Differential Current Balance

[KenRas]

”Differential Current Balance” er et begreb man taler om i forbindelse med at optimere indgangs-forstærker-trinnet i en effektforstærker, der anvender den topologi der kom frem i begyndelsen af 1970’erne og som blev den fremherskende måde at designe indgangstrinnet i en effektforstærker fra midt 70’erne.

De typiske karakteristika for de tidlige transistorforstærkere var følgende:

1. Single Power Supply, altså ikke den typiske +/-forsyning.
2. Quasi-komplementært udgangstrin
3. Elektrolytkondensator i udgangen
4. Indgangstrin opbygget omkring en enkelt transistor.

Denne topologi fandt man i fx Marantz 1030 og 1060, i Sansui AU-555A og mange andre fra samme tidsperiode. Alle i øvrigt rigtig vellydende små forstærkere.

Her er vist et eksempel fra Sansui AU-555A:

AU-555A effekttrin.PNG

Den ”nye” topologi tog udgangspunkt i et design fra Crown fra slut 60’erne, der opbyggede indgangen omkring en operations-forstærker (Op-Amp). De fleste der senere i 70'erne brugte denne ide, valgte dog at udelade op-amp’en og bare bruge det differential forstærker koncept, der sad i indgangen af den. Med denne tilgang fik effektforstærkeren nu Dual Power Supply, udgangslytten forsvandt, udgangen blev komplementær og indgangstrinnet blev som sagt opbygget omkring en differential forstærker.

Her er vist et eksempel fra en Pioneer SX-434:

Pioneer SX-434 effekttrin.PNG

I SX-434 sker spændingsforstærkning i Q10-Q12-Q14 og strømforstærkning i Q16-Q18-Q20-Q22.

Ved kraftigere forstærkere som fx Sansui AU-9500 bliver opbygningen også lidt mere kompleks, selvom princippet grundlæggende er det samme som i SX-434.

I AU-9500 herunder sker den tilsvarende forstærkning i TR801-TR803-TR805-TR807 (spænding) samt TR813-TR815-TR817-TR819-TR823-TR825-TR827-TR829 (strøm)

AU-9500 effekttrin.PNG

Nå men selve emnet ”Differential Current Balance” handler om at betingelsen for at få den ønskede opløsning af detaljer i mellemtone og diskantområdet, så skal strømmen i TR801 og TR803 matches indenfor 1%. Det som har betydning her, er hvor godt er de to transistorer matchet med hensyn til HFE, samt hvor godt emitter modstandene R813 og R815 er matchede.

Som jeg har læst det, kan man godt opleve op til 10% forskel i strømmen, grundet komponent tolerancer. Og det påvirker efter sigende opløsningen af lydbilledet.

Man kan finde en del info om emnet på Audiokarma og på QRXrestore. Henvisninger kommer sidst i indlægget.
Det er dog svært at finde en egentlig procedure for at lave denne matching og det er min opfattelse det er en kombination af målinger, beregninger og ”trial and error” som de siger derovre…

Det meste af det man kan finde på nettet omkring emnet handler om Sansui forstærkere, men der er ingen grund til dette ikke også kan udføres på andre fabrikater, så længe de anvender samme topologi.

Interessant er det at da Sansui’s ingeniører designede model ”Eight”, så blev der faktisk lavet justerings mulighed for netop dette. Da jeg renoverede min egen ”Eight” fattede jeg ikke en dyt af denne procedure, så jeg fokuserede mest på DC balancen på udgangen. Jeg har senere fundet ud af at andre heller ikke kan forstå den oprindelige procedure i manualen og at der i dag findes en velbeskrevet og forståelig procedure for denne justering. Jeg skal vist have min ”Eight” på bordet igen.

Sansui 8 diff amp2.png

Her kommer lidt henvisninger til interessante artikler/posts på nettet omkring dette emne:

En god beskrivelse af Differential Current Balance, set i et historisk perspektiv:
https://www.qrxrestore.com/differential ... t-balance/

En tråd på Audiokarma af brugeren ”Trnsfmr” omkring emnet:
https://audiokarma.org/forums/index.php ... is.218970/

En gennemgang og en ”slags” procedure (Mod#3) for at justere/balancere strømmen, af brugeren ”stereofun” fra Arizona som også har huseret på dette forum:
https://audiokarma.org/forums/index.php ... ds.664165/
Han kommer også ind på emnet i denne tråd:
viewtopic.php?f=556&t=6461&p=65568#p65568

Ny justerings procedure for Sansui "Eight":
https://audiokarma.org/forums/index.php ... ts.707373/

Jeg valgte at lave denne separate tråd om emnet, i stedet for at begrave det i tråden omkring min AU-9500 renovering. Det gør det nemmere at finde frem til emnet senere.

I de næste indlæg vil jeg skrive lidt om mit forsøg med at justere dette i min AU-9500. Senere tager jeg nok også et kig på min AU-999 med hensyn til dette.

Byd gerne ind med kommentarer omkring emnet.

Mvh Kenneth

[KenRas]

Som tidligere nævnt, så gælder det om at balancere strømmen i de to transistorer, der udgør indgangstrinnet.

Som det første er de 2 transistorer skiftet til et sæt HFE matchede KSA992.
Det næste skridt er at måle omkring de to 100 Ohms modstande der sidder på emitterne.

AU-9500 effekttrin zoom.PNG

Proceduren er som følger:

1. Mål spændingen over de to 100 Ohms modstande.
Venstre kanal: R813 = 82,3 mV og R815 = 80,6 mV
Højre kanal: R813 = 83,3 mV og R815 = 82,3 mV

2. Mål modstanden i de to modstande. Dette skal gøres med et multimeter der kan måle "4 wire Ohm". Mere om dette senere.

Venstre kanal: R813 = 100,56 Ohm og R815 = 98,63 Ohm
Højre kanal: R813 = 100,56 Ohm og R815 = 100,75 Ohm

3. Beregn strømmen i modstandene:

Venstre kanal: R813: 82.3 mV / 100,56 Ohm = 818,4 uA og R815: 80,6 mV / 98,63 Ohm = 817,2 uA
Højre kanal: R813: 83,3 mV / 101,03 Ohm = 824,5 uA og R815: 82,3 mV / 100,75 Ohm = 816,9 uA

For venstre kanal giver det en forskel i strømmen på kun 0,147% og for højre kanal en forskel på 0,934%

Selv om strøm forskellen i begge kanaler er indenfor den ønskede 1% forskel, vil jeg alligevel prøve at komme lidt tættere på med højre kanal. Jeg vælger at beholde R813's værdi og så beregne hvad værdien af R815 skal være for at matche strømmen lidt bedre.

Beregning af ny R815: Her bruger jeg spændingen over R813 og strømmen igennem R813. Det giver:

Ny R815 = 82,3 mV / 824,5 uA = 99,82 Ohm.


Udmåling af 100 Ohms modstande:

Som nævnt ovenfor skal dette gøres med et multimeter der kan måle 4 wire Ohm. Jeg har en ældre HP3456A, som tilbage i 1980'erne var Hewlett-Packard's topmodel indenfor digitale multimetre. Dertil har jeg et ledningssæt til 4 wire Ohm målinger. En 100 Ohms modstand kan måles med en opløsning på 1 milliOhm.

IMG_2165.JPG

IMG_E2157M.jpg

Og så er det bare med at komme i gang med at måle de 100 Ohms modstande man har på lager. Se viste eksempel:

IMG_E2159.JPG

Den valgte modstand blev ikke en af de viste på billedet, da de kun er 1/8 Watt typer og den skal være 1/4 Watt. Det tætteste jeg kunne finde var en på 99,92 Ohm.

Problemet med at bruge en 2 wire ohm måling som vi kender det fra vores håndholdte multimeter, er dels dens opløsning og nøjagtighed, og dels at ledningerne ALTID måles i serie med modstanden.

Derefter var jeg igennem proceduren igen for at kontrollere resultatet. Da en sådan ændring af R815 også påvirker strømmen i den anden side (R813), så ramte jeg ikke helt plet. Nu kunne jeg så fortsætte med Trial & Error, men jeg vil helst ikke lodde printet i stykker, så jeg stopper her.

Men jeg kom ned på 0,6% i forskel mellem strømmen i R813 og R815, hvilket er OK

Det kan være jeg gentager eksperimentet i AU-999, når den kommer på bordet for at få lavet det sidste.

Mvh Kenneth

[JGreen]

Kenneth
Nu når det er så vigtig at der løber samme strøm i de to, og det er modstande i R813/R815 der er så afgøre,
hvorfor ikke undværer dem??
Men de sider der måske for og tage forskellen i TR801 og TR803 ?
Hvad skete der ved og luse R813 og R815 og så gøre R811 50 ohm stører.
Ander forstærker sider der en trimmer der til og juster DC på udgangen.

[Helikon]

Kenneth
Nu når det er så vigtig at der løber samme strøm i de to, og det er modstande i R813/R815 der er så afgøre,
hvorfor ikke undværer dem??
Men de sider der måske for og tage forskellen i TR801 og TR803 ?
Hvad skete der ved og luse R813 og R815 og så gøre R811 50 ohm stører.
Ander forstærker sider der en trimmer der til og juster DC på udgangen.

Et par ideer mere
Man kunne jo også konstruere et strømspejl og indsætte i stedet for modstandene, hvor man så er sikker på strømmen der løber er helt ens i hver af transistorene 801 og 803 Den holder selvfølgelig ikke originaliteten ved det længere.

Lod et par stykker monteringstråd i hullerne til modstandene og brug dem til at lodde på til den rigtige værdi er fundet, det skåner printet og øerne.

[KenRas]

Kenneth
Nu når det er så vigtig at der løber samme strøm i de to, og det er modstande i R813/R815 der er så afgøre,
hvorfor ikke undværer dem??
Men de sider der måske for og tage forskellen i TR801 og TR803 ?
Hvad skete der ved og luse R813 og R815 og så gøre R811 50 ohm stører.
Ander forstærker sider der en trimmer der til og juster DC på udgangen.

Et par ideer mere
Man kunne jo også konstruere et strømspejl og indsætte i stedet for modstandene, hvor man så er sikker på strømmen der løber er helt ens i hver af transistorne 801 og 803 Den holder selvfølgelig ikke originaliteten ved det længere.

Lod et par stykker monteringstråd i hullerne til modstandene og brug dem til at lodde på til den rigtige værdi er fundet, det skåner printet og øerne.

Jeg ved ikke hvad grunden er til at bruge disse små emitter modstande, måske lidt samme filosofi som når man bruger små modstande på 0,33 eller o,47 ohm i emitterne på effekttrinnet. At udligne evt. forskelle i transistornes hfe og/eller deres B-E spænding. Men at bruge disse små (her 100 Ohms) modstande stiller krav til at både modstande og transistorer er matchede bedst muligt.

Og ja, mange fabrikater brugte lidt senere hen et strømspejl som collector modstande, evt kombineret med konstant-strøms generator som fælles emitter modstand. Her er et eksempel på dette:

IMG_4948.PNG

I slut 70'erne / start 80'erne blev dette koncept meget almindeligt, især da jagten på lavere THD og intermodulation kom i fokus. Her nåede man typisk en 10 fold forbedring at disse produkter, men samtidig betød det også at lyd signaturen blev mere... skal vi kalde det kold og analytisk.

Dette "Differential Current Balance" koncept forsøger at forbedre opløsningen i lydbilledet, UDEN at miste den varme lyd som kendetegner de tidlige 70'er forstærkere.

Mvh Kenneth