HeadMos, le basi

Nota: in queste pagine con il nome Headmos si intende l'amplificatore AF-6.

Quando feci uscire il VHF-MOS, diversi mesi fa, le idee e i progetti che avevo nella testa si stavano accavallando in maniera quasi fastidiosa, tanto che a un certo punto sentii l'esigenza di chiudere alcuni argomenti aperti qui con una certa fretta, per dedicarmi in maniera specifica ad un progetto soltanto. In effetti in quel periodo c'erano in ballo il nuovo VHF-MOS, una sua versione a componenti SMD, un dac con sezione analogica hi-end, una rivisitazione del Lightning, e per l'appunto questo HeadMos, che finalmente riesce a vedere la luce.

Col senno di poi, devo dire che il fatto di dedicarmi interamente ad un progetto era solo una pia illusione, e quindi le cose sono andate a rilento, ma alla fine è stato sicuramente un bene. Nel corso dei mesi, infatti, sono state applicate diverse modifiche circuitali, tali da rendere l'amplificatore decisamente definitivo e sicuramente migliore di quello che era all'inizio. E partiamo proprio dall'inizio, facendo una piccola carrellata su quello che è successo in questi mesi.

Un prototipo allo sbaraglio
I primi vagiti del VHF-MOS si udirono ad agosto dello scorso anno (sembra passata un'eternità) e già l'ampli si faceva apprezzare per le sue grandi doti di musicalità. Parente stretto del VHF-N, da cui ereditava tutto il front-end, il VHF-MOS aveva sempre lo stadio finale in single-ended, ma con un mosfet invece che con il classico bjt di media potenza. Al posto del BD139 ora c'era un più esotico RFP12N10L, un mosfet di tipo enhancement della Fairchild, scoperto quasi per caso sbirciando nel catalogo Distrelec.

Altra novità del VHF-MOS erano i JFET all'ingresso, i 2N5460, sempre Fairchild. Successivamente, fu sostituito anche il dispositivo del VAS, optando anche in questo caso per un fet, un 2N7000, altro mosfet enhancement, pure questo Fairchild. Forse avrei dovuto chiamarlo FAIR-MOS, invece che VHF-MOS.

Dopo un paio di mesi, a ottobre, il mese fatidico del meeting di Roma, il VHF-MOS era già ben conosciuto nell'entourage cuffiofilo, ma se ne parlava soprattutto per una ortodinamica che gli veniva attaccata: la HE500 della Hifiman. L'accoppiata VHF-MOS / HE500 faceva faville, mentre pochi metri più in là era il Lightning con la HE-6 a mandare in confusione le orecchie di alcuni: non si capiva bene quale fosse la vera SR-009, nonostante il massiccio dispiegamento di cavi dal diametro planetario e di valvole dell'era paleozoica.

Ma naturalmente il Lightning non poteva riuscire a pilotare la HE-6, figuriamoci se poteva il VHF-MOS. In quei giorni ricordo bene la domanda più gettonata del momento: ma se la risposta già la sai, dicevo tra me e me, perchè diavolo me lo domandi?

Quando un mese prima portai il prototipo del VHF-MOS a Pescara, dove avrei potuto ascoltare la HE-6 con tutta calma, ero pronto a rassegnarmi alla dura realtà delle cose, ovvero all'impossibilità per un ampli come il VHF-MOS di pilotare in maniera decente la HE-6. E invece quel giorno si trasformò in una splendida rivelazione, un'esperienza mistica difficile da dimenticare, tanto più che il test coinvolse anche un altro ampli. Pensate intensamente a un noto marchio che inizia con la B.

Ho detto con la B, perchè avete pensato a un canguro?

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Sono emozionato...

prima parte che non fà altro che aumentare la curiosità di chi sta aspettando questo tuo nuovo progetto consapevole che sarà un' altro grande successo. 

Io invece vado subito al sodo:
A quando le PCB ? 

gfi ha scritto:Io invece vado subito al sodo:
A quando le PCB ? 

Come corri...   
Comunque, tra non molto farò fare una prima versione di test, e se è tutto ok, si parte.

Ti seguo  

Si ma perché HeadMos AF-6 ?
  

azzardo una ipotesi.
Alessandro Fiori -6 (come l'HE-6)

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La cosa sorprendente fu constatare come il VHF-MOS suonasse comunque bene fino al limite del clipping, segnalato dall'intervento della protezione. Non una sbavatura, non un accenno di distorsione, niente. Solo l'intervento del rele' nei picchi di segnale a livello molto elevato. Un non-tecnico ha difficoltà a comprendere il significato di un dettaglio apparentemente banale, ma chi mastica di elettronica sa benissimo che la classe di un amplificatore si vede anche da come tira le cuoia. Il prototipo che pensavo di aver portato allo sbaraglio, stava tenendo. E bene.

Il fatto è che la HE-6 poneva comunque un problema. Per quanto un amplificatore possa suonare bene, esso deve andare in clipping solo in condizioni di ascolto estreme, preferibilmente mai. Il che significa che la potenza massima erogabile deve essere sovrabbondante rispetto a quella effettivamente richiesta dal carico peggiore che si pensa sarà mai collegato. Sembra strano, ma il carico peggiore era proprio quello della cuffia migliore che avevo mai ascoltato. Ironia della sorte, fatalità, chiamatela come vi pare.

Bye bye single ended
Era chiaro ormai che quel fatidico giorno era stata decretata la fine di una tipologia alla quale ero rimasto legato fino a quel momento, quella dello stadio finale in single ended. Per chiarire il motivo, basta fare due conti: un finale in single ended (con qualunque dispositivo essa sia realizzato, valvole o transistor poco importa) può erogare sul carico non più della corrente di riposo impostata, oltre la quale entra in clipping, e solo su una semionda. Un finale a simmetria complementare (o push pull che dir si voglia) invece può erogare fino al doppio della corrente di riposo impostata, superato il quale non va nemmeno in clipping, ma passa in classe B, e solo quando proprio non ce la fa più getta la spugna, con la ciliegina sulla torta di farlo in maniera simmetrica.

Ecco i conti: il VHF-MOS lavora con una corrente di riposo di 0.13 A, che su un carico di 50 ohm sviluppano una potenza di 0.6 W RMS, superata la quale va inesorabilmente in clipping. Con la stessa corrente di riposo e uno stadio finale in push pull la potenza erogabile sullo stesso carico è di ben 2.4 W RMS. Potenza quadruplicata. Oltre la quale la prospettiva non è nemmeno quella di farsi buttare dalla nave, ma un più gentile invito a passare ad una classe inferiore.

Questi due vantaggi, quello del raddoppio della corrente erogabile e del differimento del clipping sine die (ovvero di allontanarlo fin dove si ritiene opportuno in base ai limiti di dissipazione accettati) erano troppo allettanti, e il prezzo da pagare tutto sommato piccolo: l'abbandono di una certezza, quella del singolo dispositivo di uscita, così cara ai puristi e così carica di fascino, legato al mondo delle valvole.

Il viaggio in nave era ormai organizzato.

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La resa dei conti
Dai conti fatti sopra si scoprono alcune cose interessanti. Diciamo che ci si possono togliere dei sassolini fastidiosi dalle scarpe. Innanzitutto, se è vero che il VHF-MOS, con i suoi 0.6 W RMS, riesce a pilotare a un volume abbastanza adeguato la HE-6, si possono fare alcune ipotesi: o il VHF-MOS è magico, oppure è la HE-6 a non avere bisogno di quella potenza così smodata di cui si parla.

Vediamo cosa dice il costruttore. Sul sito della Hifiman sulle specifiche della cuffia non troviamo nulla a riguardo della potenza massima  (che comunque sarebbe un dato poco significativo), mentre invece è indicata l'efficienza: 83.5 dB. Per avere un'idea più precisa, confrontiamo con l'efficienza della HE500, che è di 89 dB. Ci sono quindi circa 6 dB di differenza tra le due (5.5, per l'esattezza), ed è questo il vero dato significativo, perchè quello che ci serve è un raffronto, e sappiamo tutti che la HE500 è abbastanza facile da pilotare.

Dai dati dichiarati, la potenza necessaria per una HE-6 dovrebbe essere quindi poco meno che 4 volte quella necessaria ad una HE500. Quasi esattamente quello che ci garantisce il passaggio dal single ended a un push pull mantenendo la stessa corrente di riposo. Guarda caso, eh.

Si parla quindi di 2.4 W RMS che ci fanno stare tranquilli. Anche se poi sul sito della Hifiman si legge:

HE-6 requires a powerful headphone amplifier to drive it. Our EF6 headphone amplifier can serve 5 watt per channel at 50 Ohm.

Dal momento che quei 5 W non vengono specificati come RMS, è molto probabile che essi siano watt di picco oppure peggio ancora musicali. I watt musicali corrispondono alla metà dei watt RMS. Quindi torniamo dritti dritti a quel valore di circa 2.4 W RMS che si conferma essere la potenza necessaria per pilotare comodamente una HE-6.

I conti tornano.

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Le cuffie non sono lampadine
Ma anche se l'amplificatore della Hifiman fosse da 5 W RMS, questo non vorrebbe dire che la HE-6 ha bisogno di quella potenza. Quello che conta veramente è il dato di efficienza, come del resto succede nel mondo dei diffusori. Il dato di potenza massima ci da un'indicazione della massima potenza assorbita prima che il trasduttore si rompa.  

Da questo punto di vista, bene ha fatto la Hifiman a non pubblicare tale numero sul loro sito. Se avessero scritto che la potenza massima è di 10 W, parecchi cuffiofili avrebbero subito pensato alla potenza necessaria per l'amplificatore, mentre invece le due cose non sono affatto collegate.

Se scrivo che la mia cuffia può sopportare al massimo 10 W, non vuol dire che la devo collegare ad un amplificatore da 10 W. Anzi, è probabile che se faccio questo rischio di romperla, magari perchè sono sbadato con la manopola del volume.

Qualunque trasduttore è capace di gestire una potenza molto più alta di quella che effettivamente sarà mai utilizzata, che però non si deve mai raggiungere. E' un concetto esattamente contrario a quello a cui siamo abituati con le normali lampadine: una lampadina a incandescenza da 100 W, darà il doppio della luce di una da 50 W. Una cuffia che sopporta 10 W, può lavorare con 0.5 W e restituire una pressione sonora già adeguata.

Le cuffie non sono lampadine.

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Per aumentare la potenza massima del VHF-MOS sarebbe stato possible anche aumentare semplicemente la sua corrente di riposo. Attualmente l'intero stadio finale del VHF-MOS, entrambi i canali, dissipa circa 10.4 W, distribuiti tra i vari transistor finali. Tale potenza genera del calore che deve essere adeguatamente smaltito, pena la distruzione dei dispositivi. Se 10.4 W sembrano pochi, si ricordi che in un classe A la dissipazione è costante, e anche nei momenti in cui l'amplificatore non riproduce alcun programma musicale si genera calore, e quindi la temperatura tende a salire costantemente fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. La temperatura finale dipende da tanti fattori, ma in linea di massima è legata alla grandezza dei dissipatori e alla tipologia di questi ultimi. Nel caso del VHF-MOS i finali sono fissati al fondo di alluminio del cabinet, il quale raggiunge a regime una temperatura di circa 45°C.

Per arrivare ai fatidici 2.4 W RMS su 50 ohm servono circa 260 mA di picco, e questo sarebbe il nuovo valore di bias da impostare. Con tale corrente la dissipazione dei finali salirebbe in maniera consistente, arrivando a circa 21 W. Stiamo parlando quindi di dissipare 21 W in calore nella previsione di erogarne 4.8 - al massimo - sul carico (entrambi i canali).

Ma noi già sappiamo che, con una HE-6, una potenza di 0.5 W RMS è sufficiente per un volume di ascolto abbastanza alto (l'esperienza con il VHF-MOS insegna) e quindi in realtà l'efficienza dell'amplificatore all'atto pratico è molto più bassa di quello che i numeri possono far pensare. Un rapporto di 4.8 su 21 da circa il 23% di efficienza (che infatti corrisponde quasi a quello teorico di un single ended), ma in realtà l'efficienza reale è molto più bassa, perchè la maggior parte del tempo l'amplificatore erogherà pochissima potenza sul carico, corrispondente al contenuto energetico medio di un normale programma musicale ascoltato ad un volume non eccessivo. Ad essere buoni, considerando come potenza media erogata quella di 0.5 W, si ha un'efficienza di appena il 5%.

Se la dissipazione aumentasse a 21 W, allora la temperatura del cabinet supererebbe di gran lunga i 45°C, e questo comporterebbe un serio problema, sia per la longevità dei componenti, sia per la sgradevole sensazione causata dal contatto con un cabinet di metallo rovente. E' chiaro che si dovrebbe escogitare un diverso sistema di dissipazione - più efficiente - e usare dissipatori grandi e costosi, e non più il fondo del cabinet. L'intero progetto subirebbe una completa revisione, sia dal punto di vista meccanico che elettrico.

Un bagno di sangue, insomma. E tutto per raggiungere i fatidici 2.4 W RMS.

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Ma, parlando del mos, non si potrebbe raddoppiare il numero dei finali e/o raddoppiare (non quadruplicare) la potenza di quelli attuali (magari così l'incremento della dissipazione sarebbe più contenuto)?

Pgragnani2 ha scritto:Ma, parlando del mos, non si potrebbe raddoppiare il numero dei finali e/o raddoppiare (non quadruplicare) la potenza di quelli attuali (magari così l'incremento della dissipazione sarebbe più contenuto)?

Con il raddoppio dei dispositivi è vero che ciascun finale scalderebbe di meno, ma la dissipazione totale non cambierebbe, e quindi sempre 21 W sarebbero da gestire. Tra l'altro, i finali adottati ora sono talmente sovradimensionati (e costosi) che un loro raddoppio sarebbe davvero uno spreco.

Un altro svantaggio relativo al raddoppio è quello legato alle capacità dei gate dei due mosfet che si sommerebbero, con il conseguente raddoppio della capacità vista dal VAS. Un mosfet del tipo utilizzato nell'Headmos ha una capacità di input di circa 1000 pF, e tale capacità ha bisogno di corrente per caricarsi/scaricarsi. Se la corrente non è sufficiente, si incorre nella distorsione da slew rate, ovvero il finale non è sufficientemente veloce da seguire le variazioni del segnale audio ad alta frequenza. Nell'Headmos per evitare questo problema sono stati adottati degli accorgimenti di cui parleremo, ma è certo che l'eventuale raddoppio dei finali peggiorerebbe la situazione in quanto la capacità sarebbe doppia.

Un parallelo dei finali aumenterebbe anche il rischio di auto-oscillazioni. Per tutti questi motivi, l'ipotesi non è stata neanche presa in considerazione.

E' sempre un piacere leggere le tue disamine tecniche e capire i motivi che ti portano a scegliere determinate soluzioni Alex.
Hai tutta la mia stima e riconoscenza per il fatto di condividere con pazienza il tuo sapere :)

L.

RanocchiO ha scritto:E' sempre un piacere leggere le tue disamine tecniche e capire i motivi che ti portano a scegliere determinate soluzioni Alex.
Hai tutta la mia stima e riconoscenza per il fatto di condividere con pazienza il tuo sapere :)

L.

Grazie!   

Ho fatto una piccola correzione ai calcoli di ieri, anche se il succo non cambia.   

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Ma per fortuna questa era solo l'ipotesi di aumentare la corrente al VHF-MOS, cosa che mi sono guardato bene dal fare. Se avete letto con attenzione i due post precedenti, avete compreso i motivi per cui il VHF-MOS ha la potenza che ha, e non più alta. La potenza di uscita di un amplificatore (quando è reale e di buona qualità) non è come un rubinetto che possiamo aprire o chiudere a piacimento.

Un panorama esaltante
Prima di proseguire sulla strada che ci porta all'Headmos vorrei fare una sosta e farvi ammirare il panorama circostante. Fermatevi un attimo e fate un bel respiro. Ora guardatevi intorno. Cosa vedete tra i vari amplificatori per cuffia oggi in commercio, nella fascia di prezzo che va dai mille euro in su, che sia in grado di pilotare degnamente una HE-6? Sì ok, c'è quello della Hifiman. E poi?

Eppure abbiamo visto che in definitiva la potenza da dover gestire non sembra così alta, circa 2.4 W RMS su 50 ohm. Che sia proprio quel "su 50 ohm" il problema? E se fossero 300 ohm?

Bene, ora posate quel meraviglioso cavo in argento che avete appena comprato e prendete la calcolatrice, che tra l'altro è anche più utile.

Se la HE-6 fosse da 300 ohm (rimanendo l'efficienza invariata), la corrente necessaria per 2.4 W RMS sarebbe di 0.1 A di picco, il che porterebbe lo swing massimo sul carico a 30 V di picco. Il che significa che l'alimentatore andrebbe modificato per fornire quella tensione per ramo (in realtà dovrebbe essere un pochino più alta, ma ora non è importante).

Se la HE-6 fosse da 300 ohm, la dissipazione del VHF-MOS crollerebbe a 60 * 0.1 * 2 = 12 W, dove 60 è la tensione di alimentazione rail to rail necessaria. Quindi il VHF-MOS dissiperebbe in calore poco più di quanto non fa ora. E tutti vivrebbero felici e contenti.

Facciamo ora i conti prendendo il caso esattamente opposto, ovvero ipotizzando che la HE-6 sia da 8 ohm, l'impedenza tipica di un diffusore.

Se la HE-6 fosse da 8 ohm (rimanendo l'efficienza invariata), la corrente necessaria per 2.4 W RMS sarebbe di 0.65 A di picco, il che porterebbe lo swing massimo sul carico a 5.2 V di picco. Il che significa che l'alimentatore potrebbe essere modificato per fornire una tensione molto più bassa di quella attuale.

Se la HE-6 fosse da 8 ohm, la dissipazione del VHF-MOS sarebbe di 10.4 * 0.65 * 2 = 13.5 W, dove 10.4 è la tensione di alimentazione rail to rail necessaria. Quindi il VHF-MOS dissiperebbe in calore poco più di quanto non fa ora, anche in questo caso.

Abbiamo capito che il problema sono quei maledetti 50 ohm.
Avrei potuto semplicemente scrivere P = I²R, ma probabilmente sarebbe stato meno comprensibile.

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Avrete notato che nei due esempi precedenti ho volutamente variato la tensione di alimentazione adattandola al carico di impedenza diversa. Con il carico da 300 ohm la tensione si è dovuta alzare a 30 V per ramo, mentre con quello da 8 ohm è stato possibile diminuirla a 5.2 V. Questo è legato al fatto che mantenendo costante la potenza massima a 2.4 W RMS e cambiando l'impedenza del carico, lo swing in tensione necessario cambia a sua volta, e più è alta l'impedenza e più si alza lo swing.

L'esempio con il carico da 8 ohm è in realtà abbastanza irrealistico, anche se in commercio ci sono molti amplificatori per cuffia che sono progettati proprio con un criterio simile. E' irrealistico perchè innanzitutto non esiste una cuffia da 8 ohm, e poi perchè anche se esistesse, un amplificatore per cuffie hi-end dovrebbe essere in grado di pilotare qualsiasi cuffia sul mercato, di qualunque impedenza. Limitare lo swing a soli 5.2 V di picco è estremamente rischioso, terrebbe fuori dalla portata dell'amplificatore tutte le cuffie che hanno bisogno di uno swing superiore (tutte quelle ad alta impedenza e le ortodinamiche).

Eppure il Pathos Aurium, ad esempio, ha uno swing limitato a soli 8 V di picco, poco più alto di quello necessario per una cuffia da soli 8 ohm di impedenza. Per questo l'Aurium non può pilotare una HE-6, ed è già al limite con una T1 o una HD800. Fa riflettere il fatto che tale amplificatore sia un ibrido con uno stadio valvolare alimentato a 160 V. Fa riflettere pure il fatto che scaldi come una bistecchiera.  

Aumentare la tensione di alimentazione, mantenendo la stessa corrente di riposo e mantenendo la classe A di funzionamento, è una faccenda altamente delicata, e in ultima analisi, costosa. Perchè tutta la potenza che viene messa a disposizione del carico si trasforma tutta in calore. Potenza che potrebbe non essere mai sfruttata realmente, e quindi essere del tutto sprecata.

Il calore, oltre ad essere pericoloso, è anche costoso, perchè per dissiparlo serve una grande quantità di spazio, e servono enormi dissipatori. E allora per non trasformare un amplificatore per cuffie in una follia, bisogna mettere dei paletti ben precisi. L'arte di un bravo progettista sta tutta nello scegliere i limiti giusti, quelli che massimizzano la fruibilità del prodotto senza andare a discapito della qualità di riproduzione.

Nel prossimo post faremo i conti con uno stadio finale in push pull.

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Alex sei forte!

Ad ogni post la curiosità aumenta. 

Alex, il problema dei 50Ohm io non lo vedo..
Per erogare quei famosi 2,4W RMS su 50 Ohm si potrebbe aumentare la corrente di bias a 0.26A e per mantere "bassa" la dissipazione dei finali abbassare la tensione di alimentazione da +/-20 a +/-13V.
Di contro l'ampli non sarebbe più così performante con cuffie ad alta impedenza, ma questo è un altro discorso..
Comunque sono d'accordo con te che passare ad uno stadio in push pull porti innumerevoli vantaggi. :)

L.

edit:
ho visto ora il tuo ultimo post.. :)
Qua si vuole la botte piena e la moglie ubriaca, un ampli in grado di pilotare al meglio tutte le cuffie dai 16 ai 600Ohm e con un bel picco di potenza disponibile sui 50Ohm è davvero un progetto ambizioso..
Ancora tanti complimenti!

password ha scritto:Alex sei forte!

Grazie, Stefano!   

RanocchiO ha scritto:Alex, il problema dei 50Ohm io non lo vedo..
Per erogare quei famosi 2,4W RMS su 50 Ohm si potrebbe aumentare la corrente di bias a 0.26A e per mantere "bassa" la dissipazione dei finali abbassare la tensione di alimentazione da +/-20 a +/-13V.
Di contro l'ampli non sarebbe più così performante con cuffie ad alta impedenza, ma questo è un altro discorso..
Comunque sono d'accordo con te che passare ad uno stadio in push pull porti innumerevoli vantaggi. :)
L.

E' esattamente come scrivi.   

Il problema è proprio quello di cercare di rendere il più "universale" possibile l'amplificatore, e gli esempi fatti sono appunto per chiarire questo concetto. E ci siamo limitati solo allo stadio finale... pensa quando parleremo dello stadio di gain...