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]
Современный любительский усилитель для головных телефонов
.
[свернуть]
Ответить с цитированием
Сообщение от AlexeyS
Социальные закладки