В статье речь пойдет о разработке усилителя. Этот процесс начался еще в далеком 2017 году. Случались большие перерывы и вся постройка растянулась аж на 6 лет.
27 марта 2017 г.
Только-только я закончил строительство усилителя MG на базе схемы А. Лайкова версии 6, как мне захотелось начать разработку нового аппарата. В нем я бы учел многие ошибки, которые допустил ранее, применил новые возможности и приобретенный опыт. Кроме того, у меня были нереализованные платы новой (седьмой) версии той же схемы усилителя. На их базе я и решил строить новый аппарат.
Начал обдумывание с компоновки. Ниже на рисунке представлен шестой вариант компоновки, более или менее адекватный.
Здесь можно видеть два одинаковых трансформатора от советского усилителя Кумир У-001, которые я присмотрел в местном радиомагазине. Это позволило бы реализовать топологию полного двойного моно. Конструкция в целом симметричная, усилительная часть отделена от блока питания металлическим экраном. Регулятор громкости предполагалось сделать на переменном резисторе ALPS RK27. Сам резистор должен стоять как можно ближе к входным цепям, поэтому его вал удлинен. Но пока я обдумывал компоновку, один из трансформаторов продали.
Этот факт послужил толчком для смены форм-фактора корпуса. Я подумал - а зачем мне такой "гроб"? Я никогда очень громко не слушаю музыку. Зачем большой запас по питанию? Тем более обмотки там всего на 19В и много мощности с таким питанием не вытянуть. Поэтому я отказался от стандартной ширины в 430 мм, но решил все равно привязаться к рэковым размерам и вписать все в половину стандартной ширины 210-215 мм. Места такой усилитель будет занимать гораздо меньше. Регулятор громкости пришлось убрать, т.к. стало невозможно провести вал к переменнику у задней панели. Ну, хорошо, подумал я, пусть чисто "мощник" будет.
Но ни один из вариантов мне не нравился, и я решил отказаться от применения имеющихся плат. Они меня ограничивали в конструктиве. Их проще было продать, а сюда оттрассировать все заново. К тому же отсутствие регулятора громкости требовало применения предварительного усилителя, которого у меня не было. Так что регулировка громкости все же была нужна, и я стал думать как ее внедрить. Был вариант с шестеренчатой передачей и даже с гибким валом. Но не придумал где его можно взять.
Примерно в это время я начал изучать мироконтроллеры и первым проектом выбрал селектов входов, т.к. в этом усилителе он мне был необходим. С ним я довольно быстро разобрался. Это меня вдохновило и я подумал - а почему бы не сделать лестничный релейный регулятор громкости по схеме Никитина? В таком случае вал становится не нужен и ручку регулировки можно расположить где угодно. Также я размышлял над использованием ИИП, но передумал и решил оставить линейный источник питания.
В итоге остановился на вот таком (справа) варианте. Это уже был 12-й по счету. Тут справа место под два 60-ваттных трансформатора ТПА-60 или ТПК-60. Беря во внимание исследования Аудиокиллера на тему трансформаторов, их должно быть достаточно. А выпрямитель можно сделать на одной плате с усилителем.
В этот момент у меня появился азарт сделать кострукцию как можно компактнее. К тому же корпус я планировал делать на заказ. И в итоге с учетом выступающих частей усилитель получался соразмерным с листом бумаги А4. Высота определялась высотой трансформаторов - около 75 мм.
После этого можно было начинать подробную 3D-компоновку. И двумерные рисунки стали приобретать очертания настоящего усилителя.
Итак, особенности этого усилителя сформировались следующие:
Дисплей должен быть скрыт под затемненным оргстеклом, на котором расположена также и ручка регулятора громкости. Вообще в таком дизайне я нарисовал целую стойку из усилителя мощности, ЦАПа и усилителя для наушников, и подумывал не останавливаться только на усилителе. К тому же мой Mercury был в тот момент без корпуса.
Но были и такие варианты (верхний, кстати, очень даже неплох):
2 апреля 2017 г.
Несмотря на обилие готовых решений релейных регуляторов в сети, собрать регулятор Никитина я решил под свои "хотелки". Кроме РГ нужен был селектор на 4 входа с возможностью запоминать последний выбранный вход. Оба этих устройства я объединил в одном модуле на микроконтроллере AVR.
В целях экономии выводов МК для управления реле были использованы 8-битные сдвиговые регистры. По факту я решил взять мощные регистры TPIC6B595. Функционально они аналоги регистров типа 74HC595, но имеют выходы с открытым стоком и допустимым током до 150 мА на каждый выход (при условии соответствующей трассировки платы, о чем сказано в даташите). Это позволило не ставить дополнительные транзисторные ключи или специальные драйверы типа ULN2003, и управлять реле напрямую выходами регистров.
Из-за ограничений по габаритам конструкцию пришлось разделить на две платы. Левая плата является основной - на ней расположены входные разъемы, реле селектора и микросхемы регистров. Правая плата устанавливается на нее этажеркой и на ней расположены реле и резисторы релейного РГ. Электрически они связаны разъемами типа PLD.
Также можно не устанавливать верхнюю плату РГ. В таком случае выходной сигнал берется с разъема OUT вверху платы.
Так как в усилителе будет применяться один МК для управления всеми сервисными функциями, то на данном модуле его нет. Имеется лишь разъем входа управления (CTRL), который будет соединен с платой МК. Собранный макет выглядит следующим образом:
Логика переключений реле РГ довольно проста. Для оцифровки сигнала с потенциометра применяется 10-битный АЦП, встроенный в МК. Реле управляются двоичным кодом. Поэтому достаточно просто взять 6 старших бит результата оцифровки (т.к. реле 6 штук) и вывести их в регистр, к которому подключены реле.
Естественно, не обошлось без ошибок:
В процессе испытаний уяснил для себя несколько моментов:
Функционал модуля получился следующий:
17 сентября 2017 г.
Все лето 2017-го на форуме Паяльника проходил конкурс Лето-2017, в котором мой блог (где я раньше публиковал описания своих конструкций, он послужил основой для этого сайта) принимал участие и занял призовое место! Призом стал сертификат на 10000 рублей на покупку в интернет-магазине Пятый элемент - fivel.ru. Они выступили спонсорами конкурса. Это сподвигло меня взять другую схему усилителя - поинтереснее, но также из класса Super A.
Вообще, Super A это довольно любопытный класс аудио усилителей мощности. Напомню, что в классе A выходной каскад работает без отсечки сигнала на наиболее линейном участке вольтамперной характеристики транзисторов. Это обеспечивает минимум нелинейных искажений. В классе B отсечка составляет 90 градусов. Для обеспечения такого режима работы усилителя используется двухтактная схема, когда каждая часть схемы усиливает свою "половинку" сигнала. Основная проблема усилителей в классе В - это наличие искажений из-за ступенчатого перехода от одной полуволны к другой. Поэтому, при малых уровнях входного сигнала нелинейные искажения достигают своего максимума.
Усилители класса АВ – это попытка объединить достоинства усилителей А и В класса, т.е. добиться высокого КПД и приемлемого уровня нелинейных искажений. Для того чтобы избавиться от ступенчатого перехода при переключении транзисторов используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе транзисторы не запираются, и через них протекает некоторый ток покоя. Из-за этого уменьшается коэффициент полезного действия и возникает незначительная проблема стабилизации тока покоя, но зато существенно уменьшаются нелинейные искажения.
Но в классе AB в присутствии сигнала значительных уровней одно из плеч двухтактной схемы, которое в данный момент неактивно, полностью запирается. Это приводит к появлению коммутационных искажений. С целью снижения этого эффекта еще в 80-х годах прошлого века стали внедрять схемы, в которых неактивное плечо выходного каскада никогда полностью не закрыто - в нем поддерживается протекание небольшого тока, либо формируется мягкое переключение (см. рисунок ниже). Усилители такого класса называют Super A, Non switching, New Class A (Technics), Dynamic Super-A (JVC), Экономичный А или сокращенно ЭА (Митрофанов, Nataly, Лайков), A+ и др.
Я выбрал схему Г. Брагина YES-3M-SAB. Это достаточно простой, качественный, но довольно дорогой по комплектации усилитель. Автор применил в схеме специальный каскад SAB, реализующий принципы класса Super A.
Приведу цитату:
Стоит остановиться на названии этого режима. Есть мнение, что режим ЭА не совсем правильное название. По сути это всё же режим АВ. Наверное более точное название для этого режима будет - режим "Super AB" или сокращенно - SAB, а можно, думаю, и так скромненько назвать - режим "Super A Bragina", что не менее верно для предлагаемого варианта усилителя.
Пара картинок из оригинальной темы на Вегалабе:
В отличие от авторской схемы я оставил только одну пару транзисторов в выходном каскаде, так как мощность планировалась всего около 50 Вт. Я собрал необходимые мне компоненты на озвученную сумму и отправил список в Пятый элемент. Но сначала они кормили меня завтраками - детали едут, надо подождать. Потом мне надоело их теребить. Но то ли детали так и не приехали, то ли они их и не заказывали. В общем, судя по всему они меня попросту кинули. Паяльник на них тоже никак не смог повлиять. Через несколько месяцев ожиданий я плюнул на них и заказал детали сам в другом месте. За это время я развел и заказал плату:
Трассировка выполнялась под купленные радиаторы. Я старался по максимуму применить элементы поверхностного монтажа в угоду компактности платы. В разводке мне помогали специалисты с форума Вегабала. Там был организован коллективный заказ около 25 комплектов этих плат.
31 января 2018 г.
Прошлый вариант узла регулятора громкости подразумевал крепление платы только через разъемы.Это мне категорически не нравилось и я довольно долго искал подходящие по соотношению цена/качество RCA-разъемы вертикального монтажа на плату. В конечном итоге они были найдены и я приступил к перетрассировке регулятора громкости. Кроме разъемов я решил реализовать его на микросхеме PGA2320. Она имеет очень небольшие вносимые искажения и умеет кроме ослабления еще и усиливать сигнал, что могло бы пригодиться.
Верхняя плата включает в себя RCA-разъемы и сигнальные реле, которые управляются с нижней платы. Реле нужны для селектора входов и включения выхода AUX (после регулятора громкости), который может впоследствии пригодиться, например, для подключения сабвуфера. На нижней плате расположен непосредственно регулятор громкости на PGA2320 с необходимой обвязкой, сдвиговый регистр, управляющий всеми реле, и блок питания на LM317/337. Предусмотрен также MUTE при помощи реле. Управление организовано извне по SPI-шине, которая выведена на разъем IDC-6. В этой версии регулятора громоксти у меня дополнительно выведен выход AUX после регулятора. Его я планировал применить при необходимости для подключения активного сабвуфера. В этом же узле расположились разделительные конденсаторы, которых нет на платах усилителей мощности. Такие же стоят в усилителях, и как раз у меня их оставалась пара штук.
То есть я в итоге пришел двухплатной конструкции в виде этажерки с вертикальным расположением разъемов. Размеры конструкции получились 60 на 60 мм. В корпус усилителя оно вставало как надо.
Примерно в это же время я собрал и испытывал плату передней панели и сервисный модуль дежурного режима. В схеме платы с микроконтроллером ничего интересного, поэтому считаю, что ее описание приводить не имеет смысла.
А вот в плате дежурного питания применена интересная идея по управлению реле. Дело в том, что при традиционном включении реле при работе на индуктивную нагрузку (а первичная обмотка трансформатора это она и есть) в момент коммутации контактов возникает большой выброс напряжения, особенно, если момент замыкания или размыкания реле попадает на пик синусоиды напряжения. Применение снабберных цепочек помогает, выброс становится меньше, но полностью не исчезает.
Идея решения этой проблемы заключается в применении симистора, симисторного драйвера с детектированием нуля и реле в одной схеме. Реле зашунтировано симистором, который замыкается в момент перехода напряжения через ноль. Далее включется реле, и его контакты шунтируют симистор. Поэтому далее - до самого выключения - он в работе участия не принимает, и, соответственно, не греется. Выключение происходит в обратном порядке.
Результат виден на рисунке ниже, слева показано обычное включение реле, справа - с применением описанной схемы, которая дает максимально чистое включение. С полной схемой и ее описанием можно ознакомиться в оригинальной статье, где я взял эту идею.
Собранная плата прекрасно работала, она показана ниже. Но, забегая вперед, позже я от нее отказался в угоду некоторых конструктивных изменений.
30 октября 2018 г.
Строящийся усилитель подразумевал питание от двух раздельных трансформаторов, поэтому и защита акустических систем нужна соответствующая. Тут два пути решения - либо делать полностью раздельные платы защиты с раздельным питанием, либо одну, но с гальванической развязкой между каналами. Хоть трансформаторы и имеют дополнительные слаботочные обмотки, заложенные специально для питания защиты АС, я решил делать по второму варианту - плата будет занимать чуть меньше места.
В качестве основы для схемы взял защиту усилителя Nataly на оптронах. Так как в конструкции подразумевается микроконтроллерное управление с отображением режимов работы на дисплее, то кроме всего прочего, мне необходимо было добавить цепи контроля срабатывания и принудительного отключения защиты.
Контроль срабатывания реализован в исходной схеме в виде светодиодной индикации. Его я заменил на оптрон и теперь срабатывание защиты вызовет появление сигнала PRT_ERR высокого уровня. Для принудительного отключения добавлен оптрон U1 параллельно U2 и U3. При подаче лог. 1 на вход PRT_LOCK реле отключают акустические системы.
Полностью передавать МК управление защитой не стал, оставил управление по принципу монтажного "ИЛИ". То есть при включении МК будет формировать задержку около 3 с и только после пропадания сигнала PRT_LOCK реле подключит АС к усилителю. А отключать их может как сама защита, так и МК.
Размер платы составляет 60 на 60 мм. Испытания показали, что при указанных на схеме номиналах задержка при включении составляет около 2 с (при питании 24 В), а срабатывание происходит при постоянном напряжении около 3 В любой полярности. Использовать плату можно и автономно - без какого либо внешнего управления. В конечном усройстве я не стал ставить времязадающие конденсаторы C2, т.к. у меня задержку при включении формирует микроконтроллер.
Описание этой платы у меня есть в отдельной заметке на сайте. Там присутствуют все материалы для ее повторения.
7 января 2019 г.
В конце 2018 года я собрал и испытал платы усилителя мощности.
Платы запустились успешно, первые пробные измерения показали, что в целом все в порядке, поэтому я решил собрать макет усилителя для его обкатки, прослушивания и написания прошивки для платы передней панели. Купил алюминиевых профилей и уголков и за вечер соорудил вот такую конструкцию (см. рисунок). Не хватало только платы регулятора громкости. Хоть я их и заказал, но так и не собрал. Мне не нравилась организация питания на этой плате и разводка земли. Была вероятность поймать земляную петлю. Регулятор громкости сделал на переменном резисторе, который висел на проводах (на центральном фото он справа за кадром). Прототип-макет как он есть.
Я предполагал, что за пару-тройку месяцев я все доделаю и уже буду готов заказывать корпус. Ага, конечно - в итоге все растянулось на годы...
лето 2020 г.
В 2020 году я снова вернулся мыслями к усилителю. Необходимо было все-таки доделать его. Самой большой трудностью в изготовлении корпуса для меня была передняя панель. Если с гибкой и покраской основного короба проблем особых нет, то вот с передней панелью все сложно. Я не знал людей или фирмы, которые за разумные деньги изготовят мне на заказ достаточно толстую анодированную панель с надписями.
К этому времени у меня уже был готов ЦАП Mercury, который я собрал на базе готово китайского корпуса. Такой подход мне понравился, и я стал искать варианты покупки готового корпуса такой же ширины.
Максимально похожий найденный на АлиЭкспресс корпус имел ширину передней панели на 3 мм больше. Тем не менее я решил его приобрести. Его размеры составляют 308 х 223 х 80 мм. Это чуть больше и выше, чем я планировал, но в половину рэковой ширины он все еще влезал.
Рядом они смотрелись очень неплохо. Но необходимо было изменить дизайн под реалии нового корпуса. Поэтому я снова сел рисовать. Начал с передней панели и проработал несколько вариантов. Рассматривал возможность как сочетать усилитель с ЦАПом, там и сделать совсем другой дизайн.
При изготовлении оргстекла для корпуса ЦАПа на нем была сделана гравировка логотипа, который я затер краской. С мелкими надписями такое провернуть сложнее, тонкие линии 0,2 мм получить сложно. Для нанесения текста на металлическую панель я использую УФ-печать, соответственно на оргстекле также нужно заказывать эту довольно дорогую печать. А это лишние деньги. Поэтому, хоть верхний левый вариант на картинке довольно неплох, я искал возможность избавиться от надписей на оргстекле. Так родился нижний левый вариант.
Также я прорабатывал более высокий вариант (справа сверху), т.к. процесс прорисовки панели происходил чуть раньше покупки корпуса. На хаос с названиями усилителя на рисунке не обращайте внимания.
Эти варианты я оставил на некоторое время, чтобы они "настоялись".
Еще во время пандемии я случайно познакомился с одним человеком, взаимовыгодное сотрудничество с которым привело к тому, что в начале 2021 года я стал обладателем небольших самодельных матричных дисплеев. Я решил, что поставлю один из них в свой усилитель, и его разработка снова перешла в активную фазу.
Для крепления дисплея на плату, ему был изготовлен корпус.
Я увлекся вариантами дизайна, где большая площадь панели была закрыта темным оргстеклом. Это скрадывало высоту корпуса. Поэтому с новым дисплеем возникли два других варианта (левый и правый на рисунке). Здесь сверху вниз показаны режимы усилителя - дежурный, рабочий и аварийный.
Эскизы выглядят достаточно красиво, но опять тут есть надписи на стекле. К тому же панель у готового корпуса имела фаски по периметру, а значит такие же фаски нужно делать на оргстекле, т.к. на некоторых участках оно доходит до границы панели. Снова возникают потенциально сложные в изготовлении места.
Получившиеся рисунки мне напомнили усилители Technics. Я начал смотреть разные варианты аппаратов этой фирмы для вдохновения. И в конце концов пришел вот к такому варианту.
От волнообразных линий я решил избавиться. Понял, что более строгие прямые формы все же мне нравятся больше. В связи с этим был изменен и шрифт в названии. С левого и правого края я оставил немного металла панели. Это выглядит достаточно хорошо и решает проблему стыковки фасок на панели и оргстекле. От надписей на стекле тоже удалось избавиться, поигравшись с их расположением и размерами самого оргстекла. Вокруг ручки регулятора я нарисовал тонкое кольцо - так темная ручка перестала теряться на черном стекле.
Выделяются три линии симметрии - по центру каждой из кнопок, и по центру панели. Но есть надпись "Dual mono power amplifier", которая чуть-чуть симметрию нарушает. Также немного асимметрична надпись на дисплее. Слева показана громкость, состоящая из пяти символов, а справа - выбранный вход из одного символа. Тем не менее, все это не смотрится плохо, а наоборот вносит некоторую особенность в дизайн. Полная симметрия зачастую наоборот выглядит несколько странно.
Возможно, вам покажется, что на дисплее громкость и выбранный вход стоит поменять местами. Так уровень громкости будет ближе к самой ручке, что логичнее. Тоже об этом размышляю, но это программный вопрос и поменять их местами не составляет труда.
На первых старых вариантах дизайна кнопки были круглыми. Они мне никогда особо не нравились, но других конфигураций колпачков я не находил. Но при конструировании матричного релейного коммутатора удалось купить прямоугольных колпачков, которые я и применил здесь. Диаметр ручки энкодера составляет 30 мм.
К слову, о названии. В качестве них я выбираю названия различных космических тел. В данном случае, Фомальга́ут — самая яркая звезда в созвездии Южной Рыбы (южное полушарие) и одна из самых ярких звёзд на ночном небе. Каких-то хитрых закономерностей по выбору я не преследую, а беру те, которые выглядят красиво.
В прошлых моих устройствах (Mercury, Helvetios) плоскость оргстекла и панели всегда были заподлицо. А здесь я решил дать немного объема и фактуры, приподняв стекло над панелью. Это также удешевит фрезеровку панели, т.к. выборку под стекло нужно будет делать очень небольшую, либо можно не делать вовсе. Поэтому по краю оргстекла на рисунке видна небольшая фаска.
Дизайн задней панели я рисовал с оглядкой на заводские устройства. Старался соблюдать визуально красивые пропорции линий и размеров. На заводских усилителях часто делают пропилы между плюсовой и минусовой выходными клеммами, а у меня их здесь нет. Дело в том, что пропилы играют роль на стенках из магнитных материалов, в частности, на стальных. Часть магнитного потока от трансформатора уходит в металл корпуса между отверстиями и проходит через контур с проводом, тем самым индуцируя в нем ЭДС. Пропил между отверстиями резко увеличивает магнитное сопротивление этой перемычки, и эффект ослабевает. Здесь панель дюралюминиевая немагнитная, поэтому делать пропилы не имеет смысла. В остальном здесь нет ничего примечательного.
Многострадальный регулятор громкости я снова решил переделать и вернуться к регулятору Никитина на реле. Его схема показана ниже. Плату с разъемами я переделывать не стал, она осталась прежней. Лишь не стал распаивать разъемы для выхода AUX.
20 июля 2023 г.
И вот весной этого года у меня дошли руки заказать доработку корпусных элементов, недостающие компоненты и приступить к окончательной сборке усилителя.
Трехмерную прорисовку корпуса к этому моменту я уже доделал, поэтому только все еще раз перепроверил и отдал переднюю и заднюю панель на фрезеровку и нанесение надписей. Как я уже упоминал выше, надписи на металле я наловчился делать в типографии при помощи УФ-печати. Получается дороговато, но зато очень здорово. Для себя любимого же делаю :)
В ожидании готовности доработок я взялся за разработку крепежа для трансформаторов. У них в каркасе есть отверстия для крепления, но у меня их расположение получалось таким, что этот крепеж был не внизу, а сбоку. Повернуть трансформаторы так, чтобы можно было закрепить их к нижней крышке, не давал доступный габарит корпуса внутри по высоте. К тому же я хотел сделать им электромагнитный экран. Поэтому я совместил оба элемента в одном, спроектировав вот такую деталь.
По картинке видно, что каждый из трансформаторов крепится к вертикальной и к боковой стенке. Хоть каркасы у них и пластиковые, восемь винтов держат очень надежно. Открытой стороной этот узел "смотрит" в боковину корпуса, поэтому все внутренности усилителя экранированы миллиметровым слоем стали этого крепежа-экрана. Также с передней стороны видны два ушка, которые я оставил для крепления к ним отходящих от трансформаторов проводов.
С креплением самих плат усилителей не было никаких вопросов. На торцах их радиаторов есть по три отвертия с резьбой. В них я вкрутил стойки и через них прикрепил блоки усилителей вертикально к нижней крышке корпуса. Стойки установил для симметричного расположения радиаторов внутри корпуса по высоте.
По сути, блоки усилителей, трансформаторный узел и ножки - это все, что нужно крепить к нижней крышке. Насверлив в ней отверстий я все закрепил.
Предвосхищая ваши замечания по поводу разположения крайнего блока усилителя, отвечу, что повернуть его так, чтобы платы смотрели друг в друга, нет возможности. Боковина корпуса и радиатор будут конфликтовать между собой. Там все плотненько.
К передней панели крепится плата управления с микроконтроллером. На ней же расположен и дежурный блок питания на базе AC-DC преобразователя. К задней панели крепятся: плата дежурного питания (которая в итоговом варианте превратилась в плату с сетевым фильтром и реле подачи основного питания на трансформаторы), плата защиты акустических систем и узел регулятора громкости с селектором. Все это успешно установилось на свои места (3D-проектирование тащит) и мне оставалось только лишь выполнить разводку проводов в корпусе.
15 августа 2023 г.
После пары вечеров в компании проводов разных цветов, термоусадки и клеммной обжимки я наконец-то смог все подключить и закрыть верхнюю крышку. Ниже показаны несколько фотографий того, что у меня получилось.
Тестовый запуск показал, что все работает исправно, усилитель поет и выдает расчетную мощность. Но нужно снять его характеристики, а перед этими действиями кое-что настроить...
Я писал выше, что данный усилитель работает в классе Super AB. Сравните как на рисунке ниже выглядят осциллограммы токов плеч выходного каскада в режиме AB (слева) и в режиме Super AB (справа). Хорошо видно как в правом варианте ток каждого из плеч опускается до минимального значения, но нуля не достигает и остается на некотором минимальном уровне. В классе AB оба тока в неактивном полупериоде полностью становятся равными нулю, что означает полное запирание соответствующих транзисторов.
Я потратил два вечера на то, чтобы добиться от усилителя работы именно в режиме без отсечки тока. Из-за разброса параметров компоненов и неодинаковости N- и P-канальных транзисторов выходного каскада пришлось подбирать несколько резисторов в блоке SAB. В конечном итоге мне это удалось и на осциллограммах ниже показаны токи ВК при разной выходной мощности - слева направо по возрастанию. Хорошо видно, что режим Super AB сохраняется во всем диапазоне мощностей.
Далее представлены измерения различных характеристик, снятые непосредственно с усилителя. При измерениях использовались: осциллограф Rigol DS1054Z, генератор Rigol DG1022Z, мультиметр UNI-T UT61E+, ЦАП Mercury и звуковая карта E-MU 0404 USB.
Измерения нелинейных искажений проводились с использованием ЦАПа и звуковой карты. Собственные искажения измерительного стенда составляют 0,0003 % (при выходном сигнале 1 кГц, 1 В RMS). Ниже приведены графики THD в зависимости от выходной мощности и частоты. По левому графику хорошо заметно, что при выходной мощности более 45 Вт начинается резкий рост THD. Это говорит о том, что дальше наступает предклиповое состояние и выходной сигнал близок к ограничению. Ниже этой мощности уровень гармонических искажений околопостоянный. Поэтому мощность 45 Вт можно считать номинальной. Тем не менее, при мощности 50 Вт уровень гармонических искажений хоть и выше, но все еще приемлем для комфортного прослушивания. Эту мощность я буду считать максимальной. При дальнейшем увеличении мощности в выходном сигнале становится визуально заметно ограничение верхушек синусоиды. Величина THD также растет и с увеличением частоты, что отражено на правом графике.
Зависимости THD от выходной мощности при разной частоте входного сигнала (слева) и от частоты при разной выходной мощности (справа)
На рисунке ниже показан спектр выходного сигнала номинальной выходной мощности при измерении THD.
Спектр выходного сигнала при измерении THD (номинальная выходная мощность)
Ограничение сигнала усилителя (клиппинг) выглядит следующим образом. Форма ограничения хорошая, без выбросов.
Ограничение выходного сигнала усилителя
Кроме THD интересен также уровень гармонических искажений с шумом - параметр THD+N. Он, как и должен, имеет бóльшие значения по сравнению с чистым THD. На той же мощности 45 Вт начинается резкий рост. А рост THD+N на низких значениях мощностей обусловлен уменьшением уровня входного сигнала относительно постоянной шумовой полки. Также по этому графику можно определить отношение сигнал/шум усилителя. Для этого нужно взять значение THD+N на номинальной мощности и перевести его в дБ. Это приблизительно -100 дБ.
На правом графике представлена зависимость интермодуляционных искажений от выходной мощности усилителя. Интересно, что при максимальной мощности IMD составляет минимальное значение.
Зависимость THD+N от выходной мощности при разной частоте входного сигнала (слева) и зависимость IMD (60 Гц + 7 кГц) от выходной мощности (справа)
Спектр выходного сигнала при измерении IMD (номинальная выходная мощность)
Еще один немаловажный параметр любого усилителя - его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Ее измерение я проводил подавая синусоидальный сигнал с генератора, контролируя выходное напряжение мультиметром и дополнительно осциллографом. Форма АЧХ показана на рисунке ниже. Дополнительно я обозначил два диапазона - полосу усиления по уровню -0,5 дБ (она получилась от 7,5 Гц до 33 кГц) и полосу по уровню -3 дБ (от 2,2 Гц до 76 кГц).
Амплитудно-частотная характеристика
Также об АЧХ усилителя можно судить по его реакции на меандр. Поэтому ниже приведены осциллограммы выходного напряжения при подаче на вход меандра различной частоты. Форма переходных процессов выглядит "красиво", без каких-либо выбросов и паразитных осцилляций. С ростом частоты заваливаются фронты, но это следствие ограничения полосы усиления на высоких частотах.
Меандры 10 и 100 Гц
Меандр 1 кГц
Меандр 10 кГц
Меандр 20 кГц
И пару слов о температуре. Нужно было понять не перегреется ли усилитель во время эксплуатации. После всех настроек и регулировок ток покоя у меня установлен около 65 мА. Сам корпус, к сожалению, изначально имеет маловато отверстий для охлаждения. Но тем не менее часовая проверка показала, что в жуткий перегрев он не уходит. Радиаторы разогреваются до 80-82 градусов после часа проигрывания музыки на максимальной мощности. Эта ситуация предельная, я более чем уверен, что в таком режиме эксплуатировать его мне не придется. Обычно для комфортного прослушивания более чем достаточно нескольких ватт мощности. Поэтому, считаю, что результат приемлемый. Кроме того у меня на радиаторах есть датчики температуры, которые можно настроить на отключение усилителя при достижении, например, 90 градусов. Это на тот случай, если по какой-то причине эта температура будет достигнута.
Краткая сводка измерений и характеристик приведена в таблице:
| Входное сопротивление | 10 кОм || 220 пФ |
| Номинальный входной уровень | 600 мВ RMS |
| Сопротивление нагрузки | 4 – 8 Ом |
| Номинальная выходная мощность | 45 + 45 Вт (4 Ома) 22 + 22 Вт (8 Ом) |
| Максимальная выходная мощность | 50 + 50 Вт (4 Ома) 25 + 25 Вт (8 Ом) |
| THD | менее 0,0004% (4 Ома, 45 Вт) |
| IMD (60 Гц : 7 кГц = 4:1) | менее 0,0008% (4 Ома, 45 Вт) |
| SNR | не хуже -100 дБ |
| Частотный диапазон | 7,5 Гц – 33 кГц по уровню -0,5 дБ 2,2 Гц – 76 кГц по уровню -3 дБ |
Что можно сказать в конце? Я безумно рад тому, что довел эту работу до конца. Кроме того, рад получившемуся результату - усилитель не только красиво выглядит, но и измеряется и играет великолепно. Если вас заинтересовала эта схема, то посоветую собирать не ее, а версию YES-4M-SAB. Она тоже относится к Super AB, но в отличие от 3M-SAB в ней нет дорогостоящей и редкой LT1210. К тому же говорят, что четвертая версия усилителя звучит лучше третьей.
Ниже я выкладываю архивы с некоторыми схемами и платами.
Скачать проект Altium Designer платы усилителя (ZIP)
Скачать проект Altium Designer платы защиты акустических систем (ZIP)
Скачать проекты Altium Designer плат узла регулятора громкости (ZIP)
Скачать проекты Altium Designer двух вариантов платы дежурного питания (ZIP)