Статьи
Мы в сети:
Блог

 




Проект “Гамма”

Часть 4. Измерения.

Предыстория: Часть 3. Фотообзор конструктора. Сборка.

К оглавлению: Конструктор “Гамма”. Усилитель для наушников.

Усилитель мы собрали и послушали. И должен признать – остались довольны. Теперь пришло время немного померить. Посмотрим, подтвердят ли цифры наши субъективные впечатления.

В измерениях будут участвовать четыре схемы. Отличия у них небольшие. Сравним пару типов транзисторов в выходном буфере в схемах с общей ООС и без нее.

Впереди длинный текст. Если у Вас нет желания много читать, то можете сразу переместиться к концу записи. Там подводятся итоги всего изложенного. Для более удобного чтения “по диагонали” ключевая информация выделена.

А для тех, кому интересно, расскажем все по порядку. С чаем или с кофе эту статью,

наверное, будет читать легче. Только чая (кофе) понадобиться много. Начнем =)

Условия измерений

Схема спокойно относится к изменению условий работы. Она работоспособна при напряжениях питания от 14 до 32 В. Допускает применение нагрузки с любым сопротивлением более 8 Ом. Ток выходного буфера можно варьировать в широких пределах. Мы использовали такой режим:

напряжение питания 20 В, ток покоя выходных буферов – 180 мА.

Примечание: напряжение питания 20 В на самом усилителе. Для питания платы мы использовали источник на 24 В. 4 вольта теряются на фильтре питания (на схемах он не показан).

Во всех измерениях в усилитель установлен ОУ OPA2134 (кроме сравнительных измерений для других ОУ).

Нагрузкой усилителя стали резистивные эквиваленты с сопротивлениями 32 и 150 Ом. Мы проводили измерения на них. Дублирующие замеры выполнили на наушниках Sennheiser HD215 (32 Ома). Результаты совпали.

Примечание: на самом деле были незначительные отличия для реальной и идеальной нагрузок, но величины отклонений не превышали ошибки измерения. По этой причине не имеет смысла считать их существенными.

Несколько слов об АЧХ и ФЧХ

Измерения АЧХ мы провели самым обычным способом – прогоном по всем частотам в диапазоне от 0.5 Гц до 2 МГц. Заодно убедились в том, что никаких аномалий (выбросов и провалов) на характеристике нет. Для всех вариантов схем результаты измерения АЧХ получились похожими: Частотный диапазон схемы по уровню спада -1 дБ (Rн = 32 Ом): 8 Гц – 450 КГц.

Примечание: измерения АЧХ проводились при положении регулятора громкости “на максимум”. При промежуточных положениях частотная полоса будет сужаться (верхняя граница снизится). Но в любом случае частота верхней границы будет за пределами звукового диапазона. Такое ограничение не приведет к негативным последствиям для звука, так как формируется за пределами петли ОООС.

Частотный диапазон схемы по уровню спада -1 дБ (Rн = 32 Ом): 8 Гц – 450 КГц.

И на фазовой характеристике все в норме. Линейная во всем звуковом диапазоне. Сдвиги набегают только к граничным частотам.

Графики рисовать не стал. На них нет ничего интересного. Там все линейно и плоско =)

А вот теперь об искажениях

Мы пойдем в том порядке, в котором, на самом деле, выполнялись измерения. Для “нетерпеливых” в конце раздела размещена сводная таблица с результатами измерений.

Начнем со схемы с буфером на полевом транзисторе IRF520. В схеме реализована общая ООС с выхода.

Начнем со схемы с буфером на полевом транзисторе IRF520. Общая ООС.

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на полевом транзисторе.

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на полевом транзисторе.

Частоты тестовых сигналов 1 КГц и 5 КГц. Уровни выходного сигнала 1 В и 4 В. Мы проводили измерения и для частоты 100 Гц, но результаты полностью совпали с результатами для частоты 1 КГц. Не вижу

смысла приводить одинаковые графики.

Примечание: тут и далее на графиках уровни гармоник и шума даны относительно уровня основного сигнала.

_measure_03

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на полевом транзисторе.

_measure_04

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на полевом транзисторе.

Что хотелось бы отметить? Во-первых, высокую линейность усилителя. Действие общей ООС позволило снизить уровень искажений на средней мощности до 0.001%. Во-вторых, стоит обратить внимание на характерный для всех ОУ (кроме “токовых”) рост искажений с ростом частоты. Причины две: низкая линейность

буфера на IRF520 (в этом мы убедимся позже) и уменьшение глубины ОООС.

Сильнее всего рост искажений заметен на максимальной мощности. При тестовом сигнале 5 КГц и уровне выходного сигнала 4В, уровень второй гармоники повысился до 0.0056%. Вполне можно ожидать дальнейшего роста с повышением частоты.

У схемы с буфером на полевом транзисторе IRF520 и общей ООС результаты хорошие, но хочется чего-то лучшего.


Вторая схема: биполярный транзистор VT1 – MJE15032G, весь усилитель охвачен общей ООС.

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

Так же как и для предыдущей схемы приведем графики для частот 1 КГц и 5 КГц, при уровнях выходных сигналов 1 В и 4 В.

_measure_06

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

_measure_07

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

Во всех измерениях уровень искажений находится на отметке 0.001% – 0.002%. Рост искажений с ростом частоты наблюдается и в этой схеме. Но он не такой резкий как в предыдущем случае.

Можно предположить, что сам буфер на транзисторе MJE15032G значительно более линеен, чем буфер на транзисторе IRF520. В следующих измерениях мы проверим, так ли это.

У схемы с буфером на биполярном транзисторе MJE15032G и общей ООС уровень искажений находится на отметке 0.001% – 0.002%.


Третья схема: опять IRF520, но теперь выходной буфер исключен из петли общей ООС.

Усилитель для наушников с ООС с выхода ОУ. Выход на полевом транзисторе.

Усилитель для наушников с ООС с выхода ОУ. Выход на полевом транзисторе.

Так как в схеме ООС охватывает только ОУ, то нелинейность схемы складывается из нелинейности ОУ и нелинейности выходного буфера. В контрольных тестах мы измерили искажения самого ОУ.

Они оказались ниже уровня шума. Поэтому нелинейность схемы будет определяться исключительно свойствами выходного буфера. Можно считать, что сейчас мы проверяем именно буфер.

Нелинейность схемы будет определяться исключительно свойствами выходного буфера. Вот результаты измерений:

_measure_09

Усилитель для наушников с ООС с выхода ОУ. Выход на полевом транзисторе.

_measure_10

Усилитель для наушников с ООС с выхода ОУ. Выход на полевом транзисторе.

_measure_11

Усилитель для наушников с ООС с выхода ОУ. Выход на полевом транзисторе.

Что мы видим из диаграмм? Уровень искажений высок во всех режимах. Приемлемым его можно считать только для режима с небольшой выходной мощностью (1 В на нагрузке). Спектр короткий и потому искажения на уровне 0.01% будут малозаметны.

С увеличением выходной мощности происходит рост уровня и расширение спектра гармоник. Появляются 4-ая и 5-ая гармоники. На максимальной мощности суммарные искажения стремятся к 1%. Получили совершенно неприемлемый результат.

Уровень искажений высок во всех режимах. На максимальной мощности суммарные искажения стремятся к 1%. Считаю, что использовать этот буфер без общей ОООС бесперспективно.


Последняя схема: VT1 – MJE15032G, выходной буфер исключен из петли общей ООС. И результаты измерений:

Усилитель для наушников с ООС с выхода ОУ. Выход на биполярном транзисторе.

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

_measure_13

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

_measure_14

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

_measure_15

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе.

Результаты получились лучше, чем для предыдущей схемы. Спектр искажений по составу более/менее “музыкальный”. Гармоники выше четвертой отсутствуют во всех режимах. Особо хочется отметить то, что нет зависимости уровня искажений от частоты сигнала.

При номинальном уровне выходного сигнала (2 В) уровень искажений составил

около 0.02%. Это неплохой результат для системы не охваченной общей ООС.

Можно попробовать применить такой вариант схемы на практике. О достоинствах и недостатках схем без общей ООС можно долго спорить. Вряд ли эти споры когда-либо закончатся. Мне кажется, что стоит просто послушать, и сделать свой выбор.

Гармоники выше четвертой отсутствуют. Нет зависимости уровня искажений от частоты сигнала. При номинальном уровне выходного сигнала (2В) уровень искажений составил около 0.02%.


Как и обещал сводная таблица результатов

Все уровни приведены относительно уровня сигнала. х – гармоника не обнаружена (на уровне шумов).

_measure_16

Сводная таблица результатов


На этом измерения не закончились… замена ОУ

На плате усилителя под микросхемой ОУ установлена панелька. Мы этим воспользовались и измерили характеристики еще для пары ОУ.

Операционные усилители

Операционные усилители

Все реальные ОУ далеки по характеристикам от идеальных. Они индивидуальны и склонны к “проявлению характера”. Меняется ли от этого звук? Это сложный и спорный вопрос. Пусть каждый сам ищет для себя ответ.

Но что точно меняется от смены ОУ, так это характеристики. Для оценки этих изменений мы провели несколько экспериментов. В тестах участвовали NE5532, и AD812.

NE5532 – привлекателен ценой. Он совсем недорогой. А характеристики имеет вполне нормальные. Он уступает OPA2134, но попробовать стоит, так как разница в цене у этих ОУ – большая.

AD812 – “токовый” ОУ. Если судить по характеристикам, то он должен быть лучше OPA2134. От него стоит ожидать высокой общей линейности. Не должно быть и роста искажений с ростом частоты.

Но результаты измерений для этого ОУ я приводить не стану. Чуть позже размещу отдельную статью по этому поводу. К сожалению, в результаты вкралась ошибка, которую удалось обнаружить только сейчас, при подготовке статьи. Чтобы все было честно, необходимо повторить измерения.

Итак, графики для NE5532. Средняя мощность и частоты сигнала 1 КГц и 5 КГц:

Графики для ОУ NE5532:

_measure_18

Усилитель для наушников с общей ООС. Выход на биполярном транзисторе. ОУ NE5532.

При сравнении с графиками для OPA2134 сразу видно, что линейность получилась значительно ниже. На средней мощности уровень искажений достигает 0.003 – 0.004% (Для OPA2134: 0.001 – 0.002%). Спектр имеет в составе 4-ую гармонику. Но

как бюджетный вариант – очень неплохо.

Хочу отметить, что роста искажений на сигнале 5 КГц не наблюдается. Скорее всего, он просто маскируется общим уровнем искажений.

На средней мощности уровень искажений достигает 0.003 – 0.004% (Для OPA2134: 0.001-0.002%).

Несколько слов о работе усилителя на нагрузку 150 Ом

Тут не будет графиков. Их просто нет смысла приводить. Для всех ОУ, во всех режимах (с общей ООС и без нее), для выходного буфера на MJE15032G результат измерений был один и тот же. Уровень искажений лежал ниже уровня шума (< -105

дБ относительно уровня сигнала).

Для буфера на IRF520 только в эксперименте с выходным напряжением 7,5 В (амплитудное значение) удалось обнаружить третью гармонику с уровнем -100 дБ (относительно уровня сигнала).

Выводы

Попробую подвести небольшой итог по всему написанному выше. Стоит начать с того, что сам усилитель получился очень даже интересным. Он позволяет получить высокую линейность и, на наш вкус, неплохой звук.

По результатам измерений мы выбрали выходной буфер на транзисторах MJE15032G. Он обладает высокой собственной линейностью. Даже в режиме без общей ООС его нелинейность на уровне 0.02% (нагрузка 32 Ом). При использовании схемы с общей ООС нелинейность во всех измерениях оказалась на уровне 0.001 – 0.002%. При этом спектр искажений получился короткий. На мой взгляд, это хороший результат.

Замена на ОУ NE5532 привела к повышению уровня искажений до 0.003 – 0.005% и расширению их спектра. Этот ОУ можно считать неплохим бюджетным вариантом.

Усилитель показал линейную АЧХ в широком диапазоне частот. Частотный диапазон (по уровню спада -1 дБ) имеет нижнюю границу на уровне 8-9 Гц. Верхняя граница может меняться в зависимости от положения регулятора громкости (из-за наличия конденсатора для подавления радиочастот). При положении регулятора “максимум” или при неустановленном конденсаторе (это допустимо), верхняя граница частотного диапазона находится на отметке 400 – 450 КГц. ФЧХ без аномалий.

По мотивам статьи на нашем блоге.

Продолжение: Часть 5. Измерения. Таблица мощностей.

К оглавлению: Конструктор “Гамма”. Усилитель для наушников.