Усилитель для наушников, чуть сложнее. Схема унч для наушников, на основе малошумящих операционных усилителей Схема усилителя без усиления для наушников

При построении нового усилителя для наушников у меня была цель построить компактную и простую в настройке схему с отличным звуком на распространенных комплектующих.

В качестве УН решено было использовать операционный усилитель, который и обеспечивает усиление по напряжению в 2-3 раза. В качестве выходного буфера к ОУ я применил модификацию повторителя Тейлора-Уайта. Выбранное решение позволяет снизить ток покоя в 2-3 раза по сравнению с «честным классом А», что положительным образом сказывается на тепловыделении усилителя.

Схема усилителя AH-P2

Коэффициент усиления усилителя задается отношением R13 / R8. При использовании высокоомных наушников R13 можно увеличить до 47кОм. В качестве ОУ можно использовать AD744 и NE5534, используя 5 вывод. Печатная плата позволяет использовать и другие ОУ, мной были опробованы: ADA4627, LME49990, OPA627, OPA827, OP42, AD845, К544УД2, но уже со стандартным выходом (6 вывод). Субъективно наиболее интересные по звуку для меня оказались AD744 и наша К544УД2А. Поэтому в усилителе предусмотрена цепочка подстройки 0, для К544УД2. У нее разброс параметров очень большой, для импортных ОУ подстройка 0, как показала практика, особо не нужна. Для работы К544УД2 с низким КУ потрбуется также включить цепочку частототной коррекции, замкнув выводы 1 и 8, можно также ее ослабить и вместо перемычки установить конденсатор емкостью ~15-22пФ, при этом контролировать стабильность работы ОУ.

Питание усилителя

Оба канала усилителя питаются от общего стабилизированного источника питания с выходным напряжением ±8.2в, стабилизаторы для положительного и отрицательного напряжения выполнены по классической схеме ИОН-ФШ-ОУ, что позволяет получить предсказуемо отличный результат без лишних затрат.

Настройка усилителя предельно проста. Для работы на нагрузку 250 Ом и выше рекомендуется выставить ток покоя ~ 25мА. При работе на нагрузку 64 Ома для минимизации искажений ток покоя придется увеличить до 40-45мА, при этом выходные транзисторы усилителя и стабилизатора придется оснастить радиатором. При работе на нагрузку 32Ома ток покоя рекомендуется выставить ~50-55мА.

Печатная плата

Усилитель собран на двусторонней печатной плате размером 50х100мм. Плата подготовлена для заказа на производстве. Плата предусматривает установку транзисторов как в to126 исполнении (например BD139) так и в SMD исполнении SOT-223 (например BCP56). Аналогично в стабилизаторе питания могут быть установлены BD139/BD140 или BCP56/BCP53.

3D-вид печатной платы усилителя для наушников AH-P2 с компонентами:

Результаты измерений усилителя в RMAA

Как можно видеть искажения усилителя крайне низкие. При токе покоя 60мА гармонические искажения усилителя при работе на резистивную нагрузку 64 Ома, составили всего 0.0002% (4В RMS). Что практически идентично искажениям самого измерительного стенда, твикнутой ASUS Xonar ST.

Фотографии готовой конструкции

Ниже привожу фотографии готовой конструкции. На первом фото первая версия усилителя AH-P2 (плата v1.0 предусматривала установку ОУ только в soic8 исполнении) в связке с мультиформатным ЦАП на базе ak4490 (красная плата). На втором версия 1.2 усилителя с К544УД2А. Реальные замеры искажений усилителя с К544УД2А находятся в диапазона 0,0006%-0,0002% в зависимости от экземпляра ОУ.

— новое семейство операционных усилителей (ОУ) отличается лучшим в отрасли соотношением быстродействия и потребляемого тока. Семейство rail-to-rail по входу и выходу ОУ LTC6261/LTC6262/ LTC6263 (одиночный, сдвоенный и счетверенный) обеспечивает усиление сигналов в полосе 30 МГц при токе потребления всего 240 мкА и максимальном напряжении смещения 400 мкВ. В сочетании с диапазоном напряжений питания от 1.8 В до 5.25В,эти ОУ позволяют создавать приложения с бескомпромиссными характеристиками при низком напряжении питания и минимальном потреблении мощности.

Мостовой усилитель с дифференциальным выходом

Высококачественный усилитель для наушников имеет низкий ток потребления при широкой полосе пропускания и хорошие шумовые характеристики обеспечивают отличное качество при рассеиваемой мощности, составляющей лишь часть от того, что требуется для обычного портативного аудио оборудования. Уникальные возможности LTC6261 позволяют пересмотреть подход к конструированию усилителей для наушников.

Сопротивления динамиков наушников лежат в диапазоне от 32 Ом до 300 Ом, а их чувствительность находится в пределах от80 flOWOflBSPLHai мВт и выше. Это означает, например, что для достижения звукового давления 110 дБ SPL в динамике с чувствительностью 90 дБ SPL на 1 мВт к нему потребуется подвести мощность 100 мВт. При сопротивлении 32 Ом необходимые среднеквадратичные значения тока и напряжения равны 56 мА и 1.8 В, а при 120 Ом — 29 мА и 3.5 В.

При напряжении питания 3.3 В и использовании выхода одного усилителя LTC6261 обеспечить ток, необходимый для получения мощности 100 мВт, невозможно. Однако комбинации двух работающих в противофазе усилителей достаточно для того, предать в нагрузку мощность более 100 мВт (Рисунок 1). Добавив еще одну такую же мостовую схему, можно обеспечить необходимой мощностью оба канала -левый и правый.

LTC6263 содержит четыре усилителя в одном небольшом корпусе. На Рисунках 2 и 3 показаны характеристики мостового драйвера, построенного на сдвоенном усилителе LTC6262. Ток, потребляемый двумя усилителями при входном напряжении 1 В пик-пик, но без нагрузки, равен 500 мкА.

Схема состоит из инвертирующего каскада, коэффициент усиления которого при замкнутой петле обратной связи равен 1.5, и следующего за ним инвертирующего каскада с единичным усилением. Объединение инвертирующих каскадов образует усилитель в несимметричным входом и дифференциальным выходом, коэффициент усиления которого равен трем.

При входном сигнале 500 мВ пик-пик размах выходного напряжения равен 1.5 В, амплитудное значение 0.75 В, а среднеквадратичное -0.53 В. При этом мощность, выделяемая на нагрузке 50 Ом, равна приблизительно 5.6 мВт. При входном напряжении 1 В пик-пик эта мощность увеличивается до 22.5 мВт. Заметим, что в решении этой задачи нам помогает тот факт, что выходное напряжение LTC6261 даже под нагрузкой близко к rаН-to-rail.

При первом включении лабораторного макета этой схемы обнаружилось, что высококачественный усилитель для наушников имеет заметное возбуждение на частоте несколько сотен герц. Оказалось, что не инвертирующий вход не был хорошо заземлен по переменному току во всем диапазоне рабочих частот из-за плохой привязки его напряжения. Необходимость такой привязки возникает тогда, когда схема питается от одно полярного источника напряжения. При одно полярном питании VM не является землей, и для правильной работы инвертирующих схем создают напряжение средней точки.

Чтобы минимизировать дополнительное потребление тока, резистивный делитель, формирующий напряжение Vм, должен иметь большое сопротивление (например, два последовательных резистора по 470 кОм). Гарантировать хорошее заземление на низких частотах мог бы конденсатор большой емкости. И действительно, добавление конденсатора емкостью 1 мкФ. Формирующего полюс совместно с параллельным резистором 470 кОм, полностью устраняет непонятные искажения тона.

Несмотря на низкий ток потребления, при нагрузке на наушники эта схема обеспечивает очень небольшие искажения. Начиная с определенной амплитуды сигнала, искажения начинают быстро увеличиваться из-за ограничения выходного напряжения. Чем больше нагрузка, тем быстрее наступает ограничение из-за того, что с увеличением тока падает коэффициент усиления выходных транзисторов.

Одной существенной проблемой таких портативных устройств является разряд батареи. Скорость ее разряда зависит от громкости звука или от музыкальных пристрастий слушателя. Разработчик не может влиять на конечное использование своего изделия. Но к потребляемому току это не относится. Поскольку большую часть времени устройство может находиться в покое, величина собственного тока потребления, разряжающего батарею постоянно, имеет большое значение. Низкий ток потребления LTC6261 увеличивает время разряда батареи.

Заключение

Показанный вариант использования демонстрирует уникальное сочетание технических параметров, объединенных в операционных усилителях семейства LTC6261. Их низкий ток потребления никак не сказывается на высоком уровне характеристик, достижимом обычно лишь ценой намного большего расхода мощности. Дополнительную универсальность микросхеме обеспечивают rail-to-rail входы и выход, режим отключения и широкий выбор типов корпусов.

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:-)

Мощные колонки это конечно хорошо, вот только не всегда есть возможность слушать музыку на такой громкости, часто приходится сидеть дома в наушниках, чтоб не беспокоить домашних. Но и тут можно получить прекрасный качественный звук, если собрать специальный УНЧ. Представляем усилитель для наушников самодельного производства на ОУ и полевых транзисторах. Усилитель выполнен в стерео варианте, то есть два канала и две платы.

Схема УНЧ для наушников на транзисторах и операционном усилителе

Схема минимально изменена относительно нарисованной — добавили конденсатор танталовый прямо у источника питания транзистора, а транзисторы установлены BD135 / 136. Микросхема стояла LF357, но позже выяснилось, что NE5534 играют намного лучше. Транзисторы, несмотря на большой радиатор, очень сильно нагреваются при работе (всё-таки А класс).

Блок питания находится на отдельной печатной плате. Фильтрация составляет 2200 мкФ на плечо, трансформатор: TS15 / 41 с мощностью 15 Вт 0,5 А на канал. После фильтрации имеем источник питания +/- 15 В. При громкой басовой музыке, есть падение напряжения примерно до 13 В. Конечно если будете повторять — лучше взять более мощный. Потенциометр естественно ALPS.

На передней панели установлен выключатель сети, входной разъем и выходной, три светодиода индикаторных: два показывают напряжения сигнала симметричное (во время запуска оказалось, что исчезновение одного из напряжений вызывает немедленное сгорание транзисторов), третий загорается, когда поступает сигнал активации задержки запуска наушников (на реле).

Достоинства и недостатки УНЧ для наушников

Преимущества усилителя:

Очень большая мощность
Практически никакого шума
Однозначно приятная игра

Недостатки усилителя:

Довольно сильно нагревают транзисторы
Не слишком много баса — нужна тонкомпенсация

Усилитель получился реально очень громкий, он не создает практически никакого шума, нет искажений, нет сетевого фона. Другой аналогичный вариант схемотехнического решения можете .

Наверно многие из вас сталкивались с такой проблемой, когда подключив свои наушники к MP3 плееру или телефону, громкость была недостаточной, иными словами мощности плеера или телефона не хватало для того чтобы обеспечить громкий, чистый звук. И как же быть в этом случае?

Для этого можно собрать усилитель для наушников своими руками. Его схема довольна проста и любой радиолюбитель, неважно, начинающий или опытный сможет сделать его, проявив аккуратность и внимательность.

При создании этого усилителя мне хотелось сделать его необычным, хотелось уйти в сторону от классического пластикового корпуса. Вспомнив что любители моддинга компьютеров часто делают прозрачные корпуса для своих ПК я тоже решил сделать корпус своего усилителя прозрачным. А в качестве изюминки - отказаться от печатной платы и сделать все навесным монтажом.

Разработка схемы велась в программе Eagle . Это классический усилитель на сдвоенном операционнике OPA2107 .

Ниже приведена схема усилителя для наушников своими руками:

Список необходимых деталей для блока питания усилителя:

Разъем питания;
Светодиод 5 мм (любого цвета);
R1LED - резистор номиналом от 1К до 10К (1 Вт);
CP1, CP2 - электролиты 470 мкФ (на напряжение 35 или 50 Вольт);
RP1, RP2 - 4,7К (1 Вт);

Список деталей для усилителя:

IC1 - сдвоенный операционный усилитель OPA2107;
(примечание - на принципиальной схеме операционный усилитель обозначен как OPA2132, дело в том что вначале я планировал использовать его);
C1L, C1R - 0.68 мкФ 63 В (для входного аудио сигнала);
C2, C3 - 0,1 мкФ (пленочные, для стабилизации операционного усилителя);
R2L, R2R - 100К (0,5 Вт);
R3L, R3R - 1К (0,5 Вт);
R4L, R4R - 10К (0,5 Вт);
R5L, R5R - перемычка (не обязательно);
Стерео джек - 2 шт;

Так как я решил сделать все навесным монтажом, то я приступил к изготовлению каркаса. Здесь вам понадобятся аккуратность и внимательность, т.к. корпус будет прозрачным и любые недочеты сразу же будут видны.

Для шины питания я использовал одножильный медный провод, 1 мм толщиной, взятый из обрезков кабеля которые использовались для домашней электропроводки.

В качестве блока питания отлично подойдет любой трансформаторный блок питания с напряжением 12 Вольт и выходным током от 300 мА. Желательно использовать трансформаторный БП, так как использование импульсных может привести к наводкам (будет слышен постоянный гул в наушниках).

Для разъема питания я использовал вот такой разъем: (центральный контакт это плюс питания).

Для того чтобы формировать одинаковые выводы резисторов и проводов я использовал обычную отвертку. Вы можете использовать разные диаметры для больших или меньших радиусов.

Немного ниже вы можете увидеть разводку блока питания. На входе у блока питания 12 Вольт, которые затем с помощью делителя напряжения (резисторов RP1 и RP2, по 4.7 кОм) превращаются в +6 Вольт и −6 Вольт. Дело в том, что для операционного усилителя необходимо двухполярное питание. Провод в центре - это так называемая «виртуальная земля», которая ни в коем случае не должна соединятся с настоящей землей (на разъеме питания).

Два больших конденсатора на 470 мкФ 50 Вольт в паре с конденсаторами по 0,1 мкФ необходимы для того, чтобы уменьшить наводки на ОУ и повысить стабильность его работы. Для этого нужно постараться расположить их как можно ближе к выводам ОУ.

Вот еще несколько фотографий с разных ракурсов, на которых видно как я выполнил монтаж.

После того, как вы закончили пайку можно приступить к проверке усилителя. Небольшой совет, для проверки не нужно использовать свои самые классные наушники, достаточно каких-то простых. Дело в том, что если Вы где-то запутались и припаяли детали не по схеме, то вполне возможен такой вариант при котором вы испортите свои наушники. Но надеюсь что при проверке у вас все будет хорошо.

Так как усилитель в дальнейшем будет заливаться эпоксидной смолой, то я решил немного приподнять его, чтобы при заливке он оказался точно по центру корпуса. Для этого я припаял небольшие выводы снизу.

Я подумал что было бы неплохо еще чуть-чуть облагородить дизайн усилителя и поэтому решил распечатать наклейки на аудио разъемы. Я подготовил их в Adobe Photoshop , затем распечатал на тонкой фотобумаге и приклеил к разъемам на двусторонний скотч.

В течении некоторого времени я размышлял над дизайном корпуса и материалом из которого будет сделана форма для заливки. Я остановил свой выбор на 1,5 мм пластике, он отлично режется обычным канцелярским ножом, оставляя при этом очень ровный край.

Затем я разработал форму для заливки, используя все тот-же Eagle . Вырезав все части я приступил к сборке. Для того чтобы облегчить эту процедуру я сначала прихватил все углы с помощью суперклея, затем 2 раза проклеил каждый шов, что обеспечило полную герметичность.

Самый простой способ узнать объем эпоксидной смолы для заливки это залить форму водой, а затем вылить содержимое в чашку и узнать получившийся объем и вес. Конечно, можно измерить объем с помощью линейки - но способ с водой показался мне проще.

Для заливки я использовал прозрачную эпоксидную смолу. Конкретно для этой смолы соотношение отвердителя и смолы должно быть 1: 50. Было довольно сложно отмерить такое малое количество отвердителя, для этого пригодились ювелирные весы. А вообще же, для разных марок эпоксидных смол соотношение отвердителя и смолы различается, смотрите инструкцию.

Смешанную смолу необходимо медленно вливать по стенке формы, для того чтобы избежать появления пузырьков. На картинке ниже видно что при заливке смолы я налил немного больше чем требуется, смола при этом не выливается благодаря поверхностному натяжению. Это нужно потому что эпоксидная смола при затвердевании немного уменьшается в размерах.

При затвердевании эпоксидной смолы происходит обильное выделение тепла (в моем случае температура была 62 градуса). Затем форма накрывается, для того чтобы предотвратить попадание пыли и мусора на поверхность.

Я оставил затвердевать эпоксидную смолу на сутки. По прошествии этого времени она высохла и я приступил к снятию формы. Для этого я использовал ленточную шлифмашину.

Затем с помощью фрезера я сточил фаски и все острые углы.

Для полировки корпуса я сначала использовал наждачную бумагу с зернистостью 600, а окончательную полировку проводил «на мокрую» 1200-й мелкозернистой наждачкой.

Ну и напоследок вот еще несколько фотографий готового усилителя для наушников своими руками:

Теперь вы знаете, как сделать усилитель для наушников своими руками.