ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Это проект по созданию гибридного усилителя звука – имеется ввиду использование в схеме полупроводников и лампы, причём выбор пал на низковольтные нувисторы советского производства 6С63Н. Усилитель должен быть “бустером” для портативного плеера, а раз такой источник сигнала уже имеет регулятор громкости, то отказался от потенциометра на входе. Этот элемент сейчас устарел, качество имеющихся, к сожалению, низкое, а главное, это очень ненадежный элемент. Alps или Bourns – других производителей практически нет подходящих по надежности и качеству, но в любом случае современное китаизированное производство – это не то, что 40-летней давности. Далее блок питания. Я отказался от батареи по одной простой причине: банки большой емкости не так легко доступны, и самый простой источник их получения — это USB. Потому что это устройство не для кармана, а скорее для раскладывания с набором где-нибудь на улице.

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Теперь вернемся к самой лампе. Целью проектирования была такая рабочая точка, чтобы вторая гармоника доминировала, а третья была значительно ниже для среднего уровня музыки при полном контроле. В дополнение к этому уровень напряжения, подаваемого на наушники, составляет около 1 В (0,707 В среднеквадратичного значения), и это очень громко для моего Koss Porta Pro 60 Ом. В первом подходе предполагал коэффициент усиления по напряжению чуть выше единицы (с учетом того, что на выходе силовых каскадов будет стоять последовательный резистор, что, конечно, также дополнительно ослабит мощность и амплитуду напряжения на наушниках).

Начать проектирование стоит от блока питания. Предположим сначала, что выходные каскады симметричны. Было бы удобно +/- 6,3 В так как нити накала обеих последовательно соединенных ламп были бы соединены между плюсом и минусом блока питания. Казалось бы простое решение, но в принципе невыполнимое при взгляде на доступные в настоящее время микросхемы DC/DC преобразователей. К сожалению, чтобы иметь симметричное напряжение, пришлось бы использовать два преобразователя, чего следует избегать, потому что их частоты переключения будут мешать, и результат этих помех может быть слышен в звуковой полосе. Разве что использовать синхронизированные преобразователи, но тут опять же проблема наличия микросхем преобразователей в корпусах, которые можно в любительских условиях припаять к печатной плате.
Дополнительными мерами противодействия являются преобразователи, выдающие отрицательное напряжение, часто это насосы заряда (что-то вроде классической ICL7660). Кроме того, преобразователь должен работать с напряжением примерно от 3 В до 5,5 В. Придётся использовать один повышающий преобразователь с входным напряжением 2,7 – 5,5 В и с выходным напряжением таким, чтобы иметь 12,6 В для ламп после LC-фильтров на выходе БП. Так что будет одно несбалансированное напряжение питания для токовых выходных усилителей. Выбор пал на чип LMR62421, работающий с тактовой частотой 1,6 МГц, очень похожи чипы LM2735X или 520 кГц вариант LM2735Y.

Выходные усилители. Решено ставить токовые буферы LME49600 с единичным коэффициентом усиления по напряжению. В целом, это более известный по звуковым характеристикам BUF634A. Это силовой каскад, двухтактный. Схема работает на частотах свыше 100 МГц (110 МГц или 180 МГц в зависимости от «запрограммированной» полосы пропускания), скорость нарастания тока составляет около 2000 В/мкс. Выход по току 250 мА, что слишком много даже для наушников 16 Ом. Входной ток смещения, максимальный, не превышает 5 мкА, а для сигнала с амплитудой 1 В/пик сопротивление нагрузки около 80 Ом. Входной ток смещения не должен превышать 300 нА. Добавил к выходу последовательный резистор 22 Ом. Это позволяет получить кроме частичной защиты от короткого замыкания и полной для амплитуды сигнала 2Vrms практически постоянную мощность при постоянном уровне напряжения усилителя для наушников с сопротивлением от 16 Ом до 32 Ом. Питание с несимметричным напряжением означает, что вход этого буфера должен быть подтянут до напряжения 6,3 В (половина напряжения питания буфера).

Теперь перейдем к самой лампе. Это низковольтный триод с металлокерамической структурой под названием нувистор, производства СССР. Общие электрические характеристики этой лампы просто идеальны для такого проекта.

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Выбрал анодное напряжение около 18 В. Добавив делитель напряжения за лампой, получим напряжение 6,3 В, поляризующее вход буфера (разумеется, этот делитель подавляет уровень усиливаемого лампой сигнала). Анодное напряжение около 36 В, его получение опишу позже. Нагрузочная линия проведена на рисунке. В расчетах THD и усиления не учитывается нагрузка с этим делителем и тот факт, что неблокированный катодный резистор вносит локальную отрицательную обратную связь, снижая коэффициент усиления и уровень искажений. После симуляций в LTspice стало понятно, что при одном и том же делителе (68к и 36к) и последовательном резисторе 22 Ом на выходе и сопротивлении нагрузки 60 Ом получу предполагаемый коэффициент усиления по напряжению чуть выше единицы. Выбранная рабочая точка подходит идеально, лампа дает чуть больший коэффициент усиления по напряжению, чем подавление этого делителя и последовательного резистора на выходе. Предполагал АЧХ при падении 0,5 дБ и сопротивлении нагрузки 16 Ом не хуже 25 Гц – 25 кГц. Для нагрузки 60 Ом это будет лучше, чем 14 Гц – 25 кГц. Для падения на 3 дБ и нагрузки 32 Ом это будет от 6 Гц до более 75 кГц.

Анодное напряжение. Использовал простое, но эффективное решение с диодным умножителем напряжения, часто публикуемое в даташитах интегральных микросхем DC/DC-преобразователей. Ну а на ключе в преобразователе имеем переменный ток с пиковым напряжением 6,3 В. Два удвоителя дадут напряжение 25,2 В без учета падений напряжения на диодах. Добавляя это напряжение к выходному напряжению получаем 37,8 В. На практике получается около 36 В. Для этой микросхемы потребуется отрицательное напряжение. Оно не обязательно стабилизировано и не обязательно должно быть именно -12,6 В. Опять же, пользуемся тем, что на инверторном ключе переменный ток. Добавляем выпрямитель в цепь удвоителя напряжения и имеем около -11 В.

Принципиальная схема гибридного УНЧ

Далее представлена схема первой версии:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

На схеме также показано отложенное включение выходов с помощью транзистора Т1 и сигнального реле с позолоченными контактами. Очень просто и эффективно. Ток потребления катушкой реле незначителен по сравнению с током накала ламп (130 мА), так что дополнительный небольшой ток (9 мА) протекает через катушку реле все время после включения выхода.

Стабилитроны D1 и D2. Их роль заключается в ограничении перенапряжения на входах LME49600. Когда лампы холодные, после включения питания на этих входах возникает напряжение, близкое к напряжению питания этих буферов. Преобразователь также имеет функцию плавного пуска, которая лишь немного продлевает переходное состояние, связанное с включением питания усилителя. Формально перенапряжения выше 12,6 В нет, как и ниже 0 В. Был выбран диод с малым током блокировки 50 нА для напряжения 10,5 В. Учитывая, что обычно входные амплитуды не превышают значения 2 В/пик по отношению к напряжению 6,3 В, этот диод не оказывает влияния на звуковой сигнал. Замеры и звук усилителей это подтверждают.

Вот чертеж печатной платы этого прототипа (размеры 95 х 73 мм):

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Первый пуск. Запустив преобразователь, пришло время послушать усилитель. Первое знакомство с работой этого прототипа показало потенциал даже для наушников с более высоким сопротивлением (даже 600 Ом с более высоким КПД), пока отказываемся от снижения уровня аудиосигнала этим делителем. Поэтому добавил конденсаторы 1,5 мкФ к резисторам R13 и R14. Это дало около 10 дБ усиления по напряжению — чуть больше, чем в 3 раза. Дополнительное усиление полезно еще и тем, что тогда тише выставляем уровень громкости в источнике сигнала, что положительно сказывается на генерируемых искажениях. Вторая гармоника не воспринимается нашим слухом как искажение. Допускается его высокий уровень до 10%. Вторая гармоника – октавный интервал, пара таких нот – обертон. Для двух звуков, различающихся на октаву, наш слух не различает направления откуда они исходят.

В измерительном стенде в качестве основного измерительного прибора использовался аудиоинтерфейс Focusrite Scarlett 2i2 2gen. Драйверы ASIO, предназначенные для этого устройства, Windows 11 64-бит. Вспомогательным прибором служил цифровой осциллограф для измерения уровня входного сигнала и измерения коэффициента усиления по напряжению. Используемое программное обеспечение: Audiotester, ARTA, STEPS, Multi-Instruments и SpectraPlus. Выход усилителя был нагружен сопротивлением 60 Ом – столько же, сколько у моего Koss Porta Pro. Для эталонных измерений, то есть только самого аудиоинтерфейса, его выход был нагружен сопротивлением 220 Ом как и в усилителе (это влияет на нижнюю предельную частоту выхода аудиоинтерфейса).

Приведенные ниже измерения относятся к уровню входного сигнала 1 В/пик (0,707 В среднеквадратичного значения), который является опорным уровнем 0 дБ.

Измерение АЧХ комплекта усилителя и аудиоинтерфейса:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Только эталонное измерение АЧХ аудиоинтерфейса:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Видно, что выход, нагруженный этим усилителем, то есть его входное сопротивление, равное 220 Ом, имеет уже значительно завышенную нижнюю предельную частоту.

Перекрестные помехи, частота 1 кГц:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Позвольте опустить эталонное измерение перекрестных помех. Это не критичный параметр. Одна модная тенденция рекомендует уменьшить разделение каналов для прослушивания в наушниках, но я предпочитаю расширить стереоэффект на основе DSP и эффект Хасса, например, в Rockbox с открытым исходным кодом.

Теперь THD + N, измерение без взвешенного фильтра и с фильтром A:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

И эталонное измерение THD + N без взвешенного фильтра и с фильтром A:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

В приведенных выше результатах можете увидеть рассчитанные значения SNR, SINAD.

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Хорошо видно что вторая гармоника доминирует, третьей мало, а последующими высшими гармониками можно пренебречь. Отсюда следует, что ожидания относительно характера нелинейных искажений оправдываются. Для быстрого наглядного сравнения приведу результат тестового экспресс-теста программы SpectraPlus, он показывает отличия между лампами лучше:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

В качестве дополнения к замерам THD+N приведу результаты измерений усилителя в процентных значениях, с разбивкой на отдельные гармоники для каждого из каналов и для разных уровней входного сигнала.

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Отдельно стоит сказать об энергопотреблении. У меня не было “специального” USB-кабеля питания для измерения тока (да и “ломать” кабель, который есть, не хотелось). Итак прикидываем: потребляемая мощность на накал ламп 130 мА х 12,6 В, что примерно 1,65 Вт, потребляемая мощность ламповых каскадов 2 по 5 мА х 36 В это 360 мВт. Инвертор потребляет от источника питания около 40 мВт. Суммарный ток покоя буферов 30 мА, то есть будет 380 мВт. Для выходного уровня 1 В среднеквадратичного значения у нас есть общая мощность примерно 25 мВт, катушка реле берет 100 мВт. Вместе имеем около 2,6 Вт потребляемой мощности. При напряжении 4 В и КПД около 80% около 820 мА. Согласно этим оценкам, Powerbank емкостью 20000 мАч будет работать более 20 часов. Это заметно дольше, чем могут работать портативные аудиоплееры.

Вторая версия гибридного УНЧ

Тут изменением является отказ от связи по постоянному току между лампой и буфером. Ещё изменение – немного другая рабочая точка ламп – меньший ток анода, чуть большее отрицательное напряжение смещения управляющей сетки. Перед этапом расчетов на основе SPICE симуляций, немного лучше подогнал модель под характеристики лампы.

Стоит снять немного другую защиту для входов LME49600. Есть два светодиода D1 и D3 для одного канала и D2 и D4 для другого. Эти диоды обеспечивают ограничение напряжения на входе буферов напряжением питания плюс 0,7 В и -0,7 В. Цепь связи лампа-буфер с емкостью и результирующим сопротивлением фактора, поляризующего вход буфера, образуют дифференциальную цепь. Первый вывод положительного перенапряжения появится после включения питания. Лампы холодные, выбросов нет, поэтому имеем повышение напряжения на его аноде до 36 В. Второй вывод, уже минус, это момент, когда лампа нагревается, что вызывает относительно быстрое падение напряжения на аноде с 36 В до примерно 18 В. Эти переходные процессы, конечно, попадают на выход усилителя, но устраняются задержкой переключения выходов на транзисторе Т1.

Принципиальная схема второй версии:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Конструкция печатной платы (ее размеры 100 х 63 мм):

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Ререндеринг печатной платы:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

Список компонентов:

ГИБРИДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ НАУШНИКОВ

При питании от батареек можно практически не обращать внимания на разводку печатной платы этого усилителя. Меняя блок питания на те, что от электросети, эффект будет плохой. Будет сильный гул 50 Гц и 100 Гц. Не помогут изменения номиналов элементов, старые источники тока, фильтры на основе емкостных умножителей. Тогда должна быть другая схема масс траекторий, больше двух масс. Тогда это будет топология с одной общей точкой заземления для каждого лампового каскада, каждого граничного каскада для подключения источников питания каждого напряжения. Отдельные массы соединены только в одной точке. Гораздо сложнее спроектировать такую печатную плату – уж точно большие размеры.

Батарейка означает отсутствие фона 50 Гц (хотя в измерениях видны следы полосы 50 Гц, к сожалению присутствует магнитная составляющая поля помех от электросети) или 100 Гц (это эффект двухполупериодного выпрямления). Еще нужно будет добавить интермодуляцию в выпрямителе даже для 50 и 100 Гц и 150 Гц, а шум там широкий, 50 гармоник (это то, что измеряют лучшие анализаторы качества электроэнергии), то есть измеряется до 2,5 кГц и это как раз идет в область, где ухо имеет наибольшую чувствительность.

Аккумуляторная батарея конечно лучше для этого проекта. И хотя остаются пульсации высокой частоты свыше 500 кГц, или 1,6 МГц при использовании LM62421, но топология массы, которая не оптимальна для подавления пульсаций, в данном случае не имеет значения – мы этого просто не услышим.