Портал для радиолюбителей, меломанов, аудиофилов и сочувствующих последним.

Схемы усилителей, регуляторов громкости и тембра, DAC, блоков питания и стабилизаторов и т.п.

Лампизатор «Нирвана» (Часть I)

имитатор лампового звучанияСреди любителей качественного звука есть немало фанатов ламп. Бытует мнение, что ламповые усилители более музыкальны и звучат более приятно, нежели стерильный звук твердотельных усилителей с массой отрицательных обратных связей и исчезающе малыми гармоническими искажениями.

Конечно, у ламповых усилителей есть свои недостатки — высокая температура, низкий КПД, малый срок службы ламп. А что если бы можно было бы получить ламповый звук от твёрдотельного усилителя?

С симулятором лампового звучания «Нирвана» это становится возможным!

Скептики могут заметить, что получить ламповый звук можно только от лампового усилителя. Однако, авторы данной схемы смогли смоделировать ламповое звучание, используя только твёрдортельные элементы. Таким образом, получился ламповый звук без ламп.

Данный симулятор может быть использован с любым моно или стерео твёрдотельным усилителем мощности. Это позволяет приобщиться к ламповому звуку, не меняя свой дорогой и любимый «каменный» усилитель на ламповый.

Как это работает?

Если сравнивать ламповые усилители с твёрдотельными по характеристикам, то результаты будут не в пользу первых. Ламповые усилители, как правило, имеют бОльшие искажения, повышенный уровень шумов и фона, менее линейную АЧХ. Но, несмотря на всё это, ламповые усилители имеют более музыкальное звучание.

Предлагаемый симулятор лампового звука не добавляет в сигнал дополнительный фон и шум, но влияет на сигнал также как лампы: мягко отрабатывает перегрузки, формирует гармонические искажения как у однотактного усилителя на пентоде, а частотная характеристика напоминает АЧХ качественного усилителя класса АВ с трансформаторным выходным каскадом.

Для имитации характеристик пентода в схеме использован повторитель на полевом FET-транзисторе. Он же позволяет регулировать симметричность ограничения сигнала при перегрузках.

Для имитации АЧХ лампового усилителя надо иметь в виду следующий момент: выходное сопротивление хорошо спроектированного твёрдотельного усилителя обычно составляет порядка 150 мОм. Типовое значение выходного сопротивления лампового усилителя зависит от глубины общей отрицательной обратной связи (если она есть) и обычно составляет около 2 Ом.

Относительно высокий выходной импеданс лампового усилителя имеет два последствия при работе громкоговорителя. Первый эффект — значительно ниже коэффициент демпфирования, который представляет собой отношение номинального импеданса громкоговорителя к выходному импедансу усилителя. Для твердотельного усилителя типовое значение коэффициента демпфирования составляет 60 или более, и это означает, что усилитель имеет очень жесткий контроль за движением диффузора громкоговорителя. Это приводит к менее «гулким» басам и меньшим искажениям в области НЧ.

Низкий выходной импеданс также является важным фактором для получения более линейной АЧХ всей акустической системы, так как сопротивление громкоговорителя меняется в широких пределах (из-за наличия фильтров, собственных резонансов динамиков и т.п.) в зависимости от частоты сигнала. В идеале, громкоговоритель должен питаться от источника напряжения, то есть, усилитель должен иметь предельно низкое выходное сопротивление.

Из-за высокого выходного сопротивления лампового усилителя его взаимодействие с громкоговорителем будет менее гладким. Если принять выходное сопротивление усилителя равное 2 Ом, а импеданс громкоговорителя 8 Ом, то, как нетрудно посчитать, 25% от полезного сигнала будут потеряны в самом усилителе. На самом деле картина ещё более печальная, так как импеданс громкоговорителя может меняться от 6 Ом до 30 Ом в звуковом диапазоне частот.

имитатор лампового звучания

увеличение по клику

На графике представлена зависимость сопротивления акустической системы с фазоинвертором от частоты сигнала. Двойной «горб» на низких частотах обусловлен резонансной частотой НЧ-динамика и собственным резонансом фазоинвертора. Подъем в области средних частот — эффект от кроссовера. Рост сопротивления в области высоких частот обусловлен собственным сопротивлением ВЧ-динамика.

На рисунке показаны зависимости сопротивлений от частоты для четырех разных акустических систем при работе от усилителя с выходным сопротивлением 4 Ом (пунктиром показана девиация фазы сигнала).

имитатор лампового звучания

увеличение по клику

Легко заметить, что в области НЧ зависимости очень похожи и имеют два ярко выраженных подъёма. В области СЧ и ВЧ наблюдаются небольшие отличия, обусловленные преимущественно схемотехникой и качеством расчёта разделительных фильтров.

В результате, при подключении акустической системы вместо твёрдотельного усилителя к ламповому меняется её амплитудно-частотная характеристика. А в технических паспортах на колонки обычно приводятся АЧХ, снятые при подключении к транзисторным усилителям!

Лампизатор «Нирвана» имитирует изменение частотной характеристики акустической системы при работе от источника с высоким выходным сопротивлением. Так как характеристики разделительных фильтров громкоговорителей варьируются, на переднюю панель прибора выведен регулятор «Реакция громкоговорителя» (Loudspeaker Response) для индивидуальной настройки.

Кроме того, для более точного моделирования лампового звучания требуется подбор элементов схемы под конкретную акустическую систему. Об этом чуть позже.

На переднюю панель прибора также вынесен второй регулятор «Уровень ограничения» (Clipping Level).

Лампизатор подключается между выходом предварительного усилителя и входом твёрдотельного усилителя мощности и имеет следующие функции:

  • обеспечивает преобладание в сигнале четных гармоник (второй, четвёртой и шестой), как у качественных пентодных усилителей,
  • имитирует частотную характеристику акустической системы при работе от лампового усилителя (источника с высоким выходным сопротивлением),
  • позволяет регулировать уровень ограничения сигнала (порог перегрузки),
  • обеспечивает плавное ограничение сигнала при перегрузке (как у ламповых усилителей),
  • индикацию перегрузки и симметричность клиппирования сигнала,
  • возможность моделировать различные варианты частотной характеристики.

имитатор лампового звучания

Увеличение по клику

Как показано на фотографии, устройство размещается в компактном корпусе и может питаться от сети переменного тока через внешний разъём. Кроме того, предусмотрена возможность организации питания от используемого оборудования (усилителя мощности). Разъем для подключения внешнего блока питания расположен на задней стенке лампизатора, как и 3,5-мм джеки входных и выходных разъёмов.

Схема.

Принципиальная схема лампизатора «Нирвана» представлена на рисунке:

имитатор лампового звучания

увеличение по клику

Оба канала абсолютно идентичны, вся схема построена на шести операционных усилителях (всего используется четыре микросхемы) и двух JFET-транзисторах.

Описание работы схемы приводится для левого канала. Входной сигнал подается через разъём CON3 и ослабляется в два раза, чтобы сигналы уровня линейного выхода не вызывали перегрузку каскада на полевом транзисторе, когда усиление ОУ IC1A установлено на минимум. Усиления IC1A может регулироваться  от 1,2 до 13 с помощью потенциометра VR1A, который определяет уровень ограничения сигнала каскадом  Q1. Когда VR1A установлен на минимальное усиление, ограничение сигнала происходит при уровне входного сигнал  1.66V RMS. Когда VR1A установлен на максимальное усиление, ограничение происходит при уровне входного сигнала 109mV RMS.

После IC1A следует каскад на полевом JFET-транзисторе Q1. Он включен по схеме истокового повторителя. Он имеет гармонические искажения очень похожие по спектру на искажения пентодного усилителя (преимущественно четные гармоники) и обеспечивает плавное ограничение сигнала при перегрузках.

Сигналы с выходов каскадов на IC1A и Q1 поступают на операционный усилитель IC2A, на котором выполнена схема индикации перегрузки. Причём, индикатор показывает ограничение и положительной и отрицательной полуволн сигнала, т.е. по нему можно определить симметричность клиппирования, которая подстраивается триммером VR4. Точность показаний индикатора регулируется триммером VR2.

Имитация частотной характеристики громкоговорителя.

Выходной сигнал каскада на Q1 поступает в секцию симулятора частотной характеристики акустической системы, которая выполнена на ОУ IC3b, IC3a, IC4b и IC4a (в правом канале: IC3c, IC3d, IC4c и IC4d).
IC3b является основным ОУ, в цепь обратной связи которого включены ОУ IC3a, IC4a и IC4b, каждый из которых является гиратором, т.е. частотно-зависимой цепью, как в многополосных эквалайзерах. Разница лишь в том, что у нас нет ползунков для изменения отдельных усиления на отдельных частотах.

Максимальное усиление на высоких частотах определяется элементами R1L и C1L, и общий коэффициент усиления устанавливается потенциометром VR6a, который вынесен на переднюю панель прибора («Реакция громкоговорителя»).

На элементе IC3a выполнен гиратор, который определяет первую (самую низкую) частоту резонанса в низкочастотной области. Обычно это частота резонанса фазоинвертора.

Гиратор на IC4b реализует второй подъём АЧХ в низкочастотной области. Это обычно соответствует собственной резонансной частоте НЧ-динамика. При использовании акустической системы типа «закрытый корпус» каскад на IC3a следует отключить. (У таких систем нет фазоинвертора и, соответственно, отсутствует первый горб на АЧХ)

Наконец, каскад на IC4a обеспечивает подъём АЧХ в среднечастотном диапазоне, что наблюдается у некоторых типов акустических систем.

Таким образом, каждое из трёх звеньев повышает определенный частотный диапазон относительно некоторой центральной частоты. Выбрав значения конденсаторов и резисторов, мы можем установить необходимую частоту подъёма и форму «горбов». Эта схема имитации АЧХ акустической системы была разработана на основе моделей, полученных с помощью программы LTspice (www.linear.com/designtools/software). Вы можете смоделировать характеристик своей АС или воспользоваться готовыми значениями элементов из таблицы во второй части статьи. В таблице приведены наиболее часто встречающиеся на практике зависимости импеданса громкоговорителей от частоты.

Блок питания.

Питание схемы может осуществляться  от внешнего блока питания с переменным напряжением 9-12V с выходным током 50 мА или более. Кроме того, конструкция позволяет подключить положительные и отрицательные шины питания постоянного тока от используемого оборудования (предварительного усилителя или усилителя мощности). В последнем случае питание подается через разъём CON2.
Резисторы R5, R6, R7 и R8 необходимо установить, если  внешний источник имеет напряжение более 15V . Они обеспечивают падение напряжения до 15В на стабилитронах ZD1 и ZD2. В таблице приведены значения резисторов, необходимые для различных напряжений питания:

Напряжение питания R5  R6 R7  R8
 ±45 В  2,7 кОм, 1 Вт  2,7 кОм, 1 Вт  2,7 кОм, 1 Вт  2,7 кОм, 1 Вт
 ±40 В  2,2 кОм, 1 Вт   2,2 кОм, 1 Вт   2,2 кОм, 1 Вт   2,2 кОм, 1 Вт
 ±35 В   1,5 кОм, 1 Вт   1,5 кОм, 1 Вт   1,5 кОм, 1 Вт   1,5 кОм, 1 Вт
 ±30 В   620 Ом, 1 Вт  не устанавливать  620 Ом, 1 Вт   не устанавливать
 ±25 В  390 Ом, 1 Вт   не устанавливать   390 Ом, 1 Вт   не устанавливать
 ±15 В  10 Ом, 0,5 Вт   не устанавливать   10 Ом, 0,5 Вт   не устанавливать
 ±12 В   10 Ом, 0,5 Вт   не устанавливать   10 Ом, 0,5 Вт   не устанавливать

Продолжение следует...

Статья подготовлена по материалам журнала «EPE».

Вольный перевод — Главный редактор «РадиоГазеты».

Понравилась статья? Расскажи друзьям:

0

Похожие статьи:


Следите за новостями портала:


Новое в "РадиоГазете"

Добавить комментарий

Спамеры, не тратьте своё время - все комментарии модерируются!!!
All comments are moderated!


Поиск по сайту:

Рубрики:

Самое читаемое:

Последние комментарии:

Главный редактор
к посту: Гибридный усилитель мощности MuGen
"При напряжениях 500-600мВ ток покоя сост.."

Олег
к посту: Гибридный усилитель мощности MuGen
"Здравствуйте! Собрал данный усилитель. П.."

vlavr
к посту: Если нет кенотрона. Вариант второй
"Купил на aliexpress маленькую платку зад.."

Green
к посту: Всё об усилителе JLH. Часть I — рождение легенды
"Цитата: Таким образом глубина общей ООС.."

Oleg
к посту: Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. Особенности применения
"Доброго здоровья, уважаемый редактор! Тр.."

Александр Компромистер
к посту: Усилитель для наушников на TDA2003 в классе А
"В "Усилителе для наушников на TDA2003 в.."

Главный редактор
к посту: Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337. Особенности применения
"Олег, не очень! Так можно схему спалить..."

Вход:

Подписаться на новые выпуски РадиоГазеты:


Новое в "РадиоГазете"
Подписаться письмом


Контакты:

Если Вы хотите:
  1. Предложить свои материалы для публикации,
  2. Сообщить о неработающей ссылке,
  3. Поделиться своими впечатлениями или замечаниями по сайту,
пожалуйста, воспользуйтесь для этого
формой для контактов
.

Тираж: