Category: хобби

Вот сделал ты усилитель — как понять, хороший он или нет? Дураки и прочие аудиофилы, как правило, просто включают усилитель и слушают, что получилось, описывая слышимое совершенно идиотскими и ничего не значащими фразами типа “песочек в верхах”, “авторитетный бас”, “звук скрипок очень сухой и жёсткий” и далее по справочнику аудио-шизофреника.

Ну, а люди, далёкие от этих тихих и не очень помешательств, спокойно оперируют объективными понятиями типа КНИ, интермодуляционные искажения, АЧХ и так далее.

Большинство людей так или иначе слышали о КНИ, и это один из самых узнаваемых параметров усилителя. И он да, простой в понимании — меньше 0.5%, значит усилитель ничо, более 1% — уже начинает пованивать. И хотя можно померять ещё много всякого, начать, наверное, лучше всего именно с измерения КНИ.

Поизучал соответствующую тематику, и доступных домашнему инженеру способов не очень много. Я нашёл три.

Способ первый — полностью ламповый, тёплый и аналоговый. Берётся качественный генератор сигнала (его вполне можно сделать самому, хотя по-настоящему чистые синусоиды генерировать не сказать, чтобы просто). Его выход подаётся на вход усилителя. На выход усилителя сажается режекторный фильтр, настроенный на частоту генератора сигнала. Далее берём обыкновенный милливольтметр, способный на измерение аудиочастот (можно сделать приставку к обычному аналоговому милливольтметру), и меряем, что там осталось от нашего сигнала — шум, гармоники, и т.д. Делим величину остатков на величину полезного сигнала, получаем КНИ. Все достаточно просто.

Способ второй — с применением спецтехники, например, цифрового осциллографа, умеющего в преобразование Фурье. Поглядел я на этот способ, и он мне не понравился. И больше всего вопросов вызывает разрешение АЦП осциллографа — даже у дорогих осциллографов они 8-битные (в первую очередь потому что, АЦП, умеющие более 8 бит на частотах в мегагерцы стоят дико конских денег). Приблизительно оценить, насколько усилитель говно, можно, но не более. Кроме того, опять же нужен хороший генератор сигнала.

Способ третий, больше всего мне понравившийся, заключается в том, чтобы использовать обыкновенную компьютерную звуковую карту. Она не только ничуть не хуже, а даже значительно лучше осциллографа, так как имеет 16 или даже 24-битные АЦП. И никакого генератора сигнала не надо — всё под рукой. 16 бит в теории (в теории) дают КНИ примерно в 0.0015%. Для измерения качества — выше крыши, проблема не в битности. Проблема будет в выходном-входном тракте звуковой карты.

Далее всё просто — генерируем синусоиду в любимом звуковом редакторе, хоть в бесплатном Audacity, проигрываем её, подаём на вход усилителя, усилитель втыкаем во вход карты* и записываем звуковой файл. Далее лично у меня есть уже давно написанный на Питоне анализатор КНИ, генерирующий частотные графики, и рассчитывающий значения искажений.

Для совсем других целей я в своё время приобрёл внешнюю звуковую карту Behringer UCA-202, которая позиционируется как “студийная” (хотя стоит она очень недорого). Вот и попробуем её заиспользовать. На ней есть два выхода-“тюльпана” и столько же входов. Воткнём одно в другое, будет тест тракта самой карты, без всякого дополнительного оборудования.

Скажу сразу, картой я был немного разочарован. Вот судите сами, проигрываю я вот такое:

А записывается вот такое:

Как-то слабо у меня вяжется соотношение сигнал/шум в 74.5дБ со студийной записью. Это лишь незначительно лучше MP3, виниловой пластинки или катушечного магнитофона. Но заметно хуже компакт-диска.

Портят всё нелинейные искажения, в первую очередь гармоники 2 и 3. Вполне стандартные искажения, которых я ожидал, но не думал, что они окажутся такими (относительно) большими. Хотя КНИ получившегося составляет ~0.019%, что вообще-то неплохо. Соответственно, 0.019% будут составлять “ноль” на шкале моего “искажометра”. Всё, что меньше, я померять тупо не смогу — хотя если у меня получится подизайнить и собрать усилитель с искажениями меньше 0.019 — я, прямо скажем, буду вполне доволен собой. Это будет лучше чем подавляющее большинство усилителей на рынке, особенно, хе-хе, ламповых.

В дальнейших планах дорисовать программку на Питоне, чтобы генерировала, играла, записывала и анализировала звук самостоятельно, ибо не надо заставлять меня работать. Меня надо заставлять думать, а работает пускай компьютер.

*подавать звук с выхода усилителя прямо на звуковую карту чревато. Сначала надо убедиться в том, что сигнал такой амплитуды не убьёт карточку — мерять напряжение, и выставлять безопасное, например, подключая через резисторный делитель, а ещё лучше дополнительно спаять предохранитель на диодах, например, чтобы всё, что выше определённого уровня напряжения — срезалось нахрен.

Кривенько, конечно, и не очень аккуратно.

Чтобы не было криво, и выглядело профессионально, надо вместе с платами заказывать трафарет для намазывания паяльной пасты и использовать расстановщик. Но при моих “объёмах” это сильно излишняя роскошь. Лишь бы работало (а оно работает), а недостаточно эстетичную расстановку и пайку электронных деталей я уж как-нибудь переживу =)

Кстати, был удивлён. Вот эта крохотная коричневая деталька типоразмера 0805 (2.03mm × 1.27mm) с наименованием C3 — керамический конденсатор на 50 вольт, на 100 нанофарад. И в таком размере делают конденсаторы аж до 47 микрофарад, правда, уже не на 50 вольт, а на 6.3. На 50 вольт в таком типоразмере можно максимум получить 1 микрофарад. Но всё равно дохера! Для такой-то мелкой вещи. И это не предел. Я не собираюсь использовать что-то меньше 0805 — это уже за пределами комфортной работы, глаза не видят такую мелочёвку. Один раз распаивал 0603 (1.6mm × 0.8mm) — было уже конкретно неудобно. Но вообще конденсаторы есть в корпусах 008004 (0.25mm × 0.13mm — человек вообще с такой мелочью сможет работать? или только роботопайка?), ёмкостью аж на 10 нанофарад, но да, на низкое напряжение в 6.3V. Но мне, правда, не надо такого — ни задач нету таких, ни опыта, ни инструмента.

Я обычно заказываю изготовление плат в США, у компании OSH Park. Изготавливают они шустро, и у них бесплатная доставка внутри США. Платы при этом исключительно качественные, и все посадочные площадки обработаны иммерсионным золотом (ENIG, вай-вай, дорохо-бохато), паять одно удовольствие. А ещё платы не зелёные, а такие красивые тёмно-фиолетовые (Perfect Purple PCBs).

Одно только плохо — OSH Park берёт по 5 долларов за квадратный дюйм двухслойного текстолита (6.5 cm²). В эту цены входит три экземпляра плат. Поэтому любой проект, который я у них заказываю — это всегда борьба за площадь. В результате, конечно, всё получается круто и компактно (особенно помогает использование деталей для поверхностного монтажа), но плотность монтажа платы довольно высокая — иной раз разведение дорожек становится настоящей головоломкой (мне, правда, нравится этим заниматься).

Попробовал заказать у китайцев, JCLPCB (им дал положительный отзыв DI HALT). И какая-то фигня получается, вот что я вам скажу. Плата у меня была маленькая, 19x48mm (0.75×1.9 дюймов). OSH Park зарядил 7 долларов 20 центов за три экземпляра. JLCPCB берёт всего два доллара за десять экземпляров плат размером менее 100x100mm (15.5 дюйма), но при этом самая дешёвая доставка у них стоит 18 рублей с копейками! Итого получается двадцатка с лихером, и при этом платы там хуже — никакого иммерсионного золота, а обычное лужение (HASL). Не сказать, конечно, что иммерсионное золото мне прям НАДО, но оно удобнее тем, что плата может пролежать без дела год, и нихера с ней не будет — площадки не окислятся — она будет паяться как свежая. А если расщедриться и заказать иммерсионное золото у JLCPCB, это прибавляет 18 долларов к цене самой платы. Итого получаем вообще какую-то порнографию в 20 долларов за 10 штук без учёта доставки — дык это уже вполне сравнимо по цене с американским OSH Park в пересчёте на штучку. А доставка за 18 долларов окончательно убивает всю идею на корню.

В-общем, не получилось у меня “импортозамещения наоборот”. ВНЕЗАПНО, производство в США оказалось тупо дешевле. Может быть, для каких-то специальных случаев, типа большого заказа или особо крупных плат, это себя оправдывает. А для домашнего хобби — нахер не надо. Да и у OSH Park для крупных заказов от 100 квадратных дюймов двухслойного текстолита (~650cm²) и выше есть скидки до цены в 1 доллар за дюйм. При этом всё опять же, с иммерсионным золотом и бесплатной доставкой. Китайцам тупо не угнаться.

Припадаю опять к тихим хобби, типа электроники. В очередной раз интересуюсь звуковыми схемами, в том числе усилителями. Если раньше меня больше интересовало изготовление схем вообще (и тот самый предусилитель для микрофона я таки собрал, и он прослужил мне верой и правдой много лет) и овладевание общей теорией, в этот раз меня интересует изготовление схем КАЧЕСТВЕННЫХ. В понятие качества вкладывается понятно какой смысл — низкие параметры КНИ. Ну, хотя бы ниже 0.5% получить бы для начала.

Так вот, что архиудобно, так это бесплатная программа LTSpice. Помимо того, что в ней можно нарисовать саму схему, её можно просимулировать, и анализировать полученное через обратное преобразование Фурье, рассчитав КНИ и показав наглядно гармоники.

Симулируется, понятное дело, теоретический максимум. Реальные компоненты хуже виртуальных. Но это и полезно — чтобы понять, чего можно выжать из схемы в теории.

Вот та самая схема предусилителя, что я спаял ранее, по сути своей оказалась говном. Вот она:

Это рабоче-крестьянский усилитель с общим эмиттером плюс эмиттерный повторитель. Ну, любую книжку по электронике можно раскрыть, и там эта схема будет.

Так вот если её просимулировать, подав на вход сигнал 1 килогерц, то FFT полученного сигнала выглядит довольно порнографично:

Этих вот иголок на 2, 3, 4 и далее килогерц (гармоник) быть не должно в хорошем усилителе.

Если добавить SPICE-директиву .four, LTSpice любезно посчитает КНИ. И цифры отражают, в-общем, то, что видно на картинке:

КНИ аж три процента с гаком, почти как у лучших ламповых усилителей =)) Шучу, конечно, но вообще-то факты действительно таковы, что КНИ 0.5% является для ламповой техники очень хорошим показателем, а уж КНИ 0.08%, до которого транзисторная техника дошла ещё в 1970х, как, например, в усилителе Техникс SE-9600, для ламповой техники остаётся недостижимой вершиной. Нет, ну, достижимой, конечно. Но за очень конские деньги. В недорогой советской ламповой технике КНИ в 3% был обычным делом. Слушать это, тем не менее, было можно, так как характер искажений у ламповой техники обычно немного другой, не такой заметный.

Однако, вернёмся к тупому усилителю. Почему данная схема искажает? В первую очередь из-за нелинейности транзистора Q1. Дело в том, что у транзистора есть собственное сопротивление, и оно составляет примерно 25 / I_c в миллиамперах. Т.е. если ток в цепи коллектора (I_c) составляет 1 миллиампер, сопротивление транзистора будет равно 25 омам. С возрастанием тока оно падает, с уменьшением — растёт. Таким образом, коэффициент усиления транзистора получается разным просто на усилении банальной синусоиды: в тот момент, когда синусоида проходит через ноль, коэффициент усиления минимален, а на гребне синусоиды — максимален. Получается ерунда. Именно поэтому в книжках по электронике говорят “не делайте схему с заземлённым эмиттером”, потому что это переменное сопротивление таким образом становится наиболее заметным. С данным эффектом можно бороться, вкрячив в цепь эмиттера резистор, сравнительно большой по сравнению с внутренним сопротивлением транзистора. Ну, как на схеме, собственно, и сделано. Является ли при этом такая схема отрицательной обратной связью или мы просто исправляем одну кривизну другой кривизной — мнения расходятся. Горовиц-Хилл говорят, что да, это таки отрицательная обратная связь. Но в любом случае, помогает это не сильно.

В-общем, схему надо будет доработать, до полноценной схемы с отрицательной обратной связью. В результате я бы хотел сделать усилитель для наушников. Это проще, так как усилитель не надо делать очень мощным, 1 ватт для наушников — это OVERДОХРЕНА. И такое у меня подозрение, что скорее всего саму усилительную часть я сделаю на банальном операционнике Бурр-Браун, а выходной каскад — классический тяни-толкай на парах инженера Шиклаи.