Усилитель мощности Only Music 2.8

С момента релиза усилителя Only Music 2.7 прошло уже немало лет. Всё это время меня не покидала одна мысль, которая буквально заставляла руки чесаться. Дело в том, что оригинальная авторская печатная плата для OM2.7 была для меня «первым блином» — моим первым опытом трассировки двухсторонней платы под заводское изготовление. И хотя даже на ней усилитель демонстрировал высокие технические параметры, я прекрасно понимал, что та плата была далека от идеала.

За прошедшие годы я несколько раз честно пытался сесть и переделать её. Но каждый раз останавливался в самом начале. Мой внутренний перфекционизм просто не позволял сделать работу быстро и спустя рукава. Понимание того, насколько большой объем работы по оптимизации топологии предстоит провернуть, мгновенно тушило запал, и я переключался на другие проекты.

Если уж полностью перекраивать плату, то почему бы заодно не доработать и саму схему? Тем более что у меня накопилась достаточно интересных идей. Мне хотелось улучшить усилитель, но сделать это точечно, без глобальных изменений схемы.

Так проект масштабного обновления платы незаметно перерос в полноценный новый проект — Only Music 2.8.

Глобально этот усилитель не является революцией: в его основе лежит всё та же проверенная временем и тысячами повторений схемотехника ОМ2.7. Позиционировать OM2.8 стоит как глубокую оптимизацию предшественника. Главное и самое радикальное изменение, которое вы заметите с первого взгляда — это полный переход на SMD-элементы. Перевод схемы на новую элементную базу был частью моей изначальной задумки. Это позволило не только сделать плату компактнее и грамотнее с точки зрения трассировки, но и выжать из знакомой схемотехники максимум её возможностей.

В этой статье мы подробно разберем, как изменилась плата, какие именно доработки коснулись схемы и почему OM2.8 — это именно тот народный усилитель, который вы захотите собрать сегодня.

Схема

Давайте взглянем на саму принципиальную схему Only Music 2.8:

На первый взгляд схема может показаться точной копией предшественника, но дьявол, как всегда, кроется в деталях. Изменения коснулись почти всех типов элементов: резисторов, конденсаторов и транзисторов. Где-то были просто скорректированы номиналы, где-то модели транзисторов сменились на новые в связи с переходом на SMD. Кроме того, в некоторых местах вместо одиночных резисторов теперь включены пары резисторов — это сделано для увеличения допустимой рассеиваемой мощности.

Пройдемся подробней по основным изменениям схемы:

Частота среза входного ФНЧ была снижена с избыточных 330 кГц до адекватных 100 кГц.

Номиналы резисторов в цепи общей обратной связи изменены с 15 кОм + 470 Ом (в ОМ 2.7) на 47 кОм + 1.5 кОм (в ОМ 2.8). Сохранив прежний коэффициент усиления, этот шаг позволил ощутимо снизить нижнюю граничную частоту диапазона с 20 до 3 Гц (по уровню -1 дБ), а также повысить входное сопротивление усилителя, что облегчает жизнь любому источнику сигнала.

Снижен ток транзисторов дифференциального каскада. Уменьшение тока дифференциального каскада позволило снизить и базовые токи входных транзисторов, что снизило дробовой шум входного каскада. В результате усилитель стал еще более “тихим” при работе от реальных источников сигнала.

Увеличен ток через стабилитроны, задающие опорное напряжение для каскода дифференциального каскада и каскода усилителя напряжения. В прошлой версии усилителя некоторые пользователи жаловались на шум. Как показала практика, не все модели стабилитронов стабильно работают на малых токах — некоторые из них генерируют заметный белый шум. Повышение тока полностью решает эту проблему.

Опорное напряжение каскода дифференциального каскада снижено с 15 В до 12 В, что открывает отличную возможность: теперь в качестве шунтирующего электролита можно использовать конденсатор на 16 В. При том же физическом диаметре корпуса он будет иметь ощутимо большую емкость, что обеспечивает лучшую фильтрацию и подавление пульсаций питания. Справедливости ради отмечу: в авторском прототипе установлен электролит на 25 В, но задел для апгрейда и перфекционизма заложен.

Между дифференциальным каскадом и входом усилителя напряжения добавлен новый буферизирующий каскад. Он эффективно изолирует ДК от входной емкости усилителя напряжения. Это решение внесло ключевой вклад в линеаризацию всего усилителя.

Архитектура цепей коррекции претерпела серьезные изменения, а номиналы были пересчитаны. Я полностью отказался от конденсаторов, включенных с выходов усилителя напряжения на шины питания. Вместо них установлен один конденсатор с выхода УН на землю. Дополнительно для повышения устойчивости был добавлен корректирующий конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи.

Конденсаторы, шунтирующие базы выходных транзисторов, теперь подключены непосредственно к базам выходников. В ОМ2.7 они подключались через базовые резисторы, что снижало эффективность шунтирования.

За счет всех этих схемотехнических изменений в Only Music 2.8 была проведена серьезная теоретическая оптимизация режимов работы каскадов. Это позволило заметно поднять разомкнутое усиление (Open Loop Gain) по сравнению с ОМ2.7, причем во всем звуковом диапазоне частот. Соответственно, увеличился и «петлевой запас», который схема может потратить на подавление искажений.

Для наглядности и сравнения двух версий усилителя я свел теоретические значения разомкнутого усиления на ключевых частотах в общую таблицу:

Разомкнутое усиление (Open Loop Gain)

Частота (Гц)	ОМ 2.7 (дБ)	ОМ 2.8 (дБ)	Прирост (дБ)
100	129	145	+16
1000	123	141	+18
6660	96	117	+21
10000	89	110	+21
20000	78	97	+19

Как наглядно видно из цифр, даже на верхнем краю звукового диапазона (20 кГц), ОМ2.8 сохраняет уверенное превосходство над предшественником.

Печатная плата усилителя

Разговор о печатной плате Only Music 2.8 нужно начать с геометрии. Габариты платы стали заметно меньше. Если в версии 2.7 плата имела размеры 100х67 мм, то теперь её длина сократилась до 60 мм при неизменной ширине в 100 мм. И самое крутое здесь то, что при общем уменьшении площади платы мне удалось существенно увеличить площадь занятую землей. Фактически вся нижняя сторона платы теперь представляет собой один огромный сплошной земляной полигон. В ОМ2.7 за землю отвечала достаточно длинная и относительно тонкая дорожка — теперь этот компромисс в прошлом.

Печатная плата ОМ2.8 со стороны земляного полигона:

Попутно удалось увеличить ширину выходной шины усилителя и шин питания. Важные изменения коснулись и самого нагруженного узла — выходного каскада. Теперь в эмиттерах выходных транзисторов вместо одного выводного резистора на 2 Вт, как это было в ОМ2.7, установлено по два 2 Вт резистора параллельно. Это дало отличный запас по рассеиваемой мощности и повысило температурную стабильность под нагрузкой. И всё это, повторюсь, в меньших габаритах.

Ещё одна серьезная болячка прошлой версии, которую я исправил — это радиаторы транзисторов усилителя напряжения (УН). На плате ОМ2.7 они занимали кучу полезной площади и таили в себе скрытую угрозу: из-за не самой высокой прочности защитной маски эти радиаторы при неаккуратной сборке могли просто замкнуть дорожки находящиеся под ними. Это была моя очевидная недоработка, которая заставляла некоторых сборщиков колхозить дополнительную изоляцию из лавсановой ленты между радиаторами и платой.

В ОМ2.8 никаких посадочных мест под радиаторы УНа больше нет. Теперь здесь трудятся транзисторы в SMD-исполнении (корпус SOT-223), которые эффективно охлаждаются прямо о медные полигоны на печатной плате.

Печатная плата ОМ2.8 со стороны деталей:

В такой же корпус (SOT-223) переехали и транзисторы преддрайверного каскада. Но здесь я поступил еще интересней: они охлаждаются, отдавая тепло предвыходным транзисторам через их коллекторные выводы. Это позволило обеспечить между ними почти идеальную тепловую связь. Напомню, что в ОМ2.7 преддрайверы были выводными в корпусе ТО-92 и вообще не имели теплового контакта с драйверным каскадом.

При всех этих изменениях форм-фактор платы остался прежним и привычным — все мощные транзисторы выстроены в один ряд у края платы. Да, сам по себе такой форм-фактор не идеален и является компромиссом.

Плата имеет строгую симметричную компоновку, из-за чего шины питания «плюса» и «минуса» разнесены по противоположным краям платы. Чисто технически – это недостаток, ведь по всем правилам трассировки они должны идти как можно ближе друг к другу. Однако негативное влияние этого компромисса в ОМ2.8 сполна нивелируется наличием сплошной земли на нижнем слое платы. Зато благодаря этой симметрии плата выглядит потрясающе эстетично. А как известно, красивые самолеты и летают хорошо.

И напоследок развею главный страх тех, кто до сих пор боится сочетания трех букв «SMD». Все резисторы и конденсаторы на плате в корпусе 1206. Это достаточно крупные элементы. Собрать такую плату сможет любой электронщик-любитель с помощью самого обычного паяльника, без микроскопов и каких-то специфических приспособлений.

Подключение входного сигнала

Усилитель ОМ2.8 разработан с учетом универсальности и поддерживает как классическое, так и балансное (дифференциальное) подключение источника сигнала.

Классическое (небалансное) подключение: Организовано в усилителе по умолчанию. На печатной плате между контактами -In и sGND (сигнальная земля) предусмотрена дорожка-перемычка. Сигнал подается по двум проводам на контакты +In и sGND.
Балансное подключение: Позволяет радикально снизить уровень синфазных помех и наводок. Для перевода усилителя в этот режим необходимо аккуратно перерезать перемычку между контактами -In и sGND на плате. После этого входной сигнал подключается полноценной трехпроводной линией к контактам +In, -In и sGND.

Перемычка между -IN и sGND, которую следует перерезать для балансного подключения сигнала:

Результаты измерений «в железе»

Красивая плата — это здорово, но реальную ценность любого усилителя определяют только приборы. Перед тем как анонсировать Only Music 2.8, я провел серию инструментальных тестов собранного прототипа.

Измерения проводились при следующих условиях:

Напряжение питания: ±45 В
Ток покоя выходного каскада: 50 мА
Нагрузка: 8 Ом

Уровень шума:

Коэффициент нелинейных искажений (THD) я измерял на двух фиксированных частотах: стандартной 1 кГц и на повышенной 10 кГц. Интермодуляционные искажения (IMD), тестировались по жесткому методу на двух частотах: 19 кГц + 20 кГц.

Чтобы получить объективную картину, замеры снимались в трех точках по среднеквадратичному выходному напряжению (RMS): 6,7 В, 13 В и 20 В. Ниже приведены получившиеся результаты, соответствующие им значения чистой мощности и графики.

При выходном напряжении 6,7 В (мощность 5,5 Вт):

THD=0,00049%, 1 кГц, 6,7 В:

THD=0,0058%, 10 кГц, 6,7 В:

IMD=0,00034%, 19+20 кГц, 6,7 В:

При выходном напряжении 13 В (мощность 21 Вт):

THD=0,00082%, 1 кГц, 13 В:

THD=0,0062%, 10 кГц, 13 В:

IMD=0,00079%, 19+20 кГц, 13 В:

При выходном напряжении 20 В (мощность 50 Вт):

THD=0,0017%, 1 кГц, 20 В:

THD=0,0062%, 10 кГц, 20 В:

IMD=0,0015%, 19+20 кГц, 20 В:

Важное замечание: Все приведенные измерения проводились с использованием звуковой карты Asus Xonar Essence STX без программной компенсации её собственных искажений. Это означает, что все приведенные выше цифры и графики в действительности отображают не чистые параметры усилителя, а суммарные искажения самого устройства и звуковой карты. Соответственно, реальные искажения Only Music 2.8 находятся еще ниже, чем это указано и показано на графиках. Так, по данным симуляции в среде NI Multisim 14, собственный КНИ усилителя на частоте 1 кГц составляет всего порядка 0,0002%.

Выходная мощность

Максимальная неискаженная выходная мощность усилителя (до начала клиппинга) на нагрузке 8 Ом составила при питании ±45 В = 85 Вт (что соответствует среднеквадратичному напряжению 26 В RMS). А при питании ±25 В = 28 Вт (что соответствует среднеквадратичному напряжению 15 В RMS).

Осциллограмма выходного сигнала перед клипингом, при напряжении питания ±45 В:

Осциллограмма выходного сигнала перед клипингом, при напряжении питания ±25 В:

Работа в клипинге

Среди любителей давно сформировалась особая секта, приверженцы которой оценивают аудиоаппаратуру весьма специфическим методом. Они искренне считают необходимой проверку качества работы высоколинейного усилителя в нештатном, почти аварийном режиме, когда схему загоняют в жесткий клиппинг и оценивают при этом красоту полученных на экране осциллографа картинок.

Оставим за скобками логику подобного подхода, ведь в реальной жизни музыкальный сигнал в таком жестком ограничении в здравом уме никто никогда не слушает. Но раз уж есть спрос на подобные зрелища — пожалуйста, мне прятать нечего.

Ниже представлены реальные осциллограммы поведения Only Music 2.8 при ограничении сигнала.

Клипинг 1 кГц:

Клипинг 10 кГц:

Как можно заметить по картинкам с осциллографа, никой «бороды» из самовозбуждения или сквозных токов на полках ограничения здесь нет. Так что любители красивых картинок в аварийных режимах могут спать спокойно.

Работы усилителя на прямоугольном сигнале

Для окончательной оценки динамических характеристик и стабильности ОМ2.8 я подверг его стандартному, но самому суровому тесту — подаче сигнала формы меандр. Этот тест наглядно показывает поведение усилителя в переходных режимах, его склонность к самовозбуждению и общую скорость реакции схемы.

Меандр 1 кГц:

Меандр 10 кГц:

Настройка усилителя и элементная база

Как и почти любой другой классический усилитель класса AB, Only Music 2.8 после сборки требует обязательной ручной настройки. Вам необходимо будет настроить: нулевое постоянное напряжение на выходе («ноль») и ток покоя выходных транзисторов. Оптимальное значение тока покоя для данной схемы лежит в диапазоне 50…100 мА.

Подробно расписывать саму процедуру настройки и методику безопасного первого запуска в рамках этой статьи я не вижу никакого смысла. Об этом я уже рассказывал бесчисленное количество раз во всех своих прошлых публикациях, включая подробное руководство к OM2.7. Методика здесь осталась абсолютно неизменной. в статью по прошлой версии усилителя.

При выборе источника питания следует учитывать допустимый диапазон питающих напряжений, который для Only Music 2.8 составляет от ±25 В до ±50 В. Однако здесь есть важнейший нюанс, связанный с сопротивлением подключаемой акустики: для нагрузки 8 Ом можно смело использовать весь диапазон вплоть до максимальных ±50 В, тогда как для нагрузки 4 Ом, максимальное напряжение питания не должно превышать ±38 В. Пожалуйста, учитывайте это при выборе источника питания.

Что касается подбора деталей: вся исчерпывающая информация по элементной базе собрана в едином перечне элементов (BOM-листе). Я постарался сделать его максимально информативным. Там вы найдете не только конкретные наименования, но и точные типоразмеры всех SMD-компонентов, рекомендуемое номинальное рабочее напряжение для конденсаторов, требования к их ТКЕ (температурному коэффициенту емкости), и прочие важные нюансы, необходимые для успешной сборки.

Заключение

Подводя итог, я могу с уверенностью сказать: Only Music 2.8 стал для меня именно тем штрихом, которого так не хватало этой линейке. Это не просто «работа над ошибками» и не попытка переписать историю. Это закономерная эволюция проекта, который за много лет заслужил статус по-настоящему народного. То, что когда-то начиналось как робкая схема «выходного дня» (это я сейчас о самом первом усилителе серии ОМ), спустя годы и сотни часов симуляций, работ по трассировке печатных плат и железных тестов, наконец-то превратилось в идеальное, законченное инженерное устройство.

Здесь нет революционных схемных решений, но есть выверенная топология, удачно подобранная современная элементная база и железобетонная стабильность.

Я хочу сказать огромное спасибо всем моим подписчикам — как старожилам, так и тем, кто только присоединился. Ваша поддержка и ваш неизменный интерес к моим проектам — это именно тот импульс, который заставил меня победить внутренний творческий кризис и взяться за работу, чтобы довести Only Music до идеала. Эксклюзивный и полностью открытый доступ к проекту — это моя скромная благодарность за то, что вы остаетесь со мной.