Схемы высококачественных усилителей мощности для наушников
Хорошим наушникам – хороший усилитель, или как нам создать эксклюзивное High End Audio своими руками
Чем хорош специализированный усилитель для наушников и стоит ли нам за ним шустро метнуться в магазин?
Ну, по поводу магазина я утверждать не возьмусь по причине весьма высокой, а порой и неадекватной стоимости топовых «хэдфон амплифаеров». А вот по поводу желательности такого изделия для качественных (и от того часто высокоомных) наушников, скажу авторитетно – специализированный усилитель для них окажется совсем нелишним.
А для того, чтобы у нас при этом не возникло ощущений, что наш амплифаер обсыпан алмазами и соединён с внешним миром золотыми шнурками, можно попытаться выполнить данное электронное устройство самостоятельно. Для этого нам понадобятся: руки парные из правильного места – 2 шт, голова, желательно работающая – 1 шт, паяльник с припоем – 1 шт, а также некоторое количество радиотехнических знаний.
Причём, оказывается, что те сокровенные хотелки, которые мы так и не решились осуществить при изготовлении большого УМЗЧ для колонок, можно гораздо проще реализовать в значительно менее мощном усилителе для наушников. А какие такие хотелки могли преследовать заядлого меломана?
Ну, во-первых, двухтактный усилитель, работающий в классе А. Во-вторых, ещё более радикальный вариант, мечта меломана, усилитель, тоже работающий в классе А, но на этот раз – однотактный. Ну и, в конце концов, никто не мешает нам порадовать свой слуховой аппарат своеобразным, но крайне музыкальным звучанием германиевого усилителя.
Но для начала нам надо определиться с выходной мощностью, а вернее (учитывая большой разброс импедансов наушников) – максимальным размахом выходного напряжения усилителя. А поскольку мы ребята умные, но ленивые, то и не будем сильно запариваться изучением различных характеристик наушников (таких как: импеданс, чувствительность и т. д.), а оценим, какими возможностями обладают топовые изделия жадных до денег буржуйских производителей.
На основании осуществлённой работы, констатируем факт, что в целом мощностные характеристики различных дорогих агрегатов близки и обеспечивают выходную мощность: около 200 мВт на нагрузке 300 Ом.
Не надо быть Георгом Симоном Омом, чтобы, исходя из полученных знаний, определить амплитуду выходного сигнала усилителя, выдаваемую на пике мощности. Эта величина составляет
22 (V peak-to-peak), из чего следует, что для питания усилителя нам потребуется минимум +24 В однополярного питания, либо ±12 В двухполярного.
Приведённая ниже схема усилителя на германиевых транзисторах не удовлетворяет указанным требованиям к напряжению ИП, поэтому область её применения несколько ограничена импедансами наушников, которые не должны превышать значений 200. 250 Ом. Хотя никто и не мешает запитать её стабилизированным напряжением ±12В.
Рис.1 Схема усилителя для наушников на Ge транзисторах, 32 Ом, 0.75 Вт
Схема является продуктов коллективного творчества бойцов форума devicemusic.ucoz.ru/forum/ и, как пишет автор-прародитель: рекомендуется к повторению опытным радиолюбителям. Далее по тексту:
На выходе применены комплементарные германиевые транзисторы буквенным обозначением «Б» или «Е», с граничной частотой 1 МГц и относительно высоким коэффициентом передачи тока базы.
Выходной каскад является самостабилизирующимся по току покоя благодаря наличию местной ООС, охватывающей два каскада – выходной и предвыходной.
Любое увеличение тока выходного каскада, проходящее через резисторы R19, R20 приводит к подзапиранию предвыходных транзисторов VT6, VT7.
Дополнительная термостабилизация достигается установкой VD3 на радиатор одного из выходных транзисторов.
Резисторы R18, R21 симметрируют плечи выходного каскада и совместно с R14, R17 образуют динамическую нагрузку (генератор тока) для предвыходного каскада.
Драйверный каскад VT4, VT5 построен по схеме каскодного усилителя с генератором тока на VT3 в нагрузке.
Питание должно быть стабилизированным.
На входе можно использовать транзисторы МП35, МП38А, с коэффициентом передачи тока базы – не менее 50.
Все конденсаторы в схеме плёночные.
Подстроечный резистор R22 в дифкаскаде – для настройки нуля на выходе УНЧ.
Конденсаторы С4, С5 – для предотвращения самовозбуждения.
Для достижения максимально высоких параметров усилителя, транзисторы следует отобрать со следующими значениями β: Т1,Т2 – (80. 100); Т3 – (50. 60); Т4 – (50. 60); Т5 – (100. 150); Т6,Т7 – (80. 100); Т8,Т9 – (80. 150).
Дополнительно: Т1,Т2; Т6,Т7; Т8,Т9 – подобрать в пары по максимально близким параметрам β.
Рис.2 Печатная плата усилителя для наушников на Ge транзисторах
Следующая остановка нашего маршрута – усилитель для наушников JLH Джона Линсли Худа, работающий в чистом классе А.
Практически идентичная схема УМЗЧ была опубликована автором в далёком 1969 году, но даже сейчас, спустя 50 лет продолжает удивлять и радовать энтузиастов отличным качеством звучания и предельной простотой конструкции.
Рис.3 Оригинальная схема усилителя JLH для наушников
Схема данного усилителя крайне проста и не потребует каких-либо значительных вложений при его реализации.
Основные технические характеристики усилителя:
Рекомендуемая нагрузка – от 8 Ом и выше;
Частотный диапазон: 12 Гц-50 кГц (0/-1 дБ); 12 Гц-120 кГц (0/-3 дБ);
Коэффициент усиления: 21 дБ;
Соотношение сигнал/шум: 101 дБ;
Скорость нарастания сигнала: более 35 В/мкс;
Напряжение питания: ± 12 В;
Потребляемый двумя каналами ток: 260 мА;
Ток покоя каждого выходного каскада усилителя: 125 мА
Ток покоя выходного каскада устанавливается автоматически. Его можно проверить по величине падения напряжения на резисторе R11, воспользовавшись законом Ома и деревянными счётами.
Напряжение на выходе усилителя тоже (по идее) должно быть довольно близким к нулю, однако при желании поточнее подрегулировать его уровень, можно слегка поиграться номиналами R1 и R3, либо припасть к несколько модифицированной схеме, освоенной нашими китайскими друзьями, а по совместительству – производителями электронных наборов усилителей.
Рис.4 Модифицированная схема усилителя JLH для наушников
Изменения по отношению к оригинальной схеме здесь совсем незначительны. Помимо шунтирования электролитических конденсаторов неполярными (что, по сути – не повредит), введена регулировка потенциала средней точки, для чего добавлен стабилитрон на 2,7 В и подстроечный резистор Р2.
И, наконец, самый радикальный Headphone Amplifier, который справедливо может претендовать на звание «настоящего High End-а» – однотактный усилитель мощности, разумеется, работающий в классе А.
Не буду распространяться про ни с чем не сравнимый звук однотактника, ибо вопрос это довольно философский и никаким писюном не связанный с техническими характеристиками аппаратуры, а поэтому – просто приведу схему отличного усилителя для наушников. 
Рис.5 Схема усилителя «Дзен» от Н. Пасса, адаптированная под работу с наушниками
Схема эта принадлежит руке Нельсона Пасса (Nelson Pass), являющимся главным идеологом УМЗЧ по технологии Zen, а по совместительству – руководителем лаборатории «Pass Labs».
Хоть данная разработка и появилась одной из первых среди плеяды усилителей Пасса, выполненных на MOSFET транзисторах, однако (на мой взгляд) является лучшей в своём классе и в сухом остатке способна выдавать бескомпромиссное звучание, по гармоническому составу максимально близкое к звуку ламповых однотактников.
Поскольку импеданс качественных наушников в десятки раз превышает сопротивление акустических систем, то и ток покоя выходных транзисторов (относительно исходных 2А) следует уменьшить в пропорциональное количество раз. В варианте, приведённом на схеме, этот ток составляет величину 270 мА.
Для улучшения качественных характеристик усилителя, напряжение питания не следует уменьшать до 24 В. И пусть мощность, рассеиваемая на двух выходных транзисторах, составляет
10 Вт и имеет несколько большую величину, чем хотелось бы, однако радиаторы при такой мощности рассевания не будут иметь удручающих размеров и вполне впишутся к корпус средних размеров.
Ток покоя выходных транзисторов устанавливается автоматически.
Изменением номинала резистора R6 можно подрегулировать (при необходимости) уровень выходного постоянного напряжения.
Коэффициент передачи усилителя равен
4,5.
Печатную плату и расположение элементов на ней можно посмотреть на странице сайта Нельсона Пасса –  ссылка на страницу .
Чем хорош китайский хунвейбин? А китайский хунвейбин хорош шустростью и усердием! Я вот, к примеру, нигде у Пасса не видел представленную ниже схему. А вот у китайца увидел, причём не только в нарисованном виде, но и в виде готовой железяки, предлагаемой на всем известной торговой площадке.
Рис.6 Схема Zen усилителя для наушников от electronics-diy.com
Источник
Усилитель для наушников, чуть сложнее
Проапгрейдил недавно компьютер на LGA2011, на коробке от относительно недешевой платы красовалась надпись «супер пупер звук, 110Дб вся фигня». Отлично подумал я, хороший звук никогда не помешает. Следующие 2 дня я неистово гнал железо, и все было хорошо. А потом вернулся к обычной работе, и естественно, к рабочей музыке. Тихо. Нет. ТИХО! 100% громкости едва хватало для комфортной громкости с моими обычными 32-х омными наушниками (Sennheiser HD 448, отличающихся не самой высокой чувствительностью), а если запись была сделана с низким уровнем сигнала — то хоть волосы вырывай.
От безысходности начал было даже слушать через bluetooth A2DP адаптор, но само собой и качество и аккумуляторы (
6 часов) вгоняли в печаль…
Стало ясно что жить так больше нельзя.
Но отступим на 3 месяца назад: Покупал я детали для моего MP3-плеера в terraelectronica, который должен был наконец заменить мой iPod, и проходясь по списку микросхем для аудиотехники (сортировка по наличию и цене) увидел в начале списка MAX9724 по феноменальной цене в 7.78 рублей. Хоть это и был специализированный усилитель для наушников, мне он по тому проекту был не нужен — купленный аудиокодек уже выдавал сигнал нужного для наушников уровня. Ну, решил я, куплю про запас штучек 5, мало ли где пригодится, тем более с такой ценой…
Итак, наши Design goals для усилителя
1. Все должно собираться из того что есть, чтобы решить проблему «сегодня» (супердорогие операционные усилители отпадают)
2. Питание строго от USB, никаких нестандартных блоков питания и тем более батареек
3. Качество должно быть лучше того, что может услышать человек
4. Как следствие из пункта 3 — конденсаторы на пути аудио-сигнала — это проблема (хоть и решаемая). Пленочные конденсаторы дорогие и редкие, а с электролитами тут всегда непросто.
5. Отсутствие потенциометра регулятора громкости — они шумят (при вращении / просто от старости) и вообще ненадежны.
Существующие конструкции:
1. Вот например недавняя статья Усилитель для наушников просто и быстро — в статье тактично опущен вопрос с питанием 🙂 Также, после чтения соответствующих статей понятно, что на операционных усилителях строить нормальные усилители не просто — много нюансов (впроде самовозбуждения, смещения 0, входящего тока и ограничений на входное сопротивление). Ну и в целом — операционные усилители требуют двухполярного питания, из USB его делать — нужна еще одна микросхема и отладка.
2. USB-ЦАП также отпадают из-за доступности и в целом «железная» звуковая карта мне больше нравится.
3. Готовые портативные усилители — помимо ожидания, нужно верить, что там внутри ни на чем не сэкономили. Кстати чип внутри этого FiiO E3 — функциональный аналог того что у меня, разница в том, что MAX9724 может от 5В работать, а LM4917 — 3.3В максимум (что также ограничивает применимость для 300-омных наушников).
Решение
Очевидно, я достал свою MAX9724 — содержит внутри генератор двухполярного напряжения (делает -5В из 5В) и 2 операционных усилителя, заточенные под усиление звука. По качеству — искажения THD+N по типовой схеме включения в моих условиях порядка 0.04% (не каждый услышит искажения даже в 0.5%). Схема не требует наличия конденсаторов на выходе, т.к. сигнал усиливается сразу «относительно земли» — что резко снижает количество возможных мест потери качества.
Этот уровень искажений (0.04%) можно еще снизить — в типовой схеме 2 конденсатора генератора отрицательного напряжения с номиналом 1мкф, и по графику при повышении емкости до 2.2мкф существенное снижение искажений. Я поставил около 20мкф керамических конденсаторов во все 3 места (генератор напряжения + питание), и думаю могу рассчитывать на параметры лучше, чем в типовой схеме
Схема простая как валенок. Стоит обратить внимание только на резисторы, они задают коэффициент усиления, в данном случае 2 (20кОм/10кОм). Если у вас наушники на 150-300 ом, можно поставить 40ком вместо 20, тогда максимальный размах сигнала на выходе усилителя будет 8В, чего должно хватить с запасом. Также на схеме в даташите указаны конденсаторы на входе — их я убрал, т.к. из моей звуковой карты уже идет сигнал относительно нуля, и срезать лишние низы/вносить искажения конденсаторами мне ни к чему. Как результат — усилитель усиливает сигналы от 0Гц (но конечно звуковая карта имеет свои ограничения).
Односторонняя разводка тривиальна, стоит обратить внимание только на 2 перемычки, а также то, что разъемы USB и аудио на «обратной» стороне платы.
Собираем
Микросхема хоть и выглядит хардкорной, легко паяется с помощью магии поверхностного натяжения (все мажем жидким флюсом ЛТИ-120, и припой сам залезает только на ножки). Конденсаторы тут со сломанного компьютерного железа — в аудиотракт их конечно ставить нельзя, но для питания все ок. В каждое из трех мест — кучка больших (по 4.7-10мкФ), и 1 маленький (0.1мкФ) — чтобы их резонансные частоты не совпадали.
Схема получилась весьма компактная. Конденсатор в центре — подключен на питание 5В от USB. При подключении к порту компьютера 1000мкФ конечно перебор, стандарт разрешает только 10мкФ, но обычно все работает.
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
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 🙂
Источник