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” :

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.