Навигация по сайту

Усилитель наушников в классе А с однотактным выходом

на промышленной плате

 

 

В этом усилителе нет никакой магии, просто техника.

Профессор А. Дамблдор

 

Я уже писал про новый усилитель наушников с однотактным выходным каскадом, работающем в классе А. Для этого усилителя наушников я изготовил платы промышленным способом. Здесь описывается вариант усилителя именно для промышленной платы, но есть много дополнительных сведений и по «самодельному» варианту, так как это один и тот же усилитель. В чем-то материал повторяется, но много и нового, поэтому он будет полезен и тем, кто захочет сделать печатную плату самостоятельно. В статье по ссылке (усилитель на «самодельной» плате) описаны принцип работы и назначение элементов, а также стратегия его разработки - много материала, полезного для понимания работы усилителя.

Самое главное: этот усилитель никак не приукрашивает сигнал. На выходе имеем точь-в-точь то, что и на входе. При этом усилитель отлично работает с любыми наушниками, кроме электростатических. По своим параметрам услитель превосходит многие молели ценой $1000 и выше, но недорог и доступен для самостоятельного изготовления.

По определению разница между тем, что подается на вход и тем, что получается на выходе, называется искажениями. Поэтому если искажения намного меньше порога чувствительности слуха, то мы их наверняка не слышим. И именно очень маленькие искажения усилителя позволяют мне говорить о том, что звук на выходе точно такой же, как и на входе. Спектр нелинейных искажений на частоте 1 кГц показан на рисунке 1.

Усилитель наушников искажения

Рис. 1. Спектр искажений усилителя на частоте 1 кГц. Полоса учитываемых частот до 96 кГц.

Спектр очень узкий – в нем присутствуют только вторая гармоника, которая «красиво звучит» и немного третья. Чем больше номер (порядок) гармоники, тем неприятнее она для слуха. Третья гармоника еще не является сильно неприятной, а других – большего порядка – и нет, они настолько малы, что не определяются даже чувствительной аппаратурой. Маленькая составляющая частотой порядка 12 кГц не является гармоникой, так как присутствует и на втором графике. Скорее всего, это какая-то помеха. Коэффициент нелинейных искажений Кг (THD) равен 0,0012%. Это примерно в 10 раз меньше разрешающей способности слуха. То есть мы эти нелинейные искажения наверняка не слышим и поэтому в наушниках имеем только то, что и на входе – не больше и не меньше.

Обычно на этом и останавливаются. Но мне хотелось изучить усилитель более подробно. Поэтому вот спектр гармоник при возбуждении усилителя частотой 10 кГц (рис. 2). Это более жесткий тест – на высоких частотах усилители работают хуже, поэтому такой тест никто делать не любит. Я сделал. В тесте учитывались частоты вплоть до 90 кГц, то есть до 9-й гармоники включительно. Но этих гармоник нет, усилитель очень линейный, видимые искажения имеют максимум 4-й порядок. А общая их величина Кг (THD) = 0,011%. Это снова намного меньше разрешающей способности слуха на этой частоте.

Рис. 2. Спектр искажений усилителя на частоте 10 кГц. Полоса учитываемых частот до 96 кГц.

Следующий тест – интермодуляционные искажения IMD. Тест проводился в наиболее жесткой форме: на вход подавалась сумма частот 18 и 19 кГц (рис. 3). На высоких частотах искажения максимальны, так что то, что показано на рисунке – это максимум возможных искажений усилителя. IMD = 0,005%, что опять же меньше разрешающей способности слуха. И снова обратите внимание на небольшое количество возникающих дополнительных частот около возбуждающих сигналов 18 и 19 кГц. Это свидетельствует о том, что порядок нелинейности усилителя небольшой, а значит, производимые им искажения не являются неприятными для слуха.

Рис. 3. Интермодуляционные искажения усилителя (IMD).

Итак, измерения подтверждают, что усилитель отличный и не вносит сколько-нибудь заметных искажений в сигнал. Частоты, кратные частоте 50 Гц – помехи от сети на самом деле также не слышные. При установке усилителя в металлический корпус, помехи от сети снижаются.

Еще одно интересное свойство усилителя: звук возникает не в центре головы, как иногда бывает при прослушивании наушников, а где-то непонятно где. Как будто по ободу наушников. Мне трудно объяснить словами свои ощущения, но они приятные, музыка не долбит мозг, а окружает тебя. Почему так получается – не знаю. Я даже не представляю причин такого эффекта, поэтому не знаю где их искать.

Схема усилителя приведена на рисунке 4. Это та же самая схема, что и в описанном ранее усилителе, поэтому, почему она такая, в чем ее достоинства, как она работает, какими свойствами обладает – все это есть в статье по ссылке. Здесь будут описаны особенности сборки этой платы, применяемые детали, рекомендации по использованию усилителя.

Усилитель наушников

Рис. 4. Схема усилителя.

Печатная плата. Она двухслойная, поэтому в тех же габаритах удалось сделать более плотный монтаж, и уместить на плате не только сам усилитель, но и его блок питания. Так что получился законченный узел: подключаешь силовой трансформатор, регулятор громкости, входные и выходные разъемы, и усилитель готов. При этом удалось избежать применения SMD компонентов, так что монтаж усилителя доступен даже начинающим. Все просто, доступно и качественно. Внешний вид самой платы показан на рисунке 5, а усилитель в сборе – на рисунке 6.

Плата усилителя наушников

Рис. 5. Печатная плата.

Усилитель наушников купить

Рис. 6. Усилитель в сборе.

Плата рассчитана на установку качественных компонентов – раз заявлено высокое качество усилителя (а оно действительно высокое), то и детали должны быть соответствующие. Но качественные – не значит дорогие, хоть и иностранного производства. Они вполне доступны и по цене, и по возможности приобретения. На самом деле усилитель не ухудшится и от применения отечественных конденсаторов и даже транзисторов, но отечественные конденсаторы больше по габаритам, и могут просто не влезть (влезут, но будет некрасиво), а с отечественными транзисторами качество несколько снизится. Резисторы можно использовать любого производства (естественно нормальные).

Спецификация (перечень элементов) доступна для скачивания.

Применяемые детали.

Все комплектующие не дефицитны. Я ориентировался на интернет-магазин Чип и Дип. Не потому, что я его сотрудник или фанат, просто там всегда есть нужные детали, они сравнительно недороги, кроме того, есть доставка по почте в любую точку страны.

Конденсаторы С1 и С3 обрезают частотный диапазон усилителя в области высоких частот. Их частоты среза 48 кГц (может увеличиваться до 58 кГц при низком сопротивлении R2) и 70 кГц соответственно. Их использование защищает усилитель (и слушателя) от ультразвука, улучшает переходные процессы в усилителе и исключает возникновение динамических искажений. Естественно, что при этом слегка захватывается звуковой диапазон – на частоте 20 кГц спад АЧХ составляет 1 дБ. На самом деле это очень мало – меньше разрешающей способности слуха на этой частоте (если кто-то на самом деле слышит такую частоту – по результатам недавно проведенных мною исследований среди студентов, частоту 20 кГц с уровнем 90 дБ слышит порядка 3% молодежи, а с возрастом слух падает). Если такой завал АЧХ вам кажется слишком большим – уменьшите С1 до величины 1000 пФ. Частота среза усилителя по уровню -3 дБ составляет 36 кГц. То есть можно сказать, что усилитель работает до частоты 35 кГц. Подача на вход более высоких частот не перегружает усилитель, он их просто подавляет. В качестве С1 и С3 допустимо использовать конденсаторы с диэлектриком (температурным коэффициентом емкости – ТКЕ) класса НП0 (западное обозначение NP0). Последний символ в обозначении – цифра 0, вместо нее продавцы могут использовать букву О – это то же самое. Такой диэлектрик линейный, и конденсаторы не будут вносить искажения. Если для конденсаторов тип диэлектрика неизвестен, их применять не следует – может заметно снизиться качество звучания.

Напоминаю, что описания усилителей, работающих до частоты 1 мегагерц и выше – не более чем рекламный ход. Воспроизводить такие частоты нет смысла. На компакт-диске не бывает сигнала с частотой выше 22 кГц. На виниловую грампластинку реально не записывается сигнал частотой выше 25 кГц. Цифровые источники «высокого формата» ( SACD и DVD - Audio ) в принципе могут содержать и более высокие частоты, но в реальном звуке частот выше 35…40 кГц нет. Так что АЧХ этого усилителя вполне достаточна для высококачественного звуковоспроизведения. Но главное – усилитель подавляет ультразвук, который вредно влияет и на усилитель, и на человека.

Конденсатор С2 исключает возможность попадания на вход усилителя постоянного напряжения, и заодно ограничивает инфразвуковые составляющие в сигнале. Рассказы о том, что пропускание усилителем постоянного тока улучшает качество – это тоже рекламный ход, ничего не имеющий общего с реальностью. Постоянная составляющая реального звукового сигнала – это атмосферное давление. Оно на качество никак не влияет. Другой постоянной составляющей в звуке не существует. А вот инфразвук очень даже может присутствовать, особенно при проигрывании виниловых грампластинок. И инфразвук очень вреден для человека. Поэтому емкость конденсатора С2 выбирается с одной стороны такой, чтобы спад АЧХ на частоте 20 Гц был не очень большим (опять же, давайте учитывать тот факт, что на этой частоте порог чувствительности слуха к изменению АЧХ довольно высок), с другой стороны – чтобы эффективно подавлять инфразвук. Влияние емкости конденсатора С2 на свойства усилителя приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Емкость конденсатора С2, мкФ

Спад АЧХ на частоте 20 Гц, дБ

Частота среза на НЧ, Гц

0,22

2

15

0,33

1

10

0,47

0,5

7

0,68

0,3

5

1

0,1

3,5

Таким образом, ситуация, когда С2=0,33...0,47 мкФ оптимальна. В моем усилителе, который я слушаю больше года, С2=0,33 мкФ, и нет никаких проблем с низкими частотами. Если вы планируете использовать усилитель для прослушивания винила, и если в усилителе-корректоре винилового проигрывателя отсутствует специальный фильтр инфранизких частот, то можно порекомендовать уменьшить емкость С2 до 0,22 мкФ. Если вы инфразвука не боитесь, и верите в «постоянную составляющую звука», то емкость С2 можно увеличить. Совсем исключать С2 не рекомендую: если вдруг источник сигнала имеет постоянную составляющую выходного напряжения, то усиленное постоянное напряжение попадет в наушники, которые если не сгорят, то диффузоры их динамиков сместятся настолько, что будут сильно искажать звук.

Если есть возможность, можно подобрать конденсаторы С1, С2 и С3 примерно одинаковой емкости в обоих каналах. На самом деле даже с не подобранными конденсаторами ничего плохого не происходит: разница в емкости в пределах разброса конденсаторов (это 5%) дает не настолько большую разницу в фазочастотных характеристиках, чтобы ее было бы заметно (на крайних частотах звукового диапазона чувствительность слуха к фазе очень мала). То есть и без подбора емкости все будет звучать отлично. Но если хотите получить самое-самое лучшее, то можно подобрать конденсаторы по емкости - без фанатизма.

Конденсаторы С4, С5, С9 в принципе любые керамические. Пленочные лучше не использовать – у них частотные свойства хуже. Поскольку конденсатор работают при постоянном напряжении, то их нелинейность на работу усилителя не влияет. Но лучше использовать наиболее качественные конденсаторы с диэлектриком X7R . Емкость может быть другой. Не рекомендуется использовать конденсаторы емкостью менее 0,33 мкФ. Больше 2,2 мкФ конденсаторы использовать можно, но практически нет смысла.

Электролитические конденсаторы С6, С7, С8, С12, С13 можно использовать и на более высокое напряжение, но у них может быть больший диаметр, и они не встанут в плату. Главная задача конденсаторов С7 и С8 – пропустить через себя средне- и высокочастотные составляющие тока нагрузки в обход источника питания. Поэтому в этом месте хорошо использовать качественные конденсаторы не noname, и если есть возможность Low ESR, хотя последнее не обязательно – приведенные измерения искажений сделаны с «обычными» конденсаторами. Применять здесь дорогие аудиоконденсаторы нет смысла.

Конденсаторы фильтра питания С10 и С11 выбраны довольно большой емкости. В данном случае это оправдано: они обеспечивают низкие пульсации и пропускают через себя НЧ составляющие тока нагрузки. В принципе емкость можно уменьшить, но не рекомендуется. Если емкость С10 и С11, равная 1000 мкФ ухудшит свойства усилителя очень мало и на слух незаметно, то меньшая емкость уже будет заметна на слух. Увеличивать их емкость выше 3300 мкФ нет смысла. Использовать конденсаторы Low ESR можно, разницу не услышите, но на душе будет приятно. Конденсаторы должны быть качественные, но и здесь никакие специальные аудиоконденсаторы не нужны. Рекомендуемые типы конденсаторов приведены в спецификации.

Постоянные резисторы металлопленочные, мощностью 0,125 (0,12) Вт, точностью 5% (кроме указанных на схеме). Производитель в принципе не важен (если они не поддельные) – их все делают одинаково, технология давно отлажена. Старые советские резисторы МЛТ тоже можно использовать, но только точностью 5%, менее точные – крайне нежелательно. Использовать R3 и R4 точностью 5% хоть и не рекомендуется, но можно, тогда их надо подобрать по значению сопротивления, чтобы были максимально одинаковыми в обоих каналах. Если есть более точные, чем 1% – используйте, будет немного лучше (хотя 1% вполне достаточно), но они могут иметь большие габариты. Использовать R1 более точный, чем 5% нет смысла, но можно. Вообще, можно все резисторы использовать точностью 1%, но это будет немного дороже. Если увеличивать точность резисторов, то лучше начинать с R9… R12. Точность и качество резисторов R7 и R8 вообще не важны.

Усилитель рассчитан на работу с любыми наушниками, но если вдруг ваши наушники очень низкочувствительные (менее 70 дБ/мВт, я таких не встречал даже в интернет-магазинах, но ходят слухи, что такие наушники существуют в природе), то величину R4 надо (заранее) увеличить до 330 кОм, а С3 уменьшить до 10 пФ.

Резистор R2 регулятор громкости - сдвоенный переменный резистор. Если он не нужен (например, усилитель наушников встраивается в какую-то аппаратуру), вместо него включается перемычка, показанная пунктиром. От качества этого переменного резистора качество звучания зависит довольно сильно. «Хорошие китайские» потенциометры показывают нормальные результаты, но если использовать еще более качественные (вроде Alps), будет лучше. Использовать потенциометр дороже, чем за $25 нет смысла. Рекомендуется резистор с экспоненциальной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки. В отечественном обозначении это буква «В» в конце, а в импортном – буква «А». Тогда при вращении ручки громкость будет изменяться от нуля до максимума равномерно.

Определенное внимание следует уделить резистору R6. Он задает ток покоя выходного каскада, а следовательно и максимальный выходной ток без срабатывания диода VD1 – максимальный выходной ток при наилучшем качестве звучания (о назначении диода VD1 смотрим здесь). На самом деле при открывании диода и добавлении в нагрузку выходного тока ОУ, качество звучания снижается очень мало: коэффициент гармоник THD возрастает до 0,003% и спектр гармоник расширяется, рис. 7. Но все равно все это остается ниже предела чувствительности слуха, нормированный коэффициент гармоник, учитывающий тот факт, что чем выше номер гармоники, тем «хуже она влияет на звук» Кг'=0,005% (описание этого параметра, например, здесь). Более того, в реальном звуковом сигнале диод будет срабатывать кратковременно только на пиках сигнала. Искажения на этих пиках сознанием не определяются, и потому незаметны. То есть имеем две причины не бояться этих искажений: их возникновение менее заметно, чем возникновение «обычных» искажений и сами они лежат за пределом порога восприятия человека.

Рис. 7. Спектр искажений усилителя при открывании диода VD1.

Тем не менее, я перфекционист, и стремлюсь к максимальному качеству звучания. Поэтому рекомендую такую работу усилителя, когда диод не срабатывает, и этих «совершенно не слышимых искажений» вообще не возникает. За такой режим работы и отвечает резистор R6: он задает ток покоя выходного каскада достаточно большим, чтобы питать нагрузку без необходимости токовой добавки через диод. Для подавляющего большинства случаев сопротивление резистора R6, указанное на схеме, является оптимальным. Но если у вас очень низкоомные наушники, да еще с низкой чувствительностью, то ток покоя выходного каскада стоит изменить, изменив сопротивление резистора R6. В таблице 2 приведены значения максимальной выходной мощности для режима, когда диод VD1 не срабатывает (столбец «высококачественная мощность»), и когда VD1 срабатывает, то есть выходная мощность максимально возможная (столбец «импульсная мощность»).

При использовании таблицы 2 не забывайте, что чувствительность наушников указывается в дБ/мВт. Например, при чувствительности 88 дБ/мВт и подводимой мощности в 1 мВт, уровень громкости будет равен 88 дБ. При подводимой мощности в 10 мВт уровень громкости будет равен 98 дБ, а при мощности 30 мВт – 103 дБ. Нормальная громкость лежит в пределах 70…80 дБ, а болевой порог равен 120 дБ. При регулярном прослушивании наушников с уровнем громкости 90…100 дБ, слух очень быстро ухудшается.

И еще, чем меньше значение R6 и выше ток покоя выходного каскада, тем сильнее греются выходные транзисторы и микросхемы стабилизаторов блока питания.

Для наушников с сопротивлением 40 ом и больше значение сопротивления R6 оставляем как указано на схеме. У меня с резистором R6 = 47 ом усилитель достаточно громко работает на шестиомные колонки.

 

Таблица 2.

Ток покоя выходного каскада, мА Сопротивление R6 , Ом Максимальная высококачественная выходная мощность, мВт на нагрузке Максимальная импульсная выходная мощность, мВт на нагрузке
8 ом
16 ом
32 ом
8 ом
16 ом
32 ом
33
56
4
8
17
16
32
64
40
47
6
12
25
20
40
80
43
43
7
14
29
21
42
85
52
36
11
22
43
27
54
108
62
30
15
30
60
32
67
134

 

Микросхему ОУ лучше ничем не заменять, даже «более качественной» и скоростной. Для данного усилителя возможностей ОУ OPA2134 как раз хватает, более высокочастотная микросхемы может возбуждаться. Более простые ОУ использовать не рекомендуется. Хорошие результаты дает LM4562, но из 4-х продавцов, у которых я покупал эти микросхемы, годные оказались только у одного, остальные как мне кажется поддельные – я не смог заставить их нормально работать. В крайнем случае, можно использовать любые современные универсальные ОУ с полевыми транзисторами на входе.

Также не следует заменять и микросхемы стабилизаторов – указанные на схеме работают наилучшим образом.

Транзисторы тоже лучше ничем не заменять - схема сбалансирована под них. Хотя допустимы любые качественные транзисторы в корпусе TO220.

Диод VD1. Можно использовать любой современный кремниевый высокочастотный (или импульсный) диод, как импортный, так и отечественный. Чем больше его допустимый прямой ток (значения которого обычно лежат в пределах 30…100 мА), тем лучше. Выпрямительный диод в принципе работать будет, но очень плохо – он не рассчитан на работу с частотами выше 1 кГц.

Транзисторы желательно, а микросхемы стабилизаторов DA3, DA4 крайне желательно установить на небольшие радиаторы. Для микросхем стабилизаторов радиаторы нужны большей площади, чем для транзисторов.

Монтаж производится в отверстия и не представляет сложности даже для начинающих. Здесь следует помнить несколько моментов:

Рис. 8. Пайка.

Рис. 9. Межслойные переходы.

Большие восьмиугольные отверстия служат для подключения проводов.

Плату рекомендуется установить в корпус – так и красиво, и безопасно. Металлический корпус предпочтительней, он служит экраном. Землю схемы с корпусом усилителя соединяет резистор R15. Наличие резистора создает защитную функцию: при случайном замыкании на корпус ток КЗ будет ограничен. А сам резистор при этом может сгореть, сыграв роль предохранителя. Его перегорание будет заметно, так что о возникшей проблеме сразу станет известно. Соединение с корпусом происходит автоматически через металлизированное монтажное отверстие блока питания и крепежный винт.

Важно! Корпус усилителя должен соединяться с землей схемы только в одной этой точке через резистор R15. Других соединений схемы с корпусом быть не должно (входные разъемы от корпуса должны быть изолированы).

Установочные размеры платы показаны на рисунке 10. Высота платы зависит от размеров конденсаторов С10, С11 и от высоты применяемых радиаторов.

Рис. 10. Установочные размеры.

Подключение к плате внешних компонентов показано на рисунке 11. Здесь входные разъемы типа RCA, выходной – типа Jack с нужным вам диаметром. Светодиод – индикатор включения, он может быть любого типа. Сеть подключается через стандартный сетевой разъем. Если сеть имеет реальное заземление, то металлический корпус усилителя можно заземлить. Для этого используется резистор Rgnd мощностью 0,125 Вт и сопротивлением порядка 100 ом. Резистор подключается между контактом розетки и земляным контактом крепежного отверстия платы (припаивать резистор следует к контактному кольцу и лучше снизу платы, чтобы пайка не мешала головке винта). Выключатель S – выключатель питания любого типа, рассчитанный на работу с напряжением 220 вольт.

Рис. 11. Подключение усилителя.

Сетевой предохранитель обязателен!

Сf - специальный полипропиленовый конденсатор, предназначенный для работы в качестве фильтра сетевых помех. Сейчас такие конденсаторы вполне доступны. Заменять его на «обычный», например К73-17 крайне не рекомендуется. Конденсатор можно установить непосредственно на контакты трансформатора.

Силовой трансформатор мощностью не менее 8 Вт (в общем-то допустима мощность от 6 Вт, но это сильно зависит от конкретного трансформатора – некоторые из них могут сильно греться). Он должен содержать две одинаковые вторичные обмотки (или одну обмотку со средней точкой) на напряжения 17…22 вольта каждая. Допустимый ток обмотки должен быть не менее 0,2 ампера. Например, подойдут ТПП-232, ТПП-234. Хорошо подойдет тороидальный трансформатор: он и меньше по габаритам, и имеет меньшие поля рассеяния, что создает меньше помех от магнитного поля в схеме.

В принципе можно использовать трансформатор с напряжением на вторичных обмотках до 26 вольт, но при этом конденсаторы С10, С11 должны быть рассчитаны на напряжение 50 вольт, и микросхемы стабилизаторов DA3, DA4 обязательно иметь радиаторы.

Удачи! Приобрести плату для усилителя.

 

10.05.2019

Яндекс.Метрика

Счетчик