“Комбайн” для электростатических наушников STAX SR-303

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 :).