Wzmacniacz słuchawkowy DC-Zero

[Hal_Breg]

Opisany poniżej wzmacniacz, to konstrukcja którą można nazwać "mikroskopem" dźwiękowym. Oczywiście nie każdemu spodoba się ten typ wejścia w tor sygnałowy -- przejrzysty, krystalicznie czysty i silnie analityczny ... (tu można dalej kontynuować "poetycki opis )

 

Punktem wyjścia i założeniem było zaaplikowanie wzmaka na TPA w jak najprostszej, "nieskażonej" postaci.

Okazuje się, że jest z tym pewien problem. Sprzężenie prądowe TPA i wysoki prąd polaryzujący rzędu 6uA, skutecznie utrudnia taką aplikację. Dołożenie buforującego stopnia wstępnego, czy to na OPAMP-ie, czy np. bufora na FET-ach, to tylko półśrodki, burzące nasze purystyczne założenia.

Istotne staje się spostrzeżenie, że impedancja wejściowa TPA6120A2 jest stosunkowo duża (ok. 300 kOhm) i jest całkowicie wystarczająca w prostej, klasycznej aplikacji wzmacniacza słuchawkowego.

Do rozwiązania pozostaje problem dużego napięcia niezrównoważenia, powstającego po zapięciu wejścia TPA, stosunkowo dużą rezystancją (rzędu 10..50 kOhm). Oczywistym, nasuwającym się rozwiązaniem jest zastosowanie klasycznego układu DC-servo (schemat poniżej), pracującego w obrębie wejścia nieodwracającego TPA6120A2. Pozwala to uniknąć przepływu prądu polaryzującego przez wejściowy potencjometr P1.

Ważnym ograniczeniem jest wartość P1, która nie powinna przekraczać 50k, bowiem dla większych rezystancji TPA zaczyna już, niestety, wyraźnie szumieć.

Napięcie stałe w tym układzie, na wyjściach (2), (19) TPA, nie przekracza 150uV. Układ jest w stanie skompensować stałe napięcie na wejściu rzędu +/-0.4V przy zasilaniu OPA2277 rzędu +/-12V.

Na zdjęciu poniżej wzmak "DC-Zero" współpracujący z PCM2702, czyli prosty, mobilny USB-DAC, tu zasilany również z portu USB .

 

Pozdrawiam

Hal

 

 

Edytowane 3 Maja 2011 przez Hal_Breg

[majkel]

Mam pytanie - czy nie ma szmerów na potencjometrze w tym układzie? Kilka lat temu popełniłem identyczny eksperyment, tyle że na innym układzie i też z 6uA prądami wejściowymi. Efektem było "szuranie", ponieważ prąd biasu rozpływa się miedzy DC serwo a potencjometr, który go sprowadza do gleby. Podział prądu zgodnie z PPK zależy od położenia suwaka, więc kręcąc głośnością offset pływa, a DC serwo musi go dogonić. Będąc z założenia powolnym nie czyni tego w "czasie rzeczywistym" i resztki DC na ślizgaczu potencjometru powodują szmer. Póki potek nowy, to może być mało słychać, ale potem będzie coraz gorzej.

Rozwiązanie nr 1: zamiast R3 dajemy pojemność sprzęgającą, wtedy cała troska o zrównoważenia prądu biasu spada na DC serwo, które ustali się raz na właściwym poziomie, a potem już tylko będzie gonić dryft temperaturowy TPA6120A2.

 

Rozwiązanie nr 2: wywalamy całe DC serwo, R3 dajemy = R2||R4, a ślizgacz potencjometru łączymy rezystorem o dużej rezystancji do + zasilania. Trzeba go dobrać eksperymentalnie, najlepiej stosując potencjometr nastawny w szereg z rezystorem, ustawiamy głośność na godzinę 15-tą, i kręcimy podkówką do otrzymania około 0 DC na wyjściu słuchawkowym. Regulacji należy dokonać z docelowym napięciem zasilania. I to jest dopiero purystyczne podejście, bo w takim układzie, o czym się przekonałem, op-amp użyty w DC-serwo też wpływa na brzmienie. Głównie z tego tytułu, że jego impedancja wyjściowa jest tego samego rzędu co wejściowa TPA6120 i "połyka" część sygnału użytecznego stopniem wyjściowym swojego op-ampa, w proporcji wynikającej po raz kolejny z PPK. Tutaj wyjdzie 1:3, co jest powyżej 1dB, czyli powinno być słychać.

[Hal_Breg]

@majkel: "Mam pytanie - czy nie ma szmerów na potencjometrze w tym układzie? (...)"

 

Jak zapewne pamiętasz majkelu, to rozwiązanie umieściłem jakiś czas temu na innym forum. Przez ten czas dosyć intensywnie korzystałem z tego wzmaka/(USB-DACa) i utwierdziłem się w przekonaniu, że to dobre i jednocześnie proste rozwiązanie.

Szmerów w dwóch testowanych rodzajach ALPSów do dzisiaj nie uświadczyłem. Twoje rozumowanie jest prawidłowe, lecz w praktyce nawet przy szybkim kręceniu gałką żadnych trzasków nie zauważyłem. Przy gorszej jakości lub zużytym P1, takie trzaski raczej będą słyszalne, ale tak będzie również w większości standardowych konstrukcji o sprzężeniu pojemnościowym. Trzeba mieć świadomość, że w stanie ustalonym, DC na ślizgaczu potka ma nie więcej niż kilkanaście mV. Teoretycznie przy szybkim kręceniu P1 może wystąpić w słuchawkach "dmuchanie" w zakresie infradźwięków, ale w praktyce ... nie wydmuchało mi jeszcze bębenków . Typowo przy potku ... z napędem i stałej czasu DC-servo = 0.1s, doświadczamy uroków niewielkiego burżuazyjnego luksusu, ale jednak w pewnym dystansie do szmerów cichego potrząsania biżuterią .

Największą wadą tego rozwiązania jest silny wzrost szumów TPA dla impedancji zapiętej na wejściu > 20kOm !!!. Oczywiście chodzi mi o impedancję widzianą od strony (+) wejścia TPA, a nie o impedancję źródła podłączonego do wejścia wzmaka.

 

@majkel: "Rozwiązanie nr 2: wywalamy całe DC serwo, R3 dajemy = R2||R4, a ślizgacz potencjometru łączymy rezystorem o dużej rezystancji do minusa! zasilania.(...)"

 

Niestety, zapatruję się na ten krok sceptycznie -- pozbywamy się bowiem automatyki, a w zamian za "mikrotestowanie" kondków C2, C1 oraz opampa U2 w zakresie infra, mikrotestujemy sobie ujemną gałąź zasilania, tak czy inaczej, lepiej lub gorzej odfiltrowaną. To są podobne poziomy zjawisk -- dla mnie poza praktyczną i interesującą percepcją.

 

Jedyna wada, która mnie gryzie, to niemożność stosowania ALPSów 100k z napędem jako P1 .

Edytowane 5 Maja 2011 przez Hal_Breg

[majkel]

Rozwiązanie 2 stosuję z powodzeniem od lat na innym układzie, ale tam na pewno prądy biasu wpływają do wejścia, a nie wypływają z niego, więc niewykluczone, że masz rację z tym minusem. Poza tym TPA to układ o sprzężeniu prądowym, a ten stosowany przeze mnie z napięciowym, i ma wyrównoważone laserowo prądy biasu wejść + i - właśnie po to, by można było skasować offset samymi impedancjami widzianymi przez te wejścia. Wątki na audiostereo śledzę bardzo nieregularnie, przynajmniej te w zakładce DIY. Pamiętam coś na kształt tego schematu, ale nie śledziłem.

[Hal_Breg]

Kolejna "wada" opisanej wyżej konstrukcji, to brak możliwości zabawy w wymiany OpAmpów na wejściu .

Poniżej zamieszczam antidotum, które jest namiastką leku na tę przypadłość:

 

[majkel]

Powiedzmy sobie szczerze, prawdziwe zero DC występuje tylko w sprzężeniu AC ze słuchawkami - przez transformator lub kondensator. Poza tym 470k R11 i R14 to przesada. OPA2277 jest bipolarny, prądy wejściowe będą produkować niepotrzebny szum i większy offset. Takie ogromniaste rezystancje to nawet przy wejściach JFET zbytek łaski.

[Hal_Breg]

majkelu, szczera prawda to nie słowa lecz liczby , a w układzie powyżej (zgrubnie i prosto licząc):

1. DC na wyjściu TPA będzie typowo ok. +/-250uV

2. najcięższy liczbowo szum ( 1/f, 0.1...1Hz ) z DC-serva wchodzący na wejście TPA, to ok. 150nVp-p; TPA6120A2 ma tu ok. 7uVp-p szumu na wejściu, czyli mamy ok. 33dB odstępu ... + ok.120dB dynamiki TPA i mamy szumy strukturalne (ale też i inne) DC-serva na poziomie -150dB (!) od sygnału

 

Pozdrawiam serdecznie trzymając datasheety i kalkulator w ręku.

 

PS.

Gdyby nasz mózg, miał wbudowany detektor synchroniczny i działał jak to hipotetycznie zakłada Roger Penrose, to czy mielibyśmy problem z podświadomym odbiorem takich sygnałów?

( wskazówka: patrz czułość odbiorników GPS )...

 

 

-------------------------

Wrócę jeszcze do tematu USB-DACa. Wielu z nas myśli o małym, zgrabnym pudełeczku, najchętniej zasilanym właśnie z USB i przeżywa zupełnie niepotrzebnie, gryzącą rozterkę -- "śmieciowe" zasilanie z PC i przy tym pragnienie "prawdziwej" czystości sygnału audio. Powtórzę: zupełnie niepotrzebnie -- poniżej przykładowe rozwiązanie:

 

 

Można je zaadaptować do starutkiego DACa na PCM2702, ale zaprojektowałem je z myślą o PCM1794A. Akumulator Li-Ion spełnia tu rolę alternatywnego, autonomicznego zasilania wzmaka na TPA6120A oraz zasilania całego DACa przy pracy przez SPDIF. Poza tym jest to również rodzaj bufora "odcinającego" od "śmieciowego" zasilania z USB. Można go oczywiście usunąć wraz z układem ładowania MAX1811. Przetwornica impulsowa MAX8614B ma układ miękkiego startu (Imax<500mA) i pracuje poprawnie z portem USB. Więcej szczegółów znajdziecie w datasheetach MAXIM-a.

 

---- Dodano później ----

MAX8614B pracuje na częstotliwości ok. 1MHz.

 

http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/MAX8614-MAX8614B.pdf

 

Ten podwójny, pracujący synchronicznie regulator bardzo dobrze wpisuje się w założenia dla naszej konstrukcji. Kostkę można prosto wyłączyć (ONBST,ONINV=0 => 1µA Shutdown Current).

Jak już wspominałem ma ona układ miękkiego startu i ograniczenie prądu w piku do max. 500mA. Dzięki temu można się pokusić o bezpośrednie jej podłączenie do USB, gdy nie zależy nam na dodatkowym, autonomicznym zasilaniu z Li-Ion. We współczesnym sprzęcie PC większość rozwiązań ochronnych na linii +5V_USB, to typowe ograniczenia sprzętowe. Najczęściej dyskryminowany jest prąd pobierany w okolicach 500mA. Jedyna wada MAX8614B to obudowa TDFN-EP/14, kłopotliwa w warunkach domowego montażu.

Przetwornica oczywiście produkuje "śmieci" na 1MHz i harmonicznych. Pętla regulacyjna produkuje też pewną ilość zakłóceń w paśmie ponad-akustycznym ok. 40..100kHz. Pozbywamy się tego przez skuteczną filtrację linii +/-8V oraz oczywiście, prawidłowy projekt PCB. W filtrach stosujemy indukcyjności SMD oraz ewentualnie wielowarstwowe, szerokopasmowe ferryty; kondensatory OS-CON oraz elektrolity z odpowiednich serii. Przykładowe efekty filtracji na rysunku poniżej:

 

 

Oczywiście układ jak powyżej mogą wykonać hobbyści z odpowiednim doświadczeniem. Lekko szare tło na schemacie, to w zamyśle uniwersalny mini-moduł przetwornicy, który warto by wykonać na malutkiej (ok15x25mm) np. zamówionej grupowo płyteczce.

Edytowane 6 Maja 2011 przez Hal_Breg

[majkel]

majkelu, szczera prawda to nie słowa lecz liczby , a w układzie powyżej (zgrubnie i prosto licząc):

1. DC na wyjściu TPA będzie typowo ok. +/-250uV

2. najcięższy liczbowo szum ( 1/f, 0.1...1Hz ) z DC-serva wchodzący na wejście TPA, to ok. 150nVp-p; TPA6120A2 ma tu ok. 7uVp-p szumu na wejściu, czyli mamy ok. 33dB odstępu ... + ok.120dB dynamiki TPA i mamy szumy strukturalne (ale też i inne) DC-serva na poziomie -150dB (!) od sygnału

 

Pozdrawiam serdecznie trzymając datasheety i kalkulator w ręku.

Tak Ci wyszło licząc szum od przepływu prądów przez rezystory? Nic nie twierdzę, pytam tylko, bo mi się nie chce sprawdzać. Fakt, że obciążyłeś DC-serwo filtrem dolnoprzepustowym, który i tak to połknie, ale tego kondensatora, to nawet lepiej, żeby nie było. Mało który op-amp lubi obciążenia pojemnościowe. typowe, które je łykają to TLE2142 i AD825.

[Hal_Breg]

@majkel "(...) bo mi się nie chce sprawdzać. Fakt, że obciążyłeś DC-serwo filtrem dolnoprzepustowym, który i tak to połknie, ale tego kondensatora, to nawet lepiej, żeby nie było. Mało który op-amp lubi obciążenia pojemnościowe. typowe, które je łykają to TLE2142 i AD825."

 

Jeśli nie chce Ci się rachować, a jesteś zwolennikiem metody Św. Tomasza, to wystarczy odpiąć na ułamek sekundy R13 od wyjścia U2A i posłuchać. P1 najlepiej ustawić na środku ścieżki, a ponieważ raczej szumów nie usłyszysz, to warto R7 zwiększyć sobie przed eksperymentem do np. 5k1.

 

Kondek 10uF podłączony przez 100k do wyjścia OpAmpa, nie jest dla niego obciążeniem pojemnościowym.

[majkel]

Kondek 10uF podłączony przez 100k do wyjścia OpAmpa, nie jest dla niego obciążeniem pojemnościowym.

Jest, tyle że nie czysto pojemnościowym. Przemyślałem sprawę i wychodzi mi, że szumy na wejściu DC-serwo można olać, bo i tak najwięcej ich przyjdzie z przepływu prądu biasu przez R9, a R9 i C6 to bym wywalił. Po co kolejna stała czasowa?

[Hal_Breg]

@majkel: "Jest, tyle że nie czysto pojemnościowym. "

 

To jest po "szczerej prawdzie" żadne obciążenie. Ale warto wiedzieć, że istnieją OpAmpy o poborze prądu <1uA, ale nawet dla nich to żadne obciążenie.

 

@majkel: "Przemyślałem sprawę i wychodzi mi, że szumy na wejściu DC-serwo można olać, bo i tak najwięcej ich przyjdzie z przepływu prądu biasu przez R9, a R9 i C6 to bym wywalił. Po co kolejna stała czasowa?"

 

O poziomie szumów TPA w głównej mierze decyduje wartość P1 i R4 (położenie 2. przełącznika i bufor na FETach pomijam), czyli 'powiedzmy' ok. 5..10k (P1) + 0.51k ~= 5...10k. Równoległe dołączenie 100k (R9) niewiele tu zmienia.

A filtr R13, C6 (a z Thevenina też R9) to stała czasu 0.5s. Tnie on szumy i wszystkie śmieci (czyli resztki sg. użytecznego) z wyjścia U2A. R11, C5 to też 0.5s. Mamy więc regulator całkujący/uśredniający drugiego stopnia/rzędu. Reaguje on ostrzej, jednocześnie tłumiąc/uśredniając znacznie mocniej sygnał użyteczny z wyjścia TPA (szumy też ). Takie wielostopniowe DC-servo jest oczywiście lepsze niż np. jednostopniowe. A servo np. trzystopniowe nie jest bynajmniej grzechem ...

Edytowane 6 Maja 2011 przez Hal_Breg