Щелчки и артефакты при регулировке громкости (связанные с импедансом)

Этот документ описывает проблемы, вызванные взаимодействием меняющегося выходного импеданса релейного РГ Никитина с входным каскадом усилителя. Физически это не неисправность РГ, а особенность его работы, проявляющаяся в чувствительных к этому трактах.

Главная проблема: Щелчки в акустике на переходах (31-32, 15-16, 7-8 и т.д. дБ)

Физическая причина:
Выходное сопротивление (Rout) РГ Никитина меняется не плавно, а скачкообразно. Наибольшие скачки происходят при переключении старших разрядов.

Входной каскад большинства усилителей на биполярных транзисторах имеет ненулевой входной ток (Iвх). Этот ток очень мал, но измеряется в микро- или наноамперах.

Этот микроток создает на выходном сопротивлении РГ паразитное постоянное напряжение смещения (Uсм = Iвх * Rout).

В момент переключения реле Rout скачком меняется (например, с 250 Ом на 1.6 кОм), а вместе с ним скачком меняется и напряжение смещения. Этот скачок напряжения и воспринимается усилителем как полезный сигнал, что мы слышим как щелчок в колонках.

Симптомы:

Щелчки разной громкости строго на одних и тех же уровнях громкости (чаще всего -31/-32, -15/-16, -7/-8, -1/0 дБ).
В остальных положениях регулировка абсолютно тихая.
В наушниках и на высокочувствительной акустике слышимость резко возрастает.
Щелчки могут зависеть от прогрева усилителя (меняется Iвх).
Методы диагностики и решения (от простых к сложным)

1. Диагностика источника постоянного смещения
Прежде чем лечить щелчки, нужно убедиться, что их источник — именно усилитель, а не компоненты до него.

Проверка источника сигнала:

Проблема: Наличие постоянного напряжения (DC offset) на выходе ЦАПа или предусилителя.

Диагностика: Измерить мультиметром постоянное напряжение на выходе источника (в режиме измерения мВ). Нулевым или близким к нулю оно должно быть без сигнала. Наличие даже нескольких мВ даёт громкие щелчки при отсутствии разделительного конденсатора.

Решение: Если постоянка на источнике есть, нужно либо лечить источник, либо установить разделительный конденсатор на входе РГ.
 

2. Коррекция входного импеданса усилителя (Согласование нагрузки)

Входное сопротивление (Rвх) усилителя не соответствует расчетной нагрузке РГ (обычно 10 кОм, для данного регулятора - 10 кОм, для сборок под заказ может быть другим). Если Rвх выше 10 кОм (например, 47 кОм, 100 кОм), регулировочная характеристика РГ искажается, шаги становятся неравномерными, что может усугублять слышимость щелчков.

Решение: Нужно "привести" входной импеданс усилителя к расчетному (например, 10 кОм). Для этого параллельно входу усилителя (или на выходе РГ) впаивается нагрузочный резистор Rн.

Расчет номинала резистора (Rн):

Rн = (10 * Rвх) / (Rвх - 10), где Rвх — входное сопротивление усилителя в килоомах.

Пример: Для усилителя с Rвх = 47 кОм, Rн = (10 × 47) / (47 - 10) ≈ 12.7 кОм. Округляется до 13 кОм.

Пример: Для усилителя с Rвх = 100 кОм, Rн ≈ 11.1 кОм (можно 10-11 кОм).

Примечание: Для данного регулятора и других одноканальных плат этот резистор часто уже распаян на плате или его номинал уточняется. На некоторых платах регулятор это R__, R__.

3. Основные методы устранения щелчков (когда источник сигнала чист)

Выбор метода зависит от вашего усилителя и допустимости вмешательства в его схему.

Метод А: Замена/выбор усилителя с низким входным током.

Описание: Самый эффективный метод, устраняющий причину. У усилителей с полевыми транзисторами (JFET, MOSFET) на входе или с ОУ с полевым входом (AD8065, AD825, OPA1642, OPA2134, LME49720) входной ток измеряется пикоамперами, и им можно пренебречь. Ламповые каскады также не имеют этой проблемы.
Результат: Щелчки пропадают полностью.

Метод Б: Компенсация входного тока.

Описание: Искусственное создание тока, равного по величине и обратного по знаку входному току усилителя.

Реализация: На вход усилителя (после РГ) подается небольшое постоянное напряжение от химического источника (например, часовой батарейки на 1.5 В) через резистор большого номинала (единицы мегаом). Резистор подбирается так, чтобы скомпенсировать падение напряжения на выходном сопротивлении РГ в наиболее "щелкающих" положениях.

Результат: Частичное или полное подавление щелчков, но требует точной подстройки и стабильности. Может "уплывать" с прогревом.


Метод В: Установка разделительного конденсатора.

Описание: Конденсатор, установленный последовательно между выходом РГ и входом усилителя, блокирует постоянное напряжение смещения, пропуская только звуковой сигнал.

Реализация: Неполярный электролитический (NP) или пленочный конденсатор. Номинал: 10-47 мкФ, на напряжение не ниже 16 В. Устанавливается в разрыв сигнального провода.

Результат: Щелчки исчезают полностью, но в звуковой тракт добавляется дополнительный элемент, что может незначительно влиять на звук.


Метод Г: Уменьшение номинала РГ (Снижение выходного сопротивления).

Описание: Рассчитывается и собирается РГ с номиналом 1-2 кОм вместо 10 кОм.

Результат: Скачки выходного сопротивления становятся в 5-10 раз меньше по абсолютной величине, что снижает амплитуду щелчков. Однако это предъявляет повышенные требования к нагрузочной способности источника сигнала (ЦАПа).


Метод Д: Применение инвертирующего усилителя.

Описание: Входное сопротивление инвертирующего усилителя постоянно и равно резистору на входе. Если сделать его равным расчетной нагрузке РГ (10 кОм), выходное сопротивление РГ перестает влиять на режим работы ОУ по постоянному току.

Результат: Проблема решается схемотехнически на уровне оконечного усилителя.

 

FAQ: Часто задаваемые вопросы по проблеме щелчков

Вопрос: Почему у одного и того же РГ на одном усилителе щелчки есть, а на другом нет?
Ответ: Потому что проблема в величине входного тока усилителя. Токи смещения даже у одинаковых моделей ОУ или транзисторов могут различаться в несколько раз. У некоторых усилителей он настолько мал, что щелчки ниже порога слышимости. 

Вопрос: Я слышу щелчки, даже когда источник сигнала выключен. Это нормально?
Ответ: Да, это говорит о том, что проблема именно на стыке РГ-усилитель (входной ток усилителя), а не в постоянном смещении от источника. 

Вопрос: Конденсатор полностью решил проблему щелчков, но появился "гул" на малой громкости. Почему?
Ответ: Это может быть связано с наводками на провода от РГ до усилителя. Конденсатор здесь ни при чем. Решение: максимально укоротить провода "РГ -> УМ" и/или заэкранировать их. 

Вопрос: Может ли помочь смена реле на "менее щелкающие"?
Ответ: Нет. Щелчки в динамиках почти всегда вызваны электрической причиной (входной ток), а не акустическим шумом самих реле. Замена реле повлияет только на громкость механических щелчков платы, но не на звук в колонках.