Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН

Незабываемый кадр из незабываемого фильма. Сейчас Марти МакФлай вжарит!!!
В этой части проекта читателю предлагается проверить эффективный способ достижения высококачественного звуковоспроизведения, заключающийся в переводе традиционного УМЗЧ (источника напряжения, управляемого напряжением) в источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Также упоминается подход, основанный на комбинированной отрицательной обратной связи по току и напряжению.

↑ Эксперименты с ИТУН

Легким движением паяльника усилитель Питера Смита превращается в источник тока, управляемый напряжением — ИТУН (рис. 1). Дополнительно установленные элементы обведены на рисунке пунктирной линией. Обязательно проверьте это техническое решение.
Следует, однако, учесть, что акустическая система (АС) должна быть широкополосной (однополосная или двухполосная АС с простейшими фильтрами не выше первого порядка). У меня акустической системой служили четырехваттные динамики в исполнении открытый ящик от переносного электрофона. Чувствительность усилителя с входа составляет около 0,5 В.

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

Токовое управление громкоговорителями показывает ряд преимуществ по сравнению с усилителями с малым выходным сопротивлением [1 — 6]:

• Существенно снижаются нелинейные и интермодуляционные искажения; • Уменьшается неравномерность АЧХ и расширяется полоса воспроизводимых частот; • Улучшается импульсная характеристика громкоговорителя. • Существенно улучшается разборчивость фонограмм, что важно для людей с пониженным слухом.

Находясь под впечатлением от настоящего эксперимента, читатель задастся рядом вопросов: «Куда смотрит аудиоиндустрия? Почему такое значительное улучшение качества звуковоспроизведения от использования токовых усилителей до сих пор не замечено? Неужели трудно создать серийные усилители звуковой частоты с токовым выходом?».

Однако вопрос заключается не в создании серийных образцов токовых усилителей, а в их согласовании с акустическими системами. Последние проектируются в расчете на низкое выходное сопротивление усилителей (питание от источника напряжения), при этом обеспечивается правильный тональный баланс и плоская АЧХ.

Попытка подключения ИТУН (генератора тока) к многополосной акустической системе приведет к сбою тонального баланса, сведя на нет снижение искажений. Кроме того, значительные проблемы наблюдаются вблизи резонансных частот динамических головок, где модуль полного сопротивления начинает возрастать. Поскольку напряжение на выходе токового усилителя пропорционально сопротивлению нагрузки, напряжение на головке также возрастает, что приводит к перегрузке с резким ухудшением качества звуковоспроизведения.

Поэтому требуется изменение методики проектирования многополосных АС, рассчитанных на токовое управление.

И все же до такой степени заметное улучшение качества звучания столь доступным способом не может остаться без внимания (хотя бы радиолюбителей). Усилители с обратной связью по току можно с успехом использовать в качестве полосовых при конструировании активных акустических систем с активным кроссовером (многополосным разделительным фильтром перед полосовыми УМЗЧ).

В статье [2] Сергей Агеев надеялся порадовать любительскую общественность конструкцией высококачественного четырехполосного громкоговорителя на основе распространенных динамических головок, построенных на базе предложенных им принципов снижения искажений. Но как гласит известная пословица «Хочешь рассмешить бога – настрой планов!». Неоднократно убеждался в ее справедливости на собственном опыте.

ASP Optimus Classic SB II

Размеры: высота — 1070 мм, ширина (основание) — 283 мм, глубина (основание) — 366 мм; Вес одной колонки: 37 кг; Тип: трёхполосные с фазоинвертором. Фазоинвертор — фронтальный; Полоса частот: 32–30000 Гц, при неравномерности -3 дБ; Номинальное сопротивление: 8 Ом; Чувствительность: 89 дБ; Использованы динамики компании SB Acoustics топовой линейки Satori: TW29R-B, MR16P-4, SB23NRXS45-8; В фильтрах использованы топовые компоненты Jantzen, Mundorf; Грили из звукопрозрачной ткани Jantzen — в комплекте; Шипы — в комплекте; Материал шпона — на выбор (я выбрал светлый дуб).
Акустика сделана добротно, и внешний вид ее — очень красив. Если не знать, что это авторская работа, можно подумать, что перед нами именитый бренд. Правда, ручная работа все же чувствуется. В стыках шпона, например. Но это только подчеркивает индивидуальность каждого изделия.

Прогрев продолжался один месяц по 2–3 часа в день. Через месяц я перестал слышать изменения тонального баланса в звучании акустики.

↑ Комбинированная ООС по току и напряжению

Значительно расширяет поле деятельности любителей подход, основанный на использовании комбинированной отрицательной обратной связи по току и напряжению, позволяющий строить усилители, обладающие ненулевым выходным сопротивлением [5, 7 — 9].
При этом:

• Улучшаются условия работы головки громкоговорителя и снижаются его нелинейные искажения; • Возрастают электрическая и полная добротность низкочастотного громкоговорителя, что изменяет его АЧХ в области низких частот.

Комбинированная обратная связь по напряжению и току эффективно уменьшает переходные интермодуляционные искажения, повышает точность воспроизведения атаки звукового сигнала и дает

, пожалуй,
наибольший эффект в улучшении качества звуковоспроизведения
.

С практической точки зрения следует выделить публикации нашего согражданина-датагорца Игоря Рогова [7, 8], в которых рассмотрены схемы построения УМЗЧ с ненулевым выходным сопротивлением для инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

Также разработана программа расчета, дополненная примером оценки АЧХ громкоговорителя в акустическом оформлении «закрытый ящик» при подключении его к указанному усилителю [8].

Показанная на рис. 1 схема – не «чистый» преобразователь напряжения в ток (ИТУН), а усилитель с комбинированной отрицательной обратной связью по току и напряжению. Ее особенность заключается в том, что она позволяет получить необходимое выходное сопротивление усилителя.

Регулировка выходного сопротивления осуществляется путем изменения сопротивления резистора R8. Требуемое выходное сопротивление поможет выбрать табл. 1. Обратите внимание, что выходное сопротивление Rвых не зависит от сопротивления нагрузки (АС). Изменяется лишь коэффициент передачи усилителя.

Как видно из табл. 1, выходное сопротивление усилителя может меняться в довольно широких пределах, позволяя найти оптимальное качество звучания. Обычно оно соответствует выходному сопротивлению, соизмеримому с сопротивлением нагрузки. Здесь выполнено соотношение Rн/R9=R5/R4, чтобы коэффициент усиления не зависел от значения R8.

Можно провести расчет параметров цепей обратной связи УМЗЧ таким образом, чтобы коэффициент передачи усилителя (Ku=25,2 дБ) был постоянным для сопротивлений нагрузок Rн=4; 6 и 8 Ом. В этом случае выходное сопротивление Rвых для каждой Rн будет определяться своим значением R8 (Табл. 2).

Настоятельно советую на практике познакомиться с этой интересной стороной взаимодействия УМЗЧ и АС. Вполне можно отказаться от цепи R4, C3, что, однако приведет к изменению коэффициента усиления УМЗЧ при установке требуемого выходного сопротивления усилителя резистором R8.

Необходимая информация для экспериментов приведена на рис. 2 и в табл. 3.

Исключён фрагмент. Полный вариант доступен меценатам и полноправным членам сообщества.

При R4 более 1 кОм емкость конденсатора С3 может быть уменьшена до 100 мкФ.

Лучшие портативные усилители (для наушников)

Дешевые китайские наушники благодаря этим устройствам лучше звучать не станут, но вот в комбинации с хорошими моделями портативные усилители помогут точнее настроить звучание и «раскачать» ушки по полной.

McIntosh MHA50

5

★★★★★

оценка редакции

98%

покупателей рекомендуют этот товар

Достаточно крупный и отнюдь не самый доступный усилитель от американской фирмы, выпускающей оборудования класса High-End. Устройство не сравнится по компактности с бюджетными моделями — по размеру оно даже крупнее современных смартфонов. Но аппарат выдает звук недостижимого уровня (и это несмотря на отсутствие поддержки кодека aptX HD). Аккумулятор на 3000 мА·ч обеспечивает до 6 часов работы.

Достоинства:

• Безупречное качество звука;
• Приятный дизайн;
• Хорошая комплектация;
• Несколько разъемов для подключения к разным источникам звука;
• Поддержка наушников с сопротивлением от 8 до 600 Ом.

Недостатки:

• Высокая цена;
• Крупные габариты.

Это уникальное устройство, которое заинтересует людей, по-настоящему живущих музыкой. Усилитель обеспечивает потрясающий звук вне зависимости от источника и качества наушников. Впрочем, и тут не обошлось без недостатков: цены, размеров и посредственной автономности.

FiiO BTR3

4.9

★★★★★

оценка редакции

92%

покупателей рекомендуют этот товар

FiiO — один из самых популярных производителей с огромным ассортиментом устройств для аудиофилов. BTR3 — наиболее примечательная из новых моделей бренда. Дизайн у нее довольно простой: обычная глянцевая коробочка. Но есть интересное решение в виде изменения подсветки в зависимости от выбранного кодека. На корпусе расположились элементы управления в виде физических кнопок. От одного заряда устройство работает около 10-11 часов.

К усилителю проводным способом подключаются наушники, а уже сам BTR3 по Bluetooth сопрягается со смартфоном. Он воспроизводит частоты в диапазоне от 20 до 40 000 Гц, соединяется по Bluetooth 4.2 и поддерживает все актуальные кодеки: aptX, aptX HD, AAC, LDAC и другие. Также имеется приложение для базовой настройки, а с помощью разъема USB-C аппарат можно подключить, например, к ноутбуку.

Достоинства:

• Отличное качество звука;
• Поддержка всех актуальных кодеков;
• Хорошая автономность;
• Минималистичный дизайн;
• Цветовая маркировка кодеков;
• Разъем USB-C.

Недостатки:

• Мелкие элементы управления;
• Не очень качественный микрофон.

Устройство, которое внешне напоминает MP3-плееры прошлого века, обеспечивает звук высочайшего качества почти любых наушников и работает со всеми современными кодеками.

Beyerdynamic Impacto Universal

4.8

★★★★★

оценка редакции

87%

покупателей рекомендуют этот товар

Небольшой усилитель для наушников, выполненный в форме толстого плеера, работает как с Android-смартфонами, так и с iPhone. К ПК подключаться тоже можно. Impacto Universal воспроизводит аудиофайлы Hi-Res до 32 бит/384 кГц. Диапазон частот: 4 — 52 000 Гц. Без кабеля и аккумулятора аксессуар весит всего 12 г.

Достоинства:

• Компактный и легкий;
• Отличный звук;
• Несколько разъемов для разных устройств;
• Приятный дизайн.

Недостатки:

• Цена высоковата;
• Не очень богатая комплектация.

Дорогой, но качественный усилитель для наушников в первую очередь предназначен для моделей этого же производителя.

↑ Недостатки ИТУН и усилителей с регулируемым выходным сопротивлением

Я вижу два основных недостатка:
1. Усилители с токовым выходом и регулируемым выходным сопротивлением не универсальны, весьма чувствительны к акустическим системам. На ряде АС увеличение выходного сопротивления не приводит к улучшению качества звучания, часть АС начинает «бубнить».

2. С повышением уровня входного сигнала быстрее растут интермодуляционные искажения на низких частотах по сравнению с питанием АС от источника напряжения. Данный эффект вызван снижением магнитной индукции в крайних положениях диффузора громкоговорителя. Поскольку в ИТУН и усилителях с регулируемым выходным сопротивлением сила со стороны катушки прямо пропорциональна силе тока и магнитной индукции в зазоре катушки, снижение индукции приводит к появлению гармоник (в основном второй и третьей). В усилителях с питанием от источника напряжения ток в катушке зависит от ее омического сопротивления и индуктивности, негативное влияние которых в современных динамических головках сведено к минимуму.

Питание

Многоквартирный дом, где я живу, относительно новый — 1999 года постройки. Электропитание хорошее. В квартире заменена вся проводка на медную 2,5 мм². Отдельный провод от щитка идет на розетки, к которым подключен усилитель и иная аудиотехника. Усилитель подключен обыкновенным силовым кабелем сечением 0,75 мм², от лазерного принтера Hewlett-Packard. Попытка заменить сей силовой кабель китайским, толстым (16 мм толщиной, сечением жил по 4 мм²) стоимостью 2 000 рублей окончилась неудачей — звучание ухудшилось. Пропали детальность и объем.

↑ Дальнейший план действий

Призвав читателя окунуться в серию интереснейших экспериментов с усилителями тока и с комбинированной обратной связью (по току и напряжению), хочу предложить две конструкции, в которых используется ИТУН, но в целом УМЗЧ обладает традиционными свойствами малого выходного сопротивления, то есть, предназначен для работы с серийно выпускаемыми акустическими системами.
Первая из предложенных схем

описана в части
5-4
и содержит преобразователь напряжения в ток в выходном каскаде, а в целом УМЗЧ охвачен глубокой ООС по напряжению.

Во втором УМЗЧ

ИТУН расположен на входе выходного каскада, охваченного параллельной ООС, что позволило обеспечить ее максимальную глубину. Эта схема описана в заключительной части
5-5
.

На картинке в аннотации статьи показан пример грамотного управления громкоговорителем. Сцена из первой части научно-фантастической трилогии «Назад в будущее», в которой Марти Макфлай пытается поиграть на своей гитаре, подключив ее к громадному динамику в лаборатории Дока Брауна.

Прослушивание 1

Источник — CD-плеер Marantz CD-48, используется коаксиальный выход, подключен коаксильным кабелем (обыкновенный китайский шнурок, стоимостью 1 400 рублей за пару) к ЦАПу S.M.S.L M400 (используется новейшая микросхема AK4499), который подключен к балансному входу усилителя PAS-240 посредством китайского балансного кабеля, длиной 50 см и стоимостью 2 200 рублей за пару. Для прослушивания я выбрал CD-диск БГ и Аквариума достаточно редкого издания (тираж 2 000 экз.), который выпустила компания OCS в 2003 году.

Песня «Кострома Mon Amour» (регулятор усиления — на 11 часов) звучит пронзительно. Голос Гребенщикова узнаваемо-томный, с характерными интонациями за счет кристально чистого звучания воспринимается не как выпендреж, а как сдержанная исповедь. Партия бас-гитары очерчена, точна и великолепна.

Аккомпанемент ненавязчив. Сцена широкая, голос чуть выступает вперед. Хорошая работа звукорежиссера. Я получил большое удовольствие. Ну и некоторый эксперимент: подключил ЦАП к небалансному входу усилителя. Прилично. Но не стало той высочайшей детальности и прозрачности.

↑ Упомянутые источники

1. Страница Николая Лишманова (Lincor) 2. Агеев С. Должен ли УМЗЧ иметь малое выходное сопротивление? (О снижении интермодуляционных искажений и призвуков в громкоговорителях) // Радио, 1997, №4, с. 14 – 16. 3. Алейнов А., Сырицо А. Улучшение звуковоспроизведения в системе УМЗЧ – громкоговоритель // Радио, 2000, №7, с. 16 – 18. 4. УМЗЧ с токовым выходом. Принцип действия и практические схемы 5. Аудио усилитель MF-1 на TDA7294/93 с гибридной ООС 6. Сапожников М. Нестандартные включения микросхем в УМЗЧ // Радио, 1998, №2 с. 23. 7. Рогов И. Регулировка выходного сопротивления УМЗЧ посредством комбинированной ООС // Радио, 2007, №10, с. 19 – 22. 8. Программа расчета комбинированной ООС 9. Рогов И. УМЗЧ с регулируемым выходным сопротивлением // Радио, 2008, №4, с. 14 – 17; 2008, №5, с. 14, 15.

Прослушивание 2

Источник — портативный плеер Cayin i5 (используется AK4490), линейный выход которого подключен к небалансному входу усилителя кабелем Supra BiLine -MP (мини-джек 3,5 мм — 2xRCA, ценой 4 740 рублей).

«Пляска скоморохов» (из оперы «Снегурочка» Н.А.Римского-Корсакова) в исполнении Миннесотского оркестра (дирижер Eiji Oue, диск Tutti, reference recording, FLAC). Регулятор громкости на 11 часов. Полное присутствие перед звучащим оркестром. От чуть слышного piano до громобойного, в грудь, fortissimo литавр и меди тарелок! Восторг!

И все это звучит, не смешиваясь в кашу, прозрачно и детально. Усилитель и колонки прекрасно справляются со взрывным характером произведения. Замечательное исполнение, прекрасная запись, отличное воспроизведение!

▍ От автора

Данный цикл публикаций состоит из шести частей. Краткое содержание публикаций:

1. Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель. < — Вы тут
2. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ.
3. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения.
4. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Логарифмический усилитель. Активный ограничитель сигнала. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности.
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ.
6. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.

Использованные источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991