Определимся со схемой конструктора усилителя для наушников?

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 Проект "Гамма". Навигация по статьям.

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

Сообщество для обсуждения конструкторов - "Электронные конструкторы". Присоединяйтесь.