Усилитель для наушников Джона Л. Худа в классе А на базе клона китайского клона

Появление этого проекта связано с тем, что на смену вышедших из строя стереонаушников ТДС-5 я наконец-то приобрел новые, да не одни, а сразу пару: Sennheiser HD-595 и Beyerdynamic DT770 PRO 250 Ohm. Обе модели очень удобны для прослушивания, обладают великолепным сбалансированным звучанием, звук Sennheiser HD-595 чуть «поярче», чем у Beyerdynamic DT770 PRO.

Слушал усилитель для студийных головных наушников, разработанный Питером Смитом и опубликованный в английском журнале Everyday Practical Electronics №3 за 2008 год. [1]. Эта конструкция собрана на прекрасно зарекомендовавшем себя у любителей звука операционном усилителе OPA2134 фирмы Burr - Brown с умощнением на двухтактном комплементарном эмиттерном повторителе в классе АВ.

Естественно, возникло желание познакомиться с достойной конструкцией в классе А и сравнить звучание двух усилителей.

↑ Преимущества наушников по сравнению с акустическими системами

Головные телефоны (наушники) применяются в бытовой аппаратуре как средство высококачественного воспроизведения звука. Наушники способны подменить высококачественные акустические системы при гораздо меньших материальных затратах.

Параметры некоторых наушников для домашнего прослушивания приведены в табл. 1. Следует заметить, что чувствительность (эффективность), заявленная у ряда моделей наушников, несколько завышена.

Я очень люблю слушать на наушники только что приобретенный альбом, получая удовольствие от действительно замечательной музыки или разочаровываясь от неудачных покупок.

По сравнению с акустическими системами наушники имеют лучший стереоэффект, эффективно воспроизводят звуковые сигналы, начиная с частоты 10…20 Гц. На первый взгляд незначительная разница в нижнем пределе воспроизводимых частот на «каких-то» 15…30 Гц коренным образом влияет на качество звучания.

Кроме того, частотные характеристики наушников в отличие от акустических систем не страдают механическим резонансом в области низких частот и имеют значительно более сглаженные характеристики. Вносимые наушниками нелинейные искажения в исходный звуковой сигнал существенно меньше, чем в акустических системах, что делает их звучание чистым и прозрачным.

Список достоинств наушников можно продолжать далее. Это возможность обеспечения звукового давления, соответствующего исходному звучанию фонограммы при небольшой подводимой мощности, лучшая переходная характеристика, отсутствие помех для окружающих людей и др.

Итак, головные телефоны не заменяют акустические системы, но позволяют создать комфортные условия прослушивания при неблагоприятной окружающей обстановке.

↑ Требования к усилителю

Долгое время в усилителях мощности звуковой частоты для прослушивания на головные телефоны устанавливали делитель напряжения или просто гасящий резистор (рис. 1).



Следует отметить, что прямое подключение телефонов вместо акустических систем недопустимо, поскольку может легко привести к серьезной травме органов слуха, а также выходу из строя телефонов. Внимательно ознакомьтесь с публикацией [2].
Рисунок 1 приведен для того, чтобы подчеркнуть основной недостаток подключения головных телефонов к усилителю мощности через резистор сравнительно большого сопротивления, а именно: коэффициент демпфирования подвижной системы оказывается недостаточным, что отрицательно сказывается на амплитудно-частотной характеристике и качестве переходной характеристики звуковоспроизводящей системы. Напомню, что коэффициент демпфирования – это отношение импеданса телефонов к выходному импедансу усилителя.

Хотя стандарты DIN и указывают минимальное значение этого параметра, равное 1/3, на практике влияние выходного сопротивления усилителя перестает сказываться при коэффициенте демпфирования более 4…10.
С улучшением качества наушников возникла потребность в отдельном усилителе, позволяющем в полной мере реализовать возможности этих звуковоспроизводящих устройств.

В настоящее время на смену низкоомным телефонам (4, 8 или 16 Ом) пришли высокоомные головные телефоны (встречаются 32, 64, 100, 200, 400, 600 Ом и более), ранее выпускавшиеся исключительно для применения в профессиональной аппаратуре. Нетрудно подсчитать, что с учетом максимально допустимого для нашего слуха звукового давления 120 дБ требуется выходная мощность порядка сотни милливатт (напряжение 2…8 В на нагрузке 32…600 Ом соответственно).

Известно, что наибольший прогресс в звуке наблюдается при переходе к усилению в классе А, что в первую очередь обусловлено особенностями работы выходного каскада.

Существуют три основных разновидности искажений в выходном каскаде:
1) переходные искажения,
2) искажения переключения и
3) искажения на большом сигнале.

При максимальном уровне сигнала КПД выходного каскада в классе А приближается к 50%. Здесь возможен третий вид искажений на пиках музыкального сигнала.
Для обеспечения гарантированной отработки музыкальных пиков максимальный уровень сигнала должен быть уменьшен, что приводит к необходимости повышения рассеиваемой мощности выходного каскада.
В этом случае выходной каскад в классе А может, например, рассеивать 2,4 Вт для подачи 0,8 Вт на стереотелефоны. При этом номинальный уровень прослушивания не должен превосходить половину этой мощности, т.е. 0,4 Вт.
Для усилителей в классе А необходимо субъективное прослушивание, поскольку довольно часто случается, что возникающие искажения динамического диапазона более заметны на слух, чем обычные уровни переходных искажений усилителей классов В и АВ.

↑ Усилитель JLH на базе клона китайского клона «JLH Class A Headphone amplifier PRE AMP KIT DIY»

Китайпром предлагает несколько вариантов клона. Есть недорогой вариант – кит JLH Class A Headphone amplifier для самосборки. Есть подороже – собранный усилитель JLH Class A Headphone amplifier с модным трансформатором R-Core.

Просматривая форум датагорского портала, я наткнулся на обсуждение этого усилителя, скачал печатную плату и изготовил конструкцию, внеся в нее минимум изменений (в основном связанных с приобретенной элементной базой) [3, 4].

Как видно из фото, оба канала усилителя и блок питания смонтированы на единой печатной плате.
Принципиальная схема одного канала усилителя (для определенности, левого) показана на рис. 2, а схема блока питания – на рис. 3.






Схема, приведенная на рис. 2, повторяет известную схему Джона Линсли Худа (John Linsley Hood - JLH) образца 1969 года [5, 6]. Ее основой служит фазорасщепляющий каскад, работающий на выходной усилитель мощности в классе А (рис. 4).



Все транзисторы VT1 - VT3 функционируют в активном режиме и охвачены местной ООС в каскаде на VT1, возникающей из-за шунтирования перехода база – эмиттер VT3 резистором R1.
Выходной каскад даже в таком виде, без охвата общей ООС, обладает высокой линейностью, термостабильностью и коэффициентом гармоник менее 0,1%. Убедиться в этом на практике позволяет, например, конструкция нашего уважаемого согражданина Михаила Сапожникова [7]. Смотрите также форум датагорского портала [8].

↑ Исходная схема JLH

Обратимся теперь к схеме усилителя для наушников, размещенной на сайте, посвященном схемотехнике усилителей Джона Линсли Худа, и увидим их довольно высокое сходство (рис. 5).



Отличий немного, большинство из них призвано улучшить потребительские свойства усилителя. Во – первых, в схеме набора увеличено входное сопротивление усилителя до 220 кОм против 47 кОм у оригинала.

Во – вторых, введена регулировка потенциала средней точки, для чего установлен стабилитрон VD1 и подстроечный резистор R2. Сопротивление резистора R4 уменьшено до 2,2 кОм по сравнению с 3,3 кОм у оригинала.

В – третьих, наряду с использованием оксидных конденсаторов с низким ESR, выполнено их шунтирование полипропиленовыми или поликарбонатными конденсаторами. Хорошие результаты дают металлизированные полипропиленовые конденсаторы серии CBB21, металлопленочные полиэтилентерефталатные конденсаторы серии CL21, или миниатюрные металлопленочные серии CL21X.

У меня были опасения, что входное сопротивление усилителя 220 кОм, определяемое резистором R1, сделает его восприимчивым к помехам, наводимым во входном кабеле и к внешним электромагнитным полям трансформатора блока питания. Но в силу низкого выходного сопротивления источника сигнала и экранированному входному кабелю этого не произошло.
Поскольку на входе усилителя установлен регулятор уровня, желательно, чтобы результирующее входное сопротивление оставалось на уровне 10 кОм. Поэтому сопротивление резистора R1 может лежать в диапазоне 100…220 кОм.

↑ Детали, монтаж и налаживание

Звуковой потенциал усилителя достаточно высок, поэтому я подбирал детали, как по качеству, так и по параметрам.


Сначала я установил 11 перемычек из медного луженого провода диаметром 0,7 мм, затем постоянные резисторы и диоды, потом конденсаторы, транзисторы, и, наконец, разъемы, сдвоенный переменный резистор, транзисторы и микросхемы, размещаемые на радиаторах. «Прошел» по всем резисторам и убедился в соответствии их номиналов схеме.
Первое включение прошло не так гладко, как бы хотелось. Оказался бракованным стабилизатор отрицательного питания, который сильно грелся и выдавал -1,8 В вместо положенных -12 В. Замена микросхемы 7912 исправила положение.
Ноль на выходе устанавливается подстроечным резистором R2 (R2') после 15…20 минутного прогрева и от включения к включению усилителя держится на уровне ±4…6 мВ, что нормально. Все налаживание собственно и сводится к установке нуля и проверке тока выходного каскада по падению напряжения на резисторе R12 (0,64 В).
«Погонял» усилитель от синусоидального генератора звуковой частоты на эквивалент нагрузки – резистор 33 Ом, 2 Вт. Никаких следов самовозбуждения и неустойчивой работы усилителя нет.
При подаче треугольного сигнала на вход усилителя и медленном увеличении входного напряжения ограничение выходного сигнала на экране осциллографа происходит симметрично.

↑ Материал для прослушивания

сформировался почти стихийно и состоял из 10 компакт – дисков:
1. Dire Straits. Communigue. Vertigo 800 052-2.
2. Pink Floyd. The final cut. CDP104.
3. Robert Plant – 1993. If I Were Carpenter (Fontana, 858 091-2, CD Single).
4. Roger Waters. The Pros And Cons Of Hitch Hiking. CK 39290.
5. Валерий Ободзинский. Эти глаза напротив. MEL CD 60 00351.
6. Владимир Кузьмин. Небесное притяжение. SZCD 0373-95.
7. Мусоргский М. Картинки с выставки. Дирижер Евгений Светланов. SUCD 10-00139.
8. Аудио Магазин. Тест – CD1. DL-024.
9. ABBEY ROAD NOW!
10. Faith No More - Introduce Yourself. Slash, Rhino, R2 79940, USA

Последние два диска из приведенного списка скачаны из Интернета в losless формате, в ознакомительных целях :yes: .

↑ Аппаратура

Проигрыватель компакт – дисков (ПКД) Marantz CD5003, внешний ЦАП (DAC) Cambridge Audio DacMagic100, датагорский внешний USB Hi-Fi Audio DAC Goldsmit на PCM2702 (Игорь "Datagor", спасибо!) и ноутбук Toshiba Satellite A200.

↑ Прослушивание и вердикт

Чувствительность усилителя избыточна для нынешней радиоаппаратуры.
Для современных аудиоисточников с уровнем выходного сигнала 0,775…2 В достаточен коэффициент усиления Ku=4…10 (R8=510 Ом…1,6 кОм).
При подключении к бытовой аудиоаппаратуре с выходным напряжением 0,25…0,775 В чувствительность можно повысить, установив коэффициент усиления Ku=10…32 (R8=150…510 Ом). При этом если сопротивление резистора R8 обратной связи окажется менее 470 Ом, целесообразно увеличить емкость конденсатора С8 до 330 мкФ.
Вначале подготовил усилитель для наушников Питера Смита к корректному сравнению. Поскольку единственное различие между классами усиления выходного каскада А, АВ или В заключается в значении тока покоя, увеличил его с 15 мА до 75 мА и перешел от класса АВ к классу А.
Прослушивание превратилось в занимательное занятие по перебору вариантов комплектации системы звуковоспроизведения:
• ПКД CD – дисков;
• ПКД CD – дисков + внешний ЦАП;
• ПКД DVD– дисков + внешний ЦАП;
• Компьютер + внешний ЦАП и др.
С ходу сделать выводы о явных отличиях рассматриваемых усилителей сделать не удалось. Каждый из вариантов системы звуковоспроизведения имел свои нюансы звучания, но полностью меня устраивал.
На вопрос, стоит ли собирать данный усилитель, ответ однозначен – собирать! Реализация качественного усилителя для наушников не требует больших затрат.

↑ Объект сравнения – усилитель для наушников от Питера Смита

Немного об усилителе для студийных головных наушников, разработанным Питером Смитом, рис. 6. Он предназначен для эксплуатации с 32-омной нагрузкой (200 мВт при коэффициенте гармоник 0,001% и динамическом диапазоне 120 дБ), но при необходимости может работать на любые телефоны сопротивлением от 8 до 600 Ом, обеспечивая выходную мощность 575 мВт на 8 Ом, 700 мВт на 32 Ом и 130 мВт на 600 Ом.




Основа усилителя – микросхема ОУ OPA2134 в неинвертирующем включении с умощнением на двухтактном комплементарном эмиттерном повторителе VT2, VT4.
Начальный ток коллектора умощняющего каскада выбран на уровне 15...20 мА, для его стабилизации используются генераторы тока на транзисторах VT1, VT3 и светодиодах красного свечения, формирующих напряжение смещения на базах источников тока. Диоды VD1 - VD4 ограничивают токи коллектора транзисторов VT2 и VT4 на уровне 300 мА, выполняя функцию защиты от коротких замыканий в нагрузке.
Коэффициент усиления задается резисторами R1 и R2:
KU=1+R2/R1=2 (6 дБ).
Цепь Зобеля (10 Ом, 47 нФ) и элементы Буше (4,7 мкГн, 47 Ом) на выходе не допускают самовозбуждения при значительной реактивной составляющей сопротивления нагрузки.
Все детали усилителя размещены на печатной плате размером 134х103 мм.

↑ Файлы по усилителю JLH

Желающие могут взять печатную плату усилителя JLH в layout:
🎁part_1.zip  61.57 Kb ⇣ 320

↑ Заказываем клон JLH он-лайн!

• Заказать собранный наушниковый усилитель JLH Class A Headphone amplifier с модным трансформатором R-Core.
• Заказать полный кит для самостоятельной сборки JLH Class A Headphone amplifier.

↑ Список цитируемых источников

1. Smith P. Studio Series – Stereo Headphone Amplifier. A Top – Class Unit For Audio Enthusiast! // Everyday Practical Electronics, 2008, №3, p. 12 – 20.
2. Носов В. О «вредном звуке» // Радио, 2001, №11, с. 14, 15.
3. JHL Class A Headphone amplifier - Радиофорум у Датагора
4. Усилитель JLH класса А для наушников
5. Васильев В.А. Зарубежные радиолюбительские конструкции. – М.: Радио и связь, 1982. – 96 с. (с. 14 – 16).
6. Дайджест // Радиохобби, 2004, №3, с. 12, 13 (Памяти Джона Линсли Худа. Усилитель образца 1969 года).
7. Простой усилитель для наушников на КТ315Б. Датагорская статья.
8. Усилитель JLH низковольтный. Форум у Датагора.

↑ Дополнения

[21.03.2016] Схема соединений усилителя для наушников
Чтобы помочь начинающим избежать типичных ошибок, привожу схему подключения платы усилителя (рис. 7). По сравнению со схемой, предложенной на нашем форуме, здесь имеется фильтр защиты от электромагнитных помех EMI Filter, снабберный конденсатор C1, входы подключены экранированным кабелем с двумя сигнальными проводами.


Фильтр защиты от электромагнитных помех - фабричный, например, типа EMI Filter 03 ME 3D, 110/220V, 3A, 50/60Hz. Снабберный конденсатор 0,033 мкФ на рабочее напряжение 250V типа MKP X2. Его можно заменить на 0,033/1kV К78-2 или 0,033/1,6kV К78-2.
Для монтажа входных цепей рекомендую экранированный аудио кабель 2х2x0,14 Shielded Flat Cable OFC.

Конструкцию желательно разместить в металлическом экранирующем корпусе из дюралюминия или стали.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации