Немного лирики

По роду своей деятельности постоянно общаюсь с профессиональной аудио аппаратурой, поэтому целью этой разработки было получить устройство, обладающее высокой верностью воспроизведения. Поэтому схемотехнические решения без ООС сразу были отброшены и за основу была взята композитная схема, обладающая большим потенциалом. Приходилось встречать несколько устройств с такой топологией, однако в большинстве конструкций были использованы приборы LT1795 или AD815. Однако как упоминал в одной из своих статей Дмитрий Андронников (aka Lynx):

даже весьма мощные ОУ с ТОС при подключении к их выходу наушников сопротивлением ниже 50...60 Ом работают в достаточно напряженном режиме как по выходному току (что приводит к росту искажений), так и по тепловыделению.

Было решено привлечь «тяжелую артиллерию», но об этом ниже.

Теперь устройство

Питание

Начну, пожалуй, с самого конца: первый оплот защиты — это фильтр сетевых помех и снабберы во вторичных обмотках трансформатора. Задача снаббера — гасить паразитный колебательный процесс в контуре, образованном индуктивностью рассеяния трансформатора и емкостью цепи его вторичной обмотки в моменты запирания диодов. Задача определения паразитных параметров трансформаторов весьма нетривиальная, поэтому были использованы исследования Алексея (Lexus) и установлены номиналы 100 Ом и 0.1 мкФ.

Изначально я предполагал установить двухзвенный LC фильтр, с применением дросселей производства Murata серий PLA10 и PLH10; конденсаторов подавления ЭМП — Epcos X2 емкостью 0.22 мкФ и варисторa Epcos S20K275 с большой поглощаемой энергией — 150 Дж.

Но в итоге было решено использовать готовые решения в целях экономии пространства в корпусе:

В качестве стабилизаторов применены приборы M5230L производства Mitsubishi Electronic [5]. Довольно интересные приборы, обладающие очень низкими собственными шумами (во много раз меньшими, чем у широко применяемых LM317/LM337) в широком частотном диапазоне: 12 мкВ СКЗ, 20Гц — 100 кГц, высокой температурной стабильностью (0.01%/°С). Но есть один минус — выходной ток самой ИМС ограничен на уровне 30 мА, так что для получения больших токов необходимо использовать внешние регулирующие транзисторы. Схема включения особенностей не имеет и взята из даташита — High ripple rejection circuit. Регулирующие транзисторы применены 2SC4793/2SA1837 и установлены на общем радиаторе.


В качестве выпрямительных применены SMD диоды Шоттки 10MQ100. Конденсаторы 3300 мкФ Panasonic FC, остальные — Elna серий Silmic и Silmic II. Первоначально планировалась установка дополнительных емкостей около LT1210, но уже при разводке платы было решено от них отказаться, так как выходные емкости БП оказались в непосредственной близости от потребителя. При использовании конденсаторов Elna еще на стадии проектирования печатной платы необходимо уточнить их размеры на сайте производителя, так как эти конденсаторы имеют в несколько раз большие габариты чем «обычные»:

Усилитель

Композитная схема имеет большое петлевое усиление, выходной каскад на мощном ОУ охвачен собственной петлей ОС, что позволяет получить довольно низкие искажения при работе на различные виды нагрузок.

В выходном каскаде используется быстродействующие ОУ с токовой ОС LT1210CT7 производства Linear в корпусе TO220, который обеспечивает намного лучший отвод тепла, нежели другие вариант корпусов, которые предлагает производитель. Эти ОУ могут обеспечивать долговременный ток в 1,1А (2А в пике), что позволит с легкостью работать на нагрузку с низким сопротивлением. Коэффициент усиления выходного ОУ равен 2, но легко может быть уменьшен до 1, либо увеличен. Выбор номиналов резисторов в цепи ОС ОУ с ТОС несколько сложнее, чем для ОУ с ОС по напряжению: от его номинала напрямую зависит стабильность схемы. Уменьшение номинала Rf увеличивает рабочую полосу частот, но ухудшает стабильность, уменьшение – увеличивает стабильность и сужает рабочий диапазон. Резисторы в цепи ОС (1,5 кОм) выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальную стабильность. Конденсаторы компенсации (C4, C23) обеспечивают устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Вообще производитель обещает стабильную работу на емкостную нагрузку до 10000 пФ!

Немного о тепловом режиме. В даташите [3] приведены (что не очень часто встретишь) приведены примеры расчетов теплового режима. Микросхемы установлены на индивидуальных радиаторах HS211, обладающих тепловым сопротивлением 7.5 °C/W. Тепловое сопротивление кристалл-корпус составляет 5°C/W. Не зная точного теплового сопротивления изолирующей прокладки оно было для расчетов принято 2 °C/W (по некоторым данным, найденным в интернете).
При нагрузке 16 Ohm (хотя профессиональные наушники редко бывают с сопротивлением ниже 50-60 Ом) и выходном сигнале 4V RMS (что соответствует 5,6V амплитудного напряжения) микросхема будет рассеивать 2Вт тепла (ток потребления в таком режиме чуть более 100 mA). При температуре окружающей среды 25 °C кристалл будет нагреваться не более 65 °C.
Так как наше устройство будет находится в закрытом корпусе, то температура внутри может достигать довольно приличных значений в 50-60°C. В итоге получаем температуру кристалла порядка 100-110 °C что вполне допустимо. Но это на синусоидальном сигнале, на музыкальном сигнале (хотя приходилось «видеть» фонограммы с RMS -3 db :-) ) нагрев будет значительно меньше.

В качестве первой «ступени» был выбран прибор производства другой компании — LME49710 от Texas Instrument [4], обладающий великолепными характеристиками: низким уровнем всех видов искажений, очень низким уровнем шума (0,34 мкВ СКЗ@20Гц — 20000 Гц), низким уровнем смещения (±0,05 мВ), большим разомкнутым усилением (140 дБ) и высоким уровнем CMRR и PSRR (120 и 125 дБ).
Однако в процессе настройки устройства попался один экземпляр этого ОУ, при установке которого постоянное напряжение на выходе было порядка 14 мВ; после недолгих раздумий был установлен другой прибор (из 10 приобретенных) — все пришло в норму.

Плата как элемент конструкции

При применении такого высокоскоростого ОУ как LT1210, имеющего скорость нарастания выходного напряжения 900 В/мкс, особое внимание стоит уделить топологии печатной платы, так как в быстродействующих аналоговых схемах она заметно может повлиять на качество работы устройства. Плата должна быть выполнена так, чтобы минимизировать влияние на работу схемы. Более подробно о топологии печатных плат можно почитать в книгах [1] и [2].
Усилитель выполнен на двухсторонней печатной плате, нижний слой которой отведен под полигон GND, конечно в процессе разводки некоторые цепи все-таки оказались на нижнем слое, но они имеют небольшую длину. Такая топология платы была выбрана для максимального снижения импеданса земли, необходимого для стабильной работы высокоскоростных ОУ. Так же была учтена уязвимость инвертирующих входов ОУ к емкости на землю, так как даже емкость в 1 пФ может привести к увеличению коэффициента передачи ОУ на частотах, близких к максимальным. Наиболее очевидное решение этой проблемы — сокращение длины проводника. Другое, менее очевидное, — это уменьшение его ширины. В результате применение проводников толщиной 0.3 мм к инвертирующему входу ОУ дает емкость около 0.1 пФ в зависимости от диэлектрической проницаемости материала платы (у FR-4 от 4 до5).

В процессе сборки и настройки

Для питания прибора используется трансформатор с четыремя вторичными обмотками с напряжениями 14в и током 500 мА, который был специально заказан на заводе для этого проекта. Регулятор громкости я использовал ALPS RK27 сопротивлением 10 кОм. Корпус был куплен в Китае.






К сожалению на этот момент ничего кроме телефона не было под рукой.

А теперь измерения

После сборки и прослушивания были проведены измерения с помощью комплекса Audio Precision AP586:

Литература:

1. Брюс Картер и Рон Манчини. «Операционные усилители для всех».
2. Walt Jung. Op Amp Applications Handbook
3. LT1210 datasheet
4. LME49710 datasheet
5. M5230L datasheet