Гибридный УМЗЧ DUAL для наушников

Предисловие

Автору давно хотелось сделать гибрид, используя более современную схемотехнику и полностью раскрыть его потенциал. Однако гибриды, которые удается найти в открытом доступе в интернете (по крайней мере, те популярные схемы, которые попадаются при поиске в гугл), по мнению автора схемотехнически не представляют ничего интересного. Они начинаются с откровенно неудачных решений, таких как однотактные "печки" в классе А без ООС с питанием лампы напряжением 12...24 В, и заканчиваются гибридами с претензией на серьезность выполненных по структуре вроде каскада СРПП или диф.каскада на лампах нагруженного на оконечный транзисторный каскад. В них зачастую применены достаточно странные решения, преимущества которых не очевидны, а недостатки ощутимы, не говоря уже о том, что в большинстве гибридных усилителей выходной каскад не охвачен общей обратной связью вовсе или же охвачен ОС глубиной до 6...10 дБ. Результатом таких решений станет целый спектр "приятных" и не очень искажений на выходе. Практически все попавшиеся автору на глаза гибридные усилители копируют в том или ином виде описанные выше структуры с непринципиальными изменениями.

В данной статье предложена иная концепция гибридных усилителей. Было решено воплотить ее в жизнь для проверки идеи в минимальной портативной версии, в качестве усилителя для наушников, под названием "DUAL". По мнению автора именно концепция предложенная в гибриде "DUAL" является одним из наиболее удачных решений в своем классе гибридных усилителей. 

Принципиальная схема 

Усилитель состоит из двух каскадов, ламповый каскад усилителя напряжения с повторителем, на лампах 6Ж1Б (аналоги 6Ж1П, 6J1), и полупроводниковый выходной каскад на транзисторных (MOSFET) сборках типа IRF7309 (P+N с раздельными стоками). 

Усилитель напряжения выполнен на лампе VL1 в пентодном включении. Она нагружена на резистор R9, по переменному току имеется ПОС через конденсатор С6, так называемая "вольтдобавка", что повышает сопротивление нагрузки по переменному току и как следствие усиление данного каскада возрастает. В комплексе с работой на повторитель выполненный на лампе VL2, который так же разгружает входной каскад, имеем разомкнутое усиление на уровне 62 дБ (измерено на частоте 1 кГц). Повторитель на VL2 нагружен на источник тока выполненный на транзисторах VT1, VT2 и особенностей не имеет.

Именно применение пентодного включения входной лампы с вольтдобавкой и повторителем, позволило получить максимальное количество усиления для охвата выходного каскада обратной связью, что выгодно отличает данную схему от гибридов выполненных на триодах по типовой схемотехнике.

Коррекция по ВЧ произведена конденсаторами С3, С4. Так как обратная связь охватывает два ФВЧ, возникает так же необходимость в коррекции по НЧ, она выполнена благодаря цепи С5+R7, глубина ОС начинает снижаться на частоте ниже 20 Гц.

Выходной каскад представляет собой классический параллельный повторитель на полевых транзисторах, с вольтдобавкой через конденсаторы С11, С12. Это решение позволяет получить RAIL-TO-RAIL выходной каскад, так как напряжение на затворе может превышать напряжение питания и позволяет открывать транзисторы выходного каскада полностью. Транзисторы VT3+VT5 и VT4+VT6 представляют собой две транзисторные сборки, это изящное решение позволяет получить близкую к идеалу термокомпенсацию, так как транзисторы выходного и предвыходного каскада имеют температурный контакт внутри корпуса. На выходе установлен конденсатор, который позволяет закрыть глаза на упрощение выходного каскада в вопросе слежения за постоянной составляющей на выходе (данный узел отсутствует). Однако выходной конденсатор охвачен общей обратной связью, и искажения вносимые им так же исправляются ООС. 

Характеристики

К сожалению у автора нет возможности снять все параметры которые хотелось бы, однако приложим некоторые параметры усилителя измеренные наличными средствами.

• Питание ламповой части: 200 В (12...15 мА);
• Питание транзисторной части: 12 В (100...200 мА);
• Питание накала ламп: 6.3 В (400 мА);
• Выходная мощность (RMS): 500 мВт (32 Ом)*;
• Допустимое сопротивление нагрузки: 16-600 Ом**;
• Глубина ОС: 46 дБ/1 кГц, 35 дБ/20 кГц;
• Неравномерность АЧХ в диапазоне 20 Гц-20 кГц не более: +-0.3 дБ;
• Входное сопротивление: 11 кОм;
• Коэффициент усиления: 6,4 раз (16 дБ);

Коэффициент нелинейных искажений (500 мВт 32 Ом)***:

• На частоте 1 кГц: 0.02%;
• На частоте 10 кГц: 0.025%*.

*-для получения бОльшей мощности на высокоомные наушники, можно повысить питание транзисторной части до 15..16 В;

**-для использования с наушниками сопротивлением ниже 16 Ом необходимо увеличить С13 до 3300 мкФ и при необходимости обеспечить дополнительный теплоотвод транзисторным сборкам с помощью прижима к ним радиатора;

***-нелинейные искажения приведены на основании измерения в компьютерной симуляции.

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр 1, 10, 20 кГц, и ограничение синусоиды в клипе.

Меандр, частота 1 кГц:

Меандр, частота 10 кГц:

Меандр, частота 20 кГц:

Клип, частота 10 кГц:

Компоненты

Перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу.

Резисторы

Резистор R10 применен металлопленочный для сквозного монтажа мощностью 1...2 Вт.

Все остальные резисторы применены SMD типоразмера 1206.

Конденсаторы

Конденсаторы С5...С9, C11...C13 электролитические, в качестве С11, С12 на плате установлены SMD танталовые конденсаторы типоразмера D. Рабочее напряжение конденсаторов С5,С7 16 В или выше. Рабочее напряжение конденсаторов С6, С8, С9 200 В или выше. Рабочее напряжение конденсаторов С11...С13 должно быть несколько выше половины напряжения питания. Рабочее напряжение конденсатора С14 должно быть несколько выше напряжения питания. Установка конденсаторов на более низкое напряжение недопустима.

Остальные конденсаторы в схеме неполярные, керамические SMD. Рабочее напряжение конденсатора С4 не менее 200 В (набран из 4*100 пФ 50 В последовательно), остальные конденсаторы допускается устанавливать на напряжение 6,3 В или выше.

Примечание: на плате вместо электролитического конденсатора С14 установлен SMD конденсатор 10 мкФ 25 В.

Диоды и стабилитроны

Диод VD1...VD3 типа LL4148 или аналогичный.

Стабилитрон ZD1 типа 1N4760A или аналогичный.

Лампы

Радиолампы VL1, VL2 типа 6Ж1Б, 6Ж1Б-В (использована в авторской печатной плате), 6Ж1П, 6J1 (пальчиковые аналоги).

Транзисторы

Транзистор VT1 установлен 2N5551 (MMBT5551).

Транзистор VT2 высоковольтный типа MJE340(KSE340), должен быть установлен на радиатор через изолирующую прокладку.

Выходные сборки использованы типа IRF7309 (с раздельными стоками).

Печатная плата

Плата усилителя выполнена односторонней, для удобства домашнего изготовления, но содержит несколько перемычек, они могут быть выполнены проводом типа МГТФ, в файле платы они выполнены в виде дорожек на втором слое. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы.

Габариты платы составили 75 мм*29 мм. Для питания, подключения наушников и для подключения источника сигнала используется использованы разъемы типа XH-02, XH-03, а так же винтовой клемник типа CY350V-3.5-02P с шагом 3.5 мм.
Отверстие межу сборок предназначено для возможности прижима к ним радиатора сверху винтом М3.

Вид платы в редакторе:

Рекомендации по сборке

В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.

• Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на конденсаторы коррекции, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
• Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
• Рабочие напряжения конденсаторов могут быть выше указанных на схеме;
• Допускается применение только тех типов транзисторов, что указаны на схеме или возможные замены указанные в перечне элементов;
• Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации.
   

Фото собранного устройства

Подключение усилителя

Блок питания (БП) для усилителя необходим на 3 питающих напряжения, общая мощность источника питания 7...9 Вт на канал. Подключение "+" выхода 12 В от БП производится на клемму "Vcc", подключение общего выхода БП (GND) производится на клемму "GND", анодное питание подключается на клемму "Va". Накал подключается пайкой, накалы ламп соединены параллельно. Входной сигнал подключается на входы "sGND" и "IN" соответственно, на пин "GND" входного клеммника подключается экран входного кабеля. Выход усилителя подключен к клемме "OUT". Для использования с наушниками предполагающими 3х проводное подключение, общий провод наушников будет оптимально подключить на выход GND блока питания. Для использования с наушниками, поддерживающими диф.подключение, общий провод каждого из наушников можно подключать к свободному пину "GND" на выходной клемме на каждом канале усилителя. 

Первый запуск и настройка усилителя

После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату, проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно (направления диодов, полярность конденсаторов, тип транзисторов и их ориентация в пространстве). 

Если все в порядке, можно начать проверку узлов усилителя. Для начала подключить только общий провод и 12 В от блока питания, для теста транзисторной части. На + обкладке конденсатора С13 должна установиться примерно половина питающего напряжения, далее подбором резистора R15 необходимо добиться тока покоя в диапазоне 5...20 мА, это соответствует падению напряжения 10...40 мВ между истоками выходных транзисторов (VT5, VT6). На этом настройку транзисторной части можно считать законченной. Далее нужно отключить питание 12 В от транзисторной части и перейти к настройке ламповой части. Необходимо подать напряжения 200 В и 6.3 В для накала. При монтаже рекомендую накал вести отдельной свитой косичкой, один из выводов накала соединить на общий провод непосредственно в блоке питания для избежания фона. Далее необходимо замерять напряжение на аноде VL1, оно должно составить 90...110 В. Если напряжение выше рекомендую изменить стабилитрон ZD1 на напряжение выше, если же напряжение на аноде менее 90 В рекомендую поставить стабилитрон напряжением ниже, добившись установления напряжения в нужном диапазоне, на этом настройку ламповой части можно считать законченной. 

Далее можно подключить все линии питания, подключить наушники и подать сигнал на вход усилителя, если все предыдущие пункты не вызвали проблем усилитель будет работать, теперь можно наслаждаться прослушиванием.

Для тихого запуска рекомендую использовать релейную задержку подключения наушников, либо же плавную подачу на выходной каскад питающего напряжения с задержкой.

P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а так же .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• УНЧ для наушников
• Sprint-Layout
• MOSFET