Kilka punktów z założeń projektowych:
- Układ stopnia mocy oparty na TPA3126. Jeżeli ktoś potrzebuje napędzić kolumny 4-omowe to zamieniamy go na TPA3156. (Plus malutka zmiana jednego kondensatora ale o tym później).
- Taktowanie kluczy prądowych w układzie TPA równe 1200 kHz. Kwestie wyboru najwyższej oferowanej częstotliwości kluczowania przez te układy scalony opisałem w tym wskazanym wątku. W skrócie redukcja wzrostu THD wraz ze wzrostem częstotliwości (już w od 1-2 kHz dla kluczowania 400 kHz).Ponadto to hybryda, zasilana bynajmniej nie bateryjek więc spadek sprawności energetycznej po prosu pomijamy jako nieistotny.
- Zasilanie z zewnętrznego zasilacza impulsowego. Zewnętrzny wiec cały śmietnik jaki mamy w sieci elektroenergetycznej trzymamy z daleka od PCB wzmacniacza. Zasilacz impulsowy bo pod każdym aspektem jest lepszy od tradycyjnego transformatora, mostka i kosztownego kondensatora. Sztywność zasilacza impulsowego nawet psuta kabelkiem będzie lepsza od tego klasycznego zasilacza transformatorowego. Kolejny argument przeciw transformatorowi to niestabilność napięcia zasilania (napięcie w sieci elektroenergetycznej może mieć legalnie 253V jak i legalnie tylko 207V, to jest 20%, czyli aby nie przekroczyć limitu napięcia zasilania układu TPA musimy się pogodzić ze spadkiem osiąganej mocy o 20% dla znamionowych warunków zasilania).
- Moc wyjściowa oferowana przez układy TPA3126 / TPA3156 jest z wystarczającym zapasem wystarczająca dla codziennej eksploatacji w przeciętnym mieszkaniu
- Dodatkowa pętla sprzężenia zwrotnego obejmujący wyjściowe rekonstrukcyjne filtry LC (post-filter feedback czyli w skrócie PFF). Ta pętla redukuje zniekształcenia wnoszone przez rdzenie cewek w tych filtrach. Głębokość tej pętli wybrałem około 12.5dB co oferuje ponad czterokrotną redukcję THD stopnia mocy.
- Regulacja barwy dźwięku. Tak, jest niezbędna bowiem praktycznie znikomy odsetek nagrań audio nie ma niedoboru szczególnie basów jak i nawet niedoboru sopranów, czasem mamy piskliwe soprany a często nadmiernie wyeksponowane środkowe tony. Zakres regulacji to -9dB / +10.5dB dla niskich tonów i -6.5 / +8 dB dla wysokich tonów. (Większy zakres regulacji jest niepotrzebny a i mniej jest potrzeby zdejmowania niż dodawania). Koncepcja regulatora bazuje na układzie regulatora barwy ze wzmacniacz B-251 firmy Revox. W sumie jest to sprytnie wykorzystana idea dwóch regulatorów parametrycznych z ustaloną częstotliwością i ustalona dobrocią. Zaletą jest jest brak wpływu na dość szeroki zakres częstotliwości co jest niemożliwe dla klasycznych układów regulacji barwy dźwięku. Oczywiście przewidziałem bypass regulatora barwy dźwięku
- Całość zmontowana na jednym PCB> Żadnych widzących elementów na kabelkach. Ten wymów oznacza że nie trzeba inaczej podejść do regulacji balansu bowiem nie ma produkowanych i oferowanych potencjometrów o charakterystyce M+N przystosowanych do montażu na PCB. Nie ma tez gniazd głośnikowych (no OK jest oferowany tandetny chiński blok "sprężynkowy") więc zdecydowałem się na rozłączalne bloki zacisków śrubowych dla wyjść głośnikowych.
- Pasmo przenoszenia przy spadku 0.5dB nie gorsze od 10Hz - 40kHz. Dla spadku 3D będzie to -3.5Hz - 100kHz. Pierwsza uwaga to podaję dla 8-omowego obciążenia. Jak podłączymy obciążenie 4-omowe pasma od góry spanie do tych 85kHz. To można skorygować w peirwszym, lampowym stopniu wzmacniacza.
- Przewiduje dodanie oczka magicznego jako atraktora wizualnego. Argument o "rozpraszaniu uwagi" przez oczko odrzucam bowiem słuchając muzyki to tak po prawdzie nie potrzebujemy "ślipić" się we wzmacniacz.
- Niskie napięcie anodowe ze wzłędu na dostępność komponentów a raczej już coraz większy brak ich dostępności. Co lepsze łatwiej o lampy niż o foliowe kondensatory.
- Dwa przełączane wejścia. Mi tyle wystarczy.
- Czułość około 400 - 500 mV rms. Nie mam już potrzeby dopasowywania się do poziomu nawet znacząco poniżej tzw, komercyjnego -10 dBV (316 mVrms). Myślę że założona czułość będzie zadowalać większość użytkowników.
To są założenia. Tu jeszcze dodam że po przemyśleniach odrzucam robienie lampowej konwersji sygnału SE na zbalansowany. Po pierwsze trudno o naprawdę małą rezystancję wyjściową wtórników lampowych. Po drugie inwerter fazy popsuje pożądane dodawanie drugiej harmonicznej przez lampy. Inwerter long-tail szczególnie, ale w przypadku inwertera z dzielonym obciążeniem jest nico lepiej ale niezadowalający jest efekt końcowy. I tak potrzebować będę op0ampów jako wtórniki więc dodatkowa lampa psująca pożądany rozkład harmonicznych jest czymś co oczywiście należy usunąć.
Jeszcze słowo o komponentach. Tak już są praktycznie nie do kupienia kondensatory foliowy o dużych pojemnościach. Nie ma dla nich żadnej alternatywy. Mówienie o ceramicznych MLCC jest jedynie dowodem na brak wiedzy. Dla tych pojemności to tylko dielektryki jak X7R czyli drugiej klasy, których stała dielektryczna silnie zależy od napięcia a ponadto te kondensatory mikrofonują (w "dwie strony"). Pojemność znamionowa jest tylko dla zerowej różnicy potencjałów na obu końcach kondensatora. Dla połowy napięcia znamionowego kondensatora spadek pojemności może być większy niż 50%. Co gorsze silnie to zależy od rozmiarów kodensatora a i rzadko jest to specyfikowane przez producenta. Krzywa zmian pojemności jest silnie zależna od producenta i serii kondensatora. Aby nie mieć znaczącego wprowadzania THD to amplituda AC musi nie przekraczać dziesiątek mV. Problem jest dla dwójnika RC ustalającego dolną częstotliwość graniczną bowiem szybko rośnie wartość THD już dla częstotliwości granicznej (dla 3dB spadku). Kodensatory elektrolityczne no niestety nie rozwiązują problemu. "Zwykłe", aluminiowe są niestabilne, znaczny rozrzut pojemności, zmiana pojemności w czasie (nawet znaczna). Już nawet dla 10kHz ich parametry dla AC są słabe. Dielektryk ich nie jest "liniowy". Polimerowe organiczne dają radę do 100 kHz i nieco powyżej ale mają znaczną wartość prądu upływu. Są dobre dla odsprzęgania zasilania a ich niskie ESR i ESL jest w tym pzypadku zaletą. Mają jednak wadę - dostępne jedynie niskie napięcia. Drugą ich wadą jest kilkukrotnie wyższa cena ale i tak nadal niższa od upłynnianych resztek foliowych kondesatorów np MKS i MKP Wimy. Wimy już nie kupimy (No zgoda, małe pojemności są jeszcze dostępne ale w tym zakresie są alternatywne MLCC z dielektrykiem C0G czy nawet U2J wykazującym brak zależności pojemności od napięcia). Jesienią zeszłego roku przyjrzałem się jeszcze dostępny MKT firmy Kemet/Yageo serii R82. Niestety jakieś trzy miesiące później i cały projekt PCB do kosza bo już są te kondensatory niedostępne. Wima na swojej stronie "oferuje" np. 3.3uF MKS2 ale nie ma żadnej realnej możliwości jego kupna. Nawet w Niemczech u Reichelta już się kończą zapasy a niektórych wartości skończyły ich. Podróby na Aliexpresie (Wima i EPCOS/TDK) to już wysoka cena a dodać jeszcze trzeba doliczyć wysyłkę cło i VAT ale jakość ich to dramat. A ja się obawiałem trzy lata temu o dostępność rzadkiego nuwistora 6S63N (idealnego dla bardzo niskich napięci anodowych).... Drugim elementem znikającym już z ofert dystrybutorów części elektronicznych są potencjometry. Alps Alpine czy Bourns, no niestety kupujcie cokolwiek póki jeszcze są ich resztki zapasów. Alternatywa to chińskie (najprawdopodobniej) no-name w TME bez specyfikacji, karty katalogowej pod enigmatyczną "marką" SR Passives. Koniec narzekania, dobrze to już było a lepiej już nie będzie. Czas na elektronikę, na razie "teoretyczną".
Zaczniemy od koncepcji układowej. Jest ona poniżej i jest to schemat użyty w symulacji SPICE: Mamy na początku potencjometr głośności P1, potem tradycyjny, lampowy stopień wzmacniacza oporowego o podstawie katodowej zbudowany na pentodzie V1 połączonej jak trioda. Na jego wyjściu mamy potencjometr balansu P2 za nim wtórnik na op-ampie U1 konieczny z racji układu regulacji barwy dźwięku oparty na idei podwójnego korektora parametrycznego z mostkami Wiena (C7, R11, C6, R10 oraz drugi C11, R14, C10, R13) współdzielącymi jeden wzmacniacz operacyjny U2a. Te mostki Wiena są poprzedzone prostymi filtrami dolno- i górnoprzepustowymi (R12, C8 oraz C12, R15) aby je wzajemnie odseparować od siebie. Na wyjściu regulatora mamy stopień o wzmocnieniu -1 V/V party na kolejnym op-ampie U2b by otrzymać już dwa symetryczne, zbalansowane przebiegi sterujące stopniem mocy. Układ U3 (TPA3126 albo TPA3156) skonfigurowany jako dwa tory stereo wymaga jednakowych impedancji na wejściach aby uzyskać najkorzystniejsze parametry ja poziom THD a głownie IMD. Ponieważ każdy z 4 torów w tym układzie U3 nie odwraca fazy to sieci RC sprzężenie zwrotnego PFF (R20, R22, C15, C17 oraz R21, R23, C16, C18) są połączone "na krzyź" ( wyjścia OUTNL na wejście INPL oraz z wyjścia OUTPL na wejście INLL). Do wyjść układu U3 dołączono filtry rekonstrukcyjne (L1, C21 i L2 C22). Przed filtrami znajdują się snubbery RC (R24, C19 oraz R25, C20). Za filtrami znajdują się dwa dwójniki Zobla (R26, C23 i R27, C24). Dwójniki Zobla pomagają kompensować wzrost impedancji podłączonych zestawów głośnikowych wraz częstotliwością (oraz efekty rezonansów w wadliwie wykonanych zwrotnicach). Snubbery nie są niezbędne jednak ich obecność redukuje EMI. Do wyjść głośnikowych dołączono równolegle rezystor R28. Jego zdaniem jest uniknięcie skutków braku obciążenia przy odłączonym głośniku. Taka sytuacja gdy jednocześnie będzie przesterowany wzmacniacz skutkuje znacznymi przepięciami na zaciska wyjściowych (ringing czyli dzwonienie). Układ TPA3126 jest skonfigurowany do wzmocnienia 26dB. Zwarcie przełącznika SW1 dezaktywuje regulacje barwy dźwięku. Cewki L1 i L2 to podwójne, niesprzężone cewki w rdzeniu kubkowym zapewniającym ekranowanie (Coilcraft UA8013-AL). Położenie potencjometru balansu jest celowe. Umieszczenie go przed stopniem lampowy za potencjometrem P1 byłoby niekorzystne pod katem szumów (znaczne obniżenie wartości SNR na wyjściu wzmacniacza). Sieci pętli PFF wprowadzaj podbicie w górnej części pasma przenoszenie co jest kompensowane kondensatorem C2 w stopniu lampowym.
Czas na pokazanie rozkładu wzmocnienia. Analizując wartości mamy wzmocnienie samego układu TPA3126 równe 25.8dB zredukowane do 13.4dB przez sprzężnie PFF. Redukcja wynosi 12.4dB i taka jest głębokość PFF. Całość wzmacniacza ma wzmocnienie około 31dB.
Kolejne zagadnienie to tłumienie częstotliwości kluczowania przez filtry rekonstrukcyjne. Jak widać mamy tu 40dB tłumienie. To bardzo dobra wartość.
Ja już jesteśmy przy tych filtrach to czas na symulację ich "dzwonienia".
Teraz wykresy Bodego dla wyłączonego układu regulacji barwy dźwięku (amplituda oraz faza w funkcji częstotliwości). Jest spełnione założone pasmo przenoszenia. Ponadto dla 10kHzmamy niewielkie przesunięcie fazy poniżej 10 stopni. To dobry wynik zważywszy, że mamy obwody LC, drugiego rzędu w torze wzmacniającym objęte sprzężeniem zwrotnym oraz mamy jeszcze filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu korygujący charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową całego wzmacniacza.
Na koniec analiza szumowa. Kolejno szum na wyjściu w funkcji czestoltiwości oraz całkowite napięcie szumów i wartość SNR w funkcji szerokości pasma. Ta analiza jest pozbawiona szumu śrutowego emisji katody lampy jak i szumów samej lampy, oraz nie uwzględnia parametrów szumowych op-ampów. Model układu TPA3126 ma wbudowane generatory szumu, zaś dla rezystorów przyjęto model szumów termicznych.