STAX  Amplifier Auridux V rev 2.0  Jan-2012

Усилитель был собран по заказу известного на doctorhead.ru форумчанина Deeone, за что ему огромнейшее спасибо. Нужно отметить, что Deeone не только принимал активное участие в обсуждении концепции усилителя, а так же оказал ценную помощь при систематизации и осмыслении результатов сравнительного прослушивания.

Принципиальная схема усилителя и его блока питания – STAX_Auridax_V_001

Усилитель на триодах со средним коэффициентом усиления,  двухкаскадный, собран по балансной схеме, без общей ООС. Для наглядности на схеме показан только один канал. Первый (входной) каскад – балансный усилитель с общим катодом, с резистивными анодными нагрузками. В качестве лампы первого каскада применен двойной триод 6BZ7 (6BQ7), особенностью которого является хорошая линейность при сравнительно небольшом напряжении на аноде. Режим работы первого каскада – ток покоя каждого плеча 6…7 mA, напряжение на анодах +100…110V.  Напряжение смещения = -1.3…1.4V. Катоды триодов первого каскада объединены  что, при их близких параметрах, позволяет получить на выходах каскада прямой и инверсный  сигналы практически одинаковой амплитуды («несимметрия» составляет не более 0.5%)  Переключатель S1 служит для коммутации входных цепей усилителя для работы с балансным или небалансным источником сигнала. В случае балансного входного сигнала – он, через регулятор уровня на сдвоенном резисторе R1R1′ непосредственно подается на сетки ламп входного каскада. В случае небалансного источника сигнала его уровень регулируется только верхней половиной резистора R1, небалансный сигнал усиливается и инвертируется левым (по схеме) триодом лампы T1 и через регулируемый делитель напряжения С1R10R11 подается на сетку правого (по схеме) триода T1. Резистором R11 регулируется идентичность прямого и инверсного усиленных сигналов на выходах первого каскада. В случае работы с балансным входным сигналом регулируемый делитель C1R10R11 из цепи прохождения сигнала исключен и какой-либо подстройки режимов не требуется.

При работе с небалансным входным сигналом коэффициент усиления первого каскада = 27…33 – он зависит от типа и разброса характеристик примененых ламп.  Допустимо применение ламп 6BZ7, 6BQ7, 6DJ8, 6922, E88CC, ECC88, 6Н23П-ЕВ и даже 6Н1П-ЕВ (с некоторым снижением коэффициента усиления).

Второй (выходной) каскад усилителя так же собран по схеме с общим катодом. В качестве «левого» и «правого» «плеч» схемы применены так называемые SRPP каскады. Это позволило даже при некотором разбросе характеристик ламп получить очень близкие (как по постоянному, так и по переменному току) режимы работы плеч каскада, отличные динамические характеристики, низкое выходное сопротивление и низкий уровень искажений.   Как и в первом каскаде, катодная связь обеспечивает стабильную идентичность прямого и инверсного сигналов на выходе усилителя. Такое решение позволило, во первых, обойтись без петли общей ООС, и во-вторых, сделать связь между первым и вторым каскадами гальванической, то есть без разделительных конденсаторов.  В этом случае, режим работы по постоянному току второго каскада задается режимом работы первого. Для лучшей симметрии и стабильности режимов как по постоянному, так и по переменному току второго каскада в качестве элемента катодной связи применен интегральный регулируемый источник тока IXYS IXCP10M45S. Лампы выходного каскада распределены особым образом – нижние по схеме триоды – это первая лампа, верхние – вторая. Накалы всех ламп «приподняты» относительно «земли» – у ламп первого каскада и нижних ламп второго примерно на +80V, у верхних ламп второго каскада примерно на + 420V. Это сделано для избежания пробоя между электродами накала и катода у верхних по схеме триодов, а так же для уменьшения уровня помех и наводок между накалом и катодами ламп. Уточнение по схеме блока питания – номиналы R20 и R21 нужно поменять местами.

Балансный сигнал снимается с катодов верхних триодов и через разделительные кондесаторы С3, С4 подается на разъем для подключения телефонов. В качестве разделительных  применены маслонаполенные конденсаторы  Jensen 0.47 uF 630V (лучше – 1000V), с обкладками из медной фольги и бумажными изолирующими прокладками. Резисторы R15, R16 служат для уменьшения уровня переходных процессов при включении усилителя.

Режим работы выходного каскада – ток покоя  каждого плеча = 13…15mA,  напряжение анод-катод каждого триода = 240…255V, напряжение смещения – 18…-20V.  Коэффициент усиления второго каскада = 12…15, максимальное выходное напряжение на каждом из выходов составляет ~160…175V RMS при этом общий коэффициент гармоник составляет не более 1% (зависит от типа и разброса характеристик примененных ламп).

В качестве ламп выходного каскада используется двойной триод 5687, с некоторым уменьшением усиления можно применить 12BH7, с перепайкой цоколевки – ECC99, 6Н6П-ЕВ.

Блок питания усилителя особенностей не имеет. В качестве трансформаторов питания и накала использованы отлично себя зарекомендовавшие изделия компании Hаmmond. Накал питается напряжением переменного тока.

Два анодных напряжения Ua1 и Ua2, необходимых для работы схемы, снимаются со вторичной обмотки силового трансформатора, выпрямляются диодным мостом. С среднего отвода вторичной обмотки снимается напряжение Ua1 (+335V), c верхнего вывода вторичной обмотки через выпрямитель снимается напряжение Ua2 (+675V). Анодные напряжения фильтруются с помощью обычных CLC фильтров (С6С7L1C11C12C13C14 и С7L2C8), напряжение BIAS (+580V) необходимое для работы телефонов STAX получается из Ua2 простейшим стабилизатором на элементах R18ZD.

Поскольку баласная схема усиления обеспечивает хорошее подавление синфазной помехи в плечах усилительных каскадов, то дополнительной фильтрации или стабилизации напряжения анодного питания не требуется.

Для обеспечения минимального уровня искажений и максимальной амплитуды выходного напряжения в усилителе необходимо применять лампы– двойные триоды- не только с максимально близкими общими характеристиками, но  с максимально близкими характеристиками половинок двойных триодов.

С предварительно подобранными лампами 6BZ7 во входном каскаде и с 5687 в выходном усилитель обеспечивает следующие характеристики –

• Входное сопротивление = 49 кОм
• Выходное сопротивление = 3.5 кОм
• Максимальное выходное напряжение (на каждом из балансных выходов) = 165V RMS
• Номинальное входное напряжение = 500 mV RMS
• Полоса воспроизводимых частот, при неравномерности +-1 dB и уровне выходного напряжения 150V RMS, на эквиваленте нагрузки сопротивлением 100 кОм = 20Гц…60кГц
• Общий коэффициент искажений на выходе усилителя, при уровне выходного напряжения 150VRMS = < 1%
• Уровень шумов и помех на выходе усилителя, при балансном усилении, минимальном положении регулятора громкости, измеренный на эквиваленте нагрузки сопротивлением 100 кОм = < -65dB.

Январь 2012 год                                                                                             г.Владивосток

*** Схема и описание конструкции этого усилителя так же были размещены на сайте ostereo.ru. Там же есть и некоторые комментарии 🙂

*** Я крайне НЕ рекомендую повторять эту схему неподготовленным, неопытным самодельщикам, без навыков работы с высоковольтными ламповыми конструкциями. И, конечно – любую схему перед сборкой нужно “проходить с карандашом и калькулятором” – банальные опечатки не исключены.

*** Схемотехника усилителя во многом определялась предпочтениями заказчика. С моей точки зрения вариант выходного каскада с полупроводниковыми интегральными источниками тока в качестве анодной нагрузки мне кажется более предпочтительным.

В начале 2011 года попал ко мне на профилактику комплект от STAX – усилитель SRM-323 и электростатические наушники SR-303.

Общие мысли и впечатления

Впечатление от прослушивания STAX-303 c “родным” усилителем были противоречивые. С одной стороны, хорошие детальность и музыкальное разрешение. С другой – весьма странная подача НЧ, явно “кричащие” отдельные частотные области на СЧ. Мне показалось, что этот экземпляр 323-го усилителя на пиках сигнала иногда непредсказуемо резко срывался в клиппинг. Исследование выходного сигнала с помощью осциллографа выявило некоторые особенности его реакции 🙂 . Во первых, перегрузка приводила к резкому подрезанию сигнала, которое было несимметричным и, помимо этого, ограничение по отрицательной части синусоиды сопровождалось кратковременным возбуждением усилителя на ВЧ. Подстройкой схемы далось добиться симметричного ограничения и ликвидации “подвозбуждения”. После этого звучание 323-го усилителя заметно улучшилось, но все таки, на мой “ух” оставалось излишне холодным,  резковатым – хотя и весьма детальным.

Было принято решение изготовить более интересный усилитель, совместив его с USB ЦАП.

Изучение имеющихся в интернете схем усилителей для электростатических наушников приводило к вполне однозначному выбору в пользу конструкций на лампах. Во первых, для работы наушников необходим источник высокого (около 600 Вольт) напряжения смещения. во вторых, уровень сигнала для их раскачки должен быть примерно 200…250В rms – при этом ток, потребляемый наушниками – весьма мал, максимум несколько миллиампер. (*** в последствии выяснилось, что это не совсем верно). Ламповая схемотехника как раз “оперирует” высокими напряжениями и небольшими токами. Поскольку в головных телефонах при их работе постоянно присутствует высокое, опасное для жизни напряжение- то, как мне кажется, важным моментом является и защита слушателя – то есть сигнальные цепи усилителя и наушники должны быть надежно  гальванически разделены- таким образом, например, чтобы неисправность источника питания или выходного каскада усилителя не приводила к возможному поражению слушателя электрическим током. Поэтому я считаю очевидным, что выходной каскад усилителя для электростатических наушников должен быть выполнен по схеме или с выходным трансформатором или иметь разделительные конденсаторы на выходе. (*** для усилителя, не охваченного петлей общей ОС) Предпочтение было отдано варианту с выходным трансформатором, за основу была взята известная схема Andrea Ciufolli.

Схема и Описание

• Блок схема, выходной каскад ЦАП и первый каскад усилителя – STAX_Schem_001
• Выходной каскад усилителя – STAX_Schem_002
• Блок питания – STAX_Schem_003

Исходя из поставленной задачи, было необходимо  в одном корпусе с усилителем для наушников разместить  ЦАП с USB входом, а так же предусмотреть линейный выход сигнала, чтобы была возможность, подключить к этой конструкции, например усилитель мощности.

ЦАП 

В качестве ЦАП применена серьезно модифицированный DIY – kit  на наборе микросхем 1798 (ЦАП с токовым выходом) и 8416 (цифровой приемник-коммутатор), в качестве USB-SPDIF преобразователя применен так же серьезно модифицированный DIY- kit  на чипе Tenor TE7022L. ЦАП может работать с входными сигналами разрядности до 24/192 (COAX вход) и 24/96 (USB). Выбор входа COAX или USB производится переключателем S1. Микросхема ЦАП 1798 имеет “токовый” выход аналогового сигнала, то есть для получения на выходе устройства напряжения сигнала необходимо применить преобразователь ток- напряжение. Обычно эту функцию выполняют (и иногда весьма неплохо) специальные схемы на операционных усилителях. В данном случае, после отслушивания нескольких вариантов выходного каскада ЦАП – на  быстродействующих прецизионных операционных усилителях, на пассивных элементах с трансформаторной связью, на операционных усилителях с выходными трансформаторами в качестве нагрузки,  был сделан однозначный выбор в пользу простого пассивного преобразования ток в напряжение на резисторе. При этом используется только один токовый выход ЦАП (I+). Второй токовый выход (I-) остается без нагрузки, как выяснилось, это позволяет существенно снизить уровень помех на выходе ЦАП, На известные недостатки, якобы присущие такому методу преобразования, такие как  меньший, чем в случае  двух выходных сигналов (I+ и I-) динамический диапазон и на “недостаточную линейность” преобразования было принято решение внимания не обращать. 🙂   Сигнал с выхода ЦАП, выделяемый на резисторе нагрузки, затем усиливается каскадом на лампе T1 – 6СМ4 (Hitachi). Это одиночный триод, разработанный для усиления сигналов с системах телефонной связи. Имеет довольно высокий коэффициент усиления (~ 68), отличную линейность характеристики и крайне низкий уровень шумов. Лампа в общем-то, не редкая и сравнительно недорогая. Усилительных каскад каких-либо особенностей не имеет. В итоге на выходе модуля ЦАП получается сигнал амплитудой ~ 2.3V RMS при входном тестовом сигнале 0 dB @ 1kHz.

Усилитель

Схема усилителя – двухкаскадная, с непосредственной связью каскадов. Источник сигнала на входе усилителя выбирается переключателем S2 (“Линейный” вход или выход с ЦАП). Оба каскада являются усилителями напряжения. Первый каскад – усилитель с резистивной нагрузкой выполнен на половинке лампs 12AU7 и имеет коэффициент усиления 20..22 (зависит от экземпляра лампы), второй – (выходной) каскад на лампе 6BX7, c трансформаторной нагрузкой и имеет коэффициент усиления 10..12. Выходной трансформатор – Lundahl LL1660, скоммутирован по схеме Alt V,  (одна первичная обмотка на две вторичные “полуобмотки”, на выводах вторичной обмотки – балансный сигнал). Общий коэффициент усиления составляет минимум 200, что, при входном сигнале 1V RMS, позволяет получить на аноде 6BX7 200V  RMS . Выбор, в общем-то не самого линейного триода 6BX7 в качестве выходной лампы обусловлен следующими ее особенностями: Во первых, эта лампа имеет, хороший “раскрыв” сеточных характеристик,  низкое внутреннее сопротивление и одновременно может работать при высоком напряжении на аноде – следовательно, может обеспечить большую амплитуду напряжения на выходе каскада. Во вторых, в случае трансформаторной нагрузки с большим сопротивлением во вторичной цепи (а именно такой нагрузкой для трансформатора являются электростатические телефоны), даже в случае небольшого тока покоя каскада уровень гармоник на выходе получается весьма небольшим, и это преимущественно будет только вторая гармоника. В итоге, общий коэффициент гармоник на выходе усилителя получается равным примерно 1% при уровне выходного сигнала 175V RMS, спектр “плавноспадающий” и состоит из 2-й и 4-й гармоники. Поскольку телефоны имеют балансную схему подключения, а вторичные полуобмотки выходного трансформатора практически идентичны, на нагрузке возможна дополнительная компенсация искажений, снижение уровня четных гармоник. Небольшая модификация схемы позволяет достичь более низкого уровня гармоник –  примерно 0.5% при уровне выходного сигнала 175V RMS, но в ходе прослушивания это оказалось излишним. На  второй половинке лампы 12AU7 собран буферный каскад, с которого снимается сигнал на линейный выход усилителя. Ограничение сигнала на выходе усилителя – “мягкое”, без “лавинного” роста искажений. Усилитель не охвачен общей петлей ООС.

Блок Питания

Выпрямитель собран по стандартной мостовой схеме, выходное напряжение (+380V) фильтруется электронным фильтром, в качестве регулирующего элемента которого применен высоковольтный iGBT транзистор. Электронный фильтр обеспечивает крайне низкий (по сравнению с традиционными LC фильтрами) уровень пульсаций выходного напряжения и плавное его нарастание при включении питания. Необходимое для работы электростатических наушников напряжение смещения (+580V)  формируется отдельным выпрямителем  на элементах VD6,VD7, C16, C17. и цепью “Вольтдобавки” R27 R28 C15. Цепь смещения практически не потребляет ток, поэтому фильтр на выходе применен самый простой, на элементах С17 R29 C18. Резистор сопротивлением 5MΩ обеспечивает защиту слушателя в случае замыкания или пробоя в телефонах. Схемы ЦАП и USB-SPDIF питаются от двух дополнительных обмоток (~ 6.3v) на силовом  трансформаторе. Питание накалов всех ламп осуществляется отдельным накальным трансформатором.

Наводки и Помехи

Электростатические наушники имеют высокое сопротивление, а сеть и окружающий нас “эфир” полны наводок от сотовых телефонов, сварки, импульсных блоков питания и т.п. Удивительно, но даже при выключенном питании, пока сохраняется напряжение смещения, иногда наушники самостоятельно могут ловить  различные помехи. Поэтому для снижения уровня возможных наводок и помех  корпус конструкции выполнен металлическим и предусмотрена клемма заземления. Хорошее заземление никогда не помешает :).

Июнь 2011 год                                                                                             г.Владивосток

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