Усилитель ZEN V для наушников класса HD800 и LCD3

Примерно с год тому назад на форумах сайтов audioportal.su и doctorhead.ru довольно интенсивно обсуждался вопрос качественного и сравнительно компактного универсального усилителя для наушников. Собственно, необходимость в таком усилителе возникала с выходом двух уникальных по своим техническим характеристикам моделей наушников – динамических Sennheiser HD-800 и изодинамических LCD-3

 

Основная проблема заключалась в том, что фактически ни один из широко распространенных серийно выпускаемых транзисторных усилителей не обеспечивал этим наушниками звучания, хотя бы сравнимого по качеству со звучанием специализированного лампового усилителя (см http://easytubeamp.com/?p=449).  Известный на doctorhead форумчанин SharapOFF, проводя различные коммутационные эксперименты 🙂 обнаружил, что один из предусилителей Aleph (от Pass Labs) удивительно ясно и музыкально играет с выхода на наушники, хотя и уровень выходного сигнала был недостаточен. Так и возникла идея о создании транзисторного усилителя по топологии Zen, специально ориентированного для работы со “сложными”  наушниками.  За основу была взята схема Zen V4 (Penultimate Zen), режимы пересчитаны исходя из требований к нагрузке. В ходе отладки было собрано три версии усилителя, схема и описание третьей версии представлены ниже.

1. Схема усилителя.

На рисунках представлены блок схема и схема блока коммутации усилителя, принципиальные схемы буферного усилителя мониторного выхода, блока питания и усилителя мощности.  Для наглядности на схемах показан только один канал.

Усилитель имеет три входа – один с разъемом RCA-типа (Вход 1) и два с разъемами XLR-типа (Вход 2 и Вход 3). Вход 2 преобразует входной балансный сигнал в SE при помощи трансформаторного преобразователя. Преобразователь выполнен на специализированном трансформаторе Jensen JT-11P. RC цепочка R3C3 необходима для шунтирования вторичной обмотки, что линеаризует АЧХ трансформатора в области ВЧ. Цепочка R1C1  и переключатель S1 служат для коммутации экрана входного кабеля на корпус усилителя по постоянному или по переменному току (это позволяет «разомкнуть» возможную земляную «петлю»), его положение выбирается по минимуму слышимого фона и наводок.

Вход 3  коммутирует входной балансный сигнал в SE стандартным образом – в качестве сигнального применяется пин «+», в качестве общего – пин «-». Этот вход так же снабжен переключателем-коммутатором экрана входного кабеля (S2).

Выбор входа осуществляется переключателем S3, в качестве которого применен прецизионный коммутатор DACT. Положения 1,2,3 соответствуют номеру выбранного входа, положение 4 размыкает цепь сигнала и замыкает вход усилителя на общий (режим “MUTE”). С выхода коммутатора входов сигнал поступает на буферный усилитель мониторного выхода и на регуляторы баланса и громкости.

Буферный усилитель выполнен на cдвоенном скоростном операционном усилителе AD827, включенным по схеме повторителя с однополярным питанием.  Буферный усилитель позволяет снизить взаимовлияние устройств, подключенных к мониторному выходу и входам и развязывает их по постоянному току.

Регуляторы баланса и громкости выполнены на прецизионных ступенчатых резистивных аттеньюаторах DACT. С регуляторов сигнал поступает на вход усилителя мощности.

Усилитель мощности выполнен по однотактной схеме, на полевом транзисторе Q2, включенным с общим истоком. В качестве нагрузки применен «следящий» источник тока на транзисторах Q1, Q3. Каcкад работает в классе A, резистором R13 задается начальный ток покоя каскада (350…400 mA). Элементы следящей связи R6,R8,C5 обеспечивают подстройку тока каскада в зависимости от амплитуды сигнала на выходе. Введение «следящей связи» позволило существенно снизить выходное сопротивление каскада и увеличить максимальный размах напряжения на нагрузке. Резистором R2 устанавливают рабочую точку каскада по напряжению таким образом, чтобы обеспечивалось симметричное ограничение выходного сигнала максимальной амплитуды.

Выбранные режимы обеспечивают размах выходного напряжения усилителя 5.5V RMS на нагрузке 30 Ом. При этом спектр искажений усилителя при изменении амплитуды сигнала спадает и нарастает равномерно и ограничивается 4-й гармоникой, аналогично спектру искажений высококачественных однотактных усилителей на лампах. В цепях питания и в качестве разделительного С2 применены конденсаторы Panasonic FC. Конденсатор С2 дополнительно зашунтирован высококачественным пленочным конденсатором С3 марки Jentzen.

Блок питания усилителя особенностей не имеет. Левый и правый каналы усилителя мощности питаются от отдельных выпрямителей. Буферный усилитель питается от выпрямителя правого канала. Светодиод индикации включения усилителя питается от выпрямителя левого канала. В качестве выпрямителей применены мощные быстрые диоды Шоттки 1N5819, в качестве фильтрующих конденсаторов – Panasonic FM.   Средний вывод сетевой розетки соединен с корпусом усилителя.

Из-за сравнительно высокого тока покоя усилитель выходит на рабочий температурный режим в примерно через 30-40 минут после включения, после чего звучание усилителя стабилизируется.

2. Управление и коммутация.

На передней панели усилителя слева направо размещены:

  • Два разъема для подключения телефонов, разъемы идентичны и могут быть использованы как для совместного, так и для раздельного подключения как высокоомных (>150 Ом), так и низкоомных (20…150 Ом) телефонов.
  • Переключатель-селектор входов на 4 положения. Положение «1» соответствует первому входу (RCA), положения «2» и «3» соответсвуют XLR входам, положение «4» отключет вход усилителя мощности от источника сигнала и замыкает его на общий (режим «MUTE»).
  • Регулятор баланса,
  • Регулятор громкости.

На задней панели усилителя расположены –

  • Вход № 1 (RCA) – правый канал (красный) – нижний, левый (белый) – верхний.
  • Bход № 2 (XLR) – правый канал нижний, левый – верхний. Вход №2 снабжен трансформаторным преобразователем балансного сигнала в небалансный. Переключатель, расположенный рядом с входом, коммутирует экран соединительного кабеля на корпус усилителя. Положение переключателя выбирается по минимуму слышимых наводок.
  • Вход № 3 (XLR) – правый канал нижний, левый – верхний. Вход № 3 предназначен для подключения современных балансных источников, которые допускают использования сигнала «-» в качестве общего. Этот вход так же снабжен переключателем-коммутатором экрана соединительного кабеля.
  • Выход (RCA) (расположен по центру задней панели) –  правый канал (красный) – нижний, левый (белый) – верхний. Буферизированный контрольный выход, уровень сигнала на нем равен входному. Регуляторы громкости и баланса на контрольный выход не действуют.
  • Разъем подключения сети (220 Вольт) и предохранитель. Центральный вывод сетевого разъема подключен к корпусу усилителя.

3. Основные технические характеристики 

  • Номинальный уровень входного сигнала = 1V Rms
  • Входное сопротивление, не менее = 50 кОм
  • Максимальный уровень выходного сигнала на нагрузке 300 Ом (@1000Hz) = 6.3V Rms
  • Максимальный уровень выходного сигнала на нагрузке 30 Ом (@1000Hz) = 5.5V Rms (Примечание 1 – под «максимальным» понимается уровень, при котором на экране осциллографа ограничение синусоидального сигнала становится едва заметным)
  • Выходное сопротивление (максимальное значение) @ 1000Hz = 0.5 Ом
  • Неравномерность АЧХ при уровне выходного сигнала -10dB от максимального в полосе частот 10Гц…20кГц = не более +- 1 dB.
  • Общий коэффициент гармоник при выходной мощности – 10dB от номинальной = менее 0.5%,  2-я и 4-я гармоники. (Примечание 2 – Усилитель имеет очень ограниченный спектр искажений, преимущественно четные гармоники. При изменении амплитуды выходного сигнала спектр гармоник остается плавноспадающим и плавнонарастающим, с мягким клиппингом, характерным для усилителей, работающих в классе А без ООС).

4. Благодарности

Выражаю огромную благодарность Маеву Сергею Владимировичу (г. Санкт-Петербург) за возможность разработать и изготовить для него эту конструкцию, а так же за продуктивное обсуждение технических деталей. Выражаю надежду, что этот усилитель будет радовать его своим звучанием на протяжении многих лет.

Так же выражаю благодарность талантливейшему инженеру и замечательному, открытому к общению и доброжелательному человеку Nelson Pass, который уже много лет вдохновляет и направляет тысячи аудиоэнтузиастов и разработчиков аппаратуры.

И еще один вариант, собранный недавно для Столярова Максима Анатольевича, г. Горловка, Украина. Большое спасибо за заказ.

Сентябрь 2011- Июнь 2012 года                                                г. Владивосток

PS По многочисленным просьбам 🙂 привожу самый последний вариант однокаскадного усилителя Zen -V  Zen_V_final_11_12.

Комментарии  — Ток покоя выбирается при сборке усилителя и не подстраивается, на практике в этом нет необходимости. Его настройку производят  выбором номинала R6, ток покоя считается как 0.7/R6, где 0.7V – это напряжение “открывания” VT4.  R6 можно выбрать в пределах 1.3…1.5 Ом, ток покоя при этом будет  460…540 mA. R6 удобно составить из двух параллельно соединенных резисторов номиналом 2.7…3Ом мощностью 2 Вт.  Резистором R2 подстраивают “симметрию” ограничения сигнала на выходе усилителя. В зависимости от напряжения источника питания возможно дополнительно потребуется подстройка резистора R3.

Для этого усилителя я рекомендую строить выпрямитель блока питания по схеме со средней точкой вторичной обмотки (на двух диодах), трансформатор должен иметь две идентичное обмотки (или одну обмотку с отводом от середины), например  20+20, 22+22, 24+24 Вольт при максимальном токе нагрузке не менее 3…5А.  В последней версии усилителя я применяю трансформаторы мощностью 220VA. Фильтр CRCRС, первая емкость = 2200 мкФ, резистор 0.5 Ом 5W, вторая емкость 10000 мкФ, резистор 0.5 Ом 5W, третья емкость 47000 мкФ. Минусовые обкладки конденсаторов объединены медной шиной круглого сечения диаметром 2мм. Шина соединена с металлическим корпусом усилителя через RС цепь R15C10.  Для высококачественных усилителей для наушников такая организация источника питания – необходимость.

Каналы усилителя собраны на отдельных платах. Питание и общий подводятся на каждый канал отдельными проводами. Общие с выходов каналов объединяются на разъеме для наушников.
Транзисторы VT1,VT2,VT3 каждого из каналов установлены на боковых стенках металлического корпуса усилителя, размер которых 80x330x5 мм. При работе стенки корпуса нагреваются примерно до +45 градусов, это нормальная  температура. Транзисторы следует устанавливать через слюдяные или керамические прокладки, обязательно с применением термопасты. Силиконовые прокладки использовать крайне нежелательно.

Ноябрь 2012                                                                                      г.Владивосток

33 thoughts on “Усилитель ZEN V для наушников класса HD800 и LCD3

  1. Примерно с месяц назад был завершен финальный (как я надеюсь) 🙂 вариант схемы этого усилителя. Добавлены электронные фильтры в питание, ток покоя увеличен до 550 mA на канал, для этого в схеме необходимо изменить номиналы нескольких резисторов. В результате улучшилось отношение сигнал фон и несколько расширилась полоса в области ВЧ. Как мне кажется, теперь из этой конструкции я извлек полный максимум 🙂 Уточненную схему опубликую через пару дней.

  2. Здравствуйте! Спасибо за Вашу схему собираю сейчас ее под Beyerdynamic DT 770 Pro 250ом , надо ли что то пересчитывать под такую нагрузку?. И еще вопрос, у меня без дела валяются конденсаторы ROE gold 22000uf 63v, можно ли их поставить на выход данного усилителя что будет от такой большой емкости?, а так же в питание по 2 шт таких, в питание думаю можно?

    • Евгений, добрый день.

      Да, конечно для нагрузки 250 Ом этот усилитель подойдет. Емкость выходного конденсатора в этом случае лучше оставить 10000 мкФ. (В первом варианте усилителя эта емкость была 3300 мкФ). 22000 мкФ можно поставить в питание, хотя для этого усилителя это даже слишком много 🙂

      По особенностям схемы и комплектующим.
      1. Усиление. Максимальное выходное напряжение усилителя при напряжении источника питания + 22V составляет примерно 5V RMS. Напряжение на выходе современного CD- проигрывателя или ЦАП составляет обычно 2V
      RMS, поэтому запас по усилению – более чем достаточный.
      2. Транзисторы. Мне попадались транзисторы от Сингапурского поставщика с которыми усилитель начинал возбуждаться на частоте около 200 кГц.
      Возбуждение было незначительное, проявлялось как практически незаметный “белый шум”. Лечится установкой ферритовых “бусинок” на затвор(ы) и базу. Удивительно, с транзисторами того же типа, приобретенными в США (digikey) никаких проблем не возникло.
      3. Резисторы. Хороший результат достижим с практически любыми метало-пленочными резисторами. Наилучший – с резисторами Takman.
      4. Диоды и Трансформаторы. В выпрямителе желательно применить трансформатор с экранирующей обмоткой. Для выпрямителя – лучше всего использовать диоды Шоттки.
      5. Конденсаторы. Наилучшие результаты получаются с электролитами Elna Silmic или Pаnasonic FC.
      Входная емкость – полипропилен MKP, FKP. Я применял Panasonic и Siemens. Вполне можно применить Wima, Obligatto, Sprague. Иногда, для “темных” наушников, бывает необходимо зашунтировать выходные конденсаторы пленочными небольшого номинала (до 1…2 мкФ)
      6. Усилитель не предполагает подключения и отключения наушников “на горячую”, при включенном питании. С наушниками, конечно, скорее всего ничего не случится, но некоторая коммутационная помеха будет слышна.

      На всякий случай (жизнь есть жизнь) —
      Этот усилитель из тех конструкций, качество и характеристики работы которых напрямую зависят от качества примененных компонентов.
      Традиционный “экономно- радиолюбительский” подход к этой схеме неприменим. 🙂
      Не стоит собирать это усилитель на компонентах сомнительного происхождения, с использованием конденсаторов от компьютерных блоков питания и т.п.- не нужно тратить время, ничего хорошего из этого не получится.

  3. пожалуйста, скажите мне почему удалили резистор R5 1Om, a вместо C3 1MK изменили 10MK ? и почему удалили резистор R16 5.6 Om и поставили транзистор irf610? и кокой номинал резистора на выходе 2,2k или 22k?

    • R5 обеспечивал небольшую ООС по току, которая линеаризуя характеристики выходного каскада, одновременно снижала коэффициент усиления и увеличивала выходное сопротивление.
      Поскольку присутствует так же и следящая ООС по напряжению, то от ООС потоку было принято решение отказаться. Запас по размаху напряжения на выходе и более низкое выходное сопротивление – важнее, чем некоторая линеаризация характеристик.
      Конденсатор С3 может быть номиналом от 1.0 до 10.0 мкФ или вообще отсутствовать – в зависимости от типа выходного электролитического конденсатора. Подбирается по желаемому тональному балансу.
      R16 – элемент фильтра питания, был заменен на фильтр на транзисторе, который обеспечивает лучшую фильтрацию пульсаций и плавное нарастание напряжения питания при включении усилителя.
      Резистор параллельно нагрузке (на выходе) – его номинал не особо критичен, важно чтобы он был значительно больше сопротивления нагрузки. Он него так же зависит и время разряда выходного конденсатора при выключении усилителя.

  4. спасибо, скажите а какой вы диод исползовали паралелно R14 резистору? и что вы можете сказать о резистору R6 1.5k а был 1k. я читал что надо както подобрат или я могу поставит 1к?

    • Диод – любой маломощный, на обратное напряжение не ниже 50V. Например 1N4001…4007 и т.п. Резистор R6 задает ток покоя каскада, его сопротивление выбирается исходя из того, какой ток покоя вам нужен. Для усилителя для наушников и радиаторов размером 80x280x5мм его можно выбрать в пределах 1.3…1.5 Ом, ток покоя при этом будет 460…540 mA. (меньше номинал резистора – больше ток) R6 удобно составить из двух параллельно соединенных резисторов номиналом 2.7…3 Ом мощностью 2 Вт.
      В статье эти данные приведены.

  5. да это всё понимаю про Резистор R6, я имел виду про Резистор R5 последовательно конденсатору C3 в схеме version NOV 2012. и что можете сказать о конденсаторах panasonic nhg? я хотел их использовать в блоке питани. ток покоя можно поднят болше чем 540 mA до 600mA?

    • Резистор R5, который включен последовательно с конденсатором C3 задает глубину следящей ОС по напряжению. При большой глубине этой ОС ограничение синусоидального сигнала на выходе усилителя может происходить несимметрично, со “сдвигом верхушки” 🙂 синусоиды. Поэтому глубина ОС была несколько уменьшена – ограничение сигнала в этом случае происходит более “правильно”.
      Ток покоя с хорошей степенью точности можно посчитать как 0.7V/R6. Для 600mA (0.6A) R6 должен быть =0.7/0.6 ~ 1.17 Ом. В общем, можно поставить 1 Ом.
      Для круглосуточной работы усилителя, помещенного в стойку с аппаратурой, плоских радиаторов- боковых стенок размерами 80х280х5мм на каждый канал в этом случае может оказаться недостаточно.

  6. то можете сказать о конденсаторах panasonic nhg? я хотел их использовать в блоке питани.

  7. Добрый день!
    Подскажите, какой транзистор, например, должен быть выбран в качестве VT4?
    Заранее благодарен!

    • Добрый день.

      VT4 в схеме “Nov 2012” может быть любим маломощным кремниевым n-p-n транзистором с допустимым напряжением Uкэ > 30V и Iк > 20mA. Я применяю ZTX450 или 2SC2240 – мне они наиболее симпатичны 🙂

      С Уважением,

      Виктор

      • Ок, спасибо большое! Тогда можно попробовать и 2n2222, вроде тоже симпатичные (в плане шумов) 🙂 В общем, надо пробовать разные варианты!

  8. Здравствуйте, на Ваших фотографиях присуствуют платы как на
    http://www.aliexpress.com/item/Zen-Class-A-Headphone-Amplifier-Kit-Power-Amp-Kit-DIY/1505355933.html
    Вопрос: – возможно ли покупка такого конструктора, с установкой своих более качественных деталей?
    там так же продается и другой набор
    http://www.aliexpress.com/item/PASS-ZEN-single-end-Class-A-Headphone-amplifier-5w/1576263196.html
    Какой лучше?
    Алексей.

    • Алексей, добрый день.

      Второй лучше, поскольку на плате уже присутствует стабилизатор, который легко преобразуется в фильтр – умножитель емкости.
      Детали из набора – сразу в мусорное ведро, нужны конденсаторы ELNA или Panasonic, резисторы Vishay или Panasonic, стабилитроны – из входных цепей и питания нужно убрать.

      С Уважением,

      Виктор

  9. Здравствуйте, я сильно ограничен размерами корпуса,
    50w трансформатор не влезает.(по высоте)
    вопрос: – возможно ли использовать 2 отдельных трансформатора по 15W -?
    Алексей.

    • Алексей,
      Два трансформатора лучше, чем один но – даже 50W на канал во многих случаях может быть недостаточно. Успешное повторение Zen практически на 90% зависит от качества трансформаторов – исходя из какой максимальной индукции выполнены его обмотки, есть ли экранирующая обмотка и внешний экран. Остальные 10% – схема выпрямителя и качество комплектующих. Фактически напряжение на нагрузке – это модулированное напряжение источника питания 🙂
      Zen – однотакт с минимальной ООС, поэтому помехи, возникающие в БП усилителем практически не подавляются.
      Причиной возникновения помех в БП является выпрямитель, источником распространения (излучателем) – трансформатор.

      С Уважением,

      Виктор

  10. Добрый день!
    Виктор, возможно ли в данной схеме применение трансформатора с одной вторичной обмоткой? Какая должна быть мощность трансформатора?

    • Алексей, добрый день.

      Да, возможно. В этом случае выпрямитель – мостовой, обратите внимание на распределение емкостей в RC фильтре питания. Трансформатор должен быть мощностью не менее 160VA, я применяю 220VA. При компоновке конструкции в корпус точное расположение трансформатора лучше выбрать на работающем усилителе, и только после этого сверлить крепежные отверстия – очень многое зависит от технологических особенностей трансформатора – есть ли экран, как организованы выводы обмоток и т.п.

      С Уважением,

      Виктор

    • Добрый день,

      К сожалению, (а может, к счастью) 🙂 производством и продажей печатных плат я не занимаюсь, все-таки основная сфера моих интересов – конструкции на лампах и навесной монтаж.

      С Уважением,

      Виктор

  11. Вы можете yточнит схему финальный вариант схемы этого усилителя.

    • Игорь, добрый день.
      Если покопаться в записях то могу. Но схема имеет ту особенность, что она трудна для качественного повторения и поддается наладке только при хотя бы примерном понимании ее работы. Ну а для того, кто самостоятельно разобрался в работе схемы и прочитал все комментарии к статье – нарисовать конечный вариант не составит никакого труда 🙂 Подсказка – уделите особое внимание блоку питания и установке тока покоя.

      С Уважением,

      Виктор

  12. Жаль, что нет возможности послушать в Питере “Zen V LCD”, поэтому очень хотелось бы узнать отличия в звуке от какого нибудь оч.хорошего, но известного усилителя. Я знаком с “Luxman P1” и “M2Tech Marley” (с отдельным БП). Когда разрабатывали Zen, наверняка сопоставляли звук с референсными аппаратами? Ну, как говорится, положа-руку-на-сердце…
    Второй вопросик. Нет ли задумки создать “балансную” версию аппарата? Пардон, усилителя с мостовой схемой подключения нагрузки. Оба упомянутых конкурента весьма ощутимо прибавляют в качестве звучания!

    • Александр, добрый день.

      Один из первых Zen LCD как раз отправился в Питер 🙂
      Примерно с конца 2015 года Zen LCD был заменен на Zen Monster, который, кстати по запросу выпускается и в 100% балансном варианте – 4 платы усилителя, балансный вход, счетверенный регулятор на механике + дискретные резисторы и, конечно – балансное (мостовое 🙂 ) подключение нагрузки. Фото есть в конце статьи. http://easytubeamp.com/le-mostre-jean-hiraga-i-lcd/

      С Уважением,

      Виктор

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *