Сделай сам усилитель hi fi. Как я собрал свой Hi-Fi-усилитель всего за $200. Провода для подключения и доп. аксессуары

На Хабре уже были публикации о DIY-ламповых усилителях, которые было очень интересно читать. Спору нет, звук у них чудесный, но для повседневного использования проще использовать устройство на транзисторах. Транзисторы удобнее, поскольку не требуют прогрева перед работой и долговечнее. Да и не каждый рискнёт начинать ламповую сагу с анодными потенциалами под 400 В, а трансформаторы под транзисторные пару десятков вольт намного безопаснее и просто доступнее.

В качестве схемы для воспроизведения я выбрал схему от John Linsley Hood 1969 года, взяв авторские параметры в расчёте на импеданс своих колонок 8 Ом.

Классическая схема от британского инженера, опубликованная почти 50 лет назад, до сих пор является одной из самых воспроизводимых и собирает о себе исключительно положительные отзывы. Этому есть множество объяснений:
- минимальное количество элементов упрощает монтаж. Также считается, что чем проще конструкция, тем лучше звук;
- несмотря на то, что выходных транзисторов два, их не надо перебирать в комплементарные пары;
- выходных 10 Ватт с запасом хватает для обычных человеческих жилищ, а входная чувствительность 0.5-1 Вольт очень хорошо согласуется с выходом большинства звуковых карт или проигрывателей;
- класс А - он и в Африке класс А, если мы говорим о хорошем звучании. О сравнении с другими классами будет чуть ниже.

Внутренний дизайн

Можно и на обычных диодах или даже готовых мостах, но тогда их необходимо шунтировать конденсаторами, да и падение напряжения на них больше. После мостов идут CRC-фильтры из двух конденсаторов по 33000 мкф и между ними резистор 0.75 Ом. Если взять меньше и ёмкость, и резистор, то CRC-фильтр станет дешевле и меньше греться, но увеличатся пульсации, что не комильфо. Данные параметры, имхо, являются разумными с точки зрения цена-эффект. Резистор в фильтр нужен мощный цементный, при токе покоя до 2А он будет рассеивать 3 Вт тепла, поэтому лучше взять с запасом на 5-10 Вт. Остальным резисторам в схеме мощности 2 Вт будет вполне достаточно.

Далее переходим к самой плате усилителя. В интернет-магазинах продаётся куча готовых китов, однако не меньше и жалоб на качество китайских компонентов или безграмотных разводок на платах. Поэтому лучше самому, под свою же «рассыпуху». Я сделал оба канала на единой макетке, чтобы потом прикрепить её ко дну корпуса. Запуск с тестовыми элементами:

Всё, кроме выходных транзисторов Tr1/Tr2, находится на самой плате. Выходные транзисторы монтируются на радиаторах, об этом чуть ниже. К авторской схеме из оригинальной статьи нужно сделать такие ремарки:

Не всё нужно сразу впаивать намертво. Резисторы R1, R2 и R6 лучше сначала поставить подстроечными, после всех регулировок выпаять, измерить их сопротивление и припаять окончательные постоянные резисторы с аналогичным сопротивлением. Настройка сводится к следующим операциям. Сначала с помощью R6 выставляется, чтобы напряжение между X и нулём было ровно половиной от напряжения +V и нулём. В одном из каналов мне не хватило 100 кОм, так что лучше брать эти подстроечники с запасом. Затем с помощью R1 и R2 (сохраняя их примерное соотношение!) выставляется ток покоя – ставим тестер на измерение постоянного тока и измеряем этот самый ток в точке входа плюса питания. Мне пришлось ощутимо снизить сопротивление обоих резисторов для получения нужного тока покоя. Ток покоя усилителя в классе А максимальный и по сути, в отсутствие входного сигнала, весь уходит в тепловую энергию. Для 8-омных колонок этот ток, по рекомендации автора, должен быть 1.2 А при напряжении 27 Вольт, что означает 32.4 Ватта тепла на каждый канал. Поскольку выставление тока может занять несколько минут, то выходные транзисторы должны быть уже на охлаждающих радиаторах, иначе они быстро перегреются и умрут. Ибо греются в основном они.

Не исключено, что в порядке эксперимента захочется сравнить звучание разных транзисторов, поэтому для них тоже можно оставить возможность удобной замены. Я попробовал на входе 2N3906, КТ361 и BC557C, была небольшая разница в пользу последнего. В предвыходных пробовались КТ630, BD139 и КТ801, остановился на импортных. Хотя все вышеперечисленные транзисторы очень хороши, и разница может быть скорее субъективной. На выходе я поставил сразу 2N3055 (ST Microelectronics), поскольку они нравятся многим.

При регулировке и занижении сопротивления усилителя может вырасти частота среза НЧ, поэтому для конденсатора на входе лучше использовать не 0.5 мкф, а 1 или даже 2 мкф в полимерной плёнке. По Сети ещё гуляет русская картинка-схема «Ультралинейный усилитель класса А», где этот конденсатор вообще предложен как 0.1 мкф, что чревато срезом всех басов под 90 Гц:

Пишут, что эта схема не склонна к самовозбуждению, но на всякий случай между точкой Х и землёй ставится цепь Цобеля: R 10 Ом + С 0.1 мкф.
- предохранители, их можно и нужно ставить как на трансформатор, так и на силовой вход схемы.
- очень уместным будет использование термопасты для максимального контакта между транзистором и радиатором.

Слесарно-столярное

Сам корпус я сделал из оргстекла. Заказываем у стекольщиков сразу нарезанные прямоугольники, выполняем в них необходимые отверстия для креплений и красим с обратной стороны чёрной краской.

Покрашенное с обратной стороны оргстекло смотрится очень красиво. Теперь остаётся только всё собрать и наслаждаться музы… ах да, при окончательной сборке ещё важно для минимизации фона правильно развести землю. Как было выяснено за десятилетия до нас, C3 нужно присоединять к сигнальной земле, т.е. к минусу входа-входа, а все остальные минуса можно отправить на «звезду» возле конденсаторов фильтра. Если всё сделано правильно, то никакого фона не расслышать, даже если на максимальной громкости поднести ухо к колонке. Ещё одна «земляная» особенность, которая характерна для звуковых карт, не развязанных с компьютером гальванически – это помехи с материнки, которые могут пролезть через USB и RCA. Судя по интернету, проблема встречается часто: в колонках можно услышать звуки работы HDD, принтера, мышки и фон БП системника. В таком случае проще всего разорвать земляную петлю, заклеив изолентой заземление на вилке усилителя. Опасаться тут нечего, т.к. останется второй контур заземления через компьютер.

Регулятор громкости на усилителе я не стал делать, поскольку достать какой-нибудь качественный ALPS не удалось, а шуршание китайских потенциометров мне не понравилось. Вместо него был установлен обычный резистор 47 кОм между «землёй» и «сигналом» входа. Тем более регулятор у внешней звуковой карты всегда под рукой, да и в каждой программе тоже есть ползунок. Регулятора громкости нет только у винилового проигрывателя, поэтому для его прослушивания я приделал внешний потенциометр к соединительному кабелю.

Я угадаю этот контейнер за 5 секунд...

Материальные затраты

Как говорит нам википедия AV ресивер – это многоканальный усилитель с декодерами цифрового аудиопотока (ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь), тюнером и коммутатором аудио- и видеосигналов для бытового применения в системах домашнего кинотеатра. Может преобразовывать звуковые и видеоформаты.

Ресивер – это мозговой центр нашего домашнего кинотеатра. Именно через него проходит вся коммутация нашей системы. Как правило они оборудованы большим количеством цифровых и аналоговых входов, для возможности подключения всего домашнего мультимедиа, от Blu-ray плеера до игровой приставки.

Как подобрать ресивер для DolbyAtmos? На данный момент поддержка DolbyAtmos присутствует у всех производителей ресиверов, как правило в топовом сегменте. Отдельно можно выделить компанию Onkyo которая сделала ставку на более широкий круг покупателей, выпустив линейку ресиверов среднего ценового сегмента с Atmos. Самый бюджетный ресивер на данный момент стоит около 36-37 т.р. Но, естественно, наличие Atmos далеко не показатель того, что ресивер вам подходит.

На что еще следует обратить внимание при выборе ресивера

• Мощность. Сигнал в устройство приходит не усиленный, а только в несколько милливатт, чего недостаточно для воспроизведения данного сигнала акустической системой. Для этого и используется система усиления сигнала, но мощность – не только показатель громкости, которую вы можете получить. Обратите внимание на то, что практически все производители в характеристиках устройств указывают что-то вроде – мощность 100Вт на канал, нагружен 1 канал. Это означает, что данную мощность устройство может подать только в том случае, если подключена только ОДНА колонка. Естественно при подключении всех колонок мощность будет ниже, пропорционально их количеству.
• Возможности коммутации. Перед покупкой ресивера лучше определиться, что вы к нему будете подключать, нужен ли Wi-Fi и Bluetooth, хотите ли вы поставить доп. усилитель для фронтальной пары или подключить винил. На данный момент большинство ресиверов – это универсальные устройства, которые сами могут послужить источником аудио сигнала без дополнительных внешних устройств, таких как CD или NP проигрыватели. Также обратите внимание на возможность подключение АС по Bi-amping> зачем это нужно расскажу ниже.
• ЦАП. Качество цифро-аналогового преобразователя напрямую влияет на качество звука полученного от цифровых источников.
• Сила тока. Очень важный и не всеми указываемый параметр. Он влияет на возможность воспроизведения НЧ сигнала на одинаковом уровне в течении продолжительного времени. Например звук отбойного молотка – если конденсаторы не смогут накопить нужный заряд, то данный звук будет затухающим вне зависимости от громкости, при этом также звук начнет сливаться в общий гул, хотя как мы знаем отбойный молоток все-таки это повторяющиеся НЧ удары.

• Прослушка. Так как ресивер это только 40% от вашего финального звука, то лучше его прослушать с акустикой которую вы себе выбрали. Тем более что особенности слуха у каждого индивидуальные, лучше всего слушать не в рафинированных условиях специально подготовленного помещения, так как для того, чтобы добиться такого звука дома самым простым вариантом будет построить помещение для ДК.

Акустические системы

Собственно говоря это и есть ваш звук. На данный момент на рынке присутствует огромное количество производителей которые могут предложить акустику любых форм и размеров. В классической системе 5.1 как правило используются 2 напольные фронтальные колонки, отвечающие за воспроизведения основного звука, 2 тыловые полочные, которые как правило служат только для спецэффектов и центральный канал. Сабвуфер, подключаемый к ресиверу, должен быть активным, то есть со своим встроенным усилителем, пассивные сабвуферы к AV ресиверам подключить нельзя. Для воспроизведения сигнала DolbyAtmos нам понадобятся либо DolbyAtmos колонки, например Onkyo SKH-410 , либо же потолочная встраиваемая акустика.

На что обратить внимание

• Мощность. Мощность АС это не показатель её громкости, а показатель её надежности, то есть того, какой сигнал она сможет переварить. При подборе акустики нужно учитывать очень важно, что бы мощность акустики была выше максимальной мощности усилителя. Также важно, что бы параметр сопротивления был либо таким же, либо выше чем у усилительной части источника сигнала.
• Дисперсия распространения звука акустической системы. На данный момент у акустических систем угол распространения звуковой волны варьируется от 90 до 160 градусов. Чем выше данный показатель, тем удобнее АС в установке, так как не требует поворота к слушателю. Некоторые колонки отличаются эгоистичным характером, рассчитанным только на одного слушателя, некоторые, наоборот, более дружелюбны.

• Расположение фазоинвертора. Фазоинвертор обеспечивает расширение НЧ диапазона АС за счет резонанса его трубы на частоте ниже, чем у НЧ динамика. Его расположение может быть либо на фронтальной, либо на тыловой части АС, и оно влияет на её установку. При фронтальном фазоинверторе АС можно устанавливать близко к стене, что облегчает задачу при инсталляции в ограниченном пространстве, в случае с тыловым расположением чем ближе АС к стене тем больше НЧ сигнала и в звуке появляется каша. В случае если вам все-таки придется расположить колонки близко к стене, то рекомендуется разместить сзади шумопоглащающий материал.
• Количество полос. Так как один динамик не сможет адекватно воспроизвести звук всего слышимого диапазона, то для НЧ, ВЧ и СЧ частот производители используют разные воспроизводящие динамики, то есть 3-х полосная акустика имеет отдельные динамики для воспроизведения сигнала каждого диапазона. В 2-х полосной акустике, как правило, есть отдельный динамик для НЧ диапазона и СЧ, ВЧ динамик.
• Bi-amping. Данная функция позволяет подключить НЧ и СЧ, ВЧ каскад к отдельным усилителям. Что это дает? В данном случае мы нивелируем негативное влияние друг на друга НЧ и СЧ сигнала
• Прослушка. У каждой АС свои нюансы воспроизведения, каждая из них по своему украшает звук. Поэтому, как я уже говорил при выборе комплекта лучше всего его будет прослушать в живую.

Источник сигнала

На что обратить внимание

• Поддержка нужных декодеров. Это пожалуй главное, что от плеера нам нужно, сможет ли он подать нам DolbyAtmos сигнал или нет.
• Подключения. Как правило все плееры сейчас оборудованы HDMI входом, но так же важно знать есть ли там Wi-Fi, например для того, чтобы перевести управление вашими устройствами на смартфон.

Провода для подключения и доп. аксессуары

Есть популярное мнение, что дорогие кабели для подключения всей системы – это аудиофильская блажь для «укушенных серебряным кабелем». Это не так, чем выше качество вашей системы, тем выше её чувствительность к внешним факторам, в том числе к ЭМВ искажениям. Конечно же, не стоит покупать себе кабель за 25000$, но и совсем экономить тоже не стоит.

На что обратить внимание

• Сечение акустического кабеля. Акустический кабель должен быть не менее 2.5 мм^2 для того, что бы нивелировать искажения в сигнале. Кабель сейчас практически весь выполнен из OFHC меди с разным количеством девяток после запятой.
• Материал разъемов. Позолоченные разъемы на вашем кабеле это не только показатель того, что вы можете себе купить позолоченный кабель. Окисление контактов приводит к негативному влиянию на качество звука, создавая дополнительные искажения.
• Оплетка кабеля. Как уже было указано, чем выше качество вашей техники, тем выше её чувствительность к внешним факторам, качественное экранирование кабеля позволит избавиться от искажений сигнала из за внешних ЭМ искажений.
• Демпферы. При подборке того, как установить вашу технику, обратите внимание на защиту от вибрации. На демпфирование многие производители тратят огромное количество денег, иногда в самой цене ресивера большая часть заложена именно в защите от вибраций. Сейчас на рынке можно найти множество разных демпферов на любой вкус. Однажды я демпфировал усилитель разрезанной резиной от старого барабанного пэда.
• Длина кабеля. Кабель лучше брать с запасом, потому что шанс того, что понадобится перемещение колонок и компонентов очень велик.

Настройка и установка

Итак, мы выбрали себе все, что нужно для домашнего кинотеатра и привезли домой. Осталось самое интересное – подключение и настройка.

Подготовка помещения

Начнем с акустики помещения, чем больше у вас в помещении мягких шумопоглощающих предметов, тем лучше. Это не обязательно должны быть специально купленные и размещенные вещи. Диваны, шторы, кресла также являются шумопоглотителями.

Как расположить фронтальную пару

Расстояние между фронтальными АС и расстояние между каждой колонкой и слушателем должны составить равнобедренный треугольник. Из этого же треугольника можно рассчитать угол поворота АС к слушателю, грубо говоря, если представить, что ваши руки – стороны треугольника, образующие угол в 90 гардусов, то они визуально должны упираться в фронтальную часть динамика. Но в случае с динамиками с широкой дисперсией распространения сигнала колонки поворачивать не нужно. Расстояние между колонками вы можете выбрать на слух, при помощи стерео звука, желательно с вокалом.

Как расположить тыловые колонки

Тыловые колонки лучше разместить немного дальше зоны прослушивания на уровне головы слушателя (для этого есть специальные подставки, либо настенные крепежи), напротив фронтального канала.

Как расположить центральный канал

Тут, собственно говоря, все очень логично и просто, центральный канал располагается по центру экрана, который служит для просмотра. Естественно на пол его ставить нельзя, так как это нарушает картину звучания человеческого голоса.

Как расположить сабвуфер

Сабвуфер лучше расположить во фронтальной зоне прослушивания, вплотную к стене, для того, что бы добиться более громогласных эффектов за счет отражения звука от стены.

Как расположить колонки для Atmos

Если колонки для Atmos встроены во фронтальную пару, то сложностей с их установкой не будет. То же можно сказать и про дополнительные колонки, которые устанавливаются на фронтальную пару. Но данные АС не смогут адекватно работать в случае, если у вас в квартире (помещении) используются подвесные или натяжные потолки, в таком случае лучше использовать потолочную акустику.

Подключение к ресиверу

Совет из моей личной практики, в первую очередь подключите все акустические и видеокабели сначала к ресиверу, потом подключать провода копаясь в ворохе коннекторов очень тяжело. В качестве коннекторов к акустическому кабелю рекомендую использовать разъем типа «банан», это значительно облегчит все подключения. Обратите внимание на то, чтобы акустический и сетевой кабель не пересекались, в случае с обычным сетевым кабелем он может дать сильные искажения на сигнал проходящий по акустическому кабелю.

Авто настройка

Сейчас практически каждый ресивер обладает функцией авто настройки. Рекомендую им пользоваться, так как он делает большое количество настроек за вас. Работает данная система как сонар, проверяя расположение громкость и акустику помещения. В дальнейшем вы уже можете отстроить звук под себя.

Заключение
Итак мы собрали и настроили домашний кинотеатр. Естественно описанное здесь не является на все 100% универсальным рецептом, все-таки каждая настройка делается под слушателя. Но указанные здесь нюансы нужно учитывать при каждой настройке. Естественно, это не идеальный вариант настройки системы, но ведь не каждый захочет сделать ремонт из-за хорошего звука.

В дальнейшем я планирую рассмотреть AV ресиверы более подробно.

История эта началась довольно давно, уже и не помню когда точно, думаю лет 6-8 назад. Приобрел я в местных «культтоварах» за $140 ресивер BBK AV321T. Приобрел с одной единственной целью - использование его в качестве усилителя мощности. Прочитал на него сервис-мануал и даже не поверил, что он имеет такую начинку. Ни разу он у меня не работал в той среде, которой задумал китайский создатель - в домашнем кинотеатре. Однако за эти деньги я получил довольно многое: тороидальный трансформатор, неплохой по конструкции блок питания с шунтированными диодами и двумя конденсаторами по 15 т.мкФ, классическая схема усилителя мощности. Заявленная мощность - 80 Вт на канал в стерео, самые что ни есть настоящие. Он у меня так и трудился в качестве контрольного усилителя от внешней звуковой карты с ПК, потом одно время появился ламповый пред. Однако в силу жизненных обстоятельств востребован он был где-то всего пару лет и потом остался не у дел.

Прошло время, и я смог собрать себе проигрыватель винила на базе Унитры 602 первой модификации. Совершенно случайно смог ее купить за символические деньги практически в первозданном виде - пролежала более 30 лет на антресоли. Вот теперь я и стал подыскивать усиление для этого проигрывателя и решил перевести старенький ресивер на новый уровень и собрать полноценный усилитель с фонокорректором.

В результате чего от ВВК остался корпус и трансформатор с платами блока питания и усилителя мощности. Все остальное было удалено, больше всего мне не нравилась зеркальная лицевая панель:)

Если бы пришлось покупать все это по отдельности, то сумма оказалось бы намного больше $200.

Еще ранее, сразу после покупки, платы блоков питания и усилителя мощности были подвергнуты модернизации. На этих платах были продублированы акустическим проводом земля и силовые дорожки от блока питания до выводов оконечных транзисторов и от транзисторов к реле защиты, и далее на акустические терминалы, которые тоже были заменены. На транзисторы, стоящие перед оконечными, установлены дополнительно радиаторы.

Была сделана новая лицевая панель из искусственного камня, очень уж нравится этот материал. От старенького усилителя «Одиссей 010» позаимствованы наборный регулятор громкости, селектор входов и блок фонокорректора.

Больше всего пришлось повозиться именно с фонокорректором. Произведена полная ревизия, некоторые транзисторы были заменены. Фонокорректор выполнен на двух моно платах без единого конденсатора. В итоге, на пути сигнала от головки звукоснимателя до терминала АС находится всего один конденсатор, я поставил первоначально отечественный К73-17. Конечно, можно было выбрать что-то более интересное и подороже, но я и ранее их использовал, поэтому результат был ожидаем. Разводка сигнала произведена микрофонным кабелем из меди, хорошая экранировка, цена всего 40р/м. Я, правда, убедился, что кабель этот ни чего плохого собой не представляет, на слух он ни чем не хуже кабеля, который я ставил в проигрыватель, тоже медный, недорогой. Хотя, опять же, можно вложится и в более дорогой вариант. В итоге получился полноценный стереоусилитель в духе минимализма.

Сейчас усилитель в режиме тестирования работает именно с проигрывателем для пластинок. Звучание достоверное, больше похоже на мониторное, возможно немного не хватает деликатности, на поверхность выводятся все недостатки записи, сложно предъявить претензии к звучанию, учитывая его небольшую стоимость. Если будет время, постараюсь сравнить его с чем-нибудь. Но сейчас просто хочется слушать винил. Усилитель работает с самодельными двухполосными АС. Если будет интересно, расскажу об этом проекте, правда не уверен, что его смогут повторить - масса тонкостей на этом пути поджидает желающего повторить их.

Уже в процессе написания статьи не удержался и поставил MKP Jantzen Standart Z-Cap вместо к73-17. Результат сразу стал слышен - повысилось разрешение, сцена стала более рельефная.

А вообще - это ведь очень интересно. И самое главное, все вносимые изменения слышны и представляют огромный простор для творчества.

В итоге затраты составили менее $200, но получился очень добротный усилитель. Самое достойное в нем, на мой взгляд - это дискретный регулятор громкости. А самое дорогое по внесенному добавлению - Jantzen Z-Cap.

С удовольствием отвечу на вопросы.

Отдаваемое в последнее время предпочтение ламповым выходным усилителям мощности звуковой частоты для звуковоспроизведения высокой верности трудно понять, исходя из объективного их сравнения с транзисторными УМЗЧ. Ведь по всем измеряемым характеристикам современный УМЗЧ на транзисторах существенно превосходит ламповый. На наш взгляд, измеряемыми обычно нелинейными искажениями (НИ) не исчерпываются те искажения, которые определяют качество звуковоспроизведения.

В самых совершенных конструкциях транзисторных УМЗЧ уровень НИ доведен практически до слухового порога и даже ниже, поэтому сомнительно, что их можно воспринимать на слух, тем более в условиях маскировки полезным сигналом.

Дело, по-видимому, в том, что обычно измеряют НИ в установившемся режиме, когда переходный процесс после подачи на вход испытываемого усилителя измерительного сигнала уже завершен как на входе, так и на выходе усилителя, а в замкнутой петле общей отрицательной обратной связи (ООС) установился стационарный колебательный процесс, отвечающий с большей или меньшей точностью поступающему на вход сигналу.

Очевидно, что нелинейность усилителя проявляется гораздо сильнее во время переходного процесса (длительность которого за счет задержки сигнала в цепи ООС может быть значительной), особенно на его начальном этапе, когда действие ООС наименее эффективно (из-за упомянутой задержки).

В отличие от динамических искажений, приводящих к перегрузке входного каскада на протяжении всей длительности неблагоприятного по параметрам входного сигнала - рассматриваемые переходные НИ имеются даже тогда, когда отсутствуют динамические, но только пока переходный процесс не закончен.

А если учесть, что реальные звуковые программы очень далеки от стационарности и на самом деле вызывают в УМЗЧ почти непрерывный переходный процесс, то при воспроизведении таких программ НИ могут намного превышать измеренные обычными методами в одном и том же экземпляре усилителя.

Вследствие малой длительности переходного процесса по сравнению с временем лабораторных измерений они пока "ускользают" от экспериментального изучения (для этого требуется разработка специальных методов) и в то же время легко воспринимаются на слух на протяжении звучания всей фонограммы.

С этой точки зрения становится понятным преимущество ламповых усилителей: хотя измеряемый уровень НИ у них больше (это относится только к стационарному режиму), в реальных условиях лампы как гораздо более линейные приборы обеспечивают меньшие НИ, чем транзисторы (хотя, конечно, большие, чем те же лампы в стационарном режиме), что и обусловливает лучшее звучание ламповых усилителей.

Однако очевидны такие недостатки ламповых усилителей, как неудобства в эксплуатации, громоздкость и большая масса, значительная потребляемая мощность при сравнительно низких КПД и выходной мощности.

В этой связи выглядело бы заманчивым создание транзисторного усилителя с реальным уровнем НИ не хуже, чем у лампового. Последнее означает, что измеряемый по обычным методикам уровень НИ такого усилителя должен быть снижен на один-два порядка (!) по сравнению с лучшими образцами (можно и больше), чтобы НИ в нестационарном режиме имели приемлемую величину.

Однако применяемые сейчас методы линеаризации транзисторных усилителей, по-видимому, себя уже исчерпали и не позволят достичь требуемого коэффициента НИ (0=0,0001 ...0,00001 %).

Поэтому была поставлена задача изучить возможность получения такого рекордно низкого уровня собственных НИ транзисторного УМЗЧ, не останавливаясь перед сложностью схемотехнических решений, а затем и решить, оправдан ли такой подход, приносит ли он выигрыш по качеству звучания по сравнению с существующими схемами.

Представляемая в настоящей работе конструкция адресована в первую очередь самым взыскательным ценителям высококачественного звуковоспроизведения. Она разработана на основе изложенного в принципа, который является усовершенствованием известного метода снижения искажений, описанного в .

Рис. 1-3. Блок-схемы усилителей.

На рис.1 изображена блок-схема двухкаскадного усилителя с передаточной функцией первого каскада К1 и второго К2, передаточной функцией b цепи общей ООС, охватывающей весь усилитель, и передаточной функцией g цепи местной положительной обратной связи (МПОС), охватывающей первый каскад. Результирующая передаточная функция такого устройства описывается выражением К=К1К2/(1-тК1+рК1К2). (1)

Если установить усиление в петле МПОС тК1=1, то окажется, что в отличие от усилителя с одной ООС, у которого К = К1К2/(1+ |ЗК1К2) и только приближенно К=1/р (при |ЗК1К2»1), передаточная функция данного усилителя будет точно равна 1/р.

При этом глубина ООС должно быть больше глубины МПОС, т.е. |ЗК1К2>уК1, что является необходимым (но недостаточным) условием устойчивости. Таким образом, при уК1=1 подавляются все искажения, которые возникают во втором каскаде и причиной которых является непостоянство его передаточной функции (поскольку К=1/|3 и не зависит от К2).

Однако абсолютно полное подавление искажений возможно только при идеальном первом каскаде. Реально же ему присущи как нелинейные, так и частотные искажения, приводящие к отклонению передаточной функции К1 от оптимального значения. Кроме того, оно изменяется из-за колебаний питающих напряжений, температурного дрейфа и изменения со временем параметров деталей.

Проблемой является и обеспечение совместной устойчивости такой сложной системы при совместном действии ООС и ПОС (второе условие устойчивости), так как введение ПОС уменьшает запас устойчивости исходной системы .

С другой стороны, желательно (для получения наибольшей линейности), чтобы глубина как ПОС, так и ООС была постоянной в рабочем диапазоне частот, т.е. чтобы первый полюс АЧХ системы с разомкнутыми обратными связями находился на частоте f>20...30 кГц, и частота среза в петле ПОС была также не меньше.

Между тем выполнить последние требования и одновременно обеспечить надежный запас устойчивости вовсе не просто, а отступление от них значительно снижает эффективность метода. Видимо, поэтому автору неизвестны примеры использования описанного принципа подавления искажений для целей высококачественного звуковоспроизведения.

Принципиальным недостатком устройства, показанного на рис.1, является, как показывает анализ, то, что петля МПОС включена последовательно в цепь ООС. Значительно улучшить работу устройства можно путем параллельного подключения петли МПОС к петле ООС, т.е. подключив вход второго каскада не к выходу первого каскада (точка 2 рис.1), а к его входу (точка 1).

Блок-схема устройства, предложенного в , показана на рис.2. Важнейшим преимуществом такого устройства является меньший фазовый сдвиг, вносимый в петлю ООС элементами схемы МПОС (от входа устройства до входа второго каскада).

Это понятно из сравнения рис.2 с рис.1, так как очевидно, что фаза сигнала в точке 2 отстает от фазы в точке 1 (рис.1) на фазовый сдвиг, вносимый первым каскадом (и этот сдвиг может быть весьма существенным на частотах 0,2... 1 МГц и выше, в области которых должно обеспечиваться устойчивость устройства).

Данное преимущество является решающим для применения этого метода компенсации искажений в высококачественных УМЗЧ, так как вносимые при его использовании минимальные фазовые сдвиги позволяют получить достаточный запас устойчивости и тем самым обеспечить надежную работу усилителя с МПОС.

Достоинством устройства, показанного на рис.2, является также возможность более независимого (хотя независимость эта относительная, поскольку петли по-прежнему взаимодействуют между собой) и оптимального выбора параметров петель МПОС и ООС в соответствии с их функциональным назначением, которое существенно различно.

Эта большая независимость видна из выражения для передаточной функции усовершенствованной системы К = К2/(1 -7KI +|ЗК2), (2) которое, в отличие от (1), не содержит смешанных произведений передаточных функций элементов, относящихся к различным петлям.

Такое разделение невозможно в устройстве, показанном на рис.1, где первый каскад является общей частью петель МПОС и ООС, вследствие чего его параметры определяют одновременно и свойства ООС, и свойства ПОС. Требования к этим параметрам во многом противоречивы, что также затрудняет решение задачи максимального подавления искажений.

Преимущества параллельного подключения петли МПОС к петле ООС позволяют практически реализовать устройство даже не с одной, а с двумя МПОС, взаимно усиливающими действие друг друга и тем самым улучшающими компенсацию искажений. Блок-схема такого устройства показан на рис.3, где К1, К2, КЗ - передаточные функции трех каскадов основного канала усилителя; в -передаточная функция цепи ООС; а1у1 и а2у2 -передаточные функции первой и второй петли МПОС соответственно, причем равенства а1у1=1 и а2у2=1 устанавливаются с возможно большей точностью. Из его передаточной функции К = К1К2К3/[(1- а1у1)(1-а2у2)+рК1К2К3] (3) следует, что поскольку 1- а1у1<<1, то степень подавления искажений, зависящая от выражения (1-а1у1)(1-а2у2), значительно больше, чем в устройстве с одной петлей МПОС, в котором эта степень определяется одним членом 1 -а1у1<<(1-а1у1)(1-а2у2).

Однако самым замечательным является то, что при одной МПОС минимально достижимый уровень НИ нельзя сделать меньше искажений, вносимых элементами самой петли МПОС, а в устройстве с двумя (или более) петлями МПОС, как показывает расчет, собственные НИ каждой петли МПОС подавляются действием другой, т.е. возможно снизить НИ ниже уровня, определяемого самым линейным блоком устройства, каким должен быть контур МПОС.

Это является существенным преимуществом данного метода компенсации искажений перед другими, позволяющими снижать искажения лишь до предела, определяемого собственной нелинейностью схемы компенсации.

Заметим, что все сказанное выше полностью относится к тем искажениям, которые обусловлены непостоянством передаточных функций (кроме нелинейных, например, амплитудно-частотных). Такие искажения компенсируются в любых частях устройства, кроме цепи ООС b.

Можно показать, что эти искажения компенсируются, если они возникают в частях устройства, находящихся между петлей МПОС и выходом устройства, включая и сам выход, а возникающие между входом устройства и петлей МПОС не компенсируются. Поэтому уровень шума устройства, показанного на рис.3, определяется в основном шумовыми свойствами входного каскада.

Характеристики усилителя мощности

• Номинальное входное напряжение 0,3 В;
• Номинальная выходная мощность на нагрузке 8 Ом (4 Ом) - 40 (80) Вт;
• Частотный диапазон при завалах на краях не более 0,5 дБ - 15-100000 Гц;
• Входное сопротивление - 50 кОм;
• Выходное сопротивление - 0 Ом;
• (с контурами МПОС) Коэффициент интермодуляционных искажений, не более 0,005 %;
• Уровень шума(взвешенный) -105 дБ (с контурами МПОС).

Принципиальная схема УМЗЧ

Принципиальная схема УМЗЧ, соответствующая рис.3, изображена на рис.4. Для получения как можно более низкого уровня НИ основной канал усилителя (без МПОС) задуман как достаточно линейный УМЗН.

Рис. 4. Принципиальная схема транзисторного усилителя мощности НЧ на 80Ватт Hi-End класса.

Для этого все каскады усилителя выполнены двухтактными на комплементарных парах транзисторов, что позволило сделать оба плеча симметричными относительно общего провода и получить более линейную амплитудную характеристику.

Все транзисторы работают в режиме А, за исключением выходного каскада с плавающим смещением на входе (супер-А), которое задается схемой на элементах VT15-VT18, R38-R41, VD15, VD16. Это обеспечивает не выключающийся режим работы оконечных транзисторов при их малом токе покоя.

Входной каскад выполнен по каскадной схеме (VT1, VT3, VT2, VT4). Режим роботы его транзисторов выбран так, что они не входят в режим отсечки или ограничения тока при действии на входе сигналов с амплитудой, в несколько раз превышающей номинальное входное напряжение даже при отключенной ООС.

Этим он выгодно отличается от традиционного дифференциального каскада. Цепочка R19, R18, С7 с частотой среза 90 кГц ограничивает усиление самых высокочастотных составляющих импульсных сигналов, предотвращая перегрузку и последующих каскадов усилителя.

Благодаря этим мерам, а также высокому быстродействию за счет отказа от применения в каскадах транзисторов с общим эмиттером и коррекции по опережению (конденсаторы С5, С6), динамические искажения в усилителе отсутствуют, что особенно важно для устойчивой роботы системы с ПОС.

Напряжение ООС с выхода усилителя подается в точку соединения резисторов R11 и R12, которые вместе с R10 и R13 определяют рабочий ток VT1 и VT2. Одновременно R10 и R13 в составе делителей R14/R10C3 и R15/R13C4 задают передаточную функцию цепи ООС.

Постоянная составляющая выходного напряжения поступает на эмиттеры входных транзисторов через R10R11 и R12R13, а не только через R14 и R15, поэтому глубина ООС по постоянному напряжению намного больше, чем по переменному, и осуществляется жесткая стабилизация постоянной составляющей напряжения на выходе УМЗЧ.

Использование электролитических конденсаторов С3, С4 не приводит, как следует из измерений, к существенному увеличению искажений, так как они поляризованы постоянным напряжением около 4 В (переменная составляющая намного меньше), так что режим их работы практически линеен.

Второй каскад на транзисторах VT5-VT8, включенных по схеме ОК-ОБ, является буферным между двумя контурами МПОС. Диоды VD3-VD6 задают напряжение смещения на базах эмиттерных повторителей VT9, VT10, а диоды VD7, VD8 защищают от слишком сильного его увеличения при неисправностях в усилителе или перегорании одного из предохранителей.

Усилитель напряжения (VT11, VT13 VT12, VT14) также выполнен по каскодной схеме. Напряжение питания первых каскадов около 21 В и задается стабилизатором (VT23, VT24, VD17, VD18). Выходные транзисторы работают с малым током покоя, поэтому термостабилизация их не требуется.

Элементы частотной коррекции R19R18C7, R27C10, R22C8, R23C9 формируют АЧХ усилителя, обеспечивая его устойчивость при действии OOC. Одновременно R19 и R27 служат нагрузкой входного и буферного каскадов соответственно, а также нагрузкой петель МПОС, определяя их коэффициент усиления.

В контурах МПОС использованы полевые транзисторы для минимизации собственных искажений контуров. Каждый контур МПОС -усилительный каскад с коэффициентом передачи около единицы, изменять который можно подстроечными резисторами R58 и R67.

Непосредственным соединением выхода каскада с его входом осуществляется 100%-ная ПОС. Цепочки R57C15 и R66C16 корректируют АЧХ каскадов, улучшая точность компенсации на частотах звукового диапазона. Контуры МПОС подключают к основному каналу в узловых точках А, В и к общему проводу.

Рабочие точки транзисторов первых каскадов и контуров МПОС жестко стабилизированы высокоомными резисторами в их эмиттерных (истоковых) цепях. Этим достигается постоянство характеристик каскадов, подключенных к точкам А и В.

Кроме того, транзисторы VT3VT4 и VT27VT28, VT7VT8 и VT31VT32 - динамическая нагрузка друг для друга, а эмиттерные повторители VT5VT6, VT9VT10 и полевые транзисторы VT25VT26 и VT29VT30 обладают высоким входным сопротивлением, поэтому сопротивление нагрузки для петель МПОС определяется резисторами R19, R27 (на звуковых частотах).

Благодаря этому удалось добиться высокой стабильности усиления в петлях МПОС, которое не зависит от температуры и не изменяется с течением времени.

Налаживание усилителя

Затем подстроечными резисторами R7, R20 и R31 установить нулевое напряжение на выходе усилителя и в узловых точках А и В соответственно. Проверить суммарное падение напряжения на парах диодов VD3VD4, VD5VD6, VD11VD12, VD13VD14, которое должно быть около 2 В. После этого проверить ток покоя выходных транзисторов

VT21, VT22, который должен быть в пределах 20...30 мА. Величину его нужно установить подбором резисторов R38, R39, при которых искажения типа "ступенька" отсутствуют.

К выходу усилителя подключают эквивалент нагрузки сопротивлением 4.8 Ом и проверяют работу схемы плавающего смещения оконечной ступени.

Для этого подключают осциллограф к базам VT19 и VT20 и на вход усилителя подают синусоидальный сигнал с частотой 100 Гц. Осциллограмма должна иметь вид пульсирующего напряжения (типа "выпрямленной" синусоиды) с амплитудой около 5 В при номинальном выходном напряжении и сопротивлении нагрузки 4 Ом. При увеличении сопротивления нагрузки или уменьшении входного сигнала эта амплитуда должна уменьшаться.

Проверяют прохождение через усилитель прямоугольных импульсов. Выбросы на осциллограммах выходного напряжения должны отсутствовать, в противном случае увеличивают емкость конденсаторов С5 и С6. На этом настройку основного канала можно считать законченной.

Отметим, что уже базовый усилитель (без контуров МПОС) обладает следующими достаточно высокими характеристиками (смотри начало статьи).

Настраивают контуры МПОС, подключив их к схеме и установив движки R58, R67 в положение максимального сопротивления, т.е. минимального петлевого усиления контуров МПОС.

Напряжение между стоком и истоком полевых транзисторов должно быть не более 10 В (максимально допустимое для транзистора КП103), но и не слишком малым, в противном случае добиваются нужного значения подбором резисторов R51, R52, R60, R61. Желательно, чтобы комплементарные транзисторы были подобраны в пары с близкими значениями начального тока стока и напряжения отсечки.

Вход усилителя закорачивают, к выходу подключают акустическую систему (АС) или измерительный прибор, а сигнал от источника (генератора сигналов или источника музыкальной программы, богатой низко- и высокочастотными составляющими) с высокоомным выходом подают в узловую точку В, имитируя сигнал искажений.

Общий провод источника соединяют с общим проводом усилителя. Регулировкой R58 добиваются максимального ослабления сигнала на выходе усилителя. Подбором R57C15 улучшают подавление высокочастотных составляющих спектра сигнала.

Настроив первый контур МПОС, отключают его от точки А, а источник- имитатор искажений - от точки В. Выход имитатора подключают параллельно резистору R35 и настраивают второй контур МПОС аналогично первому. После этого вновь подключают первый контур МПОС и наблюдают дополнительное подавление сигнала.

На завершающем этапе проводят прямую проверку подавления НИ в усилителе. Достаточно измерить лишь коэффициент интермодуляционных искажений ОИ, так как при достаточно малых его значениях коэффициент гармонических искажений заведомо приемлем.

В соответствии с методикой на вход усилителя подают два синусоидальных сигнала с частотой 25-30 кГц и разностью частот 1 кГц при одинаковой амплитуде, не превышающей половины номинальной, и оценивают уровень звука, воспроизводимого АС.

При отключенных контурах МПОС можно расслышать очень тихий звук (соответствующий 0И=0,005%), который при их подключении полностью исчезает.

Для наглядной демонстрации подавления НИ можно временно увеличить нелинейность базового усилителя путем подключения цепочки из последовательно соединенных диода в проводящем направлении (например, Д9) и резистора сопротивлением 47 кОм параллельно резистору R9.

При этом ОИ базового усилителя возрастает примерно до 0,5%, комбинационная частота становится отчетливо различимой, и можно более уверенно судить о ее подавлении при подключении контуров МПОС.

Из таких измерений следует, что каждый из контуров МПОС подавляет искажения не менее чем на 30 дБ, а оба они вместе - почти на 60 дБ, так что НИ всего усилителя измерить обычными методами невозможно из-за их крайне малой величины, а можно только оценить с учетом ОИ базового усилителя, уменьшенного на три порядка, что дает фантастическую величину 0И=0,00001%)!

Следует отметить еще одну положительную сторону применения МПОС в усилителе. Так как при прекращении действия общей ООС коэффициент усиления из-за действия ПОС стремится возрастать, то при задержках сигнала в цепи ООС контуры МПОС становятся фактически форсирующими корректирующими устройствами, которые ускоряют процессы в системе и уменьшают фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами . Благодаря этому улучшается качество переходного процесса, что также способствует уменьшению искажений.

Субъективное впечатление от работы данного усилителя трудно передать словами, нужно слышать чистоту и прозрачность его звучания. В этом отношении он не только не уступает ламповым усилителям, но и заметно превосходит их, не внося в звуковую картину практически ничего "от себя".

Опыт его эксплуатации в течение 5 лет показал надежность конструкции, а периодические проверки - хорошую стабильность настройки и сохранение точности компенсации искажений в заданных пределах без дополнительных регулировок.

Детали и печатная плата

Печатная плата разработана с учетом обычных требований. Блоки МПОС на транзисторах VT25-VT32 выполнены на двух отдельных небольших платах и в виде модулей и закреплены перпендикулярно плате основного усилителя вблизи узловых точек А и В.

Рис. 5-6. Печатные платы для схемы высококачественного усилителя мощности НЧ.

В усилителе использованы резисторы типа МЛТ, подстроечные резисторы типа СПЗ-29М, конденсаторы К50-16 (СЗ, С4, С11-С14), K73-I7 (C1, C2), КД1, KT1 -остальные. Теплоотводы транзисторов VT21, VT22 расположены вблизи элементов схемы плавающего смещения оконечного каскада для компенсации температурной нестабильности тока покоя выходных транзисторов.

Печатные платы выполнены из фольгированного текстолита. Размер платы основного канала (рис.5) 150 х 105 мм, модулей МПОС (рис.6) 105 х 30 мм.

После распайки всех деталей модули МПОС устанавливают на основную плату вдоль направлений, указанных стрелками на рис.1. Соответствующие печатные проводники плат соединяются согласно принципиальной схемы с помощью проволочных перемычек. Шины общего провода можно соединить с помощью проволочных растяжек, удерживающих платы во взаимно перпендикулярном положении.

Отключение и подключение контуров МПОС при настройке производится перемычками между узловыми точками А, Б и соответствующими точками модулей МПОС.

Для стерео усилителя платы основного канала и модулей МПОС имеют вдвое большую ширину - не 105, а 210 мм, и на них нанесены по два одинаковых рисунка.

Компоновке усилителя следует уделить особое внимание. Провода, соединяющие усилитель с блоком питания, должны быть максимально короткими и большого сечения.

Особенно это касается провода, соединяющего шину общего провода печатной платы с «нулем» блока питания - точкой соединения конденсаторов фильтра.

Если по каким-то причинам последнее требование невыполнимо, то «земляные» выводы конденсаторов С13, С14 лучше не соединять с общим проводом на плате, а, закоротив между собой, соединить с «нулем» блока питания отдельным проводом. К этому же месту подключаются и провода от акустических систем, как показано на рис.7.

Рис. 7. Разводка нуля и подключение АС в усилителе.

Качество компоновки стереоусилителя легко проверить, нагружая один его канал 4-омным эквивалентом нагрузки и подавая на вход этого канала меандр с частотой 2000 Гц, а контроль проводить по АС второго канала, вход которого закорочен. При правильной компоновке сигнала с частотой меандра в АС не должно быть.

Литература:

1. Матюшкин В.П. - Линейный усилитель.
2. Проектирование транзисторных усилителей звуковых частот - Н.Л. Безладнов, Б.Я.Герценштейн, В.И. Кожанов и др. -М.: Связь, 1976.
3. Костин В. - Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров УМЗЧ. Радио-1987-12.
4. Хлыпало Е.И. - Расчет и проектирование нелинейных корректирующих устройств в автоматических системах, 1982.

Ответы Матюшкина В.П. на вопросы тех, кто хочет повторить конструкцию усилителя

- Какова скорость нарастания выходного напряжения? Ответ: Скорость нарастания выходного напряжения не менее 20 В/мкс при включенной ООС.

Какова величина коэффициента усиления? Ответ: Величина Ку определяется величиной коэффициента передачи цепи ООС (обратна ей) и на звуковых частотах - главным образом отношением R14/R10 (R15/R13). Измеренная его величина около 86.

- Какое максимальное напряжение допустимо на входе усилителя без ухудшения его характеристик?

Ответ: При ограничении пиков сигнала в выходном каскаде искажения не компенсируются, поскольку «исправляющее» напряжение звеньев МПОС уже не может изменить ивых. В такие моменты параметры усилителя соответствуют усилителю без МПОС в режиме ограничения, и искажения значительны. Следовательно, ивх не должно быть больше номинального.

- Можно ли избежать использования эмиттерных повторителей, т.е. сократить путь прохождения сигнала?

Ответ: Без эмиттерных повторителей обойтись нельзя. Они необходимы для согласования высокого Rвых буферного каскада и звена МПОС со сравнительно низким Rвх усилителя напряжения. Кроме того, ЭП нужны для усиления сигнала по току, т.к. только они вместе с VT11, VT12 определяют ток раскачки оконечного каскада (VT13, VT14 по току не усиливают, т.к. включены по схеме с ОБ).

- Можно ли понизить отношение сигнал/шум за счет применения в УМЗЧ полевых транзисторов. Если да, то каких и в каких каскадах?

Ответ: В первых каскадах канала усиления необходимо применять комплементарные пары полевых транзисторов с граничной частотой усиления не менее 200 МГц. В звеньях МПОС вполне возможно применение низкочастотных транзисторов, однако для основного канала они не подходят.

В принципе весь УМЗЧ можно выполнить на полевых транзисторах, но это будет уже другая конструкция.

- Можно ли увеличить выходную мощность УМЗЧ, т.е. количество выходных транзисторов?

Наиболее простой вариант - использование вместо VT21, VT22 более современных и мощных КТ8101, КТ8102 и увеличение напряжения питания до ±46 В. Тогда в качестве VT13, VT14 нужно использовать КТ502Е, КТ503Е. Сопротивление резисторов R46, R47 нужно увеличить до 1,5 кОм, а R36, R37 - до 5,1 кОм.

Желательно увеличить емкость конденсаторов в блоке питания. Возможно также понадобится изменить номиналы корректирующих элементов C5, C6, C8, C9, R18 для обеспечения устойчивости. В результате номинальная мощность возрастает по крайней мере до 150 Вт на нагрузке 4 Ом при номинальном входном напряжении ~ 0,4 В.

- Каким должен быть блок питания УМЗЧ: стабилизированным или нет?

Ответ: Блок питания - нестабилизированный двухполярный выпрямитель с емкостями конденсаторов фильтра 10000 мкФ. Применение импульсных источников питания нежелательно, поскольку они создают значительные ВЧ наводки на цепи УМЗЧ.

- Какова должна быть площадь теплоотводов транзисторов VT19-VT22?

Ответ: Площадь поверхности радиаторов выходных транзисторов должна быть не менее 400 см2. В более мощном варианте УМЗЧ (см. выше) она должна быть увеличена до 600 см2. В этом случае следует снабдить небольшими теплоотводами из листового алюминия толщиной 1,5 мм размером 2х3 см2 и транзисторы VT19, VT20.

- Какими диодами можно заменить КД520А?

Ответ: Они могут быть заменены другими кремниевыми диодами, например,серий КД503, Д219, Д220. Поскольку они определяют рабочие точки соответствующих транзисторов, нужно проверить коллекторный ток VT11, VT12, VT13, VT14 в режиме молчания, величина которого должна быть около 5 мА и не более.

Если он значительно меньше, можно увеличить количество последовательно соединенных диодов по сравнению со схемой, если ток больше -уменьшить сопротивление резисторов R28, R29 (для уменьшения 1к VT11, VT12) и увеличить сопротивление резисторов R32, R35 (для уменьшения 1к VT13, VT14).

- Возможна ли замена подстроечных резисторов R7, R20, R31, R53, R67 проволочными типа СП- 5?

- Какое должно быть сопротивление источника сигналов для настройки усилителя?

Ответ: Выходное сопротивление источника сигналов, подключаемого к узловой точке, должно быть не менее десятков килоом, но при слишком большом Rвых уменьшается регистрируемый сигнал. Я настраивал усилитель, подключая источник сигнала через резистор сопротивлением 16- 20 кОм.

При настройке второго контура Rвых нужно уменьшить до ~2 кОм, а выходное напряжение источника увеличить до нескольких вольт, поскольку при этом регистрируемый сигнал существенно меньше, чем при настройке первого контура.

- Какой допустимый уровень постоянной составляющей на выходе усилителя в точках А и В?

Ответ: На выходе УМЗЧ уровень постоянной составляющей должен быть возможно ближе к нулю. Допустимым можно считать 20- 50 мВ. В точках А и В уровень постоянной составляющей может быть нулевым только при идеальной комплементарности пар транзисторов VT5, VT6 и VT9, VT10.

Поскольку на самом деле разброс входных характеристик достигает десятых долей вольта, то и упомянутый уровень должен отличаться от нуля на величину этого разброса, если более приоритетным (как в данном случае) является поддержание одинаковых токов коллекторов в каждой из пар транзисторов. Наличие постоянной составляющей в этих точках не имет принципиального значения.

- Возможна ли подстройка токов коллекторов транзисторов VT11, VT12 резисторами R33, R34 (подстройка резисторами R28, R29 невозможна)?

Ответ: Возможна, но не желательна, так как коэффициент передачи канала усиления сильно зависит от сопротивлений резисторов R33, R34, и изменение их может привести к самовозбуждению, для устранения которого потребуется изменить номиналы других элементов коррекции.

Следует действовать, как указано в РА2/99 (с. 12). Замечу, что при R28=R29=0 1к транзисторов VT11, VT12 тоже будет равен нулю, поэтому уменьшить ток коллекторов уменьшением сопротивлений резисторов R28 и R29 всегда можно. Важно изменять сопротивления одинаково и одновременно. Если это не удается, то либо неисправны транзисторы, либо потенциал в точке В слишком велик, и его нужно отрегулировать с помощью R31.

- Какова причина того, что второй контур МПОС (VT29- VT32) не удается настроить? Испытания проводились в обоих каналах усилителя, все элементы МПОС исправны, напряжения на транзисторах соответствуют рекомендованным в статье.

Ответ: В-контур МПОС настроить сложнее, хотя принцип настройки одинаков. Во-первых, трудно получить значительный уровень сигнала на выходе усилителя. Во- вторых, при подключении имитатора к усилителю напряжения и оконечному каскаду легко наступает самовозбуждение, а даже при незначительном возбуждении R67 уже практически не действует. Поэтому при настройке нужно контролировать отсутствие генераций.

В- контур можно настроить по минимуму нелинейных искажений при проведении эксперимента, описанного в конце статьи. Номиналы элементов схемы выбраны так, что даже без настройки точность установки а1, у1 порядка 10%, и задача сводится к достижению максимально возможного эффекта.

- Требуется ли подбирать транзисторы по коэффициенту усиления?

Ответ: Биполярные транзисторы (в основном канале усиления) подбирать не нужно. Полевые транзисторы (в контурах МПОС) желательно подобрать по значениям начального тока стока и напряжения отсечки.

Ответ: Вначале был собран один УМЗЧ. После доводки схемы она была повторена как второй канал стереоусилителя. Он был работоспособен и имел близкие к первому характеристики без подбора элементов (не считая полевых транзисторов). Это свидетельствует о хорошей повторяемости конструкции.

Радиолюбитель из г. Житомира Дубченко Р. собрал усилитель, слушает его с акустикой S- 90 и доволен звучанием. Сообщил, что у него получились практически все эксперименты с контурами МПОС (настройка и подавление искажений), описанные в статье.

Ответ: Судя по симптомам, проблемы не в самом усилителе, а от неправильной стыковки его с источником сигнала (ИС), блоком питания (БП) и нагрузкой. Входное сопротивление усилителя сравнительно велико, поэтому его вход чувствителен к наводкам.

Ни в коем случае нельзя переносить "земляной" вывод нагрузки к общей шине печатной платы. Коллекторный провод каждого выходного транзистора нужно свить в один жгут с эмиттерным, базовый провод оставить свободным. Если длина проводов больше 10 см, следует укоротить их.

Шум исчезает после подключения первого контура МПОС к точке А. До этого он, действительно, ощутим. Однако пока усилитель не налажен, контуры МПОС подключать не следует. Сначала надо добиться устойчивой работы усилителя на эквивалент нагрузки и только потом подключать АС.

- Какие транзисторы серий КП103 и КП303 можно применять, какой допустимый разброс их параметров и какое номинальное напряжение между стоком и истоком?

Ответ: Можно применять транзисторы КП103Е, Ж, И; КП303А, Б, Ж с разбросом параметров 20-30%. иси.ном ~9 В. Приводим также ответы автора на вопросы по статье В. П. Матюшкина"Физиологическое регулирование тембра" (см. ниже)

- Какую функциональную зависимость должен иметь переменный резистор R15 (рис.4,а)?

Ответ: Лучше использовать переменные резисторы R14, R15 с линейной характеристикой регулирования.

- Какие схемы предварительного усилителя, регуляторов громкости и стереобаланса применил автор?

Ответ: Можно использовать любые схемы этих устройств.

- Являются ли кривые на графике рис.4,б в высокочастотной области продолжением кривых в низкочастотной (кривые 0, 1, 2)?

Ответ: Высокочастотные части АЧХ на рис.4,б показаны при различных положениях движка R15 для иллюстрации их характерной формы. Вид их при f>>1 кГц практически не зависит от положения переключателя SA1. Другими словами, регулировки тембра НЧ и ВЧ не зависят друг от друга, как в обычных регуляторах тембра.

– Сосед запарил по батарее стучать. Сделал музыку громче, чтобы его не слышать.
(Из фольклора аудиофилов).

Эпиграф иронический, но аудиофил совсем не обязательно «больной на всю голову» с физиономией Джоша Эрнеста на брифинге по вопросам отношений с РФ, которого «прёт» оттого, что соседи «счастливы». Кто-то хочет слушать серьезную музыку дома как в зале. Качество аппаратуры для этого нужно такое, какое у любителей децибел громкости как таковых просто не помещается там, где у здравомыслящих людей ум, но у последних оный за разум заходит от цен на подходящие усилители (УМЗЧ, усилитель мощности звуковой частоты). А у кого-то попутно возникает желание приобщиться к полезным и увлекательным сферам деятельности – технике воспроизведения звука и вообще электронике. Которые в век цифровых технологий неразрывно связаны и могут стать высокодоходной и престижной профессией. Оптимальный во всех отношениях первый шаг в этом деле – сделать усилитель своими руками: именно УМЗЧ позволяет с начальной подготовкой на базе школьной физики на одном и том же столе пройти путь от простейших конструкций на полвечера (которые, тем не менее, неплохо «поют») до сложнейших агрегатов, через которые с удовольствием сыграет и хорошая рок-группа. Цель данной публикации – осветить первые этапы этого пути для начинающих и, возможно, сообщить кое-что новое опытным.

Простейшие

Итак, для начала попробуем сделать усилитель звука, который просто работает. Чтобы основательно вникнуть в звукотехнику, придется постепенно освоить довольно много теоретического материала и не забывать по мере продвижения обогащать багаж знаний. Но любая «умность» усваивается легче, когда видишь и щупаешь, как она работает «в железе». В этой статье далее тоже без теории не обойдется – в том, что нужно знать поначалу и что возможно пояснить без формул и графиков. А пока достаточно будет умения и пользоваться мультитестером.

Примечание: если вы до сих пор не паяли электронику, учтите – ее компоненты нельзя перегревать! Паяльник – до 40 Вт (лучше 25 Вт), максимально допустимое время пайки без перерыва – 10 с. Паяемый вывод для теплоотвода удерживается в 0,5-3 см от места пайки со стороны корпуса прибора медицинским пинцетом. Кислотные и др. активные флюсы применять нельзя! Припой – ПОС-61.

Слева на рис. – простейший УМЗЧ, «который просто работает». Его можно собрать как на германиевых, так и на кремниевых транзисторах.

На этой крошке удобно осваивать азы наладки УМЗЧ с непосредственными связями между каскадами, дающими наиболее чистый звук:

• Перед первым включением питания нагрузку (динамик) отключаем;
• Вместо R1 впаиваем цепочку из постоянного резистора на 33 кОм и переменного (потенциометра) на 270 кОм, т.е. первый прим. вчетверо меньшего, а второй прим. вдвое большего номинала против исходного по схеме;
• Подаем питание и, вращая движок потенциометра, в точке, обозначенной крестиком, выставляем указанный ток коллектора VT1;
• Снимаем питание, выпаиваем временные резисторы и замеряем их общее сопротивление;
• В качестве R1 ставим резистор номинала из стандартного ряда, ближайшего к измеренному;
• Заменяем R3 на цепочку постоянный 470 Ом + потенциометр 3,3 кОм;
• Так же, как по пп. 3-5, в т. а выставляем напряжение, равное половине напряжения питания.

Точка а, откуда снимается сигнал в нагрузку это т. наз. средняя точка усилителя. В УМЗЧ с однополярным питанием в ней выставляют половину его значения, а в УМЗЧ в двухполярным питанием – ноль относительно общего провода. Это называется регулировкой баланса усилителя. В однополярных УМЗЧ с емкостной развязкой нагрузки отключать ее на время наладки не обязательно, но лучше привыкать делать это рефлекторно: разбалансированный 2-полярный усилитель с подключенной нагрузкой способен сжечь свои же мощные и дорогие выходные транзисторы, а то и «новый, хороший» и очень дорогой мощный динамик.

Примечание: компоненты, требующие подбора при наладке устройства в макете, на схемах обозначаются или звездочкой (*), или штрихом-апострофом (‘).

В центре на том же рис. – простой УМЗЧ на транзисторах, развивающий уже мощность до 4-6 Вт на нагрузке 4 Ом. Хотя и работает он, как и предыдущий, в т. наз. классе AB1, не предназначенном для Hi-Fi озвучивания, но, если заменить парой таких усилитель класса D (см. далее) в дешевых китайских компьютерных колонках, их звучание заметно улучшается. Здесь узнаем еще одну хитрость: мощные выходные транзисторы нужно ставить на радиаторы. Компоненты, требующие дополнительного охлаждения, на схемах обводятся пунктиром; правда, далеко не всегда; иногда – с указанием необходимой рассеивающей площади теплоотвода. Наладка этого УМЗЧ – балансировка с помощью R2.

Справа на рис. – еще не монстр на 350 Вт (как был показан в начале статьи), но уже вполне солидный зверюга: простой усилитель на транзисторах мощностью 100 Вт. Музыку через него слушать можно, но не Hi-Fi, класс работы – AB2. Однако для озвучивания площадки для пикника или собрания на открытом воздухе, школьного актового или небольшого торгового зала он вполне пригоден. Любительская рок-группа, имея по такому УМЗЧ на инструмент, может успешно выступать.

В этом УМЗЧ проявляются еще 2 хитрости: во-первых, в очень мощных усилителях каскад раскачки мощного выхода тоже нужно охлаждать, поэтому VT3 ставят на радиатор от 100 кв. см. Для выходных VT4 и VT5 нужны радиаторы от 400 кв. см. Во-вторых, УМЗЧ с двухполярным питанием совсем без нагрузки не балансируются. То один, то другой выходной транзистор уходит в отсечку, а сопряженный в насыщение. Затем, на полном напряжении питания скачки тока при балансировке способны вывести из строя выходные транзисторы. Поэтому для балансировки (R6, догадались?) усилитель запитывают от +/–24 В, а вместо нагрузки включают проволочный резистор 100…200 Ом. Кстати, закорючки в некоторых резисторах на схеме – римские цифры, обозначающие их необходимую мощность рассеяния тепла.

Примечание: источник питания для этого УМЗЧ нужен мощностью от 600 Вт. Конденсаторы сглаживающего фильтра – от 6800 мкФ на 160 В. Параллельно электролитическим конденсаторам ИП включаются керамические по 0,01 мкФ для предотвращения самовозбуждения на ультразвуковых частотах, способного мгновенно сжечь выходные транзисторы.

На полевиках

На след. рис. – еще один вариант достаточно мощного УМЗЧ (30 Вт, а при напряжении питания 35 В – 60 Вт) на мощных полевых транзисторах:

Звук от него уже тянет на требования к Hi-Fi начального уровня (если, разумеется, УМЗЧ работает на соотв. акустические системы, АС). Мощные полевики не требуют большой мощности для раскачки, поэтому и предмощного каскада нет. Еще мощные полевые транзисторы ни при каких неисправностях не сжигают динамики – сами быстрее сгорают. Тоже неприятно, но все-таки дешевле, чем менять дорогую басовую головку громкоговорителя (ГГ). Балансировка и вообще наладка данному УМЗЧ не требуются. Недостаток у него, как у конструкции для начинающих, всего один: мощные полевые транзисторы много дороже биполярных для усилителя с такими же параметрами. Требования к ИП – аналогичные пред. случаю, но мощность его нужна от 450 Вт. Радиаторы – от 200 кв. см.

Примечание: не надо строить мощные УМЗЧ на полевых транзисторах для импульсных источников питания, напр. компьютерных. При попытках «загнать» их в активный режим, необходимый для УМЗЧ, они или просто сгорают, или звук дают слабый, а по качеству «никакой». То же касается мощных высоковольтных биполярных транзисторов, напр. из строчной развертки старых телевизоров.

Сразу вверх

Если вы уже сделали первые шаги, то вполне естественным будет желание построить УМЗЧ класса Hi-Fi, не вдаваясь слишком глубоко в теоретические дебри. Для этого придется расширить приборный парк – нужен осциллограф, генератор звуковых частот (ГЗЧ) и милливольтметр переменного тока с возможностью измерения постоянной составляющей. Прототипом для повторения лучше взять УМЗЧ Е. Гумели, подробно описанный в «Радио» №1 за 1989 г. Для его постройки понадобится немного недорогих доступных компонент, но качество удовлетворяет весьма высоким требованиям: мощность до 60 Вт, полоса 20-20 000 Гц, неравномерность АЧХ 2 дБ, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) 0,01%, уровень собственных шумов –86 дБ. Однако наладить усилитель Гумели достаточно сложно; если вы с ним справитесь, можете браться за любой другой. Впрочем, кое-какие из известных ныне обстоятельств намного упрощают налаживание данного УМЗЧ, см. ниже. Имея в виду это и то, что в архивы «Радио» пробраться не всем удается, уместно будет повторить основные моменты.

Схемы простого высококачественного УМЗЧ

Схемы УМЗЧ Гумели и спецификация к ним даны на иллюстрации. Радиаторы выходных транзисторов – от 250 кв. см. для УМЗЧ по рис. 1 и от 150 кв. см. для варианта по рис. 3 (нумерация оригинальная). Транзисторы предвыходного каскада (КТ814/КТ815) устанавливаются на радиаторы, согнутые из алюминиевых пластин 75х35 мм толщиной 3 мм. Заменять КТ814/КТ815 на КТ626/КТ961 не стоит, звук заметно не улучшается, но налаживание серьезно затрудняется.

Этот УМЗЧ очень критичен к электропитанию, топологии монтажа и общей, поэтому налаживать его нужно в конструктивно законченном виде и только со штатным источником питания. При попытке запитать от стабилизированного ИП выходные транзисторы сгорают сразу. Поэтому на рис. даны чертежи оригинальных печатных плат и указания по наладке. К ним можно добавить что, во-первых, если при первом включении заметен «возбуд», с ним борются, меняя индуктивность L1. Во-вторых, выводы устанавливаемых на платы деталей должны быть не длиннее 10 мм. В-третьих, менять топологию монтажа крайне нежелательно, но, если очень надо, на стороне проводников обязательно должен быть рамочный экран (земляная петля, выделена цветом на рис.), а дорожки электропитания должны проходить вне ее.

Примечание: разрывы в дорожках, к которым подключаются базы мощных транзисторов – технологические, для налаживания, после чего запаиваются каплями припоя.

Налаживание данного УМЗЧ много упрощается, а риск столкнуться с «возбудом» в процессе пользования сводится к нулю, если:

• Минимизировать межблочный монтаж, поместив платы на радиаторах мощных транзисторов.
• Полностью отказаться от разъемов внутри, выполнив весь монтаж только пайкой. Тогда не нужны будут R12, R13 в мощном варианте или R10 R11 в менее мощном (на схемах они пунктирные).
• Использовать для внутреннего монтажа аудиопровода из бескислородной меди минимальной длины.

При выполнении этих условий с возбуждением проблем не бывает, а налаживание УМЗЧ сводится к рутинной процедуре, описанной на рис.

Провода для звука

Аудиопровода не досужая выдумка. Необходимость их применения в настоящее время несомненна. В меди с примесью кислорода на гранях кристаллитов металла образуется тончайшая пленочка окисла. Оксиды металлов полупроводники и, если ток в проводе слабый без постоянной составляющей, его форма искажается. По идее, искажения на мириадах кристаллитов должны компенсировать друг друга, но самая малость (похоже, обусловленная квантовыми неопределенностями) остается. Достаточная, чтобы быть замеченной взыскательными слушателями на фоне чистейшего звука современных УМЗЧ.

Производители и торговцы без зазрения совести подсовывают вместо бескислородной обычную электротехническую медь – отличить одну от другой на глаз невозможно. Однако есть сфера применения, где подделка не проходит однозначно: кабель витая пара для компьютерных сетей. Положить сетку с длинными сегментами «леварем», она или вовсе не запустится, или будет постоянно глючить. Дисперсия импульсов, понимаешь ли.

Автор, когда только еще пошли разговоры об аудиопроводах, понял, что, в принципе, это не пустая болтовня, тем более, что бескислородные провода к тому времени уже давно использовались в технике спецназначения, с которой он по роду деятельности был хорошо знаком. Взял тогда и заменил штатный шнур своих наушников ТДС-7 самодельным из «витухи» с гибкими многожильными проводами. Звук, на слух, стабильно улучшился для сквозных аналоговых треков, т.е. на пути от студийного микрофона до диска нигде не подвергавшихся оцифровке. Особенно ярко зазвучали записи на виниле, сделанные по технологии DMM (Direct Meta lMastering, непосредственное нанесение металла). После этого межблочный монтаж всего домашнего аудио был переделан на «витушный». Тогда улучшение звучания стали отмечать и совершенно случайные люди, к музыке равнодушные и заранее не предуведомленные.

Как сделать межблочные провода из витой пары, см. след. видео.

Видео: межблочные провода из витой пары своими руками

К сожалению, гибкая «витуха» скоро исчезла из продажи – плохо держалась в обжимаемых разъемах. Однако, к сведению читателей, только из бескислородной меди делается гибкий «военный» провод МГТФ и МГТФЭ (экранированный). Подделка невозможна, т.к. на обычной меди ленточная фторопластовая изоляция довольно быстро расползается. МГТФ сейчас есть в широкой продаже и стоит много дешевле фирменных, с гарантией, аудиопроводов. Недостаток у него один: его невозможно выполнить расцвеченным, но это можно исправить бирками. Есть также и бескислородные обмоточные провода, см. далее.

Теоретическая интермедия

Как видим, уже на первых порах освоения звукотехники нам пришлось столкнуться с понятием Hi-Fi (High Fidelity), высокая верность воспроизведения звука. Hi-Fi бывают разных уровней, которые ранжируются по след. основным параметрам:

1. Полосе воспроизводимых частот.
2. Динамическому диапазону – отношению в децибелах (дБ) максимальной (пиковой) выходной мощности к уровню собственных шумов.
3. Уровню собственных шумов в дБ.
4. Коэффициенту нелинейных искажений (КНИ) на номинальной (долговременной) выходной мощности. КНИ на пиковой мощности принимается 1% или 2% в зависимости от методики измерений.
5. Неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе воспроизводимых частот. Для АС – отдельно на низких (НЧ, 20-300 Гц), средних (СЧ, 300-5000 Гц) и высоких (ВЧ, 5000-20 000 Гц) звуковых частотах.

Примечание: отношение абсолютных уровней каких-либо величин I в (дБ) определяется как P(дБ) = 20lg(I1/I2). Если I1

Все тонкости и нюансы Hi-Fi нужно знать, занимаясь проектированием и постройкой АС, а что касается самодельного Hi-Fi УМЗЧ для дома, то, прежде чем переходить к таким, нужно четко уяснить себе требования к их мощности, необходимой для озвучивания данного помещения, динамическому диапазону (динамике), уровню собственных шумов и КНИ. Добиться от УМЗЧ полосы частот 20-20 000 Гц с завалом на краях по 3 дБ и неравномерностью АЧХ на СЧ в 2 дБ на современной элементной базе не составляет больших сложностей.

Громкость

Мощность УМЗЧ не самоцель, она должна обеспечивать оптимальную громкость воспроизведения звука в данном помещении. Определить ее можно по кривым равной громкости, см. рис. Естественных шумов в жилых помещениях тише 20 дБ не бывает; 20 дБ это лесная глушь в полный штиль. Уровень громкости в 20 дБ относительно порога слышимости это порог внятности – шепот разобрать еще можно, но музыка воспринимается только как факт ее наличия. Опытный музыкант может определить, какой инструмент играет, но что именно – нет.

40 дБ – нормальный шум хорошо изолированной городской квартиры в тихом районе или загородного дома – представляет порог разборчивости. Музыку от порога внятности до порога разборчивости можно слушать при наличии глубокой коррекции АЧХ, прежде всего по басам. Для этого в современные УМЗЧ вводят функцию MUTE (приглушка, мутирование, не мутация!), включающую соотв. корректирующие цепи в УМЗЧ.

90 дБ – уровень громкости симфонического оркестра в очень хорошем концертном зале. 110 дБ может выдать оркестр расширенного состава в зале с уникальной акустикой, каких в мире не более 10, это порог восприятия: звуки громче воспринимаются еще как различимый по смыслу с усилием воли, но уже раздражающий шум. Зона громкости в жилых помещениях 20-110 дБ составляет зону полной слышимости, а 40-90 дБ – зону наилучшей слышимости, в которой неподготовленные и неискушенные слушатели вполне воспринимают смысл звука. Если, конечно, он в нем есть.

Мощность

Расчет мощности аппаратуры по заданной громкости в зоне прослушивания едва ли не основная и самая трудная задача электроакустики. Для себя в условиях лучше идти от акустических систем (АС): рассчитать их мощность по упрощенной методике, и принять номинальную (долговременную) мощность УМЗЧ равной пиковой (музыкальной) АС. В таком случае УМЗЧ не добавит заметно своих искажений к таковым АС, они и так основной источник нелинейности в звуковом тракте. Но и делать УМЗЧ слишком мощным не следует: в таком случае уровень его собственных шумов может оказаться выше порога слышимости, т.к. считается он от уровня напряжения выходного сигнала на максимальной мощности. Если считать совсем уж просто, то для комнаты обычной квартиры или дома и АС с нормальной характеристической чувствительностью (звуковой отдачей) можно принять след. значения оптимальной мощности УМЗЧ:

• До 8 кв. м – 15-20 Вт.
• 8-12 кв. м – 20-30 Вт.
• 12-26 кв. м – 30-50 Вт.
• 26-50 кв. м – 50-60 Вт.
• 50-70 кв. м – 60-100 Вт.
• 70-100 кв. м – 100-150 Вт.
• 100-120 кв. м – 150-200 Вт.
• Более 120 кв. м – определяется расчетом по данным акустических измерений на месте.

Динамика

Динамический диапазон УМЗЧ определяется по кривым равной громкости и пороговым значениям для разных степеней восприятия:

1. Симфоническая музыка и джаз с симфоническим сопровождением – 90 дБ (110 дБ – 20 дБ) идеал, 70 дБ (90 дБ – 20 дБ) приемлемо. Звук с динамикой 80-85 дБ в городской квартире не отличит от идеального никакой эксперт.
2. Прочие серьезные музыкальные жанры – 75 дБ отлично, 80 дБ «выше крыши».
3. Попса любого рода и саундтреки к фильмам – 66 дБ за глаза хватит, т.к. данные опусы уже при записи сжимаются по уровням до 66 дБ и даже до 40 дБ, чтобы можно было слушать на чем угодно.

Динамический диапазон УМЗЧ, правильно выбранного для данного помещения, считают равным его уровню собственных шумов, взятому со знаком +, это т. наз. отношение сигнал/шум.

КНИ

Нелинейные искажения (НИ) УМЗЧ это составляющие спектра выходного сигнала, которых не было во входном. Теоретически НИ лучше всего «затолкать» под уровень собственных шумов, но технически это очень трудно реализуемо. На практике берут в расчет т. наз. эффект маскировки: на уровнях громкости ниже прим. 30 дБ диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот сужается, как и способность различать звуки по частоте. Музыканты слышат ноты, но оценить тембр звука затрудняются. У людей без музыкального слуха эффект маскировки наблюдается уже на 45-40 дБ громкости. Поэтому УМЗЧ с КНИ 0,1% (–60 дБ от уровня громкости в 110 дБ) оценит как Hi-Fi рядовой слушатель, а с КНИ 0,01% (–80 дБ) можно считать не искажающим звук.

Лампы

Последнее утверждение, возможно, вызовет неприятие, вплоть до яростного, у адептов ламповой схемотехники: мол, настоящий звук дают только лампы, причем не просто какие-то, а отдельные типы октальных. Успокойтесь, господа – особенный ламповый звук не фикция. Причина – принципиально различные спектры искажений у электронных ламп и транзисторов. Которые, в свою очередь, обусловлены тем, что в лампе поток электронов движется в вакууме и квантовые эффекты в ней не проявляются. Транзистор же прибор квантовый, там неосновные носители заряда (электроны и дырки) движутся в кристалле, что без квантовых эффектов вообще невозможно. Поэтому спектр ламповых искажений короткий и чистый: в нем четко прослеживаются только гармоники до 3-й – 4-й, а комбинационных составляющих (сумм и разностей частот входного сигнала и их гармоник) очень мало. Поэтому во времена вакуумной схемотехники КНИ называли коэффициентом гармоник (КГ). У транзисторов же спектр искажений (если они измеримы, оговорка случайная, см. ниже) прослеживается вплоть до 15-й и более высоких компонент, и комбинационных частот в нем хоть отбавляй.

На первых порах твердотельной электроники конструкторы транзисторных УМЗЧ брали для них привычный «ламповый» КНИ в 1-2%; звук с ламповым спектром искажений такой величины рядовыми слушателями воспринимается как чистый. Между прочим, и самого понятия Hi-Fiтогда еще не было. Оказалось – звучат тускло и глухо. В процессе развития транзисторной техники и выработалось понимание, что такое Hi-Fi и что для него нужно.

В настоящее время болезни роста транзисторной техники успешно преодолены и побочные частоты на выходе хорошего УМЗЧ с трудом улавливаются специальными методами измерений. А ламповую схемотехнику можно считать перешедшей в разряд искусства. Его основа может быть любой, почему же электронике туда нельзя? Тут уместна будет аналогия с фотографией. Никто не сможет отрицать, что современная цифрозеркалка дает картинку неизмеримо более четкую, подробную, глубокую по диапазону яркостей и цвета, чем фанерный ящичек с гармошкой. Но кто-то крутейшим Никоном «клацает фотки» типа «это мой жирный кошак нажрался как гад и дрыхнет раскинув лапы», а кто-то Сменой-8М на свемовскую ч/б пленку делает снимок, перед которым на престижной выставке толпится народ.

Примечание: и еще раз успокойтесь – не все так плохо. На сегодня у ламповых УМЗЧ малой мощности осталось по крайней мере одно применение, и не последней важности, для которого они технически необходимы.

Опытный стенд

Многие любители аудио, едва научившись паять, тут же «уходят в лампы». Это ни в коем случае не заслуживает порицания, наоборот. Интерес к истокам всегда оправдан и полезен, а электроника стала таковой на лампах. Первые ЭВМ были ламповыми, и бортовая электронная аппаратура первых космических аппаратов была тоже ламповой: транзисторы тогда уже были, но не выдерживали внеземной радиации. Между прочим, тогда под строжайшим секретом создавались и ламповые… микросхемы! На микролампах с холодным катодом. Единственное известное упоминание о них в открытых источниках есть в редкой книге Митрофанова и Пикерсгиля «Современные приемно-усилительные лампы».

Но хватит лирики, к делу. Для любителей повозиться с лампами на рис. – схема стендового лампового УМЗЧ, предназначенного именно для экспериментов: SA1 переключается режим работы выходной лампы, а SA2 – напряжение питания. Схема хорошо известна в РФ, небольшая доработка коснулась только выходного трансформатора: теперь можно не только «гонять» в разных режимах родную 6П7С, но и подбирать для других ламп коэффициент включения экранной сетки в ульралинейном режиме; для подавляющего большинства выходных пентодов и лучевых тетродов он или 0,22-0,25, или 0,42-0,45. Об изготовлении выходного трансформатора см. ниже.

Гитаристам и рокерам

Это тот самый случай, когда без ламп не обойтись. Как известно, электрогитара стала полноценным солирующим инструментом после того, как предварительно усиленный сигнал со звукоснимателя стали пропускать через специальную приставку – фьюзер – преднамеренно искажающую его спектр. Без этого звук струны был слишком резким и коротким, т.к. электромагнитный звукосниматель реагирует только на моды ее механических колебаний в плоскости деки инструмента.

Вскоре выявилось неприятное обстоятельство: звучание электрогитары с фьюзером обретает полную силу и яркость только на больших громкостях. Особенно это проявляется для гитар со звукоснимателем типа хамбакер, дающим самый «злой» звук. А как быть начинающему, вынужденному репетировать дома? Не идти же в зал выступать, не зная точно, как там зазвучит инструмент. И просто любителям рока хочется слушать любимые вещи в полном соку, а рокеры народ в общем-то приличный и неконфликтный. По крайней мере те, кого интересует именно рок-музыка, а не антураж с эпатажем.

Так вот, оказалось, что роковый звук появляется на уровнях громкости, приемлемых для жилых помещений, если УМЗЧ ламповый. Причина – специфическое взаимодействие спектра сигнала с фьюзера с чистым и коротким спектром ламповых гармоник. Тут снова уместна аналогия: ч/б фото может быть намного выразительнее цветного, т.к. оставляет для просмотра только контур и свет.

Тем, кому ламповый усилитель нужен не для экспериментов, а в силу технической необходимости, долго осваивать тонкости ламповой электроники недосуг, они другим увлечены. УМЗЧ в таком случае лучше делать бестрансформаторный. Точнее – с однотактным согласующим выходным трансформатором, работающим без постоянного подмагничивания. Такой подход намного упрощает и ускоряет изготовление самого сложного и ответственного узла лампового УМЗЧ.

“Бестрансформаторный” ламповый выходной каскад УМЗЧ и предварительные усилители к нему

Справа на рис. дана схема бестрансформаторного выходного каскада лампового УМЗЧ, а слева – варианты предварительного усилителя для него. Вверху – с регулятором тембра по классической схеме Баксандала, обеспечивающей достаточно глубокую регулировку, но вносящей небольшие фазовые искажения в сигнал, что может быть существенно при работе УМЗЧ на 2-полосную АС. Внизу – предусилитель с регулировкой тембра попроще, не искажающей сигнал.

Но вернемся к «оконечнику». В ряде зарубежных источников данная схема считается откровением, однако идентичная ей, за исключением емкости электролитических конденсаторов, обнаруживается в советском «Справочнике радиолюбителя» 1966 г. Толстенная книжища на 1060 страниц. Не было тогда интернета и баз данных на дисках.

Там же, справа на рис., коротко, но ясно описаны недостатки этой схемы. Усовершенствованная, из того же источника, дана на след. рис. справа. В ней экранная сетка Л2 запитана от средней точки анодного выпрямителя (анодная обмотка силового трансформатора симметричная), а экранная сетка Л1 через нагрузку. Если вместо высокоомных динамиков включить согласующий трансформатор с обычным динамиков, как в пред. схеме, выходная мощность составить ок. 12 Вт, т.к. активное сопротивление первичной обмотки трансформатора много меньше 800 Ом. КНИ этого оконечного каскада с трансформаторным выходом – прим. 0,5%

Как сделать трансформатор?

Главные враги качества мощного сигнального НЧ (звукового) трансформатора – магнитное поле рассеяния, силовые линии которого замыкаются, обходя магнитопровод (сердечник), вихревые токи в магнитопроводе (токи Фуко) и, в меньшей степени – магнитострикция в сердечнике. Из-за этого явления небрежно собранный трансформатор «поет», гудит или пищит. С токами Фуко борются, уменьшая толщину пластин магнитопровода и дополнительно изолируя их лаком при сборке. Для выходных трансформаторов оптимальная толщина пластин – 0,15 мм, максимально допустимая – 0,25 мм. Брать для выходного трансформатора пластины тоньше не следует: коэффициент заполнения керна (центрального стержня магнитопровода) сталью упадет, сечение магнитопровода для получения заданной мощности придется увеличить, отчего искажения и потери в нем только возрастут.

В сердечнике звукового трансформатора, работающего с постоянным подмагничиванием (напр., анодным током однотактного выходного каскада) должен быть небольшой (определяется расчетом) немагнитный зазор. Наличие немагнитного зазора, с одной стороны, уменьшает искажения сигнала от постоянного подмагничивания; с другой – в магнитопроводе обычного типа увеличивает поле рассеяния и требует сердечника большего сечения. Поэтому немагнитный зазор нужно рассчитывать на оптимум и выполнять как можно точнее.

Для трансформаторов, работающих с подмагничиванием, оптимальный тип сердечника – из пластин Шп (просеченных), поз. 1 на рис. В них немагнитный зазор образуется при просечке керна и потому стабилен; его величина указывается в паспорте на пластины или замеряется набором щупов. Поле рассеяния минимально, т.к. боковые ветви, через которые замыкается магнитный поток, цельные. Из пластин Шп часто собирают и сердечники трансформаторов без подмагничивания, т.к. пластины Шп делают из высококачественной трансформаторной стали. В таком случае сердечник собирают вперекрышку (пластины кладут просечкой то в одну, то в другую сторону), а его сечение увеличивают на 10% против расчетного.

Трансформаторы без подмагничивания лучше мотать на сердечниках УШ (уменьшенной высоты с уширенными окнами), поз. 2. В них уменьшение поля рассеяния достигается за счет уменьшения длины магнитного пути. Поскольку пластины УШ доступнее Шп, из них часто набирают и сердечники трансформаторов с подмагничиванием. Тогда сборку сердечника ведут внакрой: собирают пакет из Ш-пластин, кладут полоску непроводящего немагнитного материала толщиной в величину немагнитного зазора, накрывают ярмом из пакета перемычек и стягивают все вместе обоймой.

Примечание: «звуковые» сигнальные магнитопроводы типа ШЛМ для выходных трансформаторов высококачественных ламповых усилителей мало пригодны, у них большое поле рассеяния.

На поз. 3 дана схема размеров сердечника для расчета трансформатора, на поз. 4 конструкция каркаса обмоток, а на поз. 5 – выкройки его деталей. Что до трансформатора для «бестрансформаторного» выходного каскада, то его лучше делать на ШЛМме вперекрышку, т.к. подмагничивание ничтожно мало (ток подмагничивания равен току экранной сетки). Главная задача тут – сделать обмотки как можно компактнее с целью уменьшения поля рассеяния; их активное сопротивление все равно получится много меньше 800 Ом. Чем больше свободного места останется в окнах, тем лучше получился трансформатор. Поэтому обмотки мотают виток к витку (если нет намоточного станка, это маета ужасная) из как можно более тонкого провода, коэффициент укладки анодной обмотки для механического расчета трансформатора берут 0,6. Обмоточный провод – марок ПЭТВ или ПЭММ, у них жила бескислородная. ПЭТВ-2 или ПЭММ-2 брать не надо, у них от двойной лакировки увеличенный наружный диаметр и поле рассеяния будет больше. Первичную обмотку мотают первой, т.к. именно ее поле рассеяния больше всего влияет на звук.

Железо для этого трансформатора нужно искать с отверстиями в углах пластин и стяжными скобами (см. рис. справа), т.к. «для полного счастья» сборка магнитопровода производится в след. порядке (разумеется, обмотки с выводами и наружной изоляцией должны быть уже на каркасе):

1. Готовят разбавленный вдвое акриловый лак или, по старинке, шеллак;
2. Пластины с перемычками быстро покрывают лаком с одной стороны и как можно быстрее, не придавливая сильно, вкладывают в каркас. Первую пластину кладут лакированной стороной внутрь, следующую – нелакированной стороной к лакированной первой и т.д;
3. Когда окно каркаса заполнится, накладывают скобы и туго стягивают болтами;
4. Через 1-3 мин, когда выдавливание лака из зазоров видимо прекратится, добавляют пластин снова до заполнения окна;
5. Повторяют пп. 2-4, пока окно не будет туго набито сталью;
6. Снова туго стягивают сердечник и сушат на батарее и т.п. 3-5 суток.

Собранный по такой технологии сердечник имеет очень хорошие изоляцию пластин и заполнение сталью. Потерь на магнитострикцию вообще не обнаруживается. Но учтите – для сердечников их пермаллоя данная методика неприменима, т.к. от сильных механических воздействий магнитные свойства пермаллоя необратимо ухудшаются!

На микросхемах

УМЗЧ на интегральных микросхемах (ИМС) делают чаще всего те, кого устраивает качество звука до среднего Hi-Fi, но более привлекает дешевизна, быстрота, простота сборки и полное отсутствие каких-либо наладочных процедур, требующих специальных знаний. Попросту, усилитель на микросхемах – оптимальный вариант для «чайников». Классика жанра здесь – УМЗЧ на ИМС TDA2004, стоящей на серии, дай бог памяти, уже лет 20, слева на рис. Мощность – до 12 Вт на канал, напряжение питания – 3-18 В однополярное. Площадь радиатора – от 200 кв. см. для максимальной мощности. Достоинство – способность работать на очень низкоомную, до 1,6 Ом, нагрузку, что позволяет снимать полную мощность при питании от бортовой сети 12 В, а 7-8 Вт – при 6-вольтовом питании, напр., на мотоцикле. Однако выход TDA2004 в классе В некомплементарный (на транзисторах одинаковой проводимости), поэтому звучок точно не Hi-Fi: КНИ 1%, динамика 45 дБ.

Более современная TDA7261 звук дает не лучше, но мощнее, до 25 Вт, т.к. верхний предел напряжения питания увеличен до 25 В. Нижний, 4,5 В, все еще позволяет запитываться от 6 В бортсети, т.е. TDA7261 можно запускать практически от всех бортсетей, кроме самолетной 27 В. С помощью навесных компонент (обвязки, справа на рис.) TDA7261 может работать в режиме мутирования и с функцией St-By (Stand By, ждать), переводящей УМЗЧ в режим минимального энергопотребления при отсутствии входного сигнала в течение определенного времени. Удобства стоят денег, поэтому для стерео нужна будет пара TDA7261 с радиаторами от 250 кв. см. для каждой.

Примечание: если вас чем-то привлекают усилители с функцией St-By, учтите – ждать от них динамики шире 66 дБ не стоит.

«Сверхэкономична» по питанию TDA7482, слева на рис., работающая в т. наз. классе D. Такие УМЗЧ иногда называют цифровыми усилителями, что неверно. Для настоящей оцифровки с аналогового сигнала снимают отсчеты уровня с частотой квантования, не мене чем вдвое большей наивысшей из воспроизводимых частот, величина каждого отсчета записывается помехоустойчивым кодом и сохраняется для дальнейшего использования. УМЗЧ класса D – импульсные. В них аналог непосредственно преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов (ШИМ) высокой частоты, которая и подается на динамик через фильтр низких частот (ФНЧ).

Звук класса D с Hi-Fi не имеет ничего общего: КНИ в 2% и динамика в 55 дБ для УМЗЧ класса D считаются очень хорошими показателями. И TDA7482 здесь, надо сказать, выбор не оптимальный: другие фирмы, специализирующиеся на классе D, выпускают ИМС УМЗЧ дешевле и требующие меньшей обвязки, напр., D-УМЗЧ серии Paxx, справа на рис.

Из TDAшек следует отметить 4-канальную TDA7385, см. рис., на которой можно собрать хороший усилитель для колонок до среднего Hi-Fi включительно, с разделением частот на 2 полосы или для системы с сабвуфером. Расфильтровка НЧ и СЧ-ВЧ в том и другом случае делается по входу на слабом сигнале, что упрощает конструкцию фильтров и позволяет глубже разделить полосы. А если акустика сабвуферная, то 2 канала TDA7385 можно выделить под суб-УНЧ мостовой схемы (см. ниже), а остальные 2 задействовать для СЧ-ВЧ.

УМЗЧ для сабвуфера

Сабвуфер, что можно перевести как «подбасовик» или, дословно, «подгавкиватель» воспроизводит частоты до 150-200 Гц, в этом диапазоне человеческие уши практически не способны определить направление на источник звука. В АС с сабвуфером «подбасовый» динамик ставят в отельное акустическое оформление, это и есть сабвуфер как таковой. Сабвуфер размещают, в принципе, как удобнее, а стереоэффект обеспечивается отдельными СЧ-ВЧ каналами со своими малогабаритными АС, к акустическому оформлению которых особо серьезных требований не предъявляется. Знатоки сходятся на том, что стерео лучше все же слушать с полным разделением каналов, но сабвуферные системы существенно экономят средства или труд на басовый тракт и облегчают размещение акустики в малогабаритных помещениях, почему и пользуются популярностью у потребителей с обычным слухом и не особо взыскательных.

«Просачивание» СЧ-ВЧ в сабвуфер, а из него в воздух, сильно портит стерео, но, если резко «обрубить» подбасы, что, кстати, очень сложно и дорого, то возникнет очень неприятный на слух эффект перескока звука. Поэтому расфильтровка каналов в сабвуферных системах производится дважды. На входе электрическими фильтрами выделяются СЧ-ВЧ с басовыми «хвостиками», не перегружающими СЧ-ВЧ тракт, но обеспечивающими плавный переход на подбас. Басы с СЧ «хвостиками» объединяются и подаются на отдельный УМЗЧ для сабвуфера. Дофильтровываются СЧ, чтобы не портилось стерео, в сабвуфере уже акустически: подбасовый динамик, ставят, напр., в перегородку между резонаторными камерами сабвуфера, не выпускающими СЧ наружу, см. справа на рис.

К УМЗЧ для сабвуфера предъявляется ряд специфических требований, из которых «чайники» главным считают возможно большую мощность. Это совершенно неправильно, если, скажем, расчет акустики под комнату дал для одной колонки пиковую мощность W, то мощность сабвуфера нужна 0,8(2W) или 1,6W. Напр., если для комнаты подходят АС S-30, то сабвуфер нужен 1,6х30=48 Вт.

Гораздо важнее обеспечить отсутствие фазовых и переходных искажений: пойдут они – перескок звука обязательно будет. Что касается КНИ, то он допустим до 1% Собственные искажения басов такого уровня не слышны (см. кривые равной громкости), а «хвосты» их спектра в лучше всего слышимой СЧ области не выберутся из сабвуфера наружу.

Во избежание фазовых и переходных искажений усилитель для сабвуфера строят по т. наз. мостовой схеме: выходы 2-х идентичных УМЗЧ включают встречно через динамик; сигналы на входы подаются в противофазе. Отсутствие фазовых и переходных искажений в мостовой схеме обусловлено полной электрической симметрией путей выходного сигнала. Идентичность усилителей, образующих плечи моста, обеспечивается применением спаренных УМЗЧ на ИМС, выполненных на одном кристалле; это, пожалуй, единственный случай, когда усилитель на микросхемах лучше дискретного.

Примечание: мощность мостового УМЗЧ не удваивается, как думают некоторые, она определяется напряжением питания.

Пример схемы мостового УМЗЧ для сабвуфера в комнату до 20 кв. м (без входных фильтров) на ИМС TDA2030 дан на рис. слева. Дополнительная отфильтровка СЧ осуществляется цепями R5C3 и R’5C’3. Площадь радиатора TDA2030 – от 400 кв. см. У мостовых УМЗЧ с открытым выходом есть неприятная особенность: при разбалансе моста в токе нагрузки появляется постоянная составляющая, способная вывести из строя динамик, а схемы защиты на подбасах часто глючат, отключая динамик, когда не надо. Поэтому лучше защитить дорогую НЧ головку «дубово», неполярными батареями электролитических конденсаторов (выделено цветом, а схема одной батареи дана на врезке.

Немного об акустике

Акустическое оформление сабвуфера – особая тема, но раз уж здесь дан чертеж, то нужны и пояснения. Материал корпуса – МДФ 24 мм. Трубы резонаторов – из достаточно прочного не звенящего пластика, напр., полиэтилена. Внутренний диаметр труб – 60 мм, выступы внутрь 113 мм в большой камере и 61 в малой. Под конкретную головку громкоговорителя сабвуфер придется перенастроить по наилучшему басу и, одновременно, по наименьшему влиянию на стереоэффект. Для настройки трубы берут заведомо большей длины и, задвигая-выдвигая, добиваются требуемого звучания. Выступы труб наружу на звук не влияют, их потом отрезают. Настройка труб взаимозависима, так что повозиться придется.

Усилитель для наушников

Усилитель для наушников делают своими руками чаще всего по 2-м причинам. Первая – для слушания «на ходу», т.е. вне дома, когда мощности аудиовыхода плеера или смартфона не хватает для раскачки «пуговок» или «лопухов». Вторая – для высококлассных домашних наушников. Hi-Fi УМЗЧ для обычной жилой комнаты нужен с динамикой до 70-75 дБ, но динамический диапазон лучших современных стереонаушников превышает 100 дБ. Усилитель с такой динамикой стоит дороже некоторых автомобилей, а его мощность будет от 200 Вт в канале, что для обычной квартиры слишком много: прослушивание на сильно заниженной против номинальной мощности портит звук, см. выше. Поэтому имеет смысл сделать маломощный, но с хорошей динамикой отдельный усилитель именно для наушников: цены на бытовые УМЗЧ с таким довеском завышены явно несуразно.

Схема простейшего усилителя для наушников на транзисторах дана на поз. 1 рис. Звук – разве что для китайских «пуговок», работает в классе B. Экономичностью тоже не отличается – 13-мм литиевых батареек хватает на 3-4 часа при полной громкости. На поз. 2 – TDAшная классика для наушников «на ход». Звук, впрочем, дает вполне приличный, до среднего Hi-Fi смотря по параметрам оцифровки трека. Любительским усовершенствованиям обвязки TDA7050 несть числа, но перехода звука на следующий уровень классности пока не добился никто: сама «микруха» не позволяет. TDA7057 (поз. 3) просто функциональнее, можно подключать регулятор громкости на обычном, не сдвоенном, потенциометре.

УМЗЧ для наушников на TDA7350 (поз. 4) рассчитан уже на раскачку хорошей индивидуальной акустики. Именно на этой ИМС собраны усилители для наушников в большинстве бытовых УМЗЧ среднего и высокого класса. УМЗЧ для наушников на KA2206B (поз. 5) считается уже профессиональным: его максимальной мощности в 2,3 Вт хватает и для раскачки таких серьезных изодинамических «лопухов», как ТДС-7 и ТДС-15.