ЦАП - Предусилитель - Усилитель для электростатических наушников.
Это вторая версия Static'a, историю разработки и параметры первой версии читайте здесь
STATIC-2 получил лучший в аудио-индустрии ЦАП и электростатический усилитель с исчезающе малыми искажениями,
и способен удивить самых искушенных ценителей правдивого звука.
Преамбула разработчика, или какими соображениями я руководствовался
при проектировании ES Static-2.
ES Static-2, как и все наши изделия, построен в соответствии с принципами, главные из которых:
- минимум "ступеней" усиления с максимально глубокой ООС в каждой из них
- минимум компонентов, окрашивающих звук - конденсаторов, элементов коммутации и схем с высоким импедансом
- минимальная длина проводников и максимально компактный дизайн.
Наверное, все согласятся с тем, что наушники - устройство для персонального прослушивания музыки. Даже если это не просто затычки, а STAX SR-009. Конечно, сделать Static настолько компактным было непросто, но зато мы имеем не только самый совершенный, но и самый малогабаритный усилитель для электростатов.
Конечно, мы разрушили бы идею персонального устройства, если бы не поставили в Static ЦАП. И, мы разрушили бы наш концепт, если бы поставили ЦАП не самого высокого класса. Поэтому ES Static-2 содержит чип ES9018 признанного мирового лидера - американской компании ESS Technology. Этот ЦАП, помимо лучших в индустрии параметров, при условии его "правильного приготовления" обладает невероятно живым звучанием.
Все усилительные ступени аналоговой части имеют совершенно уникальную, "комбинированную" архитектуру и характеризуются абсолютно прозрачным, чётким и натуральным звучанием. Подробнее о параметрах ЦАПа и его устройстве здесь
USB интерфейс выполнен на чипе последнего поколения XMOS. Он полностью свободен от джиттера, поскольку работает в асинхронном режиме и содержит два малошумящих кварцевых генератора
для сеток частот 44.1 и 48 кГц. Интерфейс поддерживает передачу PCM до 24/384кГц и DSD до 5.6 МГц (Asio, DOP).
Для Windows существуют подписанные драйвера, работает Asio, Wasapi, Kernel Streaming. В компьютерах Mac имеется встроенная поддержка. Для iPhone и устройств под Android доступен софтовый плеер с возможностью вывода DSD. Несмотря на скромную цену (порядка 10$) плеер отличается весьма высоким качеством.
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.
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 сопротивление ES Static составляет всего 3 Ома.
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.
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 соображений 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.
Усилительные ступени аналоговой части имеют совершенно уникальную, "комбинированную" архитектуру.
Каскады на дискретных элементах объединены с высококлассными ОУ в единую структуру, так, чтобы оптимально использовать преимущества как дискретных, так и интегральных компонентов. Широко используются местные обратные связи, которые не только линеаризуют отдельные каскады усиления, но одновременно позволяют получить глубочайшую общую ООС ступени в целом.
Благодаря такому нетрадиционному подходу удалось создать усилители с абсолютно уникальным сочетанием параметров. С одной стороны - устойчивость к ВЧ помехам и огромное усиление (более 5 млн. на частоте 20кГц), с другой - нагрузочная способность на уровне специализированных усилителей для наушников.
Для самой требовательной ступени - пребразователя ток / напряжение ЦАПа ESS Sabre32, был создан сверхбыстрый комбинированный усилитель с усилением в триста раз выше, чем у самых хороших ОУ. Его устойчивость к ВЧ помехам, в изобилии присутствующим на выходе ЦАПа - в десятки раз лучше, чем у отдельно взятого ОУ. Глубина ООС - более 130 дБ (три миллиона раз) в звуковом диапазоне частот, а уровень нелинейных искажений - менее 0.00002% на частоте 20кГц.
Выходное напряжение усилителя достигает 300В, поэтому крайне важно ограничить выходной ток на безопасном для человека уровне. В отличие от большинства серийных изделий, ES Static имеет электронное ограничение тока на уровне 15 мА для переменного и 7 мА для постоянного токов.
Все четыре канала усиления питаются отдельными двуполярными высоковольтными источниками +/- 300В.
Все напряжения питания (а всего их 11) стабилизированы.
- минимальные габариты и масса
- универсальность питания (100-240В АС)
- все варианты бытовых цифровых аудиоинтерфейсов, возможность использовать смартфон или планшет в качестве источника
- высококачественный выход на динамические наушники
- Наличие выхода после регулятора громкости.
Static-2 может служить в качестве ЦАПа, предварительного усилителя и усилителя для наушников
- Дистанционное управление
Что отличает ES Static-2 от конкурентов
1. Исчерпывающая чёткость, ясность и слитность.
2. Наличие встроенного ЦАПа ( ES9018, AK4490, CS4398, PCM1704 и пр.)
3. Мобильность и компактность (ведь это почти переносное устройство, не так ли?!)
4. Наличие цифровых входов USB, Coax, Optic
5. Независимость от параметров нагрузки и низкое выходное сопротивление для точного управления нагрузкой
6. Наличие высококачественного выхода для динамических наушников
7. Наличие выхода после регулятора громкости.
Static-2 может служить в качестве ЦАПа, предварительного усилителя и усилителя для наушников
8. Дистанционное управление
Параметры высоковольтного усилителя ES Static
Выходное напряжение 400 В rms
Выходная мощность 2 х 2.2 Вт
max. SPL Stax SR-009 107 dB
Максимальный выходной ток 15 мА AC, 7 мА DC
Напряжение смещения (bias voltage) 450 / 580 В
Коэффициент усиления 300 (49 дБ)
THD 1 kHz , 0 dB 0.0002%
THD 7 kHz , -3 dB 0.0002%
IMD 600Hz +15 kHz, -3dB 0.0003%
Выходное сопротивление 3 Ома
Малосигнальная полоса пропускания 0 Гц - 800 кГц
Потребляемая мощность 20 Ватт
Параметры связки ЦАП / предусилитель ES Statiс - 2
Тип ЦАПа ES9018
Приёмник SPDIF WM8804
USB интерфейс, свободный от джиттера XMOS
Цифровые входы USB, Coax, Toslink
Цифровые выходы Coax (USB to Coax)
Линейный вход (RCA, 5 кОм) -3 dBV (800mV RMS) min
Выход предварительного усилителя (выходное сопротивление 10 Ом) RCA, XLR
Выход на сабвуфер RCA, сумма L+R
Уровень выходного напряжения на аналоговом выходе RCA +9 dBV (3В rms)
Уровень выходного напряжения на аналоговом выходе XLR +15 dBV (6В rms)
Частоты дискретизации USB РСМ до 24 / 384 кГц, DSD до 5.6 МГц (DSD128)
На сегодняшний день ES STATIC-2 - самый компактный усилитель для электростатов, единственный усилитель с ЦАПом на борту и выходом на динамические наушники, и единственный усилитель с искажениями менее 0.01%. По последнему параметру STATIC-2 опережает конкурентов в десятки раз, искажения и помехи всех сортов в 300000 раз меньше музыкального сигнала.
Звучание STATIC-2 - точное и абсолютно неокашенное, звук не "тёплый/мягкий/светлый/тёмный" или какой-то ещё, он просто НАСТОЯЩИЙ. Очень разный, с мириадами неслышанных ранее нюансов. Звука много меньше, но то что есть, есть здесь и сейчас. Очень читаемо и очень конкретно - атмосфера, дыхание, присутствие.
Звучание инструментов происходит в полной тишине, а когда трек заканчивается, музыка как будто продолжает звучать.
