Самодельный усилитель на полевых транзисторах для наушников. Делаем высококачественный усилитель для наушников Транзисторный усилитель для наушников

Неудовлетворённость качеством воспроизведения музыкальных композиций звуковой картой компьютера заставило взяться за изготовление настольного усилителя. Решил, что это будет простой самодельный усилитель для наушников, собранный по классической схеме на одном .

Однако есть замечание. Этот усилитель подходящим будет только в том случае, когда входной сигнал не требует усиления по напряжению (например, выход достаточной силы дают МП3 плеер или компьютер). Также, любой шум, возникающий в блоке питания, будет идти прямо через усилитель. По этой причине, необходимо использовать только стабилизированный источник питания. Диапазон выходного напряжения 10-20 В и ток 750 мА. Здесь используется N-канальный МОП – транзистор с обратным диодом для работы в ключевом и линейном режиме IRF610. В процессе изготовления усилителя было опробовано применение и других транзисторов: IRF510, IRF611, IRF612 и IRF710, все без исключения работали хорошо. Рекомендую не использовать IRF530 и IRF540 (обычно встречаются в источниках питания). Используемый LM317 – стабилизатор с регулируемым выходным напряжением позволяет очень точно настроить выходные параметры блока питания.

Так как этот усилитель будет находиться на рабочем столе в производственном офисе, он должен обязательно вписываться в рабочую обстановку. Повезло, что имелся вышедший из строя внешний CD-ROM, его дизайн подходил идеально. К тому же в его корпусе уже имелся выключатель, адаптер питания, розетка RCA и входы на задней панели, а также разъем для наушников на передней панели.

При изготовлении усилителя были использованы только те электронные компоненты и комплектующие, которые имелись в наличии. Обычные резисторы и плёночные конденсаторы. Конденсаторы ёмкостью 1 мкФ, 0.47 мкФ и 0,1 мкФ полипропиленовые. Но никто не мешает использовать и более качественные детали.

Радиаторы охлаждения имеют сравнительно небольшой объём охлаждающей площади, но обращаю внимание на то, что они прикручены напрямую к металлическому корпусу, который также принимает участие в рассевании тепла. Объём меньшего по размеру радиатора примерно 1,75 квадратного дюйма. Обязательно изолировать MOSFET и регулятор от радиаторов.

Работа усилителя была опробована при помощи регулируемого блока питания, он включался на низком напряжении. Смещение задается при помощи переменного резистора сопротивлением 100 кОм. Усилитель показал хорошую работу во всём интервале напряжения от 10 до 20 В, но всё же именно качественное воспроизведение звука начиналось при напряжении питания более 13 вольт.

Далее работа усилителя была проверены при помощи USB осциллографа. Это DSO-2150 с 60 МГц пропускной способностью и максимальной частотой дискретизации 150 мк/с. Увиденная синусоида показала себе с лучшей стороны от 20 Гц до 20 кГц.

Меандр 100 Гц

Прямоугольный 4800 Гц

Зелёного цвета входной сигнал, а желтый выходной. Мощность сигнала моего генератора не велика и это отражается на качестве исходных волн. Если сравнивать входное напряжение и выходное напряжение вы увидите, что коэффициент усиления цепи составляет около 0,8. Видно, что при 100 Гц присутствует легкий наклон. Наклон постепенно уменьшается, а частота увеличивается и за его пределами около 300 Гц квадрат волнового отклика отличный до 20 кГц – предела сигнала генератора. Поскольку музыка состоит в основном из синусоид это не проблема. Так как для регулировки громкости будут использоваться МП-3 плеер или компьютер, нет необходимости в потенциометре. Ещё один УНЧ, но уже с применением ламп, можно .

По результатам опроса победили ушники, собранные на «полупроводниках». Поэтому именно с них мы и начнем линейку конструкторов.

Я хотел бы начать с нескольких самых простых схемок. На роль конструктора они не годятся, но их рассмотрение возможно подведет нас к схеме, которую, на наш взгляд, имеет смысл положить в основу конструктора.

Итак, начнем.

В предыдущей статье мы уже говорили, что усилитель для наушников в первую очередь должен решать две основные задачи.

Во-первых, он должен разгружать выход источника сигнала. Работа аудиовыхода на низкоомную нагрузку приводит к резкому росту искажений (из-за высокой токовой нагрузки) и ухудшению АЧХ (завал на НЧ и иногда ВЧ). Использование буферного усилителя тока, предотвращает эти явления.

Во-вторых, для обеспечения нормальной громкости на высокоомных наушниках (и запаса по громкости на низкоомных), ушник должен иметь некоторое усиление по напряжению.

При использовании низкоомных наушников дополнительное усиление не всегда нужно. В таких случаях усилитель используется как токовый буфер. Иногда в этом качестве можно использовать самые простые схемы. Например такие как на рисунке. Это обычные повторители. Они могут быть собраны как на биполярных, так и на полевых транзисторах.

Самая примитивная схема слева. Простота – ее главное достоинство (возможно и единственное). Высокая нелинейность, высокое выходное сопротивление, очень низкая эффективность (даже по меркам схем в классе А) и пр. делают ее не очень интересной с практической точки зрения.

Имеет смысл немного ее усложнить. Заменим эмиттерный резистор на источник тока (схема справа). Такая схема уже вполне имеет право на жизнь. В ней можно достичь низкого выходного сопротивления, увеличить способность усилителя отдавать ток в нагрузку, значительно повысить линейность и т.д.

Стоит сказать несколько слов о нелинейности схемы с источником тока. В целом линейность не очень высока и зависит от тока покоя, сопротивления наушников и типа применяемого транзистора. Общий уровень гармоник может достигать десятых долей процента. Но спектр искажений благоприятный, короткий, с преобладанием второй гармоники. Например: при токе покоя 200мА (наушники 32 Ома), можно ожидать уровень второй гармоники порядка 0,1%, уровень третьей – 0,01% и нефиксируемость гармоник более высоких порядков. Звучать такой усилитель должен чисто.

При работе на высокоомные наушники (а часто и низкоомные) возникает необходимость усиления сигнала. Обеспечение запаса по громкости очень благоприятно сказывается на качестве воспроизведения. Рассмотрим простейшую схему. (см. рисунок)

Такие схемы иногда используют даже для работы с полноценной акустикой. Решение на любителя. Достоинствами схемы являются простота, и благоприятный спектр искажений (вторая гармоника). Окрашивание звука достаточно сильное, и его характер зависит от выбранного транзистора, тока покоя и сопротивления нагрузки. Любителям чистого, точного звука скорее всего не подойдет.

Высокий уровень гармоник является следствием неудовлетворительной работы каскада на низкоомную нагрузку. Если между выходом усилителя и наушниками поставить дополнительный буфер (например такой как рассмотрен в начале), то получим новую схему.

Линейность усилителя напряжения значительно возрастет, а звуковые характеристики всей схемы будут определяться, в основном, выходным буферным каскадом.

В большинстве случаев этой простой схемы хватит для согласования наушников с звуковой картой ноутбука. При этом качество воспроизведения вырастет.

Теперь поговорим о дальнейших путях улучшения характеристик усилителя.

Решать эту задачу можно «в лоб». Например, увеличением тока покоя или подбором более линейного транзистора. Заплатить за это придется соответственно усложнением и удорожанием. Также увеличатся и размеры. Таким методом можно значительно повысить характеристики, но есть и другие, менее прямолинейные способы улучшения.

Более распространенный способ повышения объективных параметров – значительное усложнение схемы, введение общей ОС. Схема остается компактной и экономичной, но сложной в повторении, сборке и наладке. При этом цена ее так же вырастет.

Поэтому, на наш взгляд, для конструктора не подходит ни один из этих вариантов. Им не хватает универсальности.

Более универсальным решением может стать схема с использованием ОУ с дополнительным буфером на выходе. Примерный вариант на рисунке.

Его главное свойство – очень чистое звучание. А именно таким, по нашему мнению, и должен быть транзисторный усилитель. А для приукрашенного звука лучше использовать гибридные усилители.

Сама схема оставляет некоторую свободу в настройке звука. Это и замена ОУ (менее шумящие, более/менее скоростные и т.д.). При желании, замена выходных транзисторов, выбор режима их работы (что сказывается на вносимых окрасках в звук).

Изменением запайки можно охватить ОС весь усилитель или только ОУ. Каждый из вариантов по-своему интересен. При охвате всего усилителя ОС достигается очень высокая линейность, суммарный коэффициент гармоник будет составлять тысячные доли процента. Исключение выходного буфера из петли ОС приведет к росту второй гармоники («благозвучные» искажения). Кроме этого, произойдут и некоторые другие изменения влияющие на звук. Вполне возможно, что кому то такой звук покажется интереснее. Ток покоя выходного каскада можно будет подбирать под требование используемых наушников (по умолчанию я бы выставил его равным 200мА).

Среди прочих достоинств такой схемы я бы отметил способность работать в широком диапазоне питающих напряжений (без каких либо настроек и изменений), простоту сборки и настройки.

Кому-то может оказаться полезным и то, что устройство без особых усилий можно превратить в высококачественный усилитель мощности (в классе А) работающий на акустику. Но это как говорится уже другая история (если кому-то это будет интересно, расскажу об этом отдельно).

Качество звука у такого ушника проверено и оно высокое. Похожая схема используется в усилителе внешний вид которого приводился на фотографиях сопровождавших все наши записи о конструкторе.

Как говорится, у меня все. Хотел бы узнать, что вы думаете обо всем этом?

С уважением, Константин М

Все статьи посвященные проекту “Гамма” можно найти через навигатор



Заказать конструктор усилителя “Гамма” можно у нас на сайте: АЛ “Философия Звука”



Сообщество для обсуждения конструкторов – “Электронные конструкторы” . Присоединяйтесь.

Всем ценителям лампового звука выношу на суд свою конструкцию лампово полупроводникового усилителя. Источником для творчества послужили залежи германиевых транзисторов, пролежавших в коробке и успешно позабытыми хороший десяток лет.

Наверное немногим известен тот факт,что именно германий дает звучание максимально приближенное к ламповому. Вся советская техника до появления кремниевых полупроводников строилась либо на лампах либо на германиевых транзисторах. При всех своих минусах германий имеет очевидные плюсы перед кремнием.

Германий или кремний?

Прилагаю в доказательство таблицу физических свойств германия и кремния.

Из таблицы видно, что подвижность электронов и дырок, продолжительность жизни электронов, а также длина свободного пробега электронов и дырок значительно выше у германия, а ширина запрещенной зоны ниже, чем у кремния. Известно также, что падение напряжения на переходе р-n составляет 0,1 – 0,3 В, а на n-р – 0,6 – 0,7 В, из чего можно сделать вывод, что германий является гораздо лучшим проводником, чем кремний, а следовательно и каскад усиления на транзисторе p-n-p имеет значительно меньшие потери звуковой энергий, чем аналогичный на n-p-n. Возникает вопрос: почему же выпуск германиевых полупроводников был прекращен?

Прежде всего потому что по некоторым критериям Si намного предпочтительнее, поскольку може тработать при температуре до 150 градусов Цельсия, а Ge – 85. Да и частотные свойства у него гораздо лучше. Вторая причина – чисто экономическая. Запасы кремния на планете практически безграничны, в то время как германий – довольно редкий элемент, технология получения и очистки которого значительно дороже.

Принципиальняа схема усилителя

Изначально мною был построен усилитель НЧ на мощных транзисторах П210в, качеством и звучанием которого я остался очень доволен. Через некоторое время я решил соединить лампы и транзисторы. Идея не нова и изрядно потертая. Много конструкций было найдено на просторах интернета, но из всего множества схем была найдена только одна схема лампы плюс германий, да и то как мне показалось неоправданно-мудреная.

Я решил подойти иначе к постройке задуманного усилителя взяв за основу классическую двухтактную схему, на основе которой строились все усилители со времен появления транзисторов и схему ремейк, лампа плюс полевой транзистор. Как видно из схемы ламповая часть с транзистором осталась без изменений.

Эта схема предлагается многим радиолюбителями как ламповый усилитель для наушников
. В последствии оказалось очень удобно иметь ламповый усилитель НЧ для наушников и на акустику – построенный на транзисторах. Схема в особом описании не нуждается, при правильной сборке все начинает работать сразу.

Для удобства мною была поставлена кнопка на две пары контактов для отключения транзисторной части от ламповой, что в свою очередь избавило от необходимости отключать колонки от усилителя при использовании наушников. Но при желании можно одновременно слушать и ухи и колонки – кому как нравится.

Наладка и подбор транзисторов

Несколько слов о настройке транзисторной части. Необходимо установить половину напряжения питания относительно выхода. Устанавливается подстроечным резистором,который желательно применить многооборотистый. Возможно придется подобрать резисторы в базах выходных транзисторов в пределах 150-300 ом. Эта величина зависит от буквы в серии транзистора. Вот пожалуй и вся настройка.

При данном комплекте транзисторов и источнике питания 22В, на выходе имеем около трех ватт. Конечно мощность небольшая, но этого достаточно чтобы с комфортом насладиться звучанием германиевой схемы вкупе с лампой. Можно было конечно использовать транзисторы П217 что дало бы 10 ватт мощности или же ГТ705 или ГТ806, соответственно заменив остальные транзисторы на противоположную проводимость. В таком случае пришлось бы делать два независимых источника питания.

Так как транзисторы эти прямой проводимости то в данном включении с лампой схема работать отказывается. Немного поразмыслив пришлось пожертвовать выходной мощностью но зато избавил себя от перспективы разбирать трансформатор и мотать еще одну обмотку, по причине отсутствия подходящих трансформаторов с двумя вторичными обмотками.

Если все же кому то захочется что то по мощнее то вполне допустимо поставить две пары выходных транзисторов ГТ404. Желательно чтоб все транзисторы в схеме имели один буквенный индекс, что в свою очередь существенно упростит установку тока покоя да и вообще избавит от нежелательного перегрева выходных транзиторов.Для справки – транзистор ГТ404 имеет максимальную рассеиваемую мощность на коллекторе 0.6 Вт но хорошо отдает около 1.2 Вт при 22В.

Хотелось бы отметить еще один момент, кто то возможно захочет умощнить схему применив в выходе кремниевые транзисторы, например КТ805 или другие. Сразу оговорюсь, да, применить можно но тогда теряется вся окраска звука германиевой схемы и кроме того у вас появятся искажения типа ступенька. Кремневые транзисторы в такой схеме грешат этим недостатком, и убрать эту ступеньку не усложнив схему невозможно. Потребуется делать цепочку смещения на базы выходных транзисторов и усложнять обратную связь.

Германий же имеет преимущество в виду отсутствия искажений типа ступенька в данной схеме включения. Усилитель работает в классе АБ. Ну вот вроде самое основное по схеме сказано.

Блок питания усилителя

Теперь перейдем к блоку питания нашего гибридного лампово-транзисторного усилителя для наушников и колонок. В качестве трансформатора можно использовать любой мощность 15-20ватт. Мною был применен ТС-20, извлеченный откуда-то на работе, не помню откуда. Все обмотки в нем уже имелись и по толку подходили что существенно упростило изготовления блока питания для УНЧ.

Для тех кто пожелает не использовать часть усилителя для наушников исключив транзистор irf630, необходимость в транзисторном стабилизаторе отпадает, поскольку сама схема оконечного усилителя не критична к хорошо отфильтрованному и стабилизированному источнику питания и работает от простейшего выпрямителя с одной емкостью в 4700 мкФ. Фон переменного тока полностью отсутствует.

Сама же схема стабилизатора необходима для варианта с полевиком, поскольку схема линейная работающая в классе А и потребляет около 2 ампер, то ей необходима хорошая фильтрация дабы устранить фон переменного напряжения. Накал лампы тоже нужно питать постоянкой с делителем на резисторах, что изображен на схеме.

Применив все выше указанное вы избавите себя от проблемы фона переменного тока в наушниках. Есть схемы источника питания на LM317 или же на регулируемых кренках наподобие КР142ЕН8. Плюс ко всему в таких схемах используются цепочки R-C фильтров. Резисторы очень сильно греются. И еще мною было обнаружено что при использовании выпрямителя на указанных выше микросхемах, при отсутствии сигнала в наушниках наблюдается довольно сильное шипение.

Это шипение так для меня и осталось загадкой. По этому и была взята сама обычная схема на двух транзисторах. Марку стабилитронов не указал по причине того что придется подобрать три или два штуки таким образом чтоб на выходе получилось 22-27 вольт. Больше указанной величины подымать не стоит, а то спалите германиевые транзисторы (ГТшки).

Проблему щелчков в наушниках при включении решил просто запараллелив стабилитроны емкостью в 2200 микрофарад. секрет в том что при включении напряжение на выходе блока питания появляется постепенно, в течении 20 секунд возрастает до нормального рабочего. И второй плюс – конденсатор включенный таким образом очень хорошо сглаживает пульсации на выходе блока питания(БП).

Корпус для лампового усилителя

Теперь несколько слов о корпусе. Не мудря и не изобретая нового велосипеда взял обыкновенный корпус от компьютерного CD-ROMа, последний и был выдран мною со списанного хлама на той же работе. Как видно из фотографий трансформатор находится под круглой частью корпуса (консервная банка от горошка), что само по себе является хорошим экраном.

На радиаторы закреплены выходные транзисторы через слюдяные прокладки, намазанные термопастой. Транзисторы крепятся посредством двух алюминиевых квадратных планок с дыркой по середине, куда и воткнуты с натяжением. В качестве украшательства были применены прослойки из оргстекла, выточенные вручную и подсвечены светодиодами.

В гнезда радиоламп были воткнуты трехцветные светодиоды, плавно меняющие цвет. В конечном итоге получилась вот такя конструкция что очень симпатично светится и радует хорошим теплым звуком. Мною было собрано множество конструкций на германии и можно сказать с уверенностью что несмотря на свои недостатки в виде очень низкой рабочей частоты менее 1 МГц и максимальной полосой пропускания не выше 18КГц в унч, что ни один кремнивый, будь то транзисторный или микросхемный, с супер параметрами, усилитель не звучит так как германивый усилитель.

При наличии необходимых компонентов все в ваших руках, данная конструкция предложена как мотивация к творческой деятельности и для тех кто хочет собрать нечто подобное.

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

Кусочек одностороннего текстолита: 2 рубля
MAX9724 – 7.78 рублей
4 резистора – 0.07*4 = 0.28 рубля
Конденсаторы – 0 (даже если покупать, ~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:-)

Вдоволь насытившись
работой лампового усилителя, я решил продлить и расширить тему
высококачественного звуковоспроизведения и собрал по аналогичной схеме
усилитель на полевых транзисторах с целью сравнить характеристики обоих. Считается, что звук
усилителя на полевиках не отличается от лампового звучания. Схемы получились не
только одинаковыми по количеству усилительных каскадов, но и с одинаковыми
характеристиками. Высокая динамика, отсутствие шумов, линейная частотная
характеристика, отсутствие нелинейных искажений, чего ещё надо желать. Только я
вот уже целый день перетыкаю телефонный штекер из одного телефонного гнезда в
другое, в попытке определить победителя конкурса.

Качество работы усилителей
удобно определить с помощью наушников. Высококачественные наушники обойдутся
дешевле высококачественной акустической системы, для которой необходима ещё и
специальная комната соответствующих размеров с поглощающим звук материалом, например
устланная и облепленная коврами. В качестве первичного источника звука я
использовал самодельный тюнер с
диапазоном 88 – 108 МГц, имеющий непосредственный выход с частотного
детектора. Можно использовать обычный радиоприёмник с диапазоном FM
, а входной сигнал снять с
регулятора громкости.

Схема этого усилителя
действительно не отличается от лампового экземпляра, по крайней мере, они
обладают одинаковыми характеристиками,
даже имеют одинаковую фазу выходного сигнала (фото 1). Первый полевой
транзистор является усилителем звукового сигнала. Два других транзистора,
составная пара, истоковый повторитель, имеющий высокое входное и низкое
выходное сопротивление, что позволяет не только использовать сравнительно
низкоомные наушники с сопротивлением 15 Ом, но даже динамическую головку. Все
транзисторы работают в линейном режиме, но основной ток протекает через
последний транзистор. Кстати он ключевой, снятый с материнской платы, рассчитан
на большие токи, имеет очень маленькие переходные сопротивления, а поэтому не
нуждается в радиаторе, хотя в работе нагревается до 50 градусов, но это
нормальный для него режим. Такая простая схема не нуждается в кропотливой
регулировке, имеет высокую стабильность параметров и хорошую повторяемость.
Цепочка R
C
–
отрицательная обратная связь, уменьшает уровень сигнала на 4 дБ, а вместе с ним
и уровень нелинейных искажений.

Пожалуй, я выскажу своё мнение. Два бокала с вином, имеющие
одинаковый вкус, не всегда имеют одинаковое послевкусие. А впрочем, у каждого
человека свой вкус, а значит, будет и разное послевкусие.

Конструкция
и детали.