четверг, 23 июля 2015 г.

Конструктор ушника. Измерения.


Прототип конструктора усилителя для наушников


Добрый день.

Прототип 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 не большие. 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 могу предложить сразу переместиться к концу записи. Там подводятся итоги всего изложенного. Для более удобного чтения "по диагонали", я выделил  оранжевым ключевую информацию. 

А для тех кому интересно, я расскажу все по порядку. С чаем или с кофе эту статью, наверное, будет читать легче. Только чая (кофе) понадобиться много :)

Начнем :)


Условия измерений

Схема спокойно относиться к изменению условий работы. Она работоспособна при напряжениях питания от 14 до 32В. Допускает применение нагрузки с любым сопротивлением более 8 Ом. Ток выходного буфера можно варьировать в широких пределах. Мы использовали такой режим: напряжение питания 20В, ток покоя выходных буферов - 180мА.

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

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.

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


Несколько слов об АЧХ и ФЧХ

Измерения АЧХ мы провели самым обычным способом - прогоном по всем частотам в диапазоне от 0.5Гц до 2МГц. Заодно убедились в том что ни каких аномалий (выбросов и провалов) на характеристике нет. Для всех вариантов схем результаты измерения АЧХ получились похожими:

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

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. 

На фазовой характеристике то же все в норме. Она линейная во всем звуковом диапазоне. Сдвиги набегают только к граничным частотам.

Графики рисовать не стал. На них нет  ничего интересного. 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 транзисторе IRF520. В схеме реализована общая ООС с выхода.

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

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

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

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на IRF520. Общая ООС.


Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на IRF520. Общая ООС.

Что я хотел 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 5КГц и уровне выходного сигнала 4В, уровень второй гармоники повысился до 0.0056%. Вполне можно ожидать дальнейшего роста с повышением частоты.

Результаты хорошие, но хочется чего то лучшего.

Вторая схема: VT1 - MJE15032G, весь усилитель охвачен общей ООС.

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

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

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на MJE15032G. Общая ООС.

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на MJE15032G. Общая ООС.

Во всех измерениях уровень искажений находиться 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.

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.

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. По этому нелинейность схемы будет определяться исключительно свойствами выходного буфера. Можно считать, что сейчас мы проверяем именно буфер.

Вот результаты измерений:

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на IRF520. Без общей ООС.

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на IRF520. Без общей ООС.

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на IRF520. Без общей ООС.

Что мы видим из диаграмм? Уровень искажений высок во всех режимах. Приемлемым его можно считать только для режима с небольшой выходной мощность (1В 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 не приемлемый результат.

Я считаю что использовать этот буфер без общей ОООС бесперспективно. 

Последняя схема: VT1 - MJE15032G, выходной буфер исключен из петли общей ООС.

Схема:

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

Вот результаты измерений: 

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на MJE15032G. Без общей ООС.

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на MJE15032G. Без общей ООС.

Спектр искажений для схемы на OP2134 с буфером на MJE15032G. Без общей ООС.

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 (2В) уровень искажений  составил около 0,02%. Это не плохой 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.


Как и обещал сводная таблица результатов:

Комментировать ее не буду. Все уже сказано выше. Только уточню, что все уровни приведены относительно уровня сигнала.

Сводная таблица результатов измерений для нагрузки 32Ома
х - гармоника не обнаружена (на уровне шумов)


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.

Просто микросхемы ОУ


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 не дорогой. 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. Что бы все было честно, необходимо повторить измерения.

И так, графики для NE5532. Средняя мощность, и частоты сигнала 1КГц и 5КГц.

Опять графики спектров искажений. Эти для NE5532 с буфером на MJE15032G
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 4ую гармонику. Но как бюджетный вариант - очень не плохо.

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


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 (<-105дБ относительно уровня сигнала).

Для буфера на IRF520 только в эксперименте с выходным напряжением 7,5В (амплитудное значение) удалось обнаружить третью гармонику с уровнем -100дБ (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 Ома). 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 не плохим бюджетным вариантом.

Усилитель показал АЧХ, линейную в широком диапазоне частот. Частотный диапазон (по уровню спада -1дБ) 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 находиться на отметке 400-450 КГц.

ФЧХ без аномалий.

Вот такие итоги  измерений.

С уважением, Константин М.



P.S. Надеюсь, хоть кому-нибудь хватило терпения прочитать всю запись от начала и до конца :). Не ожидал что получиться так много. Но даже так, большая часть результатов оказалась за кадром. Измерения провести оказалось проще, чем рассказать о их результатах.


Все статьи посвященные проекту "Гамма" можно найти через навигатор Проект "Гамма". Навигация по статьям.

Заказать конструктор усилителя "Гамма" можно у нас на сайте: АЛ "Философия Звука"


Сообщество для обсуждения конструкторов - "Электронные конструкторы". Присоединяйтесь.