Высококачественный усилитель для наушников. Усилитель для наушников на операционном усилителе. Схема и описание Качественный усилитель для наушников на оу

Схема усилителя для наушников, которая точно заслуживает внимания. Тут и удвоенный выходной ток и отсутствие разделительных конденсаторов на пути сигнала. При этом схема усилителя для наушников очень проста и понятна.

Обновлено : Из схемы убран входной разделительный конденсатор. Изменены номиналы входных резисторов.

Схема усилителя для наушников

Регулярные скитания по по бескрайним просторам помойки кладезя знаний - интернету, привели к интересной находке. Это был PDF файл от компании Burr Brown. Который воодушевил меня создать усилитель для наушников на ОУ. С языка потенциального врага, его название дословно можно перевести следующим образом: Удвоение выходного тока в нагрузку двумя аудио ОУ OPA2604 .

Файл состоит из двух страниц, где ценность представляет только первая. Представленная там схема усилителя для наушников была перерисована и избавлена от лишних умных надписей.

Знакомьтесь, это будущее сердце нашего усилителя. А если быть точнее — это схема одного канала. Каналов у нас будет 2, а значит потребуется два сдвоенных операционных усилителя (ОУ ).

Резисторы R3 и R4 сопротивлением по 51 Ом нужны чтобы защитить выходы операционных усилителей.

В чем «фишка» этого усилителя?

Схема совсем не нова, и известна еще из даташитов 90-х годов. Но интересность схемы заключается в том, что оба ОУ усиливают один и тот же сигнал. Но это не мостовое включение. Выходные сигналы обоих ОУ находятся в фазе, а их выходные токи складываются.

Такое включение решает проблему малого выходного тока многих ОУ. Это заметно увеличивает количество ОУ, которые могут быть использованы в усилителе. Теперь достаточно, чтобы каждый операционный усилитель мог обеспечивать выходной ток в 35-40 мА, вместо 70-80 в случае одного ОУ на канал.

Максимальное значение выходного тока всегда приводятся в даташитах на ОУ.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления сигнала определяют резисторы R1 и R2 . Его точное значение определяется формулой:

K= 1+ R2/R1

Если ориентироваться на линейный выход с уровнем сигнала в 1 Вольт, то для большинства наушников коэффициента усиления равного трем будет вполне достаточно. На три и будем ровняться.

Желательно, чтобы резисторы, задающие коэффициент усиления, имели точностью не хуже ±1% . Зачастую в магазинах не слишком большой выбор прецизионных резисторов. Но в данном случае можно обойтись резисторами одного номинала.

В закромах шкафа были найдены прецизионные резисторы по 7,5 кОм которые и стали резистором R1 . В качестве R2 два резистора по 7,5 кОм были включены последовательно. Аналогично можно сделать, включив параллельно два резистора по 15кОм в качестве R1 , и один резистора на 15кОм в качестве R2 .

Для изменения коэффициента усиления лучше менять резистор R2 . Для схем на ОУ обычно рекомендуется использовать резисторы номиналом 1÷100 кОм. Резистор R1 будет выполнять еще одну важную функцию, поэтому желательно использовать 7.5кОм .

Доводим схему до ума

Представленная в документе схема несколько неполная и отражает лишь самое главное. Для нормально работы следует дополнить схему входными цепями, а так же параллельно резистору R2 следует добавить конденсатор небольшой емкости. Он нужен для исключения самовозбуждения ОУ.

Для начала не будем изобретать велосипед и позаимствуем входную цепь у усилителя для наушников FiiO Olympus E10. В таком случае схема нашего усилителя примет следующий вид:

На схеме обозначены ножки для сдвоенного операционного усилителя в корпусе DIP8. Схема полностью рабочая и ни в какой настройке не нуждается.

Выкинем конденсатор со входа

ОУ одинаково хорошо усиливает как переменное так и постоянное напряжение. Конденсатор(C1 ) нужен для того, чтобы отсекать постоянное напряжение по входу. С одной стороны — нормальные источники сигнала не дают постоянку на выходе. С другой стороны, если она вдруг будет, то ее нужно отсекать. А то и наушники можно спалить.

Но народ активно не желает видеть лишние конденсаторы в пути сигнала, поэтому будем выкручиваться.

Перечитывая в очередной раз «Искусство схемотехники » Хоровиц и Хилла, обнаружил то, что искал. Чтобы получить усилитель переменного тока, необходимо включить конденсатор, аналогичный C1 , последовательно с резистором R1.

В таком случае обратная связь ОУ будет работать только по переменке и необходимость в конденсаторе на входе у нас отпадет. Поэтому можно смело переместить C1 со входа усилителя в цепь обратной связи ОУ.

Образовавшаяся (R1 , С1 ) будет отсекать как постоянное напряжение так и инфра-низкие частоты (<10Гц ). Они не несут полезной информации, но значительно нагружают усилитель по току.

Так же такое включение конденсатора уменьшит напряжение разбаланса ОУ по входам. А оно, к слову, тоже усиливается и подмешивается в выходной сигнал. При этом конденсатор в цепи обратной связи практически не влияет на звук, в отличие от конденсатора на входе. Вообщем одни полюсы от такой перестановки.

Входные резисторы

Удаление конденсатора со входа вынудило пристальнее присмотреться к резисторам R5 и R6, оставшимся на входе. А зачем они вообще нужны и как их рассчитать?.

Резистор R5 называется компенсирующим и необходим для обеспечения равенства сопротивлений между каждым из входов и землей. Его величина определяется как параллельное сопротивление резисторов R1 и R2 .

Однако у нас последовательно с R1 стоит конденсатор С1. Сопротивление конденсатора зависит от частоты и складывается с сопротивлением резистора. Сопротивление конденсатора на какой-то частоте определяется из соотношения:

R С = 1 / (2 × π × F × C) ,

Где F в Гегрцах, С в Фарадах, а R С в Омах

Для определения сопротивления R5, сначала были рассчитаны значения сопротивлений конденсатора емкостью 2,2 мкФ на частотах 20Гц и 20кГц. Затем для обоих случаев были рассчитаны величины компенсирующих резисторов. Оказалось, что сопротивление резистора R5 должно лежать между 8.91 кОм (для 20 Гц ) и 6.81 кОм (для 20кГц ). Не долго думая воткнул 7,5 кОм.

Конденсатором мы развязали инвертирующий вход усилителя с землей по постоянке. Но ОУ должен иметь связь с землей как по переменному, так и по постоянному току. Для этого и служит резистор R6 . Его величина была выбрана равной 75 кОм. Но можно поставить и 100 кОм. Меньше 75кОм, при переменнике в 50 кОм я бы не советовал ставить. Вместе с резистором R5 они начнут шунтировать входной переменный резистор.

На схеме так же был несколько изменен выход. Номиналы R3 и R4 были снижены до 10 Ом, а последовательно с ними включен резистор R7 с таким же сопротивлением. Это должно обеспечить лучшее суммирование выходных сигналов.

Питания усилителя

Для звука очень важно качество питания. Данная схема рассчитана на двухполярное напряжение питания. Это избавляет нас от необходимости добавлять лишние детали в звуковой тракт, и в целом лучше для звука.

Сегодня существуют ОУ работающие от ±1.5В, но большинство операционников работают при двухполярном напряжении питания от ±3В до ±18В. Оптимальным можно назвать напряжение в ±12В, которое входит в пределы питания большинства ОУ.

Точные значения максимального напряжения питания следует смотреть в документации на конкретные микросхемы.

Качество компонентов

Не обязательно сразу закупать дорогие детали. Для начала можно поставить что-то из ассортимента ближайшего магазина радиодеталей, а постепенно заменить их более качественными компонентами. Плата будет работать на любых деталях.

Конденсатор С1 должен быть неполярным. Лучше полипропиленовый или пленочным. Конденсатор С2 лучше использовать керамический. Точность конденсаторов не очень важна. но лучше использовать с точностью не хуже 5%.

Цены на операционные усилители лежат в широких пределах и не всегда дороже значит лучше для звука. Для начала можно будет установить что-то недорогое и доступное, например любимую многими NE5532(0.3$). Очень желательно чтобы она была производства Филлипс.

В последствии с заменой ОУ можно будет играться сколько хотите. Если рассматривать ОУ классом повыше, то для звука хорошо себя зарекомендовали OPA2134, OPA2132, OPA2406, AD8066, AD823, AD8397….

Не рекомендую заказывать микросхемы с АлиЭкспресс и в прочих китайских магазинах. Довольно много отзывов, в которых люди сообщают, что микросхемы не оригинальные. Да, ОУ будет работать, как ему и положенно, но это может быть совсем не OPA2134, который вы заказывали, а довольно дешевая TL061 с надписью OPA2134…

Заключение

Полученная схема усилителя, собранная на OPA2132 и работающая даже при напряжении питания ±5В свободно раскачивает достаточно тугие Sennheiser HD380 Pro.

Не люблю описывать звук субъективными терминами вроде «высокие стали хрустальными» или «басы теплыми», скажу лишь то, что при использовании хорошего ОУ, этот усилитель для наушников обладает достаточным запасом громкости и выходной мощности. При этом он не требует никакой настройки и использует минимум деталей, обеспечивая при этом достойное качество звука.

Рассмотренная схема привела к идее создания портативного усилителя для наушников. Так придумался . Суть которого заключается в создании законченной конструкции портативного усилителя для наушников своими руками с нуля.

Материал подготовлен исключительно для сайта

» привет. Вот конструкция усилителя для наушников, который основан на буферах тока LME49600. Эти ОУ были выбраны из-за того, что они обещают очень хорошие параметры при простой реализации схемного исполнения. Кстати, это далеко не единственный вариант подобного устройства — вот ещё одна схема

Схема УНЧ на LME49600

В схеме используется система активной коррекции смещения постоянного тока на выходе усилителя, что позволяет исключить из сигнального тракта конденсаторы, соединяющие каскады. Чтобы обеспечить долговечность — обязательно применение высококачественных элементов, подверженных износу, таких как потенциометр и электролитические конденсаторы.

Блок питания

Трансформатор питания на 10VA с вторичными напряжениями 2x9V. Стабилизаторы питания LT3015 и LT1963.

Печатную плату конечно можно проектировать самостоятельно, но в данном случае она была заказана на заводе, потому что хотелось получить максимально хорошее качество исполнения. К слову — стоимость печатки совсем не большая и иногда лучше доверить это дело промпроизводству, чем пытаться изготовить самому.

Изготовление корпуса для усилителя

Корпус УНЧ изготовлен из пластика, покрытого алюминиевым листом, так лучше для экранирования конструкции. В корпусе расположен разъем питания IEC C14 с встроенным фильтром электромагнитных помех и выключателем, а в качестве аудио разъемов использованы 6,3 мм.

В настоящее время усилитель работает с наушниками Sennheiser HD600. Результаты его работы вполне впечатляющие — при соответствующем качественном источнике сигнала. Какую максимальную мощность может получить усилитель? На основе данных даташита LME49600 — около 1W.

Если вы являетесь счастливым обладателем лампового усилителя , то, скорее всего, при желании послушать любимые композиции единолично, через наушники, вы сталкиваетесь с неудобством, вызванным отсутствием выхода на головные телефоны.

Да и обладателям дорогих или не очень смартфонов и планшетов тоже приходится несладко — эти аппараты чаще всего не в состоянии раскачать качественные высокоомные наушники . Поэтому любимые композиции звучат совсем не так, как на профессиональной аппаратуре.

Конечно, если вы истинный меломан и музыка для вас дороже денег, то вас ни что не остановит от покупки предварительного усилителя за 6000 $, усилителя для наушников за 5000$ и самих наушников за 2000$. И погрузиться в нирвану... Однако, если ситуация с деньгами не такая радужная, или вы любите всё делать своими руками, то, оказывается, можно собрать высококачественный усилитель для наушников всего за... 30$.

А зачем он вам???

А нужен ли вам прецизионный усилитель? Это зависит от ваших музыкальных пристрастий и привычек. Если вы привыкли слушать музыку «на бегу», то есть с портативных устройств на прогулке, пробежке, в тренажерном зале и других подобных местах, то описываемый ниже проект не для вас. Просто постарайтесь подобрать к своему аппарату максимально подходящие по характеристикам и звучанию наушники.

Точно также следует поступить, если вы любите музыкальные стили, где присутствуют сильные искажения сигнала, типа рока, хеви-металла и подобные.

Тем не менее, если вы предпочитаете слушать музыку в тихой уютной обстановке у себя дома или в офисе, и ваши вкусы тяготеют к живой и натуральной музыке типа классической, джазовой, или чистому вокалу, вот тогда вы сможете по достоинству оценить качество звучания и точность связки прецизионный усилитель плюс высококачественные наушники.

Варианты

Допустим, вы решили, что усилитель для наушников вам необходим. Каков следующий шаг? В Интернете можно найти массу проектов с использованием вездесущего LM386 . Микросхема стала популярной благодаря высокой надёжности, низкой стоимости, возможности работать с однополярным питанием и малому количеством внешних элементов. Такие усилители обычно хорошо справляются с недорогими наушниками, но все эти достоинства меркнут, если сравнить уровень шумов и искажений LM386 и хорошо спроектированного усилителя на дискретных элементах или на специализированных микросхемах.

Если у вас найдётся около 30$ и не пугает работа с элементами для поверхностного монтажа (SMD-элементы), то представленный здесь проект именно то, что нужно.

Идеи и схема

При проектировании данной схемы брались в расчёт следующие моменты:

• Усилитель должен работать с относительного высокоомным выходом лампового предусилителя или усилителя электрогитары. Другими словами, входное сопротивление должно быть легкоперестраиваимое для источников с разным выходным импедансом.
• малое количество компонентов. Поэтому были выбраны микросхемы вместо транзисторов.
• небольшие усиление и мощность. Требуется раскачать чувствительные динамические наушники , а не акустическую систему.
• усилитель должен справляться с высокоомными наушниками. Автор использует Sennheiser HD 600 (сопротивление 300 Ом).
• получить максимально низкие шумы и искажения.

Принципиальная схема прецизионного усилителя для наушников представлена на рисунке:

Увеличение по клику

При разработке этой конструкции рассматривались микросхемы таких производителей как National Semiconductor, Texas Instruments и другие. Масса полезной информации была найдена на ресурсах Headwize и форумах DiyAudio.

В результате, выбор пал на прецизионный драйвер для наушников от Texas Instruments TPA6120A2 и операционные усилители AD8610 отAnalog Devices для входного буфера.

Схема получилась относительно простой, с двухполярным питанием. Если вы уверены в отсутствии постоянной составляющей на выходе вашего источника сигнала, то разделительные конденсаторы (С24 и С30) могут быть исключены из тракта с помощью перемычек Н1 и Н2.

Блок питания обеспечивает на выходе напряжения ±12В при нагрузке до 1А. Его схема представлена на рисунке:

Увеличение по клику

Часто в аудиофильских конструкциях стоимость блока питания в несколько раз превышает стоимость самой усилительной части. Здесь получилось немного лучше — стоимость элементов для блока питания составляет примерно 50$ и самые дорогие элементы здесь трансформатор и электролитические конденсаторы. Можно немного сэкономить, если заменить тороидальные трансформатор на обычный Ш-образный, отказаться от светодиодов и предохранителей на выходе блока.

Была опробована версия с отдельными стабилизаторами для каждого канала TPA6120A2 (микросхема имеет отдельные выводы питания для каждого канала). Разницу ни услышать, ни измерить не удалось, что позволило существенно упростить блок питания.

Так как все, используемые в усилителе микросхемы, имеют низкую чувствительность к шумам и помехам по цепям питания, а также высокий уровень подавления синфазных помех, то применение в блоке питания типовых интегральных стабилизаторов оказалось достаточным для получения высоких характеристик.

TPA6120A2

Микросхема TPA6120A2 от Texas Instruments представляет собой высококачественный усилитель для наушников высокой верности. В ней используется архитектура усилителя с дифференциальным входом, несимметричным выходом и обратной связью по току. Именно благодаря в большей мере последней получаются низкие искажения и шум, широкая полоса частот, высокое быстродействие.

Микросхема содержит два независимых канала с отдельными выводами питания. Каждый канал имеет характеристики:

• выходная мощность 80 мВт на нагрузке 600 Ом при питании ± 12В при уровне искажений+шум 0,00014%
• динамический диапазон более 120 дБ
• уровень сигнал/шум 120 дБ
• диапазон напряжения питания: ± 5В до ± 15В
• скорость нарастания выходного напряжения 1300В/мкс
• защиту от короткого замыкания и перегрева

Для сравнения уровень искажения+шум у «народной» микросхемы LM386 составляет 0,2%. Хотя, конечно, высокие параметры ещё не гарантируют качественно звучания. Для получения максимального результата надо учесть рекомендации производителя по выбору внешних элементов и топологии печатной платы. Всё это можно найти в технической документации на данную микросхему.

AD8610

Микросхема AD8610 от Analog Devices представляет собой операционный усилитель с полевыми транзисторами на входе, что даёт низкое напряжение смещения и дрейфа, низкий уровень шумов, малые входные токи. По уровню шума и скорости нарастания выходного напряжения эти операционные усилители отлично гармонируют с TPA6120A2.

Однако, не поленитесь и попробуйте их заменить другими ОУ. По расположению выводов AD8610 совместимы с другими аудиофильскими микросхемами. Тем более, что многие меломаны утверждают, будто слышат разницу в звучании ОУ!

Пассивные компоненты

Не все резисторы одинаковые! И если вам позволяет бюджет, используйте в данной конструкции металлоплёночные резисторы, которые несколько дороже, но имеют ниже шумы и выше стабильность. При желании сэкономить металлоплёночные резисторы следует поставить хотя бы во входных цепях (у AD8610), где чувствительность к шумам самая высокая.

Конденсаторы на пути сигнала С23, С24, С29, С30 лучше поставить плёночные. Конденсаторы по цепям питания микросхем производитель рекомендует керамические.

Основное требование к сигнальным разъёмам — надёжный контакт. В своей конструкции автор использовал обычный «джек» для подключения наушников и позолоченные RCA-разъёмы с тефлоновой изоляцией для подключения сигнального кабеля.

На принципиальной схеме показан вариант усилителя для работы от лампового предварительного усилителя, в котором осуществляется регулировка громкости. Если конструкцию предполагается сделать более гибкой и универсально, то, конечно, на входе желательно предусмотреть свой регулятор громкости. Для достижения максимального качества и чтобы не ухудшить характеристики усилителя здесь следует применить качественный потенциометр.

Бюджетной версией может быть изделия фирмы Alpha или RadioShack стоимостью около $3. За 40$ можно приобрести уже изделие аудиофильского класса от ALPS. Наилучшим решением будет использование галетного аттенюатора от DACT или GoldPoint. Их стоимость составляет примерно 170$. Кстати, на eBay можно найти подобные аттенюаторы китайского производства всего за 30$. Номинал потенциометра может быть в пределах 25-50кОм. Использование шагового аттенюатора кроме удобства регулировки громкости дополнительно гарантирует идентичность регулировки в обоих стереоканалов, что в усилителе для наушников особенно важно.

Конструкция

Все элементы конструкции (кроме силового трансформатора) размещаются на одной печатной плате. Если вы решите использовать внешний блок питания или собрать его по другой схеме, около 70% печатной платы останутся свободными.

Схема расположения элементов представлена на рисунке:

Увеличение по клику

На рисунке представлен чертёж печатной платы со стороны деталей:

Увеличение по клику

На рисунке представлен чертёж нижней стороны печатной платы:

Увеличение по клику

Чертежи печатных плат в народном формате SLayout можно забрать

Главная особенность монтажа: на корпусе с нижней стороны TPA6120A2 есть контактная площадка примерно 3×4мм. Она должна быть припаяна к площадке на печатной плате под микросхемой, которая служит теплоотводом.

Фотография готовой конструкции:

При первом включении следует вынуть два предохранителя на выходе источника питания и убедиться в его работоспособности. Если выходные напряжения в норме, верните предохранители на место. Сам усилитель в наладке не нуждается.

Разместить плату можно в корпусе подходящих размеров, желательно металлическом для экранирования от внешних помех.

Заключение

Субъективно усилитель звучит на одном уровне с профессиональным студийным оборудованием. При сравнении с LM386 эта конструкция показала более ровное, чистое и детальное звучание.

Схема получилась довольно гибкой и легко настраиваемой под различные нужды. Так, например, сам автор собрал два экземпляра усилителя. Один по приведённой схеме для эксплуатации совместно с ламповым предусилителем. Второй экземпляр был рассчитан на работу со смартфоном и гитарным усилителем, потому был дополнен на входе фильтром высокочастотных помех и регулятором громкости. Кроме того, для повышения усиления (смартфон выдавал недостаточный уровень сигнала) были изменены номиналы резисторов R6 и R14 на 2кОм.

Изменяя номиналы этих резисторов, вы можете менять коэффициент усиления в широких пределах.

Вариант печатной платы усилителя от наших «друзей-марсиан», рассчитанный на установку элементов в «стандартных» корпусах (используемых в конструкции микросхем в DIP-корпусах не существует):

Анимированная демонстрация платы во всех ракурсах

К сожалению не все меломаны и аудиофилы могут позволить себе высококачественные килобаксовые усилители и колонки, зазывными описаниями которых полны глянцевые журналы. Да и в современных многоквартирных домах такие аппараты не всегда уместны. Соседи могут не разделять ваших музыкальных пристрастий.

Хорошей альтернативой в таком случае могут служить качественные наушники и хороший усилитель к ним. И если качественные наушники сегодня можно купить за вполне разумные деньги, то усилители для них, в тех же глянцевых журналах, отличаются весьма нескромной ценой.

Но прежде чем тратить безумные деньги на усилители для наушников дочитайте эту статью до конца. Здесь мы предлагаем вам описание конструкции усилителя, который при относительно скромных затратах, имеет характеристики не хуже, а некоторые даже лучше, чем у дорогих промышленных аппаратов. Уровень его искажений заметно ниже, чем у дорогих CD- и Blu-Ray-проигрывателей. То есть с таким усилителем вы услышите именно то, что записано на CD-диске, ни больше, ни меньше.

Более того, этот усилитель способен раскачать колонки сопротивлением 8 Ом и выдать около 4,5 Вт музыкальной мощности. Это более чем достаточно для чувствительных систем в спальне, небольшой комнате или офисе.

Особенности усилителя:

1. Работа на различную нагрузку от 8 Ом до 600 Ом;
2. Ультранизкий уровень шумов и искажений;
3. Защита от короткого замыкания;
4. Возможность работы с акустикой сопротивлением 8 Ом.

Характеристики усилителя:

Выходная мощность: 100 мВт (8-100 Ом), 25 мВт (600 Ом)

Уровень гармоник на частоте 1 кГц: 0,0006%

Уровень шумов в диапазоне 20-22000 Гц (не взвешенный): 113 дБ

Неравномерность частотной характеристики в полосе 20-20000 Гц: 0,15 дБ

Разделение каналов на частоте 1 кГц: 73 дБ

Максимальная мощность: 4,25 Вт (8 Ом), 3 Вт (16 Ом), 1,5 Вт (32 Ом), 800 мВт (60 Ом), 80 мВт (600 Ом)

Работа в классе «А» до: 18 мВт (8 Ом), 36 мВт (16 Ом), 72 мВт (32 Ом), 80 мВт (600 Ом)

Структурная схема усилителя:

Оба канала состоят из следующих блоков: входного фильтра, который защищает вход усилителя от ВЧ-помех, предварительного усилителя с регулятором громкости, выполненного по схеме Баксандалла, усилителя мощности и выходного фильтра, который изолирует цепь общей обратной связи от негативного влияния реактивных составляющих нагрузки.

Предварительный усилитель построен на трёх спаренных операционных усилителях типа LM833, сконфигурирован по инвертирующей схеме. Регулятор громкости, включенный по схеме Баксандалла, обеспечивает изменение усиления от 0 до -15 раз. Причина такого относительно широкого диапазона регулировки в том, что усилитель должен работать с нагрузкой широкого диапазона сопротивлений, а также от источников сигнала, амплитуда которых тоже весьма различна.

Кроме того такое включение обеспечивает минимальные искажения при малых уровнях сигнала. Дополнительным плюсом являет то, что характеристика регулирования получается очень близкой к логарифмической при использовании переменного резистора с линейной зависимостью.

За прототип усилителя мощности была взята схема 20-ваттного усилителя с несколькими упрощениями и дополнениями. Из схемы исключён промежуточный драйвер, так как ток выходных транзисторов здесь невелик, глубина общей обратной связи сделана 100%, таким образом коэффициент передачи усилителя мощности составляет -1. Использование инвертирующего включения позволяет устранить эффект Эрли для входных транзисторов и довести уровень искажений усилителя мощности до уровня искажений ОУ в предварительном усилителе.

В выходном каскаде использована схема защиты от короткого замыкания, так как при подключении или отключении «джека» наушников от выходного разъёма могут происходить кратковременные короткие замыкания.

Принципиальная схема усилителя представлена на рисунке:

Подробнее о схеме

Так как оба канала идентичны, будут описаны работа и особенности схемы только одного из них.

Все высокочастотные помехи, поступающие на вход усилителя, отфильтровываются входным фильтром, состоящим из индуктивности L1 (ферритовые бусинки, надеты непосредственно на выводы 100-Омных резисторов), резистора 100 Ом и конденсатора 100 пкФ. Далее через разделительный конденсатор 470 нФ отфильтрованный сигнал поступает на вход ОУ, который включен как повторитель напряжения (буферный каскад) для развязки источника сигнала от относительно низкого, да ещё и изменяющегося входного сопротивления регулятора громкости Баксандалла.

Этот регулятор выполнен на операционных усилителях IC2 и IC3. Разделительные конденсаторы выбраны довольно большой ёмкости по 220 мкФ для устранения искажений на низких частотах. Разделительный конденсатор (22 мкФ) обеспечивает отсутствие протекания постоянного тока (вызванного входными токами ОУ) через движок переменного резистора, устраняя тем самым шорохи и трески при регулировании громкости.

Коэффициент передачи этого каскада равен -14,7 (задаётся резисторами в 10 кОм и 680 Ом). Конденсатор на 100 пкФ в цепи обратной связи повышает стабильность каскада и снижает высокочастотный шум.

Как отмечалось выше, переменный резистор для регулировки громкости используется с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота. Но, благодаря его включению в цепь обратной связи получается удобная логарифмическая характеристика регулирования.

Так как усилитель для наушников может подключаться как к линейному выходу аудиоустройств, так и к выходам, рассчитанным на подключение наушников, т.е. с довольно большой амплитудой сигнала, для защиты входа ОУ (особенно в выключенном состоянии) в схему добавлены маломощные диоды Шоттки (D15, D16), которые ограничивают амплитуду входного сигнала на уровне 0,3 В. Указанный тип BAT42 был тщательно отобран автором из всех возможных по минимальным вносимым искажениям. Без ухудшения параметров эти диоды можно заменить на BAT85.

Усилитель мощности построен по классической схеме. На входе дифференциальный каскад, выполненный на транзисторах Q1 и Q2. Входной сигнал подаётся на инвертирующий вход. Неинвертирующий вход соединён через резистор 910 Ом с общим проводом (землёй). Источник стабильного тока для входного каскада построен на транзисторе Q5 и задаёт ток 3 мА. Нагружен дифференциальный каскад на токовое зеркало (транзисторы Q3 и Q4). Эмиттерные резисторы в 68 Ом повышают его точность.

Транзисторы Q8 и Q9 включены как составной транзистор Дарлингтона с общим эмиттером. Его коллекторной нагрузкой является источник стабильного тока, выполненный на транзисторе Q7 и обеспечивающий ток в 15 мА.

Конденсаторы на 680 пкФ и 220 пкФ обеспечивают двухполюсную частотную коррекцию для обеспечения устойчивости усилителя.

Источник напряжения смещения выходного каскада выполнен на транзисторе Q10, который крепится с обратной стороны радиатора одного из выходных транзисторов и тем самым обеспечивает температурную компенсацию тока покоя. Конденсатор на 47 мкФ снижает уровень гармоник при больших уровнях сигнала.

В базы выходных транзисторов включены антивозбудные резисторы на 22 Ом для повышения устойчивости каскада. Для линеаризации каскада и стабилизации тока покоя в эмиттерные цепи включены резисторы по 0,6 Ом (два параллельно включённых резистора по 1,2 Ом)

Так как довольно обычной является ситуация, когда наушники подключаются или отключаются от усилителя во включенном состоянии, да и конструкция разъёмов «джек» не исключает замыкание контактов во время этих операций, автор добавил в свою конструкцию узел защиты выхода усилителя от короткого замыкания.

Транзистор верхнего плеча выходного каскада от короткого замыкания защищен автоматически - его базовый ток ограничен значением тока источника на транзисторе Q7. Защита транзистора нижнего плеча выполнена на элементах Q25 и D7. При достижении коллекторным током Q12 критической величины открывается транзистор Q25 и тем самым ограничивает дальнейший рост базового тока Q12.

Выходной фильтр изолирует выход усилителя от реактивных составляющих нагрузки, что повышает стабильность усилителя. В идеале фильтр должен быть оптимизирован под конкретное сопротивление нагрузки. Но, так как сопротивление наушников разных моделей и разных производителей варьируется в весьма широких пределах, автору пришлось пойти на компромисс. В результате этого частотная характеристика имеет подъём на частотах выше 20 кГц для наушников с высоким сопротивлением и небольшой завал для нагрузки сопротивлением 8 Ом. Но эти отклонения от линейной характеристики имеют очень малую величину (-0,02…+0,13 дБ на частоте 20 кГц) и на слух абсолютно не заметны.

Блок питания

В связи с низким потреблением в схеме использованы общие стабилизаторы для предварительного усилителя и усилителя мощности.

Большое внимание при разработке схемы автор уделил отсутствию щелчков в наушниках при включении/выключении усилителя. В усилителях мощности для этого обычно используют реле, которое подключает нагрузку с задержкой, после окончания всех переходных процессов, и заодно используется в системе защиты. Так как в данном случае выходная мощность и токи незначительны, автор отказался от использования реле.

Это не значит, что вы не услышите при коммутации никаких посторонних звуков. Всё будет зависеть от чувствительности ваших наушников. Но в любом случае щелчки будут незначительными, и не будут вызывать какого-либо дискомфорта.

Частично это достигнуто за счёт отказа от конденсатора между базой транзистора Q5 и положительной шиной питания, который обычно обеспечивает задержку включения источника тока входного каскада, из-за чего в динамиках можно услышать довольно мощный щелчок.

Также устранению щелчков способствуют диоды D11 и D12 и резисторы на 10 Ом и 47 Ом, включенные в шины питания усилителя мощности. Аналогично диоды D9 и D10 в предварительном усилителе предотвращают возможное смещение операционных усилителей в моменты включения.

Как отмечалось выше, усилитель способен работать на динамики сопротивлением 8 Ом. Для этого в схему нужно внести небольшие изменения. Заменить предохранитель в источнике питания на 2 А, а ёмкость фильтрующих конденсаторов увеличить до 4700 мкФ. Всё!

Вот такой получился усилитель: честный - благодаря сверхнизкому уровню шума и искажений, он не добавляет ничего своего в звучание; универсальный - с помощью этого усилителя можно подружить практически любые наушники с любым источником сигнала.

Конструкция усилителя очень проста. Абсолютно все элементы размещены на одной печатной плате размерами 198 x 98 mm. Перед началом сборки следует проверить, что все крупногабаритные детали уместятся на плате, а крепежные отверстия подобранных радиаторов и других элементов совпадают.

Сборка начинается с установки 10 проволочных перемычек, выполненных лужёным проводом диаметром 0,7 мм. Затем следует смонтировать все резисторы, не забыв одеть на выводы 100 Омных резисторов на входе усилителя ферритовые кольца.

Следующим шагом устанавливаются все диоды с соблюдением полярности! Микросхемы операционных усилителей можно установить как в специальные панельки, так и непосредственно запаять в плату.

После этого смонтируйте керамические и плёночные конденсаторы, затем маломощные транзисторы. Обратите внимание, что в усилителе используется 4 типа транзисторов. При монтаже следите за правильностью типа и цоколёвки устанавливаемого транзистора. Теперь можно запаять два триммера на 500 Ом и держатель предохранителя.

Устанавливаем электролитические конденсаторы (кроме двух на 2200 мкФ в блоке питания).

Установка светодиода

Перед монтажом светодиода нужно согнуть его выводы под 90 градусов на расстоянии 4 мм от его нижнего торца. Не забудьте про полярность! Отверстие для анода на плате обозначено буквой «А». Светодиод запаивается в плату так, что высота горизонтальной части выводов составила 6,5 мм над поверхностью платы. Это обеспечит совпадение индикатора с отверстием в передней панели корпуса. Для облегчения процесса можно использовать картонную полоску в качестве шаблона.

Катушки индуктивности

Катушки индуктивности L3 и L4 намотаны на небольших пластиковых каркасах с воздушным сердечником. Для удобства их изготовления рекомендуется сделать небольшое приспособление, как показано на рисунке:

Для намотки используется эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм (с изоляцией). Зажав 20 мм провода (это будет начало катушки) мотаем 20,5 витков и фиксируем второй конец катушки (примерно тоже 20 мм.) Надеваем на катушку термоусадочную трубку (для одной катушки понадобится трубка длинной 10 мм и диаметром 20 мм). При нагревании термоусадки старайтесь не расплавить каркас самой катушки.

Вторая катушка мотается аналогично. После намотки выводы катушек следует зачистить от лака и облудить. Можно монтировать их на плату.

Завершаем сборку печатной платы

Монтируем выключатель питания. Его корпус должен быть плотно прижат к плате. Затем устанавливаем разъём питания и входные разъёмы. Используйте RCA-разъёмы разных цветов - красный для правого канала, белый - для левого.

Припаяйте экран между катушками. Это может быть оловянная пластина размерами 35×15 мм, вырезанная из консервной банки ножницами по металлу.

Установка регулятора громкости

Перед установкой потенциометра его надо слегка доработать (если вы в точности повторяете конструкцию автора). Использовался сдвоенный резистор диаметром 16 мм.

Если у вашего резистора плоская часть занимает не всю длину вала, то есть не доходит до резьбового крепления, то её необходимо продлить. Для этого конец вала нужно осторожно зажать в тисках и надфилем удлинить плоскую часть вала до самой резьбы. После этого вал нужно укоротить до 7 мм (просто отпилите лишнюю часть).

После этих операций резистор можно монтировать на плату. Для дополнительной жесткости крепления, а так же для заземления металлического корпуса резистора (а заземлить его нужно обязательно) используется отрезок одножильного луженного медного провода длиной 80 мм. На верхней части корпуса резистора надфилем зачистите небольшой участок. После этого запаяйте подготовленную перемычку к предусмотренным для неё контактам платы, надежно прижав при этом к корпусу резистора. В заключении припаяйте перемычку к подготовленной (зачищенной) площадке на корпусе резистора.

Монтаж радиаторов

На радиаторы устанавливаются два стабилизатора напряжения и шесть транзисторов выходного каскада усилителя мощности. Радиаторы имеют штыревые крепления, под которые на плате предусмотрены отверстия.

Сборку начинают с установки на радиаторы микросхем 7812 и 7912, как показано на рисунке:

Металлический фланец стабилизаторов необходимо изолировать от радиаторов с помощью силиконовых или слюдяных прокладок. До запаивания контактов элементов в плату не затягивайте крепежный винт у радиатора. Это поможет точнее отрегулировать положение радиатора и микросхем, проверить и, если нужно, откорректировать положение изолирующей прокладки. Только после того, как вы убедитесь, что элементы установлены на плате правильно и ровно, надёжно припаяны, а изоляция не допускает замыкания, можно затянуть винт, обеспечив хороший тепловой контакт поверхности радиатора и элементов.

Два мощных транзистора TIP32 (Q12 и Q24) устанавливаются аналогично стабилизаторам. В отличие от них, на радиаторы для двух транзисторов TIP31 (Q11 и Q23) с обратной стороны устанавливаются транзисторы термокомпенсации BD139.

На рисунке показан их монтаж:

Оба транзистора изолируются от радиаторов с помощью изоляционных прокладок и шайб.

В последнюю очередь устанавливается выходной разъём и электролитические конденсаторы блока питания. Не забудьте, если предполагается эксплуатация усилителя с 8-Омными динамиками, то в блоке питания следует установить два конденсатора по 4700 мкФ. При этом их габариты должны быть не больше чем 16 мм в диаметре и 30 мм по высоте (для авторского варианта корпуса).

Усилитель размещен (в авторском варианте) в стальном корпусе в половину стандартного размера 1-U. Если у вас другой корпус, то возможно разъёмы и органы управления придётся вынести за пределы печатной платы. При этом входные RCA-разъёмы необходимо подключать экранированным проводом.

Тестирование и настройка

После сборки печатной платы усилитель может быть протестирован.

Во-первых, установите оба триммера и потенциометр регулятора громкости против часовой стрелки в крайнее положение. Включите мультиметр на максимальный предел по переменному току и подключите его щупы к контактам предохранителя (сам предохранитель устанавливать не надо). Подключите блок питания и подайте питание на усилитель. Мультиметр должен показать 120 мА (±20 мА) без установки ОУ, или 160 мА (±20 мА), если ОУ установлен.

Если показания прибора отличаются от указанных, отключите питание, проверьте плату на предмет обрыва дорожек, замыкания контактов, правильность установки деталей (особенно диодов и транзисторов).

Если ошибок не обнаружено, установите операционные усилители и вновь подайте питание. Ток потребления должен составить 160 mA (±20 мА).

Теперь выключите питание, установите предохранитель и подключите мультиметр в режиме измерения напряжения к контрольным точкам ТР1 и ТР2. После подачи питания напряжение здесь должно быть близко к нулю.

Теперь медленно вращайте VR2 по часовой стрелке. Сначала ничего не произойдет, но, в конечном счете, показания прибора должны начать расти. Устанавливаем значение 28,5 mV. Это соответствует току покоя левого канала 47,5 mA. Следует отметить, что показания могут медленно расти, так как транзистор начнёт нагреваться. Подождите несколько минут, после чего откорректируйте настройку. После этого отключите питание и подключите мультиметр к контактам ТР3 и TP4. Аналогично триммером VR3 установите ток покоя правого канала.

Теперь можно провести окончательный тест. Подключите к усилителю наушники и источник сигнала. Медленно увеличивайте громкость. Если всё работает нормально, вы должны услышать звук в обоих каналах.

При условии, что ток покоя установлен правильно для обоих каналов, в режиме ожидания (молчания) общий ток потребления будет около 340 мA, то есть потребляемая мощность составит около 4 Вт.

Эксплуатация усилителя

Прежде чем надеть наушники всегда устанавливайте ручку громкости на минимум, а затем плавно отрегулируйте комфортный для вас уровень громкости. Если этого не сделать, вы можете повредить свой слух! Кто-то может оставить регулятор громкости в положении максимума или изменить уровень выходного сигнала источника, который вы слушали последний раз.

Точно так же, не слушайте наушники на высокой громкости длительное время. Это особенно важно при эксплуатации усилителя для наушников, так как вы можете подвергать себя опасным уровням громкости, не чувствуя при этом какого-либо дискомфорта, и тем более это не будет замечено окружающими. В таблице представлены рекомендуемое максимальное время прослушивания наушников в зависимости от уровня громкости (уровня звукового давления) в диапазоне 88-115 dBA.

Короче говоря, избегайте привычки слушать музыку в наушниках на большой громкости!

Вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты»

По результатам опроса победили ушники, собранные на «полупроводниках». Поэтому именно с них мы и начнем линейку конструкторов.

Я хотел бы начать с нескольких самых простых схемок. На роль конструктора они не годятся, но их рассмотрение возможно подведет нас к схеме, которую, на наш взгляд, имеет смысл положить в основу конструктора.

В предыдущей статье мы уже говорили, что усилитель для наушников в первую очередь должен решать две основные задачи.

Во-первых, он должен разгружать выход источника сигнала. Работа аудиовыхода на низкоомную нагрузку приводит к резкому росту искажений (из-за высокой токовой нагрузки) и ухудшению АЧХ (завал на НЧ и иногда ВЧ). Использование буферного усилителя тока, предотвращает эти явления.

Во-вторых, для обеспечения нормальной громкости на высокоомных наушниках (и запаса по громкости на низкоомных), ушник должен иметь некоторое усиление по напряжению.

При использовании низкоомных наушников дополнительное усиление не всегда нужно. В таких случаях усилитель используется как токовый буфер. Иногда в этом качестве можно использовать самые простые схемы. Например такие как на рисунке. Это обычные повторители. Они могут быть собраны как на биполярных, так и на полевых транзисторах.

Самая примитивная схема слева. Простота - ее главное достоинство (возможно и единственное). Высокая нелинейность, высокое выходное сопротивление, очень низкая эффективность (даже по меркам схем в классе А) и пр. делают ее не очень интересной с практической точки зрения.

Имеет смысл немного ее усложнить. Заменим эмиттерный резистор на источник тока (схема справа). Такая схема уже вполне имеет право на жизнь. В ней можно достичь низкого выходного сопротивления, увеличить способность усилителя отдавать ток в нагрузку, значительно повысить линейность и т.д.

Стоит сказать несколько слов о нелинейности схемы с источником тока. В целом линейность не очень высока и зависит от тока покоя, сопротивления наушников и типа применяемого транзистора. Общий уровень гармоник может достигать десятых долей процента. Но спектр искажений благоприятный, короткий, с преобладанием второй гармоники. Например: при токе покоя 200мА (наушники 32 Ома), можно ожидать уровень второй гармоники порядка 0,1%, уровень третьей – 0,01% и нефиксируемость гармоник более высоких порядков. Звучать такой усилитель должен чисто.

При работе на высокоомные наушники (а часто и низкоомные) возникает необходимость усиления сигнала. Обеспечение запаса по громкости очень благоприятно сказывается на качестве воспроизведения. Рассмотрим простейшую схему. (см. рисунок)

Такие схемы иногда используют даже для работы с полноценной акустикой. Решение на любителя. Достоинствами схемы являются простота, и благоприятный спектр искажений (вторая гармоника). Окрашивание звука достаточно сильное, и его характер зависит от выбранного транзистора, тока покоя и сопротивления нагрузки. Любителям чистого, точного звука скорее всего не подойдет.

Высокий уровень гармоник является следствием неудовлетворительной работы каскада на низкоомную нагрузку. Если между выходом усилителя и наушниками поставить дополнительный буфер (например такой как рассмотрен в начале), то получим новую схему.

Линейность усилителя напряжения значительно возрастет, а звуковые характеристики всей схемы будут определяться, в основном, выходным буферным каскадом.

В большинстве случаев этой простой схемы хватит для согласования наушников с звуковой картой ноутбука. При этом качество воспроизведения вырастет.

Теперь поговорим о дальнейших путях улучшения характеристик усилителя.

Решать эту задачу можно «в лоб». Например, увеличением тока покоя или подбором более линейного транзистора. Заплатить за это придется соответственно усложнением и удорожанием. Также увеличатся и размеры. Таким методом можно значительно повысить характеристики, но есть и другие, менее прямолинейные способы улучшения.

Более распространенный способ повышения объективных параметров – значительное усложнение схемы, введение общей ОС. Схема остается компактной и экономичной, но сложной в повторении, сборке и наладке. При этом цена ее так же вырастет.

Поэтому, на наш взгляд, для конструктора не подходит ни один из этих вариантов. Им не хватает универсальности.

Более универсальным решением может стать схема с использованием ОУ с дополнительным буфером на выходе. Примерный вариант на рисунке.

Его главное свойство – очень чистое звучание. А именно таким, по нашему мнению, и должен быть транзисторный усилитель. А для приукрашенного звука лучше использовать гибридные усилители.

Сама схема оставляет некоторую свободу в настройке звука. Это и замена ОУ (менее шумящие, более/менее скоростные и т.д.). При желании, замена выходных транзисторов, выбор режима их работы (что сказывается на вносимых окрасках в звук).

Изменением запайки можно охватить ОС весь усилитель или только ОУ. Каждый из вариантов по-своему интересен. При охвате всего усилителя ОС достигается очень высокая линейность, суммарный коэффициент гармоник будет составлять тысячные доли процента. Исключение выходного буфера из петли ОС приведет к росту второй гармоники («благозвучные» искажения). Кроме этого, произойдут и некоторые другие изменения влияющие на звук. Вполне возможно, что кому то такой звук покажется интереснее. Ток покоя выходного каскада можно будет подбирать под требование используемых наушников (по умолчанию я бы выставил его равным 200мА).

Среди прочих достоинств такой схемы я бы отметил способность работать в широком диапазоне питающих напряжений (без каких либо настроек и изменений), простоту сборки и настройки.

Кому-то может оказаться полезным и то, что устройство без особых усилий можно превратить в высококачественный усилитель мощности (в классе А) работающий на акустику. Но это как говорится уже другая история (если кому-то это будет интересно, расскажу об этом отдельно).

Качество звука у такого ушника проверено и оно высокое. Похожая схема используется в усилителе внешний вид которого приводился на фотографиях сопровождавших все наши записи о конструкторе.

Как говорится, у меня все. Хотел бы узнать, что вы думаете обо всем этом?

С уважением, Константин М

Все статьи посвященные проекту "Гамма" можно найти через навигатор

Заказать конструктор усилителя "Гамма" можно у нас на сайте: АЛ "Философия Звука"

Сообщество для обсуждения конструкторов - "Электронные конструкторы" . Присоединяйтесь.