Усилитель MadFeedback-1 (MF-1) на TDA7293, TDA7294 с гибридной ООС

↑ Введение

Усилитель MF1 — давно обещанный результат моей разработки в области токового управления — инвертирующий полу-ИТУН с F-образной гибридной ООС. Включает в себя как ОС по напряжению, так и по току. Ураганное, чистое и динамичное звучание. Основа — популярная микросхема TDA7294 или любая из семейства, однако схемотехника может использоваться и с любой другой.

— Ураганное, динамичное и собранное звучание
— Полный контроль работы динамика
— Уникальная схемотехника, сочетающая в себе лучшие веяния в достижении живого звучания
— Схемотехническая надежность даже в самых экстремальных режимах
— Доступность к повторению. Основа — популярная ИМС TDA729x
— Уникальная топология печатной платы, позволяющая собрать не менее 4 разных вариантов усилителей, не меняя разводки.
— Учтены все требования даже самых придирчивых критиков-аудиофилов.

↑ Идея? Целая идеология!

Хочу начать с того, что сама идея данного усилителя пришла ко мне далеко не спонтанно. Скорее она стала результатом анализа наиболее интересных в плане звучания схемотехнических решений, существующих на сей день. Сразу оговорюсь, по результатам сборки множества схем, я для себя вывел собственную философию в конструкциях звукоусиления.

Во-первых, я не гонюсь за линейностью. Иногда даже нарочно ее избегаю. Во-вторых, мне не нравится идеально точный, стерильный, выхолощенный звук. Намного интереснее создавать усилители с характером, звучание которых приятно и узнаваемо с первых нот. Четные гармоники? Пусть! Неидеально ровная АЧХ? Плевать. Главное — чтобы нравилось.

Увы, такой подход приходится где-то урезать, если хочешь быть услышанным широкой общественностью. Схемотехника усилителя, предлагаемого в данной статье, призвана примирить множество разнообразных групп убежденных сторонников того или иного подхода.

↑ Итак, рассмотрим постулаты современного виденья схемотехники бюджетных несложных УМЗЧ.

1. Усилитель реализован по принципу мощного ОУ с ОООС, будь то дискрет или микросхема. В данном случае для наиболее широкого круга радиолюбителей будет доступна именно мощная микросхема распространенной линейки.


2. Инвертирующее включение, несомненно, более линейно, устойчиво и просто лучше звучит.


3. Для повышения входного сопротивления в инвертирующем включении рационально применять Т-образную ООС.


4. ИТУН реализуется на МС просто, а звучит, несомненно, намного лучше классических схем с ООС по напряжению. Однако основная сложность — работа на многополосные системы с разделительными фильтрами и усугубление ситуации неравномерности АЧХ динамика на резонансной частоте. Также нельзя не отметить подъем усиления на ВЧ, что сразу отпугивает многих энтузиастов.


5. Земля на плате должна быть разведена, несомненно, звездой, а все электролиты зашунтированы пленкой или керамикой.

И, что самое интересное, при всем при этом схема должна быть проста для сборки широким кругом радиолюбителей. Честно говоря, меня поначалу пугала перспектива объединить все требование воедино, не наворочив при этом сложных повторителей, компенсаторов и критических цепей.

Но чем дольше размышлял, тем реальнее казалась эта идея. Оформилась она в следующую мыслеформу — новый УМ должен сочетать в себе как ООС по току, так и по напряжению. Чистая ООС по току недопустима, т. к. резко сужает выбор используемых АС, но и отказываться от нее не стоит. Коэффициент усиления должен быть не прямо пропорционален сопротивлению нагрузки, а, скажем, пропорционален корню из импеданса. При этом схема должна быть, несомненно, инвертирующей, с достаточно высоким (насколько это реально) входным сопротивлением. Не стоит забывать и об источнике сигнала. К нему не должно предъявляться каких-либо особых требований.

↑ Схема усилителя должна быть проста и универсальна

Для построения усилителя мощности была выбрана популярная, но мною лично не любимая микросхема TDA7294 производства SGS-Thomson. Поводом к такому отношению стали частые отказы и обилие поддельных микросхем. Однако потом выяснилось, что в смерти ИМС повинны мои собственные кривые руки, которые обеспечили явно завышенное питание и не заземлили радиатор. Это обязательное условие стабильной работы микросхемы. Она боится статики —  ее надо изолировать от радиатора, а радиатор обязательно заземлить на среднюю точку питания.

Достаточно долгие построения и моделирования в Multisim 2001 позволили создать цепь обратной связи, воплощающую все эти, казалось, несовместимые требования.

Итак, перед вами схема «бешенной» обратной связи, MadFeedback1 (MF1) .

↑ Схема усилителя MadFeedback1 (MF1)

Рассмотрим схему действия поподробнее. Сигнал со входа IN поступает через проходной конденсатор C1 на низкоомное плечо обратной связи R1 R3, которое вместе с конденсатором C2 образует ФНЧ, препятствующий проникновению наводок и ВЧ шумов в звуковой тракт. Вместе с резистором R4, входная цепь создает первый сегмент ООС, Ку которого равен 2.34. Далее, если бы не токовый датчик R7, коэффициент усиления второй цепи задавался бы отношением R5/R6 и равнялся бы 45.5. Итоговый Ку был бы около 100. Однако, токовый датчик в схеме все-таки есть, и его сигнал суммируясь с падением напряжения на R6, создает частичную ООС по току. Выражение полного коэффициента довольно сложно, поэтому для удобства радиолюбителя пришлось аппроксимировать реальную зависимость достаточно простой функцией.

где kп — коэффициент приведения, зависящий от номиналов элементов цепи ООС

Ниже представлен график реального и расчетного (по вышеприведенной формуле) коэффициента усиления. При наших номиналах схемы kп=15.5, что дает результат удовлетворительной точности при сопротивлениях нагрузки выше 1 Ома.

Совершенно очевидно, что ни один здравомыслящий человек акустику с таким низким сопротивлением подключать к микросхемному усилителю не будет, однако вглядитесь, при коротком замыкании Ку практически уходит в ноль, а ведь последовательно динамику стоит еще и R7, который также ограничивает ток.

Характеристики усилителя при работе на нагрузку 4 Ома (ИМС TDA7294):
— Рабочий диапазон частот, Гц 20—20 000
— Напряжение питания @4 Ом, В ±30
— Напряжение питания @8 Ом, В ±40
— Номинальное входное напряжение, В 0.6 действ.
— Номинальная выходная мощность, Вт 73 действ.
— Входное сопротивление, кОм 9.4
— THD при 70Вт, не более, % 0.3*
— THD при 60Вт, не более, % 0.01*
*характеристики производителя

Однако следует заметить, что в данном случае напряжение питания рассчитанное, скажем, для 8 Ом нагрузки не придется снижать для работы на более низкоомную, т. к. выходной ток уже ограничен схемотехнически. К слову сказать, у одного из радиолюбителей поддельная микросхема, встроенная токовая защита которой не сработала, 2 минуты работала на полную мощность на короткое замыкание. Т. е. случайный бросок тока, который привел бы к гибели усилителя, фактически исключен.

Рассмотрим графики выходной мощности и выходного тока от сопротивления нагрузки для входного сигнала 0.6В.

Как видно из графика, клиппинг по мощности практически не возможен при увеличении нагрузки, чем страдают классические схемы, реализующие принцип Источника Тока, Управляемого Напряжением (ИТУН). Если там эквивалентное выходное сопротивление практически бесконечно, то в случае MF1 оно вполне реально ограниченно примерно на 10 Омах.

Что же мы получили в итоге? Мы получили неприхотливый усилитель со звучанием, характерным для ИТУН-а, без паразитных призвуков, мощное и динамичное, однако усилитель остался устойчив, легче переносит комплексную нагрузку фильтров АС и, кроме того, задранный Ку ИТУН-а на резонансной частоте ГД в предлагаемой схеме проявляется в гораздо меньшей степени.

↑ Перейдем к решению технологических вопросов

Многих смущает питание и надежность цепей mute и stby. Согласитесь, держать на одном тумблере два полюса питания просто опасно, особенно если тумблер более чем бюджетный. Не одна микросхема вышла из строя из-за таких фокусов. Об обеспечении надежности этого узла я также позаботился, разведя прямо на печатной плате параметрический стабилизатор на 12В, представленный на рисунке.

↑ Стабилизатор

От него питаются сервисные цепи микросхемы. В качестве выводов установлен трехштырьковый джампер. Это позволило решить сразу несколько задач:

— Если управление микросхемой не нужно, он просто фиксируется в положении Play!, усилитель постоянно находится в разблокированном состоянии и готов к работе ежесекундно.

— Если в многоканальном усилителе длительно не используются, скажем, тыловые каналы, можно перекинуть джампер в положение Mute, при этом заблокируются входные и выходные каскады микросхемы и ее потребление снизится до микроскопических дежурных токов.

— К джамперу можно подключить внешний ON-ON тумблер, такой, например, как доступный MTS102.

На схеме также представлен пример индикатора включения микросхемы, собранный на элементах R14 LED1. R14 выступает источником тока примерно в 5мА для светодиода LED1, который зажигается в положении Play! и погасает в режиме Mute. Кроме того, даже при неисправности тумблера и замыкании его контактов +Uп-Земля, ничего страшного не произойдет, поскольку ток ограничен резистором R11 на безопасном уровне.
Емкости C11 C12 увеличены вдвое по сравнению со штатными для обеспечения большей задержки при включении и предотвращении щелчка в АС даже при длительном заряде силового блока питания.

↑ Детали усилителя

↑ Резисторы

Все резисторы, кроме R7 и R8, угольные или металлопленочные на 0.125—0.25Вт, типа С1—4,С2—23 или МЛТ-0.25. Резистор R7 — проволочный резистор на 5Вт. Рекомендуются белые SQP-резисторы в керамическом корпусе. R8 — резистор цепи Цобеля, угольный, проволочный или металлопленочный на 2Вт.

↑ Конденсаторы

C1 — пленочный, максимально доступного качества, лавсановый или полипропиленовый (MKT или MKP) на минимальное напряжение (обычно 50В). При отсутствии доступа к дорогим породистым комплектующим удовлетворительный результат даст и К73—17 на 63В. C2 — керамический дисковый или любого другого типа, например К10—17Б. С3 — электролит максимально доступного качества на напряжение не менее 35В, автором обычно устанавливались Matsushita NHG или OS-CON (органический полупроводник) от Sanyo. C4 C7 C8 C9 пленочные типа К73—17 на 63В. C5 C6 — электролитические, желательно импортные качественные, на напряжение не менее 50В. Хорошо себя показали емкости SamWha, правопреемник линейки конденсаторов Samsung. C11 C12 — любые электролитические на напряжение не менее 25В.

↑ Диоды

D1 — любой стабилитрон на 12..15В мощностью не менее 0.5Вт. LED1 — любой современный светодиод, но обязательно красивый и любимого цвета!

↑ Микросхема усилителя

Любая из линейки TDA729x (7296..7293). В случае использования TDA7293 необходимо откусить или отогнуть и не впаивать 5 ножку. Вообще, на всякий случай, это ко всем микросхемам линейки относится.

↑ ВНИМАНИЕ, особенность конструкции MF1!

Обе выходные клеммы усилителя «горячие», ни одна из них не заземлена, т. к. акустическая система также является звеном обратной связи.

АС включается между [OUT+] и [OUT-].

↑ Печатная плата усилителя

Это предмет моей особой гордости. Ниже представлена компоновка платы со стороны элементов и рисунок со стороны проводников:

Размер платы — 65х55 мм.

↑ Вид собранной конструкции

Фотография собранного модуля без C5 и C6.
Датчик тока R7 — какой был, просто чтобы смоделировать в железе.

Кстати, джампер на плате стоит в положении Play!

↑ Четыре усилителя на одной плате!

Печатная плата представляет особый интерес также своей уникальной универсальностью. На ней можно, не меняя разводки, собрать аж 4 варианта усилителей с различной схемотехникой!

↑ 1. Инвертирующий с T-образной обратной связью

↑ 2. Инвертирующий с классической обратной связью

↑ 3. Неинвертирующий с классической обратной связью

↑ 4. MadFeedback1, ради которого все и задумывалось!

Примечание: Кроме того, MF1 и вариант с Т-образной ООС совместимы с входным ламповым буфером усилителя Corsair.

↑ Звучание усилителя MF1

О звучании отдельно было написано во вступительном слове статьи, однако следует поделиться и более конкретными ощущениями от прослушивания. Первое слово, которое приходит на ум при прослушивании — ураганное звучание. Это, пожалуй, наиболее точное слово. Усилитель без проблем переваривает сложнейший в плане динамики материал. Играет стремительно и неудержимо, но при этом достаточно деликатно.

Сразу всплывает вопрос — а вообще куда делось замыленное электронное звучание TDA7294?
Отдача баса просто изумительна. Он, правда, не столь глубок и раскатист, как, скажем у Quad 405 или ламповиков, зато проработка и атака просто поразительны — как выстрел, ни малейшей задержки, ни малейшего намека на затягивание фронта.

Вокал наконец прослушивается открыто и приятно, заполняя звуком все пространство. Вообще вокал и высокие частоты — конек токового управления. Переданы все нюансы и полутона, не упущена ни одна деталь, отклик АС скомпенсирован, поэтому также исчезает весь сопутствующий шум и грязь, и музыка передается в кристальном, первозданном виде.

↑ Пройдемся по моим любимым тестовым композициям:

Alegria (Toyota business car) — сочная металлическая электроника, вокал энергичный, нет характерной хрипотцы, которую, как правило, передают низкокачественные УМЗЧ. Вокал звучит завораживающе, вызывая характерные мурашки по спине.

Away From Me (Evanescence) — уже первые ноты говорят о качестве проработки сверхнизких частот, вступление накрывает волной, из которой вдруг материализуется пронзительно-наполненный вокал, каким ему и положено быть.

Yeah! (Usher) — сабвуфер на 75ГДН, на который нагружен усилитель для этого трэка, вдруг взрывается сочными реперскими ударами. Почему-то начинают звенеть стекла в книжной полке и что-то покрытое толстым слоем пыли на шкафу.

Eternal (Evanescence) — характерный тест на передачу нюансов средне-высокочастотного спектра. Четко слышен звук каждой отдельной капли дождя, капли, падающие на землю легко отличимы от тех, что падают на металлическую крышу. Только что цвет крыши непонятен.

Шествие Гномов (Григ) — отлично раскрывает динамический диапазон. В трэке как минимум 3 основных уровня громкости. Усилитель перескакивает с оного на другой с такой стремительностью, что не верится, что слушаешь одну и ту же композицию. Настолько вкрадчивое, на пределе слышимости вступление далеко от сочной шумовой атаки, следующей за ним.

↑ Файлы

До новых встреч!
Лишманов Николай aka Lincor

Listen In New Core Of Reality

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

Трансформатор R-core 30Ватт 2 x 6V 9V 12V 15V 18V 24V 30V

Паяльная станция 80W SUGON T26, жала и ручки JBC!

Отличная прочная сумочка для инструмента и мелочей

Хороший кабель Display Port для монитора, DP1.4

---

Конденсаторы WIMA MKP2 полипропилен

Трансформатор-тор 30 Ватт, 12V 15V 18V 24V 28V 30V 36V

SN-390 Держатель для удобной пайки печатных плат

Панельки для электронных ламп 8 пин, керамика

---