Vysoce kvalitní sluchátkový zesilovač. Sluchátkový zesilovač, trochu složitější
Obvod sluchátkového zesilovače, který si rozhodně zaslouží pozornost. V cestě signálu je dvojnásobný výstupní proud a absence vazebních kondenzátorů. Obvod sluchátkového zesilovače je přitom velmi jednoduchý a srozumitelný.
Aktualizováno : Vstupní oddělovací kondenzátor byl odstraněn z obvodu. Hodnoty vstupních rezistorů byly změněny.
Obvod sluchátkového zesilovače
Pravidelné toulky po nekonečných rozlohách skládky odpadků sklad znalostí – internet, vedl k zajímavému nálezu. Byl to PDF od Burra Browna. Což mě inspirovalo k vytvoření sluchátkového zesilovače pro operační zesilovač. Z jazyka potenciálního nepřítele lze jeho jméno doslovně přeložit takto: Zdvojnásobení výstupního proudu do zátěže pomocí dvou audio operačních zesilovačů OPA2604 .
Soubor se skládá ze dvou stránek, z nichž pouze první je cenná. Tam prezentovaný obvod sluchátkového zesilovače byl překreslen a zbaven zbytečných chytrých nápisů.
Seznamte se s tímto budoucím srdcem našeho zesilovače. Přesněji řečeno, toto je schéma jednoho kanálu. Budeme mít 2 kanály, což znamená, že budeme potřebovat dva duální operační zesilovače ( Operační zesilovač ).
K ochraně výstupů operačních zesilovačů jsou potřeba rezistory R3 a R4 s odporem 51 Ohmů.
V čem spočívá „trik“ tohoto zesilovače?
Schéma není vůbec nové a je známé z datasheetů z 90. let. Ale zajímavé na obvodu je, že oba operační zesilovače zesilují stejný signál. Ale toto není mostové spojení. Výstupní signály obou operačních zesilovačů jsou ve fázi a jejich výstupní proudy se sčítají.
Toto zahrnutí řeší problém nízkého výstupního proudu mnoha operačních zesilovačů. To výrazně zvyšuje počet operačních zesilovačů, které lze v zesilovači použít. Nyní stačí, že každý operační zesilovač může poskytnout výstupní proud 35-40 mA, namísto 70-80 v případě jednoho operačního zesilovače na kanál.
Maximální hodnota výstupního proudu je vždy uvedena v datasheetech na operačním zesilovači.
Získat
Faktor zesílení signálu je určen odpory R1 A R2 . Jeho přesná hodnota je určena vzorcem:
K = 1+ R2/R1
Pokud se zaměříme na lineární výstup s úrovní signálu 1 Volt, pak většině sluchátek bude celkem stačit zisk tři. Budeme na úrovni tři.
Je žádoucí, aby rezistory, které nastavují zisk, měly přesnost ne horší než ±1 % . Obchody často nemají velký výběr přesných rezistorů. Ale v tomto případě si vystačíte s rezistory stejné hodnoty.
V přihrádkách skříně byly nalezeny přesné rezistory 7,5 kOhm, které se staly rezistorem R1 . Jak R2 dva 7,5 kOhm rezistory byly zapojeny do série. Totéž můžete udělat paralelním zapojením dvou 15 kOhm rezistorů jako R1 a jeden odpor 15 kOhm jako R2 .
Chcete-li změnit zesílení, je lepší změnit odpor R2 . Pro obvody operačních zesilovačů se obvykle doporučuje použít rezistory o jmenovité hodnotě 1÷100 kOhm. Rezistor R1 bude tedy plnit další důležitou funkci Je vhodné použít 7,5 kOhm.
Pojďme dokončit schéma
Diagram uvedený v dokumentu je poněkud neúplný a odráží pouze to nejdůležitější. Pro normální provoz by měl být obvod doplněn o vstupní obvody, stejně jako paralelně s rezistorem R2 měl by být přidán malý kondenzátor. Je potřeba, aby se zabránilo samobuzení operačního zesilovače.
Za prvé, nevynalézejme znovu kolo a půjčme si vstupní obvod ze sluchátkového zesilovače FiiO Olympus E10. V tomto případě bude mít obvod našeho zesilovače následující podobu:
Schéma ukazuje nohy pro duální operační zesilovač v pouzdře DIP8. Obvod je plně funkční a nevyžaduje žádnou konfiguraci.
Vyjmeme kondenzátor ze vstupu
Operační zesilovač zesiluje střídavé i stejnosměrné napětí stejně dobře. Kondenzátor ( C1 ) je potřeba k odpojení stejnosměrného napětí na vstupu. Na jedné straně normální zdroje signálu neposkytují konstantní výstup. Na druhou stranu, pokud se náhle objeví, je třeba ji odříznout. Nebo si dokonce můžete spálit sluchátka.
Ale lidé aktivně nechtějí vidět další kondenzátory v signálové cestě, takže se z toho dostaneme.
Znovu číst" Umění navrhování obvodů»Horowitz a Hill našli to, co jsem hledal. Chcete-li získat střídavý zesilovač, musíte zahrnout kondenzátor podobný jako C1 , v sérii s rezistorem R1.
V tomto případě bude zpětná vazba operačního zesilovače fungovat pouze střídavě a na vstupu nebude potřeba kondenzátor. Proto se můžete bezpečně pohybovat C1 ze vstupu zesilovače do zpětnovazebního obvodu operačního zesilovače.
Výsledné ( R1 , C1 ) přeruší stejnosměrné napětí i infra-nízké frekvence ( <10Гц ). Nenesou užitečné informace, ale výrazně zatěžují zesilovač proudem.
Také takové zahrnutí kondenzátoru sníží napěťovou nerovnováhu operačního zesilovače na vstupech. A ten je mimochodem také zesílen a přimíchán do výstupního signálu. V tomto případě nemá kondenzátor ve zpětnovazebním obvodu na zvuk prakticky žádný vliv, na rozdíl od kondenzátoru na vstupu. Obecně z takového přeskupení existují pouze póly.
Vstupní odpory
Vyjmutí kondenzátoru ze vstupu nás donutilo podívat se na odpory blíže R5 A R6, zůstávající u vchodu. Proč jsou vůbec potřeba a jak je vypočítat?
Rezistor R5 nazývá se kompenzační a je nezbytné pro zajištění stejného odporu mezi každým ze vstupů a zemí. Jeho hodnota je definována jako paralelní odpor rezistorů R1 A R2 .
My však důsledně s R1 je tam kondenzátor C1. Odpor kondenzátoru závisí na frekvenci a přičítá se k odporu rezistoru. Odpor kondenzátoru při určité frekvenci je určen ze vztahu:
RC = 1 / (2 × π × F × C),
Kde F v Gegritsi, S ve Farads a R C v Omaze
K určení odporu R5, Nejprve byly vypočteny hodnoty odporu kondenzátoru s kapacitou 2,2 μF při frekvencích 20 Hz a 20 kHz. Poté byly pro oba případy vypočteny hodnoty kompenzačních odporů. Ukázalo se, že odpor rezistoru R5 musí ležet mezi 8,91 kOhm (pro 20 Hz) A 6,81 kOhm (pro 20 kHz). Bez váhání jsem to zastrčil 7,5 kOhm.
K trvalému oddělení invertujícího vstupu zesilovače od země jsme použili kondenzátor. Operační zesilovač však musí být připojen k zemi pomocí střídavého i stejnosměrného proudu. K tomu slouží odpor. R6 . Jeho hodnota byla zvolena na 75 kOhm. Můžete ale použít i 100 kOhm. Nedoporučoval bych to nastavit na méně než 75 kOhm, s proměnnou 50 kOhm. Společně s rezistorem R5 začnou obcházet vstupní proměnný odpor.
Výstup byl také mírně změněn ve schématu. Hodnoty R3 a R4 byly sníženy na 10 Ohmů a do série s nimi byl zapojen rezistor R7 se stejným odporem. To by mělo zajistit lepší sčítání výstupních signálů.
Napájení zesilovače
Kvalita napájení je pro zvuk velmi důležitá. Tento obvod je určen pro bipolární napájecí napětí. To nám ušetří zbytečné přidávání detailů do zvukové cesty a celkově je to pro zvuk lepší.
Dnes existují operační zesilovače pracující od ±1,5V, ale většina operačních zesilovačů pracuje s bipolárním napájecím napětím od ±3V do ±18V. Optimální napětí je ±12V, což je v mezích napájení většiny operačních zesilovačů.
Přesné hodnoty maximálního napájecího napětí by měly být uvedeny v dokumentaci pro konkrétní mikroobvody.
Kvalita komponentů
Není nutné hned kupovat drahé díly. Pro začátek můžete dodat něco ze sortimentu nejbližší prodejny rádiových dílů a postupně je nahrazovat kvalitnějšími komponenty. Deska bude fungovat na jakékoli části.
Kondenzátor C1 musí být nepolární. Lepší polypropylen nebo fólie. Je lepší použít keramický kondenzátor C2. Přesnost kondenzátorů není příliš důležitá. ale je lepší používat s přesností ne horší než 5%.
Ceny operačních zesilovačů se velmi liší a dražší nemusí vždy znamenat lepší zvuk. Pro začátek si můžete nainstalovat něco levného a dostupného, například milovaný NE5532 (0,3 $). Je velmi žádoucí, aby jej vyrobil Phillips.
Následně si můžete hrát s výměnou operačního zesilovače, jak chcete. Pokud vezmeme v úvahu operační zesilovače vyšší třídy, tak OPA2134, OPA2132, OPA2406, AD8066, AD823, AD8397… se zvukově osvědčily.
Nedoporučuji objednávat mikročipy z AliExpress nebo jiných čínských obchodů. Existuje poměrně mnoho recenzí, ve kterých lidé hlásí, že mikroobvody nejsou originální. Ano, operační zesilovač bude fungovat, jak má, ale nemusí to být OPA2134, který jste si objednali, ale poměrně levný TL061 s označením OPA2134...
Závěr
Výsledný obvod zesilovače, sestavený na OPA2132 a pracující i při napájecím napětí ±5V, volně houpe dosti těsný Sennheiser HD380 Pro.
Nerad popisuji zvuk subjektivními pojmy jako „výšky jsou křišťálově čisté“ nebo „basy jsou teplé“ řeknu pouze, že při použití dobrého op-ampu má tento sluchátkový zesilovač dostatečnou hlasitost a výstupní výkon . Nevyžaduje však žádné nastavování a využívá minimum dílů, přičemž poskytuje slušnou kvalitu zvuku.
Uvažovaný obvod vedl k myšlence vytvořit přenosný sluchátkový zesilovač. Tak to přišlo . Jeho podstatou je vytvořit kompletní design přenosného sluchátkového zesilovače vlastníma rukama od nuly.
Materiál byl připraven výhradně pro staveniště
Jak se říká, všechno důmyslné je jednoduché. Tento zesilovač se skládá z minima částí, které umožňují, aby signál prošel minimem prvků, a tím jej chrání před zkreslením, které tyto prvky mohou způsobit.
Zesilovač má výkon 500 mW. Vypočítaná úroveň zkreslení při použití čipu jako OPA2134 je 0,001 %. Odpor zátěže 32-300 Ohm.
Na R1 a R2 je namontován regulátor hlasitosti, respektive je to jeden dvojitý odpor. Na vstupu je sendvič 4,7 a 0,47 µF kondenzátorů, což umožňuje dosáhnout maximální linearity. IC1.1 a IC1.2 sestavují invertující zesilovače se ziskem 4. Dále jsou tranzistorové opakovače. OOS je tvořen R6 a R5. R11 a R12 omezují proud tekoucí z operačního zesilovače do základů opakovačů, což operačnímu zesilovači usnadňuje život a dochází k menšímu zkreslení. R7, R8, R9, R10 omezují proud opakovacích tranzistorů a chrání je před průchozími proudy. Obvod je napájen bipolárním napětím a má vestavěné filtrační obvody na stabilizačních čipech 7812 a 7912. Na výstupu jsou kondenzátory, které zabraňují vstupu stejnosměrného napětí na výstup.
LM358 můžete použít jako IC1 jako nejdostupnější možnost, ale pro vysoce kvalitní zvuk vám doporučuji použít dražší analog.
Deska s plošnými spoji obsahuje všechny prvky kromě konektorů. Jeho rozměry jsou pouze 50x50mm. Tato velikost byla zvolena s cílem v budoucnu objednávat desky u Číňanů, které se vejdou do nejlevnější šarže o rozměrech 5x5 cm. Obecně byl tento projekt původně plánován jako komerční development, ale přesto jsem se rozhodl jej zpřístupnit veřejnosti.
První deska byla vyrobena metodou aplikace plotru:
Hřídel je malá, takže upevnění se provádí pomocí standardní matice s proměnným odporem. Sestavené zařízení vypadá takto:
Seznam radioprvků
| Označení | Typ | Označení | Množství | Poznámka | Nakupovat | Můj poznámkový blok |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | Operační zesilovač | OPA2134 | 1 | LM358 | Do poznámkového bloku | |
| Lineární regulátor | LM79L12 | 1 | Do poznámkového bloku | |||
| Lineární regulátor | LM78L12 | 1 | Do poznámkového bloku | |||
| VT1, VT3 | Bipolární tranzistor | BC547 | 2 | Do poznámkového bloku | ||
| VT2, VT4 | Bipolární tranzistor | BC557 | 2 | Do poznámkového bloku | ||
| R1, R2 | Variabilní odpor | 50 kOhm | 2 | Do poznámkového bloku | ||
| R3, R4 | Rezistor | 47 kOhm | 2 | Do poznámkového bloku | ||
| R5, R6 | Rezistor | 200 kOhm | 2 | Do poznámkového bloku | ||
| R7-R12 | Rezistor | 10 ohmů | 6 | Do poznámkového bloku | ||
| 1000 uF | 4 | Do poznámkového bloku | ||||
| Elektrolytický kondenzátor | 100 uF | 2 | Do poznámkového bloku | |||
| Elektrolytický kondenzátor | 10 uF | 2 |
V souvislosti s nákupem nové zvukové karty bez sluchátkového výstupu jsem měl potřebu slušně kvalitního sluchátkového zesilovače schopného pohánět můj oblíbený TDS-4. Zesilovač musel být kompaktní, snadno se montoval a nastavoval, s nízkým šumem a zkreslením. Díky tomu sestavený zesilovač splnil všechny výše uvedené požadavky.
Charakteristiky zesilovače byly měřeny pomocí programu RMAA 6 Bylo testováno jednokanálové rozložení (program pracoval v režimu MONO), výsledky měření:
Nerovnoměrnost frekvenční odezvy (v rozsahu 40 Hz – 15 kHz), dB: +0,05, -0,74
Hladina hluku, dB (A): -90,9
Dynamický rozsah, dB (A): 90,9
Harmonické zkreslení, %: 0,0014
Intermodulační zkreslení + šum, %: 0,010
Intermodulace při 10 kHz, %: 0,0084
Zesilovač je sestaven podle obvodu vyrovnávací paměti op-amp + výstupního tranzistoru. Operační zesilovač poskytuje vysoký zisk v otevřené smyčce potřebný k potlačení harmonického zkreslení s hlubokou zpětnou vazbou. Výstupní vyrovnávací paměť provádí zesílení proudu přizpůsobením nízkého odporu cívky sluchátek nízkovýkonovému výstupu operačního zesilovače. Obvod používá duální vysokorychlostní operační zesilovač K574UD2. Signál ze zdroje přes oddělovací kondenzátor C3 a rezistor R1 je přiváděn na neinvertující vstup operačního zesilovače. Rezistor R4 nastavuje stejnosměrný pracovní bod zesilovače. Prvky C1, C2, R2, R3 zajišťují frekvenční korekci operačního zesilovače. Výstupní vyrovnávací paměť je vytvořena podle „paralelního“ obvodu. Tento obvod byl vybrán, protože postrádá přechodné zkreslení spojené s konvenčními push-pull obvody. Při použití tranzistorů s podobnými parametry se vzájemně kompenzují poklesy napětí na přechodech báze-emitor předfinálního a koncového stupně tranzistorů. Vyrovnávací tranzistory, které jsou instalovány na společném chladiči, se vzájemně tepelně stabilizují. Operační zesilovač a vyrovnávací stupeň jsou pokryty společným 100% OOS pro stejnosměrný i střídavý proud, zesílení obvodu je 1.
Je vhodné použít filmový kondenzátor C3. C1, C2, C6, C7 – keramika. Všechny rezistory jsou typu MLT-0.125 (nebo importované analogy). Tranzistory VT1 KT315G, VT2 KT361G, VT3 KT815G, VT4 KT814G. Jako VT1 a VT2 by bylo vhodnější použít tranzistory KT815G a KT814G z důvodů shodných parametrů a možnosti snadné organizace tepelného kontaktu všech čtyř vyrovnávacích tranzistorů. Operační zesilovač lze vyměnit za jakýkoli jiný vysokorychlostní s odpovídající změnou v sadě korekčních prvků a rozložení desky plošných spojů. Zesilovač je napájen z bipolárního nestabilizovaného zdroje. Napájecí zdroj využívá transformátor 220/20 odbočený ze středu sekundárního vinutí. Libovolný diodový můstek pro napětí 50V a proud do 1A. Je možné použít diody řady 1N4001-1N4007. Kapacita kondenzátorů C4, C5 je minimálně 1000 µF (použil jsem 4700 µF)
Správně sestavený zesilovač nevyžaduje seřízení. Je nutné zkontrolovat odběr proudu (asi 30 mA u dvoukanálového zesilovače) a konstantní napětí na výstupu.
Díly zesilovače a zdroje jsou umístěny na společné desce o rozměrech 35x78mm. Tranzistory každého kanálu jsou připojeny přes izolační těsnění ke společnému chladiči ve tvaru U. Plocha chladiče je nedůležitá, hlavní je, že zajišťuje tepelný kontakt tranzistorů.
Plošný spoj je jednovrstvý s propojkami, rozvržený ve Sprint Layout 5. V autorské verzi byla použita nefoliová DPS, díly byly osazeny do otvorů, piny byly spojeny měděným drátem.
Literatura:
Blok zesilovače radioamatérského komplexu. A. Ageev, Rádio č. 8 1982
Stolní sluchátkový zesilovač Sapphire – http://phonoclone.com/diy-sapp.html
Při stavbě nového sluchátkového zesilovače bylo mým cílem postavit kompaktní, snadno nastavitelný obvod se skvělým zvukem za použití běžných součástek.
Bylo rozhodnuto použít operační zesilovač jako zesilovač napětí, který poskytuje napěťové zesílení 2-3krát. Jako výstupní buffer do operačního zesilovače jsem použil modifikaci Taylor-White repeateru. Zvolené řešení umožňuje snížit klidový proud 2-3x oproti „poctivé třídě A“, což má pozitivní vliv na odvod tepla zesilovače.
Obvod zesilovače AH-P2
Zesílení zesilovače se nastavuje poměrem R13 / R8. Při použití vysokoimpedančních sluchátek lze R13 zvýšit na 47 kOhm. AD744 a NE5534 lze použít jako operační zesilovač pomocí pinu 5. Plošný spoj umožňuje použít i jiné op-ampy, které jsem zkoušel: ADA4627, LME49990, OPA627, OPA827, OP42, AD845, K544UD2, ale se standardním výstupem (pin 6). Subjektivně pro mě byly zvukově nejzajímavější AD744 a naše K544UD2A. Proto má zesilovač nastavovací řetězec 0 pro K544UD2. Jeho rozptyl parametrů je u importovaných operačních zesilovačů velmi velký, úprava 0, jak ukázala praxe, není nijak zvlášť nutná. Chcete-li provozovat K544UD2 s nízkým ziskem, budete také muset zapnout frekvenční korekční řetězec zkratováním pinů 1 a 8, můžete jej také zeslabit a místo propojky nainstalovat kondenzátor s kapacitou ~15-22pF; při sledování stability operačního zesilovače.
Výkon zesilovače
Oba kanály zesilovače jsou napájeny společným stabilizovaným zdrojem s výstupním napětím ±8,2V, stabilizátory pro kladné i záporné napětí jsou vyrobeny podle klasického obvodu ION-FS-OPA, což umožňuje získat předvídatelně vynikající výkon; výsledek bez dodatečných nákladů.
Nastavení zesilovače je velmi jednoduché. Pro provoz při zátěži 250 Ohmů a více se doporučuje nastavit klidový proud na ~25 mA. Při provozu při zátěži 64 Ohmů, aby se minimalizovalo zkreslení, bude muset být klidový proud zvýšen na 40-45 mA a výstupní tranzistory zesilovače a stabilizátoru budou muset být vybaveny radiátorem. Při provozu se zátěží 32 Ohm se doporučuje nastavit klidový proud na ~50-55 mA.
PCB
Zesilovač je osazen na oboustranné desce plošných spojů o rozměrech 50x100mm. Deska je připravena pro výrobní zakázku. Deska umožňuje osazení tranzistorů jak ve verzi to126 (například BD139), tak ve verzi SMD SOT-223 (například BCP56). Podobně lze do stabilizátoru výkonu nainstalovat BD139/BD140 nebo BCP56/BCP53.
3D pohled na obvodovou desku sluchátkového zesilovače AH-P2 s komponenty:
Měření zesilovače v RMAA
Jak vidíte, zkreslení zesilovače je extrémně nízké. Při klidovém proudu 60mA bylo harmonické zkreslení zesilovače při provozu do odporové zátěže 64 Ohmů pouze 0,0002 % (4V RMS). Což je téměř totožné se zkresleními samotného měřícího stojanu, vylepšeným ASUS Xonar ST.
Fotografie hotové konstrukce
Níže jsou fotografie hotové konstrukce. Na první fotografii první verze zesilovače AH-P2 (deska v1.0 umožňovala instalaci operačního zesilovače pouze ve verzi soic8) ve spojení s multiformátovým DAC na bázi ak4490 (červená deska) . Na druhé verzi 1.2 zesilovače s K544UD2A. Skutečná měření zkreslení zesilovače s K544UD2A jsou v rozsahu 0,0006 % -0,0002 %, v závislosti na instanci operačního zesilovače.
High-tech pouzdro vyrobené z elektrické pásky. Zpočátku jsem desku vyrobil pod teplem smrštitelnou trubicí - ale doslova milimetr nestačil, nevešel se. No, přesto se mi to líbí.
Problém s cenou
Kus jednostranné DPS: 2 rublyMAX9724 - 7,78 rublů
4 odpory - 0,07 * 4 = 0,28 rublů
Kondenzátory - 0 (i když si koupíte, ~ 30 rublů max.)
Konektory - 0 (pokud si koupíte, ~ 20-30 rublů)
Izolační páska pro high-tech bydlení - 1 rubl
Celkem - to je pro mě přesně 11,06 rublů a asi 61,06 rublů, pokud si koupíte vše :-)
Výsledky
Samozřejmě jsem hned narazil na známý problém: při práci se zvukem se nemůžete připojit na stejnou zem na dvou místech (uzemnění USB a zem audio jacku). V tomto případě se po zemi plíží rušení, které nelze odfiltrovat a zde nepomůže žádný stabilizátor výkonu. (problém je v tom, že USB má svou zem, zvuk má svoji a naše deska má svoji. Podle spotřebovaného proudu se zem zvedá všude různě a to způsobuje neodstranitelné rušení).Tento problém můžete vyřešit buď odstraněním audio připojení (USB DAC) nebo napájení (baterie nebo jiný zdroj). S použitím zdroje s USB výstupem jsem byl naprosto spokojený vzhledem k tomu, že jsou všude dostupné a jsou standardní.
Konečný výsledek předčí všechna očekávání. Žádné stížnosti na kvalitu, absolutně nulový šum, pohodlná úroveň hlasitosti - od 22 do 40% a rezerva pro „vytažení“ tichých nahrávek. Zvuk je bohatší (hlavní věc, kterou je třeba si zapamatovat, je, že basy zde začínají od 0 Hz) a to vše a vůbec - vlastní audio zařízení znějí vždy obzvlášť dobře :-)
To, co jej odlišuje od hotových čínských zařízení (jako FiiO E3), je nižší cena (sic!), osazení náhradními součástkami, absence kondenzátorů v audio cestě, větší výkon při práci s vysokoimpedančními sluchátky (300 Ohmů ) kvůli vyššímu napájecímu napětí a teoreticky i kvalita zvuku slibuje vyšší (v praxi bych rozdíl asi neslyšel).
PS. Jak jsem již uvedl výše, zesilovač je potřeba k tomu, aby si nekazil sluch ultravysokou hlasitostí (nemluvě o utržených sluchátkách), ale aby poháněl „těžká“ sluchátka s nízkou citlivostí, pokud je výstup zvukové karty příliš mrtvý. No, extrahujte tiché nahrávky/filmy bez softwaru...
PS2. Rozdíl mezi plusy a „přidáno do oblíbených“ je 4krát, rekord :-)
