Омикрон. Компактный ультралинейный телефонный усилитель

[Rus2000]

Оглавление:
1. История создания. См. следующее сообщение.
2.

N. Печатные платы. Стоит сказать о печатных платах Омикрона, т.е. об одном из самых трудоемких и ресурсоемких этапов разработки, который оказывает решающее влияние на итоговое качество собранного усилителя. Все схемотехнические ухищрения могут легко потерять свою ценность без тщательно продуманной, трассированной, отлаженной и проверенной платы.

Схемы Омикрона свободны для некоммерческого использования.
По коммерческим вопросам обращайтесь к разработчикам.

 

[Rus2000]

Началась эта история давно. Еще с испытаний УМ "Ностальгия".
Тов. Зеленый собрал макет композита по мотивам Ностальгеева. Без плавающего питания и с BUF634 на выходе.:

Телефонный усилитель.
Не знаю, нужен такой или нет.
В чем плюс - не требуется плавающее питание второго ОУ, т.е. можно собрать весь УН на одном сдвоенном ОУ типа OPA2132.
Получится чрезвычайно компактно.

Тема старая, но все же:
Еще компактнее использовать ВК в интегральном исполнии, например BUF634, LME49600 или LT1010 - тогда получится всего две микросхемы на канал, или две с половиной, если добавить DC servo.
Макет на 2x OPA134 + BUF634 (90дБ @ 20кГц) работает отлично, искажения меньше, чем у звуковой карты, аккуратный клип

После этого было принято решение заменить микросхему буфера на что-то более доступное и универсальное.
В нынешних условиях санкций этот вопрос стал еще более актуальным.

Исходная схема одного канала усилителя:

Всего одна микросхема и два транзистора.

Собранная на макетке схема заработала сразу:

В процессе проверки/наладки были проверены разные сдвоенные ОУ, уточнена коррекция и режимы работы ВК.
При использовании тихоходных ОУ типа TL072 можно получить около 77дБ петлевого усиления.
OPA2132/2134 дают под 96дБ в петле, а самые обычные 5532 - 105+дБ.

Даже с TL072 усилитель остается сверхлинейным. Кг(20к) - порядка 150u% (0,00015%)/

По совокупности параметров лучше всех себя показали именно NE5532. С ними и искажений меньше, и клип лучше, и цена у них приятная, и найти их можно где угодно.

Расчетное петлевое усиление:


Расчетный Кг(20к) - 4u% (0,000004%).
Расчетные ИМИ (19+20к):


Расчетный клип:


Для защиты наушников было разработано и отлажено устройство защиты.
Ключевые особенности схемы защиты:
- Отключает нагрузку при повышении постоянного напряжения любой полярности на выходе УТ более чем на 80мВ
- Отключает нагрузку при пропадании сетевого напряжения.
- Обеспечивает фиксированную задержку подключения нагрузки после включения питания, после восстановлении напряжения сети и после устранении постоянки на выходе любого из каналов.
- Выполнена всего на одной ИМС и трех транзисторах.
- Не содержит электролитических конденсаторов в цепях, задающих частоты среза и временнЫе задержки.

Все вместе выглядит вот так:


Версия с двумя усилителями, защитой и выходными фильтрами на одной плате:


Ключевые особенности схемы стереоусилителя:
- Обеспечивает экстремально низкие искажения на нагрузке 32-600 Ом.
- Содержит цепи кроссфида, добавляющие реалистичность звучания в наушниках.
- Каждый канал выполнен всего на одной ИМС и двух транзисторах.
- Не содержит дорогих и дефицитных компонентов.

О том, как эта компактная схема измеряется и звучит, вам поведает тов. Зеленый.

Поверьте (и проверьте, чтоб убедиться), телефонных усилителей с такой линейностью на любой нагрузке крайне мало.
А с учетом простоты, доступности и возможности дальнейшего набора линейности, конкурентов вообще не видно.

В теме неоднократно поднимался вопрос недостаточной линейности простого эмиттерного повторителя, и предлагалось заменить его чем-то более сложным и линейным.
Проверка в железе показала, что переживания напрасны и усложнение схемы нецелесообразно:

Применение более сложного и линейного повторителя на выходе схемы не позволило ни измерить, ни услышать статистически значимой разницы по сравнению со схемой v04, которая опубликована на первой странице этой темы.

 

[Rus2000]

Внезапно обнаружилось большое количество любителей доработать Омикрон. Желание, конечно, похвальное, но перед тем, как дорабатывать усилитель с линейностью на уровне 0,000004% попробуйте, для начала, доработать что-нибудь менее линейное.

По поводу правильного подхода к "доработкам" Омикрона точнее, чем тов. Зеленый, сказать сложно:

было бы полезнее для начала построить и отладить Омикрон без изменений, с правильным током покоя и проч., а затем, если захочется, что-то менять и сравнивать результат с оригиналом.

Специально для любителей "допиливать" Омикрон создана отдельная тема:
Как можно сделать ультралинейный Омикрон хуже/сложнее/дороже.

Все "допилинги" будут складываться туда, с соответствующими комментариями и пояснениями.

 

[Rus2000]

Замена комплектующих.

В стоковой схеме (v.04) проверены следующие сдвоенные ОУ:
NE5532 от TI и Signetics, LM4562, LME49720, LME49860, ОРА1642, OPA1652, OPA1688, OPA2604, AD712, OPA2132, OPA2134, NJM4580.
Через адаптер можно поставить отечественный 574УД2, но у них значительный разброс параметров, и с некоторыми экземплярами усилитель самовозбуждается. Нужно иметь запас таких ОУ, и тщательно проверять схему на устойчивость во всех режимах.

Проверенные пары одиночных ОУ через адаптер:
LME49990, OPA132, OPA134, 544УД2 с полной встроенной коррекцией.
C таким адаптером можно бесконечно перебирать комбинации разных ОУ.

 

[alexcp]

Омикрон представляет собой инвертирующий композит из двух ОУ (половинок NE5532) с двухтактным ЭП на выходе. Второй ОУ и ЭП охвачены местной петлей ООС. Такая топология была выбрана в результате сравнения в железе нескольких вариантов: композита с монопетлей и частотно-зависимым делителем а-ля Лимит, композита с местной петлей вокруг первого ОУ, Йевена, а также не-композита в виде одного ОУ с ЭП на выходе. @Lenin нас учит, что медленный ВК не нужно трогать местными петлями, но в данном случае получилось вроде бы неплохо.

Ку составляет 2,5 при питании +/-17 вольт, что позволяет использовать как низкоомные (32..50 ом), так и высокоомные (до 600 ом) наушники. Входное сопротивление в последнем варианте схемы – 2кОм, с таким успешно работает большинство современных источников сигнала. В качестве регулятора громкости можно использовать переменный резистор на 10кОм с линейной характеристикой, что в сочетании с входным сопротивлением усилителя и изменением Ку дает довольно точную логарифмическую характеристику регулирования.

Схема:

Клип в железе такой же аккуратный, как в симуляторе:

Искажения Омикрона измеряются не без труда. На всех картинках ниже уровень тестового сигнала - 0дБ - соответствует 100мВт в нагрузке на синусе, т.е. 120дБ звукового давления при типовой чувствительности наушников 100дБ/мВт; сам тестовый сигнал подавлен на ~50дБ вычитателем:

THD 1кГц:

CCIF IMD 19+20кГц:

SMPTE 60Гц+7кГц и DIN 250Гц+8,02кГц с соотношением амплитуд 4:1:


Тест 1+5.5кГц, предложенный Линквитцем - его интермоды попадают в область наибольшей чувствительности человеческого слуха:

При отладке оказалось удобно также использовать тест IMD 7+13кГц - его интермоды и гармоники попадают в верхний край звукового диапазона, где петлевое усиление ниже:


Для той же выходной мощности 100мВт при более высокомной нагрузке (т.е. при большем выходном напряжении, но меньшем токе нагрузки) результаты аналогичны:


Интермоды все же можно увидеть на спектре, если повысить амплитуду до 8 вольт на нагрузке 32 ома, что соответствует пиковой мощности 2Вт (и, вероятно, разрушению наушников):

 

[Rus2000]

Интермоды все же можно увидеть на спектре, если повысить амплитуду до 8 вольт на нагрузке 32 ома, что соответствует пиковой мощности 2Вт (и, вероятно, разрушению наушников)

Этот рост искажений обусловлен выходом ВК из класса А на низкоомной нагрузке при большой амплитуде сигнала.
Но даже в таком режиме искажения находятся на уровне порядка 0,00003%
Т.е. схема универсальна и практически всеядна в плане нагрузки.

Сейчас ток покоя ВК выбран с тем расчетом, чтобы при разумном звуковом давлении не происходило отсечки тока плеч ВК при использовании низкоомных наушников.

Сопротивление большинства наушников составляет 32-600 Ом. Т.е. отличается более, чем на порядок. Поэтому оптимизация схемы под конкретную нагрузку приводит к ухудшению параметров (КПД/линейности/чувствительности) при использовании другой.
Возможно, позже будет смысл сделать два варианта Омикрона:
1. Для низкоомных наушников (32-120 Ом). С низковольтным питанием ВК, с небольшим Ку (2-3) и с повышенным током покоя.
2. Для высокоомных наушников (120-600 Ом). С повышенным питанием ВК, с Ку от 3 до 5 и со сниженным током покоя.

 

[alexcp]

Сейчас ток покоя ВК выбран с тем расчетом, чтобы при разумном звуковом давлении не происходило отсечки тока плеч ВК при использовании низкоомных наушников.

Макет (на фото в первом сообщении темы) был без радиаторов и имел ток покоя ВК около 25мА на канал, транзисторы были горячими. На печатных платах было собрано четыре канала, пара с 50мА на канал (высота радиаторов 38мм) и пара с 25мА на канал (высота радиаторов 25мм). Я их слушал на 32-омных наушниках (Grado GS1000i) - разницы в звучании практически нет.

Чтобы закончить с измерениями: усилитель был сделан достаточно широкополосным:

переходная характеристика при этом удовлетворительная:

В усилитель добавлена (необязательная) цепь кроссфида - в каждый канал добавляется низкочастотная составляющая другого канала, что улучшает воприятие стереопанорамы в наушниках (подробности см. в прилагаемой статье Дмитрия Данюка и источниках, на которых эта статья ссылается). Те варианты кроссфида, что я видел, ориентированы на усилители с относительно высокоомным входом и/или используют буфер на ОУ или ПТ после ФНЧ. В случае инвертирующего Омикрона, кроссфид добавляется очень просто, без всяких буферов. Это снижает петлевое усиление, но совсем незначительно. ФНЧ кроссфида имеет вот такую АФЧХ:

Впечатления от прослушивания очень хорошие. Использовались наушники AKG K240, Grado GS1000i, Sennheiser HD595, HD650, HD800 и Beyerdynamic T1 (1st Gen), в качестве референсного выступал усилитель Musical Fidelity X-CANv8 с самодельным блоком питания с улучшенной фильтрацией помех. (X-CANv8 имеет ламповый УН и транзисторный ВК и отличается низким уровнем искажений, в том числе на ВЧ, и отличным звуком.) Музыкальный материал - разнообразный, в том числе тестовые CD журнала Stereophile и тестовые диски Prophetmaster'а, а также моя собственная коллекция CD и hi-rez записей. Омикрон хорошо показал себя как на сложной полифонической музыке, так и на оперных ариях, где многие ООСные усилители не справляются с высокими, громкими нотами итальянских теноров. Звучание неутомительное - желания выключить не возникает наоборот, хочется послушать еще-что-нибудь. Музыка льется легко и свободно как на тихих, так и на громких местах. Закрыв глаза, легко представить себе музыкантов и их инструменты.
С Омикроном отлично слышна разница между разными наушниками, а также между источниками (в моем случае, несколько коммерческих ЦАПов и пара CD проигрывателей), но самого Омикрона не слышно.
В целом, очень позитивный опыт.

 

[alexcp]

Конструктивно два канала усилителя собраны вместе с защитой и выходными фильтрами (о них чуть позже) на одной двухсторонней печатной плате размером 8х11см:

Использованы исключительно выводные ("трухольные") компоненты. Верхний слой меди - почти сплошной земляной полигон. Трассировка дорожек на нижней стороне критически важна для достижения низких искажений, показанных в посте #2, особенно с учетом размещения двух каналов на одной плате и общего питания.

Собранная на плате схема отличается от той, что в симуляторе (пост #2) наличием диодного "антиклипа" (он показан на схеме в первом сообщении темы); резисторами на неинвертирущем входе первого ОУ; и разязывающими конденсаторами в питании усилителя:

Дополнительная балансировка нуля не предусмотрена - постоянное смещение на выходе во всех четырех собранных каналах оказалось в пределах 2мВ при любых положениях регулятора громкости с ОУ производства OnSemi и TI. При желании, балансировку несложно добавить.

Питается усилитель от стабилизированного источника питания:

Схема источника питания особенностей не имеет, за исключением дополнительного однополупериодного выпрямителя, от которого питается светодиод - индикатор включения, и который обеспечивает быстрое отключение нагрузки от усилителя при пропадании питания (подробности в описании защиты):

Идея LRC фильтра со стороны первичной обмотки силового трансформатора подсмотрена у ViktKors'а. RC цепочки со стороны вторичных обмоток подобраны по оптимальному "звону", методика описана на diyAudio.com.

Я опробовал два варианта силового трансформатора - тороидальный (см. фото в посте #1) и Ш-образный Flat-Pack (на фото выше). У тороида заметно выше емкость между первичной и вторичной обмотками. Это - потенциальный источник проблем, но практических последствий этого я пока не вижу (и не слышу). Flat-Pack, хоть и залит компаундом, немного жужжит - в буквальном смысле, акустически - и имеет существенно большее рассеяние, что, при неудачном размещении и использовании цилиндрических катушек выходного RL фильтра и/или неудачной разводке печатной платы, приводит к слышимым наводкам.

 

[alexcp]

Омикрон не имеет разделительных конденсаторов или интегратора, но имеет чувствительную защиту нагрузки от постоянного напряжения на выходе, выполненную на счетверенном компараторе:

Делители R51R53 и R52R54 задают порог срабатывания защиты (80мВ при питании +/-17В). При превышении этого порога компаратор разряжает конденсатор C53, и триггер Шмитта Q51Q52 отключает реле. После устранения ошибки C53 заряжается через R55 до порога, определяемого R56R57, после чего реле включается. Это же обеспечивает задержку подключения нагрузки при подаче питания.

Использование ПТ в триггере Шмитта позволило увеличить R55 и заменить электролитическй конденсатор, традиционно применяемый для формирования задержки, на керамический емкостью 1мкФ. Для удобства, такие же конденсаторы применены и в ФНЧ второго порядка (R47..R50, C41..C44) на входе компаратора.

Транзистор Q53 отключает нагрузку при пропадании питания. Большой нужды в этом нет - Омикрон выключается бесшумно - но это делает защиту более универсальной. Затвор Q53 подключен к тому самому однополупериодному выпрямителю (см. пост #5). Напряжение на затворе при пропадании питания снижается (становится менее отрицательным) быстрее, чем на истоке, транзистор открывается и разряжает C53.

Выходной RLRC фильтр защищает усилитель от РЧ помех со стороны нагрузки и обеспечивает стабильность при работе на емкостную нагрузку до 100нФ. Схема фильтра обычная, использованы тороидальные катушки с компенсацией паразитного витка (см. фото в посте #5). Первый вариант фильтра (фото в посте #1) использовал обычные цилиндрические катушки, намотанные в один слой виток к витку (25мм намотки проводом 0.8мм на карандаш), но в процессе прослушивания и измерений выяснилось, что близость таких катушек к точке сравнения - несмотря на все мои старания с разводкой печатной платы - несколько ухудшает линейность, а близость к Ш-образному трансформатору питания создает слышимый в наушниках фон. Тороиды таких проблем не имеют, хотя они более громоздкие, и их сложнее наматывать.

 

[alexcp]

По поводу замены ОУ: авторы старались сделать схему предельно доступной для энтузиастов. 5532 производства OnSemi и TI показали отличные результаты как в измерениях, так и в прослушивании:

Настоятельно рекомендуется применять именно 5532 - это проверенный оптимальный вариант, к тому же он широко распространен и недорог.

В принципе, без изменения коррекции в Омикроне могут работать другие ОУ с GBW 8..16МГц, например, OPA2134:

При такой замене нужно обязательно проверять устойчивость в клипе на частотах 20-200-2к-20к на нагрузку 32 Ома.

Также без изменения коррекции примерно такие результаты получаются даже с копеечными TL072:


В перспективе, возможно, будут представлены проверенные варианты схемы как на ещё более доступных старых ОУ (с некоторым снижением линейности), так и на современных качественных ОУ (с ещё бОльшей итоговой линейностью схемы).

 

[oleg111]

А почему параллельный буфер не использовали ?

 

[Rus2000]

А почему параллельный буфер не использовали ?

Потому, что "Омикрон".
Очевидно же.

Добавить любой (ну, почти любой) может.
Попробуйте убрать "лишнее" без потери качества.

Опять же, оставлен резерв для дальнейшей модернизации. У нас есть вариант сверхлинейного ВК для Омикрона.
Проверим, стоит ли овчинка выделки (т.е. насколько будет заметен эффект от усложнения), и если стОит, то будет еще и Омикрон-Плюс и/или Омикрон-Ультра.

 

[MakarOFF]

Можно увидеть как устроены цепи кроссфида?

 

[alexcp]

А почему параллельный буфер не использовали ?

Использовали - BUF634 и есть параллельный буфер - но решили упростить и удешевить без потери линейности.

Можно увидеть как устроены цепи кроссфида?

На схеме в посте #2 - R6R14C4. ФНЧ и обычный инвертирующий сумматор на ОУ. См. также пост #4.

 

[MakarOFF]

Полярность капсюлей в телефонах перепаять нужно или нет из-за инвертирующего построения усилителя?

 

[Rus2000]

Полярность капсюлей в телефонах перепаять нужно или нет из-за инвертирующего построения усилителя?

Проверить просто:
1. Инвертировать сигнал на входе УТ. Сравнить результат.
2. Перепаять капсюли. Сравнить результат.

Думаю, разницу услышать не удастся.

Вот еще тов. Зеленый предложил третий вариант:
Инвертировать трек в редакторе. Сравнить с исходным.

 

[alexcp]

Полярность капсюлей в телефонах перепаять нужно или нет из-за инвертирующего построения усилителя?

ЧСХ на самом первом тестовом CD журнала Stereophile есть специальный трек (8. Maurice Ravel: Chanson hébraïque), где каждый может проверить, слышна или нет перевернутая фаза. Трек записан с переворотом фазы где-то в середине, и предлагается услышать момент, где это происходит. Я не слышу. Для желающих себя проверить, трек прилагается.

 

[maxssau]

а можно послушать кусочек семпла с кроссфидом и без него?

 

[wakh]

Слышал изменение звучания в 2-х - 3-х местах,
следовательно сказать, что я слышу, где находится момент переворота фазы, нельзя.

 

[MakarOFF]

Вопрос к авторам, а не прорабатывался вариант вместо второго ОУ и транзисторов применить интегральный усилитель? Например, L165V на стенде показал 52 дБ на 20 кГц, на 100 кГц - 39, считай на 4 дБ больше хвалёного LM1875, усиление на уровне OPA134 или OPA1641. Или стОит попробовать Лимит перевести в инверт с уменьшением коэффициента усиления под ушник?