DIY ради настоящего Hi-Fi. Часть вторая
***
Звук был вульгарен и груб, и больше подходил для игры на ярмарке, чем в театре. Там, где должно быть высокое, просто кричащее пиццикато, звук выходил тупой, тяжелый, неподвижный. Тяжелой походкой на негнущихся ногах прошагал к себе в комнату Страдивари, где долго сидел без чувств и мыслей, и только огромная утомительная пустота заполняла его, растекаясь ядом по венам. Внезапно Антонио почувствовал сильную жалость к себе. Он зажег сальную свечу и вытащил из дорожного мешка щипчики и тонкую длинную стамеску. Взял скрипку в руки, и она вновь вызвала у него прилив ненависти — пузатая, короткая, с задранным грифом, похожая на преуспевающего генуэзского купца. Антонио упер скрипку в стол и сильным точным толчком ввел металлическое жало стамески под деку. Скрипка затрещала, и треск ее — испуганный, хриплый — был ему тоже противен. Освободил колки, снял бессильные, дряблые струны и поднял деку.
В горестном недоумении рассматривал Антонио этот деревянный хлам, зная точно, что он никуда не годен. Господи, надоумь, объясни — как же должно быть хорошо? На колокольне ударили полночь, и где-то далеко на рейде бабахнул из носовой пушки неапольский почтовый бриг, и время текло, струилось, медленно, размеренно, как вода в канале за окном, и откровение не приходило. Из окна пахнуло сыростью, рыбой, полночным бризом. Антонио встал, собрал со стола части ненавистной скрипки, подошел к окну и бросил в зеленую воду немые деревяшки. Потом, не снимая камзола и башмаков, лег на узкую кровать, поняв окончательно, что жизнь закончена, уткнулся в твердую подушку, набитую овечьей шерстью, и горько заплакал.
Примерно тремя веками позже в английском городе Кембридж радиоинженер по имени Дуглас сидел в своей маленькой лаборатории и раздумывал над созданием своего идеального усилителя мощности. По его задумке, усилитель должен был быть достаточно простым в изготовлении, повторении и при этом обладать достаточно низкими искажениями. Так думал он, изучая схемы в документациях усилителей именитых производителей, еще больше уверенности в этом давали посещения форумов радиолюбителей, где люди, увлеченные теми же интересами, обсуждали эту и другие, связанные с этой темы.
За точку отсчета решено было взять трехкаскадную архитектуру (смотри рисунок ниже)
Это наиболее часто используемая в УМЗЧ трехкаскадная архитектура. Первый (дифференциальный) каскад усиливает разность входных потенциалов и формирует токовый выходной сигнал. Второй каскад, соответственно, имеет токовый вход, но его выходной величиной является напряжение. Наконец, в качестве третьего каскада работает двухтактный эмиттерный повторитель, то есть входной и выходной сигналы передаются в виде напряжения. Значение коэффициента усиления по напряжению всей трехкаскадной схемы в основном определяется усилением второго каскада, поэтому далее он часто будет называться усилителем напряжения (УН). Часто вместо этого используют термин предусилитель.
Описанная архитектура имеет целый ряд достоинств, наиболее ценным из которых является хорошая развязка между каскадами, предотвращающая их взаимное влияние друг на друга. Например, изменение напряжения на входе второго каскада практически не влияет на его работу, так как он имеет токовый вход, в результате уменьшается влияние второго каскада на выходной сигнал первого и ослабляется действие эффектов Миллера и Эрли.
Конденсатор, подключенный между выводами коллектора и базы транзистора второго каскада, позволяет снизить выходное сопротивление этого каскада, чтобы нелинейность нагрузки выходных эмиттерных повторителей (которая приводит к колебаниям входного импеданса третьего каскада) не смогла существенно ухудшить значение КНИ усилителя в целом.
Для линеаризации характеристики усилителя используется Отрицательная Обратная Связь (ООС), допустимая глубина которой определяется значением коэффициента усиления при разомкнутой петле обратной связи
***
От нестерпимого блеска солнца болели глаза, и вся Кремона, отгородившись от палящих лучей резными жалюзи, погрузилась в дремотную сиесту. Горячее дыхание дня проникало даже сюда, в покрытый виноградной лозой внутренний дворик: каменные плитки пола дышали жаром.
Мастер Николо долго молчал, и Антонио никак не мог понять — спит или бодрствует он, и нетерпеливо, но тихо переминался на своих худых длинных ногах, и во дворике раздавался лишь ласковый плеск холодной воды в фонтане и скрип его тяжелых козловых башмаков. На розовой лысине мастера светились прозрачные круглые капли пота.
— Чего же ты хочешь — богатства или славы? — спросил наконец мастер.
— Я хочу знания. Я хочу познать мудрость ваших рук, точность глаза, глубину слуха. Я хочу познать секрет звука.
— Ты думаешь, что возможно познать и подчинить себе звук? И по желанию извлекать его из инструмента, как дрессированного сурка?
Антонио облизнул сухие губы:
— Я в этом уверен. И вы это умеете делать.
Мастер засмеялся:
— Глупец! Сто лет мы все — мой дед Андреа, дядя Антонио, мой отец Джироламо и я сам — Николо Амати — пытаемся научиться этому. Но умеет это, видимо, только господь бог, и всякого, кто приблизится к этому умению, покарает, как изгнал Адама из рая за познание истины. Если ты превзойдешь меня в умении своем, то приблизишь к себе кару божью. Тебя не пугает это?
Антонио подумал, затем качнул головой:
— Ищите и обрящете, сказано в писании. Если бы я знал, что вы дьявол, обретший плоть великого мастера, я бы и тогда не отступился.
— Ага, значит, и ты уже наслушался, что Николо Амати якшается с нечистой силой? Не боишься геенны огненной?
— Нет ада страшнее, чем огонь неудовлетворенных страстей и незнания…
— Ты жаден и смел, и это хорошо. Но ты хочешь моей мудрости и моего умения. Что ты дашь мне взамен?
— Разве спрашивает об этом оливковое дерево у молодой ветви своей, на которой еще не созрели плоды?
— А что ты умеешь?
— Учиться…
***
Рассмотрим, как работает усилитель.
На рисунке ниже показана очень условная схема типового усилителя мощности звуковых частот; она настолько стандартна, насколько возможно. Об этой конфигурации было немало написано, хотя многие вопросы обычно упускаются из вида, поэтому ниже следующее объяснение затрагивает лишь некоторые аспекты, которые для многих, возможно, окажутся незнакомыми. Кстати, немаловажным достоинством схемы является то, что принцип ее работы достаточно прост и понятен даже начинающим, поэтому собрать работоспособное устройство по дан ной схеме может любой, кто обладает хотя бы самыми элементарными знаниями в электронике.
Входной дифференциальный каскад (транзисторы Tr2 и Tr3) осуществляет одну из немногих форм нейтрализации искажений, которую можно достичь без дополнительной подстройки параметров схемы или подбора ее элементов. Дело в том, что коэффициент передачи дифференциального каскада определяется, скорее, самим принципом работы транзисторов, а не степенью совпадения их параметров (таких как коэффициент передачи тока базы), которые, как известно, могут варьироваться в весьма широких пределах. Первый каскад работает в качестве преобразователя «входное дифференциальное напряжение – выходной ток».
Напряжение на входе второго каскада (транзистор Tr4) обычно составляет несколько милливольт и имеет форму искаженного треугольника. Но на самом деле входной величиной второго каскада является не напряжение, а ток. Второй каскад, для краткости называемый усилителем напряжения (УН), на самом деле преобразует токовый сигнал на выходе дифференциального каскада в выходное напряжение, подаваемое на эмиттерные повторители оконечного каскада.
Нелинейность нагрузки на низких частотах компенсируется общей отрицательной обратной связью, а на высоких (где глубина ООС снижается) – действием местной ОС, образованной база-коллекторным конденсатором Cк транзистора Tr4.
По похожей схеме сделан достаточно известный и до сих пор популярный в определенных кругах английский усилитель известной фирмы NAIM (модель NAP-140), который многие радиолюбители клонировали себе и отслушали.
***
— Значит ты, мальчик, решил за одну ночь узнать и украсть то, что ищет род Амати сто лет? Если бы мне не жаль было дерева, я велел бы сделать тебе скрипку по этому чертежу. Может, у тебя купил бы ее за несколько медных монет бродячий музыкант…
— Почему, учитель? Я взял вашу «Анжелу» как образец!
Старый Николо снова захохотал:
— Потому что в сорока трех точках промера ты один раз ошибся, и, кроме меня, этого бы никто не заметил. Но скрипочка твоя годилась бы только для балагана.
— Один раз? — переспросил ошарашенно Антонио.
— Да, один раз. Этого достаточно — скрипка звучать не будет. Но дело не в этом — ты мог и не ошибиться, через несколько лет ты научишься хотя бы мерить правильно. И тогда, как дурацкая бессмысленная обезьяна, ты сможешь скопировать мою скрипку. Доволен?
— Я был бы счастлив сделать что-нибудь подобное, — испуганно сказал Антонио.
— Говоришь, был бы счастлив? А тебе не приходило в голову, почему бы другим мастерам не купить вскладчину мою скрипку — они ведь дорогие, — радостно засмеялся Николо. — Разобрать, скопировать и научиться делать скрипки, такие же, как мои? А? Ты что думаешь об этом?
Антонио молчал.
— Чертеж скрипки можно украсть, — сказал Николо. — Разобрать и измерить. А лак ты как украдешь? Лак, который мы варим сто лет, и каждый раз он у нас получается новый? Ты его как украдешь? Он ведь у меня здесь, — постучал себя по красному лбу Амати. — А без лака не будет звучать скрипка так, чтобы по звуку издали сказали — это Амати!.. Породу дерева, возраст его, место среза, способ промывки, затем сушки, пропитку лаком, нанесение его — тоже украдешь?
Мастер сделал два больших глотка, задумчиво посмотрел на свечу, не спеша сказал:
— Но разве в лаке дело? Это дураки думают, что богатство дома Амати — секрет лака. Хочешь расскажу секрет лака? Которым покрыта «Анжела»?
Антонио отрицательно покачал головой. Николо выжал в кружку еще один апельсин, поднял глаза:
— Твое счастье, что отказался. А то выгнал бы.
— Скрипки не делают. Делают бочки и скамейки. А скрипки, как хлеб, виноград и детей, рождают и взращивают. Не сеют хлеб в январе, не мнут виноград в мае, и человек должен созреть, чтобы родить себе подобных. Свою скрипку ты еще должен зачать в себе и долго вынашивать. Пройдет много времени, и тебе будет казаться, что ничего не меняется. Но незаметно для тебя пальцы твои будут приобретать гибкость и твердость, глаз станет светел и прям, как солнечный луч, а слух изощрен и трепетен. И тогда воображение представит тебе, как в юношеском сне, сладком, зыбком, мгновенном, то, что ты ищешь. Эта скрипка будет, как первая женщина в твоей жизни — широкими полными бедрами разойдутся обечайки, тонок и строен будет стан ее грифа, изящно, как поворот шеи любимой, наклонится завиток, а эфы загадочными волнующими складками очертят ее лоно. И она подаст тебе свой голос — нежный, ласковый, поющий, и не будет мига более полного счастья — сколько бы тебе ни довелось прожить, — чем это мгновенье сладостного обладанья! И тебе будет казаться: ничего прекраснее в мире не может быть и продлится это вечно. Но гением становится только тот, кто отдал всего себя творению своему без остатка и в разгаре счастья уже чувствует холодок неудовлетворенности — он уже вновь возродился для мук и страданий в поиске совершенства…
— А знаете ли вы кого-нибудь, учитель, кто достиг совершенства?
Амати усмехнулся и встал:
— Совершенство — это постоянное блаженство. Сие состояние, свойственное только святым и идиотам.
— Значит, поиски эти бессмысленны? — с отчаянием спросил Страдивари.
— Да. Если можно считать бессмысленной саму жизнь. Ибо жизнь — это процесс-стремление познать совершенство.
***
Рассмотрим же усилитель, содержащий в себе некоторые улучшения по сравнению со стандартным, повышающие его характеристики и при этом все еще являющегося простым в повторении и настройке. Схема ниже.
Какие улучшения несет эта схема по сравнению с предыдущей?
Прежде всего Токовое зеркало. Хотя входной диф. каскад может быть примерно сбалансирован путем правильного выбора резисторов (R2 и R3 на схеме просто усилителя или R6 и R7 на верхней), этот способ не позволяет учесть некоторые факторы, оказывающие влияние на положительные точки равновесия.
Важна точная балансировка дифференциального каскада: требуется точность совпадения коллекторных токов лучше 1%, чтобы обеспечить достаточную линейность и, как следствие, низкое значение коэффициента гармоник на высоких частотах, где каскад работает в наиболее тяжелом режиме. Стандартное токовое зеркало (на верхнем рисунке образованное транзисторами Q4 и Q5) позволяет уравнять коллекторные токи достаточно точно, тем самым в наибольшей степени подавив вторую гармонику усиливаемого сигнала. Кстати, возможно из-за второй гармоники и нравится многим слушателям NAP-140, как некоторым и ламповые усилители.
Двукратное увеличение амплитуды выходного тока у каскада с токовым зеркалом достигается при том же самом значении коэффициента нелинейных искажений, что и у дифференциального каскада с резистивной нагрузкой, так как линейность усилителя зависит от входного напряжения, а оно в данном случае не изменяется.
С другой стороны, мы можем снизить в два раза амплитуду входного напряжения, чтобы добиться от хорошо сбалансированного дифференциального каскада четырехкратного снижения коэффициента нелинейных искажений при том же уровне выходного тока. Приятный результат.
Другой выигрыш от использования токового зеркала заключается в том, что максимальная скорость нарастания выходного напряжения почти удваивается благодаря тому, что теперь ток, который должен ответвляться в база-коллекторный конденсатор, не гасится коллекторным резистором.
Каскад усилителя напряжения.
Следующий каскад УМЗЧ – усилитель напряжения – в основном определяет величину его коэффициента усиления и максимальный размах напряжения на выходе (входной дифференциальный каскад может иметь высокое значение коэффициента передачи, но его выходным сигналом является ток). Однако, как это нередко бывает в аудиотехнике, вещи не всегда оказываются такими, какими кажутся. На деле оказывается, что линейность усилителя напряжения не оказывает существенного влияния на значение коэффициента нелинейных искажений всего УМЗЧ.
Причиной того, что искажения в каскаде усилителя напряжения оказываются относительно низкими, является отрицательная обратная связь. На низких частотах линеаризующий эффект главным образом обеспечивается общей ООС, а на высоких – местной ООС, роль которой выполняет база-коллекторный конденсатор.
Но и здесь по сравнению с первой (упрощенной схемой) для увеличения местной ООС добавлен эмиттерный повторитель (Q6-Q8). Эмиттерный повторитель выполняет роль буфера между входным каскад ом У МЗЧ и каскадом усилителя напряжения, но основную роль играет его функция – усилить местную ООС, образованную база-коллекторным конденсатором, и тем самым добиться большей линейности каскада усилителя напряжения. Аналогичным образом сделан и источник тока (Q7-Q9)
Оконечный каскад.
Оконечный каскад данного УМЗЧ использует самую распространенную схему двухтактного эмиттерного повторителя на биполярных транзисторах. Оконечный каскад работает на низкоомную нагрузку с большим выходным током, от него требуется высокая линейность, чтобы обеспечивать низкое значение коэффициента нелинейных искажений. Иногда необходимо использовать два или три оконечных каскада вместо одного просто потому, что требуется очень большой выходной ток. Если сопротивление нагрузки составляет всего 2 или 1 Ом, то обычно применяется параллельное соединение оконечных каскадов.
Вообще, если кого-то заинтересовали детали и тонкости проектирования усилителей, очень рекомендую для начала книгу «Проектирование усилителей мощности звуковой частоты» указанного в начале радиоинженера Дугласа Селфа.
В итоге у нас должен получиться усилитель с измерениями, сравнимыми с усилителем на микросхеме LM3886 (см. рисунок ниже), но звук его много богаче тембрально и динамичнее особенно в низкочастотной части.
***
Всю ночь Страдивари провел за расчетами, а утром начал строить новую скрипку. Сыновья с удивлением смотрели на этого урода. Длинная — на вершок длиннее обычной, плоская, как раздавленная селедка. Изгиб дек был еле-еле намечен, очень высокая подставка горбом натягивала струны. В данной скрипке Антонио решил отказаться от традиционной для Амати груши и впервые сделал нижнюю деку из клена, а верхнюю из ели, с таким намерением, что каждая из дек будет иметь совершенно самостоятельный звук, но диапазон составит ровно один тон, и они неизбежно должны слиться и родить совершенно новое, доселе неслыханное звучание…
Никогда еще так быстро не работал Страдивари. Он не мог дождаться, когда просохнет на скрипке лак.
Когда же это случилось, он снял с сушилки готовую скрипку, приложил ее к щеке и заиграл. В это утро Антонио Страдивари играл на скрипке, которую впоследствии музыканты назвали классической. Звук был огромен, никто никогда не слышал, чтобы скрипка пела таким могучим, серебряным, светлым голосом, никто не знал, что в ней может быть клич боевой трубы и ласковый лепет свирели, что она может кричать безмерным отцовским горем и тихим всхлипыванием матери, что есть в ней смех ребенка, шелест трав, песни птиц, плеск вина и грохот боя, звон сабель и трепет флагов.
Страдивари играл на новой скрипке, и слезы катились безостановочно по седой щетине его щек, и он думал о том, что последний раз плакал тридцать лет назад, когда он решил — жизнь окончена, а жизнь тогда вовсе только начиналась, чтобы он мог пройти школу Амати, родить четырех сыновей, двух потерять и создать такое божественное чудо на исходе своих духовных сил.
***
Теперь постараемся максимально правильно спроектировать плату данного усилителя. Ключевым моментом в хорошей разводке платы является обеспечение минимальной длины проводников, везде, где это возможно, и выполнение всей разводки на плате маленького размера. Шины питания проходят вдоль верхнего и нижнего края платы, с этих шин разные каскады снимают напряжение питания. На плате (см. рисунок ниже) реализовано разделение слаботочной и силовой земель. Размещены пара пленочных блокировочных конденсаторов в слаботочной части и пара в сильноточной перед выходным каскадом. Также питания слаботочной и силовой части разделены 1 ваттными резисторами 220Ом, что в сумме с конденсаторами дает CRC-фильтр питания. Блок питания (диодный мост и конденсаторы большой емкости) размещен на одной плате с усилителем. Также стоит обратить внимание на резисторы R20 и R11, состоящие из двух физически запараллеленных резисторов (вдвое большего номинала) для увеличения мощности и рассеивания выделяемого тепла (сделано так из-за желания использовать резисторы MELF). Эмиттерные (выходные) резисторы ради компактного размера состоят из двух положенных друг на друга двухватных резисторов.
Размер плат (53мм*100мм) позволяет заказать их со значительной скидкой, щелкнув по ссылке ТУТ (там же и герберы других, собранных мной усилителей). Вопреки стандарту, на плате указаны не только номера деталей, но и их номиналы для простоты сборки. Емкости блока питания имеют диаметр 25мм. Максимальные, что я нашел в продаже напряжением 50в., это 10000мкФ. Считаю, что такого объема достаточно для такого типа усилителя. Можно даже ограничиться емкостью номиналом в 6800мкФ, которые еще проще найти в продаже. Меньше я уже рекомендовать не стану.
К моменту получения заказа желательно обзавестись уже необходимым оборудованием, как держатель печатных плат. Паяльник (или паяльная станция) с контролем температуры жала. Идеальным вариантом было бы наличие осциллографа для контроля получившегося результата.
При сборке желательно подобрать транзисторы диф. Каскада по коэф. усиления между собой для уменьшения постоянки на выходе. Если же подходить кропотливо (как Страдивари), то подбирать можно все транзисторами (да, я в курсе, что PNP и NPN транзисторы обычно отличаются, но мой знакомый из нескольких десятков смог подобрать четверки [чтобы обе платы еще и между собой были близки] с допуском 5%.). желательно также использовать оригинальные транзисторы, а не перемаркерованные китайские копии (хотя зачастую и они работают). Если же проверить все детали перед пайкой, получите предсказуемо меньше сюрпризов.
Естественно, все детали описать не могу, поэтому на все вопросы по усилителю могу лично ответить по почте Locki@ya.ru.
После сборки, платы должны выглядеть примерно так:
Трансформатор (лучше пару, либо один с раздельными обмотками каналов) нужно подбирать из расчета, что выпрямленное двухполярное напряжение будет в пределах от 35 до 45 вольт, а мощность от 100Ватт. Транзисторы, имеющие металлическую поверхность контакта с радиатором необходимо изолировать керамическими или слюдяными прокладками. При первом запуске обязательно подключайте лампочку в разрыв питания 220в. Это в случае ошибки убережет Вас от неприятных последствий в виде, например, выгорания выходных транзисторов в случае короткого замыкания.
Ток покоя выставляется переменным резистором (1кОм) по падению напряжения на выходном эмиттерном резисторе. Я остановился на 55мА. При недостаточном диапазоне регулирования переменным резистором, может потребоваться уменьшить R17 до 100Ом
В корпусе устройство можно расположить, например, так (не пугаемся: на фото тестовый корпус для проверки и обмеров собранных устройств).
Для контрольной проверки устройства можно подать синус 1кГц и посмотреть с помощью осциллографа мощность, способную развивать усилителем до ограничения. Нет ли на выдаваемом синусе, каких-либо помех.
Также можно посмотреть меандр (прямоугольник) на разных частотах, убедиться, что нет паразитной генерации и самовозбуждения.
С помощью осциллографа можно точнее подобрать конденсаторы С9 и С10, уменьшив их, тем самым увеличив скорость нарастания, например, мне удалось их понизить до 22pF.
***
Наверное, уже в сотый раз повертев пластинку в руках, внимательно изучив ее конверт, Дуглас Селф включил «Безупречный» в своей основной аудиосистеме. Неторопливо взяв с журнального столика бокал с «Реми Мартин» и укрывшись пледом в клеточку, желая погрузиться в неспешные размышления, он вдруг почти закрытыми глазами ясно увидел перед собой Мстислава Ростроповича, страстно прижимающий к себе виолончель «Дюпора» (сделанную кремонским мастером Антонио Страдивари в далеком 1711 году) и необъяснимое и величайшее наслаждение музыкой заполнило все его существо.
Примерно в это же время холодным январским утром на одной из станций метро Вашингтона появился мужчина со скрипкой и начал играть. За без малого час он исполнил шесть произведений. Был час пик, и за это время мимо него прошло более тысячи человек, большинство из которых спешили на работу. Только шесть человек за это время ненадолго остановились и послушали, а ещё двадцать бросили, не останавливаясь, деньги. За сорок пять минут музыкант заработал 32 доллара при том, что билет на его концерт стоит в среднем сто долларов.
Никто из проходивших мимо людей и не догадывался, что скрипач в метро — Джошуа Белл, один из лучших музыкантов в мире. Исполнял он самые сложные из когда-либо написанных музыкальных произведений, а в руках у него была скрипка Страдивари, стоимостью в три с половиной миллиона долларов…