Усилитель без усиления для наушников. Определимся со схемой конструктора усилителя для наушников? Изготовление корпуса для усилителя

Схема усилителя для наушников, которая точно заслуживает внимания. Тут и удвоенный выходной ток и отсутствие разделительных конденсаторов на пути сигнала. При этом схема усилителя для наушников очень проста и понятна.

Обновлено : Из схемы убран входной разделительный конденсатор. Изменены номиналы входных резисторов.

Схема усилителя для наушников

Регулярные скитания по по бескрайним просторам помойки кладезя знаний - интернету, привели к интересной находке. Это был PDF файл от компании Burr Brown. Который воодушевил меня создать усилитель для наушников на ОУ. С языка потенциального врага, его название дословно можно перевести следующим образом: Удвоение выходного тока в нагрузку двумя аудио ОУ OPA2604 .

Файл состоит из двух страниц, где ценность представляет только первая. Представленная там схема усилителя для наушников была перерисована и избавлена от лишних умных надписей.

Знакомьтесь, это будущее сердце нашего усилителя. А если быть точнее — это схема одного канала. Каналов у нас будет 2, а значит потребуется два сдвоенных операционных усилителя (ОУ ).

Резисторы R3 и R4 сопротивлением по 51 Ом нужны чтобы защитить выходы операционных усилителей.

В чем «фишка» этого усилителя?

Схема совсем не нова, и известна еще из даташитов 90-х годов. Но интересность схемы заключается в том, что оба ОУ усиливают один и тот же сигнал. Но это не мостовое включение. Выходные сигналы обоих ОУ находятся в фазе, а их выходные токи складываются.

Такое включение решает проблему малого выходного тока многих ОУ. Это заметно увеличивает количество ОУ, которые могут быть использованы в усилителе. Теперь достаточно, чтобы каждый операционный усилитель мог обеспечивать выходной ток в 35-40 мА, вместо 70-80 в случае одного ОУ на канал.

Максимальное значение выходного тока всегда приводятся в даташитах на ОУ.

Коэффициент усиления

Коэффициент усиления сигнала определяют резисторы R1 и R2 . Его точное значение определяется формулой:

K= 1+ R2/R1

Если ориентироваться на линейный выход с уровнем сигнала в 1 Вольт, то для большинства наушников коэффициента усиления равного трем будет вполне достаточно. На три и будем ровняться.

Желательно, чтобы резисторы, задающие коэффициент усиления, имели точностью не хуже ±1% . Зачастую в магазинах не слишком большой выбор прецизионных резисторов. Но в данном случае можно обойтись резисторами одного номинала.

В закромах шкафа были найдены прецизионные резисторы по 7,5 кОм которые и стали резистором R1 . В качестве R2 два резистора по 7,5 кОм были включены последовательно. Аналогично можно сделать, включив параллельно два резистора по 15кОм в качестве R1 , и один резистора на 15кОм в качестве R2 .

Для изменения коэффициента усиления лучше менять резистор R2 . Для схем на ОУ обычно рекомендуется использовать резисторы номиналом 1÷100 кОм. Резистор R1 будет выполнять еще одну важную функцию, поэтому желательно использовать 7.5кОм .

Доводим схему до ума

Представленная в документе схема несколько неполная и отражает лишь самое главное. Для нормально работы следует дополнить схему входными цепями, а так же параллельно резистору R2 следует добавить конденсатор небольшой емкости. Он нужен для исключения самовозбуждения ОУ.

Для начала не будем изобретать велосипед и позаимствуем входную цепь у усилителя для наушников FiiO Olympus E10. В таком случае схема нашего усилителя примет следующий вид:

На схеме обозначены ножки для сдвоенного операционного усилителя в корпусе DIP8. Схема полностью рабочая и ни в какой настройке не нуждается.

Выкинем конденсатор со входа

ОУ одинаково хорошо усиливает как переменное так и постоянное напряжение. Конденсатор(C1 ) нужен для того, чтобы отсекать постоянное напряжение по входу. С одной стороны — нормальные источники сигнала не дают постоянку на выходе. С другой стороны, если она вдруг будет, то ее нужно отсекать. А то и наушники можно спалить.

Но народ активно не желает видеть лишние конденсаторы в пути сигнала, поэтому будем выкручиваться.

Перечитывая в очередной раз «Искусство схемотехники » Хоровиц и Хилла, обнаружил то, что искал. Чтобы получить усилитель переменного тока, необходимо включить конденсатор, аналогичный C1 , последовательно с резистором R1.

В таком случае обратная связь ОУ будет работать только по переменке и необходимость в конденсаторе на входе у нас отпадет. Поэтому можно смело переместить C1 со входа усилителя в цепь обратной связи ОУ.

Образовавшаяся (R1 , С1 ) будет отсекать как постоянное напряжение так и инфра-низкие частоты (<10Гц ). Они не несут полезной информации, но значительно нагружают усилитель по току.

Так же такое включение конденсатора уменьшит напряжение разбаланса ОУ по входам. А оно, к слову, тоже усиливается и подмешивается в выходной сигнал. При этом конденсатор в цепи обратной связи практически не влияет на звук, в отличие от конденсатора на входе. Вообщем одни полюсы от такой перестановки.

Входные резисторы

Удаление конденсатора со входа вынудило пристальнее присмотреться к резисторам R5 и R6, оставшимся на входе. А зачем они вообще нужны и как их рассчитать?.

Резистор R5 называется компенсирующим и необходим для обеспечения равенства сопротивлений между каждым из входов и землей. Его величина определяется как параллельное сопротивление резисторов R1 и R2 .

Однако у нас последовательно с R1 стоит конденсатор С1. Сопротивление конденсатора зависит от частоты и складывается с сопротивлением резистора. Сопротивление конденсатора на какой-то частоте определяется из соотношения:

R С = 1 / (2 × π × F × C) ,

Где F в Гегрцах, С в Фарадах, а R С в Омах

Для определения сопротивления R5, сначала были рассчитаны значения сопротивлений конденсатора емкостью 2,2 мкФ на частотах 20Гц и 20кГц. Затем для обоих случаев были рассчитаны величины компенсирующих резисторов. Оказалось, что сопротивление резистора R5 должно лежать между 8.91 кОм (для 20 Гц ) и 6.81 кОм (для 20кГц ). Не долго думая воткнул 7,5 кОм.

Конденсатором мы развязали инвертирующий вход усилителя с землей по постоянке. Но ОУ должен иметь связь с землей как по переменному, так и по постоянному току. Для этого и служит резистор R6 . Его величина была выбрана равной 75 кОм. Но можно поставить и 100 кОм. Меньше 75кОм, при переменнике в 50 кОм я бы не советовал ставить. Вместе с резистором R5 они начнут шунтировать входной переменный резистор.

На схеме так же был несколько изменен выход. Номиналы R3 и R4 были снижены до 10 Ом, а последовательно с ними включен резистор R7 с таким же сопротивлением. Это должно обеспечить лучшее суммирование выходных сигналов.

Питания усилителя

Для звука очень важно качество питания. Данная схема рассчитана на двухполярное напряжение питания. Это избавляет нас от необходимости добавлять лишние детали в звуковой тракт, и в целом лучше для звука.

Сегодня существуют ОУ работающие от ±1.5В, но большинство операционников работают при двухполярном напряжении питания от ±3В до ±18В. Оптимальным можно назвать напряжение в ±12В, которое входит в пределы питания большинства ОУ.

Точные значения максимального напряжения питания следует смотреть в документации на конкретные микросхемы.

Качество компонентов

Не обязательно сразу закупать дорогие детали. Для начала можно поставить что-то из ассортимента ближайшего магазина радиодеталей, а постепенно заменить их более качественными компонентами. Плата будет работать на любых деталях.

Конденсатор С1 должен быть неполярным. Лучше полипропиленовый или пленочным. Конденсатор С2 лучше использовать керамический. Точность конденсаторов не очень важна. но лучше использовать с точностью не хуже 5%.

Цены на операционные усилители лежат в широких пределах и не всегда дороже значит лучше для звука. Для начала можно будет установить что-то недорогое и доступное, например любимую многими NE5532(0.3$). Очень желательно чтобы она была производства Филлипс.

В последствии с заменой ОУ можно будет играться сколько хотите. Если рассматривать ОУ классом повыше, то для звука хорошо себя зарекомендовали OPA2134, OPA2132, OPA2406, AD8066, AD823, AD8397….

Не рекомендую заказывать микросхемы с АлиЭкспресс и в прочих китайских магазинах. Довольно много отзывов, в которых люди сообщают, что микросхемы не оригинальные. Да, ОУ будет работать, как ему и положенно, но это может быть совсем не OPA2134, который вы заказывали, а довольно дешевая TL061 с надписью OPA2134…

Заключение

Полученная схема усилителя, собранная на OPA2132 и работающая даже при напряжении питания ±5В свободно раскачивает достаточно тугие Sennheiser HD380 Pro.

Не люблю описывать звук субъективными терминами вроде «высокие стали хрустальными» или «басы теплыми», скажу лишь то, что при использовании хорошего ОУ, этот усилитель для наушников обладает достаточным запасом громкости и выходной мощности. При этом он не требует никакой настройки и использует минимум деталей, обеспечивая при этом достойное качество звука.

Рассмотренная схема привела к идее создания портативного усилителя для наушников. Так придумался . Суть которого заключается в создании законченной конструкции портативного усилителя для наушников своими руками с нуля.

Материал подготовлен исключительно для сайта

Как говорится - все гениальное просто. Данный усилитель состоит из минимума деталей, обеспечивая сигналу прохождение через минимум элементов, и тем самым оберегая его от искажений, которые эти элементы могут внести.

Усилитель имеет мощность 500мВт. Расчетный уровень искажений, при применении микросхемы на подобии OPA2134 - 0.001%. Сопротивление нагрузки 32-300 Ом.

На R1 и R2 собран регулятор громкости, точнее это один сдвоенный резистор. По входу стоит бутерброд из конденсаторов 4.7 и 0.47мкФ, позволяющий добиться максимальной линейности. На IC1.1 и IC1.2 собраны инвертирующие усилители с коэффициентом усиления равным 4. Далее Следуют повторители на транзисторах. ООС образуют R6 и R5. R11 и R12 ограничивают ток поступающий с ОУ на базы повторителей, от этого ОУ проще живется, и искажений чуть меньше. R7, R8, R9, R10 ограничивают ток транзисторов повторителя и защищают их от сквозных токов. Схема питается от двухполярного напряжения и имеет встроенные цепочки фильтрации на микросхемах-стабилизаторах 7812 и 7912. На выходе стоят конденсаторы предотвращающие попадание постоянного напряжения на выход.

В качестве IC1 можно использовать LM358 как самый доступный вариант, но для качественного звука советую поставить аналог подороже.

Печатная плата включает все элементы, кроме разъемов. Ее размеры составляют всего 50х50мм. Такой размер был выбран с целью в дальнейшем заказать платы у китайцев, уложившись в самый дешевый лот размером 5х5см. Вообще первоначально данный проект планировалось использовать как коммерческую разработку, но я все-же решил выложить его в открытый доступ.

Первая плата изготовлена методом плоттерной аппликации:

Пала небольшая, поэтому крепление осуществляется посредством штатной гайки переменного резистора. В сборе устройство выглядит так:

Список радиоэлементов

Усилитель без усиления, странно звучит не правда? Но тем не менее, про него пойдет речь.

Начну с не большой пред истории, купив новые наушники, стал замечать, что не хватает громкости, но не так, что бы сильно. Чисто в записях, на который низкий уровень громкости, хочешь добавить еще чуть - чуть, а уже предел. Да и субъективно, казалось, что звуковая карта стала звучать с ними, как то «сжато», низкие частоты оставляли желать лучшего. Думаю, с таким многие сталкивались.

Забегая вперед, могу сказать, что сам пришел к выводу, что усилитель для наушников, нужен. И даже не столько, как усилитель звука, он больше нужен для раскрытия потенциала наушников. В ходе сборки данного усилителя заметил, что наушники стали играть лучше, чем просто от входа звуковой карты. Возможно, сказывается, то что происходит некая «согласованность» относительно низкого сопротивления наушников, и выхода звуковой карты.

Сам усилитель, для наушников будет построен всего на одном ОУ (операционном усилителе), в данном случае на OPA2134 от burr brown. Так как напряжение источника сигнала особо усиливать не надо, то ОУ включается повторителем напряжения. Коэффициент усиления повторителя равен единице, или, сказать по - другому, никакого усиления и нет. Тогда зачем нужна такая схема? Здесь вполне уместно вспомнить, что существует транзисторная схема - эмиттерный повторитель, основное назначение которого согласование каскадов с различными входными сопротивлениями. Подобные каскады (повторители) называют еще буферными. Теперь становится понятно название «Усилитель без усиления».

Одним словом, в ходе выбора схемы решил сделать именно буфер, и да знаю, в единичном усилении включать ОУ, не сильно хорошо, но OPA2134 с этим справляется, так же как и NE5532, и TL072. Да и выходной ток для «раскачки» наушников достаточен. Там ведь особо много не надо? Ну 20мА, максимум 40мА, я не беру во внимание, особо чувствительные наушники.

Ниже схема самого буфера:

На схеме видно сам ОУ и буквально, не большую кучку деталей его обвязки. По входу стоит переменный резистор на 50Ком, далее за ним стоит по пленочному конденсатору С4 и С5 по 1.5 мкФ, можно поставить и более скажем 2.2 мкФ, что даже лучше. Резисторы R7, R8 и конденсаторы С2, С1 нужны, как своего рода фильтр, служащий защитой от проникновения радиочастот, да и шума с компьютера, может и не значительно, но пускай будет. Резисторы R5, R6 защита входа ОУ, лучше поставить, я их поставил по 100 Ом, но можно вплоть до 1 КОма. Резисторы R4, R3 защита выхода ОУ, можно ставить от 10-30 Ом, можно и больше, но зачем? Резисторы R1, R2, точнее их сопротивление не влияет на «единичность» усиления, лично я поставил 30 КОм, но можно и 47Ком поставить работать будет. Хотя ОУ и не самый скоростной 20 В/мкс, но тем не менее, питание на плате обвешал полностью. По 100 нФ и 1000 мкФ, от ножек минуса и плюса питания на землю, а также максимально близко к ОУ, между плюсом и минусом еще один конденсатор, на 100 нФ. Вот и все детали, буквально чуть - чуть.

В собранном виде выглядит эта платка буфера так:

Нужно еще обязательно подпаять проводок от массы на корпус резистора, что бы не было гула при касании к нему, я это сделал так:

Осталось сделать питание, особо с питанием возится не захотел, сделал его по стандартной схеме на LM7812 / LM7912. Единственное что подобрал стабилизаторы, что бы в плечах было более - менее похожие напряжения. Собственно схема:

Ни чего особенного, только добавил пару деталей, в виде варистора и помехоподавляющего конденсатора, параллельно входу трансформатора. В выпрямителе, применил диоды SF26, можно было и HER107. Да понимаю, вроде бы, а зачем? Можно ведь поставить что-то по проще, но на них цена, не сильно то и большая, да и нужно их не много. А на звук вроде влияет, так что поставил. Еще применил 2 предохранителя PTC 250 мА, чисто были. Решил для подстраховки поставить, можно не ставить.

Плата питания выглядит так, вышла довольно миниатюрной:

В результате этот буфер для наушников выглядит так:

Теперь собственно результат проделанной работы, фона нет в принципе, не слышно, чему был очень рад, после сборки:) Звук стал лучше, реально ощутил это, не то что бы он, как то красиво окрасился, чисто субъективно в нем добавилось низких и средних частот, да и сжатость прошла. Громкости мне сейчас хватает, как это не парадоксально от усилителя без усиления. Одним словом работой буфера доволен, при такой простой схеме его просто нужно попробовать собрать:) Тем более работает сразу, и настроек не каких производить не нужно. Советую тем, кто хочет услышать по новому свои наушники, но не хочет пока собирать, что-то сложное. Лично сейчас думаю как бы сделать к нему корпус.

Список радиоэлементов

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.

» привет. Вот конструкция усилителя для наушников, который основан на буферах тока LME49600. Эти ОУ были выбраны из-за того, что они обещают очень хорошие параметры при простой реализации схемного исполнения. Кстати, это далеко не единственный вариант подобного устройства — вот ещё одна схема

Схема УНЧ на LME49600

В схеме используется система активной коррекции смещения постоянного тока на выходе усилителя, что позволяет исключить из сигнального тракта конденсаторы, соединяющие каскады. Чтобы обеспечить долговечность — обязательно применение высококачественных элементов, подверженных износу, таких как потенциометр и электролитические конденсаторы.

Блок питания

Трансформатор питания на 10VA с вторичными напряжениями 2x9V. Стабилизаторы питания LT3015 и LT1963.

Печатную плату конечно можно проектировать самостоятельно, но в данном случае она была заказана на заводе, потому что хотелось получить максимально хорошее качество исполнения. К слову — стоимость печатки совсем не большая и иногда лучше доверить это дело промпроизводству, чем пытаться изготовить самому.

Изготовление корпуса для усилителя

Корпус УНЧ изготовлен из пластика, покрытого алюминиевым листом, так лучше для экранирования конструкции. В корпусе расположен разъем питания IEC C14 с встроенным фильтром электромагнитных помех и выключателем, а в качестве аудио разъемов использованы 6,3 мм.

В настоящее время усилитель работает с наушниками Sennheiser HD600. Результаты его работы вполне впечатляющие — при соответствующем качественном источнике сигнала. Какую максимальную мощность может получить усилитель? На основе данных даташита LME49600 — около 1W.