Усилитель мощности Only Music 2.7 (ex «оплеуха микрухам») [2018]

Пролог. Идея о создании данного усилителя, берет свое начало еще со времени разработки усилителя Only Music 3 (OM3). Тогда в планах было намерение сделать помимо основной версии ОМ3, еще и упрощенную его версию. От этой идеи я отказался, но спустя некоторое время все таки решил к ней вернутся. Связано это с излишней сложностью повторения ОМ3, которая вызвала много трудностей у желающих повторить усилитель. Именно это послужило причиной создания нового усилителя и возвращения к изначальной концепции серии — максимальное качество при минимальной сложности и габаритах.

Концепция. Как уже было сказано выше, новый усилитель преследует старую концепцию, заложенную еще в «оплеуха микрухам 2» (ОМ2). При разработке усилителя ставилась цель достичь максимальной повторяемости, надежности и стабильности схемы, а также максимально уменьшить разнообразие применяемой элементной базы и исключить из перечня используемых радиодеталей, малораспространенные наименования. Качественные параметры усилителя, так же не оставались без внимания — новый усилитель не уступает ОМ3, а по большинству параметрам даже его превосходит. Благодаря появлению огромного числа производителей печатных плат и их активной конкуренции между собой, появилось огромной число выгодных предложений по изготовлению заводских печатных плат малыми партиями, поэтому мной была сделать ставка на двухстороннюю печатную плату, рассчитанную на заводское изготовление. Тем не менее, от односторонней печатной платы я не отказался, поэтому так же сделал версию печатной платы, рассчитанную на домашнее изготовление по «лазерно-утюжной технологии» (ЛУТ). Габариты заводской печатной платы точно такие же, как и у авторской печатной платы для ОМ2 — 100х67мм, а габариты односторонней платы немного больше — 100х73мм.

Имя. Вы наверное задаетесь вопросом: почему 2.7, а не 3.5 например? На самом деле здесь все предельно просто — таким образом мне хотелось показать, что данный усилитель по своей концепции ближе к ОМ2, чем к ОМ3.

Схема. В который раз я решил не изменять традициями и использовать классическую Линовскую топологию. Идея схемы усилителя напряжения (УН), которая подверглась значительным доработкам и улучшениям в настоящем усилителе, была позаимствована у хорошо зарекомендовавшего себя усилителя BackBen, моей разработки. Дифференциальный каскад (ДК), был дополнен каскодом, который позволил разгрузить входную пару транзисторов по мощности и напряжению. Это позволило применить на входе низковольтные, малошумящие, супербета транзисторы, что вместе со снижением напряжения коллектор-эмитер входной пары и рассеиваемой них мощности, позволило значительно снизить уровень шума на выходе усилителя. Была возращена возможность подстройки «нуля» имевшаяся в усилителе ОМ2, что позволяет точно отбалансировать дифференциальный каскад. Генераторы стабильного тока (ГСТ), для дифференциального каскада и каскада усилителя напряжения (КУН) — независимы друг от друга и имеют независимые источники опорного напряжения. Конденсатор С12 повышает стабильность работы ГСТ и значительно снижает пульсации их опорного напряжения. Применен принципиально отличающийся способ частотной коррекции усилителя, относительно примененных в ОМ2 и ОМ3, позволивший получить гораздо большее усиление с разомкнутым контуром общей отрицательно обратной связи чем в ОМ3 и гораздо большую устойчивость чем в ОМ2. В процессе разработке ОМ2.7 было решено отказаться от одного решения примененного в усилителе BlackBen — составного транзистора в каскаде усилителя напряжения, по причине того, что это решение не давало каких-либо заметных преимуществ, но снижало повторяемость устройства из-за не самой высокой распространенности в продаже составных транзисторов MPSA13. Выходной каскад, впервые в серии ОМ — трехкаскадный «тройка», что позволило улучшить буферизацию усилителя напряжения от нагрузки усилителя, снизить зависимость нелинейных и интермодуляционных искажений от выходной мощности и характера нагрузки. Данный усилитель, как и ОМ3, имеет защиту от короткого замыкания в нагрузке. 

Технические характеристики. Параметры схемы снимались с использованием компьютерной программы RMAA 6.2.5. В качестве измерительных ЦАП и АЦП использовалась звуковая карта ASUS Xonar Essence ST. В качестве нагрузки для усилителя использовались два параллельно включенные мощных резистора сопротивлением 10Ом (что дало результирующее сопротивление 5Ом). Для измерения скорости нарастания/спада выходного напряжения усилителя, использовался генератор прямоугольных импульсов и осциллограф UNI-T UTD2025CL. В качестве лабораторного блока питания использован классический, не стабилизированный блок питания, состоящий из: трансформатора, диодного моста и сглаживающих конденсаторов емкостью по 15000мкФ в каждом плече. Напряжение на шинах питания усилителя при отсутствии входного сигнала +/- 42В, ток покоя выходных транзисторов — 80мА. Параметры помеченные звездочкой (*) — получены при помощи компьютерной симуляции работы схемы, помеченные двумя звездочками (**) — путем пересчета реально полученных параметров под другие условия измерения (другую нагрузку, другую частоту сигнала и так далее).

Выходная мощность (1кГц):

Выходная мощность (4Ом) = 140 Вт**
Выходная мощность (5Ом) = 110 Вт
Выходная мощность (8Ом) = 70 Вт**

Уровень шума:

Уровень шума (А-взвешенный) = не хуже -100 дБ

Коэффициент нелинейных искажений:

Коэф. нелинейных искажений (1кГц, 10Вт, 5Ом) = не более 0.0005 %
Коэф. нелинейных искажений (1кГц, 75Вт, 5Ом) = не более 0.0015 %

Коэф. нелинейных искажений (20кГц, 10Вт, 5Ом) = не более 0.003 %*
Коэф. нелинейных искажений (20кГц, 75Вт, 5Ом) = не более 0.009 %*

Интермодуляционные искажения + шум:

Интермодуляционные искажения + шум (60Гц+7кГц, 10Вт, 5Ом) = не более 0.0025 %
Интермодуляционные искажения + шум (60Гц+7кГц, 75Вт, 5Ом) = не более 0.003 %

Частотный диапазон:

Нижняя граница частотного диапазона (по уровню -1.5дБ относительно 1кГц) = 18 Гц
(Примечание: завал в правой части графика, обусловлен исключительно параметра звуковой карты и не зависит от наличия или отсутствия испытуемого усилителя в цепи сигнала). 

Верхняя граница частотного диапазона (по уровню -1.5дБ относительно 1кГц) = 177 кГц*

Скорость изменения выходного напряжения = 25 В/мкС

Переходная характеристика (1, 10, 20 кГц):

Приведенные технические характеристики соответствуют авторскому варианту усилителя собранного на заводской печатной плате, они могут незначительно отличаться, в лучшую или худшую сторону, для каждого конкретного экземпляра усилителя. Параметры усилителя собранного на самодельной плате, отличаются не более чем на величину погрешности измерения. При сравнении параметров усилителей собранных на заводской и на самодельной печатных платах, использовались абсолютно одинаковые радиодетали и даже провода. Первым был собран и обмерян усилитель на заводской плате. Потом все радиодетали были выпаяны из заводской платы и установлены уже на самодельной плате, после чего были измерены параметры усилителя на этой плате. Сравнительная характеристика параметров усилителей собранных на разных печатных платах и фото готовых усилителей:

Элементная база. В этой части статьи, просто перечислю основные моменты связанные с элементной базой, которых следует принять во внимание и строго придерживаться чтобы успешно повторить и запустить данный усилитель:

• все применяемые при сборке усилителя элементы, перед их установкой на плату, должны быть проверены на работоспособность и соответствие необходимым параметрам (сопротивлению, емкости, ESR, коэффициенту усиления и так далее);
• не допускается устанавливать элементы ориентируясь исключительно на их маркировку, без проверки на соответствие реального номинала маркировке;
• лучше отказаться от использования бывших в употреблении радиодеталей и использовать при сборке только новые радиодетали;
• предпочтительно использовать металлопленочные резисторы (MF) и отказаться от использования углеродистых резисторов (CF) из-за их высокого собственного шума;
• допускается использование металлопленочных резисторов производства СССР;
• при использовании резисторов с допуском 5%, крайне желательно осуществить подбор в пары, резисторов R6 и R11, R7 и R12, с точностью не хуже 1%;
• для достижения равного коэффициента усиления и соответственно — равной громкости обоих каналов стерео усилителя, рекомендуется заранее подобрать по две пары резисторов 15кОм и 470Ом (для левого и правого каналов усилителя), с точностью не хуже 1%, чтобы использовать их в качестве — R1 и R19, R2 и R8;
• при использовании резисторов с допуском 1% — осуществлять подбор нет необходимости;
• использование в качестве R35 и R36 проволочных резисторов — не рекомендуется;
• категорически запрещается самовольно заменять какие-либо резисторы, на резисторы другого номинала, отличающегося от номинала указанного в схеме;
• в качестве подстроечных резисторов R9 и R20, допускается использовать только многооборотные резисторы типа 3296W, допускается использовать подстроечные резисторы с сопротивлением от 200 до 470Ом;
• при установке на плату, движок подстроечного резистора R9 должен находится в среднем положении (сопротивление между каждым из крайних и центральным выводов должно быть одинаковым), а сопротивление подстроечного резистора R20 должно максимальным;

• все типы применяемых в схеме конденсаторов и их минимально необходимое рабочее напряжение указаны в списке радиоэлементов к данной статье;

• допускается использовать конденсаторы с большим рабочим напряжением чем это указано в списке радиоэлементов;
• не стоит переплачивать за конденсаторы аудиофильских серий — применение их в схеме усилителя не приведет к каким-либо улучшениям характеристик усилителя или его звучания;
• каждый конденсатор, перед установкой его на плату, должен быть проверен на соответствие его маркировки реальному значению емкости, проверен на величину ESR, проверен на отсутствие повышенной утечки. Данная процедура выполняется для КАЖДОГО конденсатора устанавливаемого на плату усилителя;
• не допускается использование электролитических конденсаторов производства СССР, а также бывших в употреблении электролитических конденсаторов, конденсаторов имеющих видимые дефекты в виде вмятин или вздутий, подтеков электролита;
• допускается использование стабилитронов других моделей, но с тем же номинальным напряжением стабилизации и мощностью;
• допускается использовать только те модели транзисторов, что указаны в схеме, либо их аналоги указанные в списке радиоэлементов;
• перед установкой каждого их транзисторов на плату, необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии параметров указанным в даташите на данный транзистор;
• транзисторы VT18, VT19, VT20, VT21 и VT12, должны быть установлены на общем радиаторе. Площадь радиатора, очень приблизительно, можно выбрать из расчета 10-15см2 на каждый Ватт выходной мощности усилителя (1000-1500см2 для усилителя с выходной мощностью 100Вт);
• транзисторы VT9 и VT13 могут быть установлены на небольшие теплоотводы (для этого предусмотрены места на печатных платах), однако допускается эксплуатация усилителя без установки транзисторов VT9 и VT13 на радиаторы;
• транзисторы VT2 и VT6, VT3 и VT7, VT4 и VT8, необходимо подобрать в пары по коэффициенту усиления с точностью не хуже 1%;

Печатные платы. Фотографии «чистых» печатных плат, а также фотографии этих плат в процессе изготовления, монтажа и испытаний:

Выводы на печатной плате. Наименование и назначение выводов на односторонней и двухсторонней платах совпадают, поэтому следующая информация актуальна для обоих плат.
+U — плюс питания;
-U — минус питания;
GND — основная силовая земля;
oGND — выходная земля (минусовая выходная клемма);
sGND — сигнальная земля;
IN — вход сигнала;
OUT — выход сигнала (плюсовая выходная клемма).

Коммутация цепей усилителя. Правильный способ соединения блоков и земель стерео усилителя:

Эксплуатация усилителя без устройства защиты акустической системы (АС) — не безопасна и строго не рекомендуется. Работа усилителя без устройств защиту допускается только для первого запуска и настройки усилителя.  В качестве защиты АС для данного усилителя рекомендую использовать устройство защиты — DEF 2017. 

Настройка. После успешного первого включения усилителя, необходимо произвести регулировку «нуля» и тока покоя. Для регулировки «нуля», необходимо замкнуть вход усилителя (замкнуть выводы IN и sGND на плате усилителя), подключить милливольтметр или мультиметр к выходу усилителя (выводы OUT и oGND на плате), после чего вращая движок подстроечного резистора R9, добиться минимального значения постоянного напряжения на выходе усилителя (хорошим можно считать результат, когда постоянное напряжение на выходе усилителя не превышает +/-5мВ). На следующем этапе настройки, необходимо выставить какое-нибудь значение тока покоя чтобы прогреть усилитель перед финальной регулировкой тока покоя. Щупы мультиметра (милливольтметра), необходимо подключить к эмитерам выходных транзисторов (VT20 и VT21), как показано на иллюстрации:

После чего вращая движок подстроечного резистора R20, выставить небольшой ток покоя (примерно 40-50мА, что соответствует показаниям подключенного к выходу милливольтметра 18-22мВ) и оставить усилитель в таком состоянии прогреваться примерно на десять минут. Регулировать ток покоя без прогрева усилителя — не рекомендуется так как после прогрева усилителя, значение тока покоя изменится относительно выставленного значения на холодном усилителе. Когда усилитель прогреется (температура выходных транзисторов стабилизируется на одном значении и перестанет расти), можно приступать непосредственно к самой регулировке тока покоя. Для этого, точно так же, вращая движок R20, выставляем необходимое вам значение тока покоя. Рекомендую выставлять значение тока покоя в диапазоне от 70 до 100мА (что соответствует показаниям милливольтметра подключенного к выходу усилителя — 30-44мВ). Большее значение тока покоя положительно не повлияет ни на характеристики усилителя, ни на его звучание, зато значительно увеличит нагрев выходных транзисторов и снизит КПД. Нагрузку к выходу усилителя для регулировки «нуля» и тока покоя, подключать — нет необходимости.  На этом настройку можно считать оконченной, а усилитель — готовым к работе. Теперь можно приступать к прослушиванию. 

Спасибо за внимание!

П.С. Под списком используемых радиоэлементов можно найти и скачать файлы печатных плат: одностороннюю — рассчитанную на домашнее изготовление ЛУТом (в формате .lay), двухстороннюю — рассчитанную на заводское изготовление (в формате Gerber). Архив с Gerber файлами уже подготовлен к заводскому производству, в каких-либо доработках не нуждается и может быть сразу отправлен любому производителю печатных плат. Не кормите посредников — заказывайте заводские платы напрямую у производителя. Вот теперь точно все! 

Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот

Only Music 2.7 R3, R31, R32
Резистор (0.25Вт)1 Ом3
R23, R24, R25, R26
Резистор (0.25Вт)22 Ом4
R6, R7, R11, R12, R16, R17, R30
Резистор (0.25Вт)100 Ом7
R5
Резистор (0.25Вт)200 Ом1
R2, R8, R21
Резистор (0.25Вт)470 Ом3
R14, R29, R33, R34
Резистор (0.25Вт)1 кОм4
R13, R18
Резистор (0.25Вт)2.4 кОм2
R1, R4, R10, R15, R19, R22, R27, R28
Резистор (0.25Вт)15 кОм8
R38, R39
Резистор (1Вт)3.6 Ом2
SMD 2512 R37
Резистор (1Вт)10 Ом1
SMD 2512 R35, R36
Резистор (2Вт)0.22 Ом2
R9, R20
Резистор (подстроечный)200 Ом2
3296W  C17, C18
Конденсатор (керамический)47 пФ2
MLCC (NP0) 50В или CT81 (Y5P) 1000В C11
Конденсатор (керамический)4.7 нФ1
CT81 (Y5P) 1000В или MLCC (X7R) 50В C15
Конденсатор (керамический)0.1 мкФ1
MLCC (X7R) 50В C7, C19, C20
Конденсатор (пленочный)1 нФ3
CL11 100В или MLCC (X7R) 50В C26
Конденсатор (пленочный)47 нФ1
CL11 100В C1, C3, C9, C16, C25, C27, C28, C29
Конденсатор (пленочный)0.1 мкФ8
CL11 100В C2, C13, C21, C22
Конденсатор (пленочный)1 мкФ4
CL21 63В C8
Конденсатор (электролитический)100 мкФ1
Неполярный (NP) 16В C12
Конденсатор (электролитический)100 мкФ1
50В C4
Конденсатор (электролитический)220 мкФ1
25В C5, C6
Конденсатор (электролитический)470 мкФ2
50В C23, C24
Конденсатор (электролитический)1000 мкФ2
50В  VD1
СтабилитронBZX55-C151
15В 0.5Вт VD2
СтабилитронBZX55-C3V31
3.3В 0.5Вт VD3, VD4, VD5, VD6
Выпрямительный диод1N41484
 VT10
Биполярный транзисторBC5501
BC550B или BC550C VT2, VT3, VT6, VT7
Биполярный транзисторBC5604
BC560B или BC560C VT4, VT8, VT14, VT16
Биполярный транзистор2N55514
VT1, VT5, VT11, VT15, VT17
Биполярный транзистор2N54015
VT12
Биполярный транзисторBD1351
или BD137, BD139, КТ815, КТ817 VT9, VT19
Биполярный транзистор2SD6692
или HSD669 VT13, VT18
Биполярный транзистор2SB6492
или HSB649 VT20
Биполярный транзисторNJW02811
или NJW3281, NJW21194, 2SC5198, 2SC5200 VT21
Биполярный транзисторNJW03021
или NJW1302, NJW21193, 2SA1941, 2SA1943  L1
Катушка индуктивности1 мкГн1
12-15 витков, проводом д1.0-1.2мм, на диаметре 8.0-8.5мм Добавить все

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

• OM27LUT.lay (346 Кб)
• OM27_01_(2).zip (62 Кб)

Теги:

• УНЧ