Усилитель для наушников ROSA-HA1

[Alex Ground]

Доброго времени суток!
Хочу представить схему простого дискретного усилителя для наушников с однополярным питанием.
Усилитель реализован в двух вариантах, с выходным каскадом на MOSFET и на биполярных транзисторах.

Вариант с выходом на MOSFET:

Вариант с выходом на биполярных транзисторах:

Входной каскад выполнен на недорогих распространенных малосигнальных биполярных транзисторах BC557(857) (VT1, VT6) и каких либо особенностей не имеет.
Инвертирующая схема включения позволяет избавиться от необходимости слежения в диф.каскаде (ДК), что упрощает схему. Индуктивная коррекция на L1 увеличивает глубину ОС в звуковом диапазоне, в "хвосте" классический двухтранзисторный ГСТ выполненный на BC557 (VT2, VT4), в нагрузке классическое токовое зеркало выполненное на BC547 (VT3, VT5). Подстроечный резистор R7 балансирует плечи ДК и предназначен для подстройки "0" на выходе усилителя.
Выходной каскад структурно представляет собой нечто среднее между Худом и Никитиным. Вход на малосигнальном мосфете BS170 (VT8) позволяет снизить нагрузку на диф.каскад и получить высокое усиление оного в НЧ диапазоне, на ВЧ его паразитная ёмкость выступает достаточной коррекцией обеспечивающей устойчивость усилителя. Источник тока на BC557 (VT7) устанавливает ток покоя (ТП) выходного каскада, регулируемый подстроечником R10. Благодаря ОС по току через R18 поддерживается его высокая стабильность без контроля температуры выходных транзисторов.
Равенство резисторов R14, R15 обеспечивает симметричное управление транзисторами VT9, VT10, так же вольтдобавка через С7 позволяет добиться лучшего коэффициента использования питания по сравнению с нагрузкой в виде ГСТ.
Режим работы ВК может быть установлен от чистого А до АВ с низким ТП, выходной ток не ограничен током покоя. Из соображений линейность/экономичность могу рекомендовать установить ток покоя в диапазоне 30...80мА.
Источник питания однополярный, земля "виртуальная" на средней точке конденсаторов С9, С10, что позволяет отказаться от использования релейной защиты и применить практически любой типовый блок питания(БП) на напряжение 12 В и ток более 250мА на канал.

Средняя точка на С9, С10, R19, R21 может быть использована общая на оба канала

К достоинствам схемы можно отнести:

• Доступность и дешевизна комплектующих;
• Типовое напряжение питания;
• Простота наладки и сборки;
• Тихий запуск;
• Не нужна защита;
• Термостабильность;
• Гибкость настройки (экономичность/линейность);
• Выходной ток не ограничен током покоя;
• Глубина ОС выше типовых недорогих ОУ.

Характеристики усилителя:

• Полоса пропускания (+-3дБ) не хуже: 8 Гц - 200кГц;
• Максимальная выходная мощность (16/32/250 Ом): 800/450/60 мВт;
• Входное сопротивление: 4.3 кОм;
• Глубина ОС (1/20кГц): 80/68 дБ;
• КНИ (32 Ом) не более: 0.005%;
• ИМИ (19+20кГц) не более: 0.006%.

P.S.: На макете было собрано обе версии схемы, как на биполярных так и на мосфет транзисторах.
Отличия по результатам замера между ними на уровне погрешности измерения (тысячные), на биполярах чуть лучше.
Диапазон используемого напряжения так же чуть лучше с биполярными транзисторами на выходе.

Замеры и осциллограммы

Все замеры проведены с ТП=50мА, нагрузкой 30 Ом и выходной мощностью 200мВт, меандр снят без входного ФНЧ.

Клип 1кГц:



Меандр 10кГц:



КНИ 1 кГц:



ИМИ 19+20 кГц:



ЛАЧХ/ЛФЧХ петли ОС:


Модель усилителя в микрокап:
rosa ha1 mc.rar

Печатная плата

Плата выполнена в двух вариантах:
1) В формате "модуля" габаритами 30х31мм.

Файл печатной платы ".lay" и gerber:
ROSA-HA1module.rar

Скрытый текст

Так как корпуса у всех разные, удобно либо скопировать из lay файла блок усилителя для расположения на собственной плате под имеющийся корпус, либо использовать как самостоятельные модули при установке в составе иных устройств.
Трассировка на одном слое, верхний залит полигоном земли. При самостоятельном изготовлении платы методом ЛУТ можно использовать односторонний текстолит.
На плате отсутствует входной конденсатор С1, а так же элементы относящиеся к блоку питания R19, R21, C9, C10.
Соединение сигнальной земли "⏊" выполняется с силовой землей "⏚" звездой в точке подключения земли выхода и входа, в соответствии с принципиальной схемой. Сигнал ООС берется в непосредственной близости к выходному разъему.

[свернуть]

2) В формате полного усилителя габаритами 80х46мм.

Файл печатной платы ".lay" и gerber:
ROSA HA1 full.rar

В обоих вариантах использованы SMD компоненты типоразмера 1206.
Платы универсальны для биполярного и мосфет варианта.

На платах предусмотрена возможность установки дополнительного конденсатора коррекции Сх между затвором-стоком транзистора VT8.
В случае возникновения паразитной генерации установить Сх порядка 10..22пФ

Наладка и первый запуск

1. При первом запуске резистор подстройки "0" R7 устанавливается в среднем положении, резистор установки тока покоя R10 в таком положении, при котором средний его вывод подтянут к "+" питания, что соответствует минимальному току. Нагрузка не подключается;
2. После подачи питающего напряжения необходимо установить ток покоя подстроечником R10, удобно это делать контролируя падение напряжения на резисторе R18;
3. Установить "0" на выходе при помощи регулировки R7.

На этом настройку можно считать оконченной, подключать наушники и наслаждаться прослушиванием.

P.S.: Хочу выразить отдельную благодарность товарищу Alex Koryagin.
Им был собран первый вариант схемы и отправлен мне макет для тестов, замера и допила.

[Дед-ка]

Alex Ground, а куда делась ветка о гибридном усилителе? С уважением Вячеслав.

[anton11]

https://forum.vegalab.ru/showthread.php?t=94306

[Дед-ка]

Спасибо.

[Alex Ground]

....попробовал 2n7002 вместо bs170. В одном из каналов возникла паразитная генерация. Решилось добавлением конденсатора 22пФ сток-затвор...

С платой возникли проблемы, по не выявленной на данный момент причине:
1) Вспышки генерации при горячей коммутации наушников, иногда при этом схема "защелкивалась", один из каналов молчит, при повторном горячем переключении восстанавливается работоспособность.
2) Для устранения генерации был добавлен конденсатор затвор-сток, это принесло результат. Плата собрана на 2n7002, макет был собран на bs170 to-92, для него устойчивость в тестах сохранялась без доп.конденсатора, хотя горячее подключение нагрузки не тестировалось(в момент подключения в джеке происходит КЗ).
3) Следующим этапом хотел оптимизировать коррекцию снижением корректирующих конденсаторов до 10пФ. При работе с платой один из каналов прекратил нормальную работу, вероятно что-то конструктивное, на выходе постоянное напряжение рандомно изменяющее величину, не регулирующее на балансировку, буду разбираться..

[Alex Ground]

В общем по результатам моделирования (+15дБ глубины ОС на 20кГц) решил все таки пожертвовать немного входным сопротивлением и перевел схему на биполяры на вход.
Протестировал и подогнал коррекцию с биполярами на входе для биполярного и полевого варианта (в ВК), себе оставляю полевой.
Все материалы в шапке обновил.

P.S.:

При работе с платой один из каналов прекратил нормальную работу, вероятно что-то конструктивное

Видимо где то при пайке где то повисла сопля припоя, так как менял транзисторы, резисторы при переходе на биполярный вариант и проблема устранилась

[brier]

Offтопик:

Тема уже больше 2-х месяцев как заглохла

Немногим более месяца.

[Alex Ground]

К автору темы - а что, если на базе этого (выход на полевиках) усилителя сделать например усилитель для полочников или в авто (ватт так на 25), по этой же схеме и с теми-же комлектующими ? Мощности и тока выходников вполне достаточно.

Да в целом ничего не мешает, может выйти не плохой усилитель на деталях из того, что завалялось в столе.
Только я бы поставил на выход двойку биполяров, как то мне с ними больше нравится, чем с IRF.

---------- Сообщение добавлено 07:16 ---------- Предыдущее сообщение было 07:12 ----------

Кому интересно это непонятно что, да еще на наихудшей разновидности двухтактного выхлопа-недоJLH, полуникитин, с диким потреблением, плохой линейностью.

Нормально там с линейностью, у нас УН совмещен с ВК, а за упрощение надо платить, 68дБ/20к в общей петле позволяют получить нормальный результат.
А потребление уж сколько тока покоя накрутишь, ушники часто в чистом А делают, не вижу проблем.

P.S.: на счет микросхем, есть очень приличные варианты, но схему я разработал для своего коллеги, он просил что нибудь чисто на транзисторах

[Alex Ground]

А какие резисторы/конденсаторы (их номиналы/мощность) изменить при напряжении питания +-20В (однополярное 40В) ?

Будет свободное время я набросаю в микрокапе вариант под 30..40в(+-15..20в) питания, для околокомпьютерного усилителя

[jett]

Ёмкость с-з мосфета типа bs170 сильно нелинейна на том участке, где он у вас работает. Не мешает ли это нормальной коррекции усилителя? Может, лучше биполяр или jfet типа bf862, например?
Комплектуха на первом фото ни к черту, с таким подходом много из этой схемы не вытянуть.

[jett]

Всё дело в выбранной системе координат)
Загляните в дш. Но даже здесь видно, что ёмкость меняется раза в два.

[Alex]

Во всех даташитах представлены графики электронных компонентов в системе Декартовых координат.

От "декартовости" тут только "прямоугольность":

Декартовой системой координат называется прямолинейная система координат с взаимно перпендикулярными осями в пространстве или на плоскости и с одинаковым масштабом по этим осям.

И "во всех даташитах" - на разных графиках масштаб может быть линейный, и как в #53 - логарифмический (на это Джетт и намекал).

[Alex]

Все это никак не относится к СИСТЕМАМ КООРДИНАТ

Но зато понятно что имелось ввиду

[Alex Ground]

Добро, будем ждать

Ну как то так, вроде ничего не упустил.
Может кто нибудь из форумчан подкинет достоверную spice модель мосфетов на выход, потому что не уверен в стандартных.




модель микрокап
circuit8bimos power.rar

[antonluba]

Какова конструкция катушки и какое будет ее сопротивление?

[Alex Ground]

Какова конструкция катушки

Я устанавливал в ушнике покупную катушку форм фактора резистора 0.25 Вт, их активное сопротивление порядка 5...10 Ом.

[Alex Ground]

Вопрос- ради чего все эти извращения?

Для стационарного ушника который будет работать в реж.А (а это оптимальный вариант для ушника) топология нормальная.
Стабилизация тока по датчику (не паримся за уход режима от нагрева и не надо крутить никаких термодатчиков, открывается доступ к применению на выходе, например, сборок мосфет), работа с малым падением напряжения на ВК, нормальная линейность в железе порядка 0.005%(см.в шапке).
Сделать можно проще на ОУ, просто ТЗ иное было=)
А если говорить про околокомпьютерный вариант, то по сути это среднее между Худом и Никитиным, если хочется человеку выполнить усилитель на Н канальных мосфетах, то можно и собрать.

[Alex Ground]

Да и по субьективным впечатлениям гексагональные MOSFET очень сильно проигрывают нормальным биполярам.

Согласен, я об этом же писал выше, на биполярах мне нравится больше.

класс А не спасает..

Один из главных вредителей тут искажения коммутации, применимо к ушнику в А классе эта топология работает хорошо.
Да и ООС тут больше чем в типовых ОУ, от того по итоговым искажениям криминала нет, полно усилителей, которые при сходной сложности результат показывают худший.

[3gs505]

Двойка ЭП стоит как вкопанная при термокомпенсаторе на супер бета транзисторе, никаких проблем даже без эмиттерных резисторов, уметь просто надо.

пример есть где посмотреть?

[Alex Ground]

IRF540 вместо IRL510

Сопротивление открытого канала великовато у 510, если работать на 4 Ом, то хотелось бы ниже.

[antonluba]

Сопротивление открытого канала великовато у 510, если работать на 4 Ом, то хотелось бы ниже.

Ну это же не д-класс, причем тут это вообще?