Статия за създаването на усилвател, чиито схеми и дизайн използват нетрадиционни технически решения. Проектът е с нестопанска цел.

Започнах да се интересувам от аудио техника и да слушам музика много отдавна, от края на 80-те и дълго време бях твърдо убеден, че всяко PA с етикет Sony, Technics, Revox и т.н. много по-добри от домашните усилватели и дори по-добри от домашните усилватели, тъй като западните марки имат технологията, най-висококачествените части и опит.

Всичко се промени след статията на A.M. Лихницки в списание Audiomagazin № 4 (9) 1996 г., в което се говори за разработването и въвеждането в производство през 70-те години на усилвателя Brig-001, чийто автор е той. Случайно, след кратък период от време, дефектният Brig-001 от първите издания падна в ръцете ми. Използвайки само оригинални домашни части от 70-те - 80-те години, доведох този PA до първоначалното му състояние, така че неговите звукови възможности да могат да бъдат оценени възможно най-надеждно.

Свързването на усилвателя Brig-001 вместо домашната аудио система Technics SU-A700 ме шокира - Brig звучеше много по-добре, въпреки че параметрите бяха по-скромни и беше с 20 години по-стар. Точно в този момент възникна идеята да се направи усилвател със собствените си ръце, способни да заменят стандартната в аудио системата, която беше направена през 1998 г., главно на вътрешната елементна база на военно приемане. Новото устройство не остави шанс за сравнително слушане на по-известните усилватели, като моделите от среден клас NAD и Rotel, и беше доста убедително дори в сравнение с по-големите си братя. Проектът получи развитие през 2000 г. под формата на двублокова ПА по същата схема, но с нов дизайн и повишена енергийна интензивност на захранването. Той вече е сравняван с транзисторни и лампови усилватели в ценова категория до няколко хиляди щатски долара и в много случаи ги надмина по качество на звука. Тогава разбрах още нещо - дизайнът на усилвателя решава почти всичко.

Анализирайки резултатите от сесиите за слушане, особено с участието на онези усилватели, които звучаха по-добре от моите двублокови PA, стигнах до извода, че по-често или добрите конструкции на тръбите, или транзисторните без цялостно OOS се оказват по-добри . Сред тях бяха и PA с дълбоки OOOS, спецификациите на които често се отличаваха с много високи стойности на скоростта на изходно напрежение - 200 V/µs и по-високи. По правило тези устройства бяха скъпи и схемите им не бяха публично достъпни. Моят терминал също имаше доста дълбок OOOS, но ниска производителност в сравнение с тях - около 50 V/µs, при сравнимо изходно напрежение. Понякога му липсваше способността да предаде напълно естествеността на тембрите на музикалните инструменти и гласовете на изпълнителите, както и емоциите на музикантите. В някои композиции представянето на музиката беше опростено, част от тембралното богатство беше скрито зад някакъв тънък сив воал. Това вероятно е това, което се нарича "транзисторен звук", присъщ на PA с обратна връзка.

Причините за „транзисторния“ звук в PA с OOOS са многократно обсъждани във форуми, в книги за проектиране на схеми и в публикации в списания, свързани с тази тема. Една от известните версии, към която се придържам е, че ниският изходен импеданс на усилвателите, обхванат от общата обратна връзка, измерен на синусоидален сигнал и активен товар, изобщо не остава такъв при възпроизвеждане на музика на високоговорители, което позволява на обратните EMF сигнали от динамичните глави да проникнат от изхода на усилвателя през веригите за обратна връзка към неговия вход. Тези сигнали не се изваждат от OOOS, тъй като те вече се различават по форма и имат фазово изместване спрямо оригиналните, така че те се усилват успешно и отново влизат в системите на високоговорителите, причинявайки допълнително изкривяване и външни звуци в аудио пътя. Периодично се обсъждат методите за борба с този ефект. Примерите включват следното:

1. „Фалшив” ОООС канал, когато неговият сигнал се взема от един от паралелно свързаните елементи на крайното стъпало, който не е свързан към високоговорителите, а е зареден на резистор с определена стойност.

2. Намаляване на изходното съпротивление на PA още преди достигане на OOOS.

3. Увеличаване на скоростта вътре в цикъла OOOS до „космически“ скорости.

Естествено, най-ефективният начин за справяне с артефактите на OOOS е да го изключа от схемата на PA, но моите опити да изградя нещо полезно без OOOS на транзистори не бяха увенчани с успех. Смятах, че вече не е практично за мен да започвам от нулата в областта на ламповите аудио технологии. Методът от точка "1" повдигна много въпроси, така че започнах експерименти с увеличаване на скоростта вътре в обратната връзка, като взех предвид точка "2". Бих искал незабавно да обърна внимание на факта, че скоростта на нарастване на изходното напрежение, достатъчна, за да може усилвателят правилно да възпроизведе атаката на звука на музикални инструменти, е сравнително малка стойност и нейните свръхвисоки стойности са приложими само във връзка с работата на OOS.

Ясно е, че в усилвателите с обща верига за обратна връзка не всички проблеми се решават чрез увеличаване на скоростта на завъртане, но основната идея беше следната, при равни други параметри: колкото по-висока е скоростта в обратната връзка, толкова по-бързо е „опашките“ на сигналите, които не са компенсирани от обратната връзка, ще изчезнат и какъв трябва да бъде някакъв праг за тяхната забележимост от ухото, като се вземе предвид намаляването на продължителността на артефактите с увеличаване на производителността. Движейки се в тази посока, много бързо се сблъсках с проблема да се доближа поне до лентата от 100 V / μs в PA с помощта на дискретни елементи - ако имаше каскади на мощни транзистори във веригата, всичко се оказа много по-трудно. В усилвателите с обратна връзка по напрежение високата производителност по никакъв начин не корелира със стабилността, а в PA с TOS (с обратна връзка по ток) не беше възможно, без да се използва интегратор, да се получи приемливо ниво на постоянно напрежение на изхода , въпреки че всичко беше наред със скоростта и проблемите със стабилността бяха решени. Според мен интеграторът не променя звука към по-добро, така че наистина исках да се справя без него.

Ситуацията беше практически задънена улица и не за първи път се появиха мисли, че ако създадете усилвател на мощност с обратна връзка по напрежение, след това използвайки топологията на предусилвател или телефонен усилвател, би било много по-лесно да го направите високо -скоростен, широколентов, стабилен и без интегратор, което според мен трябва да се отрази положително на качеството на звука. Оставаше само да измислим как да го приложим. В продължение на почти 10 години нямаше решение, но през това време бяха проведени домашни изследвания за изследване на влиянието на скоростта на нарастване на изходното напрежение в общата верига за обратна връзка върху качеството на звука, за което беше създаден прототип, който позволи тестване на различни композитни усилватели, използващи операционни усилватели.

Резултатите от моето „изследване“ бяха следните:

1. Скоростта и честотната лента на един композитен усилвател трябва да се увеличават от вход към изход.

2. Корекцията е само еднополюсна. Няма кондензатори в OOS вериги.

3. За усилвател с максимално изходно напрежение от 8,5 V RMS, с дълбочина на OOOS от около 60 dB, забележимо увеличение на качеството на звука се появява някъде в диапазона от 40-50 V/μs, а след това по-близо до 200 V/ μs, когато усилвателят практически престава да бъде „чуваем“ OOOS.

4. Над 200 V/μs не се наблюдава забележимо подобрение, но за PA с изходно напрежение 20 V RMS, например, вече са необходими 500 V/μs, за да се постигне същия резултат.

5. Входните и изходните филтри, които ограничават PA лентата, не звучат най-добре, дори ако честотата на срязване е значително по-висока от горната граница на аудио диапазона.

След неуспешни експерименти с PA, базирани на дискретни елементи, погледът ми се насочи към високоскоростни операционни усилватели и интегрирани буфери, които имат най-висок изходен ток. Резултатите от търсенето бяха разочароващи - всички устройства с висок изходен ток са безнадеждно „бавни“, докато високоскоростните устройства имат ниско допустимо захранващо напрежение и не много висок изходен ток.

През 2008 г. случайно в интернет беше намерено допълнение към спецификацията за интегрирания буфер BUF634T, където самите разработчици представиха схема на композитен усилвател с три такива изходни буфера, свързани паралелно (фиг. 1) - тогава беше че дойде идеята да се проектира PA с голям брой такива буфери в изходния етап.

BUF634T е широколентов (до 180 MHz), ултра-бърз (2000 V/µs) паралелен повторител буфер с 250 mA изходен ток и до 20 mA ток на покой. Единственият му недостатък, може да се каже, е ниското захранващо напрежение (+\- 15 V номинално и +\- 18 V – максимално допустимо), което налага известни ограничения върху амплитудата на изходното напрежение.

Най-накрая се спрях на BUF634T, след като се примирих с ниското изходно напрежение, тъй като бях напълно доволен от всички други характеристики на буфера и неговите звукови свойства, и започнах да проектирам PA с максимална изходна мощност от 20 W/4 Ом.

Фиг.1

Изборът на броя на елементите на изходното стъпало се свежда до получаване на PA, работещ в чист клас А при натоварване от 8 ома и осигуряване на токовите режими на елементите на изходния етап далеч от пределните. Необходимото количество е определено на 40+1. За допълнителния 41-ви буфер е зададен минималният ток на покой - само 1,5 mA, и е предназначен да се използва за извършване на първото пускане на дизайна още преди инсталирането на радиаторите, както и за целите на извършване на някои корекции и експерименти в по-удобни условия. По-късно се оказа, че това е много добра идея.

Както е известно, паралелното свързване на интегрални схеми не води до увеличаване на общото ниво на шум и Kg, но входният импеданс на такъв модул намалява и неговият входен капацитет се увеличава. Първият не е критичен: входният импеданс на BUF634T е 8 MOhm и съответно сумата няма да бъде по-ниска от 195 kOhm, което е повече от приемливо. С входния капацитет ситуацията не е толкова розова: 8 pF на буфер дава 328 pF от общия входен капацитет, което вече е забележима стойност и ще се отрази негативно на работата на swing op-amp (фиг. 1). За глобално намаляване на изходния импеданс на драйвера на крайния етап, друг операционен усилвател беше въведен пред него, покрит от собствена OOS верига. Така веригата се превърна в троен композитен усилвател, но в който бяха изпълнени всички точки от резултатите от моята „изследователска работа“. След множество експерименти беше определен съставът на композитния усилвател: AD843 зае мястото на входния операционен усилвател, а мощният високоскоростен операционен усилвател AD811, с обратна връзка по ток, беше призован да служи като изходен буфер на водач етап. За да се гарантира необходимата производителност на PA (над 200 V/μs), усилването на AD811 беше избрано равно на две, което в идеалния случай удвои наличните 250 V/μs на AD843 и ни позволи да се надяваме, че с подходящата схема и успешен дизайн би било възможно да се поддържа необходимата стойност на изходното напрежение на скоростта на нарастване за цялата PA верига. Гледайки напред, отбелязвам, че очакванията бяха оправдани - действителната стойност на този параметър с изходни буфери се оказа повече от 250 V / µs.

Общата схема на усилвателя е претърпяла много промени по време на настройката и фината настройка, така че веднага ще представя окончателната версия, която включва всички корекции и подобрения (фиг. 2).

ориз. 2

Структурата е проста - входен селектор, контрол на звука, усилвател на напрежението, буферен усилвател за запис на магнетофон, крайно стъпало и защитно реле, което се управлява от оптоелектронна схема за забавяне на свързването на високоговорителите и защита ги от постоянно напрежение (фиг. 3). За компактност буферите и придружаващите ги резистори са обединени в 10 броя, но номерацията на частите е запазена изцяло. Както може да се види на фиг. 2, контактната група на защитното реле UM (K6) не е включена във веригата за предаване на звук и затваря изхода към земята по време на преходни процеси или възможни аварийни ситуации.

ориз. 3

За BUF634T такова включване не е опасно, особено след като всички буфери имат резистор 10 Ohm на изхода. За да се избегне загуба на стабилност от усилвателя, поради късо съединение към масата на резистора OOOS (R15), едновременно с работата на реле K6, реле K5 също се затваря, образувайки временна верига OOOS на етапа на драйвера през резистор R14. Ако стойностите на резисторите R14 и R15 са равни, тогава няма странични щраквания в високоговорителите по време на работа на защитата, дори ако те са по-чувствителни от 100 dB.

Струва си да се отбележи, че за първата година на работа усилвателят функционираше надеждно както без реле K5, така и без временната OOS верига с R14, но бях преследван от самата възможност за самовъзбуждане по време на работа на защитата, така че тези допълнителни елементи бяха въведени. Между другото, усилвателя работи чудесно, без да покрива крайното стъпало с OOOS схема. Можете да премахнете резистор R15, реле K5 и да използвате резистор R14, за да затворите обратната връзка в UN, което направих като експеримент. Звукът ми хареса по-малко - може би това е опция, при която получаваме повече предимства, отколкото недостатъци от използването на ултра-бърза обратна връзка.

Диаграмата също така показва, че един от 4-те входа (CD вход) превключва PA в режим на усилвател на постоянен ток (DCA), а функцията "Tape Monitor" се изпълнява от входа LP (плейър на винил диск), без допълнителни контактни групи в преминаването на сигнала на веригата. Аз съм фен на аналоговия запис, така че направих точно това за себе си. Ако аудио системата няма аналогови звукозаписващи устройства, тогава блокът на операционния усилвател IC1 може да бъде елиминиран.

Диаграмата не показва блокиращи кондензатори на захранването - за удобство те ще бъдат показани на схемата на захранването.

Идеологията на този усилвател е значително различна от класическата и се основава на принципа на разделяне на тока - всеки елемент от крайното стъпало работи с малък ток, в много комфортен режим, но достатъчен брой от тези елементи, свързани в паралелно, може да осигури на този 20-ватов усилвател максимален ток на натоварване повече от 10 A непрекъснато и до 16 A в импулс. По този начин изходните етапи се зареждат по време на слушане средно с не повече от 5-7%. Единственото място в усилвателя, където могат да протичат големи токове, са двете медни шини на PA платката, водещи към терминалите на високоговорителите, където изходите на всички BUF634T на всеки канал се събират заедно.

В рамките на същата идеология е разработено и захранването на PA (фиг. 4) - в него всички силови елементи също работят с относително малки токове, но те също са много и в резултат на това общият мощността на захранването е 4 пъти по-висока от максималната, консумирана от усилвателя. Захранването е една от най-важните части в усилвателя, която от моя гледна точка си струва да разгледаме по-подробно. Усилвателят е изграден по технологията “dual mono” и следователно съдържа на борда си две независими захранвания за сигнални вериги, напълно стабилизирани, с мощност 150 W всяка, отделни стабилизатори за усилвателя на напрежението, както и захранване за осигуряване на обслужване функции, захранвани от отделен мрежов трансформатор 20 W. Всички трансформатори на захранващата мрежа са фазирани един спрямо друг - при производството на трансформаторите са маркирани проводниците на началото и края на първичните намотки.

ориз. 4

Захранващата част на всеки канал е разделена на 4 биполярни линии, което позволява да се намали токът на натоварване на всеки стабилизатор до стойност от само 200 mA и да се увеличи падането на напрежението върху тях до 10 V. В този режим дори прост интегрирани стабилизатори като LM7815 и LM7915 са се доказали като отлични при захранването на аудио вериги. Възможно е да се използват по-„напреднали“ микросхеми LT317 и LT337, но имаше много оригинални LM7815C и LM7915C от Texas Instruments, с изход от 1,5 A, което определи избора. Общо захранването на сигналните вериги на усилвателя се осигурява с помощта на двадесет такива интегрирани стабилизатора - 4 за UN и 16 за VK (фиг. 4). Всяка двойка стабилизатори на силовата секция захранва 10 бр. BUF634T. Един чифт стабилизатори за UN се зарежда с комбинация от AD843+AD811 на един канал. RC веригата (R51, C137, например) пред стабилизаторите на UN има двойна цел: защитава токоизправителя от пусков ток, когато захранването на PA е включено и образува филтър с честота на прекъсване под ръба на аудио диапазон (около 18 Hz), което значително намалява амплитудата на пулсациите на изправеното напрежение и нивото на други смущения, което е важно за входните стъпала.

Друга особеност на захранването е, че по-голямата част от всички филтриращи кондензатори (160 000 µF от 220 000 µF) са разположени след стабилизаторите, което дава възможност за подаване на голям ток към товара, ако е необходимо. Това обаче наложи въвеждането на система за плавен старт “Soft Start” за защита на стабилизаторите при включване на усилвателя и първоначалното зареждане на капацитета на батерията. Както може да се види на фиг. 4, Плавният старт се изпълнява доста просто, на един транзистор (VT1), който със закъснение (около 9 s) свързва слаботоково реле K10, което от своя страна включва 4 силнотокови релета K11-K14, с четири групи контакти във всеки, затваряйки 16 токоограничаващи резистора с номинална стойност 10 ома (R20, R21, например). Тоест, когато усилвателят е включен, максималният пиков ток на всеки стабилизатор е строго ограничен до 1,5 A, което е неговият нормален режим на работа. Не използвам „Мек старт“ в първичната верига от 220 V - в случай на прекъсване на резистора за ограничаване на тока или загуба на контакт в точките за запояване на неговите проводници, са възможни сериозни последици за целия PA.

За сервизните функции захранващият блок отговаря за свързването на мрежовото напрежение към главните трансформатори (реле K8), захранването на компонентите на системата за плавен старт и релето за избор на вход, чието захранващо напрежение, между другото, също е стабилизирано . Изпълнен е и изход +5 V, свързан към конектора на задния панел на PA - това вече е един вид стандарт в моите усилватели за едновременно включване на всякакви външни устройства. Този усилвател може да работи като устройство за превключване на усилване (предварителен усилвател) за по-мощни моноблокове, например, които ще се включат, когато към тях се приложи управляващо напрежение от +5 V.

Захранването на усилвателя беше изградено първо, тъй като по-нататъшното развитие на процеса на разработка изискваше наличието на пълноценно захранване, така че първото стартиране, експерименти и конфигурация да могат да се извършват в режим, близък до реалните работни условия. След успешното стартиране на всички захранващи вериги, входен селектор, забавяне на включване и защитно устройство за високоговорители, както и композитен усилвател с един BUF634T (BUF41) на изхода като краен етап бяха сглобени на PA платката. Както бе споменато по-горе, този 41-ви буфер има нисък ток на покой и не изисква инсталиране на радиатор, но слушалките вече бяха лесно свързани към изхода на усилвателя, което направи възможно слухов контрол, заедно с измервания. След приключване на отстраняването на грешки във веригата с един изходен буфер във всеки канал, всичко, което остана, беше да запоим останалите 80 части. и виж какво ще излезе от това. Нямах гаранции за положителен резултат и не можеше да има - нямаше информация за успешно реализирани подобни проекти от други разработчици. Доколкото ми е известно, няма проекти, базирани на паралелни операционни усилватели с подобна производителност нито в Русия, нито в чужбина дори и сега.

Резултатът все още беше положителен. Тъй като усилвателят беше сглобен върху твърдо шаси, изработено от алуминиеви пръти, където бяха фиксирани всички превключващи конектори (снимка 1), беше възможно да се свърже към аудио системата без корпус. Първите прослушвания започнаха, но повече за това малко по-късно - първо ще дам някои параметри:

Снимка 1

Изходна мощност: 20W/4ohm, 10W/8ohm (клас A)

Честотна лента: 0 Hz – 5 MHz (CD вход)

1,25 Hz - 5 MHz (AUX, лента, LP входове)

Скорост на нарастване на изходното напрежение: повече от 250 V/µs

Усилване: 26dB

Изходен импеданс: 0.004 ома

Входен импеданс: 47 kOhm

Входна чувствителност: 500 mV

Съотношение сигнал/шум: 113,4 dB

Консумирана мощност: 75 W

Мощност на захранването: 320 W

Габаритни размери, mm: 450x132x390 (без височината на краката)

Тегло: 18 кг

На базата на параметрите, без дори да се гледа схемата, е очевидно, че усилвателят няма входни и изходни филтри, както и външни вериги за корекция на честотата. Но си струва да се отбележи, че той е стабилен и работи чудесно дори с неекранирани свързващи кабели. Осцилограмата на 2 kHz 5V/div квадратна вълна при натоварване от 8 Ohm при почти максимално ниво на изходно напрежение е доста информативна в това отношение (Снимка 2).

Снимка 2

От моя гледна точка това се дължи на правилното окабеляване на „земните“ проводници, както и на голямото им напречно сечение: от 4 кв. мм. до 10 кв.мм. (включително писти на печатни платки).

Има осцилограми, взети при честоти от 10 kHz, 20 kHz и 100 kHz, но тестовете при високи честоти бяха извършени с ниско ниво на сигнала, така че наличието на контрол на силата на звука с висок импеданс на входа, както и R-C Zobel верига на изхода на PA, която все още беше налична по това време, вече влияеше ( правоъгълна вълна 100 kHz 50 mV/div - снимка 3).

Снимка 3

Още при първото слушане в домашна аудиосистема стана ясно, че устройството звучи и че е време да си поръчате калъф, за да тръгнете с него на турне :) Минаха повече от 5 години от приключването на работата по проекта и първото слушане. През това време бяха проведени десетки (повече от 70, според груби оценки) сравнителни тестове за слушане на усилвателя с ексклузивни лампови и транзисторни PA от известни производители, както и с патентовани проекти на високо ниво. Въз основа на получените експертни оценки можем да кажем, че усилвателят не отстъпва по естественост на звука на повечето слушани двутактови и еднокрайни лампови и транзисторни усилватели, изградени без използване на отрицателна обратна връзка, но често значително ги превъзхожда в музикално отношение. резолюция. Много любители на ламповия звук и привържениците на едноциклични PA без OOS забелязаха, че в този дизайн работата на отрицателната обратна връзка практически не се „чува“ и наличието на изходни етапи на издърпване във веригата „не дава никаква индикация“ .

Усилвателят беше свързан с различни акустични системи - те включваха високоговорители от известни руски производители: Александър Клячин (модели: MBV (MBS), PM-2, N-1, Y-1), високоговорители от Александър Князев, високоговорители за рафтове на професионални високоговорители от Tulip Acoustics, Високоговорители на чужди марки от средни и високи ценови категории: Klipsh, Jamo, Cerwin Vega, PBN Audio, Monitor Audio, Cabasse и много други, с различна чувствителност и входен импеданс, многолентови със сложни и прости кросоувър филтри, широколентов без кросоувър филтри, високоговорители с различен акустичен дизайн. Не са идентифицирани конкретни предпочитания, но PA се разкрива най-добре на стояща на пода акустика с пълен нискочестотен диапазон и за предпочитане по-висока чувствителност, тъй като изходната мощност е ниска.

В началния етап прослушванията не бяха организирани с цел „спортен“ интерес – основната им задача беше да идентифицират всякакви артефакти в звука, които могат да се опитат да бъдат коригирани. Много информативни и полезни сесии за слушане от тази гледна точка бяха в аудио системата на Александър Клячин, където имаше уникална възможност да се оцени звукът на усилвателя на 4 различни модела високоговорители наведнъж и ми хареса един от тези високоговорители (Y -1) толкова много, че скоро станаха компоненти на моите домашни аудио системи (Снимка 4). Естествено, беше много приятно да получа висока оценка за моя продукт и някои коментари от аудио експерт с богат опит.

Снимка 4

Аудиосистемата на известния майстор на руския Hi-End Юрий Анатолиевич Макаров (снимка 5, PA по време на слушане), изградена в специално оборудвана стая за слушане и като референтна във всички отношения, направи големи корекции в дизайна на този усилвател: Веригата Zobel беше премахната от изхода на PA и главният вход беше направен, заобикаляйки изолационния кондензатор. В тази аудио система можете да чуете всичко и дори повече, така че е трудно да се надцени нейният принос и съветите на Юрий Анатолиевич в процеса на фина настройка на звука на усилвателя. Съставът на неговата аудио система: източник - транспорт и DAC с отделно захранване Mark Levinson 30.6, високоговорители Montana WAS от PBN Audio, безкомпромисен еднокраен тръбен усилвател "Emperor" и всички противофазови кабели, проектирани от Yu.A. Макарова. По-ниската гранична честота на високоговорителя Montana WAS от 16 Hz (-3 dB) даде възможност да се оцени „приносът“ на свързващ кондензатор, при това доста висококачествен (MKP Intertechnik Audyn CAP KP-SN), до изкривяването на нискочестотния диапазон на музикалния сигнал и най-високата музикална разделителна способност на аудиосистемата - да чуете изходния филтър за отрицателно въздействие, под формата на R-C Zobel схема, която не оказа влияние върху стабилността на усилвател и скоро беше премахнат от платката. Свързването на външни нискоомни контроли на силата на звука от 100 Ohm до 600 Ohm (стандартният RG беше настроен на максимална позиция) ме накара да разбера факта, че дори висококачественият дискретен регулатор DACT 50 kOhm, използван в моя усилвател, би било хубаво да се замени с по-ниска стойност (от свързаните към мен 600 ома RG изглеждаше най-добра), но за това трябваше да се преработи доста и беше решено да се внедрят това и други натрупани подобрения в нов проект.

Снимка 5

Вероятно си струва да се спомене участието на усилвателя в изложението през 2011 г. (снимка 6), като единственият некомерсиален проект, материал за който беше публикуван в списание Stereo&Video през януари 2012 г., където усилвателят беше наречен „откритието на годината“. Демонстрацията беше извършена с високоговорители Tulip Acoustics, които са с чувствителност 93 dB при съпротивление 8 ома и, колкото и да е странно, наличните 10 W/8 ома бяха достатъчни в голяма зала с високо ниво на фонов шум. 10 W от усилвател в клас А, в който всеки ват изходна мощност е достатъчно осигурен от енергийния капацитет на захранването, се възприема субективно по-силно, според моите наблюдения, от звука на усилвател с по-висока изходна мощност, но с крайни етапи, съдържащи се върху гола спойка.

Снимка 6

След Изложението получих по-чести заявки по имейл и лични съобщения от форуми от желаещи да повторя проекта, но възникнаха известни затруднения - информационна подкрепа беше осигурена на всички, но дъските ми бяха нарисувани на милиметрова хартия, и на двете страни и не бяха подходящи за сканиране във файл, тъй като хартията беше полупрозрачна и резултатът беше почти нечетлива рисунка. Без завършена печатна платка повторението на дизайна стана много трудно и ентусиазмът избледня. Сега във форума на портала Вегалаб. ru, Предлага се електронна версия на платката, чийто автор е Владимир Лепехин от Рязан, известен специалист по оформление на печатни платки на рускоезични форуми. Платката е свободно достъпна, линк към нея има в първия пост на темата за този усилвател. Много е лесно да намерите темата: просто въведете фразата „Prophetmaster amplifier“ в лентата за търсене на Yandex или друга програма за търсене. Именно на тази дъска един от участниците във форума Вегалаб- Сергей от Гомел (Serg138) успя да повтори този проект и да получи много добър резултат. Информация за това изпълнение на PA и снимки на неговия дизайн можете да намерите и в съответната тема, следвайки връзките в първия пост.

Някои съвети:

При избора на електролитни кондензатори се ръководех от собствените си измервания на ESR и тока на утечка, поради което използвах оригиналния Jamicon. Специално вмъкнах думата „оригинален“, защото те много често се фалшифицират и вероятно мнозина вече са се сблъскали с нискокачествени продукти под марката на този производител. Но в действителност това са едни от най-добрите кондензатори за използване при захранване на аудио вериги.

Контролът на звука е настроен на DACT 50 kOhm. Сега бих избрал най-ниския им номинал - 10 kOhm или бих използвал релерегулатор Никитин с постоянно входно и изходно съпротивление 600 Ohm. RG тип ALPS RK-27 ще бъде много по-лош и не се препоръчва за употреба.

Общо повече от 90 μF филмови кондензатори са инсталирани в електролитните шунтове. Моите дъски имат „реколта“ Evox от 70-те, които получих случайно, но полипропиленът Rifa PEH426, Wima MKP4, WimaMKP10 няма да бъде по-лош.

Препоръчвам Finder за релета в силовата част, AC защита и мек старт, а за входния селектор трябва да използвате само релета, които имат минимален комутируем ток в параметрите си. Има малко модели на такива релета, но те съществуват.

Вътрешните високоскоростни изправителни диоди KD213 (10 A) или KD2989 (20 A) при захранване на крайния етап ще бъдат по-добри от повечето внесени.

Бих искал да отбележа, че схемата на усилвателя е доста проста, но за работа с такива високоскоростни и широколентови микросхеми се нуждаете от съответните умения и измервателни инструменти - функционален генератор, осцилоскоп с честотна лента най-малко 30 MHz (за предпочитане 50 MHz).

В заключение бих искал да кажа, че изводите, които направих въз основа на резултатите от експериментите, както и по време на работата по този проект и последващото му усъвършенстване, не претендират за абсолютна истина. Има доста начини за постигане на целта, която в този случай е висококачествен звук, и всеки от тях включва набор от мерки, които може да не дадат положителен резултат поотделно. Следователно в тази област няма прости рецепти.

Снимки на усилвателя в сайта на датската фирма DACT:

С най-добри пожелания, Олег Шаманков ( Пророкмайстор)

Усилвателят е идеален за работа с динамични слушалки от всякакъв тип и може да се използва и като предусилвател или преобразувател на ток/напрежение.
Диапазонът на съпротивлението на натоварване е от 16 ома при захранване от +-12V, от 8 ома при захранване от +-5V. Усилвателят има вградена бързодействаща токова защита и защита срещу поява на DC компонент на изхода с LED индикатор. Усилвателят трябва да се захранва от стабилизиран източник на захранване с номинално напрежение +-12V и максимално допустимо напрежение +-14V. В по-голямата част от случаите стабилизатор, базиран на двойката LM317/LM337, ще осигури необходимото качество на захранването. Консумацията на ток в режим на покой е 70 mA. “Quiet” е оборудван с изходен филтър тип LRCL, който осигурява, от една страна, добра граница на стабилност при работа със сложен товар, а от друга страна, минималното възможно изходно съпротивление, което не надвишава 0,1 Ohm.

Ключови характеристики:

• - Усилване при инвертираща връзка 12 dB (4 пъти)
• - Коефициентът на нелинейно изкривяване е по-нисък - 120 dB (100 Ohm натоварване, 20 V p-p), хармоничният спектър е къс, отслабен
• - Интермодулационно изкривяване по-малко от -120 dB
• - Изходен импеданс по-малък от 0,1 Ohm
• - Симетрична скорост на нарастване/спадане, не по-малко от 200V/µs
• - Съотношение сигнал/шум в аудио честотната лента най-малко 110 dB
• - Пиков (краткотраен) изходен ток от поне 1 A

За по-лесно използване стъпката на щифта Tikhoni е 2,54 мм. По този начин той може да бъде инсталиран на част от макетна платка, събирайки върху него токоизправители, филтри и регулатори на напрежение.

"Quiet" се доставя само като напълно сглобено устройство.
Това се дължи преди всичко на голямата технологична сложност на печатната платка и голямата чувствителност към типовете и мощностите на някои компоненти, както и качеството на монтажа. „Тихият“ не прощава произволни, необмислени промени в стойностите на елементите (например промяна на печалбата чрез замяна само на един резистор), но с препоръчителните стойности и в препоръчаното включване осигурява ултра- висока производителност. Тези ограничения са свързани с огромната скорост на част от веригата и тънкостта на намирането на оптималната честотна корекция.
Въпреки това, недокоснат от поялник, „Quiet“ работи перфектно в много посредствена „среда“ - най-важните и критични аспекти на работа са взети под внимание. Един прост токоизправител с евтини стабилизатори и кондензатори ще осигури необходимия минимум за съществуване.

Предложеният усилвател е предназначен за използване заедно със слушалки със съпротивление ≥ 25 ома. Източникът на звук може да бъде звукова карта на компютър, CD/DVD плейъри или преносими устройства. Позволява ви да „разтоварите“ изхода на източника, което има положителен ефект върху качеството на звука (намаляване на хармоничните изкривявания, премахване на „блокирането“ в ниските честоти при използване на източник с изолационни кондензатори на изхода).

Спецификации:
Изходно ниво: 3V (RMS);
Неравномерност на честотната характеристика (в диапазона 40 Hz - 15 kHz), dB +0,09, -0,20
Ниво на шум, dB (A) -89,2
Динамичен диапазон, dB (A) 87.0
Хармонично изкривяване, % 0.0015
Хармонично изкривяване + шум, dB(A) -80.8
Интермодулационно изкривяване + шум, % 0.013
Взаимно проникване на канали, dB -86,6
Интермодулация при 10 kHz, % 0.014
*Измерванията са извършени с помощта на звукова карта SB Audigy (SB0507)

Усилвател и захранваща верига

Изходният етап на усилвателя се покрива от локален OOS, а усилвателят като цяло се покрива от OOS. На входа на усилвателя е монтиран нискочестотен филтър, на изхода са монтирани верига Zobel и дросел. RC вериги се въвеждат в OOS, за да се намали RF усилването. Коефициентът на усилване е три.

Усилвателят използва стабилизирано биполярно захранване ±6V. Като стабилизатори бяха използвани микросхеми LM317T.

Конструкция и детайли

Структурно усилвателят е сглобен на две печатни платки. Подмодулът на усилвателя е изработен на двустранна печатна платка.

Този подмодул е ​​инсталиран на основната едностранна печатна платка, която също така съдържа захранването, конекторите и контролите.

Повечето от използваните компоненти са предназначени за повърхностен монтаж: резистори и кондензатори с размер 1206. Захранването използва разделителни кондензатори тип HAHN BVUI 3020161. Керамични кондензатори в аудио схеми от тип NP0. Регулатор на звука с двоен променлив резистор ALPS RK09. Изходните дросели се навиват върху резистори MLT-2 с проводник PEV-2 0,5 mm до запълване на 1 слой. Вместо AD8066 е възможно да се използват AD823, OPA2132, OPA2134. Използвана е фабричната кутия GAINTA G738A.

29 юни 2013 г. в 14:02 ч

Композитен усилвател за слушалки LME49710 + LT1210CT7

• Направи си сам или направи сам

Някои текстове

Поради естеството на работата ми, аз постоянно общувам с професионална аудио техника, така че целта на тази разработка беше да се получи устройство с висока прецизност. Следователно схемните решения без OOS бяха незабавно отхвърлени и за основа беше взета композитна схема с голям потенциал. Виждал съм няколко устройства с тази топология, но повечето проекти използват устройствата LT1795 или AD815. Въпреки това, както Дмитрий Андронников (известен още като Lynx) спомена в една от статиите си:

дори много мощни операционни усилватели с TOC, когато към изхода им са свързани слушалки със съпротивление под 50...60 ома, работят в доста интензивен режим както по отношение на изходния ток (което води до увеличаване на изкривяването), така и в условия за производство на топлина.

Беше решено да се въведе „тежка артилерия“, но повече за това по-долу.

Първоначално възнамерявах да инсталирам двустепенен LC филтър, използвайки дросели Murata от сериите PLA10 и PLH10; EMI потискащи кондензатори - Epcos X2 с капацитет 0,22 μF и варистор Epcos S20K275 с висока погълната енергия - 150 J.


Но в крайна сметка беше решено да се използват готови решения, за да се спести място в кутията:

Като стабилизатори са използвани устройства M5230L, произведени от Mitsubishi Electronic. Доста интересни устройства, които имат много нисък собствен шум (в пъти по-нисък от масово използваните LM317/LM337) в широк честотен диапазон: 12 μV RMS, 20 Hz - 100 kHz, висока температурна стабилност (0.01%/°C). Но има един недостатък - изходният ток на самата ИС е ограничен до 30 mA, така че за получаване на по-високи токове е необходимо да се използват външни управляващи транзистори. Превключващата верига няма специални функции и е взета от листа с данни - Верига за отхвърляне на висока пулсация. Използват се регулиращи транзистори 2SC4793/2SA1837 и монтирани на общ радиатор.

Като токоизправители се използват SMD Шотки диоди 10MQ100. Кондензаторите са 3300 uF Panasonic FC, останалите са серия Elna Silmic и Silmic II. Първоначално беше планирано да се инсталират допълнителни кондензатори в близост до LT1210, но по време на оформлението на платката беше решено да се откажат от тях, тъй като изходните капацитети на захранването бяха в непосредствена близост до потребителя. Когато използвате кондензатори Elna, дори на етапа на проектиране на печатна платка, е необходимо да изясните техните размери на уебсайта на производителя, тъй като тези кондензатори имат няколко пъти по-големи размери от „обикновените“:

Усилвател

Композитната схема има голямо усилване на контура; изходното стъпало на мощен операционен усилвател е покрито от собствена верига за обратна връзка, което позволява сравнително ниско изкривяване при работа с различни видове товари.


Изходното стъпало използва високоскоростни операционни усилватели LT1210CT7 на Linear с обратна връзка по ток в корпус TO220, който осигурява много по-добро разсейване на топлината в сравнение с други опции за пакети, предлагани от производителя. Тези операционни усилватели могат да осигурят непрекъснат ток от 1,1 A (2 A пик), което улеснява управлението на товари с нисък импеданс. Изходното усилване на операционния усилвател е 2, но може лесно да бъде намалено до 1 или увеличено. Изборът на стойности на резистора в операционната верига на операционен усилвател с TOC е малко по-сложен, отколкото за операционен усилвател с обратна връзка по напрежение: стабилността на веригата директно зависи от нейната стойност. Намаляването на стойността на Rf увеличава работната честотна лента, но влошава стабилността; намаляването й увеличава стабилността и стеснява работния диапазон. Резисторите във веригата за обратна връзка (1,5 kOhm) са избрани така, че да осигурят максимална стабилност. Компенсационните кондензатори (C4, C23) осигуряват стабилност при работа с капацитивен товар. Като цяло производителят обещава стабилна работа за капацитивни товари до 10 000 pF!

Малко за топлинните условия. Листът с данни предоставя (което не се вижда много често) примери за топлинни изчисления. Чиповете са инсталирани на индивидуални радиатори HS211 с термично съпротивление 7,5 °C/W. Термичното съпротивление кристал-тяло е 5°C/W. Без да се знае точното топлинно съпротивление на изолационното уплътнение, за изчисленията беше взето 2 °C/W (според някои данни, намерени в Интернет).
При натоварване от 16 Ohm (въпреки че професионалните слушалки рядко имат съпротивление по-ниско от 50-60 Ohm) и изходен сигнал от 4 V RMS (което съответства на 5,6 V амплитудно напрежение), микросхемата ще разсее 2 W топлина (консумация на ток в това режим е малко повече от 100 mA). При околна температура от 25 °C кристалът ще се нагрее до не повече от 65 °C.
Тъй като нашето устройство ще бъде в затворен корпус, температурата вътре може да достигне доста прилични стойности от 50-60°C. В резултат на това получаваме температура на кристала около 100-110 °C, което е напълно приемливо. Но това е на синусоидален сигнал, на музикален сигнал (въпреки че трябваше да „виждам“ саундтраци с RMS -3 db:-)) отоплението ще бъде много по-малко.

Като първи „етап“ беше избрано устройство, произведено от друга компания - LME49710 от Texas Instrument, което има отлични характеристики: ниско ниво на всички видове изкривявания, много ниско ниво на шум (0,34 µV RMS@20Hz - 20000 Hz), ниска ниво на отместване (± 0,05 mV), високо усилване при отворена верига (140 dB) и високи CMRR и PSRR (120 и 125 dB).
Въпреки това, по време на процеса на настройка на устройството, попаднах на едно копие на този оп-усилвател, когато беше инсталиран, постоянното напрежение на изхода беше около 14 mV; след известно обмисляне беше инсталирано друго устройство (от 10 закупени) - всичко се нормализира.

Дъската като елемент на дизайна

Когато използвате високоскоростен операционен усилвател като LT1210, който има скорост на изходно напрежение от 900 V/µs, трябва да се обърне специално внимание на топологията на печатната платка, тъй като във високоскоростните аналогови схеми това може значително да повлияе на качеството на устройството. Платката трябва да бъде проектирана по такъв начин, че да сведе до минимум въздействието върху работата на веригата. Можете да прочетете повече за топологията на печатните платки в книгите и.
Усилвателят е направен на двустранна печатна платка, чийто долен слой е запазен за GND полигона. Разбира се, по време на процеса на окабеляване някои вериги се озоваха на долния слой, но те са къси. Тази топология на платката е избрана за минимизиране на импеданса на земята, необходим за стабилна работа на високоскоростни операционни усилватели. Уязвимостта на инвертиращите входове на оп-усилвателя спрямо земния капацитет също беше взета под внимание, тъй като дори капацитет от 1 pF може да доведе до увеличаване на коефициента на предаване на оп-усилвателя при честоти, близки до максималните. Най-очевидното решение на този проблем е да се скъси дължината на проводника. Друг, по-малко очевиден, е намаляването на ширината му. В резултат на това използването на проводници с дебелина 0,3 mm към инвертиращия вход на операционния усилвател дава капацитет от около 0,1 pF в зависимост от диелектричната константа на материала на платката (за FR-4 от 4 до 5).

По време на сглобяване и конфигуриране

За захранване на устройството се използва трансформатор с четири вторични намотки с напрежение 14 V и ток 500 mA, който е специално поръчан във фабриката за този проект. Използвах контролер на звука ALPS RK27 със съпротивление 10 kOhm. Кейса е закупен от Китай.

За съжаление в този момент нямаше нищо под ръка освен телефона.

А сега измерванията

След сглобяването и прослушването бяха направени измервания с помощта на комплекса

Темата е създадена от редица въпроси, зададени за този дизайн във форума.

Бяха направени много композитни схеми, използващи различни видове мощни операционни усилватели с TOS, но никъде преди не съм виждал обсъждане на устройства, използващи LT1210, така че беше решено да се надгради върху него.

В първото копие LME49710 op-amp беше използван като „първи етап“; сега провеждам някои експерименти с входния op-amp.

От самото начало дизайнът е замислен върху двустранна печатна платка, единият от слоевете на която е предназначен за земната зона, за да се осигури нисък импеданс, което е важно при използване на такива високоскоростни операционни усилватели като LT1210. Някои вериги все още трябваше да бъдат поставени на същия слой, но те не образуват големи празнини в полигона.

Специална характеристика на LT1210 е много високият ток на покой на изходния етап - 35 mA, което ви позволява да останете в клас А при средни нива на слушане.

Използвани са стабилизатори M5230L, произведени от Mitsubishi electronics; трансформаторът е поръчан фабрично с четири вторични намотки по 14V всяка.

Още по време на настройката стана ясно, че коригиращият кондензатор във веригата за обратна връзка, общ за двата оп-усилвателя, води до възбуждане при честота от приблизително 20 MHz с доста голяма амплитуда от ~300 mV. Следователно, той трябва да бъде инсталиран на обратната страна на платката между изхода и инвертиращия вход на първия операционен усилвател.

Днес реших да експериментирам с различни видове операционни усилватели. Корекцията беше зададена на 10,22,33,47 pF. Тествах 3 операционни усилвателя: OPA134, LME49710 и AD744.

Това, което видях на екрана на осцилоскопа, беше донякъде изненадващо. Привидно най-бавният операционен усилвател от триото (OPA134) се държеше най-зле в композитната верига, демонстрирайки най-големите удари на меандърните фронтове. Мислех, че ще има повече проблеми с AD744.

Приложението съдържа схема и печатна платка във формат DipTrace.

Специални благодарности на Алексей (известен още като Lexus) за консултациите по време на изграждането на този усилвател.

Прикачени файлове:

Раздел: Усилватели за слушалки