Эта конструкция была собрана мной в 2010 году для известного на doctorhead.ru форумчанина SharapOFF, специально для  приобретенных им новой модели наушников от Sennheiser (HD800). В техническом задании было оговорено, что конструкция должна быть не только хорошим усилителем для наушников, но и неплохим ЦАП. Предполагалось, что устройство будет использоваться для  прослушивания  Hi-Res фонограмм через USB интерфейс.

Фактически получилось, что в одном корпусе нужно объеденить два независимых устройства – ламповый усилитель и ЦАП, организовав коммутацию сигналов между ними.

Блок схема коммутации ЦАП, схемы усилителя и блока питания приведены в файлах  – Amp_VS800_001 Amp_VS800_002

В качестве ЦАП был взят один из популярных “USB DAC KIT”, с платы были убраны лишние компоненты, а “не лишние” заменены на качественные. ЦАП – PCM1798, цифровой приемник СS8416, USB приемник PCM2902 с отдельным тактовым  генератором. Устройство понимает все форматы, вплоть до 24/192. Микросхема ЦАП имеет токовый выход, преобразование ток- напряжение и ВЧ фильтр в первой версии устройства было выполнено на операционном усилителе, в последующем я применил обычный высокоточный резистор Takman c дальнейшим усилением сигнала  каскадом на лампе, миниатюрном триоде 6С7Б. Схема каскада особенностей не имеет.

Усилитель для наушников – двухкаскадный OTL, за основу взята схема, предложенная в 1995 году Rudy van Stratum и реализованная Aren van Waarde в 1999. По сравнению с “прототипом” применены другие лампы, режимы работы пересчитаны в более оптимальную (как мне кажется) сторону. Первый каскад – усилитель напряжения на половинке двойного триода 12AU7. его коэффициент усиления  =14.  Режим работы выбран на линейном участке ВАХ,  в качестве анодной нагрузки применен интегральный регулируемый источник тока, поэтому характеристики каскада устойчивы к колебаниям напряжения источника питания. Напряжение анод-катод выбрано = 110…112V, ток покоя = 6…6.5 mA. Режим задается резистором R5 и подстраивается подбором номинала катодного резистора R6. Связь между первым и вторым каскадами гальваническая, без разделительного конденсатора.

В данном варианте схемы «голова управляет хвостом», то есть  режим работы выходного каскада определяется режимом работы входного. Выходной каскад – катодный повторитель на половинке мощного двойного триода 6AS7, коэффициент передачи = 0.5, выходное сопротивление примерно 100 Ом, максимальное выходное напряжение на нагрузке 300 Ом составляет 3.5V RMS. Как и у первого каскада режим работы выбран на линейном участке  ВАХ, что обеспечивает устойчивость характеристик усилителя. Напряжение анод катод выбрано = 80V, ток покоя = 43 mA. Мощность, рассеиваемая на половинке 6AS7 в этом случае составляет 3.5Вт, что значительно меньше предельно допустимой (12 Вт) Усилитель не критичен к напряжению источника питания, и сохраняет работоспособность в диапазоне питающих напряжений 200…250V.

Несколько слов о выборе номинала резистора R9. В этой схеме он может быть в диапазоне 1.7…3.3 кОм, от его номинала зависит уровень искажений и максимальный размах выходного напряжения. Для сопротивления нагрузки 300 Ом оптимальное значение R9 = 3.3 кОм. В качестве R9 желательно применить резистор в металлическом корпусе (Vishay, Mills) с допустимой мощностью рассеяния не менее 25 Вт. В процессе работы усилителя на нем выделяется примерно 12 Вт тепла, поэтому следует позаботиться о свободном монтаже и о циркуляции воздуха в корпусе усилителя. Выходные конденсаторы С4,С5, С6 следует применить максимально возможного-доступного качества. Хороший выбор – Hovland + Panasonic. Изменяя номинал С5, в некоторой степени можно регулировать тональный баланс звучания усилителя. Резисторы R4, R7 обеспечивают устойчивую работу усилителя на ВЧ на пиках сигнала.

Наладка устройства сводится к установке на аноде 12AU7 напряжения  110…112V. этого добиваются подбором резистора R6, обычно его номинал находится в пределах 410…470 Ом.   При установке заданного режима работы первого каскада режим работы выходного каскада устанавливается автоматически.

Блок питания усилителя  каких либо особенностей не имеет. Выпрямитель – двухполупериодный со средней точкой, пульсации выпрямленного напряжения фильтруется электронным фильтром на MOSFET  или IGBT транзисторе. Трансформатор TR2 должен обеспечить напряжение на вторичной обмотке 180+180V RMS при токе нагрузки не менее 200 mA, я применил Hammond 363CX. Накальный трансформатор должен быть расчитан на ток нагрузки не менее 4A, я применил Hammond 185C12  Диоды – обычные, серии FR, на обратное напряжение не менее 600V. Схема фильтра обеспечивает и плавное нарастание анодного напряжения при включении усилителя. Подбором резистора R5 в небольших пределах можно регулировать напряжение на выходе фильтра. Транзистор VT1   нужно установить на радиатор, как вариант – можно закрепить его через изолирующую прокладку на металлическое шасси усилителя. Конденсатор С5 должен быть очень качественным, с минимальным током утечки. Накал ламп питается напряжением переменного тока, для снижения уровня проникновения помех по цепям накала потенциал накальных обмоток  с помощью делителя напряжения R3 R4 поднят относительно общего примерно на + 20 Вольт..

Усилитель очень благодарно отзывается на качество примененных компонентов и, на мой взгляд, является одним из лучших усилителей для наушников Sennheiser HD800.

Июнь-Июль 2010                                                                                  г.Владивосток

Примечания. Характерный дизайн конструкции выполнен по эскизам заказчика. 🙂 Заметка об этом усилителе была опубликована на сайте ostereo.ru

Cхема усилителя – SunDuck_Amp_001

Схема блока питания – SunDuck_Amp_002

Замечания по схеме – конденсаторы фильтров блоков питания являются составными, из МБГВ (200uFx1000V),  ASC (60uFx630V), МБГЧ (4uFx600V) и Solеn Fast (10 uFx 630V). Состав емкостей каждой ступени длительное время подбирался на слух, и в настоящий момент уже неизвестно ни точное значение итоговых емкостей, ни какие именно конденсаторы установлены в том или ином месте фильтра. Поэтому на схеме приведены примерные значения. Замечания по блоку питания – на каждую пару выходных ламп применен отдельный накальный трансформатор. На каждый выходной каскад применен отдельный блок питания с отдельным трансформатором.

1. Общие соображения

Это трехкаскадный двухтактный усилитель,  с выходным каскадом, работающем в классе А, без общей ООС. Первый каскад – обычный усилитель с заземленным  (“общим”) катодом (Grounded Cathode Amplifier), второй каскад – фазоинвертор с длинным хвостом по схеме Шмидта (Schimidt’s Long Tail Phase Splitter). Связь между первым и вторым каскадами – гальваническая,  режим работы первого каскада устанавливает режим работы второго.  Поэтому важным моментом после расчета необходимых входных параметров выходного каскада, является правильное определение требований к выходным параметрам второго каскада.

2. Расчет выходного каскада

Расчет выходного каскада  проводим аналогично расчету однотактного выходного каскада на триоде с трансформаторной нагрузкой.  При работе в классе А двухтактный выходной каскад на триодах можно представить как однотактный, с соединенными параллельно выходными лампами,  работающими на приведенное сопротивление полуобмотки первичной обмотки, которое составляет 1/4 от Raa трансформатора. Raa выбирается исходя из конкретных задач – получения большой мощности или низкого выходного сопротивления или что-то среднего – оптимального. 🙂 В практическом смысле экспериментировать с выбором “экзотических” значений Raa не имеет особого смысла, достаточно воспользоваться значениями, рекомендованными в справочниках. Например, для двухтактного выходного каскада на KT88 в триодном включении хорошее значение Raa составляет 5 кОм. Расчет выходного каскада по ВАХ можно сделать двумя способами – перерисовать ВАХ для параллельно соединенных KT88, провести нагрузочную прямую для сопротивления нагрузки Raa/4 = 1.25 кОм  и выполнить расчет Output_KT88x2_1_25 или взять обычные ВАХ  одной КТ88 в триодном включении, провести нагрузочную прямую для сопротивления нагрузки Raa/2 = 2.5 кОм и выполнить расчет Output_KT88x1_2_5 Полученное во втором случае значение выходной мощности следует увеличить в два раза. На сравнительно большой уровень четных гармоник особого внимания обращать не стоит, поскольку в реальности они в значительной степени компенсируются. А вот минимальному уровню нечетных гармоник стоит уделить особое внимание. Для сравнения приведу расчеты выходных каскадов на 300В (Raa= 6 кОм) Output_300B_1_3 и 807 (Raa =2.5 кОм) Output_807_1_1_25 Последний пример весьма показателен.

3. Определение необходимых выходных параметров и расчет второго каскада

В самом общем случае, необходимо определить максимальные выходное напряжение  и ток, который этот каскад должен отдать в нагрузку. Нагрузка – комплексная, состоящая из параллельно соединенных сопротивлений  сеточных резисторов и входной Миллеровской емкости ламп выходного каскада. С сеточными резисторами все более-менее ясно, для минимизации термотоков сеток ламп выходного каскада их сопротивление обычно выбирается в пределах 150…220 кОм.  Миллеровская емкость считается следующим образом – Суммарная емкость по входу ={ паразитная емкость монтажа + входная емкость лампы (справочное значение) + проходная емкость лампы (справочное значение) * (Мю + 1)}. Под “справочными” понимается значение емкости в данном включении, в нашем случае выходной каскад построен по схеме с “заземленным” катодом.  Рассчитаем значение этой емкости, например, для такой лампы, как KT88 в триодном включении. Входная (сетка -катод) емкость = 16pF, проходная (сетка-анод) = 12 pF, коэффициент усиления (“мю”) = 8. Получаем 16+12*9 = 134 pF, возьмем емкость монтажа, например 16pF. Итого = 150 рF. Теперь нужно определиться, для какой частоты мы будет вести расчет. С учетом  реального качества выходных трансформаторов вряд ли наш усилитель без охвата ООС будет иметь полосу пропускания по уровню 0 dB выше 30 кГц . Проведем расчет для этой частоты. На 30 кГц сопротивление емкости  в 150 pF составляет ~  36 кОм,  итоговое сопротивление нагрузки на частоте 30 кГц для второго каскада составит 150 кОм (сопротивление сеточных резисторов) || 36 кОм ~ 30 кОм. Напряжение, необходимое для “раскачки”  КТ88 в типовом “триодном” режиме (например 400V, 80 mA) будет что-то около 40V, значит ток, который фазоинверторный каскад должен быть способен выдать в нагрузку = 40V/30 кОм = 1.33 mA, округлим до 2 мА. Не вдаваясь в теоретические рассуждения, установим, что в самом общем случае каскад с резистивной анодной нагрузкой cможет “отдать” в нагрузку ток, равный 0.5  от тока покоя каскада. Таким образом, ток покоя каждого плеча фазоинверторного каскада  рассчитываемого усилителя должен быть не менее 4 …5 мА, при этом каскад должен обеспечить выходное напряжение не менее 40V с приемлемым уровнем искажений. По входу фазоинверторный каскад должен обеспечивать достаточную перегрузочную способность, то есть напряжения смещения ламп  желательно выбрать больше, чем  пиковое значение входного сигнала. Следовательно, лампа подходящая для работы в таком каскаде, должна иметь линейные характеристики в области ВАХ с бОльшими значениями напряжений смещения и при этом должна быть возможность выбора рабочей точки, обеспечивающей как необходимое значение тока покоя, так и  требуемый размах выходного напряжения. Из октальных ламп – хороший кандидат на работу в этом каскаде это двойной триод 6SN7. Расчет каскада ведется слева-направо, то есть сначала считается режим “левого” по схеме триода. При выборе режима необходимо вдумчиво подойти к распределению напряжений на аноде и катоде лампы.  Для обеспечения хорошей линейности при заданном максимальном выходном напряжении каскада в ~ 40V  падение напряжение на анодном резисторе должно быть примерно 100V. Для получения минимального уровня нечетных гармоник на выходе каскада, сопротивление анодного резистора выбираем в пределах 3…4Ri (Ri- внутреннее сопротивление триода 6SN7), что составляет примерно 21…28 кОм. При рассчитанном ранее минимально необходимом токе покоя каскада 4..5mA, получаем, что номинал в 22 кОм вполне удовлетворяет заданным  требованиям, падение напряжения на таком резисторе составит 22 кОм * 5 mA = 110 Вольт. Катоды правого и левого по схеме триодов объединены, сетка правого триода по переменному току заземлена,  следовательно  изменения тока в общей катодной цепи вызовут изменения тока анода правого триода. Таким образом, на аноде левого по схеме триода мы получаем инверсный (относительно входного) сигнал, а на аноде правого – сигнал, совпадающий по фазе с входным. Фактически,  правая часть схемы фазоинвертора представляет собой каскад усиления с общей сеткой, а левая – с общим катодом. Из-за действия катодной связи коэффициент усиления такого каскада получается в два раза меньше рассчитанного по ВАХ. Исходя из того, что максимальное выходное напряжение = 40V, а приблизительный коэффициент усиления каскада с общим катоде на триоде 6SN7 равен 14…16, так же приблизительно считаем, что фазоинвертоный каскад будет иметь коэффициент усиления = 8, следовательно напряжение на входе каскада в этом случае будет 40V/8 = 5V. Таким образом, желательно, чтобы напряжение смещения левого по схеме триода было примерно -5…-7V. Исходя из этого, по ВАХ выбираем рабочую точку каскада. Получаем, что при выходном напряжении 40V, напряжении смещения -5…-7V и сопротивлении анодного резистора 22 кОм и токе 4…5 мА напряжение между анодом и катодом должно составлять 180…200 Вольт. Делаем приблизительный расчет требуемого напряжения источника питания этого каскада. Напряжение на сетке левого по схеме триода – равно напряжению на аноде лампы первого каскада. Исходя из того, что первый каскад должен обеспечивать выходное напряжение 5…7V c хорошей линейностью и запасом по перегрузочной способности, считаем, что напряжение на аноде лампы первого каскада должно быть не менее 100…125V. Следовательно напряжение на катодах ламп фазоинверторного каскада должно быть {(100…125) + (5…7 напряжение смещения)} = ~ 105…132V. Таким образом, минимально необходимое напряжение источника питания = {(105…132) + (180…200 напряжение анод-катод) + 110 падение напряжения на анодном резисторе} = 395…442V. При большем напряжении источника питания такой каскад будет иметь лучшую линейность и больший запас по перегрузочной способности. Поэтому, для удобства настройки усилителя при работе с различными выходными лампами для входного и фазоинверторного каскадов применен отдельный источник питания. Симметрия напряжения на выходах фазоинверторного каскада определяется уровнем катодной связи, то есть сопротивлением резистора в общей катодной цепи (“длинным хвостом”). Теоретически, чем больше сопротивление этого резистора – тем напряжения на выходах имеют более близкие амплитуды. Практически, поскольку через этот резистор текут токи покоя правого и левого по схеме триодов, а постоянное напряжение на сетке левой лампы задано режимом входной лампы, номинал этого резистора обычно варьируется в пределах 0.5…0.7 от сопротивления анодной нагрузки, что дает разбаланс выходных сигналов примерно в 5…8%.  Разбаланс компенсируют небольшим (в пределах 10%) увеличением анодной нагрузки правой по схеме лампы.  В итоге, в реальном каскаде разбаланс в области СЧ составляет примерно 3%, и из-за разных выходных сопротивлений правого и левого плеча фазоинвертора в области ВЧ (примерно выше 15 кГц)  разбаланс увеличивается. По этой причине очень важно выбирать рабочую точку каскада таким образом, чтобы расчетный уровень нечетных гармоник был минимальным, в этом случае общий спектр искажений усилителя будет содержать преимущественно четные гармоники. Об расчетном уровне четных гармоник можно особенно не заботиться, поскольку в таком усилителе их компенсация происходит дважды – в фазоинверторном и в выходном каскадах. Пример расчета – Phase_Splitter_1

4. Расчет первого каскада

Расчет первого каскада весьма несложен. Это обычный усилительный каскад с общим катодом, с резистором в качестве анодной нагрузки. При выборе режима задаемся необходимым напряжением на аноде (+100…125V) и учитываем, что каскад должен иметь низкий уровень нечетных гармоник. Для этого сопротивление анодного резистора выбираем в пределах 3…4Ri. Для 6SN7 или 6J5 это составляет 21…28 кОм. Отмечаем на ВАХ рабочую точку, убеждаемся, что она находится в линейной области. Получаем – ток анода 5 мА, напряжение смещения -2.2V, коэффициент усиления = 14. Сопротивление резистора в катоде = 2.2V/5mA =440Ом. (На практике его приходится подбирать в диапазоне 430…510 Ом). Пример расчета – First_Stage_1 Примерный вид нагрузочных прямых для первого и второго каскадов – 6SN7_Load_Line_001 Общий расчетный коэффициент усиления первого и второго каскадов получается 14*8 = 112. При требуемом напряжении на выходе фазоинверторного каскада в 40V rms чувствительность усилителя по входу составит = 40V/112 =  350 mV rms, что вполне достаточно для большинства источников. Чувствительность можно уменьшить, убрав из схемы конденсатор, шунтирующий катодный резистор лампы первого каскада. В этом случае коэффициент усиления первого каскада будет примерно 10. Возникшая в первом каскаде местная ОС по току несколько повысит его выходное сопротивление и линеаризует его характеристики, снизив коэффициент гармоник. Иногда, например при работе на акустику со сложной зависимостью сопротивления от частоты, может возникнуть необходимость применения общей ООС.  Это можно сделать, добавив в схему резистор сопротивлением 10…20 кОм – между катодом лампы входного каскада и выводом 8Ом вторичной обмотки  выходного трансформатора.  Из-за снижения общего коэффициента усиления  глубокую ООС ввести затруднительно.

5. Итоги

Это один из самых долгоживущих моих усилителей, который я слушаю до сих пор. Универсальная конструкция, легко адаптируемая под различные выходные лампы, чем я периодически и занимаюсь. В настоящий момент в усилитель установлены выходные лампы 6СВ5A.

Июль 2009 год                                                                                    г.Владивосток

Этот усилитель был задуман как абсолютно безальтернативный домашний вариант. Основная идея была в разделении питания каналов с отдельным питанием драйверной части и выходного каскада и полным отказом от электролитических конденсаторов. Схема и ее детальный расчет будут представлены во второй части. На фото представлен общий внешний вид и элементы конструкции. Получилось три этажа плюс выносной блок конденсаторов (это второй ящик справа). Первый этаж – трансформаторы блока питания, трансформаторы питания накалов ламп,  выпрямители, дроссели фильтров питания. Второй этаж – батарея конденсаторов блоков питания драйверов, выпрямителя смещения и (частично) выходного каскада.  Дополнительные конденсаторы блока питания выходного каскада установлены в отдельном корпусе. Третий этаж – собственно сам усилитель. Тефлоновые панельки, октальные лампы, первый каскад 6С2С (МЭЛЗ. 1962 год), второй каскад – 6SN7 (Sylvaniа, 1957 год). Выходные лампы в разное время устанавливались разные. Сначала 6П3С (1962 год), затем 6С4С, 300В (задержались довольно надолго), КТ88, и, наконец таки 6CB5A – на этом варианте перебор выходных ламп закончился. Монтаж усилителя произведен серебряной моножилой высокой очистки в тефлоне (сигнальная часть), и “винтажным” медным многожильным проводом с внутренней изоляцией из хлопковой нити и ПВХ или лакоткани сверху.  Разъемы – Cardas (сигнальные) и Neutrik (питание и вспомогательные соединения). Напряжения и токи в контрольных точках отображаются стрелочными индикаторами.

C 2009 по 2012 годы – расцвет “двухтактного” периода. Периодически собирались всевозможные конструкции, на часть из них сохранились фотографии.

1. Усилитель на 6П41С.

6П41С — телевизионный выходной лучевой тетрод, предназначен для работы в каскаде строчной развертки телевизоров. Весьма линейная лампа в триодном включении, в интернете можно найти множество усилителей на ней – как однотактных, так и двухтактных. Я тоже решил попробовать, и вот итог –

Любимая конфигурация, входная лампа – 6Н1П (SRPP), фазоинвертор – 6Н6П. выходной каскад с фиксированным смещением, в классе А. Трансформаторы – Hammond.  Усилитель обеспечивает выходную мощность 2×12 Вт и отличается плотным, но светлым звучанием. Сейчас в Хабаровске, радует моего коллегу.

2. Усилитель на 6П3С.

Традиционный двухтактник, так же по любимой конфигурации. Те же лампы, что и в случае усилителя 6П41С на входе и в фазоинверторе, но выходной каскад на “раритетных”  6П3С 60-х годов выпуска. Естественно, в триодном включении, с фиксированным смещением и в классе А. Выходная мощность 2×8 Вт, отличается очень аккуратным, музыкальным звучанием, с отлично проработанной серединой, голосом (в этом основная заслуга “старых” 6П3С)

3. Усилитель на КТ88

Эту конструкцию попросил меня собрать  известный Владивостокский художник и меломан Роман. Основная проблема была в том, чтобы усилитель легко справился с его сложной акустикой, но вместе с тем обеспечил бы детальное, насыщенное и выразительное звучание. Так и появилась эта конструкция. Как и в первых двух случаях – это трехкскадный усилитель на триодах с небольшим коэффициентом усиления.
Коротко о схеме – первый каскад – усилитель напряжения с общим катодом на триоде c 6C2C (МЭЛЗ 1963 г.), второй каскад – дайвер-фазоинвертор с «длинным хвостом» по схеме Шмидта на двойном триоде 6Н8С (так же МЭЛЗ 1964г.), связь между первым и вторым каскадами – гальваническая. Связь между вторым и третьим каскадами – емкостная. Третий каскад – выходной на лампах КТ88 в триодном включении, смещение фиксированное, подстраиваемое. Выходные трансформаторы с Raa= 6600 Ом, ток покоя выходных ламп =77 mA, напряжение источника питания = 370 Вольт. Выходной каскад работает в классе А, номинальная выходная мощность составляет 2×16 Вт на нагрузке 4 Ом. Блок питания особенностей не имеет – выпрямитель на полупроводниковых диодах, фильтрация выпрямленного напряжения производится транзисторным электронным фильтром, эта же схема обеспечивает и плавную подачу анодного напряжения. Накал выходных ламп питается от отдельных трансформаторов. Естественно, все ожидания по звучанию оправдались на 100%. На последнем фото – тестирование этого усилителя в составе моей домашней системы (Март 2012 года).

Заметка об этом усилителе была опубликована на сайте ostereo.ru

Про SunDuck – чуть позже. 🙂