Wzmacniacze słuchawkowe Ear Stream to unikalne konstrukcje wykorzystujące układy dedykowane do zastosowań telekomunikacyjnych. Wybór tej technologii nie jest przypadkowy. Doświadczeni audiofile wiedzą, iż najlepsze lampy elektronowe jakie można użyć w różnych stopniach wzmacniaczy lampowych to właśnie lampy telekomunikacyjne NOS. Przykładem mogą być tutaj CCa Siemensa.
 
Wyjaśnieniem tego są ostrzejsze wymogi, jakie muszą spełniać układy telekomunikacyjne względem elektroakustycznych. Wymagane jest przede wszystkim szersze pasmo przenoszenia, mniejsze szumy i większa odporność na niekorzystne czynniki zewnętrzne – drgania, zakłócenia elektromagnetyczne i konieczność przesyłu sygnału długimi liniami kablowymi.
 
Obecnie przesył danych odbywa się z dużymi przepustowościami, w związku z tym układy sterujące do linii przesyłowych posiadają bardzo szerokie pasmo, sięgające setek megaherców. Takie układy wymagają sporej dyscypliny od projektanta i znajomości zagadnień EMC, gdyż o wzbudzenia i sprzężenia w takim układzie bardzo łatwo, zwłaszcza że mogą one powstać drogą radiową, poprzez kable wchodzące i wychodzące z urządzenia. Jednak po poradzeniu sobie z tego typu problemami dochodzimy do zalet układów telekomunikacyjnych, jakimi są duże maksymalne prędkości zmian sygnału i niski poziom zniekształceń THD do 100kHz lub wyżej.
 
Układy dedykowane do audio trzymają niski poziom THD do pojedynczych kiloherców najwyżej. Zniekształcenia wyraźnie i coraz szybciej rosną w nich wraz z częstotliwością. Ograniczenia pasma wpływają niekorzystnie na prędkość sprzężeń zwrotnych, a ta im mniejsza, tym większe zniekształcenia intermodulacyjne wywołuje. Można to sobie prosto wyobrazić: sygnał wejściowy jest poddawany wstępnie dużemu wzmocnieniu, które przez ujemne sprzężenie zwrotne musi zostać obniżone do konkretnej wartości. Jeśli informacja zwrotna się spóźnia, dostajemy „piki” na sygnale, a ponadto spada maksymalna prędkość zmian sygnału, jaką można uzyskać w danym układzie. Przykładowo – sygnał prostokątny będzie wyglądał jak trapezowy, ze szpilkami na końcu zboczy. Można więc powiedzieć, że zbyt wolne sprzężenie zwrotne przekłamuje transjenty, przejścia dynamiczne sygnału.
 
Nie dziwi więc, że w układach dyskretnych i lampowych rezygnuje się gdzie można z długich pętli sprzężenia zwrotnego, a czasem nawet całkowicie. Wynika to też z tego, że zniekształcenia intermodulacyjne są przez człowieka zauważane na poziomach wielkości o rząd mniejszych niż zniekształcenia harmoniczne. Gdybyśmy słuchali samych sinusów, albo (nie daj Bóg) napięcia stałego, praktycznie każde sprzężenie zwrotne byłoby zadowalające. Niestety, do sygnałów szybkozmiennych potrzeba szybkiego sprzężenia zwrotnego. Takie właśnie dostajemy we współczesnych sterownikach telekomunikacyjnych, jeśli tylko zaaplikujemy pozostałe komponenty właściwiem i w tej sytuacji możemy się skupić na zaletach sprzężenia zwrotnego, a są nimi: znaczne obniżenie THD, czyli wzrost liniowości wzmacniacza i obniżenie impedancji wyjściowej pozwalające na lepszą kontrolę przetwornika elektroakustycznego. Jeżeli do tego dołączymy możliwość zrealizowania wszystkiego na jednym stopniu wzmocnienia, to układ staje się wysoce przeźroczysty dla wzmacnianego sygnału.

Wzmacniacze słuchawkowe Ear Stream to połączenie maksymalizmu z minimalizmem. Maksymalizm polega tu na starannym doborze komponentów, zwłaszcza kondensatorów łączonych w bloki i w różnych technologiach wykonania. Ma to na celu skompensowanie niekorzystnych cech np. kondensatorów elektrolitycznych przy zachowaniu dobrego odtwarzania dołu pasma akustycznego. Minimalizm sprowadza się do wyeliminowania zbędnych bloków funkcjonalnych i komponentów „na wszelki wypadek” wtrąconych w tor sygnałowy. Wiadomo, że najlepszy rezystor to żaden rezystor, najlepszy kondensator to brak kondensatora lub połączenie galwaniczne, itd. Można by więc wymienić, czego we wzmacniaczu nie ma:

- elementów ograniczających pasmo od góry typu kondensatory w sprzężeniu zwrotnym lub dławiki
- kondensatorów w całym torze wzmocnienia
- DC serwa
- symetrycznego napięcia zasilania; jest pojedyncze

Są to założenia projektowe wynikające z podejścia czysto technicznego i zweryfikowane odsłuchami. Kulminacją kilkuletnich prac konstruktorskich i eksperymentatorskich jest wzmacniacz Sonic Pearl, którego założenia projektowe streszczam poniżej.

Napięcie zasilania układów wzmacniacza Sonic Pearl jest separowane galwanicznie od sieci poprzez wysokiej klasy transformator toroidalny II klasy ochronności. Wszystkie elementy podłączone do uzwojenia wtórnego transformatora pracują na bezpiecznych napięciach poniżej 20V AC oraz 50V DC. Układ wzmacniacza jest zasilany napięciem podwójnie stabilizowanym o wartości 25V, a żaden z dostępnych elementów metalowych obudowy nie posiada potencjału względem ziemi. W związku z powyższym system izolacji urządzenia spełnia warunki II klasy ochronności.

Cały układ wzmocnienia jest zasilany pojedynczym napięciem zasilania. Prostowanie prądu odbywa się poprzez bardzo szybkie diody prostownicze o miękkim przełączaniu w układzie podwajania napięcia. Jest to celowy zabieg pozwalający na zastosowanie wygładzania napięcia w dwóch trybach połączenia kondensatorów – symetrycznie względem uzwojeń transformatora oraz wspólnego z punktu widzenia obydwu połówek napięcia stałego wyjściowego. Każde z tych połączeń tłumi tętnienia o innej częstotliwości przebiegu – 50 i 100Hz odpowiednio. Po wygładzeniu na kondensatorach napięcie zasilacza jest filtrowane kaskadowo przez dwa stabilizatory liniowe na tranzystorach. Każdy z nich posiada skuteczność tłumienia tętnień na poziomie co najmniej 67dB, co daje łącznie 134dB całkowitego tłumienia zakłóceń na wejściach. Nie posiadają one żadnych sprzężeń zwrotnych, a są jedynie wtórnikami napięcia referencyjnego, które powstaje w układzie źródła prądowego i diody Zenera. Ponadto nie posiadają żadnych układów opartych o stałe czasowe, ani układów kompensacji, ze względu na naturalny brak tendencji do wzbudzeń. Pozwala to na idealną pod względem przebiegu odpowiedź napięciową zasilacza na skokową zmianę impedancji obciążenia, bez opóźnień wynikających z bezwładności czasowej czy chwilowych przesterowań charakterystycznych dla układów automatycznej regulacji, i jest rozwiązaniem optymalnym dla audio.

Układ wzmocnienia jest oparty o pojedynczy element wzmacniający w każdym kanale, pracujący z globalnym sprzężeniem zwrotnym i w połączeniu galwanicznym od wejścia do wyjścia słuchawkowego. Wyjście PRE OUT jest separowane łączną pojemnością 20μF w układzie antysymetrycznym. Wzmacniacz współpracuje z pasywną sztuczną masą o bardzo niskiej impedancji dla prądu zmiennego. Pasmo przenoszenia wzmacniacza nie jest w żaden sposób ograniczane. W ciągu dwóch lat optymalizacji udało się wyeliminować konieczność stosowania kompensacji sprzężenia zwrotnego, co znacznie poprawia ogólne walory brzmieniowe Sonic Pearl i innych naszych konstrukcji. Takie rozwiązanie jest jednak możliwe tylko przy zastosowaniu pełnej dyscypliny prowadzenia przewodów wewnątrz oraz sposobu łączenia elementów samego wzmacniacza. Tutaj mamy do czynienia niemal z czystym point-to-point, gdyż wyprowadzenia elementów zbiegają się w tych samych punktach na płytce drukowanej. Jest to niezwykle rzadkie, aby układ półprzewodnikowy był łączony przestrzennie.To samo dotyczy płytek drukowanych zasilacza, gdzie wyprowadzenia drutowe są prowadzone po ścieżkach i stanowią znaczne powiększenie ich przekroju roboczego oraz zmniejszają ich rezystancję. Dla jeszcze większego obniżenia rezystancji, prowadzenie szyn zasilania odbywa się ścieżkami pogrubionymi drutem całkowicie zalanym cyną. Układy aktywne mają również doprowadzenia drutowe, a nie poprzez ścieżki.

Kolejnym unikalnym rozwiązaniem jest sposób, w jaki obniżane jest napięcie stałe na wyjściu (offset). Wstępnie dokonuje tego układ wzmacniający aktywnie poprzez galwaniczne sprzężenie zwrotne, następnie odchyłka generowana przez wzmacniacz jest kompensowana na rezystancji wyjściowej poprzez fabrycznie dostrajane źródło prądowe. Serwo DC w testach odsłuchowych było rozwiązaniem niezadowalającym, ponadto ma ono niekorzystną cechę przetwarzania sygnału roboczego, co w Sonic Pearl nie ma miejsca.

Ogólne założenia projektu są takie: minimalizacja ilości elementów aktywnych, a więc również napięć roboczych, maksymalnie szerokie pasmo i szybkość wzmacniacza, pozwalające na korzystanie z silnego ujemnego sprzężenia zwrotnego bez wynikających z tego zakłóceń w paśmie słyszalnym, a niosące wszystkie podręcznikowe korzyści. Układ zachowuje praktycznie stały, niski poziom THD do 100kHz, co w przypadku rozwiązań dedykowanych do audio ma miejsce do najwyżej pojedynczych kHz, a dalej zniekształcenia szybko rosną wraz z częstotliwością. Ponadto tak szybki czas narastania jak 400V/μs daje stukrotny zapas względem pełnej amplitudy sygnałów z górnego krańca zakresu słyszalnego. Stwarza to idealne warunki do odtwarzania gęstych formatów cyfrowych, z pełnym przeniesieniem transjentów oraz mikro-detali, bez tłumienia lub degradowania alikwotów z pasma ponad-akustycznego, normalnie występujących podczas słuchania instrumentów na żywo. Z wymaganiami przetworników DAC o wysokiej rozdzielczości współgra także zasilacz, dostarczając napięcia o tętnieniach niższych niż najlepszy uzyskiwany łącznie poziom zniekształceń i szumu w topowych układach DAC.

Wysokie parametry urządzenia wynikają także ze starannie dobranych elementów pasywnych – rezystory o tolerancji 1% lub niższej metalizowane, kondensatory o specjalnym przeznaczeniu do audio z wyprowadzeniami z miedzi OFC, niskoimpedancyjne, tantalowe oraz poliestrowe, tranzystory z serii o najwyższym współczynniku wzmocnienia prądowego, okablowanie wewnętrzne wyłącznie solid core miedziane i z miedzi srebrzonej izolowanej teflonem, transformator o mocy 50VA. Obudowa wzmacniacza ze względu na dużą masę 7kg oraz sztywność wynikającą z grubości ścianek 10mm znakomicie tłumi drgania zewnętrzne i likwiduje zależności elektromechaniczne elementów wzmacniacza. Ponadto regulowane nóżki pozwalają ustawić go stabilnie nawet na krzywej powierzchni.


Michał Wyroba
Strony internetowe POLIMAN