Страница 15 из 15 Первая ... 5131415
Показано с 281 по 283 из 283

Тема:

  1. #1 Показать/скрыть первое сообщение.
    Завсегдатай
    Автор темы
    Аватар для ViktKors
    Регистрация
    03.05.2010
    Сообщений
    2.313

    По умолчанию Современный любительский усилитель для головных телефонов

    Мотивация для создания предлагаемого устройства проста. Братец спросил меня на предмет, "а что посоветуешь собрать для наушников", и я ... завис.
    У меня как-бы есть "встраиваемый в ЦАП", но он не для любителя - сложноват и горячеват, есть "балансный" - вполне любительский, но очень уж специфична у него область применения.

    *Почему пришлось делать еще одну плату*

    Скрытый текст

    Вроде не проблема, конструкций масса, нужно только поискать. Критерии подбора - из разряда "само-собой разумеется, что.." Рулит конечно звук, но достаточный объективный минимум (чтоб не быть слабым звеном) должен быть выполнен.
    Ориентир на не самый плохой источник, типичный для данного время и обозримой перспективы. Поэтому полоса частот - от постоянки до 100+ кГц (чтоб не иметь особых проблем с фазовыми делами на краях диапазона и не кривить дополнительно частотные и импульсные свойства ЦАПовых выхлопов-фильтров), а искажения заметно (в десяток раз, на 20+ дБ) ниже, чем ЦАПовые, т.е. верхняя граница -140 дБ.
    По остальным параметрам тоже по критерию разумной достаточности. Под типовые наушники с чувствительностью 100 дБ/мВт нужно от 100 мВт мощности (чтоб отработать пики по 120 дБ), по шуму (для наушников с 32 Ом) - не сильно вылазить за 2.5 мкВ (чтоб не выше порога слышимости).
    Есть еще личные, но относительно объективные требования, вроде
    * отсутствия резистора на выходе (это всегда подбор типа/номинала на слух и/или потеря качества звука);
    * устойчивости к емкостной нагрузке (да и к просто сложной, вроде длинного кабеля);
    * защиты от постоянки на выходе (желательно быстрой, чтоб в случае чего, мембрана не успела "выплюнуться") и от переходных процессов при включении/выключении (если они есть).

    Понятно, что джентельменам нужно верить на слово, но, думаю, несколько наивно относить неопубликование обмеров/спектров на счет гипертрофированой личной скромности авторов/продавцов. Имхо, по нынешним временам уговоры, что "все там нормально" вместо спектров - это "разговоры в пользу бедных". Потому подход прост: нет спектров - нет предмета для интереса, а есть скорее всего либо лажа/косяки в конструкции, либо лень и/или несерьезное отношение автора, что дает подвод для соответствующих выводов.

    Ну вот тут как-то и выяснилось, что конструкций, формально удовлетворяющих вроде как элементарным требованиям, что-то не очень-то много. Т.е. до стадии "выглядит вроде нормально, а где послушать можно?" как-то не доходит .
    [свернуть]


    Базой для устройства стал "любительский балансный" ушник. Он, по факту, показался мне удачным. Данная конструкция основывается но схожих принципах.
    *Постановка задачи*

    Скрытый текст

    С точки зрения пользователя:

    1. Простая схемотехника с упором на любительское применение. Отсюда
    а) несложная коррекция, со стабилизацией параметров усилительных звеньев местными обратными связями;
    б) минимум "обвязки": один основной вход, опциональный разделительный конденсатор на входе вместо интеграторов для поддержания постоянки.

    2. Никаких радиаторов на плате. Плата сама должна рассеивать тепло. К тому-же это очень удобно при монтаже в корпус.

    3. Регулятор громкости релейного типа, встроенный на плату. Есть масса причин из-за которых такой РГ может звучать не очень хорошо. Начиная от неоптимальной разводки, недоусыпленного проца ("стенбай" вместо "шатдауна"), отсутствия фильтра между РГ и следующим каскадом, и до развязки процессорной части от сигнальной, типа реле (не только материал контактов, но и внутренняя структура их расположения) и т.д. и т.п. Именно по причине того, что увязать релейный РГ с УНЧ не очень-то просто, решено было сделать его неотъемлемой частью устройства. В этом случае не приходится говорить о преимуществах альтернативных решений вроде хорошего потенциометра.

    4.Нечувствительность к емкостной (и вообще "сложной") нагрузке. УНЧ должен оставаться стабильным при любой емкости на выходе (совсем уж чрезмерная емкость просто вызовет срабатывание защиты).

    5. Наличие минимально необходимых защит: от переходных процессов при включении, от перегрузки по напряжению и току (включая короткое замыкание в нагрузке), от постоянки на выходе.

    С точки зрения схемотехники (речь не о инженерно-достаточных требованиях, чтоб удовлетворить формальное ТЗ, а о некоторых аспектах получения субъективно приемлемого звука):

    1. Усилитель с глубокой ОС. Глубина должна быть достаточной, чтоб ОС была способна не перераспределять искажения (как в типичному случае, когда вторая-третья гармоники преобразуются в "расческу" на ВЧ и замыливание интермодуляцией на СЧ), а задвигать их гораздо ниже уровня шума.

    2. Выход, работающий в классе А (как минимум, для рабочих уровней звукового давления).

    3. Наличие фильтра для помех, наводимых на антенну выходного кабеля. Их проникание в цепь ООС недопустимо.

    4. Отсутствие модуляции звуковыми частотами тока, потребляемого УНЧ от источника питания.

    Ну и понятно, что необходимо упомянуть о печатной плате - самом трудоемком моменте при разработке, который оказывает решающее влияние на итоговое качество. Все вышеперечисленное не имеет никакой ценности (кроме воображаемой) без соответствующей платы.
    [свернуть]


    *От входа к выходу*

    Скрытый текст

    Входной сигнал можно завести как на обычный вход (рекомендуемый вариант), так и на дополнительный, отделенный конденсаторами для отсечения постоянной составляющей.
    К сожалению, реализовать балансный вход соответствующего качества (с уровнем искажений, меньшим чем у самого усилителя) не очень просто и требует немало места.
    Регулировка громкости осуществляется ступенчатым регулятором. Плата разведена под сигнальные реле серии IM от AXICOM, которые, пожалуй, являются оптимумом для подобного применения.

    Реле управляются посредством микроконтроллера по сигналу от потенциометра. Практически все время (собственно, кроме момента регулировки громкости) микроконтроллер деактивирован с полным гашением всех внутренних процессов. Чтоб разбудить его из такого глубокого сна, требуется дополнительная схема, детектирующая вращение ручки громкости (оконный компаратор).
    Помимо этого, в неактивной фазе контроллер еще и переводит выходы в высокоимпедансное состояние, практически отключая обмотки реле от процессора, что (совместно с ВЧ развязками по питанию МК) исключает проникновения помех в звуковые цепи.

    По аналогии со схемой балансного усилителя, входной ОУ охвачен местной ОС, стабилизирующей его параметры на частотах, критичных для петлевого усиления. В звуковом диапазоне этот ОУ добавляет ~60 дБ усиления. Каскад на этом ОУ расположен на "чистом" (в смысле наводок и паразитных токов) участке платы. Поскольку схема не балансная, все потенциалы отсчитываются от локальной "земли", а это предъявляет особые требования к ее чистоте. Для минимизации импеданса земляные заливки есть на всех четырех слоях (они сшиты большим количеством переходных отверстий). Чтобы исключить смешивание токов питания ОУ и сигнальных, применен сдвоенный ОУ, питание и силовая земля которого подведены к полигонам под ОУ по отдельной линии, изолированной от остальных цепей синфазными дросселями.
    В качестве входного ОУ отлично прижился старый добрый ОУ с полевым входом - AD8066. Если РГ сделан под меньшее чем 10 кОм сопротивление, например на 3.6 кОм, то можно ставить и достаточно высокочастотный биполярный ОУ, например OPA1632.


    В качестве выходного каскада в данной конструкции вместо дискретного параллельного повторителя применен ADSL драйвер. В каждом канале стоит сдвоенная микросхема, выходы половинок которой соединены вместе через малоомные резисторы и смещены разной полярностью от источника небольшого внешнего напряжения. Напряжение смещения (деленное на сопротивление этих резисторов) определяет ток покоя ВК. Т.е. выходной каскад искусственно введен в класс А, при котором активно используется по одному плечу в каждом из двух каналов сдвоенной микросхемы. Меняя напряжение смещения, легко установить требуемый ток покоя. Если ток в нагрузке превысит удвоенный ток покоя, буфер просто перейдет в свой обычный режим работы (АВ), причем нагрузка будет раскачиваться обоими выходами сдвоенного драйвера. Т.е. в отличие от обычных схем, выход из класса А не сопровождается увеличением выходного сопротивления, такой "двойной" выходной каскад линейнее обычного при работе в классе АВ.

    Микросхемы драйверов установлены над внутренними полигонами питания. На этих полигонах смонтировано 6 электролитических конденсаторов (2х небольших low-esr на 1000 мкФ, и 4х банки 4700 мкФ). Внешние слои - земляная заливка, именно она ответственна за отвод тепла. Площадь теплорассеяния (ограниченная разрезами в полигонах) можно оценить в ~30см^2, что предполагает перегрев корпуса микросхем относительно среды на ~40°. В реальности отвод тепла по нижнему слою оказывается не очень эффективным из-за установленных элементов, также сложно оценить влияние больших банок электролитических конденсаторов. Так или иначе, температурный режим в практическом случае можно признать удовлетворительным (палец терпит ).

    Каждый из двух выходных драйверов охвачен довольно компактной цепью местной ОС на ВЧ (CRC Т-цепь). Эта ОС, а также то, что нагрузка отделена от выхода устройства малоомным резисторами (теми самыми, что задают ток покоя), определяет высокую устойчивость драйверов на ВЧ. Дополнительно способствует устойчивости усилителя отделение емкости нагрузки (и реактивности кабеля) посредством R||L + RC цепочки.
    На низких частотах драйверы охвачены неглубокой местной обратной связью (~20 дБ), только чтобы хватило для относительно стабильного поддержания постоянного смещения на выходе (тока покоя). Небольшая попутная линеаризация на звуковых частотах, по сути, непринципиальна.

    Основную линеаризацию на звуковых частотах делает "большая" петля ООС, которой охвачен весь усилитель с точки соединения резисторов смещения (кстати, эта точка заземлена через конденсатор в 470 пФ, что нивелирует емкость нагрузки и шунтирует на землю ВЧ помехи с выходной линии).
    Эта петля ООС не только снижает искажения буферного каскада, но и уменьшает выходное сопротивление усилителя (определяемое резисторами смещения) до пренебрежимо малой величины.
    Частотная полоса "большой" петли ООС не очень широка - до нескольких МГц и выбрана минимально возможной, которая при этом еще обеспечит требуемую суммарную глубину ОС - ~ 100-110 дБ на 20 кГц.

    Особого внимания требует питание выходного каскада. В двухтактном классе А (в не балансной схеме) ток звуковой частоты в нагрузке модулирует ток, потребляемый от источников питания. По моему мнению, образно выражаясь, эти колебания тока - один их путей "утечки" субъективного качества звука. Эффективный способ исключить их влияние - применить стабилизатор/фильтр питания параллельного типа, оптимизированный по критерию максимального подавления пульсаций тока питания.
    В данной конструкции использовано подключение нагрузки к источнику тока, реализованного на структуре Шиклаи. С целью минимизации потерь на тепло, на плате усилителя установлен только фильтр питания с малым (менее вольта) падением напряжения.
    Фильтр питания - общий на два канала. Для облегчения теплового режима в регуляторе фильтра применены сдвоенные транзисторы (в sot223), установленные по разные стороны платы (сверху и снизу). Тем не менее, чтобы рассеивать тепло, требуется значительная поверхность сплошной заливки.
    Эффективность транзисторного узла фильтрации составляет более 60 дБ подавления пульсаций тока (суммарное подавление, с учетом электролитов в питании - до 90 дБ). "Подводный камень" в том, что паразитная емкость между теплорассеивающими полигонами транзисторов (соединены с коллекторами) и земляным полигоном, совместно с паразитными индуктивностями (их минимизация обязывает применять земляные полигоны вместо дорожек) образует вредный резонанс, который делает неустойчивой работу многих схем "из букваря". Потому, чтобы исключить фазовые проблемы в петле слежения, АФЧХ петли обратной связи фильтра приходится формировать (с учетом конкретного конструктива) дополнительными конденсаторами. Из-за этого полоса эффективной работы фильтра оказывается меньше ожидаемой/теоретически достижимой, и составляет "лишь" несколько МГц. В силу вышеозначенных причин, чтоб не получить "захватывающий звук", очень не рекомендую самостоятельное повторение такого узла.

    В принципе, ничего страшного не случится если ток в нагрузке увеличить за пределы нормальной работы фильтра. Его перегрузка (запирание регулирующих транзисторов) не приведет ни к чему, кроме ухудшения формы питающего напряжения ВК. Т.е. стоит ожидать некоторого ухудшения характеристик. Но на то и ООС, чтоб стараться нивелировать подобные нехорошести.
    Чрезмерное увеличение тока в нагрузке (вариант - короткое замыкание) приведет к тому, что цепь ООС усилителя перестанет справляться (срыв регулирования). Этот момент отслеживает узел на компараторах U3, отключая нагрузку на пару секунд. Т.е. практически можно считать, если реле не отключило нагрузку, усилитель работает нормально.
    Но в любом случае стоит понимать, что сильный вылет за класс А не является штатным режимом. Возможный перегрев может вызвать повреждение элементов, да и разрыв контактов реле под большим током не добавляет им долговечности. В этом смысле, особенно нежелателен режим короткого замыкания. Внутренние цепи выходных буферов ограничивают максимальный ток в нагрузке на уровне ~1 Ампера, при рабочем токе реле до 2-х Ампер это выглядит формально нормальным. Но нужно понимать, что ресурс реле может сокращаться не только в плане надежности коммутации, но и в смысле "малосигнальности" контактов. Т.е. никто не даст гарантии, что после нескольких десятков коммутаций тока короткого замыкания, реле по прежнему будет идеально отрабатывать микротоки звукового сигнала.


    Тепловой баланс платы базируется на том, что на микросхемах выходных буферов задается около 2х 1 Ватт. Это довольно безопасный режим при работе без дополнительных радиаторов. Чуть меньше тепла равномерно распределяется по 4-рем регулирующим транзисторам фильтров питания (по ~0.3-0.5 Ватт на корпус).
    С учетом потребления остальных элементов, общую теплоотдачу платы можно оценить в ~ 3.5 - 4.5 Ватт.

    Первичный стабилизатор (который нужен для "выбирания" колебаний сетевого напряжения) вынесен на плату блока питания. Там можно расположить радиаторы (причем не обязательно "под плату", а практически любые), которые позволят обеспечить необходимый теплоотвод. Попытка рассеять еще и это дополнительное тепло с платы УНЧ была бы, имхо, уже перебором.
    В силу того, что в нормальном режиме ток, потребляемый усилителем практически не меняется, никаких особых требований к первичному стабилизатору не предъявляется. Поэтому максимально дешевый вариант на на обычных микросхемах 317-ой серии более чем достаточен.
    Потребляемая устройством суммарная мощность ориентировочно составляет ~ 5.5-8 Ватт, что обуславливает выбор силового трансформатора с мощностью ~10 Ватт. Предлагаемые платы допускают установку тороидных трансформаторов Талема или трансформаторов на П сердечнике от Block или Hahn. Рекомендовать можно Block, как обладающий малой межобмоточной емкостью и не очень большим током покоя. Но если предполагается тесный корпус, в котором трансформатор окажется ближе чем 4-5 см от платы усилителя, стоит подумать о тороиде. При этом в цепи первичной обмотки стоит использовать секционированный дроссель индуктивностью в десяток (или более) миллигенри.
    [свернуть]


    Картинка основной усилительной части:
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	HeadAmp_A6012_base.png 
Просмотров:	3450 
Размер:	43,9 Кб 
ID:	291612

    Фотографии плат усилителя и блока питания:
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	HeadAmp_A6012_r1.2_TOP_.jpg 
Просмотров:	1621 
Размер:	207,1 Кб 
ID:	291614 Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	HeadAmp_A6012_r1.2_BOT_.jpg 
Просмотров:	1496 
Размер:	239,7 Кб 
ID:	291602
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	HeadAmp_A6012_PSU_rev1.2_TOP_.jpg 
Просмотров:	1233 
Размер:	110,3 Кб 
ID:	291603 Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	HeadAmp_A6012_PSU_rev1.2_BOT_.jpg 
Просмотров:	920 
Размер:	100,4 Кб 
ID:	291604

    Ну и традиционно, конструкция на отладочной "фанерке"
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	HeadAmp_A6012_.jpg 
Просмотров:	1267 
Размер:	133,4 Кб 
ID:	291605

    Меняя номиналы, можно получить несколько вариантов, различающихся коэффициентом усиления (1 - 4, изменяется номинал одного резистора в канале - R118), напряжением питания ВК (2х 6.5 - 10.6 Вольт) и током покоя (45 - 80 мА) под наушники разного сопротивления.
    Но любой из вариантов вполне может эксплуатироваться в качестве универсального.

    Искажения оценивались методом вычитания входного сигнала из выходного (пояснение, почему графики двухцветные - там же, по ссылке)
    Ниже картинки для "высокоомного" варианта (Ку ~ 2.5, 2 х 10.6 Вольт, 45 мА), который вполне может использоваться как для высокоомных (250 - 600 Ом), так и для низкоомных нагрузок (16 - 32 Ом).

    Скрытый текст

    "Практический максимум в типовом случае". Нагрузка 32 Ом, амплитуда 5 вольт пик-пик, что дает мощность в нагрузке ~100 мВт (120 дБ для наушников чувствительностью 100 дБ/мВт):
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	_5Vpp_32Ohm_1kHz.png 
Просмотров:	641 
Размер:	9,9 Кб 
ID:	291606 Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	_5Vpp_32Ohm_1819kHz.png 
Просмотров:	544 
Размер:	10,1 Кб 
ID:	291607
    Это как раз выход на границу класса А.
    Группа пиков слева - наводки на провода к анализатору (плата вычитания вход-выход и провода не экранированы)

    Естественно, что выходя в АВ, усилитель может обеспечить и больше мощности. Для примера, амплитуда увеличена на 3 дБ, до 7-ми вольт пик-пик, мощность в нагрузке ~200 мВт.
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	_7Vpp_32Ohm_1kHz.png 
Просмотров:	481 
Размер:	9,8 Кб 
ID:	291608 Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	_7Vpp_32Ohm_1819kHz.png 
Просмотров:	458 
Размер:	10,4 Кб 
ID:	291609
    Видно, что принципиального ухудшения характеристик не наблюдается. Судя по всему, THS6012 не очень любит большие выходные амплитуды. Нагрузка 100 Ом, амплитуда 12.5 вольт пик-пик, мощность в нагрузке ~200 мВт:
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	_12Vpp_94Ohm_1kHz.png 
Просмотров:	439 
Размер:	9,8 Кб 
ID:	291610 Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	_12Vpp_94Ohm_1819kHz.png 
Просмотров:	433 
Размер:	10,4 Кб 
ID:	291611
    Можно заметить, что несмотря на значительное снижение рабочего тока (2/3 от максимального в классе А), искажения возрастают. Впрочем, называть их "чрезмерными" (особенно учитывая громкость в 123 дБ в наушниках чувствительностью 100 дБ/мВт) едва-ли стоит
    [свернуть]
    дополнение:
    был собран вариант с более глубокой ОС, с более низкими искажениями и субъективно более качественным звуком.
    Его спектры для 12 вольт пик-пик на 94 Ом нагрузки выглядят как-то так
    Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	12Vpp_94Ohm_1kHz.png 
Просмотров:	486 
Размер:	9,8 Кб 
ID:	292900 Нажмите на изображение для увеличения. 

Название:	12Vpp_94Ohm_1819kHz.png 
Просмотров:	462 
Размер:	11,1 Кб 
ID:	292901
    Другие картинки можно посмотреть там-же.
    Ну а так.. все по заветам, по возможности короткий спектр

    Cхема и список деталей версии 2 (под напечатанные платы):
    HAMP_A6012_R2_20180220.pdf
    Hamp_6012A_r21_Components_List_20170827.xlsx
    Прошивка - см следующий пост (ограничение количества вложений):


    П.С. Поскольку эпизодически все-же возникает интерес, объявление:
    Просьбы интересующимся на предмет плат обращаться в личку. Если наберется достаточное количество желающих, будет отпечатана серия плат второй ревизии (УНЧ + БП).
    По желанию, возможна установка на плату выходных драйверов THS6012 (пропайка термал пада) и прошитого микроконтроллера управления громкостью.

    П.П.С. По второй версии, немного конкретики тут и тут.
    Последний раз редактировалось ViktKors; 21.02.2018 в 13:31.

  2. Частый гость Аватар для sanctus
    Регистрация
    12.01.2013
    Адрес
    Питер
    Сообщений
    146

    По умолчанию Re: Современный любительский усилитель для головных телефонов

    Цитата Сообщение от Hi_Men Посмотреть сообщение
    Заказал и оплатил детали у него 2 дня назад, до сих пор он не отписался и не отвечает на смс ни в личку, хоть и заходит на форум. Очень странный товарищ. Ему можно доверять?
    Можно, заказывал несколько раз без каких-либо проблем... НАсколько знаю, Виктор сейчас за городом живет, возможно поэтому задержки?

  3. Частый гость Аватар для CHURIK
    Регистрация
    24.03.2007
    Адрес
    Краснодар
    Возраст
    57
    Сообщений
    316

    По умолчанию Re: Современный любительский усилитель для головных телефонов

    Цитата Сообщение от Hi_Men Посмотреть сообщение

    ---------- Сообщение добавлено 16:33 ---------- Предыдущее сообщение было 16:23 ----------



    реле ставили рекомендованные или аналогичные?
    Рекомендованные,брал на Mouser.

  4. Частый гость Аватар для Hi_Men
    Регистрация
    30.01.2017
    Адрес
    Краснодар
    Сообщений
    173

    По умолчанию Re: Современный любительский усилитель для головных телефонов

    Цитата Сообщение от CHURIK Посмотреть сообщение
    Рекомендованные,брал на Mouser.
    не плохо бы было как нибудь встретится и сравнить усилки по звучанию ....
    (есть пару усилков авторских...скоро созреет еще один усь от Goblin )
    если есть желание!

Страница 15 из 15 Первая ... 5131415

Социальные закладки

Социальные закладки

Ваши права

  • Вы не можете создавать новые темы
  • Вы не можете отвечать в темах
  • Вы не можете прикреплять вложения
  • Вы не можете редактировать свои сообщения
  •