Hybrydowy wzmacniacz booster słuchawkowy.

[STUDI_bis]

Przedmiotem temtu jest pomysł aby sobie zbudować hydrydowy wzmacniacz - booster słuchawkowy do przenośnego odtwarzacza.

Pierwsze założenie to zasilanie bateryjne. Od razu odrzuciłem skłądanie pakietu akumulatorów, konstruowanie balancera, układu ładowania. Dlaczego? No bo w prkatyce to pozyskanie pakietów litowo-jonowych będzie oznaczało rozebranie jakiegoś powerbanku. Ogniwa cylindryczne uznałem za mało wygodne do tegoż wzmanciacza. No to jak jużmamy rozwalać powerbank to może wykorzystać takowy. Przecież tak lepiej. Owszem zgodzę się, że lenistwo tu przemawia ale z praktycznego puktu widzenia uważam jednak, że to słuszne założenie.

Drugie założenie kontrukcyjne to rezygnacja z potencjometru regulacji głośności. Dlaczego? Regulację mam w źródle dźwięku. Zas am potencjometr to jużniestety ale przeżytek. To co jest dostęne z nowej produkci to jakościowo kiepskie, wybór w zasadzie znikomy. Mamy w zasadzie już tylko firmę Bourns bo Alps Alpine to chyba wstrzymał produkcję potencjometrów. Oczywiście zdaję sobie sprawę, że to będzie kontrowejrsyjne założenie. Ale znowu prgmatyka górą.

Trzecie założenie. Brak wzmocnienia napieciowego. No dziwnie to brzmi. Czyli wzmocnimy napięciowo sygnał, potem go osłabimy a następnie podamy do wtórnika oferującego jedynie wzmocnienie prądowe. Jednakże po wykonaniu egzemplarza to zdecydowałem się jednak dodać nieco wzmocnienia napięciowego. Okolo 3 krotnego co da 9 krotny wzmocnienie mocy. Skąd taka decyzja - argument to fakt że wtedy żrodło dźwieku będzie niżej wysterowane czyli zmniejszymy zniekształcenia w źródle dżwęku.

Czwarte założenie to zasilanie. Pozornie to symetryczne zasilanie bufora wyjściowego jest super. Ale tylko pozornie. Zacznijmy od żródła zasilania. Napięcie nicy 5V ale kabelki USB szybko je zredukują nawet nieco poniżej 4V. Następny krok to idziemy do oferty układów scalonych i mamy problem dla wytworzenia napięcia ujemnego o dopoweidniej wydjaności prdowej to mamy problem. W zasadzie to w zasadzie tylko pompy ładunkowe są oferowane ale ciut za słabe. Czyli dostępność (teoretyczna dodam bo kupno dziś kompmentów elektronicznych to mordęga.... widok czasu oczekiwania na dostawę ponad 50 tygodni to już w zadadzie normalność) wymusiła zaislanie stopnia wyjściowego pojedynczym napięciem. Wybralem napięcie 12.6V. Dlaczego takie bo dwa szeregowo połącozne żarzenia lamp. A lampy to już sobie wybrałem - nuwistory. Małe, trwałe i wzgłędnie mało energożerne.

Piąte ząłożenie wybór lamp.
Niwistory. Miełme wybór albo tradycyjne jak 6S51N albo nieskonapięciowy 6S63N. Wybór padł na ten drugi. Wybiegnę do przodu. Zdjęte charaktrystki tej lampy pozwoliły stwierdzić ze można stopnie lampowe zaislanić napieciem nawet 24V zas 36V jest już wystarczająco wyoskie. Znowu wybiegne w przód. Założylem sobie, że napiecie na anodzie będzie około 18V. Wstępnie oszacowałm że uzysktam około 4 krotne wzmocnienie napięciowe takiego stopnia. Czyli obciążając stopień lampowy dzielnikiem 3:1 to uzyskam napiecie około 6V na wejsćiu bufora (połowa jego napięcia zasilania) oraz redukcję amplitudy oferującą całkowite wzmocnienie minimalnie powyżej jedności (jest jeszcze jendo obniżenie amplitudy to później zostanie ujawnione). Mamy sprzężenie stałoprądowe. Nie, nie ma tu hołdu dla audiofilskiej awersji do kondensatorów. Po prostu dostęność, rozmiar. Niestety stałoprądowe sprzężenie lampa - scalak to jednak potrzeba DC servo. A jak DC servo to ujemne napięcie potrzebne. Jak je pozyskałem opiszę później. Ale dodam jedno - napiecie dodatnie i ujemne nie muszą być jednakowe dla wzmacniacza operacyjnego pracującego w pętli DC servo.

Szóste założenie. Wybór stopnia mocy.
Czas o tym napisać. Wybór padł na ukąłdy LME49600. To audio wersja znanych pewnie lepiej układów BUF634 firmy Burr_Brown (boecnie ju zTexas Insturments). Parametry są rewelacyne. Znikome znieksztaćłenia, dadzą radę oddać do 250mA prądu wyjściowego. Pasmo wzmocnienia ponad 110MHz. Wysoka szybkość narastania napięcia na wyjściu równa 2000V/us. Jak dla mnie są lepsze od na przkład od tak pożądanych u złotouchych układów TPA6120A2 czyli wzmacniaczy o sprzężeniu prądowym. Te są niestety są bardzo wrażliwe na obciążenia pojemnościowe. Trzeba w szereg ze sluchawkami dać spory rezystor aby zabezpieczyć się przez niestabilnośćią ich pracy. To oznacza, że trzeba na dodatek iśc w dość duże napięcia zasilania. Zignorowałem audiofilskie mody i odrzuciłem ten układ mający więcej wad niż zalet. Także producentów odtwarzaczy przneośnych nie przekonał on do siebie. Stąd wybór na bufor prądowy o jednostkowym wzmocnieniu napięciowym. Według mnie to najoptymalnieszy wybór układu stopnia wyjściowego. Jak już go tak zarekomendowałem to wypoada podać uproszczony jego schemat wewnetrzny:

4661202200_1657626180.png

Założone pasmo przneoszenia to ze spadkiem 0.5dB ma być nie gorsze niż 20Hz - 20kHz i to dla impedancji słuchawek równą 24 omów. Widmo THD ma preferować drogą harmoniczną. OCzywisćie ten ukła dpopasowałem pod moje Koss Porta Pro o impdencji 60 omów.

Początek projektowanie to koenicnzość pozystkania chatakterystyk lamp 6S63N. Niestety to co dosene to nieprzydatne z racji formy publikacji. Dyposnuję curve tracerem uTracer 6. Sam sobie wiec pozyskałem charakterystyki. A jak je jużmiałem to od razu dopasowałem model SPICE. A dalsze projektownaie było modelowanie w programie LTspice.

Oto charakterystki lampy 6S63N i dopasowany model SPICE lampy:

2764545500_1657626242.png

Widać nawet to klasyczne, podecnzikowe dopasowanie punktu pracy.

Schemat ideowy prototypu.

7860257800_1657638447 (1).png

No i czas na projekt PCB:

4259052300_1657638483.png

Teraz widać że są rezystory szeregowe na wyjściahc buforów. Po co?. No częsciowa przy westerowaniu do poziomu 2Vp ochrona przed zwarciem w słuchawkach. To ta doatkowe redukcja wzmocnienia. Jko extras to zmniejszenie rozrzutu wartości mocy wyjściowej dla impednacji 16, 24, 32 i 40 omów dla tego samego poziomu napieciowego westerowania, Teraz te diody zenera D1 i D2. To ochrona przed przepięciem po ząłączeniu zaislania i do moemntu gdy pojawia się emisja w lampach. Kontrowersyjne nieco ale dwie diody impulsowe to przerzucą przepięcie na zasilanie układu scalonego oraz przerzucą na wyjście przetwonricy. Ta dioda Zenera ma znikomy prąd wsteczny rzędu 50nA mniej niż typowa 1N4148. Ta dioda zenera nie ma żadnego wpływu na wzmacniany sygnał. Sprawdzone w innej konstrukcji.

Teraz przetwornica. Pracuje ona z taktem 1.6MHz. Czyli w zasadzie możńa nie dbać o filtrację napięć. To jak uzyskałem 12.6V to oczywiste. Ale jak uzyskałem 36V anodowego? Sztuczką. Prostą a skuteczną Otóż ta przetownirca ma pracowac w trybie ciągłębo prepłwu prądu przez cewkę (CCM). Na kluczu włączonym pomiedzy cewką L4 a diodą D5 mamy niejako prąd przeminny o amplitudzie około 7V. Dwa podwajacze dadzą teoretycznie 24V. Dodając to napięcie do wyjściowego zpretownricy napięcia 12.6V mamy te 36V. A ujemne dla DC serwo - no tak samo, tez podwajacz ale dający ujemne nappiecie. W praktyce uzyskame około 35V i -11V.

Tu przyznam sięm że przetwornica mi strzeliła focha. Otóż nie chciała dać napiecie wyższego niż 10V jak sie lampy nagrzały. Otóz okazało sie że zalecana kompensacja częśtotliwościowo-fazowa pętli tegulani napiecia była za silna. Trzeba było usunąć to skomensowanie - kondensator C29 na schemacie 330pF. Nawet 4.7pF robiło problem. Bez tego kondensatora jest OK. Może to efekt layoutu PCB. Identyczny wyproadzeniami jest ukłąd LM2735 mający dwa wyknania 1.6MHz oraz 500kHz. Niestety "chwilowo" niedostępny.

Jak już wspomniałem od zaru podjąłem decyzję o dodaniu niwielkiego wzmocnienia. Modyfikacja prosta do ezystorów R13 i R14 dolutowałem równolegle kondensatory 1.5uF. Tak zmodyfikowany układ poszedł na pomiary.

Mając już osłuchany i pomierozny prototyp czas na druga wersję. Jako, że będzie jednak sprzężenie pojemnościowe pomiedzy lampą a buforem wyjściowym to zbędnym będą układy DC servo. Zamiast diod zenera kalsyczne dwie diody impulsowe jako ochrona przed prepieciami, a że mamy psrzęnie pojemnosciowe to te przepiecia będą znacznie wieksze. Przy załączeniu i po osiagnieciu emisji lampy szpilka przpieciowa dodatnia, po wyłączeniu zasilania ujemna szpilka przepięcia.

Co do elementów. Rezystory w torze sygnałowmy to metalizowane MELF 0204 poza cztereme o rozmiarze 0207. Kondensatory to poliestrowe Wima FKS2, cermaiczne C0G w torze sygnałowym, pozostałe nie mjaće wpłwu na wzmanciacny sygnał to ceramiczne X7R. Elekrorlityczne to tantalwowomangnowe jako odsprzężenie ukladów LME49600 pozostałe elektrolityczne to polimerowe albo hybrydowe. Jak widać dominacja elementów SMD. Dal drugiej wersji bedą elektrolirtczne jednak THT bo są mechanicznie solidniejsze od SMD nawet od wersji dla motoryzacji.

Aha no jak się sprawia zaislanie bateryjnie. No świetnie. Powerbank 20000mAh wystarcza ze sporym zapasem na ponad 12 godzin grania.

Druga wersja oraz pomiary w następnych postach bo nie ma możliwośći wklejania wiekszej liczby obrazków wprost w tekst.

[STUDI_bis]

Druga wersja.

Schemat ideowy:

Projekt PCB doposwamy pod obudowę TEKAM 21.9 firmy Teko:

Reendery PCB:

[STUDI_bis]

Pomiary.
KJako pozim 0dB to przyjałem 707mVrms = 1Vp = 2Vp-p na wejścou wzmacniacza.
Impedancja wejściowa wzmacniacza ogrniacza pasmo przenoszenia od dołu interejsu audio.

Wzmocnienie.

Pasmo przenoszenia:

Pasmo przenoszenie samego interfejsu audio:

Zniekształcenia - widmo:

[STUDI_bis]

Pmiary c.d.
Znieszktałcenia i zniekształcenia ważone A:

Pomiar referencyjny i nterfejsu audio:

Ilustracyjnie rozkład dla innego nieco wysterowania niż to przyjęte 0dB:

[STUDI_bis]

Pomiary c.d.
Przesłuchy dla 1kHz, 100Hz i 10kHz, kanał lewy:

Kanał prawy:

[STUDI_bis]

Pomiary c.d.
Zniekształćenia intermodulacyjne kolejno SMPTE, DIN i CCIF, kanał lewy:

Kanał prawy:

[STUDI_bis]

Pomiary c.d.
Zniekształcenia nieliniowe w funkvji częstotliwości

Ząbki ma wykresach to pewnie cecha wersji free programu STEPS. Losowo wstawia takie "zakłócenia".

Jeszcze podam wyniki symulacji wykonywanech jako podejscie do drugiej wersji z dodatkwoym wzmocnieniem:

I to chyba już wszystko.
A nie, jeszce fotka prototypu jeszcze przed modyfikacją:

Dziękuję za uwagę.

[STUDI_bis]

Tak pro-forma stosowne pdf'y. Scalaków i tej zenerki.

[STUDI_bis]

ERRATA

Pomiary c.d.
Zniekształćenia intermodulacyjne kolejno SMPTE, DIN i CCIF:
9031852300_1657639294.png 8760036400_1657639316.png 1272421600_1657639340.png

Pomiar referencyjny interfejsu audio:
9509479300_1657639546.png 6804082700_1657639568.png 7034634200_1657639587.png