Улучшенный логарифмический ступенчатый регулятор громкости LSCM

[Electrovoicer]

Когда разрабатывал усилитель для наушников Oriel Z1, который скоро выйдет "на экраны", захотелось существенно улучшить логарифмический ступенчатый аттенюатор, прозванный в народе регулятором Никитина, в честь его популяризатора, уважаемого и не ленивого человека Алексея Никитина, "немного подумавшего логически, чего с ним давно не случалось" (С)

Я тоже решил повторить трюк на счет подумать логически, хоть и было это чертовски сложно.
Путь был один - делить токи, а не напряжения (это условно, конечно), снижать эквивалентное сопротивление регулятора и ставить инвертирующий буфер. Кроме того, чисто из академического интереса, решил подобрать номиналы из стандартного покупабельного ряда Е96 так, чтобы получилось минимально возможное отклонение от логарифмической характеристики, при этом попав в оптимальный, с точки зрения шумов и искажений, диапазон сопротивлений. Методикой автоматизированного расчета не поделюсь В табличке на принципиальной схеме можно ознакомиться с результатом мозгового напряжения. Эквивалентное сопротивление аттенюатора получилось в районе 3 кОм.

В итоге был создан регулятор (см. приложение), который я назвал кратко LSCM (Logarithmic Step Current Mode Audio Attenuator). Он предъявляет повышенные требования к качеству резисторов и контактных групп реле, но результаты превосходят ожидания - помимо великолепного субъективного качества восприятия, очень высоки и технические параметры. Амплитуды гармоник тестового сигнала 10 кГц 3В рмс не превышают -130дБ.

Еще раз хочу обратить внимание на номиналы и легкую, но необходимую, коррекцию ОУ. ЭТО ВАЖНО для получения максимальных характеристик в данной схеме. Плату желательно использовать 4-слойную, минимизируя при трассировке емкость на инвертирующих входах ОУ, хотя прекрасно разводится и на двухслойке. Питание обмоток реле обязательно следует осуществлять стабилизированным напряжением. Желая сэкономить и используя реле 2342-05 с двумя группами переключающих контактов, даже при оптимальной топологии платы получите разделение стереоканалов в районе -75..-80 дБ на 20 кГц, что немного не солидно на фоне остального

Основные требования к ОУ - низкий токовый шум, высокий первый полюс, высокая собственная линейность до охвата ООС, не низкий ток покоя.

Как видите, друзья, всё как всегда обстоит проще, чем мы думаем. Расстроить вас может только стоимость реле с рутениевыми контактами (~$12/шт) и резисторов (~$1/шт). Очевидно, что для 64-ступенчатого стерео-регулятора нужно 12 реле и 24 резистора.

Если уважаемый Denisius (который, кстати, как оказалось, живет в соседнем доме ) сочтет нужным, черкнет пару слов о прослушивании усилителя, состоявшегося несколько дней назад.

с ув., Павел Гурьев

[Electrovoicer]

Про тонкомпенсацию, например, про регулировки тембров.

э? а это-то здесь причем?

[shkal]

Интересно, насколько слышна разница между этими рэле и обычными приличными сигнальныыми, которые все ставят. Особенно учитывая наличие 2х ОУ до и после. Такой опыт проводился?

[shkal]

Резисторы по доллару - не такой уж перебор. Он же не вишеевскую металлофольгу туда ставил. А вот целесообразность использования таких рэле вопросы вызывает.

[tomtit]

Привет Павел,
Меня заинтересовало упоминание импульсного источника для питания аудио.
Как я догадываюсь это издержки применения класса А.
Не хочется тепловую смерть вселенной приближать?
Видимо у вас только вторичные источники импульсные, да?
Исходя из моего опыта разработки измерительных модулей для индустриального применения (16 бит макс.), где очень
важны развязки и разрыв земляных петель, я вообще не замечал ухудшения работы при использовании обычных ДС-ДС.
С изолированными и сетевыми все сложнее.
Наиболее близко к аудио была разработка измерителя биопотенциалов с пределом 50мкВ, сэмплинг 50К, 16 вит, 16-каналов. Сигнал доставали из под уровня шума,накапливая и усредняя 250-1000раз. Так там все питание, включая сетевое, тоже было импуьсным за исключением локальных ЛДО. Специально покупал несколько больших осветительных батарей и пробовал чисто батарейное питание и никакой разницы не увидел. Из требований электробезопасности входные цепи с потреблением 10вт были изолированы на 4КВ (без общей земли с основным блоком !). Конечно индустриальные серийные модули ДС-ДС не годились, сильно шумели. Так что применение импульсных источников вполне возможно. Но не при любительском подходе к делу. Для сетевых очень важна констукция помехоподавляющего фильтра и наличие хорошо заземленного шасси.

З.Ы. Кстати, макет моего ФПГА ДАК тоже питается от импульсника в розетке 120АС/9ДС, затем изолированный ДС/ДС с малой проходной емкостью и нестабилизированным выходом +5В.
И потом все напряжения для цифры (1.2, 1.8, 2.5, 3.3, 5)
получаются из 5В при помощи локальных неизолированных импульсных ДС/ДС. На вопрос почему так сложно, ответ – использовал кусок макета с помойки, где все уже было сделано.
С уважением.

[Alex]

э? а это-то здесь причем?

Обсуждалось там в теме, в т.ч. и Вадимом (Белкой).

Интересно, насколько слышна разница между этими рэле и обычными приличными сигнальныыми, которые все ставят.

Скорее всего никак не слышна, как и между 3к и 10к регуляторами. Но без всякого сомнения, найдется N+1 человек который эту разницу услышит. Ведь находятся же такие, что разницу между сеетвыми проводками слышат

Наиболее близко к аудио была разработка измерителя биопотенциалов с пределом 50мкВ, сэмплинг 50К, 16 вит, 16-каналов. Сигнал доставали из под уровня шума,накапливая и усредняя 250-1000раз. Так там все питание, включая сетевое, тоже было импуьсным за исключением локальных ЛДО.

В таких усилителях, помехи от импульсных БП лежат гораздо выше рабочей полосы частот, и самое главное - трансформаторы импульсником имеют гораздо меньшую межобмоточную емкость чем обычные, 50гц трансформаторы, что облегчает борьбу в сетевыми наводкамаи. Я тоже в ЭЭГ/ЭКГ импульсники ставил...

Сигнал доставали из под уровня шума,накапливая и усредняя 250-1000раз.

Тем более!

Конечно индустриальные серийные модули ДС-ДС не годились, сильно шумели

Попробуй серийные японские Bennings.

[LoneWolf_SPb]

Попробуй серийные японские Bennings.

Traco сильно хуже?

[Electrovoicer]

Интересно, насколько слышна разница между этими рэле и обычными приличными сигнальными, которые все ставят. Особенно учитывая наличие 2х ОУ до и после. Такой опыт проводился?

такие опыты слишком дороги в том смысле, что необходимо специально создавать одну и ту же конструкцию, меняя только реле, и ничего больше. иначе эксперимент получится "грязный". в различных же устройствах, которые приходилось делать (в частности, преобразователь ток-напряжение для электрохимии, диапазон токов от 10^-13А до 0.1А) я пришел к следующим выводам:
- реле Takamisawa RY12 после нескольких сотен (а это не много) циклов коммутации постоянного тока силой несколько десятков миллиампер изменяют свои контактные свойства и появляется ограничение минимального коммутируемого тока на уровне 100 пА - 1 нА, т.е. ток меньших значений не "пробивает" образовавшуюся сульфидную пленку на золоте. не зря производитель приводит значения минимально коммутируемого тока для этих реле - 0.01 мА. Это, конечно, крайнее значение в течении жизненного цикла, но повод задуматься прекрасный
- реле Takamisawa RY12 даже в режиме коммутации малых токов, <10мА, после 2-3 лет интенсивной эксплуатации (типичный режим работы в аудио-аттенюаторе) опять таки теряют контактные свойства, и , боюсь, все по той же причине - из пластиковых элементов конструкции в следовых количествах насасывается сера, которая приводит к образованию сульфидной пленки.
- реле Coto с контактной группой на основе рутения, находящейся в атмосфере инертного газа, не имеют ни ограничений по минимальному коммутируемому току, ни теряют со временем своих замечательных свойств. сделал на них немало приборов, вот решил и в аудио применить. Кстати, было бы побольше места - поставил бы РЭС-55А, они не значительно хуже были до 89го года выпуска.

---------- Добавлено в 23:33 ---------- Предыдущее сообщение в 23:14 ----------

Привет Павел,
Меня заинтересовало упоминание импульсного источника для питания аудио. Как я догадываюсь это издержки применения класса А.

привет, Игорь!
давно уже не боюсь в прецизионных устройствах применять импульсные источники питания, научился правильно их применять. Обычно стараюсь ставить выходные фильтрики, с центральной частотой на 3 гармонике частоты преобразования. Приходится снимать реальные импедансы реактивных элементов, чтоб такой фильтр правильно работал - производители часто врут или молчат. Также появилось не мало прекрасных быстродействующих LDO, которые основную частоту преобразования умудряются подавить на 40 дб и более. Ну и конечно же при проектировании платы внимательно продумываю топологию, представляю, как будут течь токи потребления и что будут излучать проводники с этими токами, куда и сколько. Пару лет назад делал АЦП 14 бит 125 мспс, там на плате около 12 импульсных преобразователей, не все удалось засинхронизировать. И ничего - для сигнала 50 МГц SFDR лучше 78 дб. конечно, не возьмусь в двух словах объяснить, как такого добиться - куча приемчиков и секретиков...

---------- Добавлено в 23:48 ---------- Предыдущее сообщение в 23:33 ----------

В таких усилителях, помехи от импульсных БП лежат гораздо выше рабочей полосы частот, и самое главное - трансформаторы импульсником имеют гораздо меньшую межобмоточную емкость чем обычные, 50гц трансформаторы, что облегчает борьбу в сетевыми наводкамаи. Я тоже в ЭЭГ/ЭКГ импульсники ставил...

другое дело, что высшие гармоники, порождаемые работой преобразователя, проникая в сигнальные цепи и выпрямляясь в активных цепях (ОУ и прочие полукондукторы), которые с ними справиться не всегда уже в состоянии, вкупе с основным сигналом вызывают кучу побочных комбинационных частот, лежащих и в звуковом диапазоне. вот с этим и приходится иногда побороться путем уменьшения площадей паразитных контуров, в которых текут токи импульсных помех и соответствующим выбором фильтрующих элементов.

---------- Добавлено в 23:52 ---------- Предыдущее сообщение в 23:48 ----------

shkal, а как вам нихромовые резисторы с токовым шумом -40дБ в регуляторе ? Это у Павла проф. деформация такая - использовать лучшее на сегодняшний день.

да, я профессионально деформирован на всю голову, что поделать... поэтому и решил создать конструкцию без компромиссов в рамках своей концепции. оправдано ли это? наверное нет; просто интересно. Этакий спорт высших достижений.

[Alex]

Traco сильно хуже?

Не пробовал.

реле Takamisawa RY12 даже в режиме коммутации малых токов, <10мА, после 2-3 лет интенсивной эксплуатации (типичный режим работы в аудио-аттенюаторе) опять таки теряют контактные свойства

Про Такамисаву ничего не скажу, нет опыта их длительной эксплуатации, а NaIS-у в одном из усилителей скоро 10 лет исполнится, проблем не наблюдается.

Кстати, было бы побольше места - поставил бы РЭС-55А, они не значительно хуже были до 89го года выпуска.

Герконовые реле - на порядки хуже для данного применения!

[Electrovoicer]

Герконовые реле - на порядки хуже для данного применения!

Алекс, Вы не понимаете, что подобные заявления надо подкреплять фактами? это просто пустые колебания воздуха без фактов. Либо берите свои слова назад, либо доказывайте данное утверждение.

---------- Добавлено в 00:42 ---------- Предыдущее сообщение в 00:41 ----------

Про Такамисаву ничего не скажу, нет опыта их длительной эксплуатации, а NaIS-у в одном из усилителей скоро 10 лет исполнится, проблем не наблюдается.

да то же самое с NaIS-ом будет, они одноплановые

[Lynx]

Павел, насчет RY12 (исходя из имеющихся у меня данных по применению этих реле) могу сказать следующее - после 10-летней эксплуатации в коммутаторах сигналов с ДД более 100дБ (коммутатор входа измерительного АЦП) не обнаружено никаких изменений уровня и спектрального распределения искажений устройства по сравнению с данными поверки 2001 года. Количество циклов коммутации за это время - не менее 50000. Поэтому вывод о деградации их контактных свойств не является обоснованным, это скорее гипотеза, подтверждений которой мне на данный момент и на основе имеющихся в моем распоряжении данных найти не удалось.

[Alex]

Алекс, Вы не понимаете, что подобные заявления надо подкреплять фактами? это просто пустые колебания воздуха без фактов. Либо берите свои слова назад, либо доказывайте данное утверждение.

Так включи и послушай

да то же самое с NaIS-ом будет, они одноплановые

Они может и "одноплановые", только за почти 10 лет ничего с ними не произошло.

[Electrovoicer]

Павел, насчет RY12 (исходя из имеющихся у меня данных по применению этих реле) могу сказать следующее - после 10-летней эксплуатации в коммутаторах сигналов с ДД более 100дБ (коммутатор входа измерительного АЦП) не обнаружено никаких изменений уровня и спектрального распределения искажений устройства по сравнению с данными поверки 2001 года. Количество циклов коммутации за это время - не менее 50000. Поэтому вывод о деградации их контактных свойств не является обоснованным, это скорее гипотеза, подтверждений которой мне на данный момент и на основе имеющихся в моем распоряжении данных найти не удалось.

Могу только предположить, что данный эффект не проявляет себя слышимым (буквально) образом в аудио-аппаратуре. И только в измерительной технике (про которую и шла речь в моем сообщении), работающей с пикоамперными токами, этот эффект проявляется.

Кстати, если подумать, то противоречия , наверное, и нет. На пальцах: если исходить из того, что токи менее 100 пА деградированы, а среднее значение сопротивления в обвязке 10 кОм, то речь будет идти о напряжениях менее 1 мкв. А такие уровни сигнала в аудиотехнике являются, как правило, подшумовыми.
И это лишний раз доказывает, как много мифов выросло вокруг аудиотематики.

[Lynx]

Устройство, в котором я исследовал свойства реле совсем не звуковое - это 18-разрядный широкополосный АЦП на AD7674 (еще предсерийные образцы, полученные в середине 2001 года) для изменрения уровня низкочастотных помех от сетей электропитания в линиях связи. Само исследование представляет интерес тем, что поверка устройства производилась на одном и том же оборудовании в течение 9 лет, т.е. исключается ошибка, связанная со сменой измерительного стенда. Релейный коммутатор работал на широкополосный входеной усилитель с двумя режимами входа - согласованным (Rвх = 600 ом) и высокоомный (Rвх = 10кОм). Амплитуда напряжения - до 2В. Соответственно в высокоомном режиме получается максимальный коммутируемый ток 0.2мА, а минимальный, исходя из ДД сигнала до 95...100дБ) - порядка 2...5пА.

[Agilent]

В своё время измерял четырёхпроводкой сопротивление замкнутых контактов реле РЭВ18. Разброс был от 10 миллиОм до 65 миллиОм. У Панасоника, он же Наис -- все, как "гвозди",показали 25-28 мОм. После чего ко всякого рода герконам потерял интерес.

[Electrovoicer]

по поводу сульфидных пленок и прочая-прочая. мое дело - поделиться наблюдениями. каждый решит для себя сам, что с этим делать...

кстати, собрал сегодня пилотный образец своего усилителя. можно сказать, сделал себе подарок на новый год

[Romanoff]

Electrovoicer, а что за индикаторы используешь? Если не секрет, дай ссылку?

[КСИВ]

при номинальном напряжении 1В возможны пики до десятков вольт

На измерительных пластинках обычно есть запись сигнала с максимальной колебательной скоростью,
которая и определяет возможный максимальный уровень сигнала. Исходя из этого "номинальное" или
максимальное напряжение правильно настроенной схемы (обычно коэфф. усил.=100 на 1000Гц)
не может быть 10 ки вольт. Поясните, пожалуйста, что Вы имели ввиду.
С уважением.

[Romanoff]

На измерительных пластинках обычно есть запись сигнала с максимальной колебательной скоростью

Только пыль и дефекты пластинок об этом не знают

[КСИВ]

Только пыль и дефекты пластинок об этом не знают

Всегда думал , что не дефекты пластинок (тем более не пыль) определяют качество звука.

[Romanoff]

Всегда думал , что не дефекты пластинок (тем более не пыль) определяют качество звука.

Так вроде разговор о колебательной скорости иглы и как следствии - размахе напряжения на выходе корректора?