Усилитель Only Music 2.7 (ОМ2.7): схема, концепция и платы

Пролог: от OM3 к OM2.7

Идея создания усилителя Only Music 2.7 берет начало еще со времени разработки усилителя Only Music 3 (OM3). Тогда в планах было намерение сделать помимо основной версии ОМ3 еще и упрощенную версию. От этой идеи я отказался, но спустя некоторое время вернулся к ней. Причина — излишняя сложность повторения ОМ3, из‑за которой у желающих повторить усилитель возникало много трудностей. Именно это послужило отправной точкой для нового проекта и возвращения к базовой концепции серии: максимальное качество при минимальной сложности и габаритах. Если интересует общий подход к серии, можно посмотреть Only Music 2.7 (OM2.7).

Концепция повторяемости и элементная база

Как уже было сказано выше, новый усилитель преследует старую концепцию, заложенную еще в «оплеуха микрухам 2» (ОМ2). При разработке ставилась цель добиться максимальной повторяемости, надежности и стабильности схемы, а также максимально уменьшить разнообразие применяемой элементной базы. Дополнительно исключались из перечня радиодеталей малораспространенные наименования. Качественные параметры усилителя тоже не оставались без внимания: Only Music 2.7 не уступает ОМ3, а по большинству параметров даже превосходит его.

Благодаря появлению большого числа производителей печатных плат и их активной конкуренции, стало возможным получать выгодные предложения по изготовлению заводских плат малыми партиями. Поэтому сделана ставка на двухстороннюю плату, рассчитанную на заводское изготовление. Тем не менее от односторонней платы я не отказался: сделана и версия для домашнего изготовления по технологии ЛУТ. Габариты заводской платы точно такие же, как и у авторской платы для ОМ2 — 100×67 мм, а габариты односторонней платы немного больше — 100×73 мм.

Имя: почему 2.7, а не 3.5

Почему 2.7, а не 3.5? Здесь все предельно просто: по своей концепции усилитель ближе к ОМ2, чем к ОМ3. Это отражает компромисс между качеством и повторяемостью, а также выбранную топологию и подход к реализации.

Схема усилителя Only Music 2.7

В который раз решено не изменять традициям и использовать классическую Линовскую топологию. Идея схемы усилителя напряжения (УН), которая подверглась значительным доработкам и улучшениям в настоящем усилителе, была позаимствована у хорошо зарекомендовавшего себя усилителя BackBen, моей разработки.

Дифференциальный каскад (ДК) дополнен каскодом, что позволило разгрузить входную пару транзисторов по мощности и напряжению. Это дало возможность применить на входе низковольтные, малошумящие, супербета транзисторы. В сочетании со снижением напряжения коллектор‑эмиттер входной пары и уменьшением рассеиваемой на ней мощности это позволило заметно снизить уровень шума на выходе усилителя.

Была возвращена возможность подстройки «нуля», имевшаяся в усилителе ОМ2, что позволяет точно отбалансировать дифференциальный каскад. Генераторы стабильного тока (ГСТ) для дифференциального каскада и каскада усилителя напряжения (КУН) независимы друг от друга и имеют независимые источники опорного напряжения. Конденсатор C12 повышает стабильность работы ГСТ и существенно снижает пульсации их опорного напряжения.

Применен принципиально отличающийся способ частотной коррекции усилителя относительно решений, использованных в ОМ2 и ОМ3. Это позволило получить гораздо большее усиление с разомкнутым контуром общей отрицательной обратной связи, чем в ОМ3, и обеспечить гораздо большую устойчивость, чем в ОМ2.

В процессе разработки ОМ2.7 было решено отказаться от одного решения, примененного в усилителе BlackBen — составного транзистора в каскаде усилителя напряжения. Причина: это решение не давало заметных преимуществ, но снижало повторяемость из‑за не самой высокой распространенности в продаже составных транзисторов MPSA13.

Выходной каскад впервые в серии ОМ — трехкаскадный «тройка». Это улучшает буферизацию усилителя напряжения от нагрузки, снижает зависимость нелинейных и интермодуляционных искажений от выходной мощности и характера нагрузки. Данный усилитель, как и ОМ3, имеет защиту от короткого замыкания в нагрузке.

Технические характеристики Only Music 2.7

Параметры схемы снимались с использованием компьютерной программы RMAA 6.2.5. В качестве измерительных ЦАП и АЦП использовалась звуковая карта ASUS Xonar Essence ST. В качестве нагрузки для усилителя использовались два параллельно включенных мощных резистора сопротивлением 10 Ом (итоговое сопротивление 5 Ом). Для измерения скорости нарастания/спада выходного напряжения применялись генератор прямоугольных импульсов и осциллограф UNI‑T UTD2025CL.

В качестве лабораторного блока питания использован классический, не стабилизированный блок питания, состоящий из трансформатора, диодного моста и сглаживающих конденсаторов емкостью по 15000 мкФ в каждом плече. Напряжение на шинах питания усилителя при отсутствии входного сигнала: ±42 В. Ток покоя выходных транзисторов: −80 мА.

Параметры, помеченные звездочкой (*) — получены при помощи компьютерной симуляции работы схемы. Параметры с двумя звездочками (**) — путем пересчета реально полученных значений под другие условия измерения (другая нагрузка, другая частота сигнала и т. п.).

Выходная мощность (1 кГц):

Выходная мощность (4 Ом) = 140 Вт**
Выходная мощность (5 Ом) = 110 Вт
Выходная мощность (8 Ом) = 70 Вт**

Уровень шума:

Уровень шума (A-взвешенный) = не хуже −100 дБ

Коэффициент нелинейных искажений:

Коэф. нелинейных искажений (1 кГц, 10 Вт, 5 Ом) = не более 0.0005 %
Коэф. нелинейных искажений (1 кГц, 75 Вт, 5 Ом) = не более 0.0015 %
Коэф. нелинейных искажений (20 кГц, 10 Вт, 5 Ом) = не более 0.003 %*
Коэф. нелинейных искажений (20 кГц, 75 Вт, 5 Ом) = не более 0.009 %*

Интермодуляционные искажения + шум:

Интермодуляционные искажения + шум (60 Гц + 7 кГц, 10 Вт, 5 Ом) = не более 0.0025 %
Интермодуляционные искажения + шум (60 Гц + 7 кГц, 75 Вт, 5 Ом) = не более 0.003 %

Частотный диапазон:

Нижняя граница частотного диапазона (по уровню −1.5 дБ относительно 1 кГц) = 18 Гц
(Примечание: завал в правой части графика обусловлен исключительно параметром звуковой карты и не зависит от наличия или отсутствия испытуемого усилителя в цепи сигнала).
Верхняя граница частотного диапазона (по уровню −1.5 дБ относительно 1 кГц) = 177 кГц*

Скорость изменения выходного напряжения = 25 В/мкС

Переходная характеристика (1, 10, 20 кГц):

Приведенные технические характеристики соответствуют авторскому варианту усилителя, собранного на заводской печатной плате. Они могут незначительно отличаться, в лучшую или худшую сторону, для каждого конкретного экземпляра усилителя. Параметры усилителя, собранного на самодельной плате, отличаются не более чем на величину погрешности измерения. При сравнении параметров усилителей, собранных на заводской и на самодельной печатных платах, использовались абсолютно одинаковые радиодетали и даже провода. Сначала был собран и обмерян усилитель на заводской плате. Затем все радиодетали были выпаяны из заводской платы и установлены на самодельную плату, после чего были измерены параметры усилителя на этой плате.

Сравнительная характеристика параметров усилителей, собранных на разных печатных платах, и фото готовых усилителей:

Элементная база: что проверять перед сборкой

В этой части статьи перечислены основные моменты, связанные с элементной базой, которые нужно учесть и строго придерживаться, чтобы успешно повторить и запустить данный усилитель:

• все применяемые при сборке элементы перед установкой на плату должны быть проверены на работоспособность и соответствие необходимым параметрам (сопротивлению, емкости, ESR, коэффициенту усиления и т. д.);
• не допускается устанавливать элементы, ориентируясь исключительно на их маркировку, без проверки на соответствие реального номинала маркировке;
• лучше отказаться от использования бывших в употреблении радиодеталей и использовать при сборке только новые;
• предпочтительно использовать металлопленочные резисторы (MF) и отказаться от углеродистых (CF) из‑за их высокого собственного шума;
• допускается использование металлопленочных резисторов производства СССР;
• при использовании резисторов с допуском 5% крайне желательно осуществить подбор в пары резисторов R6 и R11, R7 и R12 с точностью не хуже 1%;
• для достижения равного коэффициента усиления и, соответственно, равной громкости обоих каналов стерео усилителя рекомендуется заранее подобрать по две пары резисторов 15 кОм и 470 Ом (для левого и правого каналов) с точностью не хуже 1%, чтобы использовать их в качестве R1 и R19, R2 и R8;
• при использовании резисторов с допуском 1% подбор не требуется;
• использование в качестве R35 и R36 проволочных резисторов не рекомендуется;
• категорически запрещается самовольно заменять любые резисторы на резисторы другого номинала, отличающегося от указанного в схеме;
• в качестве подстроечных резисторов R9 и R20 допускается использовать только многооборотные резисторы типа 3296W; допускаются подстроечные резисторы сопротивлением от 200 до 470 Ом;
• при установке на плату движок подстроечного резистора R9 должен находиться в среднем положении (сопротивление между каждым из крайних и центральным выводов должно быть одинаковым), а сопротивление подстроечного резистора R20 — максимальным;

• все типы применяемых в схеме конденсаторов и их минимально необходимое рабочее напряжение указаны в списке радиоэлементов к данной статье;

• допускается использовать конденсаторы с большим рабочим напряжением, чем указано в списке радиоэлементов;
• не стоит переплачивать за конденсаторы аудиофильских серий: применение их в схеме усилителя не приведет к улучшению характеристик или «звучания»;
• каждый конденсатор перед установкой на плату должен быть проверен на соответствие маркировки реальной емкости, проверен по ESR, проверен на отсутствие повышенной утечки. Процедура выполняется для каждого конденсатора;
• не допускается использование электролитических конденсаторов производства СССР, а также бывших в употреблении электролитических конденсаторов, конденсаторов с видимыми дефектами (вмятины, вздутия, подтекания электролита);
• допускается использовать стабилитроны других моделей, но с тем же номинальным напряжением стабилизации и мощностью;
• допускается использовать только те модели транзисторов, что указаны в схеме, либо их аналоги из списка радиоэлементов;
• перед установкой каждого транзистора на плату нужно убедиться в его работоспособности и соответствии параметров даташиту;
• транзисторы VT18, VT19, VT20, VT21 и VT12 должны быть установлены на общем радиаторе. Площадь радиатора очень приблизительно можно выбрать из расчета 10–15 см² на каждый ватт выходной мощности усилителя (1000–1500 см² для усилителя с выходной мощностью 100 Вт);
• транзисторы VT9 и VT13 могут быть установлены на небольшие теплоотводы (для этого предусмотрены места на печатных платах), однако допускается эксплуатация усилителя без установки VT9 и VT13 на радиаторы;
• транзисторы VT2 и VT6, VT3 и VT7, VT4 и VT8 необходимо подбирать в пары по коэффициенту усиления с точностью не хуже 1%.

Печатные платы и изготовление

 

Фотографии «чистых» печатных плат, а также снимки плат в процессе изготовления, монтажа и испытаний:

Выводы на печатной плате

Наименование и назначение выводов на односторонней и двухсторонней платах совпадают, поэтому следующая информация актуальна для обоих вариантов.
+U — плюс питания;
−U — минус питания;
GND — основная силовая земля;
oGND — выходная земля (минусовая выходная клемма);
sGND — сигнальная земля;
IN — вход сигнала;
OUT — выход сигнала (плюсовая выходная клемма).

Коммутация цепей усилителя

Правильный способ соединения блоков и земель стерео усилителя:

Эксплуатация усилителя без устройства защиты акустической системы (АС) — не безопасна и строго не рекомендуется. Работа усилителя без защиты допускается только для первого запуска и настройки. В качестве защиты АС для данного усилителя рекомендуется использовать устройство защиты DEF 2017. Если нужна практическая связка по защите и запуску, полезно сверить подход в статье Усилитель мощности Only Music 3 или ОМ3 (ex «оплеуха микрухам» 2017.

Настройка: «ноль» и ток покоя

После успешного первого включения усилителя необходимо произвести регулировку «нуля» и тока покоя. Для регулировки «нуля» нужно замкнуть вход усилителя (замкнуть выводы IN и sGND на плате усилителя), подключить милливольтметр или мультиметр к выходу усилителя (выводы OUT и oGND на плате). Затем, вращая движок подстроечного резистора R9, добиться минимального значения постоянного напряжения на выходе усилителя (хорошим можно считать результат, когда постоянное напряжение на выходе не превышает ±5 мВ).

На следующем этапе настройки выставляется значение тока покоя, чтобы прогреть усилитель перед финальной регулировкой. Щупы мультиметра (милливольтметра) подключаются к эмиттерам выходных транзисторов (VT20 и VT21), как показано на иллюстрации:


После этого вращением движка подстроечного резистора R20 выставляется небольшой ток покоя (примерно 40–50 мА, что соответствует показаниям милливольтметра 18–22 мВ) и усилитель оставляется прогреваться примерно на десять минут.

Регулировать ток покоя без прогрева не рекомендуется: после прогрева значение тока изменится относительно выставленного на холодном усилителе. Когда усилитель прогреется (температура выходных транзисторов стабилизируется и перестанет расти), приступают к самой регулировке тока покоя. Для этого точно так же вращают движок R20 и выставляют нужное значение. Рекомендуемый диапазон — 70–100 мА (что соответствует показаниям милливольтметра 30–44 мВ). Большее значение тока покоя не улучшает характеристики и звучание, зато заметно увеличивает нагрев выходных транзисторов и снижает КПД.

Нагрузку к выходу усилителя для регулировки «нуля» и тока покоя подключать не требуется. На этом настройку можно считать оконченной, а усилитель — готовым к работе. Дальше — прослушивание.

Спасибо за внимание!

П.С. Под списком используемых радиоэлементов можно найти и скачать файлы печатных плат: одностороннюю, рассчитанную на домашнее изготовление ЛУТом (формат .lay), и двухстороннюю, рассчитанную на заводское изготовление (формат Gerber). Архив с Gerber файлами подготовлен к заводскому производству и не требует доработок — его можно сразу отправлять любому производителю печатных плат. Не кормите посредников — заказывайте заводские платы напрямую у производителя. Вот теперь точно все!

Список радиоэлементов

 

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин
	Only Music 2.7
R3, R31, R32	Резистор (0.25Вт)	1 Ом	3		Поиск в магазине Отрон
R23, R24, R25, R26	Резистор (0.25Вт)	22 Ом	4		Поиск в магазине Отрон
R6, R7, R11, R12, R16, R17, R30	Резистор (0.25Вт)	100 Ом	7		Поиск в магазине Отрон
R5	Резистор (0.25Вт)	200 Ом	1		Поиск в магазине Отрон
R2, R8, R21	Резистор (0.25Вт)	470 Ом	3		Поиск в магазине Отрон
R14, R29, R33, R34	Резистор (0.25Вт)	1 кОм	4		Поиск в магазине Отрон
R13, R18	Резистор (0.25Вт)	2.4 кОм	2		Поиск в магазине Отрон
R1, R4, R10, R15, R19, R22, R27, R28	Резистор (0.25Вт)	15 кОм	8		Поиск в магазине Отрон
R38, R39	Резистор (1Вт)	3.6 Ом	2	SMD 2512	Поиск в магазине Отрон
R37	Резистор (1Вт)	10 Ом	1	SMD 2512	Поиск в магазине Отрон
R35, R36	Резистор (2Вт)	0.22 Ом	2		Поиск в магазине Отрон
R9, R20	Резистор (подстроечный)	200 Ом	2	3296W	Поиск в магазине Отрон
C17, C18	Конденсатор (керамический)	47 пФ	2	MLCC (NP0) 50В или CT81 (Y5P) 1000В	Поиск в магазине Отрон
C11	Конденсатор (керамический)	4.7 нФ	1	CT81 (Y5P) 1000В или MLCC (X7R) 50В