12 декабря 2024 г.
Мне неинтересно просто повторять усилители, как делают многие. Поэтому однажды у меня возникла шальная мысль: насколько компактным я смогу сделать ухоусь? Причем с характеристиками примерно как у нашего предыдущего ухоуся HA-1: класс АВ, максимальная мощность около 1Вт на минимум 16 Ом.
Обдумывая в голове возможные габариты изделия, я вспомнил, что у меня без дела лежал компактный DC-DC от Mornsun размерами 32х20х11 мм. У него входное напряжение 4,5-9В, двухполярный выход +/-12В. По мощности он подходил. Вторым самым большим элементом в усилителе должен был стать радиатор для охлаждения транзисторов выходного каскада. Я решил, что по высоте он не должен значительно превышать размеры DC-DC, и подобрал компактный радиатор размерами 50х25х10 мм. Третьим габаритным элементом является разъем для подключения наушников. Я хотел его поставить именно под Jack 6,3 мм. От размеров этих трех компонентов и оттолкнулся. Я заметил, что они впритирочку встают в довольно миниатюрный китайский корпус размерами 80х50х20 мм. Вызов принят! Теперь можно попробовать продумать остальную компоновку и попытаться впихнуть невпихуемое.
В качестве схемы усиления я решил попробовать повторить схему ультралинейного усилителя Омикрон. В авторском исполнении он имеет превосходные характеристики. Но я сразу предполагал, что в моей реализации линейность усилителя ухудшится из-за наложенных мною конструктивных ограничений, и, как следствие, некоторых схемотехнических нюансов. Тем не менее, я решил для себя так - если результат по нелинейным искажениям удастся получить лучше чем в усилителе HA-1, я буду считать, что задача решена успешно.
Вариант такого устройства условно карманный, поэтому от ручки регулятора громкости лучше избавиться. Многие производители подобных усилителей делают ручки утопленными в корпус, чтобы предотвратить ее нежелательное вращение в кармане или сумке (см. рисунок ниже). Однако такой подход требует изготовления сложных деталей в конструкции передней панели или корпуса, чего хотелось бы избежать. Поэтому регулировка громкости была реализована с помощью кнопок с довольно коротким ходом, требующих некоторого усилия для нажатия. Это, в свою очередь, потребовало добавить систему индикации. Учитывая, что Омикрон обладает крайне низким коэффициентом нелинейных искажений (КНИ), я снова остановился на лестничном релейном регуляторе громкости. Однако в этот раз использовал всего четыре реле, что дало всего 16 уровней громкости. Этого вполне достаточно для комфортного использования.
Как обычно, любое проектирование у меня начинается с прорисовки дизайна передней и задней панели и проработки в 3D. Когда стали известны используемые разъемы и элементы управления и индикации, мы с Мишей (mihail2501) сразу приступили к работе. После нескольких вечеров работы в веркторном и трехмерном редакторах получился вот такой вариант.
Спереди, кроме разъема под наушники, расположились светодиод режимов работы, кнопки регулировки громкости и дисплей. На задней панели - разъем для подачи аудиосигнала линейного уровня, разъем питания типа USB-C и переключатель питания. К сожалению, переключатель пришлось убрать на заднюю панель, т.к. спереди не осталось места под кнопку.
Для отображения уровня громкости я обдумывал разные варианты - линейка светодиодов, семисегментный индикатор или OLED-дисплей. Последний вариант выглядит интересно с точки зрения визуала, т. к. на него можно вывести симпатичные цифры и даже любую другую информацию. Но у таких дисплеев, как правило, недостаточная яркость, чтобы "пробить" затемненное стекло, а также они довольно быстро выгорают при показе статичной картинки. Но миниатюрная модель, которая сюда бы подошла, есть. Это дисплей диагональю 0.49 дюйма на контроллере SSD1315 с разрешением 64 на 32 пикселя, а также его брат-близнец по габаритам с диагональю 0.42 дюйма на контроллере SSD1306 с разрешением 72 на 40 пикселей.
Идея делать линейку или столбик из светодиодов мне тоже не нравилась, т. к. на выводных светодиодах это было бы слишком габаритно, а применение SMD светодиодов потребовало бы дополнительную, вертикально монтируемую платку. Нужно что-то проще по исполнению, да и такой дисплей малоинформативен.
Поэтому оставался вариант найти семисегментный индикатор с тремя знакоместами, чтобы отображать громкость в формате -XX дБ (или, правильнее сказать, затухание входного аттенюатора). Это так называемая конфигурация 888. Такой индикатор нашелся, но он не вписывался по ширине на панель. Поэтому пришлось остановиться на немного меньшем варианте с конфигурацией 188. Он имеет всего пять выводов в один ряд. Такое расположение выводов позволяет согнуть их под прямым углом и впаять индикатор в плату вертикально. Но тогда придется громкость отображать в процентах, что в целом не такая большая проблема.
У таких дисплеев есть любопытная особенность, связанная с их управлением. Ведь если соединять отдельные сегменты так, как это обычно делается для динамической индикации, то выводов для управления нужно минимум 10: семь на сегменты и еще по одному на каждое знакоместо. А их тут всего пять. Как же он управляется? На странице товара приведена схема включения сегментов.
Она очень непонятная, поэтому я перерисовал ее в удобочитаемом виде. Светодиоды, относящие к разным знакоместам, выделены разными цветами.
Глядя на эту схему, стало очевидно, что для корректного управления таким индикатором только логическими 0 и 1 не обойтись - без третьего состояния будут гореть лишние сегменты. Поэтому дисплей подключен через токоограничивающие резисторы напрямую в микроконтроллер, его GPIO способны выдать три состояния. Далее в коде программы реализован перебор всех сегментов, и в соответствии с выводимой информацией нужные сегменты включаются, ненужные - гасятся. Код управления этим дисплеем я оформил в отдельную библиотеку, которая доступна на GitHub. Там же в проекте имеются и примеры использования функций библиотеки. Кстати, подобный дисплей с конфигурацией 888 имеет похожее включение сегментов, но имеет 6 выводов.
Если найти подходящий дисплей на АлиЭкспресс оказалось не слишком большой проблемой, то вот красиво вписать на панель кнопки - уже задача. В продаже подходящих колпачков/толкателей совсем не найти. Они почему-то встречаются в очень ограниченном ассортименте. Поэтому их мы с Мишей смоделировали и распечатали на фотополимерном принтере из смолы, которая после застывания остается довольно гибкой. Они выполнены в виде одной детали, с рамкой по контуру для приклеивания с обратной стороны передней панели. А сами толкатели прикреплены к рамке только одной гранью, которая еще и прослаблена, чтобы обеспечить ее мягкий изгиб.
Из других особенностей внешнего вида и конструкции можно отметить наличие "решетки" сзади усилителя. Можно предположить, что она предназначена для вывода теплого воздуха, но на самом деле нет - она тут больше для красоты, чтобы заполнить пустое пространство панели.
Далее, имея перед собой готовый дизайн и положение ключевых элементов на плате, я занялся разработкой общей принципиальной схемы и трассировкой. На удивление, все необходимое на плате уместилось. Правда из-за ограниченных габаритов местами пришлось идти на компромиссы по трассировке и схемотехнике источника питания, но это было ожидаемо. Естественно, плата четырехслойная, т. к. на двух слоях тут ну никак не развернуться.
Необходимо отметить, что трассировке нужно было уделить особое внимание, чтобы из-за кривой разводки не растерять всю ту линейность, которую дает Омикрон.
Оригинальный усилитель Омикрон имеет в своей схеме любопытный узел под названием кроссфид (Crossfeed). Он в каждый канал добавляет низкочастотную составляющую другого канала, что улучшает воприятие стереопанорамы в наушниках. Ведь на большой акустике каждое ухо именно так и слышит звук. Я решил оставить эту опцию для эксперимента. В августовском выпуске журнала Electronic World 2005 года в статье Дмитрия Данюка "Adjustable crossfeed circuit for headphones" сравниваются амплитудно-частотные характеристики нескольких возможных схем реализации кроссфида. Любопытствующие могут найти ссылки на все варианты в списке источников этой работы.
Я сделал кроссфид отключаемым, поэтому на входе установлено еще одно, пятое реле. После некоторого прослушивания, могу сказать, что включение кроссфида дает любопытный результат. На старых записях, где своеобразно сводили стереопанораму, его влияние особенно заметно и улучшает восприятие таких записей.
Итоговый результат вы можете видеть на фото ниже.
В целом, любой человек, который видит этот усилитель впервые, скорее всего весь основной функционал интуитивно поймет по надписям на панелях. Однако есть несколько опций, которые требуют дополнительного пояснения.
В дежурном режиме (питание подключено, но усилитель не включен) светодиод индикации режимов светится красным цветом, в рабочем режиме - зеленым. Короткие нажатия кнопок меняют уровень громкости, который отображается на дисплее в процентах, где 100 - это максимальный уровень, 10 - минимальный, а попытки дальнейшего уменьшения громкости приведут к отключению выхода. То есть будет включен режим MUTE, который на дисплее отображается двумя прочерками. Также режим MUTE можно включить в любой момент долгим удержанием кнопки уменьшения громкости. И таким же образом отключить. Долгое удерживание кнопки увеличения громкости включает/отключает режим кроссфида. Это индицирует оранжевое свечение светодиода. Одновременное короткое нажатие обеих кнопок отключает/включает дисплей.
В усилителе реализована защита от постоянного напряжения на выходе, срабатывание которой детектируется микроконтроллером. При этом на дисплее появляется надпись Er (сокращение от Error) и светодиод начинает мигать красным цветом.
Последний установленный уровень громкости и статус кроссфида сохраняются в энергонезависимую память и восстанавливаются при следующем включении.
В качестве сервисной опции я добавил в усилитель измерение напряжения питания. Его можно увидеть, зайдя в сервисный режим - в дежурном режиме нужно зажать любую из кнопок и включить усилитель. Дислей имеет только две полноценные цифры, а мне хотелось видеть напряжение с точностью до сотых. Поэтому индикация выполнена следующим образом:
То есть, к примеру, на фото ниже отображается напряжение 3,98В.
Усилитель гарантированно работает в диапазоне напряжений от 4 до 6 В, хоть в документации на DC/DC-преобразователь и заявлен нижний порог в 4,5В. Напряжение ниже 4В уже слишком низкое, DC-DC отключен и питание на схему усиления не подается, но дисплей и МК все еще работают. Выше 6В подавать напряжение не стоит - произойдет срабатывание супрессора и перегорит предохранитель на входе.
Ниже приведены спектры выходного сигнала при различных уровнях входного и на различной нагрузке. Сигнал подавался с ЦАПа Mercury с собственными КНИ 0,00005%. Во время проведения измерений были нагружены оба канала. Зависимость здесь такая - чем больше амплитуда тока в нагрузке, тем выше КНИ.
Сравнение графиков КНИ от уровня входного сигнала усилителей HA-1 и HA-2 Mini приведено ниже. Частота измерения 1 кГц, нагрузка 15 Ом на оба канала одновременно, уровень входного сигнала 1В RMS. Хорошо заметно, что новый усилитель уверенно лидирует.
Краткая сводка измерений и характеристик приведена в таблице:
| Входное сопротивление | 10 кОм |
| Номинальный входной уровень | 1 В RMS |
| Сопротивление нагрузки | 16 – 600 Ом |
| Максимальная выходная мощность | 750 мВт на 16 Ом, 27 мВт на 600 Ом |
| THD | ~0,0011% (16 Ом, 750 мВт) ~0,00034% (32 Ом, 420 мВт) ~0,00007% (100 Ом, 160 мВт) |
| Частотный диапазон | 10 Гц – 65 кГц по уровню -0,5 дБ |
Как видите, мне удалось решить поставленную задачу. На мой взгляд, результат получился достойный для такого малыша. По габаритам, мощности и линейности он превосходит многие промышленные образцы. Правда есть одно "но" - в заводских ухоусях почти всегда есть встроенный ЦАП, которого в моем усилителе нет. В этом плане он им уступает. Но вы обратили внимание, что усилитель называется HA-2 Mini? А если есть вариант "HA-2 Mini", значит, должен существовать и просто "HA-2"? А может в нем... впрочем, я немного забегаю вперед :)