โครงงาน C-320 ตอน1
โดย Mr.K
วงจรเพาเวอร์แอมป์ NAD รุ่น C320 ซึ่งเป็นโปรเจคอีกตัวหนึ่งที่น่าสนใจที่ผมกำลังทำการศึกษาค้นคว้าอยู่
NAD C 320 เป็นอินทริเกรตแอมป์รุ่นเล็ก กำลังขับรวม 50+50W เท่านั้น โดยผมจะยกเฉพาะในส่วนวงจรเพาเวอร์แอมป์มาศึกษา สิ่งที่โดดเด่นในเพาเวอร์แอมป์รุ่นนี้คือการออกแบบวงจรภาคขยายเป็นแบบ Current Feedback ซึ่งในบ้านเราอาจจะรู้จักยังไม่มากนัก
รูปที่ 1 NAD C 320
ที่มารูปภาพ http://www.hifi.nl/recensies/1750/NAD-stereoset.html
อะไรคือ Current feedback ?
Current feedback คือวิธีการป้อนกลับด้วยกระแส ซึ่งแตกต่างจากรูปแบบการป้อนกลับด้วยแรงดันเหมือนในเพาเวอร์แอมป์ที่เราคุ้น เคยทั่วๆไป วงจรขยายเสียงแบบ Current feedback ออกแบบมาเพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของวงจรเพาเวอร์แอมป์ที่ป้อนกลับด้วยแรงดัน ซึ่งมีข้อด้อยคือเมื่อเราต้องการอัตราขยายหรือ Gain ของวงจรที่สูงขึ้นจะทำให้แบนด์วิธของวงจรลดลงทำให้กราฟตอบสนองความถี่ย่าน สูงไปไม่ไกลนัก แต่สำหรับวิธีป้อนกลับด้วยกระแสแบนด์วิธของวงจรจะกว้างกว่าแม้มีการเพิ่ม อัตราขยายที่สูงขึ้นแบนด์วิธก็ยังคงเพิ่มขึ้น ดังนันถ้าเรานำหลักการ Current feedback มาออกแบบเพาเวอร์แอมป์จะทำให้เพาเวอร์แอมป์ตอบสนองความถี่สูงได้ถึง 100kHz ขึ้นไปไม่ใช่เรื่องยากอีกต่อไป
ลิ้งด้านล่างเป็นข้อมูลเกี่ยวกับ Current feedback ลองศึกษาเพิ่มเติมดูครับ
http://www.andiha.no/articles/audio/dcamp.htm#4.Current
*บทความนี้ผมขออนุญาต ปรับปรุงแก้ไขข้อความและเนื้อหาเพื่อเพิ่มความสมบูรณ์นะครับ
ถ้ามีอะไรผิดพลาดประการใดผมยินดีรับชี้แนะ
รูปที่ 2 วงจรภาคเพาเวอร์แอมป์ NAD C 320
จากวงจรด้านบนเข้าสู่ขั้นตอนการ simulation ด้วยโปรแกรม orCAD วงจรออกมาดังรูป วงจรที่ใช้ในโปรแกรม orCAD อาจจะไม่ตรงกับอุปกรณ์จริงทั้งหมดเพราะติดปัญหาเรื่องไลบารี่ของอุปกรณ์แต่ สามารถหาอุปกรณ์เบอร์ที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงแทนไปก่อน เมื่อเวลาสร้างจริงจึงจะมาทำการปรับเปลี่ยนใหม่อีกที อย่างน้อยการ sim ก่อนก็ทำให้เรารู้ว่าวงจรทำงานได้แล้ว และยังได้แนวทางสำหรับการที่จะปรับปรุงแก้ไขข้อบกพร่องต่างๆของวงจรที่พบ ระหว่างการ sim ได้อีกด้วย จากวงจรรูปที่ 3 ผมได้เปิดแรงดันไว้ทุกจุดแล้วนะครับ
*จากการซิมมูเลชั่น ปรับค่า R13 ได้ค่า 136 โอห์มได้แรงดัน Output Offset เพียง 5.2mV ปรับค่ากระแสสงบด้วย R42 จนได้กระแสสงบประมาณ 30mA
รูปที่ 3 แรงดันตามจุดต่างๆของวงจร
รูปที่4 เปิดกระแสทุกจุดของวงจร
ผลการ sim แสดงในรูปที่ 5 ตอบสนองความถี่หน่วยเป็น dB และการตอบสนองทาง Phase โดยใช้สันญาณอินพุต 1Vp
วงจร นี้อัตราขยายประมาณ 25dB หน่อยๆ ซึ่งคำนวณได้จาก R23/R24 คือ 2.7K/150 = 18 เท่า เมื่อแทนในสูตร 20log(18) จะได้เท่ากับ 25.105dB พอดีๆ
รูปที่5 ผลการตอบสนองความถี่และผลการตอบสนองทางเฟส
จากรูปที่5 เส้นสีแดงเป็นการตอบสนองความถี่ถือว่าทำได้ดีเยี่ยม จากประสบการณ์การ sim วงจรป้อนกลับแบบแรงดันที่ผมเคยทดลองมาไม่มีวงจรไหนสามารถให้ผลการตอบสนอง ความถี่ได้ดีถึงขนาดนี้เลย ทำไมเราต้องออกแบบวงจรให้ตอบสนองความถี่ได้สูงเกินหูมนุษย์ได้ยิน หลายท่านอาจสงสัย เรื่องนี้คงต้องพึ่งคำตอบจากเซียนหูทองหรือนักเล่นเครื่องเสียงภายในบ้าน ครับ แต่สำหรับงาน PA บางครั้งเราจะตัดความถี่ส่วนเกินเหล่านี้ออกจากระบบด้วยซ้ำ แต่ในความคิดของผมการที่วงจรขยายสามารถขยายสัญญาณได้ความถี่สูงๆได้ดีนั้น เป็นการบอกถึงศักยภาพขั้นสูงของวงจรนั้นๆไม่ว่าจะเป็นค่าสรูเรท การทำงานที่รวดเร็วจึงทำให้ผลของการเลื่อนเฟสที่ความถี่สูงๆมีน้อยกว่าซึ่ง ผลตามมาคือการขยายสัญญาณได้อย่างไม่ผิดเพี้ยนตลอดย่าน 20-20kHz และถ่ายทอดรายละเอียดดนตรีได้ครบถ้วน
การตอบสนองทางเฟสแต่ละความถี่ แสดงเป็นเส้นสีเขียวซึ่งก็ทำได้ดีมากเช่นกัน ที่ความถี่ต่ำๆเฟสจะมีการนำหน้าเล็กน้อย แต่โดยรวมแล้วในย่าน 20-20kHz เฟสของสัญญาณมีการเลื่อนที่น้อยมาก จากผลการตอบสนองทางเฟสเมื่อนำมาวิเคาราะห์ทำให้รู้ว่า โดยปกติของวงจรขยายสัญญาณทุกชนิดหากเฟสของสัญญาณ ณ. ความถี่ใดมีกาเลื่อนเฟสครบ 360 องศา และ Gain มีค่า>1เท่า จะเกิดการออสซิลเลทที่ความถี่นั้น ดังนันจากกราฟนี้ที่ความถี่สูงๆ Gain ลดลงมากแล้วแต่การเลื่อนเฟสยังไม่ถึง 200 องศานั่นหมายถึงโอกาสที่จะเกิดออสซิลเลทในวงจรนี้เป็นไปได้น้อยหรือไม่มีเลยครับ
รูปที่6 สัญญาณเมื่อเกิดการขยายสูงสุด
มาดูรูปสัญญาณที่เกิดการขยายสูงสุดที่โหลด 8 โอห์มกันบ้างจากรูปที่6 ที่ความถี่ 1kHz ได้แรงดันสูงถึง 42Vp กินแรงดันอินพุตไป 2.4Vp หรือ ประมาณ 1.7Vrms ลองมาคำนวณเป็นกำลังเอาต์พุตกัน
จากสูตร
P(rms) = Vrms ^2/R
Vrms = Vp/1.414
= 42/1.414
Vrms = 29.7
P(rms) = 29.7^2/8
= 110.2 Wrms
นับ ว่ากำลังเอาต์พุตสูงไม่เบา แต่อย่าลืมว่าการ sim เราใช้แรงดันไฟเลี้ยงวงจรเป็นแบบอุดมคติเมื่อนำวงจรภาคจ่ายไฟจริงมาใช้กำลัง เอาต์พุตจะไม่ได้เยอะขนาดนี้ครับ
ซึ่งNAD C320 ระบุกำลังเอาต์พุตที่ 8โอห์ม ขณะ Clip ไว้เพียง 68W เท่านั้น
รูปที่ 7 สเป็กตรัมความเพี้ยนฮาร์โมนิกของสัญญาณไซน์ความถี่ 1kHz ที่กำลังเอาต์พุต 1 วัตต์
จากรูปที่7ใช้สัญญาณ sine wave 1kHz จ่ายสัญญาณอินพุตให้กำลังเอาต์พุตออกเป็น 1W at 8 Ohm
ผล ออกมาดังรูปเป็นสเป็กตรัมความถี่ 1kHz ของสัญญาณที่ผ่านการขยายจากวงจรนี้ตั้งใจใจใช้กราฟนี้เพื่อหาค่าความเพี้ยน รวม (THD) จากกราฟในช่วงความถี่ต่ำๆที่มีสเป็กตรัมสัญญาณค่อนข้างสูงน่าจะ เกิดจาก Noise พื้นฐานของวงจร ส่วนความเพี้ยนที่สังเกตเห็นจะเป็นช่วงฮาโมนิกที่เกิดขึ้นหลังจากสัญญาณ 1kHz จากการทดลองได้เปลี่ยนค่ากระแสสงบให้น้อยลง จะได้ฮาร์โมนิกคี่ คือ 3kHz , 5kHz ,7kHz ...เป็นต้นไป ซึ่งเป็นฮาร์โมนิคของความเพี้ยนที่ปรากฎให้เห็นได้อย่างชัดเจน
จากข้อมูลเป็น Output file การแสดงการหาความเพี้ยน THD ด้วยโปรแกรม Pspice โดยวิเคราะห์จากฮาโมนิคทั้งหมด 20 ลำดับ
เมื่อตั้งกระแสสงบไว้ที่ประมาณ 30mA
HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED
NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)
1 1.000E+03 2.930E+00 1.000E+00 -6.462E-02 0.000E+00
2 2.000E+03 3.203E-05 1.093E-05 6.390E+00 6.519E+00
3 3.000E+03 4.874E-05 1.663E-05 1.547E+02 1.549E+02
4 4.000E+03 4.343E-05 1.482E-05 -9.326E+01 -9.300E+01
5 5.000E+03 3.854E-05 1.315E-05 4.946E+01 4.979E+01
6 6.000E+03 4.252E-05 1.451E-05 -1.705E+02 -1.701E+02
7 7.000E+03 3.427E-05 1.169E-05 -3.535E+01 -3.490E+01
8 8.000E+03 3.375E-05 1.152E-05 1.146E+02 1.151E+02
9 9.000E+03 3.273E-05 1.117E-05 -1.227E+02 -1.221E+02
10 1.000E+04 3.136E-05 1.070E-05 2.162E+01 2.227E+01
11 1.100E+04 2.938E-05 1.003E-05 1.521E+02 1.528E+02
12 1.200E+04 2.523E-05 8.608E-06 -8.357E+01 -8.280E+01
13 1.300E+04 2.071E-05 7.067E-06 5.885E+01 5.969E+01
14 1.400E+04 1.964E-05 6.701E-06 -1.659E+02 -1.650E+02
15 1.500E+04 1.605E-05 5.479E-06 -4.179E+01 -4.082E+01
16 1.600E+04 1.391E-05 4.747E-06 1.057E+02 1.067E+02
17 1.700E+04 1.285E-05 4.385E-06 -1.265E+02 -1.254E+02
18 1.800E+04 9.564E-06 3.264E-06 -8.623E+00 -7.460E+00
19 1.900E+04 1.187E-05 4.051E-06 1.322E+02 1.335E+02
20 2.000E+04 1.027E-05 3.505E-06 -1.125E+02 -1.112E+02
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 4.345711E-03 PERCENT THD= 0.0043457%
รูปที่ 8 สเป็กตรัมความเพี้ยนฮาร์โมนิกของสัญญาณไซน์ความถี่ 1kHz ที่กำลังเอาต์พุต 1 วัตต์ เมื่อตั้งค่ากระแสสงบน้อยลง
จากรูปที่8 เมื่อตั้งกระแสสงบให้มีค่าต่ำลงความเพี้ยนจะปรากฎให้เห็นได้อย่างชัดเจน
HARMONIC FREQUENCY FOURIER NORMALIZED PHASE NORMALIZED
NO (HZ) COMPONENT COMPONENT (DEG) PHASE (DEG)
1 1.000E+03 2.930E+00 1.000E+00 -6.710E-02 0.000E+00
2 2.000E+03 5.354E-05 1.827E-05 -1.747E+02 -1.746E+02
3 3.000E+03 1.254E-04 4.280E-05 -1.233E+02 -1.231E+02
4 4.000E+03 4.720E-05 1.611E-05 -1.031E+02 -1.028E+02
5 5.000E+03 1.126E-04 3.843E-05 -1.282E+02 -1.279E+02
6 6.000E+03 3.769E-05 1.286E-05 -3.043E+01 -3.002E+01
7 7.000E+03 1.578E-04 5.387E-05 -1.178E+02 -1.173E+02
8 8.000E+03 2.654E-05 9.058E-06 6.206E+01 6.259E+01
9 9.000E+03 1.532E-04 5.227E-05 -9.593E+01 -9.533E+01
10 1.000E+04 2.388E-05 8.151E-06 1.580E+02 1.586E+02
11 1.100E+04 1.182E-04 4.032E-05 -8.749E+01 -8.675E+01
12 1.200E+04 2.808E-05 9.583E-06 -1.214E+02 -1.206E+02
13 1.300E+04 1.012E-04 3.453E-05 -9.709E+01 -9.622E+01
14 1.400E+04 3.105E-05 1.060E-05 -6.045E+01 -5.951E+01
15 1.500E+04 1.219E-04 4.159E-05 -1.060E+02 -1.050E+02
16 1.600E+04 2.301E-05 7.853E-06 5.893E+00 6.967E+00
17 1.700E+04 1.366E-04 4.663E-05 -9.712E+01 -9.598E+01
18 1.800E+04 6.486E-06 2.213E-06 5.478E+01 5.599E+01
19 1.900E+04 1.334E-04 4.552E-05 -9.029E+01 -8.902E+01
20 2.000E+04 7.589E-06 2.590E-06 -1.318E+02 -1.305E+02
TOTAL HARMONIC DISTORTION = 1.375570E-02 PERCENT THD= 0.013756%
จากที่ได้วิเคราะห์วงจรกันไปแล้ว นับว่าเป็นวงจรที่น่าสนใจไม่น้อย ครั้งหน้าเราจะเริ่มลงมือออกแบบ PCB และลุยในภาคปฏิบัติกันครับ
*บทความนี้เผยแพร่ที่
www.diyaudiovillage.net เมื่อกรกฎาคม 15, 2011
www.un-sound.com เมื่อ กรกฎาคม 18, 2011 และนำมาเรียบเรียงใหม่โดยเจ้าของบทความเอง