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 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?

[alex3]

Logic-level мосфеты выпускаются только n-типа, к сожалению. Поэтому двухтактный повторитель не выйдет сварганить.

[Alex Ground]

Logic-level мосфеты выпускаются только n-типа, к сожалению. Поэтому двухтактный повторитель не выйдет сварганить.

Ну лоджик левел тут нужны только в ушном варианте в шапке, из-за низкого напряжения питания. Для версии на 4 Ом с питанием 30-40 В из поста #59 лог.левел нам не нужны(показал в #83).
А по типу управления выходными транзисторами этот ВК двухтактный, ну кто то называет ещё "полторатактный", не будем углубляться в терминологию)

[antonluba]

Чем будут лучше чем 540?

емкость меньше

[Alex]

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

На какой нагрузке?

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

Если драйвер способен прокачивать большую емкость, то ОК, но все равно это стремно.

если бы я себе собирать планировал, поставил бы биполярную двойку.

"Для себя" - у меня есть OPA1622 и AD8397...

IRLZ34

Давно не выпускается.

Logic-level мосфеты выпускаются только n-типа, к сожалению.

?!

А сами мосфеты об этом знают?
FDMA507PZ 20V, 7.8A, 24mOhm@5V, 45mOhm @ 1.8V
Он правда смд, но если именно трухольные, то TSM480P06 - 60V, 20A, 53mOhm@4.5V

[Alex Ground]

На какой нагрузке?

Нагрузка 4 Ом.

"Для себя" - у меня есть OPA1622 и AD8397

Последние несколько страниц я все пишу про схему в посте #59. Та которая околокомпьютерный усилитель на базе ушника из шапки

[Alex]

Нагрузка 4 Ом.

ОК

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

15вт на 4 ома - 10.9Va, 4.1V до рельсов. При Rdson=0.54 это должно быть Ia=7.5A, но там всего 2.7А
22вт на 4 ома - 13.2Va, 1.77V до рельсов. При Rdson=0.04 это должно быть Ia=44A, но там всего 3.3А.

Это точно Rdson ограничивает?

Последние несколько страниц я все пишу про схему в посте #59. Та которая околокомпьютерный усилитель на базе ушника из шапки

Я понимаю, но я-же и сказал: "для себя", и имея ввиду наушники

[Alex Ground]

Это точно Rdson ограничивает?

Смотрим #83
Для ИРЛ и ИРФ ограничение идентично (а Ugs то ощутимо отличается). При том для 510 оно на 1.2В раньше чем для 540 (не зависимо от того лог.лвл или нет).
На 510 падает примерно на 1.2в больше, чем на 540, что при токе через нагрузку порядка 3А говорит о бОльшем на 0.4 Ом сопротивлении у 510го.
Вполне похоже на правду, не так ли?

P.S.: Вверху там еще датчик тока 0.33 Ом со своим падением, вы в расчете посчитали от рельсы, так не верно, я писал именно о падении на мосфет и график в #83 привел именно напряжения D-S мосфет(падение датчика тока туда не входит). А разницу в мощности я посчитал по факту, туда вошло и падение на мосфетах и падение на датчике тока, понятное дело

[Alex]

Вверху там еще датчик тока 0.33 Ом со своим падением, вы в расчете посчитали от рельсы,

Я и с дополнительным 0.33 ома посчитал, все равно не получается.
11 вольт амплитуды, 4 вольта до рельсов, падают на 0.87 ома (в них входит 0.33 резистор и 0.54 транзистор), это должен быть ток 4.6А.
Но 11 вольт на 4 ома это лишь 2.75А. Там конечно через 0.33 ома еще ток Q7 течет, но не два-же ампера!

Может я конечно где-то ошибся, тогда ткните пальцем где?

[jett]

IRLZ34

IRF630N
STP36NF06L
Ещё меньше)

[Alex Ground]

Я и с дополнительным 0.33 ома посчитал, все равно не получается.

Посмотрите в пост #73.
Дополнительные данные, для 540 клип при 13.6 амплитуды, для 510 при 12.2В амплитуды. На 4 ом это соответственно 3.4А и 3А.
Просто я когда мощность считал я учитывал же ещё клип нижнего плеча, он не совсем симметричный.
Для 510
Напряжение на шине 15в, на резисторе 0.33 падает 3х0.33=1В, остается 14В, на мосфете падает 14-12.2= 1.8В. Для тока 3А это 0.6 Ом.
Для 540
Напряжение на шине 15в, на резисторе 0.33 падает 3.4х0.33=1.12В, остается 13.9В, на мосфете падает 13.9-13.6= 0.3В. Для тока 3.4А это 0.088 Ом.

[vovan2010r]

Как это нужно понимать ?

[Alex Ground]

Как это нужно понимать ?

Просто если вытянуть из библиотеки транзистор, а потом менять его тип через свойства элемента, то подпись остается старая, при том что модель уже другая, нюанс микрокапа, модели выбраны 540, это видно если открыть компонент

[Alex]

Посмотрите в пост #73

Это я видел, но где в моих расчетах ошибка?