Lapowy bufora do DAC'a (wyjścia zbalansowane i asymetryczne)

[STUDI_bis]

To już prawie 5 lat minęło z jak dostałem zlecenie zparojektowania i wykonania prototypu modułu bufora lampowego do wbudowani do juz produkowanego rozbudowanego przetwronika DAC. Z góry już były narzucone wymiary, położenie gniazd przyłączeniowych. Jedynie możn było zmienić parametry dodatkowego tranforamtora sieciowego zailajacego tenże modul. Tenże DAC z tym buforem był prezentowany na spotkaniu grupy facebookowej Audio Goup Poland w Dobieszkowie w 2018 roku. Był porównywany z jakimś topowym, audiofilskim i drogim DACiem. Obronił się. Wcześniej był prezentowany publicznie i premirowo na Audio-Show w 2017 roku.

Najpierw kilka słow o tymże DAC'u. Opróćz saych DAC''ów miał dodatkową rozbudowanć cześć "komputerową" zbudowaną na "dużym" procesorze. Obłsugiwał menu, pilota, rozpoznawał rozwaite formaty danych, pozwalał na wybór cześttliwości próbkowania i rozdzelczości bitowej, do tego obsługa DSD. Sercem był układy DAC firmy AsahiKasei AK4490. Każdy z nich ma dwa zbalansowane wyjścia prądowe. Na każdy z kanałów wyjściowych użyto po dwa takie DAC'i połącozne równolegle, co pozwala zmijszyć zniekztsłćenia i zwiekszyć wartość SNR. Te DAC;i obłsugiuwały częsottliwośc próbkowania do 768kHz dla formatu PCM oraz do 11.2MHz dla formatu DSD. Rozdzieczość bitowa maksymlan to 32 bity.

Płyta DAC'a miała pewne wady layoutu PCB. Niestety al na słuchawkach można było przy ciszy oraz maksmylanej głośności ułżyszeć pracę procesora (głośniej było słyszalne jak lampy pracują jako mikrofony!). Owszem to było poniżej założónego noise-floor ale było. Nieokresowy charakter tych dziwnych bardzo dźwięków niestety "rozwalał" algorytmy FFT użyte wpomiarach. Pojawiały sie na wynikach liczne szpilki, których obecności nie można było sie dosłyszeć. Wariant wyjści zbalansowanego jest w większosci eliminował. Jednak nie było moim zadaniem poprawianie tej cześci.

W sumi to był aprojektowany i wykonany propotyp takiego modulu ale był liczne zastrzeżenia co do jego jakości. Przede wszystkich silne grzanie sie moktów prostowniczych, słaba estetyka płytki PCB. Co do parametrów elektrycznych to nawet spełniał oczekiwane parmetry eletryczne. Był to w sumie 4 tory zbudowane jako zwykły stopień oporowy na lampie ECC81 plus wtónik emiterowy na lampie ECC82. Ponieważ zalezało na pracy liniowej wzmacniacza a sygnał z płytki DAC miał wysoką amplitudę pomiędzy pierwszym stponiem a wtórnikami był dzielnik sygnału, wykorzystujący nietypową sztywną polaryzcję triody wtóników za pomocą dzielnika rezystorowego zaislanego z napiecia anodowego. Tu jeszcze jedno wyjąsnienie, wyjścia z pary układów DAC z wyjściami symetrycznymi prądowymi były połćzone z przetwronikami prąd napiecie skonfigurowanymi jako wzmacniacz różnikcowy, dodtkowy filtr górnozaporowy wymagany dla DSD i wyjściowe wtóniki. Czyli wyjścia były wprost beposrednio z wyjść wzmanciaczy operacyjnych bez kondnesatorów.

W sumie powstały trzy różne koncepcje z powodu zmian decyzji co do wyposażenia bufroa we wzmacniacz słuchawkowy (na ukłądzie TPA6120A2), sugestia by dać tam regulacje wzmocnienie oznaczała konieczność zastosowania czetrosekcyjnego potencjmetru regulacji głośnośći albo rozbudowę o desymetryzacje sygnału a poten z powrtem symetryzację. Wymogbiem bowiem było to że wyjście to miało być symetryzne, zbalansowane XLR z opcja asymetryczną RCA (podpiecie do jednego biegunu wyjścia symetrycznego). Z częsci DAC docodził sygnał symetryczny Co gorsze zastosowano złącza na płtre DACa uniemożiwiające zastosowanie kabli ekrnaowanych. W obudowie już były przygotowane otwory na lampy wiec zaróno ilośc baniek jak i ich rozmiszcenia (oraz wymiaty płytyki drukowanej) był już naruzcone i nie można było już ich zmieniać.

Pierwsze podejćie to stopień rónicowy ze żrodłem prądowym, dzielnik pozimu i wtóniki, solidne mnośniki poljemnosci dla filtracji zasilnia. Jednak to niewystarczyło. Drugie to kombinowanie z regulacją wzmocnienia bowiem z racji tych nieekranowanych kableków sygnałowych wyszło że nie można po prostu zignorować drugiego bieguna sygnału symetrycznego. Pominmo ząrzenia prądem stałym, wysokiej filtracji zaislania jednak był niezadowaljaćy poziom zakóceń 50Hz i 100Hz (ich poziom byście uznali za niesłyszalny). Ta odrzucona płytka miała niższy. Jedyna rózniaca to wyrażna gwiażdzista topologia masy. Zastosowanie takowej dopiero wyeliminowało problemy z zkałocenimi 50Hz i 100Hz. Dodam że tuż onok tej płytki znalazł sie transofrmator zasijacy dla częsci lampowej.

Z drugiego etapu pochodzi wybór inwertera Van Scoyoc'a jako stopnia wejściowego. Dlaczego? Bo raz że jest podwójnie zblaansowany to jeszcze ma niską impedancjęwejsciową a przt zsatosowaniu odpowiednich lamp prądy katodowy jast na tyle niski (okolo 1mA dla ECC81) iż można wejście połączyć wprost do wyjść wzmacniaczy operacynych bez stosowania kondensatorów. W trzecim finalnym podejściu zregnowano z dodatkowego wzmacniacza słuchawkowego (porzedzonego jednym stopniem lampowym bufora). Inwerter Van Scoyoc'a ma wyoskie wzmocnienie napięciowe więc nieso mocniejsze dzielniki sygnału należało zastosować przed wyónikami. Zachowałem polaryzację siatek wtórników za pomocą dzielnika rezystorowego zasilanego napięciem anodowym (tak jak w tranzystorach). Ma to swoje zalety, sztywno pilnuje symetrii składowej stałej względem napiecia anodowego. Ilustracja ponizej przedstrawia tenże inwerter i jego połączenie z opampami na głównej płycie DAC'a:

es hpa cross-coupled.png

Zanim przedstawię finalny układ to jeszcze kilka słów o otoczeniu toru sygnałowego. Zarzenie zaislane prądem stałym. W stabilizatorze napiecie żarzenia zastosowałmy łągodny start. Zamwiajacy w sformułowaniu wyciszenie wyjść miał na myłśi że lągodnie narosnie napiecie anodowe co da niby fekt łągodnego pojawienie sie sygnału wyjściowego. to było na pierwotnej płytce, co skopiopwałem tlyok dlatego że załatwiła mi odoźnienie podania napiecia anodwego. Zastosowałym timer na 555 i przekaźniki małosygnałowe (złocone styki, typowe przemysłowe jakie się błędnie stosuje w tej roli mają wadę z powodu zakazu stosowania kadmu polegajaća na tym, że wymagają mininalnego natężenie prądu płynącego przez styki by miało miejsce samooczyszczanie styków wykonanych z AgSnO2, dlatego uzywanie takich przełączników do przełączania torów sygnałowych jest błedem).
Ten przekąxnik załatwił mi jeden ignorowany przez wszystkich problem. Otóż na wyjściu mamy obwody RC, kte są członami rózniczkujaćymi. Co to zonacza. Jak już lampy są togrzane i podanym napięcie noadowe to za kondensatorem powstanie dodatni szpilka przpeieciowa o napieciu szczytowym bliskim 120V!. W chwili wyłacznei postanie zaś ujmna szpilaka przepięciowa o szczytoem napieciu przekraczającym (w dół) -60V. Łągodny start obniża napiecie szytowe tej szpilki za cenę wydłużenie jej czasu trwania. Napiecie anodowe i tak nie zanika natychmiast dlatego wartość amplitudy szczytowej jest niższa niź dla natychmiastowego załączenia napięcia anodowego. Tych szpilek przepieciowych nie wolno lekceważyć gdyż one potrafią skutecznie uszkodzić podłączana np. wzmcniacze mocy szczegółnie konstrukcje pópłrzewodnikowe audiofilskie gdzie projektanci mają awersię do zabezpieczeń nadnapięciowch wejść w torach sygnałowych. Tym argument przekonałem że jednak to nagłę pojawienie sie sgnału audio jest lepsze. Łagodne narastanie mywagałoby stosownaie potenkcjonemtru czteroceksyjnego z napędem silnikowym. Na takową dodatkową elektornikę nie było już miejsca w obudowie.

Co do zaislacza. Zmiany są proste - diody Schotky'ego w zaisalczu żarzenia. Rezygnacja z gotowych mostków prostowniczych. Ich jakość jest fatalna, to elementy wykonywane w arcaicznych techonologiach z lat 60-tych. Wysokie spadki napiecia na diodach so jeszcze znacznie powiększane padkami na połączeniach wykonanych w samym mostku. Przypomnę że diody prostownicze pracują impulsowo w prostowniku obciążonnym pojemnością. Niby mamy niecałe 1.5A poboru prądu przez żrzenia lamp ale pojemności i to spore spowodują że impulsowe prądy osiagają wartości ponad 15A. Tylko nasycenie rdzenie limituje te impulsy i przedłuża, ale docelowy transformator toroidalny jako sieciowy nie zbije istotnie tych szpilek prądowych. Daltego walka o spadek napięcia na prostowniku była tu koniecznością. W tej pierwotnej płytce mostek prostowniczy się gotował wręcz (był bez radiatora), u mnie te dioty były ciepłe ale nie parzyły przy dotyku. Co do radiatora dla stabilizatora napiecia zarzenia. Dla napięć sieciowych w okolicy dolnego dopuszczalnego zakresu (od 207V do około 215V) jest nawet zbędny ale gdy w gniazdku mamy ponad napięcie znamionowe (zdecydowanie dla 235V - 253V) radiator jest konieczny. Patametry trafa okresłiłem tak aby nie brakło napięcia dla stalizatora żarzenia nawet przy spadku napięcia sieciowego do 190V. Przy okazji gdy kupowałem ten stabilizator to już drugi raz spotkałęm sie że TME potraifło wtedy psrzedawać malowanki. LT1084 - cena ponizej 20% centy LT1084 tanśy od LM317? Okazął się malowanką czyli był to LM317 podłęj jakości z nadrukiem LT1084. Ten pierwszy raz napotkania malowanki dotyczył 2N5401 i 2N5551 - nie dały rady z połową ich katalogowego napięcia Uce0). To były lata 2016 - 2017.

Teraz kontrukcja mechaniczna. Otóż wymogiem było by od strony podstawek lamp nie było na płytce elementów. Czyli dla swojej wygody projekt PCB był na odwrót. Czyli elemnteny były na wartwie top a lampy na warstwie bottom. Wartwa to skierowana w doł a bottom do góry urządzenia. Jedynie peerki i diody sygnalizacjny LED był na tej wartwie. Zastosowałem w wieksozści elementy SMD. Rezystory w torze sygnałowym to metlaizowane MELF, wytrzymujące do 350V. Płytka dwustronna zastosowane wypełnienie masą ale oddzielną masą łączoną w jednym punkcie centralnego punku masy dla topologii gwiazdy. Unikanie ślepego zakoczenia takich obszarów gdy są długie a wąskie gdyż są skuyecnymi antenami a na dodatek stanowią rezonatory (no wokół mamy przecież śmietnik GSM). Zamawiający postaił warunek by po dtornie bottom (skierowanj ku górze w urządzeniu) w zasadzie zredukować ścieżki do zera. To niestety wmysiło stosowanie i to częste tzw pi-bridge ocenianych jako błąd projektowy PCB. To zamówienie zmusiło do nauczenia sie poprawnego projektowania PCB czyli clearance, klasy ścieżek itd. Docelowy wykoanwca płytek (Eurocircuits) nie wymaga by projekt PCB był uzupęłeninay o dodatkowe obszary technologiczne (nppola kontaktowe dla miedzi dla procesów galwanicznych - złocenie lub cynowanie), otwory ustalające itd. Projekt wykonany w Eagle. Wygenroweane były pliki CAM jak Gerber i Excellon choć zbędne bo wkyonawca płytek wykonuje płytki wprost z plików tego programu (ponieważ Eagle już jest wygaszonym programem przez firmę Autodesk to obecnie akceptuje pliki także w formacie KiCAD). Pojekt płytki zaimportowany do programu Altium Designer. W projekcie PCB uwzględniłem możiwość zasotowanie różnych podwójnych tirod, czyli o roznych konfiguracjach żarzenia 6.3V/12.6V jak i samego 6.3V plus ekran oddzielający sekcje triod. Tak wiec płytka jest uzniwersalna i mozna po zmianie elemntów biernych pierwszego stopnia zastosować rózne typy podwójnych triod. Nie było niestety czasu na eksprymety i dalsą optymalizację układu co do doboru punktów pracy. Musiały wystarczyć symulacje w LTSPice z dostępnych dość uproszczonych modeli lamp.

No to czas na to co najważniejsze. Schemat ideowy.

schemat.png

Projekt PCB (nie są widoczne masy wypłęniająće tylko widać definicje ich polygonów):

PCB.png

Na szybko:
Zasislacze. Elementy T1, R4, C8 i D7 to lągodny start napięcia żarzenia. Obwód czasowy dla załćzenia i łągodnego startu napiecie anodowego to elementy T3-T5, R17-R20, C18. MOSFET T3 jest elementem wykonawczym, zwiera kondensartor mnożnik pojemnosci jako aktywnego filtru zasilania zbudowanego na tranzystorze MOSFET T2. Tu jeszcze jedno do opmówienia, rezysroy R14 i R15 obniżyły mierzone zakłócenia 100Hz i 50Hz prawie o 6dB. Rezystory R8 i R9 rozłądowują kondensatory filtru CRC za prostownikiem. Diody D1-D4 to diocy Shotky'ego SMD, diody D8-D11 to diody fast recovery (aby zminimalizować silnie zajłocajaćego wyższymi harmonicznymi spzilki przetężeniowe jake są bolączką zwykłch dioda prostowniczych). Diody prostownicze zablokowane pojemnościami dla zmininimalizania intermodulacji z zakłocenimi jakie przedostają się z sieci enegetycznej.
Za filtem aktywnym tętnień są jeszcze dodatkowe filtry RC w obwodach zasilania każdego ze stopni lampowych, przy okazji zpawenija jaką sepracaję wzajemną od siebie tychże stopni od strony zaislania i impednacji własnej zasilacza. Kondensatory elektrolityczne zablokowane dodatkowymi kondensatorami aby zmijszyćimpednację kondenatora dla wyższych częsotliwości w tym zakłóceń przneikajaćych od storny zaislania z sieci energetycznej. Dla tych napięc trudno bylo wtedy o kondensatory polimerowe czy chociażby hybrydowe.

Tor audio.
Wejsćiowy stopień to inwerter Van Scoyoc'a, znay też cross-coupled. Każda z obydwu lamp jest sterowana róznicowo (jedno wejście od katody czyli konfiguracja o wspólnej siatce a drugie wejście od strony siatki czyli układ o podstawie katodowej, z racji tych wejść od strony katod to impedancja wejciowa jest niska równa odwrotności nachylenia lamp w pzakresie pasma akustycznego). Sam układ jest symetryczny. Mamy więc podwójne zbalansowanie dla sygnału wjeściowego. Prąd anodowy lamp jest niewielki redu 1mA wiec można bezpośrednio wejsćia podłączyć do wyjść wzmanciaczy operacyjnech. Jednakże ukłąd elektryczny uwzgłęndie odłącenia kableka łączego wejście tego bufora od płytki głównej DAC'a. Za to odpowiadają rezystory R103-104 i R203-204. Ząś dodatkowe rezystory R101-102 i R201-202 to dodatkowa ochrona przed zwarciem do masy oraz oferuje dodatkową redukcję poziomu sygnału wjeściowego gdyż stopień wejścioowy ma wysokie wzmocnienie napięciowe.

Wtórniki wyjśćówe kalsyczne ale z polaryzacją siatek wymuszoną dzielnikami napiecie anodowego R114, R115, R118, R119 oraz R214, R215, R218, R219. Pomiędzy pierwszym stopniem a wtórnikmia są w torze sygnałowym włącozne rezystory R113, R117 oraz R213, R217. Ten rezystor wraz wypadkową rezystnacja dzielika polaryzacji siatki lmapy wrónika troszy dzielnik napiecia. Znacznie większa rezystnacja tych szeregowych rezystorów oznacza znikomy wpływ napięć na anodach lamp pierwszego stopnia na napięcie polaryzacji siatek lamp we wrónikach,

Na koniec to zostaje power-on mute delay. To klasyczny układ z wykorzystaniem ukłądu scalonego timera 555. Steouej on przekąznikami małosgnalowymi ze złocoymi stykami. Istnieje ekranowane wykonanie tych przekaźników (dla wykonanać GSM czyli dla częsottliwości do około 2GHz).

Mamy dwa potencjometry regulacyjne: PR1 to ustawianie napięcia żarzenia 6.3V, PR2 pozwala na dobór czasu opóżnienia załączenia wyjścia tak by nastąpiło to po zaniku szpilek przepięciowych po pojawieniu się pęłengo napiecia anodowwego. Przy wyłaczaniu zaislania przekaźnik dość szybko rozłączy, ogranicza on ujemną szpilkę do poziomu nieprzekraczającego (w dół) -15V. Pnieważ żarzeni lamp pobieraja sporo prądu to szybko spada napiecie na kondensatorze za prostownikiem napięcia żarzenia.

Dwie diody sygnalizacyjne. LD1 informuje o obecnosci napiecie anodowego zaś LD2 informuje że wyjścia bufora są wyciszone.

Różne masy (zasilania anodowego i sygnałowa zarezem, żarzenia i zasilaczy, wypełniająca PCB) lączone ze sobą rezystorami o rezystancji 10 omów.