Схема усилителя для наушников на слаботочных оу. Схема унч для наушников, на основе малошумящих операционных усилителей. Доводим схему до ума

В связи с приобретением новой звуковой карты без выхода на наушники, у меня возникла потребность в усилителе для наушников приличного качества, способном раскачать мои любимые ТДС-4. Усилитель должен был быть компактным, простым в сборке и налаживании, с низким уровнем шумов и искажений. В итоге, собранный усилитель соответствовал всем указанным выше требованиям.

Характеристики усилителя измерялись с помощью программы RMAA 6. Был испытан макет одного канала (программа работала в режиме МОНО), результаты измерений:

Неравномерность АЧХ (в диапазоне 40 Гц – 15 кГц), дБ: +0.05, -0.74

Уровень шума, дБ (А): -90.9

Динамический диапазон, дБ (А): 90.9

Гармонические искажения, %: 0.0014

Интермодуляционные искажения + шум, %: 0.010

Интермодуляции на 10 кГц, %: 0.0084

Усилитель построен по схеме ОУ + выходной транзисторный буфер. ОУ обеспечивает высокий коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи, необходимый для подавления нелинейных искажений с помощью глубокой ООС. Выходной буфер выполняет усиление по току, согласуя низкое сопротивление катушки наушника с маломощным выходом ОУ. В схеме используется сдвоенный быстродействующий ОУ К574УД2. Сигнал от источника через разделительный конденсатор C3 и резистор R1 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Резистор R4 задает рабочую точку усилителя по постоянному току. Элементы C1,C2,R2,R3 обеспечивают частотную коррекцию ОУ. Выходной буфер выполнен по «параллельной» схеме. Данная схема была выбрана, потому что в ней отсутствуют переходные искажения, характерные для обычных двухтактных схем. При использовании транзисторов с близкими параметрами, падения напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов пред оконечного и оконечного каскадов взаимно компенсируются. Транзисторы буфера, будучи установлены на общий теплоотвод, взаимно термостабилизируют друг друга. ОУ и буферный каскад охвачены общей 100% ООС по постоянному и переменному току, коэффициент усиления схемы равен 1.

Конденсатор C3 желательно использовать пленочный. C1,C2,C6,C7 – керамические. Все резисторы типа МЛТ-0,125 (или импортные аналоги). Транзисторы VT1 КТ315Г, VT2 КТ361Г, VT3 КТ815Г, VT4 КТ814Г. Предпочтительнее будет использовать в качестве VT1 и VT2 транзисторы КТ815Г и КТ814Г, из соображений идентичности параметров и возможности легко организовать тепловой контакт всех четырех транзисторов буфера. ОУ возможно заменить на любой другой быстродействующий с соответствующим изменением набора корректирующих элементов и разводки печатной платы. Усилитель питается от двухполярного нестабилизированного источника питания. В источнике питания используется трансформатор 220/20 с отводом от средней точки вторичной обмотки. Диодный мост любой на напряжение 50В и ток до 1А. Возможно использовать диоды серий 1N4001-1N4007. Емкость конденсаторов C4,C5 не менее 1000 мкФ (я использовал 4700 мкФ)

Правильно собранный усилитель налаживания не требует. Необходимо проверить потребляемый ток (порядка 30 мА для двухканального усилителя) и постоянное напряжение на выходе.

Детали усилителя и источника питания размещаются на общей плате размером 35х78мм. Транзисторы каждого канала крепятся через изоляционные прокладки к общему П-образному теплоотводу. Площадь теплоотвода несущественна, главное чтобы он обеспечивал тепловой контакт транзисторов.

Печатная плата однослойная с перемычками, разведена в Sprint Layout 5. В авторском варианте использовался нефольгированный текстолит, детали устанавливались в отверстия, выводы соединялись медной проволокой.

Литература:

Усилительный блок любительского радиокомплекса. А. Агеев, Радио №8 1982г.

The Sapphire Desktop Headphone Amplifier – http://phonoclone.com/diy-sapp.html

Высокотехнологичный корпус из изоленты. Изначально плату делал под термоусадочную трубку - но буквально миллиметра не хватило, не влезло. Ну, тем не менее, мне нравится.

Цена вопроса

Кусочек одностороннего текстолита: 2 рубля
MAX9724 - 7.78 рублей
4 резистора - 0.07*4 = 0.28 рубля
Конденсаторы - 0 (даже если покупать, ~30 рублей макс.)
Разъемы - 0 (если покупать, ~20-30 рублей)
Изолента для хайтек корпуса - 1 рубль

Итого - это ровно 11.06 рубля для меня, и порядка 61.06 рублей если все покупать:-)

Результаты

Конечно, я сразу наткнулся на известную проблему: при работе с аудио к одной земле нельзя подключаться в двух местах (земля USB и земля звукового разъема). В этом случае по земле пролазят помехи, которые отфильтровать невозможно, и никакой стабилизатор питания тут не поможет. (проблема в том, что у USB - свой уровень земли, у звука - свой, и у нашей платы свой. В зависимости от потребляемого тока земля приподнимается везде по разному и это дает неустранимую помеху).

Решить эту проблему можно или избавившись от звукового подключения (USB DAC) или от питания (аккумулятор или другой блок питания). Использование блока питания с USB выходом меня полностью устроило в связи с тем что они везде есть и стандартны.

Конечный результат - выше любых ожиданий. Никаких нареканий на качество, абсолютный 0 шума, комфортный уровень громкости - от 22 до 40%, и запас для «вытягивания» тихих записей. Звук смачнее (главное помнить, что басы тут от 0Гц) и все такое, да и вообще - аудиодевайсы сделанные своими руками всегда особенно хорошо звучат:-)

От готовых китайских девайсов (вроде того-же FiiO E3) отличает более низкая цена (sic!), сборка с комплектующими «с запасом», отсутствие конденсаторов в аудио тракте, большая мощность при работе с высокоомными наушниками (300 Ом) за счет более высокого напряжения питания ну и качество звука в теории обещает быть выше (на практике я бы вероятно не услышал разницы).

PS. Как я выше упоминал - усилитель нужен не для того чтобы портить себе слух сверхвысокой громкостью (не говоря уже о порванных наушниках ), а для раскачки «тяжелых» наушников с низкой чувствительностью, если выход звуковой карты слишком дохлый. Ну и тихие записи / фильмы вытягивать без софта…

PS2. Отрыв плюсов от «добавлено в избранное» в 4 раза, рекорд:-)

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.

Итак, начнем.

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.

Все началось с того, что я купил новые, качественные наушники. Вскоре я наткнулся на проблему — недостаточная выходная мощность портативного MP3 плеера. Плеер до этого эксплуатировался с дешевыми китайскими наушниками. В результате пришлось собрать не большой усилитель для наушников на операционном усилителе на компонентах BUF634 и OPA627, которые позволили добиться высокого качества усиления.

Это усилитель класса А с выходной мощностью около 15 мВт при сопротивлении наушников 32 Ом наушниках, что меня вполне устроило.

BUF634 является высокоскоростным буфером, который может быть применен в цепи обратной связи операционных усилителей с целью повышения выходного тока, устранения тепловой обратной связи и улучшения емкостной нагрузки.

Основные характеристики BUF634:

• Выходной ток до — 250 мА
• Скорость přeběhu выше, чем – 2000В/µs
• Настраиваемый диапазон от — 30 до 180 Мгц
• Собственный ток цепи не превышает 1,5мА
• Напряжение питания в диапазоне от ±2,25 до ±18 В
• Встроенный ограничитель тока
• Встроенная защита от перегрева
• Доступен в исполнении DIP-8, SO-8, TO-220-5 или DDPAK-5

Вторым важным элементом усилителя для наушников является операционный усилитель OPA627 компании Texas Instruments, который относится к категории схемы с FET входом и характеризуется очень низким уровнем шума, малым напряжением смещения и большой пропускной способностью.

Основные характеристики OPA627:

• Очень низкий уровень шума: 4,5нВ/Гц при 10кгц
• Очень низкие VOS: 100µВ max.
• Температурный дрейф только 0,8µВ/°C max.
• Стабильное единичное усиление

Схема усилителя питается от сетевого источника питания 15В, на выходе которого установлены два сглаживающих конденсатора по 1000мкФ. Также можно использовать для питания адаптер или аккумулятор, например, 14В/500mA.

Для регулировки громкости применен переменный логарифмический резистор. Монтаж усилителя выполнен с применением двусторонней печатной платы. Необходимо отметить, что гарантией качества и длительного срока службы является использование качественных конденсаторов. В этих усилителей, ни в коем случае не используйте дешевые и сомнительного качества конденсаторы.

В связи с приобретением новой звуковой карты без выхода на наушники, у меня возникла потребность в усилителе для наушников приличного качества, способном раскачать мои любимые ТДС-4. Усилитель должен был быть компактным, простым в сборке и налаживании, с низким уровнем шумов и искажений. В итоге, собранный усилитель соответствовал всем указанным выше требованиям.

Характеристики усилителя измерялись с помощью программы RMAA 6. Был испытан макет одного канала (программа работала в режиме МОНО), результаты измерений:
Неравномерность АЧХ (в диапазоне 40 Гц - 15 кГц), дБ: +0.05, -0.74
Уровень шума, дБ (А): -90.9
Динамический диапазон, дБ (А): 90.9
Гармонические искажения, %: 0.0014
Интермодуляционные искажения + шум, %: 0.010
Интермодуляции на 10 кГц, %: 0.0084

Усилитель построен по схеме ОУ + выходной транзисторный буфер. ОУ обеспечивает высокий коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи, необходимый для подавления нелинейных искажений с помощью глубокой ООС. Выходной буфер выполняет усиление по току, согласуя низкое сопротивление катушки наушника с маломощным выходом ОУ. В схеме используется сдвоенный быстродействующий ОУ К574УД2. Сигнал от источника через разделительный конденсатор C3 и резистор R1 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Резистор R4 задает рабочую точку усилителя по постоянному току. Элементы C1,C2,R2,R3 обеспечивают частотную коррекцию ОУ. Выходной буфер выполнен по «параллельной» схеме. Данная схема была выбрана, потому что в ней отсутствуют переходные искажения, характерные для обычных двухтактных схем. При использовании транзисторов с близкими параметрами, падения напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов пред оконечного и оконечного каскадов взаимно компенсируются. Транзисторы буфера, будучи установлены на общий теплоотвод, взаимно термостабилизируют друг друга. ОУ и буферный каскад охвачены общей 100% ООС по постоянному и переменному току, коэффициент усиления схемы равен 1.

Конденсатор C3 желательно использовать пленочный. C1,C2,C6,C7 – керамические. Все резисторы типа МЛТ-0,125 (или импортные аналоги). Транзисторы VT1 КТ315Г, VT2 КТ361Г, VT3 КТ815Г, VT4 КТ814Г. Предпочтительнее будет использовать в качестве VT1 и VT2 транзисторы КТ815Г и КТ814Г, из соображений идентичности параметров и возможности легко организовать тепловой контакт всех четырех транзисторов буфера. ОУ возможно заменить на любой другой быстродействующий с соответствующим изменением набора корректирующих элементов и разводки печатной платы. Усилитель питается от двухполярного нестабилизированного источника питания. В источнике питания используется трансформатор 220/20 с отводом от средней точки вторичной обмотки. Диодный мост любой на напряжение 50В и ток до 1А. Возможно использовать диоды серий 1N4001-1N4007. Емкость конденсаторов C4,C5 не менее 1000 мкФ (я использовал 4700 мкФ)
Правильно собранный усилитель налаживания не требует. Необходимо проверить потребляемый ток (порядка 30 мА для двухканального усилителя) и постоянное напряжение на выходе.

Детали усилителя и источника питания размещаются на общей плате размером 35х78мм. Транзисторы каждого канала крепятся через изоляционные прокладки к общему П-образному теплоотводу. Площадь теплоотвода несущественна, главное чтобы он обеспечивал тепловой контакт транзисторов.

Печатная плата однослойная с перемычками, разведена в Sprint Layout 5. В авторском варианте использовался нефольгированный текстолит, детали устанавливались в отверстия, выводы соединялись медной проволокой.

Литература:
Усилительный блок любительского радиокомплекса. А. Агеев, Радио №8 1982г.
The Sapphire Desktop Headphone Amplifier - http://phonoclone.com/diy-sapp.html

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
DA1	Микросхема	К574УД2	1			В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ315Г	1			В блокнот
VT2	Биполярный транзистор	КТ361Г	1			В блокнот
VT3	Биполярный транзистор	КТ815Г	1			В блокнот
VT4	Биполярный транзистор	КТ814Г	1			В блокнот
VDS1	Диодный мост	КЦ405В	1			В блокнот
С1	Конденсатор	50 пФ	1			В блокнот
С2	Конденсатор	5 пФ	1			В блокнот
С3	Конденсатор	1 мкФ	1	Желательно пленочный		В блокнот
С4, С5	Электролитический конденсатор	1000 мкФ	2			В блокнот
С6, С7	Конденсатор	0.1 мкФ	2			В блокнот
R1, R3	Резистор	5.6 кОм	2			В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
R4	Резистор	33 кОм	1			В блокнот
R5	Резистор	100 Ом	1			В блокнот
R6, R7	Резистор