Навигация по сайту Моя кладовка

Простой усилитель для наушников

Этот усилитель можно использовать как отдельное устройство, так и встраивать его в различную аппаратуру - усилители, ЦАПы, и т.п.

 

Это простая, но очень неплохая схема. Я задумал еще три схемы, причем очень высокого качества, и таких, которые можно (и нужно) изготовить в виде отдельного блока в отдельном корпусе. И которые не уступят хорошим дорогим моделям (а то и превзойдут, т.к. планируются использовать не выдумки, а хорошие технические решения).

Схемы разные и интересные и находятся в состоянии проработки.

Как только они будут готовы, я их опубликую в журнале "Радио" а потом на сайте

 

В «школьных» учебниках термину «усилитель» дают такое определение: усилитель – устройство, у которого мощность на выходе больше, чем мощность на входе. То есть, усилитель обязательно усиливает либо напряжение, либо ток, либо и то, и другое одновременно. Однако это не всегда так. По-другому можно сказать, что усилитель – это устройство, обеспечивающее в нагрузке требуемые параметры сигнала (напряжение, ток, мощность, АЧХ, и т.п.) при заданных параметрах источника сигнала. Это более точное определение и оно очень хорошо подходит к усилителям наушников, потому что обычно от них не требуют усиливать ни напряжение, ни ток, ни мощность. Наоборот, иногда это все нужно уменьшать. Например, для большинства наушников рабочее напряжение меньше одного вольта амплитуды, а на выходе стационарного СД-плеера или «нормальной» звуковой карты оно достигает трех вольт. И выходного тока этих устройств обычно вполне достаточно для работы наушников. Поэтому, если просто подключить наушники к выходу звуковой карты или СД-плеера, то они, скорее всего, играть будут. И скорее всего слишком громко. В звуковой карте можно отрегулировать громкость программно и слушать. Другое дело, что выходы этих устройств не рассчитаны на подключение такой низкоомной нагрузки. Например, там могут стоять выходные конденсаторы маленькой емкости – для высокоомной нагрузки, каковой является усилитель, это в самый раз. А подключив наушники, получим спад АЧХ на частоте 300...500 Гц. Да и блок питания электроники источника сигнала может быть не рассчитан на дополнительный ток миллиампер в 30...50, уходящий в наушники.

Хотя, если честно, то усилитель наушников (да и любой другой) все-таки усиливает мощность: ведь у него высокое входное сопротивление, и мощность, потребляемая от источника сигнала, очень маленькая. Намного меньше, чем выходная мощность на наушники.

Поэтому основные задачи, решаемые усилителем наушников, таковы:

  1. Иметь высокое входное сопротивление, которое «ожидает увидеть» на своем выходе источник сигнала.
  2. Иметь регулятор громкости.
  3. Иметь низкое выходное сопротивление и возможность легко выдать на выход ток примерно до 20…50 мА на канал.
  4. Иметь на выходе нулевой потенциал по постоянному току, причем без выходных разделительных конденсаторов.

Все эти задачи легко решает практически любой современный операционный усилитель (ОУ). Так что самый простой и достаточно хороший усилитель для наушников может быть собран всего на одном ОУ. И качество звучания он дает такое, что многие переход на лучший усилитель на самом деле не заметят.

Важное замечание. Этот усилитель для наушников не предназначен для внесения каких-нибудь «красиво звучащих» искажений, он не изменяет усиливаемый сигнал и поэтому «не звучит красиво». Он звучит максимально правильно, чтобы сигнал в ваших наушниках был максимально похож на то, что слышал бы (в наушниках) звукорежиссер, слушая подготовленную к тиражированию фонограмму. Если хотите «приукрашенного» звука – делайте усилитель на одном транзисторе, в инете таких схем много. По этой же причине в данный усилитель не нужно ставить офигенно дорогих аудиофильских деталей – он прекрасно работает с нормальными качественными. Перебирая проводочки и конденсаторы, можно конечно изменить его звучание, но на самом деле это будет всего лишь самовнушение.

Итак, усилитель для наушников на одном ОУ. Поскольку напряжение источника сигнала усиливать не нужно, то ОУ включается повторителем напряжения. При этом глубина его ООС максимальна, а искажения – минимальны. Уменьшить уровень сигнала (что практически всегда требуется) можно регулятором громкости.

Схема усилителя для наушников.

усилитель для наушников

Переменный резистор Р1-Р2 – регулятор громкости. В скобках даны пределы его сопротивлений, при которых все тоже работает, но лучше выбирать те значения, что без скобок. По-хорошему, он должен иметь логарифмическую зависимость сопротивления от угла поворота, но для наушников, громкость которых обычно не регулируют в широких пределах, а настраивают один раз, вполне подойдет линейный регулятор. Конденсаторы С1 и С2 отсекают постоянное напряжение во входном сигнале и одновременно являются фильтром инфранизких частот. С такой емкостью нижняя рабочая частота усилителя примерно равна 10 Гц. Снижать ее не стОит, а вот повысить (уменьшив емкость конденсаторов) в принципе можно, особенно если вы берете входной сигнал с проигрывателя виниловых грампластинок – в них из-за коробления пластинки и эксцентриситета могут возникать мощные колебания с частотой примерно 0,5...3 Гц. Чтобы их лучше подавить, частоту входного фильтра усилителя можно выбрать примерно 25 Гц, тем более, что более низкие частоты на винил практически не пишут.

Выходные резисторы R5,R6 помогают ОУ защищаться от КЗ при включении-выключении наушников. Кроме того, они немного повышают выходное сопротивление усилителя. Некоторые наушники при повышении (в разумных пределах) выходного сопротивления усилителя немного лучше звучат. Так что с этими резисторами можно немного поэкспериментировать, подбирая их под себя. Только не забывайте, что R5=R6.

Резисторы R0R и R0L нужны в том редчайшем случае, если при полной громкости ее все равно не хватает, и наушники звучат тихо. Установка этих резисторов увеличивает коэффициент усиления в два раза. Для того, чтобы минимизировать постоянную составляющую на выходе, хорошо бы при этом сделать R1 = R2 = 24кОм.

Ну и самое «вкусное» - напоследок. Микросхемы. На самом деле, подойдут любые «обычные» ОУ с выходным током, достаточным для ваших наушников. Список тех, что я проверял экспериментально – на схеме. ОУ других типов применять в принципе можно, но неизвестно, насколько хорошо они подойдут по выходному току. По идее, неплохо подойдут и TL072. «Сверхбыстрые», или какие-нибудь Rail-to-rail ставить не рекомендую: огромная скорость на самом деле не нужна, а в режиме повторителя они могут возбуждаться. Или ловить ВЧ помехи. Иногда приходится слышать: а давайте установим «супермикросхему», типа она будет очень хорошо работать в облегченном режиме. Это все равно, что на Жигули установить двигатель от Боинга, чтобы он работал в облегченном режиме. Насчет того, какая микросхема лучше по звучанию: практически никакая. В «зрячем» прослушивании мы хорошо замечаем разницу, потому что видим микросхему. Я проводил слепой тест сравнения такого усилителя между микросхемами JRC4556, имеющую большой выходной ток и высоколинейный выходной каскад (Исследование линейности ОУ при больших выходных токах), и JRC4558 у которой выходной каскад весьма слаботочный. Наушники Sennheiser HD-598 сопротивлением 50 Ом (т.е. достаточно низкоомные, чтобы потреблять сравнительно большой ток), и тест показал, что эти две сильно разные микросхемы (микросхему 4558 я даже вообще не рекомендую) различаются слабо: различие есть, но оно статистически малозначимо (хотя и прослушиваний было мало – я пока только отлаживаю все это дело). Так что если такие сильно разные микросхемы (а одна из них практически не пригодна для питания наушников) различаются несильно, то хорошие микросхемы между собой будут неразличимы (это если вы микросхему в возбуждение не загоните).

Питание усилителя может быть стабилизированным и не стабилизированным. Стабилизированное немного лучше. Напряжение от 12 до 15 вольт на плечо. Если напряжения плеч одинаковые – это очень хорошо, но не обязательно, лишь бы не сильно различались. Для стабилизатора обеспечить одинаковость напряжений легко, а вот в случае нестабилизированного питания и разбаланса напряжений обмоток силового трансформатора, можно словить и разные напряжения. Чтобы этого не случилось, следует использовать «стандартную» схему двухполярного двухполупериодного выпрямления с одним диодным мостом, в ней каждая из полуобмоток трансформатора работает поочередно на оба плеча выпрямленного напряжения. Что-то типа вот этого (это очень варьируемая схема):

блок питания усилителя наушников

Ток, потребляемый усилителем от источника питания порядка 50...100 мА.

Как лучше делать блок питания – отдельным, или на плате усилителя? Если на плате, то надо помнить, что через конденсаторы фильтров проходят импульсы зарядного тока в несколько ампер. И это все рядом с сигналом. Если отдельно – то начинает сказываться сопротивление и индуктивность кабеля. Хотя, во втором случае конденсаторы в цепи питания на самой плате помогают избавиться не только от влияния кабеля, но и вообще отстроиться от неидеальности отдельного блока питания.

Напряжение питания 12 вольт предпочтительнее, т.к. до ограничения далеко, а микросхема меньше греется, что при низкоомной нагрузке заметно. Если есть в наличии конденсаторы с низким ESR, то их лучше устанавливать на самой плате (а не в отдельном блоке питания). Если нет – не страшно. Не нужно гнаться за суперконденсаторами, типа Rubycon, Elna, Nichicon (хотя, если они есть - ставьте, они очень хорошие). Вполне подойдут «обычные» конденсаторы Jamicon, CapXon, Samwha, ELNA, Panasonic, Epcos. Лишь бы не какие-нибудь «Суньвынь». С отечественными надо быть осторожными – есть с хорошими параметрами, но большими габаритами; есть с маленькими габаритами и плохими параметрами; есть с большими габаритами и плохими параметрами. И вроде как появились маленькие и хорошие. Не измерив, не скажу. Емкость С4, С5 можно увеличить, но без маньячества: огромные конденсаторы вызовут появление индуктивности у длинных проводов и дорожек платы. Если питание стабилизированное, С3...С5 можно использовать керамические.

В принципе, как сделать источник питания можно почитать здесь: Маломощный блок питания. Причем там на рисунке 5 приведена схема с резисторами в первичной обмотке. Их сопротивления можно увеличить в 2...3 раза (для трансформатора с габаритной мощностью не более 20 ВА), что уменьшит бросок тока при включении и слегка снизит индукцию в трансформаторе, а значит и излучаемые им помехи. Только нужно проконтролировать температуру резисторов (перед этим НАДО ВЫКЛЮЧИТЬ блок питания из сети!!!) – если греются, увеличить их мощность или снизить сопротивление. И напряжение на выходе выпрямителя из-за влияния резисторов может немного упасть, хотя это не страшно - на усилитель можно подавать и более низкое напряжение, но все же меньше 9 вольт на плечо не следует. И микросхемы стабилизатора использовать без индекса L, в корпусе ТО220 (большом), как рисунке 10 слева - они легко обеспечат нужный ток и не будут сильно греться.

Дополнение.

Был задан вопрос: действительно ли один обычный операционный усилитель потянет наушники? Ведь есть схемы, где ОУ умощняется дополнительными транзисторами. Причем в старой советской аппаратуре только такие схемы и использовались.

Действительно, старые ОУ (в том числе и советские) имели сравнительно небольшой выходной ток и сильно нелинейный выходной каскад, поэтому их приходилось умощнять. Выходной ток современных ОУ в 3…6 раз больше, а собственные искажения выходного каскада при этом могут быть даже меньше! Посмотрите графики Кг и особенно нормированного к номеру гармоники Кг’, показывающего преобладание "плохо звучащих" высших гармоник: Исследование линейности ОУ при больших выходных токах. Так что современные качественные ОУ, особенно такие, у которых выходной каскад может выдать сравнительно большой ток при низких искажениях, звучат очень хорошо, и именно их я и рекомендовал для этого усилителя. Скорее всего, что очень многие люди не заметят разницы между "голым" (но хорошим) ОУ и более "крутой" схемой с умощненным операционником. Если же в схеме используются старые "советские" детали (ОУ и транзисторы), то она может иметь даже худшие параметры из-за плохих свойств устаревших компонентов. Я уже писал выше, что при работе на сравнительно низкоомные наушники сопротивлением 50 Ом (причем наушники не дешевые, так что их собственное качество звучания высокое) даже применение сравнительно слабой и "не очень" современной микросхемы (такой, которую я не рекомендую по причине ее небольшого выходного тока и высоких искажений) "не бросается в глаза" – снижение качества звучания не очень заметно, но все же оно есть. А с хорошей микросхемой – так и еще намного лучше!

Схема на одном ОУ применяется, например, для питания наушников в серьезной музыкальной звуковой карте EMU-0404. Такой же выход я использую в своем мультимедийном усилителе Обзор и доработка Top device TD 180/2.0 (только я забыл там на рисунке изменить название ОУ - у меня на наушники реально работает ОРА2134). И звучит вполне хорошо (от звуковой карты ESI Juli@).

На самом деле я планирую собрать и более "навороченные" схемы усилителей для наушников (потому что они способны дать максимальное качество звука), причем уже вчерновую проработал три интересные схемы умощнения ОУ, но пока что нет времени на это. Когда соберу, то обязательно сравню их со схемой на одном ОУ в слепом тесте (только такой тест дает реальное сравнение именно звука, а не моих визуальных предпочтений или сиюминутных настроений). Вот тогда и посмотрим – есть ли разница и велика ли она...

 

31.08.2013 - 11.09.2013

Счетчик 

Яндекс.Метрика