XY-AP50H 2x50W на чипе TPA3116D2 - SMART усилитель для PC, у которого отсутствуют собственные шумы, мощный, дешевый... должен был быть :D

Детального обзора этого усилителя (а позиционируется эта штука как BlueTooth усилитель с дополнительным функционалом) в рунете еще не было, и, честно говоря, если бы был — я бы его не купил :D НО! Как показала практика — это очень хороший конструктор, который можно огранить, сделав из китайского «гадкого утёнка» почти что белого лебедя. Будет очень много DIY ака допиллинга, немножко ардуинства, датащиты и другие элементы технопорно :D Предупреждаю, материал очень подробный, статья содержит очень много текста.

Дисклаймер:

Я не являюсь «профессиональным аудиофилом», в обзоре не будет сравнений АЧХ, так же я не буду перегружать обзор осциллограммами входа-выхода УНЧ. Осциллограммы я проверял, при достаточном источнике питания — всё чистенько, ничего не режет, искажения на слух, если и присутствуют, не слышны* (при условии модифицированного охлаждения и сопряжения каскадов, об этом ниже). Так же прошу заметить — это усилитель класса D за эквивалент стоимости «выпить пива даже без рыбки». Тем не менее играет он очень чисто и красиво* (как на мой вкус).

Что я хотел от компьютерного усилителя и как я это искал:

Хоть я и написал, что не являюсь «профессиональным аудиофилом», тем не менее требования к комповому звуку у меня довольно серьёзные (с точки зрения несовместимости их всех в 1 изделии) а именно:
1) цена до 20$
2) мощность выхода хотя бы 2*20Вт, при этом использовать его «громко» планируется «раз в год», в то время как основные режимы — до 2*2Вт на протяжении дня, и очень тихо, едва слышно, чтоб не мешать домашним поздним вечером, когда все уже спят.
3) самое критичное для меня требование для усилителя, от невыполнения которого у меня просто сносит башню и поджигает стул, — обязательное отсутствие шумов в паузе и в «ночном режиме». Нет, ну честно, когда активная колонка «ловит фрэймы» мобильника, или когда зудит в унисон скролла браузера или движения мышки, когда ночью ты слышишь шумов больше, чем музыки — это очень напрягает.
4) Да, конечно я хочу чтоб усилок и басы умел прокачать, и «вокальную середину чОтко показать»

Колонки я использую от муз.центра, 4-х Омники, довольно чувствительные и несмотря на кажущуюся простоту они очень хорошо звучат (смотрим сноску выше про ИМХО и #неаудиофил), но место им нашлось только прямо над монитором, на расстоянии менее метра от моих ушей. Поэтому п.3 требований для меня самый актуальный.



Начал я с мониторинга разных чипов современных УНЧ и набрёл на любопытную фирму TRIPATH с её усилителем TA2020-020, который по мнению многих аудиоизданий и критиков был прорывом в аудиотехнике 2000х, эта микросхема была внесена в список «25 микросхем, которые потрясли мир» по версии журнала IEEE Spectrum.
Ну что-ж, я не мог это игнорировать, и заказал на Али за примерно 12$ плату усилителя.



Попутно там же купил второй усилитель на «младшем чипе» TA2024 от той же фирмы стоимостью около 6$



(внимание, на Али очень много подделок на чипе от Yamaha которые выдают за TA2024, визуально они похожи, но отличаются вылетом корпуса относительно ножек чипа). Кстати, поскольку фирмы TRIPATH, к сожалению, уже давно не существует, её продукцию (конечно речь о оригиналах, а не новоделе/подделках) можно купить вероятно только б/у. Поэтому не расстраивайтесь, когда увидите, что УНЧ явно поюзан — это признак того, что вам действительно приехал оригинал.

Когда усилители приехали оказалось, что TA2020-020 — пробитый… оплакал, денег через спор на Али вернул. Зато TA2024 — порадовал, действительно хорошо звучит для усилителя с однополярным 12В питанием… да, черт возьми, он просто прекрасно звучит! Басы очень мощные и глубокие, искажения согласно датащиту — только на большой (для TA2024) мощности появляются. Но что бы я ни делал и куда бы не прятал усилитель (вначале просто в корпусе ПК в формате PCI карты, потом дополнительно изготовил экранированный бокс, затем вообще вынес его вне корпуса) — пункт 3 меня бесил. Разберем подробнее:
— фреймы скролла браузера и/или мышки — ловим когда усилитель находится внутри корпуса ПК. Как бы я не пытался его экранировать — все-равно помеха пролазит. Так же не играло роли питание — хоть внешний БП, хоть компьютерный. Хоть с фильтрами по питанию, хоть без.
— фреймы мобильника — когда усилитель находится на расстоянии до метра от мобильников.
— шумы аудиотракта как компьютерной аудиокарты, так и из-за среднего качества аудиоразъёмов и аудиокабеля. Причем имхо основной шум вносила именно аудиокарта.
— характерный шум работы усилителя класса Д, причем тут он почему то был очень явным (TA2024 — это якобы клас Т, который по сути является улучшенным классом Д, и именно тут я не ожидал ШИМ писка услышать. Вероятно причина в том, что производитель пожмотился на нормальные дроссели).

Все вышеперечисленные шумы (кроме мобилки, но это как раз решаемо проще всего) неслышны на фоне музыки, но как только музыка стихает (режим паузы или «офисной работы» — и фреймы, и шумы, и ШИМ писк — всё это сверлит мой мозг, а ночью я вообще выдернул питание усилителя спустя минут 20…
В итоге полез в интернет… думу думать да идеал искать…

Погуглив я дополнил основной список требований к будущему усилителю:
5) да, определенно это будет класс Д как самый энергоэфективный и лоукостовский.
6) мне обязательно нужна «умная пауза», т.е. чтобы усилитель умел включать режим mute в отсутствии входного сигнала.
7) желательно питание от 18...20В дабы не цеплять к 12В линии компьютерного БП и не покупать отдельный («лишний» 19В БП от ноутбука наверняка есть у каждого, по крайней мере я не испытываю в них недостатка :) )

Из представленного на Али изобилия я выбрал TPA3116D2 за её «продвинутость» и подробный датащит, в котором расписаны ну просто фантастические возможности для готовой платы усилителя стоимостью от 5$. Ну а проблемы с шумами и наводками решаемы только одним способом — предусилитель должен быть «цифровым», т.е. из «проводных» это оптика по SPDIF или, что дешевле и удобнее — USB; а из беспроводных соответственно блютуз (что для меня лично крайне нежелательный вариант).



Исходя из озвученных требований я подобрал пожалуй единственный вариант усилителя с широким диапазоном питания (до 24В), USB-аудиокартой, BT-модулем и обычным 3.5mm audio jack входом. Оставался один неизвестный для меня вопрос — пресловутый пункт 3 и «умный мьют», но ответов на этот вопрос конечно никто мне не дал… пришлось брать китайского кота в мешке :D

Пока товар ко мне добирался в отзывах появились неутешительные для меня строчки:
"Эта *** не работает! Приложение не находит смарт:(( Собственно, для этого и покупалось — удаленное управление и т.д. Разочарован."

а этот отзыв совсем «добил»

"Заказывал для постройки саундбара для ПК но не повезло, эта *** не подключается в режиме звуковой карты пока в отдельном приложении на смартфоне не переключить её в этот режим! А при включении плата автоматически включается в режиме блюпуп."

И да, всё именно так и оказалось:
усилитель прекрасно находится любым из моих смартфонов как устройство воспроизведения и к простому проигрыванию через ВТ вопросов у меня нету. Для тех, кто планирует сценарий использования как ВТ колонка — устройство работает «из коробки», в допиллинге не нуждается, можно смело брать
Но как только я попытался использовать его в своём сценарии — потерпел поражение. Для включения режима УСБ аудиокарты нужно в приложении от Sinilink законнектится с устройством, а этого не удалось сделать ни на одном из 5 (пяти!) доступных мне смартфонах. Кроме того железка, даже если и получилось бы законнектится, как я уже потом вычитал, не умеет сохранять «последний статус» и всегда по дефолту включается в ВТ режиме.

Казалось бы всё плохо и нету смысла больше тратить на неё время, но постойте! Пункт 3! шумы! их нет!.. Да, XY-AP50H имеет «умный мьют», у неё практически отсутствуют шумы в режиме «паузы» (это забегая вперед тестировал на входе 3.5mm jack) и она действительно достойно звучит (проверил пуская музыку со смартфона).

Перед тем, как тратить кучу времени на элементы обратного инженеринга и прочие хакинги я «прослушал» и «пощупал» его в режиме ВТ:
+ в отсутствии сигнала (режим паузы) с цифрового входа ВТ и, как оказалось позже, УСБ, УНЧ переводится в режим mute, практически моментально (задержка не более 0.5сек) полностью отключая колонки
+ в режиме линейного входа (audio jack) шумы есть, но они на порядок меньше, чем были у TA2024 и совершенно незаметны в метре от колонок (для меня это по-прежнему неприемлимо, но я и не собираюсь использовать 3.5mm jack)
+ отсутствует характерный Д классу ШИМ писк в колонках, что говорит о правильно подобранных элементах и грамотной разводке платы (опять же забегая вперед усилитель почти на 100% построен согласно датащиту на УНЧ). Кстати именно поэтому я выбрал этот лот, а не похожий, у которого стоят мелкие открытые дросселя на 150 мкГ.
± УСБ вход Type-C. Для меня минус, т.к. нету в хозяйстве 2х-метровых шнурков тайп С, но кому-то помехой не станет. Себе я просто перепаял на микроУСБ.
— бесящие дилиньканья в колонках при включении и смене режима (входа). Спасибо конечно, что не «китайская девушка пытающаяся в английский», но всё-равно неприятно, особенно с учетом того, что громкость по-дефолту устанавливается около 50% и это пилиньканье получается очень громким.
— плохая реализация теплоотвода от чипа, в следствии чего на громкости более 2*10Вт и/или на глубоких мощных басах отрабатывает защита по перегреву и чип уходит сначала в снижение по мощности а потом в дикие искажения. Причем TPA3116D2 не требует большого радиатора, ей хватает чуть-чуть, но очень важен хороший тепловой контакт с радиатором. Через предлагаемый в комплекте 2х-сторонний скотч хорошего теплового контакта достичь невозможно. Кстати, вероятно поэтому, в отзывах проскакивают жалобы на искажения — их не будет, если «допилить» охлаждение.
— немного мелких косяков которые тоже будем фиксить.

Ну что-ж, закончим затянувшееся, но я считаю необходимое, вступление и перейдём непосредственно к DIY

Делаем конфетку из какитайского конструктора

Усилитель собран на 2х микросхемах и логически разделен на 2 функциональных модуля — УНЧ на TPA3116D2 и «всё остальное» на чипе с «рандомной»внутренней маркировкой производителя — AS19AP24256-25A4.



Благодаря обзору на ВТ модуль на муське стало немного понятнее, и хоть это и не AC6925A (спасибо lexus---08) тем не менее «с одного огорода» и пинаут очень похож. Кстати очень рекомендую ознакомится с возможностями этой серии микросхем, они очень и очень круты, особенно для её цены. Дальнейший поиск вывел на ветку форума, где даже выложены SDK, методы прошивки и много других вкусностей. Скажу сразу — прошивать мы сегодня её не будем :D т.к. я очень не хотел накосячить и потерять то единственное, что мне действительно дорого в этой железке — мьют в паузе.

Первоочередной задачей стоит переключение в режим УСБ карты. Благодаря статьям выше я понял «вкуда» надо копать и путём системного анализа, длительных проб и ошибок и конечно везения я вычислил нужный пин «клавиатуры» и нужный номинал резистора, для эмуляции кнопки «mode», переключающую устройство в режим УСБ. Оказалось что в этом чипе назначен pin 17 отвечающий за «опрос клавиатуры» (в отличии от упомянутой AC6925, у которой за это отвечает pin 16). Припаиваем резистор 24кОм и любую кнопку — получаем переход в режим USB аудиокарты без приложений, смартфонов, СМС и регистраций © :D



Вторым шагом мне очень «захотелось замолчать» звуковые сигналы включения / переключения а так-же автоматизировать весь этот процесс, дабы не утруждать себя нажатием кнопки при каждом включении компа, ведь усилитель будет использоваться только в этом режиме. Конечно «правильным» было бы перепрограммировать саму AS19AP, но причины, по которым я не рискнул в это лезть, уже озвучены… поэтому мы пойдём другим путём — будем принудительно мьютить УНЧ на время переходных процессов, которые занимают около 4 секунд с момента подачи питания (всё-равно комп быстрее не загрузится, так что не критично).
Конечно можно было-бы «по дедовски» просчитать RC-цепочку в затворе мосфета или базе биполярника, чтобы он 4-5 секунд «держал» логическую единицу на входе mute TPA3116D2, + еще пара транзисторов (одновибратор) для эмуляции нажатия кнопки, но… транзисторы я напаялся в детстве, а вот с МК поиграть тогда не удалось — ардуино изобретут лет через 20 после моего «детства» ), да и банально это проще, дешевле, быстрее, опрятнее.
Для такой элементарной задачи я выбрал самое простейшее — Attiny-13, код так же элементарен, поэтому я не использовал ни ассемблер, ни оптимизацию «кода» (к тому же если кто-то захочет его адаптировать под свои задачи сможет это сделать даже с околонулевыми познаниями в Ардуино). Вся переделка заключается в прошивке «тиньки», пайке 4х её ножек и 1 резистора в удобном для нас месте. Ниже на фотках покажу как это сделал я.

Сначала опционально удаляю с платы «лишние» для меня детали, а именно:
— энкодер — мне не нужен, т.к. усилитель будет регулироваться штатными средствами ОС.
— разъём TypeC — я буду ставить микроУСБ,
— 3.5мм разъём AUX (линейный вход) — просто так, чтоб не мешался, при этом разъём выхода на наушники я оставляю, он будет использоваться.
— обязательно сдуваю линейный стабилизатор 78L05 т.к. усилитель всегда будет подключен к УСБ. 78L05 является основным источником потерь, и как следствие тепла на плате. ДА! он греет плату сильнее, чем УНЧ *facepalm* Переворачиваем диод в корпусе sot-23 как показано на фото. Я совершенно не понял этого пассажа, думаю что китаец просто «перепутал», ошибочно впаяв «обратный» диод в таком-же корпусе, потому что по идее это должна была быть защита УСБ порта компьютера в случае пробития ЛДО стабилизатора, но в обратном включении это наоборот вредительство. Желательно перерезать дорожку идущую на вход 78L05 просто для того, чтоб не было высокого напряжения в опасной близости нашего места работ и модификаций. После удаления линейного стабилизатора, который питает только микросхему AS19AP, нагрев всей платы в простое и/или небольшой нагрузки (2*2Вт) кардинально уменьшился, примерно в 4 раза.



Для прошивки Attiny я использовал Ардуино UNO прошитую как программатор ISP, но существуют и другие способы, кому как удобнее. В любом случае прошиваем «тиньку» этим скетчем:


Я шил её на частоту работы 1.2 МГц, чего и вам советую, т.к. это наиболее стабильный режим работы, а вычислительную мощность всё-равно мы не используем от слова совсем :)
Если нету тиньки — используйте то, что есть под руками…

Припаиваем тиньку в любое удобное место на плате. Я припаялся 4й ногой на удобный пятачок массы, а питание (бывший пятачок выхода 78L05) и пины 2 и 3 развел гибкими проводами.




если вы всё правильно сделали то в первые 3 секунды после включения усилитель перейдет в режим УСБ аудиокарты а еще через 2 секунды «отпустит» мьют. Кстати, разделив питание УНЧ и «предусилителя» мы внесли один неприятный момент — при подаче силового питания на УНЧ, если это происходит НЕ в момент описанный в предыдущем предложении, будет громкий хлопок в колонках. Для меня это не важно, т.к. «силовое» питание включает реле, которое питается от 12В АТХ БП компа + переходные процессы БП ноута, т.е. оно подаётся примерно на 0.5-1сек позже чем 5В и попадает в интервал mute, но кому это критично — решайте сами что важнее — нагрев платы от ЛДО стабилизатора или хлопок при включении.

Это все переделки «цифровой» части, на очереди пилим УНЧ.

Доработка усилительной части.

Как я уже писал в начале статьи — в целом и схема этого девайса практически на 100% повторяет датащит на TPA3116D2, но у китайцев всегда есть нюансы :D

Шаг 1. Выбор режима усиления

Для начала вам нужно определится с максимальной выходной мощностью, а если быть точнее — с максимальным усилением усилителя. датащит нам предлагает на выбор 4 пресета от 20 до 36db. По умолчанию китаец включил усилитель в режим 32db, но при этом он не согласовал вход и зажал соответствующие этому режиму входные конденсаторы.
Для себя я выбрал режим усиления 20db по 2м причинам. Во-первых из-за «громкости по дефолту» самого усилителя в 50% мне нужно было его каждый раз вручную уменьшать (т.к. на минимальной громкости windows всё-равно было громче, чем мне нужно), либо придумывать эмуляцию. Во-вторых чем больше усиление — тем больше шумов. Мне достаточно его максимальной громкости в режиме усиления 20db, так зачем самому себе увеличивать «белый шум»? ;)
Смотрим датащит и паяем нужные нам номиналы резисторов и конденсаторов.
входные кондёры китаец поставил по 1мкф. В принципе этого достаточно для 20db (хотя можно и поменять на рекомендованные 1.5мкФ) для других режимов надо ставить согласно таблице. Так же согласно таблицы меняем согласовательные резисторы по входу (китаец поставил 1кОм, а для 20db нужно их заменить на 60кОм) ну и меняем 2 резистора кодирующие режим усиления (для 20db удаляем резистор 100к, а резистор 39к заменяем на 5к6)



(красным обозначены импедансные (согласующие каскады) резисторы
желтым — входные конденсаторы
синим — R1
зеленым — R2)

Шаг 2. Доработка охлаждения

TPA3116D2 очень энергоэфективный УНЧ и его долговременный тепловой нагрев очень невелик, но импульсный нагрев «на басах» весьма критичен. Важно установить хороший тепловой контакт с дополнительным теплоёмким радиатором, который сможет быстро «забирать» импульсы тепла от металла. Он не обязан быть большим, важна именно скорость передачи и аккумулирования тепла. Ближайшим примером является термораспределительная крышка процессора. Ни на микросхеме, ни на плате нету точек крепления радиатора, а значит мы вынуждены использовать термоклей с плохой теплопроводностью, либо пайку, благо УНЧ имеет металлическую «спинку». Беру медную пластинку толщиной 1.5мм, сверлю и нарезаю в ней резьбу М2 с небольшим отступом от будущих краев микросхемы, зачищаю, лужу. Так же лужу «спинку» УНЧ. Мощным паяльником припаиваю пластину к чипу (можно использовать термофен, но есть риск повредить разъёмы и электролиты на плате), после чего, обклеив защитным скотчем, аккуратно зачищаю поверхность пластины. Позже, на своём постоянном месте, к этой пластине я прикручу П-образный «мостик тепла», передающий тепло на стенку металлического корпуса. Этого будет достаточно для работы усилителя на мощностях до 2*30Вт.



Ну вот и всё. После этих переделок я получил то что хотел (при этом просто так взять и купить без напиллинга такое устройство нельзя! или ценник будет конский или что-то будет не так, как и в данном экземпляре).
Выводы писать наверное не буду — вся статья это череда поставленных вопросов, решений и ответов, которые и являются выводами. Усилитель мне действительно понравился. Он хорошо звучит, имеет практически нулевые шумы, отличный тепловой пакет. Да, TPA3116D2 имеет бас чуть хуже, чем TA2024, но его мне хватает. К тому же всегда можно воспользоваться эквалайзером и добавить «чего не хватает» ;)



PS. Приношу извинения за возможные грамматические и/или стилистические ошибки, уже давно живу в другой языковой среде. Я приложил все возможные усилия для правки текста ^_^