Винил: Предусилитель-Корректор Часть 4.2. Ближе к делу. Знакомые все схемы

Предусилитель-корректор на полевых транзисторах

Эта схема была сочинена мной в далеком 1988 году – для проигрывателя Aria -102. Помню, что первоначально я собрал вариант на микросхеме К157УД2, но при прямом сравнении конструкция на операционном усилителе показалась мне существенно беднее по звуку, чем на полевых транзисторах. Поэтому, после  недавнего возрождения винила в моей коллекции – первый корректор, который я решил собрать  – была та самая схема. Очень уж мне хотелось проверить ее звуковые свойства – действительно ли она была так хороша, как мне тогда казалось 🙂  Тем более, что, к моему удивлению – на просторах интернета я нашел набор  для сборки корректора с примерно такой же схемой, как и “нарисованная” мной 25 лет назад. Набор был немедленно приобретен, номиналы цепей коррекции и режимы транзисторов пересчитаны заново. В итоге схема приобрела следующий вид —   FET_RIAA_Stage_PS001 

“Сквозная” АЧХ, снятая с обратным RIAA фильтром – АЧХ_FET (Обратите внимание на масштаб по оси “Y”)

Корректор черезвычайно прост — в “базовом” варианте всего  два каскада усиления, первый на малошумящем полевике 2SK170GR (Idss = 2.6…6.5 mA), второй просто на подходящем полевике 2SK246GR (Idss = 2.6…6.5 mA). Режим работы первого каскада: ток покоя = 1.5mA. напряжение смещения = -0.27V, коэффициент усиления = 125 (с шунтирующим конденсатором в цепи истока).  Пассивная RC корректирующая цепочка включена между каскадами. С хорошей степенью точности выходное сопротивление первого каскада можно считать = R3, и номиналы элементов корректирующей цепи легко рассчитываются при помощи экселевской таблицы, приведенной в разделе Литература.  Потери сигнала в корректирующей цепочке на частоте 1 kHz составляют примерно 20 dB. Режим работы второго каскада: ток покоя = 2mA, напряжение смещения = -0.47V, коэффициент усиления = 15, выходное сопротивление примерно 10 кОм.  Для работы на длинный (более 1.5м) кабель схему выходного каскада желательно дополнить истоковым или эмиттерным повторителем на еще одном транзисторе. Таким образом, итоговое усиление схемы на частоте 1 кГц = 188, перегрузочная способность по входу составляет примерно 20dB на частоте 100Hz, номинальное выходное напряжение = 1V rms, максимальное выходное напряжение =  12V rms.  В общем-то, весьма неплохие параметры для такой простой конструкции.

Блок питания собран по схеме умножения напряжения, это позволяет существенно снизить коммутационные помехи выпрямительных диодов, выпрямленное напряжение фильтруется фильтром на биполярном транзисторе T1.

Основные технические характеристики –

  • Входное сопротивление = 47 кОм (может быть уменьшено установкой дополнительных резисторов)
  • Выходное сопротивление =< 10 кОм (в “базовом” варианте)
  • Номинальная нагрузка = от 47 (и выше) кОм
  • Номинальное выходное напряжение = 1V RMS
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 100 кОм = 12V RMS
  • Коэффициент усиления ~ 188
  • Уровень собственного шума и помех на выходе при “закрытом” входе =<190uV (“взвешено” по кривой “A”)
  • Отклонение суммарной АЧХ от стандарта RIAA в диапазоне частот 20Гц…20кГц = не более 0.8dB.
  • Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц на нагрузке 100 кОм при номинальном выходном напряжении <= 0.3%, в основном 2-я и 3-я гармоники. Уровень третьей гармоники относительно уровня второй <= -15 dB.

Фото конструкции –

Октябрь 2013                                                                                   г. Владивосток

“Le Monstre” Jean Hiraga и LCD

Monster Zen V1

Случилось так, что один замечательный человек, профессиональный строитель высочайшего класса и очень талантливый рассказчик –   приобрел наушники LCD-3 и, естественно обратился ко мне за усилителем для них 🙂  Заказчик – меломан со стажем, но при нашей с ним общности вкусов его музыкальное восприятие несколько не совпадает с моим. В подаче музыки ему в первую очередь необходимы напор и “динамика” – без этого суть музыкального произведения от него как бы “ускользает”, кажется неполной. Спокойствие и неяркая философская многослойность Zen ему не подошли….Задача непростая, но – почему бы и нет, можно попробовать.

При обдумывании конструкции я принял решение сделать двухтактный усилитель с выходным каскадом в классе А, с максимально широкой полосой в области НЧ и, желательно – ВЧ  – при минимальном количестве усилительных элементов. Это потенциально должно убрать факторы, сдерживающие так называемые “напор” и динамику при сохранении хорошего музыкального разрешения . Естественно, я совсем не первый, кто задумался над подобной конструкцией – поэтому  за основу был взят замечательный усилитель “Le Monstre”, спроектированный известным разработчиком Jean Hiraga в 1982 году. Его статью см в разделе “Литература”.

Схема усилителя Jean Hiraga  “Le Monstre” :Hiraga-Monstre-Monster-Class-A-amplifier-schematic

Как видно, усилитель состоит из двух симметрично-комплиментарных плеч, каждое из которых по сути представляет собой по однотактному усилителю в классе А, работающих на общую нагрузку. Усилитель не имеет разделительных конденсаторов на входе, выходе и в цепи ООС  и фактически является усилителем постоянного тока. В области ВЧ полоса пропускания ограничивается только частотными свойствами примененных транзисторов.

К сожалению транзисторы, которые применил Jean Hiraga в оригинальной конструкции, сейчас уже не выпускаются. Более-менее подходящая замена такая ==>>  2SK170 = 2SK246, 2SJ74 =2SJ103, 2SC1775, 2SD756 = BC550  , 2SA872, 2SB716 = BC560 , 2SD844= TIP3055  2SB754 = TIP2955.

“Старые” и “новые” полевые транзисторы довольно серьезно различаются по параметрам, поэтому режимы работы схемы были пересчитаны заново.

О полевых транзисторах.

Вот справочные листы на комплиментарную пару  полевых транзисторов 2SK246 (datasheet_sk246) и 2SJ103 (datasheet_2SJ103). Обратите внимание на то, что эти транзисторы разделяются на группы (GR, BL,V) по параметру Idss. Так же нужно пристально взглянуть на график Id-Vds. Напрашивается три очевидных вывода – во первых,  “комплиментарность” характеристик SK246 и 2SJ103 таки довольно приблизительна, во вторых – линейности их характеристик существенно различаются и, в третьих – для создания хотя бы приблизительно симметричной двухтактной схемы транзисторы предварительно следует отобрать как минимум по параметру Idss.

После закупки по 10 шт 2SK246GR и 2SJ103GR мне удалось отобрать четыре пары 2SK246GR  и две (!) шт  2SJ103GR c Idss = 3.9…4mA. В моем случае 2SJ103 имели очень большой разброс. Исходя из этих данных режим работы первого каскада выбран следующим образом – ток покоя = ~ 0.5*Idss, при этом наиболее линейная область получается при напряжении смещения примерно 0.4…0.5V. (При выборе рабочей точки график Id-Vds следует “масштабировать” по оси Id исходя из измеренных значений Idss)

Схема Усилителя (V1) Hiraga_Headphone_new

Схема довольно проста. В каждом плече – каскод на входе  и составной транзистор по схеме Шиклаи (Sziklai) на выходе. Про каскодную схему на входе (почему и как) хорошо написано в оригинальной статье Jean Hiraga. Совершенно очевидно, что для минимума четных гармоник необходимо, чтобы усиление плеч было максимально близким, поэтому отбор транзисторов по характеристикам крайне желателен.

Блок питания – двухполярный нестабилизированный. О влиянии на звук транзисторного усилителя стабилизации напряжения источника питания я уже упоминал ранее – см. Усилитель Zen V. Версия 10.12  Диоды выпрямительного моста зашунтированы конденсаторами, фильтр построен по многозвенной C-R-С схеме. Трансформатор питания – тороидальный мощностью 200VA, с межобмоточным и внешним ленточным экранами.

Наладка усилителя проходит в два этапа. На первом этапе выходной каскад отключается и проводится предварительная настройка входного каскада – подстройкой резистора R5 добиваются одинакового падения напряжения на резисторах R3 и R4.  Затем нужно подать на вход усилителя синусоидальный сигнал амплитудой 0.2…0.3V RMS и проконтролировать форму сигнала на коллекторах T3 и T5.  Следует помнить, что выходной каскад на биполярных транзисторах управляется током, поэтому не стоит обращать особого внимания на сравнительно небольшое выходное напряжение и усиление первого каскада.

На втором этапе подключается выходной каскад, ток покоя контролируется падением напряжения на резисторах R12 и R13. Желаемый ток покоя устанавливается подбором резисторов R3  R4 (при увеличении номинала ток возрастает). Для нагрузки сопротивлением от 25 Ом я рекомендую выбрать ток покоя ~>= 0.5А. “Ноль” на выходе подстраивается резистором R5. При нестабилизированном блоке питания вполне нормально, если напряжение на выходе будет “гулять” в пределах +-2..5mV, наушникам от этого никакого вреда не будет. На этом наладку усилителя можно считать завершенной. 🙂

Об обратной связи.

В этом усилителе петля общей ООС выполняет несколько функций. Во-первых, определяет коэффициент усиления по напряжению, во-вторых, уменьшает выходное сопротивление усилителя и уровень искажений и, в- третьих – поддерживает потенциал выхода максимально близким к “0”. По логике перерасчета, если сопротивление в цепи истоков транзисторов первого каскада увеличилось, то следовало бы и увеличить величину резисторов в цепи ООС таким образом, чтобы соотношение R11 и  R10 было таким же, как в оригинальной схеме, это вроде сохранило бы степень влияния ООС на режим первого каскада по постоянному току в той же степени. Тестирование усилителя выявило следующую зависимость – увеличение номиналов резисторов цепи ООС с одной стороны, потенциально увеличивает проявления “дрейфа” нуля на выходе усилителя, с другой стороны, поскольку влияние ООС так же возрастает, то видимых изменений величины “дрейфа” не наблюдается. Поскольку в моем варианте усилителя выходные транзисторы работают в весьма щадящем тепловом режиме при токе покоя, далеком от  максимального паспортного значения – особого дрейфа нуля не наблюдается и при “старых” номиналах резисторов ООС. Я принял решение оставить их практически без изменений.

О надежности конструкции.

Как усилитель для наушников конструкция имеет очень хороший запас прочности, спокойно переносит замыкание выхода на “общий” и долговременную работу на короткозамкнутую нагрузку. В качестве “теста на выносливость” я примерно 30 минут “слушал” усилитель практически на полной мощности, закоротив его выход пинцетом. Пинцет нагрелся, а с усилителем ничего не случилось 🙂 При включении усилителя во время установления напряжения питания на выходе возможно проявление некоторых слышимых “звуковых артефактов”, но уровень их невелик и никакой опасности для нагрузки они не представляют. Поэтому применение дополнительных схем защиты и реле задержки подключения нагрузки в этой конструкции я считаю необязательным.

О Звуке

Звучит усилитель динамично, строго. В целом можно охарактеризовать звучание как очень чистое, ровное, с некоторым акцентом на передний план звуковой сцены – примерно в той же степени, как это наблюдается у ламповых усилителей на пентодах. НЧ – строгие, сдержанные и ооочень глубокие. Черезвычайно высокая детальность, хорошая сцена. В звуке безусловно присутствуют определенный “шарм”  и “порода” :).

Основные технические характеристики V1 –

  • Входное сопротивление = 47 кОм
  • Выходное сопротивление =< 1 Ом
  • Номинальная нагрузка = от 25 (и выше) Ом
  • Номинальное входное напряжение = 0.4V RMS
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 1 кОм = 9V RMS
  • Максимальное выходное напряжение на нагрузке 20 Ом >= 7V RMS
  • Коэффициент усиления ~ 20
  • Полоса воспроизводимых частот, на нагрузке = 20 Ом при выходном напряжении = 0.9 от максимального = 0 Гц (постоянный ток) ….500 кГц.
  • Коэффициент гармоник на частоте 1 кГц на нагрузке 20 Ом при выходном напряжении = 0.9 от максимального <= 0.5%, в основном 2-я и 3-я гармоники. Уровень третьей гармоники относительно уровня второй <= -10 dB.
  • Время выхода на рабочий режим =< 30 min, это связано установлением теплового обмена в корпусе усилителя.

Выводы и итоги.

Схема Jean Hiraga пожалуй, является лучшим двухтактным аудио усилителем, собранным на дискретных компонентах.  К сожалению, комплиментарность полупроводниковых приборов – весьма приблизительна и дальнейшее развитие так называемых “идей” полупроводниковой схемотехники возможно только с применением операционных усилителей.  За очень редким исключением, линейность дискретных полупроводниковых приборов, как усилителей переменного напряжения без использования ООС – посредственная, принципиально хуже, чем у вакуумных ламп-  тем не менее весьма интересный результат может получиться в гибридных схемах, в каскадах усиления тока.

При наладке схем на транзисторах, у меня часто возникает ощущение, что современная полупроводниковая схемотехника – продукт враждебного инопланетного разума, чуждый истинной природе человека планеты Земля. Тем не менее, я таки сделал один экземпляр “Monster Zen” в качестве “запасного-транзисторного” домашнего усилителя мощности. После завершения этой конструкции мне пришло отчетливое понимание, того что с транзисторами ТОЧНО пора завязывать, то есть придумать что-то лучше, чем Jean Hiraga – я вряд ли смогу 🙂

И еще один вариант, с выходным каскадом на полевых транзисторах:

Апрель 2014                                                                                    г. Владивосток

PS  За прошедший год мне удалось отыскать некоторое количество оригинальных комплектов транзисторов. На них были сделаны два замечательных варианта усилителя –

1. Zen AKG (с увеличенной выходной мощностью и умощненным блоком питания, что позволило усилителю вполне уверенно “раскрыть” такие трудные наушники, как AKG K1000)

2. Zen Monster Balance – полностью балансная конструкция, четыре идентичных усилителя в одном корпусе, счетверенный ступенчатый регулятор уровня на прецезионных резисторах, умощненный блок питания) –

На сегодняшний день (25.09.2018) опыт сборки, наладки и прослушивания различных вариантов усилителя Zen Monster (схема была немного модифицирована до V3) с широким “ассортиментом” наушников позволяет мне со всей уверенностью заявить, что эта конструкция, пожалуй – один из самых лучших (если не самый лучший) полупроводниковый усилитель для изодинамики.  А по эффективности и оптимальности схемотехнического решения – ему нет равных. И это не реклама, а всего лишь малая часть моего глубочайшего уважения к автору этой конструкции – талантливому инженеру Jean Hiraga.