Усилитель
Предлагаемый усилитель я разработал больше из спортивного интереса. Интерес состоял в том, чтобы используя лишь распространенные транзисторы сделать однотактный усилитель с минимальной (максимально короткой) ООС, который по объективным параметрам бы не уступал усилителям в которых линейность обеспечивается сверхглубокой ООС по всему тракту с применением ОУ. Усилитель потребляет 130мА/канал и работает от нестабилизированного источника питания напряжением 12В или выше. Ток потребления практически не зависит от напряжения питания и усиливаемого сигнала. Измеренные гармонические искажения на частоте 1КГц составляют менее 0.001% при амплитуде сигнала 3В на нагрузке 34 и 68 Ома. Так же при повышении уровня питающего напряжения до 24В усилитель способен отдать амплитуду 7.5В (больше – у меня нету источника) на нагрузку 136Ом при сопоставимом THD. Отчет RMAA, который был снят со звуковой картой EMU0404USB и который можно просмотреть с помощью RMAA — в файлах статьи. На словах скажу, что если не доводить схему до крайности клиппинга — на графиках THD фигурируют первые две гармоники. Вот для примера график THD+шумы при амплитуде 3V на нагрузке 34 Ома:
(Пики в области высоких частот и ультразвука — это помехи от работающих неподалеку импульсных БП). А вот общие цифры для измерений различных нагрузок/уровней:
Повышенный уровень THD при 4В на 34Ома объясняется выходом схемы из режима минимальных девиаций тока коллектора в таких условиях. Попросту — не хватает тока покоя выходного каскада, т.к. 4V/34 Ома > 100mA. Замечу еще, что собственный уровень THD звуковой карты в режиме лупбэка, который следует “отнимать в уме”, составляет 0.0008%.
Аналогичные цифры выдавало и моделирование в Microcap 9. Усилитель обладает так же отличными АЧХ и ФЧХ. У меня нет инструментов, способных их корректно измерить в железе, но моделирование показывает плоскую АЧХ до мегагерца а ФЧХ — до двух сотен килогерц:
Субъективно звук усилителя тоже порадовал, кажется он даже лучше чем звук другого устройства, в тракте которого применены не дешевые ОУ OPA2211. Хотя я привык не очень доверять субъективным ощущениям. Сегодня они одни, а завтра могут оказаться совершенно другими.
Собственно схема усилителя вот (учтите, что 1m = 1000u, то есть конденсатор, обозначенный 3.3m – это 3300мкФ):
Функционально усилитель состоит из двух каскадов, первый – усилитель напряжения, усиливающий амплитуду в 3 раза (что я считаю в самый раз для ушника), а второй – повторитель напряжения, усиливающий ток. Каждый из каскадов имеет свою локальную короткую петлю обратной связи, обеспечивающей минимальную девиацию коллекторных токов транзисторов сигнального тракта, что и обеспечивает максимальную линейность, а так же дает дополнительные бонусы. Так, к примеру усилитель практически не чувствителен к частотным характеристикам источника питания, потому порода электролитических конденсаторов по питанию не имеет особого значения. Единственные конденсаторы, которые желательно использовать покачественней – разделительные входной и выходной. Еще – усилитель обладает крайне низким выходным сопротивлением и в то же время ток короткого замыкания выходного каскада ограничен безопасным для его элементов значением.
Еще несколько неочевидных моментов по работе и наладке схемы:
- Диоды D1, D2, D3 обеспечивают оптимальное смещение при значительных изменениях (12..24В) напряжения питания.
- Резистор R2 в жизни — переменник-триммер, с помощью которого после сборки задается оптимальное смещение на выходе усилителя напряжения (узел ‘preout’), которое должно составлять примерно половину напряжения питания + 0.7В. То есть 6.7В при питании 12В.
- C10 – желательно пленка, я использовал WIMA.
- L1/R18 на выходе – обязательны и нужны для устойчивости усилителя при работе с длинным ушным проводом. Я намотал L1 проводом толщиной 1.2мм – 12 витков на каркасе диаметром 12мм (в качестве каркаса использовал маркер Eddin 404) Можно использовать другой провод, но мотать так чтобы индуктивность была не менее указанной. К примеру, проводом диаметром 1мм на таком же каркасе нужно намотать 10..11 витков.
- R17 задает ток выходного каскада порядка 110мА. Уменьшая его – можно увеличивать ток, чтобы повысить нагрузочную способность усилителя при работе на низкоомные наушники. Но греться транзисторы от этого будут сильнее. Так же значительно повышая ток покоя стоит прогнать модель – возможно при этом потребуется и подгон номиналов других элементов.
- Резисторы R14,R17 должны быть рассчитаны на мощность не менее половины и двух ватт соответственно, чтобы выжить в режиме продолжительного КЗ выхода. Я использовал несколько SMD резисторов типоразмера 2512, но затем предусмотрел на печатке место для R17 и для их длинноногих собратьев.
- Транзисторы требуют установки радиаторов. Я использовал радиаторы под скромным названием ‘718’, выглядящие вот так:
Практика же показала, что при питании повышенным до 24В напряжением желательно использовать что-нибудь более массивное или же предусмотреть по больше вентиляционных отверстий в корпусе над- и под транзисторами, просверлив в плате отверстия под радиаторами (это можно, если осторожно). Радиаторы нижними краями упер вплотную в плату, для пущей устойчивости скрепив их капелькой нейтрального силикона сверху:
Питание
Усилитель может питаться от не стабилизированного источника напряжением от 12В постоянки или от 9В переменки и до победы. Шутка. Я тестировал питая девайс от 9В и 18В переменки (соответственно — 12В..24В постоянки), верхний предел определяется выносливостью примененных элементов и охлаждением выходных транзисторов. К слову, моя конструкция пожалуй чересчур плотновата для питания 18В, и если планируется такое питание – надо подумать о лучшем охлаждении. Непосредственно на плате усилителя я смонтировал двойной мостик на диодах Шоттки, вход первого мостика – подключен напрямую к входным клеммам питания, второй – через два фазосдвигающих неполярных конденсатора по 1000мкФ каждый. Этот прием слегка сглаживает зубья пилы на выходе сглаживающего фильтра выпрямителя, укорачивая в итоге спектр сетевых пульсаций. Обычно с такой целью применяют CRC фильтр, но у него есть свой недостаток — на резисторе слегка проседает напряжение питания — то есть теряются драгоценные ватты, выделяясь в виде тепла в корпусе усилителя, а не в виде децибел звукового давления в ушах. Между мостиками и непосредственно схемой усилителя я установил три дросселя индуктивностью 470мкГн каждый – с целью минимизации уровня сетевых помех, если таковые будут. В результате усилитель получился достаточно всеядным – его можно питать как от источника переменки напряжением 9..18В так и от источника постоянного напряжения 12..24В, причем этим источником может выступать как 12вольтовая “зарядка”, так и бортовая сеть авто – дроссели позволяют эффективно фильтровать ВЧ помехи от таких источников.
Разумеется усилитель прекрасно сможет работать и через одинарный мостик безо всяких дросселей в питании, но уровень фона и помех, приходящих по сети (включая «земляную петлю») будет несколько выше.
В качестве “комплектного” БП я сделал на скорую руку трансформаторный БП в формате “здоровая-такая-зарядка”, всунув в корпус Z64J трансформатор TL48D-090-0555. Последний имеет две обмотки по 9В, потому я приделал сбоку переключатель и подписал его снаружи “9VAC/18VAC”. Выглядит это все так:
Защита
Поскольку в усилителе я применил выходной конденсатор с довольно большой емкостью (3300мкФ) то было бы довольно безрассудно позволять ему при включении/выключении заряжаться/разряжаться через наушники. С другой стороны применение конденсатора с меньшей емкостью может заметно подпортить ФЧХ в области низких частот, потому я решил применить схему релейной защиты наушников при включении/выключении усилителя. Обычно подобные защиты в однотактных усилителях с конденсаторным выходом делают так: контакты реле коммутируют непосредственно нагрузку, а обмоткой реле управляет схема задержки, которая подает ток на обмотку с некоторой задержкой, в течении которой конденсатор усилителя успевает зарядиться через специальный резистор. При пропадании питании эта схема просто обесточивает реле и то мгновенно отключает нагрузку. У такого варианта есть парочка недостатков, которые я решил побороть несколько нетрадиционным образом. Первый недостаток состоит в том, что обмотка реле потребляет некоторую мощность, которая приводит к небольшому дополнительному повышению теплоотдачи всей схемы. К примеру — парочка герконовых реле на 12В будут иметь общее сопротивление порядка 500Ом и потреблять примерно 0.3Вт, что с одной стороны немного, но с другой – это +10% к тепловыделению всего усилителя. Вторая проблема – контакты китайских реле, коммутируя нагрузку – могут (не)заметно подпортить звук. Как я уже писал, я решил пойти нестандартным путем и чтобы побороть эти недостатки – решил сделать схему, которая, во-первых, подает ток на обмотку кратковременно после включения и (внезапно) после выключения усилителя. Поскольку это усилитель, а не вечный двигатель, то питание обмотки после выключения я решил поддерживать мелким ионистором. Так же, чтобы исключить влияние контактов реле на качество звучания я решил вместо отключения нагрузки при помощи реле включать кратковременно параллельно нагрузке резистор сопротивлением 11 Ом, таким образом, большая часть энергии заряда/разряда конденсатора будет проходить через этот резистор, сберегая обмотку наушников от перегрева.
Схема управления защитным реле выглядит так:
Она питается от своего личного мостика, что позволяет ей быстро “среагировать” на пропадание питания. Схема состоит из двух частей: на элементах R1,D3,C5,Q1,Q2 собран простейший стабилизатор на 5В, далее от этого стабилизатора запитана остальная часть схемы, включая ионистор емкостью 0.47 Ф (C4), рассчитанный на рабочее напряжение 5.5В. Ионистор имеет довольно высокое внутреннее сопротивление, потому для эффективного подавления пульсаций питания параллельно ему добавлен обычный электролитический конденсатор (C2). Реле я использовал герконовые, с обмоткой на 5В и сопротивлением 500 Ом (2 в параллели –> 250 Ом). Внутри самих реле параллельно обмотке имеется диод гашения ЭДС самоиндукции, потому обращаем внимание на положение первого вывода (оно обозначено на моей печатке цифрой 1). Схема задержки выполнена на полевых транзисторах Q3,Q4, время задержки при включении задается цепью C1R4 и пороговым значением напряжения отпирания транзисторов, которое должно быть поменьше. Помимо моделированных IRF7404 в жизни прекрасно работают и IRF7410. Полезное замечание для сборки: вначале стоит смонтировать именно часть-стабилизатор и конденсатор C2, после чего, подав на нее питание – убедиться что конденсатор C2 заряжается до адекватного напряжения 5В+-0.3, и лишь после этого – запаивать в плату остальные, более дорогостоящие детали.
Если вы надумаете собирать усилитель без такой (или какой либо другой) схемы защиты наушников от переходных процессов — следует поубавить емкость выходного конденсатора – чтобы наушникам не поплохело.
Печатки
В одном из прилагаемых архивов – печатные платы, нарисованные в Sprint Layout 6. Я старался по максимуму использовать возможности SMD монтажа, и большинство резисторов – именно такие мелкие, которые паять комфортно лишь при помощи мелкого паяльника/станции. Печатки были слегка поправлены после распайки первой модели, но все должно быть хорошо 🙂 Печаток две: одна – усилитель с питающим его двойным мостовым выпрямителем, вторая – схема релейной защиты + выход, вход и регулятор громкости. Для ЛУТа печатки следует отзеркалить (впрочем, печатка усилителя паяется с любого зеркального варианта). А для БП печатки нету — я ее сразу рисовал маркером на плате. В исходниках печаток указаны так же наименования моделей многих элементов, которые я применил и под которые рисовал печатки. Многие дырки в печатках (особенно – в релюшечной) – имеют неверный диаметр, то есть рассверливал до нужного диаметра я их уже по факту. Так же положение круглого бока транзисторов в корпусе TO-92 местами не соответствует реальности, тут следует ориентироваться на соответствие назначения выводов, а не на рисунок корпуса транзистора. Две печатки соединяются проводами и в моей конструкции были смонтированы одна над другой в компактном корпусе:
Провода, подключающие вход усилителя – тонкий антенный коаксиал — для минимизации наводок и паразитных обратных связей, которые возможны в такой тесносте. Собранный девайс выглядит так:
К слову, самые внимательные возможно заметили “лишний” разъем в торце. Это 4х пиновый minixlr, который подключен параллельно обычному TRS и которым я пользуюсь со своими наушниками чтобы минимизировать влияние переходного сопротивления разъема и общего провода наушников на разделение каналов. Эргономичность размещения RCA разъемов на морде конечно сомнительна, но оно сделано так для минимизации наводок цепи питания на сигнальные провода.
В аттачах помимо архивов и результатов RMAA имеются так же файл модели усилителя для Microcap 9.
Список радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот
Схема усилителя2x Q1, Q4
Биполярный транзисторBC548C4
именно C 2x Q2
Биполярный транзисторBC558B2
B или C 2x Q6
Биполярный транзисторBD139-162
вероятно пойдет любой BD139, но я использовал именно BD139-16 от fairchid 2x Q3, Q5, Q7
Биполярный транзисторBD1406
2x D1..D5
Выпрямительный диодLL444810
D6-D13
Диод ШотткиSS148
2x C6, C13
Электролитический конденсатор3300мкФ 35В4
Jamicon TK 2x C14
Электролитический конденсатор3300мкФ 25В2
Jamicon TK 2x C16
Электролитический конденсатор4700мкФ 35В2
Jamicon TK 2x C2
Электролитический конденсатор100мкФ 25В2
Jamicon TK 2x C8
Электролитический конденсатор470мкФ 25В2
Jamicon WL C17, C18
Электролитический конденсатор НЕПОЛЯРНЫЙ1000мкФ 25В2
Capxon NP 2x C1
Пленочный конденсатор6.8мкФ 250В2
WIMA MKP4 2x C2, C9
Пленочный конденсатор470нФ 100В4
WIMA MKS2 2x C4, C12
Пленочный конденсатор1мкФ 63В4
WIMA MKS2 2x C11
Пленочный конденсатор330пФ 100В2
WIMA FKP2 L3, 2x L2
Дроссель на колечкеDPT470A3 (470мкГн. 3А)3
2x L1
Дроссель самодельный1мкГн2
12витков на 12мм каркасе проводом 1.2мм 2x R18
Резистор лапчатый, металлопленочный33 Ома2
2x R9
Резистор лапчатый, металлопленочный130 Ом2
можно 100 Ом, если есть осциллограф 2x R17
Резистор лапчатый6.8 Ом 2Вт2
или две парочки SMD2512 по 13 Ом 2x R11
Резистор лапчатый3.3 кОм2
2x R1
Резистор SMD12063.6 кОм2
2x R4
Резистор SMD120656 кОм2
или 62 кОм 2x R5
Резистор SMD120633 кОм2
2x R3, R8
Резистор SMD12061 кОм4
2x R7
Резистор SMD12062 кОм2
2x R6, R16
Резистор SMD1206330 Ом4
2x R12
Резистор SMD12063.3 кОм2
2x R13
Резистор SMD120633 Ом2
2x R14
Резистор SMD2010 или SMD251233 Ом2
2x R10
Резистор SMD12066.8 Ом2
2x C10
Конденсатор SMD1206NP0 240пФ2
2x C5
Конденсатор SMD1206NP0 22пФ2
C19, 2x C7, C15
Конденсатор SMD1206NP0 примерно 1нФ5
2x R2
Переменный резистор (триммер)1.5 кОм, синенький2
у некоторых ноги идут в ряд, у некоторых — треугольником, печатка рисована под треугольник 2x Q6, Q7
Радиатор7184
Элементы усилителя, стоящие на плате защитыX1
Переменный резистор (потенциометр)двойной, логарифмический, от 10кОм до 50кОм1
регулятор громкости
Разъем питания1
Разъем TRS6.3 (под джек)JC-2151
Разъем 2xRCACC-1301
Блок питания
трансформаторTL48D-090-05551
переключатель-тумблер1
для переключения обмоток: 9V/18V AC Схема релейной защитыQ2
Биполярный транзисторBC847C1
Q1
Биполярный транзисторBD1391
Q3, Q4
MOSFET-транзисторIRF74102
C4
ИонисторEECF5R5U4741
C2
Электролитический конденсатор2200…3300мкФ 6.3В1
4x D1
Выпрямительный диод1N9144
D2
Выпрямительный диодLL44481
D3
Стабилитрон в MELF или SOT23 корпусе6.2В1
R2, R3
Резистор SMD2010 или SMD251233 Ома6
один резистор на схеме — 3 параллельно включенных элемента на плате R5
Резистор SMD120662 кОм1
R4
Резистор SMD1206560 кОм1
R1
Резистор SMD120610 кОм1
C1
Конденсатор SMD12064.7 мкФ1
C3, C5
Конденсатор SMD12061 мкФ2
2x L1
Герконовое релеR1-1A05002
учитываем расположение первой лапы!
Кнопочный переключательПКН61 Н2-1-2-0-21
выключатель питания Добавить все
Скачать список элементов (PDF)
Прикрепленные файлы:
- minfb_headamp.zip (106 Кб)
- rmaa.zip (1991 Кб)
- minfb_headamp-5jul2015_CIR.zip (8 Кб)
Теги: