Усилитель класса А для низкоомных и высокоомных наушников

Прошло каких-то полгода с той поры, как я начал регулярно слушать любимую музыку через наушники – и вот я «закоренелый аудиофил». Качество звука, которое устраивало меня раньше, теперь кажется отвратительным.
Прослушивание аудио материала происходит только дома, в спокойной атмосфере. И только через любимые наушники и только через усилитель, работающий в классе А.
О последнем я и хочу рассказать в этой статье.

↑ От Эллиотта к Мультисиму

Это второй собранный мною усилитель для наушников, о первом я писал здесь: Мощный усилитель для наушников. Не могу сказать, что усилитель многоуважаемого Рода Эллиотта чем то меня не устраивал. Исправно работал как с наушниками любого сопротивления, так и с АС (мои старенькие Microlab SOLO2 играли приятно и чисто, но не громко), не выдавал абсолютно никакого фона, абсолютно не грелся. Но захотелось мне чего-то большего, сам не знаю чего, если честно.
Решил «поиграться» с уже знакомой схемой в программе эмуляторе электрических схем – NI Multisim от National Instruments Electronics.

↑ Задачи для нового наушникового усилителя

Начал с того что поставил сам себе следующее тех. задание на разработку будущего усилителя:

• непременно должен работать в классе А;
  
• должен работать с нагрузками от 32 до 600 Ом (диапазон сопротивлений общедоступных наушников);
  
• должен выдавать не менее 5 мВт мощности при любой нагрузке (более чем достаточная громкость, моим наушникам хватает 2 мВт);
  
• не должен «фонить» (фон в наушниках раздражает ужасно);
  
• должен состоять из широко распространённых, доступных деталей;
  
• рассеиваемая мощность не должна превышать 3 Вт для одного канала;
  
• плата должна быть размером 90х110 мм.

Два последних требования обусловлены тем, что новый усилитель должен был занять своё место на уже готовом шасси, в уже готовом закрытом корпусе, без какой либо вентиляции (ну не люблю я «дырявые» стенки корпусов).

↑ Оптимизация схемы усилителя

После знакомства с интерфейсом Multisim, накидал схему Р. Эллиотта, симулятор выдал ровно то, что я собственными глазами видел на экране реального осциллографа. Понял, что симулятор с достаточной точностью строит модель реальной схемы, с учётом не идеальности применённой элементной базы – очень хорошо!

Переделке, главным образом подвергся выходной каскад усилителя. Нужно было увеличить напряжение смещения транзисторов, загнав тем самым каскад глубже в класс А. Изучив теорию, понял, что есть два основных способа: с помощью диодов/светодиодов или транзистора.
Стабилитронами, как я выяснил, этого делать не рекомендуют из-за высоких собственных шумов.
По ряду причин я выбрал светодиоды: во-первых их у меня много и разных, во-вторых они не занимают много места, и в-третьих они обеспечивают необходимое мне падение напряжения.

После испытаний в программе и подбора номиналов, согласно требованиям тех. задания, родилась следующая схема (рис.1)



С учётом разброса параметров элементов, Multisim выдал следующую картину (рис.2)



Для будущего усилителя я выбрал следующую АЧХ (рис.3):

↑ Работа схемы и некоторые нюансы

Коэффициент усиления выбран равным примерно 2, объясню почему.

↑ Печатная плата усилителя

Закончив с виртуальными испытаниями новой схемы, я переехал в другую, уже родную программу Sprint Layout. Трассировке цепей усилителя я посвятил около 10 вечеров свободного времени! Но оно, по моему мнению, того стоило. Усилитель удалось вписать в заданные габариты, не жертвуя при этом качеством.


06/10/2016 Обнаружена ошибка! В одном из каналов перепутана разводка баз выходных транзисторов.

Следует взаимно поменять подключение баз нижних по рисунку транзисторов BD140-BD139, например, доп. проводками. Нужно также поменять полярность отмеченного конденсатора и диодов.

04/11/2016 Обнаружена ошибка!

Следует изменить дорожку от плюсовой и минусовой шин к резисторам 910 Ом, как на рисунке. В архивах файл исправлен. Кто оптимизирует ПП, присылайте, прикрепим от вашего имени.

↑ Использованые детали

Потенциометр малогабаритный ALPS для печатного монтажа с логарифмической характеристикой.
Операционный усилитель LM4562 от Texas Instruments.
Транзисторы BD139-10, BD140-10 производства ST Microelectronics.
Все электролиты Low ESR от Jamicon, все плёночные конденсаторы – аналоги К73-17 от JB.
С3 и С4 (рис.1) - керамические конденсаторы (импортные NPO или наши K-10-17).
Все резисторы 0.25 Вт. В эмиттерных цепях - 1 Вт, например, С2-29, МЛТ-1 или С2-33Н-1, лучше с допуском 1%.
Светодиоды отечественные 3Л341И. Подойдут любые с падением напряжения примерно 2 В.
Радиаторы должны быть способны рассеять по 3 Вт мощности каждый.

Элементы я по номиналам не подбирал за исключением резисторов, они с допуском в 1%.

↑ Сборка усилителя

Собранный усилитель представлен на рис. 5


Несколько советов для желающих повторить конструкцию. Как видите, монтаж плотный. Поэтому вначале лучше впаивать низкие элементы (резисторы), две перемычки у разъёма питания. Светодиоды распаяны «домиком» - два снизу и один (средний) сверху.



Входные и выходные сигналы можно вывести через разъёмы, вроде тех, что питают вентиляторы на материнских платах, шаг такой же. Я предпочёл просто впаять провода в плату. Питание к усилителю подводится, в моем случае, через разъем от компьютерного БП. Если такого не окажется под рукой, провода питания можно впаять непосредственно в плату.

А вот ОУ лучше не впаивать. Специальная переходная колодка не только упростит замену при выходе из строя, но также позволит определиться с наиболее предпочтительным ОУ для себя любимого.

Плёночные конденсаторы на входе усилителя подойдут практически любого типа и размера (специально отвёл место на плате). Два керамических конденсатора С3 и С4 припаиваются со стороны дорожек, чтобы быть как можно ближе к ОУ.
Радиаторы устанавливаются на транзисторы через диэлектрические теплопроводящие прокладки в конце сборки.

↑ Измерение характеристик

Так получилось, что у меня до сих пор нет сколько-нибудь приличной звуковоспроизводящей аппаратуры. Я мечтаю изготовить внешний ЦАП для ПК с автономным питанием. До живого прибора пока далеко. Поэтому, прошу прощения, характеристики усилителя я снимал с помощью встроенной в ноутбук звуковой карты Realtek. Такие измерения не претендуют на объективность, но позволяют косвенно оценить качественные характеристики изготовленного прибора.

С помощью бесплатного программного обеспечения от отечественных разработчиков Right Mark Audio Analyzer 6.3.0 я провёл несколько измерений. Суть их в следующем: я подключал выход звуковой карты на её вход напрямую, через экранированный специально изготовленный кабель с ответвлением для нагрузки в виде наушников Creative Aurvana Live (32 Ohm) и прогонял тест в RMAA.
Затем подключал к выходу звуковой карты прогретый усилитель, и уже его выход подключал ко входу звуковой карты через спец. кабель с наушниками и снимал показания.

Результаты меня приятно удивили. На рис. 7 краткая сводка теста (полная версия в архиве для скачивания в конце статьи)

↑ Итого

Подытожу результаты проделанной работы по пунктам согласно моему тех. заданию, итак усилитель:

• функционирует в классе А с амплитудой выходного сигнала до 1.75 В;
  
• работает с нагрузками от 32 до 600 Ом;
  
• фон отсутствует абсолютно (при работе с источником питания из моей первой статьи);
  
• состоит из недорогих, широко распространённых элементов;
  
• рассеиваемая мощность при простое примерно 2.7 Вт для одного канала;
  
• помещается на плате 90х110 мм вместе с радиаторами охлаждения транзисторов;
  
• легко поддаётся модернизации под конкретное сопротивление нагрузки;
  

↑ Файлы

Схема усилителя в SPlan 7.0, печатка усилителя в Sprint Layout 6.0, модель усилителя в Multisim 12 и результаты тестов RMAA 6.3.0 в архиве.
Архив обновлён 04-11-2016 г. В архиве исправленая схема, сохранен оригинал ПП с ошибками и добавлен новый вариант ПП без ошибок, но не оптимизированый. Кто сделает лучше - пожалуйста присылайте, добавим.
🎁arhiv-v2-ipk2016.zip  393.44 Kb ⇣ 123

↑ Немного субъективизма

Этот усилитель, как мне показалось, звучит детальней и ярче моего первого усилителя. И если раньше после часа прослушивания фонограмм уши уставали и как будто наполнялись ватой, с этим усилителем такого ощущения нет – не знаю чем это объяснить. Описывать звук словами – пустое дело, нужно слушать.

Буду рад вашим комментариям, особенно содержащим конструктивную критику и замечания.
Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации