Поиск своего звучания: выставляем ток покоя у усилителя Джона Худа

Это продолжение описания моего личного опыта в настройке усилителя А-класса JLH 1969.  

В простом приближении мощность любого усилителя в первую очередь определяет сопротивление нагрузки (акустические системы, наушники) и напряжение питания оконечного каскада усилителя минус потери в полупроводниках. Естественно будем говорить о чистом сигнале без клиппинга.  Особняком стоят мостовые схемы включения, когда два усилителя работают на одну нагрузку с парафазным сигналом на входе. Мостовая конфигурация, в первую очередь, стала востребована в автозвуке. Где для увеличения мощности усилителей приходилось ставить повышающие импульсные преобразователи, но это во внешних устройствах. В «головных» же используются высокоинтегрированные чип усилители с мостовым включением. Попутно мостовая схема решает вопрос ненужности разделительного конденсатора на выходе усилителя при однополярном питании.

Если же говорить о качестве звучания усилителя, то тут просто огромное количество факторов (схемотехнические решения, подбор элементов, разводка плат, питание и т.п.). Поэтому тут заглубляться дальше не будем, ибо я не специалист по усилителям точно и не готов на эту тему грамотно дискутировать.

Ток покоя в усилителе А-класса

Но предположим у нас есть усилитель. Будем считать, что он сделан правильно, компоненты подобранны качественные и так далее и тому подобное. Кроме того это усилитель А-класса. А в таких усилителях на качество звучания еще сильно влияет и ток покоя оконечного каскада, т.е. меняя эту величину можно менять и качество, в частности искажения. Естественно необходимо учитывать и другие факторы при выборе тока покоя. Если снова посмотрим на табличку от Худа

То видим, что рекомендуемые значения тока напрямую зависят как от сопротивления нагрузки, так и от напряжения питания. Также смотрим на размер входного сигнала (Vin), про него обычно забывают упомянуть. Мы помним, что по дефолту Ку данного усилителя равен 13 и дабы избежать клиппинга на выходе, в зависимости от напряжения питания, следует ограничивать и сигнал на входе. Кроме того в таблице приведено значение для RMS мощности, т.е. максимальной синусоидальной без повреждения аппаратуры в течении часа. Лучше оперировать DIN мощностью, которая как правило на четверть меньше. А если мы заглянем в документацию на любой усилитель, то увидим, что коэффициенты гармонических и интермодуляционных искажений пишут для номинальной мощности, которая еще меньше (в два и более раз) чем максимальная синусоидальная (DIM, RMS). Также в маркетинговых целях производитель может указать значения искажения для 1 W на выходе, естественно там они будут просто перфектны.

О чем это все? Дело в том, что необходимо сразу определится для какой мощности на выходе мы хотим выставить ток покоя? Если усилитель с мощностью в 10 W по DIN мы будем слушать на мощности редко превышающей половину, то и ток покоя имеет смысл выставлять для номинальной мощности (собственно как и считают производители).

В принципе, если не хочется заниматься измерениями, можно настроить усилитель как рекомендовано выше в табличке и успокоиться на этом. Если усилитель собирается для наушников, то следует пересчитать как напряжение питания, так и ток (и тут лучше прогнать в RMAA) с учетом сопротивления наушников и требуемой мощности на выходе (скорей всего это будет максимум несколько ватт). Чем выше сопротивление наушников, тем больше придется поднимать напряжение питания (не забываем про допустимые значения для применяемых компонентов), бонусом будет уменьшение емкости выходного конденсатора с увеличением сопротивления нагрузки. Также надо будет или увеличить коэффициент усиления усилителя, либо увеличить сигнал на входе него. С учетом современных реалий, скорей всего случится второй вариант.

Измерение

Самым доступным вариантом померить характеристики аудиотракта является использование программы RightMark AudioAnalyzer (RMAA). Также понадобится высококачественная аудиокарта, с как можно наименьшими собственными шумами и максимально линейна в интересующем нас диапазоне частот.

Проводить эксперименты на дорогой звуковухе не очень хочется, покупать специально для таких целей, это если реально этим занимаешься все время. У меня есть дешевая и не особо качественная внешняя карта Behringer U-Phoria UMC22 покупалась она совместно с измерительным микрофоном для анализа АЧХ помещений и акустики. Буду использовать ее и тут, я пока не ставлю задачу получить абсолютные значения характеристик усилителя, меня интересуют относительные изменения при разном токе покоя, а для этого ее хватит. Позже, если приспичит, можно будет измерить и более качественным аудиотрактом.

Настройку необходимо проводить с нагрузкой, в виде набора мощных резисторов с эквивалентным сопротивлением будущей акустики. А также позаботиться о защите входа звуковой карты от высокого напряжения на выходе усилителя (подключаем туда же). В простом случае это может быть обычный резистивный делитель напряжения. От постоянки можно не защищаться, она уже есть в усилителе. Убираем все подальше от других источников наводок и прочего (от компьютера), примерно так

Мои исходные данные такие: 30 вольт питания, 8 Ом в нагрузке. 

По осциллографу чистая синусойда без клиппинга была амплитудой (полуволна) около 13,5 вольт, на входе примерно 1 вольт, что совпадает с теорией. Помним, что это максимальная мощность, моя ошибка была в том, что на таком сигнале я и пытался настроить усилитель.  При таких значениях, примерная мощность усилителя аж 20W, что вдвое выше заявленных из-за слишком большого сигнала на входе.

Ток будем измерять всей платы усилителя, т.к. на ней не предусмотрен разрыв. Не страшно.

Для начала посмотрим на качество самой звуковой, соединим ее вход с выходом. У данной карты два входа, но они отличаются по параметрам и RMAA видит только один. Поэтому переводим измерения в режим МОНО (не смотрим на параметр «взаимное проникновение каналов»), все равно каждый канал усилителя надо настраивать отдельно. 

Видно, что карта звезд с неба не хватает. Но в целом для начала вполне, те же шумы на большей части лежат ниже -100дБ

 А теперь посмотрим что выдает усилитель при токе покоя 1,75А, который я установил еще до измерений, как некая отправная точка. И… видим совсем не то что ожидали.

Также видим такую «красоту» в частотном диапазоне

При этом усилитель звучит, с окраской, которую возможно и воспринимают за оригинальное и интересное звучание. Еще до измерений я рискнул его подключить к колонкам и звук показался мне как от дешевого кассетного магнитофона из детства.

А как же рекомендуемые 1,3А на 8 Ом в нагрузке?

Ну что, крутим ток выше и смотрим на искажения в RMAA в реальном времени. При токе порядка 3.0-3.1 А (помним, что усилитель лучше прогреть с полчасика сначала) искажения резко пошли вниз. В целом картинка улучшилась и где-то похоже уперлись в звуковую карту

Если верить графикам третья гармоника не отстает от второй, к сожалению. Вторая нам интересна, как говорят она дает приятный «ламповый» звук и частично маскирует остальные. А вот нечетные гармоники придают звуку неприятный окрас.

Но главное, что при токе покоя в 3А потребление одного канала усилителя уже приближается к 100W!  Усилитель будет кушать из розетки 200W и все это перегонять в тепло. Что-то не так.

Конечно, если мы заглянем в характеристики того же Luxman L-590AXII, то увидим, что при максимальной мощности 30W на канал он потребляет в простое 230 W.  Там солидный агрегат другого уровня, у нас же простецкий усилитель по старой схемотехнике, но все равно, что-то я делаю не так. И вот тут и вспомнилось про 10% гармоник в паспортных данных при максимальной мощности у фирменных изделий. 

Вспоминаем табличку от Худа, там на входе всего 0,66V в максимуме (это и есть примерно 9W). Т.е. для получения номинальной мощности для которой и проводят измерения уровень сигнала еще надо уменьшить в два раза (около 0,3V), что кстати похоже на нормальный сигнал у аппаратуры того времени (порядка 250mV).

Ок. Снизим сигнал на входе на половину, не будем так уж сильно занижать, сделаем 0,5V. Уменьшим ток и снова будем его поднимать, пока в RMAA резко не упадут шумы. У меня вышло, что при 2 ампер уже стало красиво.

Шумы ниже -110дБ. По прежнему не совсем понятна история с 3 гармоникой, но эксперименты еще не завершены, только начало. При этом это измерения для сигнала на входе усилителя близком к рекомендуемому максимуму.

Небольшие первичные итоги

Не смотря на простоту, чтобы получить хорошие результаты от данного усилителя, придется повозится с подбором компонентов и уж точно нельзя рассчитывать на то, что положат китайцы.

При старании и возможно везении, можно реализовать усилитель с отличными характеристиками. Ну и не гнаться за мощностью. Скорей всего предел данной схемы, если мы хотим получить классный звук без искажений, это порядка 5W. 

Современная схемотехника усилителей с нагромождением большого количества элементов призвана к получению стабильных результатов практически без подбора и настройки. Спаял правильно и будет работать как задумывалось.  При производстве это важный момент, гораздо дешевле впихнуть десяток другой дополнительных деталей, чем тратить время на настройку. Но большое число элементов в звуковом тракте также не всегда идет на пользу. Чем короче тракт, тем меньше он привнесет в звук отсебятины. Обратной стороной медали, является необходимость более скрупулезного подхода к компонентам и более сложная настройка. 

При прослушивании даже такого, пока корявого усилителя на своих также экспериментальных колонках я получил массу положительных эмоций от звучания старых вещей. При этом ручка громкости редко была больше половины, обычно меньше. Т.е. мощности для прослушивания в спокойной обстановке более чем достаточно, даже на не очень чувствительной акустике.

Дабы итоговый усилитель получился менее колхозно выглядящий внутри и более удобный в сборке. Я решил нарисовать свой вариант печатных плат, под более современную элементную базу и со своими дополнениями, где будет проще заняться подбором тех же транзисторов.

Начало эпопеи тут.