TiERRA Classic 2 – это сверхбыстродействующий и сверхширокополосный фазолинейный УМЗЧ, построенный по принципу тройного композитного усилителя. Данное аудиоустройство было задумано, как абсолютно бескомпромиссное, на полный цикл разработки понадобилось более 15 лет и в проект были вложены значительные средства и силы. Естественно, что в период работы над усилителем были как макетные образцы, опытные экземпляры, так и промежуточные, но технически законченные аудиоустройства, которые принимали участия в различных Выставках Hi-End техники, начиная с 2011 года. Данная статья о последней версии усилителя TiERRA - TiERRA Classic 2, появившейся в свет в 2023 году. Об истории создания напишу в конце статьи, а пока расскажу, чем отличается конструкция усилителя TiERRA от других аудио-компонентов того же назначения.
1. TiERRA является одним из самых быстродействующих и самым широкополосным усилителем в мире. Он может усиливать все - от постоянного тока до видеосигнала.
2. Конструкция выполнена в форм-факторе полноценного «двойного моно», каждый канал имеет отдельный трансформатор в экране, выпрямитель, блок ёмкостей и свою схему защиты АС от постоянного напряжения. Первичные цепи оснащены фильтрами второго порядка от ВЧ помех и фильтром постоянного напряжения в электросети. Все сервисные схемы питаются от двух отдельных слаботочных трансформаторов.
3. Мощность блока питания усилителя 500 Вт – он спроектирован с трехкратным запасом относительно максимальной потребляемой мощности. Емкость конденсаторов фильтра питания 1 200 000 мкФ, общая энергоемкость блока питания составляет 375 Дж, что при максимальной выходной мощности 30 Вт\4 Ом обеспечивает каждый Ватт энергией в 12.5 Дж или 25 Дж на нагрузке 8 Ом. Это, ориентировочно, в 100 раз больше, чем у типового бюджетного Hi-Fi усилителя. Для плавного заряда батареи электролитов установлена система ограничения потребляемого тока при включении питания.
4. У усилителя TiERRA нет разделительных конденсаторов, нет емкостной коррекции, нет ограничения частотного диапазона. Это позволило сократить фазовый сдвиг сигнала во всей полосе звуковых частот до 0.38 градуса.
5. Конструкция усилителя сделана таким образом, что в ней практически отсутствуют соединительные провода по питанию и полностью отсутствуют сигнальные провода. Входные разъемы RCA и терминалы для подключения АС соединяются непосредственно с платой усилителя, которая расположена вдоль задней стенки. Вся топология обоих каналов усилителя – оконечные каскады, усилители напряжения, релейный селектор входов и лестничный релейный регулятор громкости локализованы в области разъемов и занимают на печатной плате место размером 140 мм х 70 мм (на фото ниже - между алюминиевыми брусками для крепления радиатора).
6. Все печатные платы усилителя имеют толщину меди 105 мкм (стандарт 18 или 35 мкм) и сквозную металлизацию отверстий. Длина связей максимально короткая, дорожка общей ООС имеет длину всего 4 мм и резистор обратной связи снимает сигнал прямо с клеммы терминала для подключения АС. Контактная группа реле защиты не включена в сигнальную цепь, что исключает зависимость качества звучания от физического состояния контактов и снимает ограничения с величины выходного сопротивления усилителя, связанные с переходным сопротивлением замкнутой контактной группы (обычно, около 0.005 – 0.007 Ом). TiERRA имеет выходное сопротивление 0.0001 Ом, а в случае использования реле защиты АС в классическом включении коэффициент демпфирования нагрузки изменился бы в худшую сторону в 50 раз.
7. Комплектация усилителя содержит узлы российского производства: транзисторы оконечного каскада (VL035DP+VL035DN), печатные платы, сетевые трансформаторы, оптроны. В проекте использован отечественный лестничный регулятор громкости с контроллером и пультом ДУ разработки Максима Волобуева. Дизайн корпуса разработан в России. Доля российских комплектующих будет увеличиваться со временем.
Технические характеристики:
· Полоса пропускания 0 Гц — 7 000 000 Гц (УПТ)
· Выходная мощность на нагрузку 4 Ом - 30 Вт на канал, на нагрузку 8 Ом - 15 Вт на канал (класс А)
· Ток покоя оконечного каскада – 1 А
· Максимальный выходной ток - 30 А
· Скорость нарастания выходного напряжения – 400 В/мкс
· Отношение сигнал\шум — 120 дБ
· Энергоемкость блока питания — 375 Дж
· Количество входов — 3
· Входное сопротивление — 10 кОм
· Выходное сопротивление 0.0001 Ом (коэффициент демпфирования нагрузки 40000)
· Чувствительность входов — 550 мВ
· Вес 39 кг.
· Уровень нелинейных искажений на 1 кГц при выходном напряжении, близком к максимальному, на нагрузке 8 Ом: 0.0005%
· Уровень интермодуляционных искажений при выходном напряжении на 2 дБ ниже максимального, на нагрузке 8 Ом: 0.0002%
Особенности использования усилителя
1. TiERRA является усилителем постоянного тока (УПТ), поэтому, перед подключением усилителя нужно убедиться, что на выходе источника сигнала нет постоянного напряжения с уровнем выше 1-2 мВ.
2. Усилитель имеет очень широкую полосу и высокое быстродействие. При этом допускается использование неэкранированных межблочных кабелей, но все кабельные переключения должны производиться при отключенном напряжении питания.
3. TiERRA обладает невысокой выходной мощностью, поэтому значительное звуковое давление она может создать совместно с АС высокой чувствительности. В жилой комнате 20 кв. м. достаточно АС 4 Ом с чувствительностью 86-87 дБ или АС 8 Ом 89-90 дБ. На выставках Российский Hi-End, в помещении более 100 кв.м., необходимую громкость, даже с запасом, обеспечивали АС 4 Ом с чувствительностью 94 дБ.
4. В усилителе установлена защита АС от постоянного напряжения, которая имеет чувствительность 1 В и никак не влияет на качество звука. Защиты оконечного каскада от короткого замыкания в нагрузке нет, так как она подразумевает внедрение следящих элементов в сигнальную цепь, что может негативно отразиться на звучании. К тому же, оперативное отключение питания, при имеющейся батарее электролитов с суммарной емкостью 1 200 000 мкФ, не защитит оконечный каскад. Запасенной энергии блока питания хватит для завершения аварийного сценария. Оконечный каскад УМ имеет максимальный выходной ток 30 А и может выдерживать кратковременные замыкания в нагрузке. На случай долговременного КЗ оконечный каскад защищен эмиттерными резисторами, мощность которых рассчитана так, чтобы с запасом хватало на штатную работу усилителя, даже при провале импеданса АС до 1 Ом, но чтобы они гарантированно перегорали при возникновении аварийной ситуации. Следует тщательно проверять подключение кабелей к АС перед включением питания, так как работа по замене эмиттерных резисторов достаточно трудоемка и связана с полной разборкой усилителя.
История создания усилителя TiERRA
Все началось в 2008 году. К этому времени, где-то с 1987 года, мной уже было построено множество УМЗЧ по опубликованным в разных журналах схемам, самые интересные были облачены в корпуса с органами управления и разъемами, побывали в аудиосистемах друзей и знакомых на многочисленных прослушиваниях. В этот период на своем опыте убедился, что звучание усилителя зависит не только от схемотехники, но и от её реализации в платах и конструктиве, а также от качества примененных комплектующих. Было несколько проектов, которые повторялись несколько раз без изменения схемы, но с глобальными изменениями топологии плат и общей конструкции. Звучание отличалось настолько сильно, что трудно было поверить, что схема у двух УМ абсолютно идентична. В результате, мои конструкции сначала получили собственные печатные платы, а позднее и собственную схемотехнику, так как повторять чужие разработки стало уже не интересно. На прослушиваниях, со временем, удалось понять, как те или иные схемотехнические или конструкторские решения влияют на конечный результат. На основе проведенных экспериментов и исследованиях на макетах, начало вырисовываться направление, куда двигаться в проектировании своих схем и конструкций. По моим наблюдениям, лучше всего звучали усилители, имеющие выше быстродействие, шире полосу и без емкостной коррекции в цепи общей ООС. Это касается и усилителей без общей ООС – местные обратные связи существуют в любом схемотехническом решении усилителя и для их корректной работы тоже нужна высокая скорость нарастания. Когда пишут, что усилитель «вообще без ООС», то это не более, чем маркетинговый ход – такого не бывает.
Чтобы понять, какая величина скорости нарастания выходного напряжения должна быть у УМЗЧ, чтобы ООС не вносила заметных артефактов в звук, была проведена НИР, в рамках которой исследовалось влияние скорости нарастания на звучание при прочих равных условиях. Как выяснилось, для полного счастья нужно 200 В\мкс и выше, хотя все очень неплохо уже при 100 В\мкс. Рассматривались схемы с общей ООС, без общей ООС и с токовой ООС. Проще всего быстродействующий усилитель получался с токовой ООС, но возникали проблемы с устойчивостью и поддержанием нуля по постоянному напряжению на выходе. Усилители без общей ООС обеспечивали недостаточное, с моей точки зрения, демпфирование АС из-за относительно высокого выходного сопротивления. Все это решаемо с помощью дополнительных схем – интегратор для поддержания нуля, корректор выходного сопротивления в оконечном каскаде и т.д., но я всегда был уверен, что исправлять одну «кривизну» с помощью другой – это не лучший метод. Поэтому, выбор был сделан в сторону быстродействующей схемы с общей ООС по напряжению, которая не требовала бы никаких «костылей». Единственным возникшим препятствием оказалась сложность построения усилителя с расчетным быстродействием более 200 В\мкс, для чего нужна и полоса пропускания до нескольких МГц. Чтобы была понятна амбициозность поставленной задачи, поясню: опубликованные в журналах схемы, обычно, имели скорость нарастания выходного напряжения в районе 10-15 В\мкс и диапазон частот до 60-150 кГц, то же можно сказать и о большинстве промышленных Hi-Fi усилителей. В дополнение к этому, для сохранения линейности фазовой характеристики, УМ должен быть УПТ (усилителем постоянного тока, без разделительных конденсаторов в цепи сигнала), не содержать входных\выходных фильтров и емкостей в коррекции. При этом схема должна сохранять устойчивость. Решить задачу удалось, но не на дискретных элементах, а на быстродействующих ОУ в качестве усилителя напряжения и на параллельно соединенных интегральных буферах в качестве оконечного каскада. Одна беда: среди быстродействующих интегральных схем совсем нет таких, которые позволяют использовать напряжение питания более +\- 18 В – то есть, выходная мощность жестко ограничена. Выбор был сделан в пользу композитного усилителя на ОУ AD843 + AD811 с оконечным каскадом на 41 буфере BUF634T в параллель. Данный набор обеспечивал рост быстродействия схемы от входа к выходу, что необходимо для нормальной работы композита и сохранения устойчивости в отсутствие емкостной коррекции, входных\выходных фильтров.
В результате, в 2009 году был построен усилитель мощностью 20 Вт\4 Ом, с полосой 5 МГц, скоростью нарастания 250 В\мкс и с коэффициентом демпфирования 900, который на первых же прослушиваниях «убрал» все, что было в доступе у моего окружения – и винтажные, и авторские, и промышленные усилители на лампах и на полупроводниках, даже с "неприличными" ценниками 10000 $ и выше.
Аппарат участвовал в Выставке "В.Д.Н.Х." (Выставка Достижений Нашего Хай-фай) в 2011 году и в выставке "Российский Hi-End" в 2015 году.
Этот образец был выполнен на самодельных печатных платах с медью 18 мкм, нарисованных лаком и вытравленных в хлорном железе. Комплектация у него была максимальная, которую я мог себе позволить на тот момент. Себестоимость вышла высокой - около 2500$, но назвать его бескомпромиссной конструкцией еще было нельзя.
Пока собирал его, пришло много новых идей, которые планировал реализовать в следующей версии, но так получалось, что руки до этого не доходили. Ситуация изменилась в 2016 году, когда известный разработчик усилителей Александр Трусов принес ко мне свой очередной новый аппарат, который отыграл лучше моего на BUF634T. Меня это зацепило. Сразу нашлось время, и я занялся новым проектом, только теперь на промышленных платах с совершенно другой топологией, на топовых комплектующих и в новом конструктиве. То есть, с того момента началось строительство уже бескомпромиссного усилителя.
К выставке РосХайЭнд-2018 был сделан первый образец, который и получил название TiERRA. Он уже имел другие параметры:
· Полоса пропускания 0 Гц — 8 000 000 Гц (УПТ)
· Выходная мощность на нагрузку 4 Ом — 30 Вт на канал, на нагрузку 8 Ом — 15 Вт на канал (класс А)
· Ток покоя оконечного каскада – 1 А
· Скорость нарастания выходного напряжения – более 400 В/мкс
· Отношение сигнал\шум — 120 дБ
· Энергоемкость блока питания — 172 Дж
· Количество входов — 3
· Входное сопротивление — 10 кОм
· Выходное сопротивление 0.0001 Ом (коэффициент демпфирования нагрузки 40000)
· Чувствительность входов — 550 мВ
· Габариты: 455 мм х 465 мм х 160 мм
· Вес 25 кг.
· Уровень нелинейных искажений на 1 кГц при выходном напряжении, близком к максимальному, на нагрузке 8 Ом: 0.0005%
· Уровень интермодуляционных искажений при выходном напряжении — 2 дБ на нагрузке 8 Ом: 0.0002%
На выходе каждого канала установлено 48 штук BUF634T, а в блоке питания - 885000 мкФ (в прототипе 2009 года было 220000 мкФ). TiERRA звучала существенно лучше предыдущей версии.
В 2019 году аппарат сменил серый, крашеный порошком корпус, на анодированный в черный цвет и в таком виде был показан на выставке РосХайЭнд-2019. Таких усилителей изготовлено всего два: один – у моего друга, второй – в моей домашней аудиосистеме. Управляется только с пульта ДУ, ручек и кнопок нет. Вес усилителя - 25 кг.
Далее, в сотрудничестве с компанией Tophiend, был создан новый дизайн корпуса, над которым работали профессионалы этого дела. Появились ручки и матричный дисплей, увеличена суммарная емкость электролитов до 932000 мкФ. Все остальное осталось без изменений. Была существенно увеличена толщина панелей корпуса и усилитель теперь весит 39 кг.
Этот вариант был сделан в одном экземпляре, в опытном образце корпуса, без надписей и логотипов, хотя в планах было как минимум три – во время пандемии в несколько раз подорожали микросхемы, в том числе и BUF634T, которых в усилителе 96 штук. Это перевело проект в разряд неподъемных по себестоимости. Мало того, BUF634T в корпусе ТО-220 перестали выпускать. Заменить оконечный каскад даже на самые лучшие мощные транзисторы было нельзя – в любом случае терялось быстродействие выходного каскада, и нарушался принцип роста скорости от входа к выходу, что делало невозможным построить схему без емкостной коррекции в петле общей ООС. Можно сказать, что ситуация зашла в тупик. Была мысль использовать 20 пар транзисторов средней мощности Toshiba 2SC5171 + 2SA1930 (2 А, 200 МГц), которые подходят по частотным характеристикам, но как себя поведет эта «гирлянда» в составе композитного усилителя нужно было проверять на модели и на макете. Не знаю, сколько бы это заняло времени, но в начале процесса моделирования до меня дошла информация о том, что выпущены уникальные отечественные мощные транзисторы VL035D, которые имеют подходящие для TiERRA параметры (минимальная граничная частота 100 МГц, ток коллектора 15 А).
Оконечный каскад на этих транзисторах был опробован в бюджетной модели усилителя MCA-100 и показал отличные результаты, которые даже превзошли ожидания. Незамедлительно началась разработка новых печатных плат с учетом изменений в схемотехнике усилителя и блока питания. Чтобы не переделывать корпус усилителя TiERRA, я полностью сохранил форм-фактор плат. Изменения коснулись только радиатора охлаждения – он совсем другой. На фото ниже - опытный образец усилителя и радиатор у него еще не штатный - радиатор будет медный и другой формы.
Благодаря тому, что две пары мощных транзисторов VL035D занимают места на плате существенно меньше, чем 48 буферов BUF634T, удалось увеличить до 400000 мкФ емкость электролитов, расположенных непосредственно на плате усилителя (было 105000 мкФ), а также довести суммарную емкость конденсаторов фильтра до 1200000 мкФ.
Опытный образец усилителя TiERRA на отечественных транзисторах был собран в 2023 году и показал практически все те же основные параметры за исключением частотного диапазона и энерговооруженности – полоса стала чуть уже: 0 Гц - 7 МГц, но энергоемкость БП - вдвое выше и составляет 375 Дж. Существенное увеличение энерговооруженности, оптимизация топологии печатных плат (путь сигнала на плате стал еще короче), изменения в схемотехнике привели к тому, что последняя версия усилителя TiERRA, на отечественных транзисторах, заметно превзошла по звуку все предыдущие варианты на интегральных буферах BUF634T. На фото ниже - две модификации в одной стойке аппаратуры: TiERRA на BUF634T снизу и TiERRA на отечественных транзисторах VL035D - сверху.
Схема усилителя находится на стадии патентования, поэтому не приведена в статье - это условие патентной организации.
Статья написана на основе личного опыта. Все фото мои.
Оконечные и предварительные усилители в моих обзорах
Винтажные полные усилители в моих обзорах
Цифровые источники звука в моих обзорах
Мои статьи о винтажных ресиверах
Мои статьи о винтажных проигрывателях винила
Мои статьи об импортных винтажных магнитолах
Мои статьи о катушечных магнитофонах
Мои статьи про аудио аппаратуру из СССР
Мои статьи о винтажных тюнерах и портативных приемниках
Ламповые усилители в моих обзорах
Все публикации по теме аудио: https://zen.yandex.ru/prophetmaster_audio
С уважением, О. Шаманков (Prophetmaster)