Какой оу выбрать для усилителя наушников. Прецизионный усилитель для наушников. Идеи и схема

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

Конструктор усилителя для наушников.

Надеялся, что магазин пришлет этот конструктор на обзор. Не дождался. Купил за свои. Но это и к лучшему - нормально не спеша собрал аппарат. Результат - в этом обзоре.

Продают этот конструктор и на али. Но там он стоит 17$ - . На ebay цена такая же как и на banggood. Ищется по словам «DIY HIFI Fever Amp Headphone Amplifier Kit». В собранном виде не видел.

Характеристики:
Напряжение питания: переменное 15V
Максимальная мощность: 300mW
сопротивление наушников: 32 - 600 ohm
15Hz-100KHz
SNR: >100dB
Искажения: <0.02%
Разделение каналов: >70dB

Пришло в стандартном черном мягком пакетике. Комплектация:

Инструкция на китайском:

Двусторонняя печатная плата - изготовлена качественно, дорожки разведены нормально:

Размер платы - 86 мм х 125 мм. На плате надпись XY HiFi ver 1.1
Отверстий для установки в корпус нет. Предполагается устанавливать в корпус с боковыми «рельсами» под плату. Но их можно просверлить но углам платы - дорожки не повредятся. В этом случае уста вливать плату в корпус лучше на капроновые ножки. Номиналы деталей на плате не подписаны. Подписаны на инструкции. Принципиальной схемы аппарата нет. На странице товара есть ссылка на схему, нарисованную покупателем Vlad-1357 . Если он читает эту страницу - большое ему спасибо.

Я перерисовал ее на компьютере:

Детали:

В блоке питания - 4007 диоды. В оконечном транзистором каскаде - 4148 диоды.
Схема защиты наушников от постоянного напряжения на выходе и задержка включения на микросхеме uPC1237.
Сразу до сборки заменил все конденсаторы на нормальные - WIMA и Nichicon:

Спаял:

Замечания по сборке:
1. Про замену всех конденсаторов писал выше. Как на стоке звучит не знаю.
2. Очень рекомендую заменить операционный усилитель NE5532 на OPA2134PA. Стоимость такого апгрейда около 200 р. Усилитель начинает играть чище и приятнее.
3. По питанию - пробовал запитать схему от двух раздельных обмоток трансформатора на 15 В через диодные мосты - на слух измерений никаких в звуке не заметил. Вернул оригинальную схему питания.
4. Светодиод индикации питания синего цвета. Светит не особо ярко. при желании можно поменять.
5. Переменный резистор регулятора громкости на 50 кОм сначала показался нормальным - не трещал. На нулевой громкости не слышно сигнала. Но потом получше прислушался. Баланс каналов нарушен - правый канал играет громче левого..html).
6. Трансформатор для питания использовал залитый трансформатор BVEI 304 2043 (2.6VA 230V 15V/174mA).
Покупал оффлайн в магазине «Электроника». На пределе усиления (синус на вход с генератора) такой трансформатор греется градусов до 30-40. Понятно, что так скорее всего усилитель никто использовать не будет. В штатном режиме чуть теплый.
7. Транзисторы BD139/BD140 подбирал парами с одинаковым статическим коэффициентом передачи тока h21э с помощью «народного тестера транзисторов».
8. Транзисторы и стабилизаторы питания почти не греются. На радиаторы можно не устанавливать.
9. Гнездо под наушники 3,5 мм заменил шестимиллиметровым гнездом. Отвод под выход с джека сделал для использования усилка в качестве предусилителя, если наушники отключены.
10. Тумблер отключения питания выкинул - запаял перемычкой.

В качестве нагрузки - два резистора на 51 Ом (у меня наушники Sennheiser HD595 50 Ом). Тестируем генератором сигналов:

Максимальное усиление - дальше если увеличивать амплитуду сигнала получаем клипинг:

Впаял временно после диодов выпрямителя в разрыв питания по резистору в 0.22 Ома для измерения тока покоя и макс потребление. Отключил сигнал на входе.
Ток покоя:

По закону Ома по падению напряжения на резисторе считаем 0.005 В / 0.22 Ом =0.022 А
Макс. потребление. Подаем сигнал с генератора до входа усилителя в клипинг и получаем:

Ток плавно увеличивается с увеличением амплитуды входного сигнала. Значит усилитель работает в классе В.

По закону Ома по падению напряжения на резисторе считаем 0.018 В / 0.22 Ом =0.082 А
Итого усилитель максимально потребляет 2*0.082 А* 15 В =2.45 Ватт. Еще сколько то (немного) потребляет защита.

Подключил наушники. Звук понравился. Фона почти не слышно. После размещения в корпус, экранирования входных-выходных цепей, разводки земли и подкл. к корпусу фон пропал. Так же пропало возбуждение усилителя от сотового телефона.
Звук качественный, прозрачный, детальный. Высокие, низкие и средние хорошо слышно. Окраса звука какого-то тоже не слышно. Начинает усилитель играть хорошо сразу. «Прогрев» не нужен. Во время работы усилитель холодный. Для наушников в 100-150$ будет идеальным аппаратом. Более дорогих наушников в наличие не имеется.

Разместил конструкцию в корпусе от старого CDROM. Стандартное решение:-)

Итог:

В связи с приобретением новой звуковой карты без выхода на наушники, у меня возникла потребность в усилителе для наушников приличного качества, способном раскачать мои любимые ТДС-4. Усилитель должен был быть компактным, простым в сборке и налаживании, с низким уровнем шумов и искажений. В итоге, собранный усилитель соответствовал всем указанным выше требованиям.

Характеристики усилителя измерялись с помощью программы RMAA 6. Был испытан макет одного канала (программа работала в режиме МОНО), результаты измерений:
Неравномерность АЧХ (в диапазоне 40 Гц - 15 кГц), дБ: +0.05, -0.74
Уровень шума, дБ (А): -90.9
Динамический диапазон, дБ (А): 90.9
Гармонические искажения, %: 0.0014
Интермодуляционные искажения + шум, %: 0.010
Интермодуляции на 10 кГц, %: 0.0084

Усилитель построен по схеме ОУ + выходной транзисторный буфер. ОУ обеспечивает высокий коэффициент усиления разомкнутой петли обратной связи, необходимый для подавления нелинейных искажений с помощью глубокой ООС. Выходной буфер выполняет усиление по току, согласуя низкое сопротивление катушки наушника с маломощным выходом ОУ. В схеме используется сдвоенный быстродействующий ОУ К574УД2. Сигнал от источника через разделительный конденсатор C3 и резистор R1 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Резистор R4 задает рабочую точку усилителя по постоянному току. Элементы C1,C2,R2,R3 обеспечивают частотную коррекцию ОУ. Выходной буфер выполнен по «параллельной» схеме. Данная схема была выбрана, потому что в ней отсутствуют переходные искажения, характерные для обычных двухтактных схем. При использовании транзисторов с близкими параметрами, падения напряжения на переходах база-эмиттер транзисторов пред оконечного и оконечного каскадов взаимно компенсируются. Транзисторы буфера, будучи установлены на общий теплоотвод, взаимно термостабилизируют друг друга. ОУ и буферный каскад охвачены общей 100% ООС по постоянному и переменному току, коэффициент усиления схемы равен 1.

Конденсатор C3 желательно использовать пленочный. C1,C2,C6,C7 – керамические. Все резисторы типа МЛТ-0,125 (или импортные аналоги). Транзисторы VT1 КТ315Г, VT2 КТ361Г, VT3 КТ815Г, VT4 КТ814Г. Предпочтительнее будет использовать в качестве VT1 и VT2 транзисторы КТ815Г и КТ814Г, из соображений идентичности параметров и возможности легко организовать тепловой контакт всех четырех транзисторов буфера. ОУ возможно заменить на любой другой быстродействующий с соответствующим изменением набора корректирующих элементов и разводки печатной платы. Усилитель питается от двухполярного нестабилизированного источника питания. В источнике питания используется трансформатор 220/20 с отводом от средней точки вторичной обмотки. Диодный мост любой на напряжение 50В и ток до 1А. Возможно использовать диоды серий 1N4001-1N4007. Емкость конденсаторов C4,C5 не менее 1000 мкФ (я использовал 4700 мкФ)
Правильно собранный усилитель налаживания не требует. Необходимо проверить потребляемый ток (порядка 30 мА для двухканального усилителя) и постоянное напряжение на выходе.

Детали усилителя и источника питания размещаются на общей плате размером 35х78мм. Транзисторы каждого канала крепятся через изоляционные прокладки к общему П-образному теплоотводу. Площадь теплоотвода несущественна, главное чтобы он обеспечивал тепловой контакт транзисторов.

Печатная плата однослойная с перемычками, разведена в Sprint Layout 5. В авторском варианте использовался нефольгированный текстолит, детали устанавливались в отверстия, выводы соединялись медной проволокой.

Литература:
Усилительный блок любительского радиокомплекса. А. Агеев, Радио №8 1982г.
The Sapphire Desktop Headphone Amplifier - http://phonoclone.com/diy-sapp.html

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
DA1	Микросхема	К574УД2	1		В блокнот
VT1	Биполярный транзистор	КТ315Г	1		В блокнот
VT2	Биполярный транзистор	КТ361Г	1		В блокнот
VT3	Биполярный транзистор	КТ815Г	1		В блокнот
VT4	Биполярный транзистор	КТ814Г	1		В блокнот
VDS1	Диодный мост	КЦ405В	1		В блокнот
С1	Конденсатор	50 пФ	1		В блокнот
С2	Конденсатор	5 пФ	1		В блокнот
С3	Конденсатор	1 мкФ	1	Желательно пленочный	В блокнот
С4, С5	Электролитический конденсатор	1000 мкФ	2		В блокнот
С6, С7	Конденсатор	0.1 мкФ	2		В блокнот
R1, R3	Резистор	5.6 кОм	2		В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1		В блокнот
R4	Резистор	33 кОм	1		В блокнот
R5	Резистор	100 Ом	1		В блокнот
R6, R7	Резистор

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.

Все началось с того, что я купил новые, качественные наушники. Вскоре я наткнулся на проблему — недостаточная выходная мощность портативного MP3 плеера. Плеер до этого эксплуатировался с дешевыми китайскими наушниками. В результате пришлось собрать не большой усилитель для наушников на операционном усилителе на компонентах BUF634 и OPA627, которые позволили добиться высокого качества усиления.

Это усилитель класса А с выходной мощностью около 15 мВт при сопротивлении наушников 32 Ом наушниках, что меня вполне устроило.

BUF634 является высокоскоростным буфером, который может быть применен в цепи обратной связи операционных усилителей с целью повышения выходного тока, устранения тепловой обратной связи и улучшения емкостной нагрузки.

Основные характеристики BUF634:

Выходной ток до — 250 мА
Скорость přeběhu выше, чем – 2000В/µs
Настраиваемый диапазон от — 30 до 180 Мгц
Собственный ток цепи не превышает 1,5мА
Напряжение питания в диапазоне от ±2,25 до ±18 В
Встроенный ограничитель тока
Встроенная защита от перегрева
Доступен в исполнении DIP-8, SO-8, TO-220-5 или DDPAK-5

Вторым важным элементом усилителя для наушников является операционный усилитель OPA627 компании Texas Instruments, который относится к категории схемы с FET входом и характеризуется очень низким уровнем шума, малым напряжением смещения и большой пропускной способностью.

Основные характеристики OPA627:

Очень низкий уровень шума: 4,5нВ/Гц при 10кгц
Очень низкие VOS: 100µВ max.
Температурный дрейф только 0,8µВ/°C max.
Стабильное единичное усиление

Схема усилителя питается от сетевого источника питания 15В, на выходе которого установлены два сглаживающих конденсатора по 1000мкФ. Также можно использовать для питания адаптер или аккумулятор, например, 14В/500mA.

Для регулировки громкости применен переменный логарифмический резистор. Монтаж усилителя выполнен с применением двусторонней печатной платы. Необходимо отметить, что гарантией качества и длительного срока службы является использование качественных конденсаторов. В этих усилителей, ни в коем случае не используйте дешевые и сомнительного качества конденсаторы.