Питание:
Модуль выполнен на четырехслойной плате размером 135 х 135 мм. Один из внутренних слоев полностью отведен под "землю". Полигон "земли" сделан не сплошным, а секционированным с целью разграничения токов в специфических областях (источники питания, малосигнальные / сильноточные узлы, сервисные цепи). Земляные секторы сделаны перекрывающимися в смежных слоях, что обеспечивает емкостную связь между соседними полигонами. В итоге разводка земли оказывается своего рода разновидностью "звезды" на звуковых частотах (ЗЧ, где это способствует минимизации искажений) и сплошного полигона на ВЧ (чем достигается помехозащищенность платы). Помимо этого, организованы локальные "островки земли", которые точечно подсоединяются к полигону в оптимальном месте.
Общая компоновка предполагает преимущественную перпендикулярность направления течения сигнальных токов и токов питания, что минимизирует их взаимовлияние.
Для минимизации помех все цепи питания сделаны "бутербродом" - положительный и отрицательный полигоны по возможности геометрически идентичны и располагаются друг над другом.
Питание мощного выходного каскада выполнено по оригинальной схеме так называемого стабилизатора параллельного типа. Ток, отбираемый от источника первичного питания, стабилен и не модулирован током звуковой частоты, что благотворно сказывается на звуке. Стабилизация тока потребления сочетается со стабилизацией напряжения. От данного стабилизатора питается исключительно выходной каскад, все остальные цепи запитаны от точки ввода напряжения питания на плату т.е. (благодаря стабилизатору) "не чувствуют" выходного каскада.
Питание малосигнальной части отделено от общего питания синфазным дросселем. Благодаря этому даже на частотах ниже 100 Гц входная часть оказывается запитанной как бы от индивидуального источника. Опыты показали, что опциональное использование дополнительного отдельного источника питания не имеет преимуществ.
Также к линиям малосигнального питания (между его положительной и отрицательной шинами) подключены все реле устройства. Сделано это с целью избежать соединения катушек реле с земляным полигоном. Помимо этого, катушки бистабильных реле регулятора громкости в обычном режиме неактивны и вообще отключены от внутренних цепей коммутирующего их микроконтроллера.
Плата потребляет довольно существенную мощность (~20 Вт), поэтому на время, когда телефонный усилитель не востребован, его можно перевести в режим пониженного энергопотребления простым выдергиванием из гнезда "джека" головных телефонов.
От входа к выходу:
После входного ВЧ-фильтра (400 кГц) сигнал попадает на релейный регулятор громкости (РГ). Он имеет 64 ступени с шагом 1.5 дБ и выполнен на малогабаритных бистабильных реле с золото-рутениевыми контактами (Axicom IM07, IM42, контактные поверхности чисто золотые). Это надежный способ обеспечить идеальную коммутацию малых токов в течение продолжительного периода эксплуатации.
Реле управляются микроконтроллером, который активизируется только на время переключения. После коммутации реле микроконтроллер отключается. Поскольку внутренний АЦП микроконтроллера не активен в режиме сна с полным гашением внутренней генерации, использована схема на компараторах, которая детектирует начало движения ручки потенциометра и "будит"/активирует микроконтроллер.
Для удобства пользования шкала регулировки сделана нелинейной, наиболее употребительным уровням в диапазоне от максимального до -48 дБ отведены верхние 2/3 шкалы, а уровням -48 - -96 дБ соответственно нижняя треть.
После РГ сигнал попадает на ОУ усилителя (LT1122) умощненный разновидностью параллельного усилителя тока, известного под названием "diamond buffer". Схема имеет ряд не очень принципиальных, но полезных особенностей. В частности, за счет того, что выходные транзисторы буфера питаются пониженным напряжением, транзисторы первой ступени удалось запитать от "двухэтажных" источников тока, что минимизирует тепловые колебания их режима (в том числе и со звуковой частотой - "тепловые искажения").
Необходимо отметить еще одну особенность данной схемы. У нее, как у любого инвертирующего усилителя, выходной сигнал "перевернут" относительно входного, и их суммирование должно в идеале давать ноль. На практике в точке суммирования имеется некоторый сигнал - в чистом виде "ошибка усиления" данного блока (включающая в себя все многообразие искажений и погрешностей - гармонические, интермодуляционные, тепловые, избыточный шум и т.д.). Ну а раз уж ошибка усиления выделена, разумной представляется попытка скорректировать ее в усилителе. Такой подход, также известный как применение так называемого "селектора искажений" известен достаточно давно, но, к сожалению, оказывается довольно сложным для корректной реализации.
Принцип, положенный в данную схему, состоит в том, чтобы основную работу по-прежнему делал главный усилитель - быстрый и довольно точный. Схема же селектора искажений (на AD8066) фактически только неспешно "поправляет" сигнал в малом, сводя ошибку усиления (= искажения всех видов) к пренебрежимо малой величине в звуковом диапазоне.
Главенствует принцип "не навредить". В частности, именно поэтому в схему введен контроль сигнала коррекции ошибок ("детектор искажений"). Если по каким-либо причинам (перегрузка выходного каскада по току или напряжению, особенности фонограммы и т.п.) искажения основного усилителя окажутся не малыми, и их исправление может выйти за пределы возможностей, усилитель кратковременно отключит наушники до восстановления нормальной работы. Таким образом, некорректные режимы просто отсекаются.
Нужно отметить, что энергетические возможности схемы (ограничение по амплитуде ~14 Вольт, по току ~0.18 Ампера в режиме чистого класса А), в общем-то, позволяют работать, не достигая критичного режима ни по напряжению ("клиппирование"), ни по току. Но на практике выяснилось, что первое время после начала прослушивания уровень громкости часто недооценивается и даже превышение порога в 120 дБ не воспринимается как нечто чрезмерное. Как следствие, усилитель вгоняется в режим перегрузки. На этот случай реализовано автоматические уменьшение громкости по сигналу от детектора искажений. Через 4 секунды после последнего поворота ручки громкости при наступлении перегрузки уровень громкости снижается (не чаще чем раз в 2 секунды) до полного исчезновения перегрузки. После нового прикосновения к ручке громкости (небольшого ее поворота) уровень громкости возвращается к значению, соответствующему углу поворота ручки громкости.
Рисунок иллюстрирует выходную мощность усилителя в зависимости от сопротивления нагрузки. Базовую область работы в чистом классе А отображает зеленая область. Голубая область показывает режимы, в которых один из выходных транзисторов начинает запираться. Хотя такой "идеологически вредный" режим изначально не рассматривался как рабочий, ухудшения объективных характеристик в этой области на данный момент не обнаружено, субъективные же оценки этого диапазона мощностей затруднены ввиду очень высокого уровня громкости. Красным отмечена зона максимальной мощности, в этой области должна срабатывать защиты по току, с соответствующим автоматическим снижением громкости.
Головные телефоны подключены к усилителю через RLC цепь. На нее возложено несколько задач. В частности, последовательное RC звено на выходе демпфирует возможные резонансы кабеля, а LR цепь ослабляет проникновение помех, наводящихся на кабель головных телефонов. Кроме того, отделение нагрузки позволило добиться нечувствительности усилителя к ее емкости и, в более широком смысле, к импедансу кабеля, являющимся, по сути, длинной линией. При повышении емкости нагрузки усилитель остается устойчивым вплоть до срабатывания защиты по току.
Важной особенностью конструкции является наличие интегратора - сервисного устройства для поддержания нулевого постоянного напряжения на выходе усилителя. С одной стороны, головные телефоны очень не любят постоянное смещение, потому наличие интегратора весьма желательно. С другой стороны, накоплен довольно большой негативный опыт применения подобных устройств, что заставило очень вдумчиво подойти к конструированию данного узла. В усилителе реализован двухступенчатый алгоритм работы интегратора. Он активируется при включении устройства (и при срабатывании защиты), причем оказывается в "быстром" режиме, что позволяет стабилизировать напряжение на выходе за доли - несколько секунд. В этот момент выход усилителя неактивен и закорочен, т.е. переходные процессы не затрагивают нагрузку. Через некоторое время, выход активируется и одновременно с этим интегратор (посредством дополнительного реле) переводится в "полуизолированное" состояние. В этом режиме реакция на колебания постоянной составляющей чрезвычайно инертна (постоянная времени ~ 500 секунд, что, впрочем, достаточно для компенсации термодрейфов), но зато обеспечивается как экстремально низкая нижняя рабочая частота 0.001 Гц (на практике неотличимо от УПТ), так и полная субъективная неслышимость интегратора в составе усилителя.
[свернуть]
Встраиваемый в ЦАП усилитель для головных телефонов
.
Сообщение от ViktKors
Социальные закладки