Усилитель ELEGIANT BTZ-001. Дифференциальный усилитель для тестирования УМЗЧ с мостовым выходом.

Усилитель ELEGIANT BTZ-001: замер реальных характеристик.
Немного о гармониках или о чём молчит теория.

Волею судьбы достался и мне один такой усилитель.

Ну что сказать, выглядит красиво.
Как говорил коллега, усилитель «должен выглядеть понтово, а звучать кайфово». ©
Судя по отзывам в в недавнем обзоре, не все получатели сабжа были в восторге.

Вот и пришла моя очередь почистить уши послушать, как поёт «птица по имени сигнализация» (к\ф }{оттабыч ).
Ну на свой слух я не всегда полагаюсь. Поэтому прогреваем приборы…

1. Неудачный старт.
Постановка эксперимента.
В спектралабе активируется утилита «генератор» (синусоида 1 кГц по уровню -6 дБ).
Выход ЗК соединяется со входом при помощи кабеля со стереоджеками:

Движки микшера в системе настраиваются таким образом, чтобы спектралаб «видел» входной уровень сигнала около -6 дБ.
Это соответствует единичному коэффициенту передачи выход-вход ЗК.

Сначала проверка коэффициента гармоник Кг звуковой карты компа Ion (соединение выход-вход ЗК):

0,03 %

IMD звуковой карты (соединение выход-вход ЗК; частоты 15 и 16 кГц с соотношением 1:1 )


АЧХ звуковой карты смотреть бессмысленной: плоская, как стол.

Далее проверка усилителя. Выход наушников оказался как нельзя кстати; проводное подключение.
АЧХ розовым шумом (регуляторы НЧ-ВЧ на 12 часов):

Ничего интересного.

Кг усилителя (выход наушников; регулятор громкости на 13:30, чтобы коэффициент передачи вход-выход был около единицы):

0,02 %
Чудеса: Кг стал ниже, чем базовый Кг у звуковой карты.
Не иначе, волшебство из-за применения ламп.

IMD (регулировки уровней везде без изменений):

И тут чудеса.
Что-то не то со звуковой картой (ЗК).
Поэтому все замеры выше идут дружно в корзину. ((
Фото на память:


2. Проверка ЗК второго ПК. На этот раз без обломов.
Коэффициент гармоник Кг (соединение выход-вход ЗК):


IMD (соединение выход-вход ЗК):


АЧХ, естественно, плоская. Поэтому не тратил время на замеры.

3. Теперь снова усилитель (выход наушников).
Кг (регулировка уровня громкости также на 13:30):

Примерно 0,04 %, что больше похоже на правду. ))
Разброс каналов по усилению и Кг — вследствие различий параметров ламп.

IMD (регулировки уровней везде без изменений):

В пределах 0,03 %. Нормально.

4. Теперь можно помучить усилительную часть.
Условия замеров:
— Rнагр. = 4 Ом
— питание от аккумулятора 12 В
— источник сигнала — мп3 плеер с автономным питанием (проводное подключение)
Кг при 1 Вт на 4 Ом:


Кг при 4 Вт на 4 Ом:

0,09 % и 0,15 %
С пивом покатит. ©

5. Проверка максимальной выходной мощности.
Условия замеров:
— Rнагр. = 4 Ом
— питание от сетевого БП

Максимальное выходное напряжение (порог клиппинга):

30 Вт на канал

Максимальное выходное напряжение (клиппинг):

35 Вт на канал

Не густо, хотя амплитудное 16 В вполне предсказуемо при питании 19 В.
Можно говорить с уверенностью, что усилитель обеспечивает 2*25 Вт на 4 Ом.
Имхо, вполне достаточно для обычных квартир.

6. Скорость нарастания выходного напряжения (условия замеров см. п. 5).


Скорость нарастания посчитана следующим образом:
dV = 4*5 = 20 (В)
dt = 2*20 = 40 (мкс)
SR = 20/40 = 0,5 (В/мкс)

Насколько важен параметр SR для усилителя подробно рассказывается
в п. 3 обзора Тюнинг (доработка) усилителя Амфитон-У-002. Версия схемы «2021».

7. Немного о гармониках или о чём молчит теория.
Чтобы не копипастить много текста — Что такое гармоники (ссылка на статью).

Поисковики по запросу «что такое гармоники» вываливают множество похожих картинок и ссылок на статьи.
Вот например:

В чём подвох?

Смотрите внимательно: все гармоники показаны в одной фазе!
Как говорил М. Жванецкий «А почему собственно?» ©

В реальных усилительных каскадах на выходе могут 2-я, 3-я и т.д. гармоники
с произвольной фазой:


Например, на выходе каскада (кроме основного тона) 2-я гармоника может присутствовать, как показано на рисунке слева (назовём это «синфазно» ),
а 3-я гармоника — в противофазе.

Т.о. каждый каскад добавляет от себя гармоники со своей индивидуальной фазой.
Естественно, если посмотреть спектр сигнала анализатором, последний покажет лишь наличие гармоник, но не их фазу.

На картинке ниже показаны три графика:

График зелёным цветом — это сигнал без гармоник (основной тон).
Графики красным и синим цветом — сумма основного тона и 3-й гармоники.
В одном случае гармоника «синфазная», в другом — в противофазе.
Для наглядности амплитуда 3-й гармоники — 1/4 амплитуды основного тона.

Форма красного и синего таблеток графика, как видно, различается.
Но спектроанализатор покажет… одинаковый результат в обоих случаях.

Ниже для наглядности показан «учебный» двухкаскадный усилитель:

Для упрощения представим, что 1-й каскад добавляет 2-ю гармонику синфазно,
а 2-й каскад — также 2-ю гармонику, но в противофазе.

Несложно догадаться, что сигнал на выходе будет иметь ноль гармоник.

К чему все эти рассуждения?
Это к вопросу, почему в п. 1 получился цифры 0,03 % (без усилителя) и 0,02 % с усилителем.
Ответ простой: фаза гармоник.

Ну и конечно же, самый интересный вопрос, как увидеть эту фазу гармоники?
Т-образный режекторный фильтр:

Теоретически, фильтр обеспечивает полное подавление основной гармоники.
Реально, для достижения подавления хотя бы 60 дБ потребуется попотеть: добавить в схему подстроечные элементы.


Разумеется, что для основного тона 1 кГц потребуются совсем другие конденсаторы. ;)
Впереди зима. Будет, чем заняться…

Хотя, можно придумать схему на нескольких ОУ (нагородить всякие там сумматоры-вычитатели) и наблюдать гармоники на любых звуковых частотах.

8. Когда мне окончательно надоел мостовой выход усилителя,
было решено спаять дифференциальный усилитель, чтобы можно было проводить измерения относительно «земли».
На перспективу, чтобы было.
Схема классическая:


Соотношение R2/R1=R4/R3 выбрано 1/10 (-20 дБ; всё-таки поправка 10х удобней, чем другие числа).
Запустил симулятор, посмотрел прогноз:

Ослабление синфазного сигнала:

Оптимистично. ©

Добавил немного реализма в схему (50,5 кОм вместо 50 кОм, т.е. 1 % отклонение)

Вполне неплохо, тем более что постоянку «отрежет» звуковая карта.
По переменной составляющей — вовсе без изменений:

На этом с моделированием можно остановиться. Пора переходить zu praxistests.

Пошуршал в закромах чтобы выбрать подходящий ОУ. Нашёл много разных (всё старенькие):

TL071 13 В/мкс (с обещанным Кг=0,0003 % )
LF351 13 В/мкс (Кг<0,02 % )
LM358 0,3 В/мкс
ne5532 8 В/мкс
OP27 3 В/мкс
кр544уд1 5 В/мкс

LM358 ну очень медленный, OP27 слишком хорош для такой схемы, ne5532 сдвоенный.
Эти все в сад.
Самый подходящий ОУ — TL071.
Схема была собрана на макетке:

… и помещена в стальной сейф экранированный корпус


Двухполярный БП +-15В — специальный: если при включении в нагрузке есть к.з., БП не «выгружает» полную мощность.
Очень полезное свойство: за 25 лет использования ни одна схема не пострадала.
Но в этот раз что-то пошло не так: я перепутал + и — питания схемы.
БП сказал: «Дудки! Ищи ошибку.»

После исправления ошибки по питанию ОУ TL071 выдал на выход +14,5 В.
Что за ?!
Почесал репу, вытащил микросхему из колодки, вставил первый попавшийся ОУ кр544уд1а.
Включил: всё работает.
Значит 071-я микросхема померла. А жалко.

Так в схеме и остался ОУ кр544уд1а. Закрутил винты на корпусе и продолжил эксперименты:


«Кабель» для подключения входных сигналов:


Дальше всё пошло без приключений.
Шумовая полка дифф. усилителя на уровне -120 дБ:

«Расчёски» особо не видно, что не может не радовать. ))

Подал синусоиду 1 кГц на один из входов чтобы померить THD:

Приемлемо. Тем более что проверки — на ЗК компа Ion. Т.е. реально Кг — от ЗК.

Далее проверка главного свойства дифф. усилителя: коэффициент ослабления синфазного сигнала (Косс)
Проверял постоянным напряжением.
Uвх. _ Uвых.
0 ___ -5,1 мВ
+5В _ -3,1 мВ
-5В _ -7,1 мВ

Прикинул: получилось Косс = -68 дБ
Нормально для такой простой схемы. Тем более что никакого подбора резисторов не делалось.
На этом «издевательства» над схемой прекратил: всё работает, пусть лежит до прихода следующего усилителя.

Схема подключения (источник сигнала — компьютер):

В таком варианте нулевой провод дифф. усилителя ни к чему подключать не надо, чтобы избежать земляных петель.

ВАЖНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ: если в качестве источника сигнала используется гальванически развязанное устройство (например, мп3 плеер со встроенным аккумулятором), то нулевой провод дифф. усилителя необходимо подключить к экрану (нулю) входных разъёмов.

9. И так, что сделано:
— усилитель проверил и послушал
— теорию «прикрутил»
— дифференциальный усилитель построил

Некоторые выводы.
Плюсы усилителя:
— достаточная мощность
— два варианта подключения (проводное и BT)
— внешний вид )))
— компактность

Минусы:
— звучание для непритязательного слушателя

На этом всё. Всем хороших покупок и удачных экспериментов!