Недавно волею судеб у меня в руках оказались замечательные наушники STAX SR-009
совместно с ламповым усилителем STAX SRM-007. Я ждал чуда и первозданного экстаза, легко представить!
Но каково же было моё удивление, когда вместо улётного звучания я услышал совершенно стандартную грязь, шепелявость и мутность стерео имиджа!
Ох, уж эти извечные русские вопросы: "Кто виноват и что делать?" Проведённые измерения показали уровень искажений SRM 007 0.05% на комфортной громкости и до 0.2% на амплитуде, близкой к максимальной. SMPTE оказались на уровне 0.1%.
Мне нравятся эти светящиеся стеклянные баллончики, но это было уже слишком!
Отчётливо видны интермоды не только относительно безобидного 1-го, но и совсем неблагозвучные 2-го и даже 3-го порядков.
Искажения на большом сигнале 0.15%...жуть. Забавно выглядит мусор от питающей сети, да и просто шумовая подставка
Искажения 0.1% даже на низких частотах.
Совершенно непонятно, зачем наушникам с собственными искажениями порядка 0.01% такой уВЕсилитель, в исполнении которого рояль превращается в клавесин))) Поскольку другого усилителя не было, оценочное прослушивание я провёл, подключив два повышающих трансформатора к обычному УМ. В плане телесности, полноты и тональной верности SR-009 мгновенно оставили за бортом весь мой арсенал наушников. Трансформаторный вариант играл в разы лучше чем SRM 007, даже несмотря на традиционную трансформаторную «рыхлость» и неконкретность. К слову, трансформаторы имеют весьма ограниченный динамический диапазон неискажённой мощности, всего около 25-30 дБ, что делает их основным тормозом при создании двухтактных усилителей, в т.ч. ламповых. На маленькой громкости они вносят 0.1-0.2% гармонических и шумоподобных искажений, и до 0.2-1% гармонических на большой громкости. В однотактных усилителях (когда магнитопровод намагничен током покоя) они показывают на порядок лучшие параметры, но только при малом уровне сигнала. В общем, трансформаторы - не вариант. Не вариант и лампы, поскольку собрать подъёмный ламповый усилитель с уровнем искажений порядка 0.001% - практически нереализуемая задача.
Но мне как разработчику - с одной стороны, и любителю экстра-приборов - с другой, очень хотелось реализовать весь потенциал настолько удивительных наушников. Так появилась идея создать ультимативно "правильный" усилитель для электростатических наушников. Хотелось создать усилитель "на все случаи жизни" легкий, компактный, и одновременно безукоризненно точный, раскрывающий все прелести таких высококлассных приборов, как STAX SR-009. Такой тандем, конечно, нуждается в источнике соответствующего качества, поэтому усилитель будет иметь встроенный ЦАП.
Преамбула разработчика, или какими соображениями я руководствовался и с какими проблемами столкнулся при проектировании усилителя для электростатов STAX SR-009.
1. Симметрия электростатического драйвера Обычный разъём электростатических наушников имеет пять контактов, а кабель - шесть проводов. Две пары проводов передают дифференциальный сигнал на статоры, ещё на два провода через отдельный контакт подаётся поляризующее напряжение на мембраны. Всё ОК, не так ли? А вот и нет! Сигнальный проводник, находящийся ближе к поляризующему, имеет к нему существенно большую ёмкость, поэтому симметричность кабеля (т.е. нагрузки) нарушается значительно. Сама по себе ёмкость нагрузки не проблема для любого усилителя. Однако для дифференциального усилителя (особенно без ООС) несимметричность нагрузки порождает асимметрию выходного напряжения, увеличивающуюся с ростом частоты. Дело в том, что дифференциальный усилитель следит только за разницей на своих выходах, по отношению же к общему проводу и мембране его искажения могут достигать 2-3%. Эти искажения не полностью компенсируются, (особенно при большом смещении мембраны) и это ещё одна проблема, препятствующая применению дифференциальных усилителей.
Итак, правильный усилитель должен иметь четыре совершенно
независимых высоковольтных канала усиления, по одному на каждый статор.
2. Контроль силы, действующей на мембрану
Сила, действующая на мембрану, пропорциональна напряжению на статорах, поэтому важно точно контролировать именно напряжение на них. Тогда, подобно тому, как это происходит в электродинамических головках, мембрана окажется хорошо демпфированной. Тем лучше, чем меньше выходное сопротивление усилителя.
Выходное сопротивление промышленных экземпляров составляет 4 – 6 кОм, что для наушников STAX SR-009 (паспортное значение импеданса 115кОм на 10кГц) соответствует дампинг-фактору всего 12. Высокое выходное сопротивление, помимо недостаточного демпфирования, порождает гораздо более серьёзную проблему - сильно проявляются любые нелинейные ёмкости, в частности, подводящего провода, который начинает "звучать". Чтобы свести эти эффекты к минимуму, выходное сопротивление усилителя должно быть минимально возможным. Выходное сопротивлениеES Static составляет всего 3 Ома.
3. Проблемы поляризующего напряжения
Для того, чтобы электростатические силы возникли, на мембрану подаётся поляризующее напряжение, от 250 до 600В. Для безопасности это напряжение подаётся через токоограничительный высокоомный резистор. Это стандартное решение имеет один серьёзный недостаток – в результате несимметричности конструкции драйвера на мембране возникает небольшое переменное напряжение звуковой частоты. Поскольку мембраны стереоканалов электрически соединены друг с другом, это напряжение прикладывается и к другой мембране. В результате возникает перекрёстная амплитудная модуляция стереоканалов, приводящая к дополнительным искажениям. В ES Static эти искажения отсутствуют, поскольку
Поляризующее напряжение контролируется отдельным усилителем.
4. Цифровая фильтрация.
Нет причины использовать цифровой фильтр, если усилитель достаточно хорош. Здесь показано почему. ЦАП, применённый в ES Static V1, не использует цифровую фильтрацию
и максимально точно передаёт временнУю структуру аудиосигнала 5. Современный USB интерфейс, свободный от джиттера
USB интерфейс выполнен на чипе последнего поколения XMOS, содержит два кварцевых генератора
для сеток 44.1 и 48 кГц
и поддерживает PCM до 24/352кГц и DSD до 22.4 МГц Есть подписанные драйвера для Windows (Asio, Wasapi), в компьютерах Mac - встроенная поддержка. Для устройств под Android продаётся 10$ плеер.
6. Элементная база и схемотехника
Выбор элементной базы для усилителя, размах выходного напряжения которого 600В - задача не из простых.
Подавляющее число работчиков решают эту задачу в лоб - они просто выбирают транзисторы с достаточным рабочим напряжением.
К сожалению, не существует маломощных транзисторов на напряжение выше 300В, и выбор неизбежно падает на довольно мощные высоковольтные транзисторы, которые в силу технологических причин имеют весьма посредственные частотные свойства, большие паразитные ёмкости, плохую линейность и малое усиление. Не последнюю роль играет то обстоятельство, что этим транзисторам для оптимальной работы необходим значительный ток покоя, 30-40мА, однако при этом на них рассеивается мощность порядка 8-10 Вт на корпус, а усилитель в целом будет потреблять 80-100 Вт. Следует отметить, что к скоростным хар-м усилителя для электростатов требования очень и очень серьёзные, поскольку его выходное напряжение в несколько раз выше, чем у обычного усилителя мощности.
Поэтому в ES Static я применил радикально иной подход. Каждый мощный высоковольтный транзистор составлен из трёх последовательно включенных маломощных. Такое решение позволило применить транзисторы с высоким усилением, предельно
малыми значениями паразитных ёмкостей, и полностью использовать потенциал этих транзисторов в смысле частотных свойств.
Схема высоковольтного усилителя проста и изящна. Она состоит всего из двух каскадов.
Входной каскад сделан на ультралинейном (собственная нелинейность 0.2%) и очень быстром операционном усилителе.
Это каскад не вносит задержек и фазовых искажений, поскольку его АЧХ линейна до 300кГц,
а полоса пропускания более 500МГц. Второй (выходной) каскад построен по симметричной двухтактной каскодной схеме
(общий эмиттер на супер-бета транзисторах - общая база на трёх последовательно соединённых высоковольтных транзисторах).
Он необычен тем, что имеет огромное усиление (3000 раз), очень малую собственную нелинейность (0.2% на НЧ и СЧ, и до 3% на 20кГц), линейную до 10 кГц АЧХ и малую задержку (20нСек).
Таким образом, на частоте 20кГц до замыкания обратной связи усилитель имеет нелинейность около 3%. После введения ООС искажения (теоретически) уменьшаются пропорционально её глубине. Усиление 2-х каскадов составляет 3 миллиона на частоте 20кГц. Потребное усиление 300раз, и на долю ООС остаётся 10000раз. 3% поделить на 10000=0.0003%, что неплохо согласуется с результатами моделирования (0.0007%).
Из приведённых вычислений совершенно очевидно, что к резистивному делителю ООС (который в итоге полностью определяет линейность усилителя) требования очень серьёзные.
Найти потребные резисторы для высоковольтного делителя ООС оказалось очень непростой задачей. Выбор пал на прецизионные тонкоплёночные резисторы Vishay, искажения которых оказались в 200 раз меньше обычных SMD резисторов.
Все каскады ES Static работают без отсечки тока (в классе А), ток покоя выходного каскада 5мА.
7. Безопасность
Выходное напряжение усилителя достигает 300В, поэтому крайне важно ограничить выходной ток на безопасном для человека уровне. В ES Static ток ограничен на уровне 15 мА для переменного и 7 мА для постоянного токов.
8. Питание
Все четыре канала усиления питаются отдельными двуполярными высоковольтными источниками +/- 300В.
Все
напряжения питания (а всего их 11) стабилизированы.
Что отличает ES Static от предшественников
1. Исчерпывающая чёткость, ясность и деликатность, особенно на ВЧ, ответственных за «воздух», который статики воспроизводят необыкновенно достоверно
2. Наличие встроенного ЦАПа (PCM1704 или, по желанию, ES9018, AK4490, CS4398)
3. Мобильность и компактность (ведь это почти переносное устройство, не так ли?!)
4. Наличие цифровых входов USB, Coax, Optic и линейного входа
5. Независимость от параметров нагрузки и низкое выходное сопротивление для точного управления нагрузкой
6. Наличие высококачественного усилителя для динамических наушников
7. Наличие линейного выхода, позволяющего использовать усилитель в качестве внешнего ЦАПа или предварительного усилителя
8. Дистанционное управление
Нелинейные искажения связки ЦАП + усилитель определяются в основном ЦАПом,
и соответствуют спецификации PCM1704.
Искажения усилителя намного ниже предела измерения, поэтому ниже
приведены результаты моделирования, полученные в программе LTspice.
Искажения -132 дБ на частоте 5 кГц.
Благодаря хорошей симметричности схемы вторая гармоника на порядок меньше 3-й, которая и определяет величину THD.
Усилитель с удивительной лёгкостью прошёл тест SMPTE. Искажения исчезающе малы.
Уровень разностного тона 19&20 кГц на уровне точности вычислений, интермодуляция первого порядка - 0.00006%,
интермодуляция второго порядка - 0.00001%, гармонические искажения - 0.0003 % Интересно, что воспроизведение сложных сигналов, похожих на звуковые (тесты CCIF и SMPTE)
усилителю даётся чрезвычайно легко,
искажения на них исчезающе маленькие.
На слух это выглядит как абсолютная лёгкость СЧ и невесомость ВЧ, на которых открываются множество музыкальных нюансов, НЧ очень фактурны и разнообразны, а звук в целом обретает телесность и слитность. Динамика воспроизводится без малейшего напряжения, вплоть до болевого порога слуха. Но это всё, понятно, на наушниках STAX SR-009.
Полоса пропускания 800кГц, запас по фазе - 70 градусов.
