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:
- Работа на различную нагрузку от 8 Ом до 600 Ом
- Ультранизкий уровень шумов и искажений,
- Защита от короткого замыкания,
- Возможность работы с акустикой сопротивлением 8 Ом.
Характеристики усилителя:
- Выходная мощность — 100 мВт (8-100 Ом), 25 мВт (600 Ом)
- Уровень гармоник — 0,0006% (на частоте 1 кГц)
- Уровень шумов (не взвешенный) — 113 дБ (в диапазоне 20-22000 Гц)
- Неравномерность частотной характеристики 0,15 дБ (в полосе 20-20000 Гц)
- Разделение каналов — 73 дБ (на частоте 1 кГц)
- 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)
Идеология схемы.
Структурная схема усилителя представлена на рисунке:
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 470нФ 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 10кОм 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 0,3В. 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 220пкФ 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 0,6Ом (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.
Напряжение питания (12 В переменного тока) подается на разъём CON3. Предохранитель на 1 А защищает конструкцию в случае выхода из строя какого-либо элемента или перегрузки. Выключатель питания включен в общий провод, благодаря чему идущие к нему дорожки имеют минимальное напряжение переменного тока, что исключает паразитные наводки на сигнальные проводники. Далее напряжение питания поступает на однополупериодный выпрямитель D1 и D2. Три метало-плёночных конденсатора на 10 нФ снижают высокочастотные помехи при переключении диодов выпрямителя. Отфильтрованное конденсаторами напряжение (порядка 16В) поступает на трёхвыводные 12-вольтные интегральные стабилизаторы.
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.
Резистор на 1 кОм, включенный параллельно диоду D10, обеспечивает более быстрый разряд конденсаторов отрицательной шины питания, чем устраняется паразитная генерация (и соответствующие призвуки в наушниках) операционных усилителей при выключении питания.
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.
Продолжение следует…
Статья подготовлена по материалам журнала «Everyday Practical Electronics «.
Автор: Nicholas Vinen.
Вольный перевод Главного редактора «РадиоГазеты»
Удачного творчества!