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.

[Alex]

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

А причем тут оно? Оно-же здесь не работает.

[Alex Ground]

Оно-же здесь не работает.

Так снижается же коэф.использования питающего напряжения

[antonluba]

коэф.использования питающего напряжения

Гораздо больше зависит от порогового напряжения открытия транзитора (если нет повышенного питания УН)

[Alex Ground]

(если нет повышенного питания УН)

Ну тут УН запитан от вольтдобавки С8(нумерация из поста #59) , потому УН, по сути, имеет "повышенное" питание, от того в сопротивление канала упираемся+ сопротивление датчика тока.

[Alex]

Так снижается же коэф.использования питающего напряжения

Нет конечно, с чего вдруг?!

---------- Сообщение добавлено 08:14 ---------- Предыдущее сообщение было 08:11 ----------

от того в сопротивление канала упираемся+

Еще раз - параметер Rdson не существует при работе транзистора в линейном режиме.
Он только для ключевого (окрыт/закрыт), и еще и от напряжения на затворе зависит.

[Alex Ground]

Нет конечно, с чего вдруг?!

Ну так падение напряжения на сопротивлении канала 0.5...0.8 Ом + на датчике тока 0.33Ом, уже порядка 1 Ом, при нагрузке в 4 Ом, по мне многовато

Еще раз - параметер Rdson не существует при работе транзистора в линейном режиме.
Он только для ключевого (окрыт/закрыт), и еще и от напряжения на затворе зависит.

Так какой же линейный режим в клипе?
Вот например на 540. Красный это напряжение питания на стоке М2, зеленый напряжение на стоке М1 (превышает напряжение питания, для полного открытия мосфет благодаря вольтдобавке), синий напряжение на выходе. Как видно падение на ключе порядка 0.2В

Теперь тоже самое на примере ирф510

Выходное напряжение не достает до напряжения на стоке на 1.7В

[Alex]

Так какой же линейный режим в клипе?

В клипе никакого, но кого интересует работа и КПД в клипе?! Это-же линейный усилитель а не свистоперДелка.

[Alex Ground]

В клипе никакого, но кого интересует работа и КПД в клипе?! Это-же линейный усилитель а не свистоперДелка.

Ну так речь же была о чем

Так снижается же коэф.использования питающего напряжения

Снижается? Снижается, по мне так больше чем хотелось бы. При одном и том же напряжении питания теряем в выходной мощности.

[Alex]

При одном и том же напряжении питания теряем в выходной мощности.

Только если ВК в ОЭ а не повторитель.
Да и то, при достаточно низковольтном питаниии, Ugs и прочее, как праивло ограничит клип еще раньше чем Rdson.

[Alex Ground]

Только если ВК в ОЭ а не повторитель

Повторитель при повышенном питании УН (или с вольтдобавкой) аналогично упирается в Rdson, как в случае этой схемы.

[antonluba]

Коэффициент использования питания- это на сколько максимальное напряжение в клипе ниже напряжения питания. И этот параметр, во всяком случае для ок, напрямую зависит от порогового напряжения открытия транзистора вк.

---------- Сообщение добавлено 08:48 ---------- Предыдущее сообщение было 08:46 ----------

Но не мне вас учить

[Alex Ground]

Коэффициент использования питания- это на сколько максимальное напряжение в клипе ниже напряжения питания. И этот параметр, во всяком случае для ок, напрямую зависит от порогового напряжения открытия транзистора вк.

Верно, вот только если УН имеет повышенное питание (как, например, в обсуждаемой схеме с вольтдобавкой, см.зеленый сигнал в #73), то в Ugs мы уже не упираемся и для включения с общим стоком, остается только Rdson на пути к Rail to Rail =)

[antonluba]

Надо просто рассчитать сопротивление канала при максимальном неискаженном (!) напряжении на выходе.
И тогда станет ясно, что Rdson никакого отношения не имеет к такому усилителю

[Alex Ground]

при максимальном неискаженном (!) напряжении на выходе.

Так речь же только о

Так снижается же коэф.использования питающего напряжения

Клип наступает раньше на 510, чем на 540, от того максимальное неискаженное напряжение на выходе при одинаковом питании будет иметь бОльший размах на 540. В этом и состоит выигрыш в применении 540х. Все, я больше ни о каком другом выигрыше не писал.

Rdson никакого отношения не имеет к такому усилителю

Rdson влияет на величину максимального неискаженного напряжения на выходе при одинаковом питании при условии повышенного питания УН (когда мы не упираемся в Ugs).
В линейном режиме влияния нет, и о нем никто не говорил, речь только о более раннем заходе в клип на 510 из-за падения на бОльшем, сравнительно 540, сопротивления их канала

P.S.: Возможно я прав не полностью, ведь Ugs у нас тоже ограничено, оно не достигает 10В при которых указано Rdson в даташит. Однако при одинаковом напряжении Ugs сопротивление канала у 540 значительно ниже, это видно из картинок в #73

[antonluba]

Тогда надо применить другой irL, тот же irl540, в общем случае низкое пороговое напряжение открывания будет лучше.

[Alex Ground]

Для ирф540 синий это Ugs, красный Uds(падение напряжения открытого транзистора в клипе 0.5В)

То же самое для ирф510

На затворе у нас бОльшее напряжение, но падение на канале (в клипе) при этом 1.7В.


Смотрим для ирл510

Для ирл540

Видно что падение напряжения на ирл510 не стало меньше чем на ирф510, оно практически идентично.

P.S.: я применял в ушнике ирл из-за низкого напряжения питания, что бы 12в (+-6В хватало для нормального функционирования схемы). Для питания в 30В преимуществ использования ИРЛ перед ИРФ не наблюдаю

[Alex]

В этом и состоит выигрыш в применении 540х.

На сколько, в громкости?
Это услышать вообще можно?
Или как в обычном усилителе - разницу между 20 и 30 ватт?

Да, у IRF540 Rdson 10 раз меньше чем у IRF510, при тех-эе10в, но и емкость гейта у них в 10 раз выше.
Что по мне, так намного хуже бОльшего Rdson.

Возможно я прав не полностью, ведь Ugs у нас тоже ограничено, оно не достигает 10В при которых указано Rdson в даташит. Однако при одинаковом напряжении Ugs сопротивление канала у 540 значительно ниже, это видно из картинок в #73

Вообще если уж так волнуют эти аспекты, то (кроме того что нафиг мосфеты,оставить биполяры):
- надо брать logic level транзисторы, у них напряжение на гейте намного ниже.
- 100-вольтовые как-то не очень нужны при 12в питания.
- есть транзисторы малость посовременнее, чем антикварный 510/540.

Я когда-то использовал ISL9N315AD3 - 30V, 20A, стоил три копейки, при этом:
Rdson =22mOhm @ Vgs=4.5V
Rdson =12mOhm @ Vgs=10V
Ciss=900pF.
Но он тоже антикварный, ему уже больше 20-ти лет, и сейчас моут быть не легко их достать в розницу.

Так есть IPP114N03L - 30V, 30A,
Rdson =13mOhm @ Vgs=4.5V
Rdson =9mOhm @ Vgs=10V
Ciss=1100pF.

(Это я только про трухольтные в ТО220, если взять smd, то выбор на порядок больше)

[Alex Ground]

Или как в обычном усилителе - разницу между 20 и 30 ватт

Ну порядка 15 Вт на 510 и 22 Вт на 540 при питании +-15. Дополнительные 7 Вт на ровном месте.

- надо брать logic level транзисторы, у них напряжение на гейте намного ниже.

Как я выше показал тут (в обсуждаемой схеме) мы упираемся не в Ugs (пост #83).

емкость гейта у них в 10 раз выше.
Что по мне, так намного хуже бОльшего Rdson.

Согласен, но в принципе усиления в звуковом диапазоне не потеряли (если верить ЛАЧХ\ЛФЧХ на этих моделях), а значит ничего не потеряли.

кроме того что нафиг мосфеты,оставить биполяры

Согласен более чем, ну человек попросил версию на мосфет, если бы я себе собирать планировал, поставил бы биполярную двойку.

- есть транзисторы малость посовременнее, чем антикварный 510/540

Вот это мне и интересно, я с мосфетами практически не работаю, не знаю номенклатуру современную годную в аудио, что бы можно было купить без проблем, и что бы модели были адекватные для симуляции.
Если форумчане подскажут что-нибудь такое, можно будет их прикрутить.

[antonluba]

IRLZ34

[Alex Ground]

IRLZ34

Чем будут лучше чем 540?