces résultats
n'auraient pu être obtenus d'une autre façon. Le montage cascode permet en effet l'obtention d'un gain
très élevé et les risques d'instabilité, dans le cas du présent montage sont
pratiquement inexistants. Dans le cas de tubes triodes à grand gain, ce
n'aurait sans doute pas été le cas. Ensuite, la combinaison FET/bipolaire produit
une caractéristique combinée proche d'un tube pentode. Ce qui équivaut à un
spectre de distorsion avec prédominance d'harmoniques impairs. Ceci est
volontaire, vu que le montage en push-pull se chargera de réduire ceux-ci d'où
une combinaison d'ensemble devant apporter un bon résultat. Un montage cascode de ce type, à sortie basse impédance
apportera les améliorations subjectives souhaitées, c'est-à-dire plus
d'ampleur dans le bas-médium, mais également un grave ferme et bien tenu (dû
aussi aux circuits d'alimentation). Mais son avantage décisif sera un gain
important en transparence. Mais l'obtention de ces résultats dépend étroitement
du choix des transistors. Une condition obligatoire : utiliser en entrée
un transistor à effet de champ à Gm très élevé, de 20 à 30 fois plus élevé que
celui d'un transistor Fet du genre 2SK30AGR. Employé seul, ce genre de
transistor, à très faible bruit ne pourrait convenir que pour des
pré-préamplificateurs et des préamplificateurs. Seul, les Fet employés ici, la
paire complémentaire 2SKl7O/2SJ74 dont les deux seuls avantages ont un très
faible bruit (en = 0,9
nV/√Hz) et un Gm élevé : 2,2 mMho. Mais les défauts de ces
transistors sont nombreux : -- courant de fuite de gate important (perte de
transparence sonore) ; - capacités parasites Ciss et Crss (entrée et
retour) importantes : 30 pF et 6 pF (au lieu de 8 et 2 pF environ sure le 2SK30AGR) ; -- courant de fuite de gate augmentant très rapidement
lorsque la tension de travail Vds augmente ; -- tension de saturation d'entrée très basse, due au gain
élevé (0,2 V environ). Un montage en cascode améliore considérablement ces
caractéristiques. On aurait pu monter en cascode des transistors Fet, comme
sur la figure 5(a) mais la combinaison bipolaire NPN/Fet canal N est préférable
(b). La avantages dêcisifs sont : --
réduction considérable de la capacité parasite Crss (capacité de « retour »
drain-gate) qui passe au 1/10e de sa valeur initiale, soit 0,06 pF au lieu de 6
pF, soit une réduction importante de l'effet Miller (figure 6); --
abaissement de la tension de travail Vds (le montage étant en série), réduction
conséquente de Igx (courant de fuite de gate), comme e montre la figure 7. --
niveau de saturation d'entrée plus élevée (près de 1V an lieu de 0,2V). La
figure 8 montre schématiquement le circuit d'entrée et l'équivalent
électrique.
Fig. 5 : Montages cascode.
Fig. 6 : Réduction de l'effet Miller, grâce à
l'emploi du montage cascode
Fig. 7 :
Réduction du courant de fuite Igx par l'emploi du montage cascode,
par rapport à celui d'un transistor FET seul.
Fig. 8 (a) :
Schéma électrique équivalent d'un montage cascode complémentaire.
Fig. 8 (b) : Circuit cascode complémentaire. Ce
montage s'est montré, par ailleurs, plus intéressant qu'un transistor FET
standard monté avec régulateur de courant : moins de gain, impédance de
sortie élevée, perte de dynamique subjective, effet de la capacité de sortie
sur la distorsion. Dans ce
montage, l'impédance d'entrée, qui est élevée est chargée par 47 kohm et une
résistance d'arrêt de 1,2 kohm est montée en série dans le circuit d'entrée. Le
circuit cascode complémentaire est chargé par seulement 47 kohm, le courant
étant de l'ordre de 0,9 à I mA. Les bases sont polarisées par les quatre
résistances de 2 kohm et les divers essais de régulation (diodes zeners) se
sont montrés inférieurs à l'écoute. Le choix de la combinaison
2SK170-2SJ74/2SC1775-2SA872 a encore
été effectué sur des critères subjectifs, en fonction, bien sûr, du résultat
global. Dans
le prochain numéro, le montage et d'autres éventuels réglages seront détaillés,
ainsi que l'imposante alimentation de +/- 14 V, sur batterie au plomb montées
en tampon. Le lecteur trouvera par contre sur la figure 10 le circuit imprimé
de ce montage. Mesure et écoute Ce
circuit a été soigneusement mis au point, à la mesure comme à l'écoute, en
avril 1982. Il avait été « mis de côté » pour une question de transistors dont le choix apportait un résultat dépassant même les prévisions, sur le
plan de j'écoute mais qui étaient encore très difficiles à se procurer sur le marché japonais. La paire 2SD844/2B754 était
particulièrement difficile à trouver, le Hfe ne correspondant pas aux valeurs
souhaitées, Ce Hfe, de 60 sur les 2SA627/2SD188 est ici compris suivant les
lots (K, L, M, N, O) entre 70 et 240 et seuls les lots K et L (2SD844K et 2SB754L) peuvent
convenir. Quant aux 2SK170/2SJ74, ce sont des
transistors encore assez difficile à trouver, car récents et fabriqués seulement en petite série par la firme Toshiba. Pour 'écoute, dont le résultat dépend aussi de
l'alimentation, on arrive au curieux mais étonnant compromis tubes triodes/amplificateur Hiraga 20 W classe A, où seule la puissance de sortie représente une petite ombre sur le tableau de performances.
Dans l'ensemble, on obtient un son particulièrement défini, aéré, des sons de réverbération, d'échos plus libres, alors que les sons directs sont encore plus présent, mieux timbrés et plus « chauds ». Le paradoxe se situe dans le grave qui, avec l'imposante alimentation,
peut enfin se comparer à celui des amplificateurs Kanéda classe A 30 W et 50 W : fermeté
exceptionnelle, superposition de sons extrêmement fermes sur des son infiniment doux et légers. Superposition de sons infiniment flous sur des sons aux contours finement ciselés. Même sur des systèmes de rendement moyen, cet
amplificateur s'est très bien comporté, l'impression équivalente d'espace, de réserve de puissance
ne pouvant normalement être obtenue qu'avec de rares amplificateurs cités plus
haut. Baptisé
« Le Monstre », en raison de sa taille anormalement grande par rapport à sa puissance de sortie, il aurait pu encore être baptisé « Tube Memory », à
cause de son timbre propre à quelques rares amplificateurs à tubes triodes qui
étaient jusqu'ici employés dans des montages dits « à très haute définition ».
Cet appareil trouvera sa place idéale en bas-médium, en médium ou dans l'aigu,
dans des systèmes bi, tri ou quadri amplifiés.
Fig. 9 (a) :
Réponse sur signal carré à 20Hz. En haut,
sortie amplificateur, en bas, sortie générateur.
Fig. 9 (b) :
Réponse sur signal carré à 20 kHz sur
charge capacitive, 0,47 uF en parallèle sur 8 ohm.
Fig. 9 (c) :
Allure du front de montée à 10 kHz. Le temps
de montée est inférieur à 0,5 uS. Il est difficilement
mesurable avec le banc de mesure qui étai employé.
Fig. 10 :
Circuit imprimé et implantation
ARTICLE 2 (French) Amplificateur 8 W
« Le Monstre » L'alimentation
Jean Hiraga
(l’Audiophile No. 29) Le numéro 27 de l'Audiophile décrivait le montage de
I'amplificateur transistorisé « Le Monstre ». Montage conçu en fonction d'un
souci extrême de très haute définition des sons les plus complexes. La palette
son are naturelle, d'une richesse hallucinante, celle que l'on ne peut guère
rencontrer que sur quelques rares amplificateurs à tubes triodes de fabrication
artisanale déjà décrits dans ces pages, celle que l'on avait cru perdue à
jamais sur les montages transistorisés, le montage « Le Monstre » tentait de
lui redonner toutes ses couleurs, jusque dans ses demi-teintes les plus
subtiles. Comme toujours, un schéma simple, original ; des composants actifs
particulièrement sélectionnés, un choix
minutieux des composants passifs. « Le Monstre» doit être avant tout compris
comme étant un montage simple, peu puissant, mais grâce auquel la quantité
d'informations perçues est telle qu’il
peut cette fois se comparer sans fausse honte aux amplifications du
genre « 300 B ». Le lecteur trouvera ici les détails concernant l'alimentation. Avant-propos Depuis le premier numéro de l'Audiophile, il avait
souvent été question de propos parfois curieux d'une nouvelle vision de la
reproduction sonore de haute qualité. Certains de ces propos concernaient des
méthodes simples, efficaces, donnant rapidement accès à un niveau de qualité
sonore appréciable. D'autres propos
s’ouvraient sur un univers encore très mal connu de « son des composants », de
contacts, de couvre-plateaux, de câbles, d'alimentations énormes ou de montages
à tubes. Discutables, discutés, mal compris ou appréciés, il est fort agréable
de constater, en 1983, qu'une forte majorité des appareils de qualité, de haut
de gamme ou « ésotériques » ont fait un très gros effort dans ce sens. Quelques
constructeurs reviennent à des montages simples et performants. D'autres
n'hésitent plus à utiliser des accumulateurs pour les circuits d'alimentation
de faible consommation. Parfois, les alimentations régulées disparaissent et
font place à des filtrages en cellules RC à capacités de très forte valeur.
Quelques autres oublient ce qui avait été déjà dit près de dix ans plus tôt et
redécouvrent les avantages de la classe A, des couvre-plateaux bien étudiés ou bien des
enceintes à haut rendement. Mais
il ne fait aucun doute que seule la conjonction harmonieuse, pleine de bon
sens. équilibrée de la grande majorité de ces conditions à remplir permet
d'ouvrir la porte sur les étages supérieurs. Ce que l'on ne rencontre que trop
rarement, malgré les bonnes volontés ou certaines bonnes prédispositions.
Jusqu'à un certain pourcentage d'efforts mal répartis, les résultats ne se
ressentent que très peu. Impression de stagner, de tourner en rond. Au-delà,
le système commence à surprendre, à émouvoir, mais avec « des hauts et des bas
», signe caractéristique d'une mise au point encore imparfaite d'un système
aux possibilités pourtant certaines. Tout près de la perfection, le système
dès les premières secondes d'écoute, «
transporte » littéralement l'auditeur, au point que l'amateur de rock pourrait
arriver à ressentir des frissons dans le dos à l'écoute de Debussy ou de
Malher. La quantité d'informations reproduites est telle que le message «
passe », transportant tout ce que le compositeur, l'interprète veulent faire ressentir,
faire ressortir, faire, écouter. Si le message « passe » dans un cas, ne « passe pas » dans l'autre, toute la
valeur musicale de ce que l'on écoute en dépend. Dans ces conditions, il ne
serait plus question de
parler « d'ultime perfectionnements frisant le ridicule » mais presque
d'une question de « vie ou de mort » de la reproduction sonore de haute
fidélité. « Le
Monstre », pour ces mêmes raisons,
n'aurait pu supporter les effets d'une alimentation +/- 12 V courante. Alimentation courante Indispensable, souvent volumineuse, l'alimentation la plus courante des
circuits électroniques est réalisée à partir d'un transformateur
d'alimentation, de diodes de redressement, de réseaux de filtrage. Ces circuits
doivent être bien conçus, largement dimensionnés, stables, aptes à fournir un
courant, une tension aussi parfaits que possible. En pratique, si l'on choisit
un amplificateur classe B, 2 x 100 W chargé par des
enceintes d'impédance 8ohm, on s aperçoit que
l'alimentation peut se trouver sollicitée par des crêtes de 7 A, celles-ci ne
devant pas troubler pour autant la stabilité de l'alimentation. Cette dernière doit encore rester
indifférente aux variations passagères de tension secteur, aux parasites que
contiennent le secteur et elle ne doit pas être influencée non plus par des
circuits placés dans son voisinage : tuners FM, magnétophones, moteurs,
interrupteurs marche-arrêt, éventuelles alimentations à
découpage employés dans certains récents appareils. Sur le plan commercial,
elle doit encore rester compacte,
légère, d'un prix de
revient réduit. Contradictions, limites, compromis trouvés vont laisser
l'alimentation imparfaite sur un plan « audiophile ». Le
montage le plus fréquent, que l'on voit sur la figure 1 est constitué d'un
transformateur (EI, C. double C, tore, etc.) muni d'un primaire, d'un secondaire
à point milieu, d'un pont redresseur à diodes au silicium et de condensateurs
de filtrage. Pour mieux résister aux variations primaires et secondaires, le
transformateur doit être surdimensionné,
les condensateurs de filtrage devant être de valeur relativement élevée. Dans
cette condition déjà plus favorable, les diodes, le transformateur, le fusible
doivent être en mesure de supporter le courant de charge des condensateurs au
moment de la mise sous tension. Si, d'ores et déjà, on est limité par le prix
de revient, l'encombrement, on ne peut qu'arriver à un mauvais compromis. Sur
le plan des performances on est limité par la perte qu'apportent les diodes,
les enroulements du transformateur, par le volume, les caractéristiques
magnétiques des tôles. Pour un transformateur courant, les calculs d'induction
maximum (Bm), de perte magnétique dans les tôles (Pi) et de perte dans les
enroulements (Pc) s’effectuent comme
suit : Bm = E1 (Wb/m^2) (1) 4 Kf n1 A Pi =
dh f Bm^2
+ de ( t f Kf Bm )^2
(W/kg) (2)
100
100 Pc = Km
I1 (r1 + r2) (W) (3) avec
E1 : tension primaire ; Kf :
taux de forme d'onde ; n1 : nombre de tours primaire ; A : section
utile du circuit magnétique ; dh, de :
facteur de qualité de tôles ; r1, r2 : résistance primaire, résistance
vue du secondaire ; Km : rapport impédance / résistance ; I1 :
courant primaire.
Fig . 1 : Alimentation courante à transformateur,
redresseurs et capacités. Comme
l'indiquent les formules, les, la perte dans les tôles, indépendante de la
charge, est proportionnelle à f.Bm^2. Quant à la perte dans les enroulements,
elle dépend cette fois du courant de charge et de la résistance des
enroulements. Si, pour une raison économique, pour une raison de poids on
d'encombrements on réduit le volume des tôles, le volume de cuivre des
enroulements, on se heurte au problème d'échauffement. En haute fidélité «
grand public », la compacité des appareils, les problèmes de prix de revient,
de poids, de rayonnement parasite font choisir le compromis consistant à avoir
recours à des étages de puissance travaillant en classe B, en classe A «
assistée », un échauffement anormalement élevé ne pouvant se produire que lors
d'un fonctionnement prolongée à pleine puissance. Le transformateur
d'alimentation, rayonnant peu, car réalisé à partir de tôles à faibles pertes,
reste d'un coût peu élevé en raison de son volume. Dans une démarche résolument
« Audiophile », le transformateur doit être surdimensionné. Le secondaire,
chargé par les redresseurs, les capacités ne peut pins produire un signal
parfaitement sinusoidal (figure 2) et un surdimensionnement est avantageux.
Par contre, le montage ne sera pas à l'abri des variations secteur (ne
serait qu'un volt ou deux), ceci même après deux cellules RC et malgré
l'emploi de condensateurs de forte valeur (100000 uF pour 20 V de tension
d'alimentation par exemple). Pour un préamplificateur, un filtrage vraiment
bon et surtout indépendant des petites variations secteur doit posséder plus
de six cellules RC ou LC (ce qui est encore mieux). C'était le cas notamment du
circuit préamplificateur à tubes décrits dans le n0 21 de
l'Audiophile. S'il s'agit, même en basse tension, de courants beaucoup plus
élevés, la réalisation n'est pas pratique (encombrement, résistances de fort
wattage, échauffement). En plus si, en classe A, on souhaite obtenir une
alimentation vraiment stable, cette condition nécessite l'emploi de
condensateurs de très forte valeur. Dans une réalisation commerciale
d'amplificateurs de qualité, le 20 W classe A représente une bonne
approche : transformateur fortement surdimensionné, condensateurs de
valeur totale 408 000 uF. Dans le cas du « Monstre », fonctionnant à partir
d'une alimentation de +/- 12 V, on aura besoin de
quelque chose de beaucoup plus stable.
Fig. 2 Forme du signal
obtenu sur le secondaire chargé par le pont redresseur
et par les capacités de
filtrage. Remarquer la saturation de la sinusoide. Alimentations régulées, alimentations à très haut rendement Les
alimentations à très haut rendement, de type a découpage, à triac et contrôle de
phase, à choppers, ont pour avantage un rendement exceptionnel : travail
en impulsion des transformateurs, dont le rendement devient tel que l'on peut
les réduire en volume, transistors travaillant en repos/travail réduisant la
dissipation collecteur, régulation de signaux carrés peu espacés. La
figure 3 illustre en exemple une alimentation à triac et contrôle de phase,
pour laquelle les paramètres de courant et tension de sortie Eo et Io sont
représentés. Ce montage à haut rendement peut s'améliorer
par suppression des triacs sur le secondaire, par 'emploi d'amplificateurs
opérationnels qui, reliés à un photo-coupleur, peuvent de la sorte contrôler le
trigger du triac primaire. Réduction du prix de revient, de la taille du transformateur,
amélioration sensible des performances de stabilité, d'insensibilité aux
variations de tension primaire, Le gros inconvénient dans ce genre de circuit
étant, mis à part la qualité spectrale de régulation dont il sera question
plus loin, le bruit mécanique du transformateur travaillant en régime
impulsionnel. Il doit alors être impérativement de haute qualité, imprégné,
monté sur des suspensions amortissantes, le tout ne devant pas rayonner. La
figure 4 montre l'aspect général de ce type de montage.
Fig. 3: Alimentation
haute efficacité à triacs et contrôle de phase,
caractéristiques de
tension et de courant de sortie.
Fig. 4 : Version
améliorée de l’alimentation de la figure 3. On note la présence d'un
amplificateur
opérationnel. d'un photocoupleur agissant sur le triac d'entrée.
Concernant l'alimentation à découpage, représentée sommairement
sur la figure 5, on voit que la tension de sortie Vav, obtenue à partir de
signaux carrés espacés (Ton, Toff) et d'amplitude contrôlée Vo, la valeur de
Vav obtenue après filtrage étant de : Vav = Ton Vo_ Ton + Toff
Fig. 5 :
Alimentation à découpage. Principe et forme du signal de sortie avant et après
régulation. Le rendement atteint des valeurs particulièrement élevées,
les autres avantages étant l'absence de résidu 50 ou 100 Hz, une faible
impédance, une très bonne régulation. Mais les meilleures alimentations à
découpage, relativement onéreuses et assez encombrantes ont pour gros défaut
un rayonnement parasite gênant d'où l'obligation d'avoir recours à plusieurs
blindages. Un autre défaut étant de perturber le secteur lui-même. Sur le plan
de la pureté spectrale de régulation ce montage n'est que moyennement performant,
ceci malgré toutes les précautions prises, malgré les effets publicitaires
présentant l'alimentation à découpage comme l'ultime perfectionnement en
matière d'alimentation, ce qui n'est vrai qu'en partie. En réalité, on a pu
constater qu'un montage amplificateur de faible distorsion, alimenté soit normalement
(pont redresseur, résistances, condensateurs, filtrage en Pi) soit à l'aide de
ce genre de montage pouvaient présenter des écarts notables au niveau du
paramètre de distorsion/puissance, ce que l'on constate sur la figure 6.
L'écart étant dû, dans le cas de l'alimentation à découpage, au bruit résiduel
en mode commun. C'est ce que montre encore l'analyse spectrale
(fig.7). Dans les meilleurs cas, y compris les alimentations de ce type souvent
utilisées dans les magnétoscopes, dans les lecteurs de disques compacts, on ne
peut guère dépasser en bruit résiduel les performances de la figure 8.
Fig. 6 : Paramètres
distorsion/puissance d'un amplificateur alimenté soit par une alimentation à
découpage de qualité moyenne (courbe supérieure), soit à l'aide d'un montage
courant (transformateur, diodes, filtrage en Pi) (courbe inférieure) Le bruit
résiduel en mode commun de l’alimentation à découpage est responsable de
I'augmentation du taux de distorsion constatée.
Fig. 7 : Analyse spectrale du bruît résiduel
produit par I'alimentation
à découpage employée sur la figure 6.
Fig. 8 : Spectre de
bruit d'une alimentation à découpage de qualité. On remarque
néanmoins la présence
de plusieurs harmoniques. Par ailleurs,
les filtres secteurs employés en tête seront insuffisants pour protéger
totalement des parasites d'autres maillons munis d'alimentations courantes. En
somme, quelques avantages, la
plupart technico-commerciaux dont le
revers est l'apparition de plusieurs inconvénients. On en
revient alors à l'alimentation classique, dont le résultat en bruit spectral
résiduel (fig. 9) dépasse celui des meilleures alimentations à découpage.
Fig. 9 : Spectre de
bruît d'une alimentation classique, à filtrage en Pi simple. Le résultat est
nettement supérieur à celui des versions à haute efficacité, malgré
des résultats inférieurs sur d'autres paramètres. L'alimentation du « Monstre » De
grande simplicité, l'alimentation de l'amplificateur classe A 2 x 8 W s'effectue par accumulateurs au plomb reliés à des condensateurs. D'une
part, le schéma avait été étudié pour une alimentation sous +/- 12 V. D'autre
part, la consommation, raisonnable, permet une autonomie largement suffisante
avant une recharge des accumulateurs. D'habitude,
le bruit résiduel de l'alimentation courante, non stabilisée, se situe vers -70
dB : résidus de filtrage, bruit dû aux diodes redresseuses. En deçà
apparaît le bruit de fond, le ronflement de fréquences 100, 150 et 200 Hz. Un
filtrage plus sérieux muni d'une self en tête, difficile à réaliser dans un
petit volume mais devant être d'inductance appréciable et de faible résistance
sérié, procure un recul du bruit jusque vers -90 dB. Par contre des circuits
annexe de l'amplificateur, alimentés par des tensions plus basses que celles
de l'étage de sortie et régalés par des diodes zéner ne peuvent espérer
dépasser un recul de bruit de l'ordre de -75 dB, sauf si ces diodes sont
montées en parallèle sur des condensateurs d'assez forte valeur (10 à 50 uF).
Mais, même dans ce cas la limite se situe vers -90 dB. Sans entrer dans le
détail des alimentations régulées, parfois extrêmement rapides et silencieuses,
une alimentation par piles (ce que serait impossible dans le cas de
l'amplificateur 2 x 8 W), celles-ci étant soigneusement découplées peut faire
reculer le bruit jusqu'à -110 à -120 dB. Cette solution est très appréciable
s'il s'agit d'alimenter des montages tels que les prépréamplificateurs. Au-delà
de -120 dB, la qualité des composants devient de plus en plus critique. Le
courant de fuite des piles, des condensateurs devient une source de bruit. Le
passage du courant à travers les résistances composant le filtrage RC suffit
pour produire un certain niveau de bruit, aussi bas soit-il. Celui-ci se situe
entre -110 et -130 dB. Le but recherché vise les dernières limites offertes
par les composants. La combinaison choisie : accumulateurs +
condensateurs est non seulement la plus simple, mais aussi celle accédant à des
valeurs d'impédance extrêmement basses, à des possibilités en courant
transitoire énormes, à des valeurs de bruit résiduel exceptionnelles ;
quelques milliohms, plus de 1000 A, près de -144 dB..., le tout étant
total-ment absent d'une coloration éventuelle due à des composants tels que
diodes, transformateurs, tôles magnétiques, selfs, résistances, transistors ou
circuit intégrés. En
fait, il s'agissait aussi d'une solution unique vu que l'on remarquera un point
important du circuit : l'alimentation commune des étages d'entrée avec
ceux de sortie, ce qui exige une stabilité inconditionnelle. Dans un montage à
tubes tel que le 300B, de puissance 8 W environ, on est
avantagé par des tensions d'alimentation 30 fois supérieures, le signal
d'entrée restant le même dans les deux cas. Si l'alimentation s'effectue à
l'aide de tensions aussi basses que du +/- 12V, il est normal de penser que la
stabilité de l'alimentation doit nettement dépasser le niveau d'une petite
alimentation courante. Les premières confirmations de l'avantage décisif de
l'alimentation d'amplificateurs de puissances par accumulateurs remontent à
1973, époque ou un japonais, M. Hata (dont il avait été question dans ces pages
à propos des tweeters ioniques) avant réalisé, pour une utilisation personnelle
un amplificateur 2 x 25 W, ceci à partir de circuits hybrides (aux performances
pourtant très moyennes), montage qui était alimenté par des accumulateurs de 70
AH (4, soit 2 x 24 V). Cette
expérience était elle-même issue d'une autre réalisée vers 1965 par le
président d'une firme japonaise d'accumulateurs. Celui-ci, fort bien placé
pour se procurer des accumulateurs, n'avait pas hésité à réaliser plusieurs
pièces de son appartement en planchers démontables mais étanches, sous
lesquels se trouvaient plusieurs dizaines d'accumulateurs. Il obtenait ainsi des tensions de 2,5 V, 60 V et 250 V qui alimentaient ses
amplificateurs équipés de tubes triodes 2A3. Dans les deux cas, on obtenait des
résultats absolument stupéfiants, de l'extrême grave à l'extrême aigu. Dans
le premier, à propos de degré de définition, un certain disque permettait
d'entendre un bruit de montage de bande, des bruits de doigts frappant les touches
du piano, un bruit de respiration, une infinité de micro-détails depuis le
flou extrême jusqu'à l'extrême précision, ce qui faisait un disque impossible
à passer sur d'autres systèmes, tant la perte d'informations sonores était marquée. Par ailleurs, le circuit hybride, reconnu surtout pour ses
caractéristiques d'agressivité dans l'aigu, perdait la plus grande partie d'un
défaut que j'on attribuait à ce composant actif. Dans le second cas, le tube
triode 2A3, toujours considéré comme inférieur à d'autres comme les 300B, 845,
252A, 275A sur des questions de transparence, de définition, de finesse,
retrouvait des qualités difficiles à croire, tant le son du tube 2A3 (le plus
courant au Japon à l'époque de la grande mode des tubes triodes) pensait être «
cerné », tant les limites de ses possibilités semblaient être bien établies. Si,
dans ces deux cas le vibrato du violon dans Thais de Massenet passe, si la guitare de Manitas de Plata passe, si dans tous les autres cas on ressent comme un blocage, quelque chose qui ne
passe plus, que l'on ne ressent plus aussi bien, comme une note soutenue dans
un morceau de Chopin, on ne peut plus parler, à propos de telles
sophistications des circuits, de complications ridicules. Le message passe ou ne
passe pas. Préférences ou doute n'ont plus lieu d'être. A condition bien sûr
qu'un maillon de la chaîne ne soit pas manquant ou n'ait pas été brisé
involontairement. Il est ridicule de voir encore en 1983 des tests comparatifs
de câbles ne menant à aucun résultat édifiant, à cause d’enceintes ne pouvant
guère servir qu'à éteindre des bougies, des « étouffoirs ». Circuit imprimé Dans
le No 27 on a pu remarquer une erreur d'implantation des transistors d'entrée.
La figure 10 montre le circuit imprimé sur lequel les transistors 2SK170 et
2SJ74 ont été ranis dans le bon sens. Pour le circuit imprimé, presque
symétrique, on remarquera que la résistance de 47 kohm, celle de 10 ohm
permettront de repérer le sens du circuit, côté cuivre. Les transistors de
sortie se montent sur des radiateurs, une plaquette de mica isolant la semelle
métallique de ceux-ci du contact électrique avec les radiateurs. On doit
également utiliser de la graisse de silicone pour permettre une meilleure
conduction thermique Le câblage de la masse peut poser des problèmes
d'accrochage H.F On doit relier la masse des prises d'entrée par un fil unique
arrivant à la masse centrale de l'alimentation. De ce point, partiront deux
fils de masse devant aboutir sur chaque plaquette. Pour la masse des sorties,
relier la masse centrale de l'alimentation à chacune des deux bornes des
sorties. En cas de tendance à l'accrochage on peut réduire la bande passante en
mettant en parallèle sur la résistance de 220 ohm un condensateur de valeur
comprise entre 4700 pF et 10000 pF. Cette valeur peut paraître élevée, mais il
faut penser que la résistance de contre-réaction négative n'est que de 220 ohm.
Fig. 10 :
Implantation vue côté composants. Mesures La
figure 11 représente le résultat d'analyse du bruit résiduel sur une
alimentation normale, munie d'un filtrage en Pi et de condensateurs de
filtrage de 180 000 uF. Malgré la présence de la résistance série, des condensateurs
de forte valeur, on note la présence d'un léger résidu de filtrage,
même si celui-ci est suffisamment faible pour ne pas risquer
d'apporter un niveau de ronflement audible.
Fig. 11 : Spectre de bruit d’une alimentation
25 V, filtrage
en Pi, muni de condensateurs de 180 000 uF. La
figure 12, A et B montre que l'alimentation du « Monstre » se trouvait très
nettement supérieure aux possibilités de mesure, limitées à environ -120 dB. Ce
qui confirme la valeur de -140 dB ou mieux, ceci dans le cas où le circuit est
alimenté par des batteries, secteur débranché.
Fig. 12 : Mesure du bruit résiduel de
l’alimentation avec batteries. A gauche bruit
résiduel de l’analyseur de spectre. A droite :
bruit de l’alimentation. Le petites
différences constatées sont dues essentiellement
aux câbles de mesures. La
figure 13 montre le spectre de distorsion de l'amplificateur, dont on
remarquera le dégradé très régulier. On c retrouvera d'ailleurs, ce qui est
rassurant pour d'autres fréquences et d'autres niveaux de sortie.
Fig. 13 : Spectre de distorsion de
l’amplificateur 8 W « Le Monstre ». La
figure 14 montre les composants utilisés pour cette alimentation
expérimentale. Les accumulateurs son de capacité 40 AH, capable de débiter plus
de 170 A pendant plusieurs secondes. En parailèle sur ceux-ci se trouvent des
condensateurs dont la valeur capacitive dépasse 1 Farad. La figure 15 montre
schématiquement l’aspect de l’alimentation.
Fig.
14 : Synoptique de l’alimentation. Les composants mentionnées correspondent
à la configuration la plus élaborées que nous ayons réalisée. Il est bien
évident qu’il est possible dans un premier temps d’utiliser une alimentation
moins élaborée comme l’indiquent les trois configurations données en photos.
Fig. 15 : Configuration No 1 de
l’amplificateur 8 W. L’alimentation utilise 6 x 68 000 uF.
La résistance de filtrage de 4 ohm n’apparaît pas. Dans
un prochain numéro, nous reviendrons aux écoutes comparatives. D’ores et déjà,
les premiers amateurs ayant construit cet amplificateur auront pu noter
immédiatement l’impression d’énorme réserve de puissance, un grave léger mais
ferme naturel et « rapide », un médium aigu très détaillé, naturel, le tout
étant capable à la foi de reproduire des plans sonore nettement en avant des
enceinte ou encore très loin derrière. Quant à l’impression de stabilité
d’assise des sons, l’alimentation y joue un rôle prépondérant. Enfin, à la
grand surprise générale, on pourra constater qu’un puissance de 8 W est
suffisante dans une bonne majorité des cas.
Fig. 16 : Configuration No 2 de
l’amplificateur 8 W. Des batteries de 12 V, 6 Ah sont
ajoutées par rapport à la configuration 1. Des
Supercapas de 0,47 F, découplées par
des
condensateurs polycarbonate de 2,2 uF sont placées en parallèle sur les
batteries.
Fig. 17 : Configuration No 3 de
l’amplificateur 8 W. Les composants
correspondent à la nomenclature de la figure 14.
ARTICLE 3 “The Monster” Revisited
Jean Hiraga (l’Audiophile No. 31) Described in Issues 27 and 29 of l’Audiophile, this amplifier is acquiring a very solid reputation in the small world of the perfectionist audiophile. Several hundred have already been built since May 1983, and the feedback that we have had from our readers is unanimous, this amplifier made the difference! Surprisingly, this amplifier, which was originally designed to feed the mid-range and treble in multi-amplified systems, gives extraordinary results in the bass. We have carried out various tests and it is true that, on signals that don’t require a very high energy level in the bass region, the 8W has a quality of reproduction in this register that is without equal. The sound is remarkably graded, revealing an unsuspected variety of sound colours that it is rare to hear from a reproduction system. It will be necessary to wait for the 50W Kanéda, which (as you have seen in this Issue) is in preparation, to obtain these qualities at a higher power level. The various tests in the bass register that we have been able to make, very clearly highlight the differences that exist between configurations 1, 2 and 3 mentioned in Issue 29. There is no doubt that the Monster proves to be superior to the two other configurations, especially version 1 without the battery. The advantage of batteries used on their own, or as a buffer for the mains supply, appears very clearly in broad band listening. The reason can be seen very simply and very clearly with a dual trace oscilloscope. One trace displays the output signal and the other trace the behaviour of the alternative power supplies. The amplifier is fed with a sinusoidal signal that is varied in frequency. It can be very clearly seen, starting at 50Hz, that when one decreases the frequency, the charge frequency, which is obviously that of the mains, is not sufficiently fast to feed the power supply filter capacitors. One would think that a capacitance of half a Farad, or even 1 Farad, would be sufficient to alleviate this slowness, but this is not so, and a modulation signal is found on the power supply which, similar to a piece of gelatine, fluctuates according to the signal. Of course, one could think that, below 50 Hz, a little distortion introduced by the power supply is not very critical. This would be to forget that the amplifier is required to reproduce higher frequency signals at the same time that, in addition, have much lower amplitudes in the mid-range and treble registers. Thus the noise introduced by the power supply will mask all the small amplitude signals. The overall performance will lose clarity and definition. The battery makes it possible to cure this deficiency by providing energy between the alternations of the mains. Following the article in Issue 29, many readers have asked if, in the "Monster" version, the mains supply was used only to charge the two large 40 A/h batteries. In fact, two modes of use are possible. The batteries can be used as the only power supply source, but take heed, the endurance hardly exceeds a few hours, lead-acid batteries are sensitive to deep discharges and their lifespan depends on this, so 12.2V is a lower limit that, above all, should not be exceeded. The second mode, which is the one that which we most usually employ, consists of using the batteries only as a buffer, with the mains charging the power supply permanently. Of course, in this solution, the power supply noise rises considerably, by 30 to 40 dB. However, in spite of this, the Monster remains an amplifier without rival, even if it loses in "luminosity" compared to its operation on batteries and without a mains supply. Whichever configuration is chosen, the construction of the amplifier does not pose any problems. For installation in the chassis, the reader can refer to Issue 15 of l‘Audiophile (unfortunately no longer available) in which the construction of the 20W Hiraga is described. It is advisable to follow the broad outline in the article that relates to the earth wiring in order to make the positive and the negative of the power supply perfectly symmetrical so that the filter ripple (as well as the rectifier switching peaks and transformer saturation non-linearities), which arrives in opposite phase on each positive and negative rail, is cancelled. It will be necessary to provide, even for configuration 1, a case with dimensions sufficient to accept configuration 2. The transfer from configuration 2 to configuration 3 is achieved by the addition of another box. Indeed, it would be a shame to deprive oneself of the almost unlimited upgrading capabilities of this amplifier. For the layout of the electronics, the construction is extremely simple, the two small printed circuits are fixed by means of the power transistors to the heatsink. It is very highly recommended a thermal compound be used. Two nylon spacers clipped to the heatsinks receive the card at the two corners opposite the power transistors. One should not lose sight of the fact that the 8W functions in class A. The quiescent current therefore has a prime importance. Its value should not be too low otherwise the amplifier will pass into class AB on strong signals, nor too high because it would impose too great a dissipation on the power transistors which, in addition to the fact of limiting their lifespan, can lead to thermal runaway. Indeed, the characteristics of the power transistors are related to the temperature of the junctions and beyond a certain threshold there is runaway, that is to say the more the temperature rises the more the current increases. The optimal value lies between 0.5 and 0.6A. To measure the quiescent current, it is sufficient to measure the voltage across the 1 ohm 5W resistors. The voltage must therefore be between 500mV and 600mV. After sorting the batches of transistors, 2SD844/2SB754 on the one hand and 2SB716/2SD756 on the other, one can be placed in non-optimal operating conditions from the point of view of quiescent current. The remedy is extremely simple. If the quiescent current is too high, it is enough to decrease the bias resistors of 2SB716 and 2SD756 transistors, whose initial value is 1 kohm. These resistors coming from the bases of the transistors determine their point of operation and consequently the collector current, on which depends the quiescent current. In general, it is enough to change from 1 kohm to 910 ohm for the quiescent current to take the correct value again.
The value of the supply voltages must be between 12V and 13.5V. If however the measured value exceeds this voltage, it is appropriate to very slightly increase the 4 ohm 20W filter resistor. A voltage value that is too high does not present a risk to the circuit if the value of the quiescent current does not exceed the limits for the current mentioned previously. However, in the ultimate version where 0.47 Farad Supercaps are used, the supply voltage should not exceed 13.5V under any circumstances. To finish, it is advisable to carry out the adjustment of the output offset voltage, that is to say the dc potential difference appearing between the positive and negative loudspeaker output terminals. It is advised that this adjustment is made twice. Before power is first applied, place the wiper of the 100 ohm trimmer at the mid point of its track, measure the voltage (without your preamplifier or your active filter connected) and adjust the wiper of the trimmer to cancel the dc voltage at the output (voltmeter range 100 or 200mV dc). Let the amplifier find its point of thermal operation, 20 to 30 mins, and perfect the adjustment. Constructed well, the 8W amplifier has an exemplary stability, the offset does not exceed a few tens of millivolts. In any event, there is no absolutely point in tearing one’s hair out trying to obtain an offset of 0mV! Realise that 100mV offset represents a power of 1.25mW! Finally, at the request of very many readers, we publish the detailed power supply diagram for the 8W "the Monster" configuration.
ARTICLE 4 Regulated PSU My "regulated monster" is currently running 0.5-0.6 Amps bias per Hiraga's recommendations in the article. I tested the power supply which you may recognize as the PCB for the John Linsley-Hood simple Class A amplifier 1996 version from Williams Hart Electronics. I have upgraded the supply with LM338K TO-3 case regulators in lieu of the original LM338T TO-220 regulators (see LM338 Voltage Regulator Calculator for more information). On the bench the supply measures very well in this configuration with below 160-200uV of ripple peak-to-peak under a 2A series load. Despite this low level of noise, I would like to try the battery supply for its huge current capability and as close to zero noise as possible.
A few more pictures of the original amplifier
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