Усилитель для наушников, чуть сложнее. Усилитель для низкоомных наушников на оу Качественный усилитель для наушников на оу

Чтобы получить качественный звук от мобильных устройств (смартфонов, mp3-плееров, планшетов и т.п.). Одна из основных характеристик любого мобильного устройства – время работы от батарей. Производители идут на любые ухищрения, чтобы снизить энергопотребление и увеличить время автономной работы гаджета. Поэтому усилитель звука в мобильном устройстве, как правило, имеет низкое напряжение на выходе (0,15-0,3В) и малую мощность.

Для канальных наушников с малым импедансом это не так уж важно – звучать они будут достаточно громко, но вот высокоомные (от 100 Ом) наушники ожидаемой громкости обеспечить не смогут, хотя чувствительность у них может быть даже больше. Почему так? Потому что чувствительность обычно указывается относительно мощности наушников – дБ/мВт. Т.е., при подаче 1 мВт на наушник чувствительностью 100 дБ, он даст на выходе именно такое звуковое давление – 100 дБ. Но что такое 1мВт для наушника с импедансом 8 Ом и 300 Ом? Согласно школьному курсу физики,

Из этого следует, что при импедансе 8 Ом для обеспечения мощности 1 мВт усилитель должен выдать сигнал амплитудой,

а чтобы обеспечить ту же мощность для наушников с импедансом 300 Ом, уже 0,5В. Если вспомнить, что выходной сигнал гаджета у нас ограничен 0,2-0,3 В, становится ясно, что от высокоомного наушника громкого звука ждать не приходится, хотя чувствительность у него вроде бы такая же, как у низкоомного.


Импеданс 16 Ом	Импеданс 16 Ом	Импеданс 300 Ом	Импеданс 300 Ом

Существует устойчивый миф, что хороший звук можно получить только на полноразмерных высокоомных наушниках. Это не так – сегодня существует множество низкоомных наушников (как вставных, так и полноразмерных) с отличными характеристиками.
Так зачем же нужны высокоомные наушники? Не проще ли перейти на низкоомные и забыть о всяких дополнительных усилителях?
Тоже не все так просто – при низком сопротивлении наушников через усилитель гаджета протекает больший ток. Для обычных усилителей это не так важно, но компактная электроника мобильных устройств повышенных токов не любит. Коэффициент нелинейных искажений на звуковом выходе гаджета может заметно вырасти с ростом тока за счет увеличения тепловыделения и нагрева полупроводниковых элементов, а также за счет возрастания тепловых шумов и дробных шумов, вносимых непроволочными резисторами. Кроме того, выходное сопротивление встроенных усилителей смартфонов часто бывает довольно высоким и оказывает заметное влияние на АЧХ низкоомных наушников.
Проще говоря, низкоомные наушники будут звучать громко, но звук может оказаться плохим даже на дорогих качественных моделях, а высокоомные наушники скорее обеспечат хорошее качество, но громкость их будет неудовлетворительной.

Поэтому для получения качественного звука с рядового смартфона наличие усилителя становится просто обязательным. Для многих mp3-плееров усилитель тоже потребуется – качество усилителя дешевых плееров зачастую не выше, чем у простых смартфонов.
Кроме улучшения качества звука усилитель еще и снизит энергопотребление мобильного устройства и, соответственно, продлит время автономной работы – для быстро разряжающихся современных смартфонов это немаловажный критерий.
Определившись с необходимостью усилителя, можно перейти к выбору конкретной модели по характеристикам. Покупать первый попавшийся усилитель не стоит, необходимо, чтобы он соответствовал мобильному устройству и, особенно, наушникам. Имеет смысл сначала определиться с выбором наушников, а уже затем (при необходимости) подобрать под них усилитель.

Характеристики усилителей наушников.

От исполнения зависит, сможете ли вы слушать музыку в дороге и на прогулке. Портативные усилители обычно имеют небольшие размеры и собственный автономный источник питания. Стационарные же больше габаритами и зачастую могут быть запитаны только от сети 220В. Зато многие такие усилители могут быть использованы для подзарядки мобильного устройства одновременно с проигрыванием музыки.

Вид схемотехники большинства современных усилителей – транзисторный. Транзисторы компактнее, экономичнее, прочнее и дешевле. Но ламповые усилители продолжают удерживать свои позиции благодаря большому количеству любителей «теплого лампового звука». Плюсы у ламп имеются:
- лучшая, чем у транзисторов, линейность, дающая гладкую АЧХ на простых схемах;
- лучшая устойчивость к перегрузкам, как при коротком замыкании выхода, так и при избыточной мощности входного сигнала. Перегруженный транзисторный усилитель портит звук сильнее лампового;
- не стоит недооценивать эстетический эффект лампового усилителя с открытыми лампами
Но АЧХ современных полупроводниковых усилителей давно не уступает ламповым, а минусы электронных ламп при использовании в усилителях заметно перевешивают плюсы. Это:
- высокий уровень тепловых шумов (каковой шум многие принимают за тот самый «ламповый звук»)
- недолговечность ламп из-за постепенного выгорания катода;
- высокая стоимость ламп и усилителей на них;
- низкая механическая прочность – лампы не выносят вибраций, при перевозке лампового усилителя лампы лучше вынуть и везти отдельно, соответствующим образом их упаковав;
- высокий коэффициент нелинейных искажений за счет использования выходного трансформатора;
Гибридные усилители с выходным каскадом на транзисторах имеют меньший коэффициент нелинейных искажений, но тепловой шум от ламп в них сохраняется, поэтому отношение сигнал/шум более 90 дБ ни в ламповых, ни в гибридных усилителях практически не встречается.

Выходная мощность усилителя определяет максимальную громкость, которую смогут выдать подключенные к нему наушники. Только надо иметь в виду, что производитель обычно указывает мощность при минимальном импедансе наушников. С ростом импеданса подключенных наушников мощность падает: так, усилитель, обеспечивающий 16 мВт с наушниками 16 Ом, на 300-омной нагрузке даст всего 0,8 мВт. Поэтому перед покупкой желательно выяснить, какую мощность усилитель обеспечивает при подключении к нему конкретных наушников. Мощность должна быть такой, чтобы обеспечивать на наушниках звуковое давление в диапазоне 105 – 115 дБ, что считается достаточно громким для большинства людей. Чтобы выяснить, будут ли наушники создавать нужное звуковое давление, следует посчитать его по формуле:

Так, при чувствительности наушников в 96 дБ/мВт и мощности усилителя 0,8 мВт для данных наушников, максимальное звуковое давление будет 95 дБ, что явно недостаточно.

Максимальное и минимальное сопротивление определяют диапазон, внутри которого должен быть импеданс используемых с этим усилителем наушников. При использовании наушников с импедансом, меньшим минимального, выросшие токи в усилителе могут привести к его повреждению. При подключении наушников с импедансом, большим максимального, звук будет слишком тихим.

Отношение сигнал/шум показывает, насколько сильно шумит усилитель при отсутствии сигнала. Чем выше этот показатель, тем более чистый звук обеспечивается системой. Для прослушивания музыки нежелательно, чтобы этот показатель был ниже 75 дБ. Hi-Fi аппаратура обеспечивает минимум 90 дБ, а высококачественные Hi-End усилители способны обеспечить отношение сигнал/шум в 110-120 дБ и выше.

Входы усилителя определяют, какие форматы получения сигнала он поддерживает, и какие разъемы потребуются для его подключения к мобильному устройству. Для получения аналогового аудиосигнала с гаджета используются «джеки» (jack) 2,5, 3,5, 6,35 мм и «тюльпаны» (RCA). Для получения цифрового аудиосигнала – SPDIF и USB. И в том и в другом случае необходимо, чтобы на мобильном устройстве был соответствующий разъем и, разумеется, поддержка возможности передачи аудио через него. Разнообразие различных входов, кроме поддерживаемого вашим мобильным устройством, не будет лишним: это позволит подключать к усилителю и другие устройства: ноутбук, автомагнитолу и т.д.

Отдельно следует отметить возможность получения аудиосигнала в цифровом виде. Это подразумевает наличие в усилителе собственного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) – модуля, преобразующего цифровые данные из аудиофайла в аналоговый сигнал для наушников. Это удорожает усилитель, но может благотворно сказаться на качестве звука. Дело в том, что в целях экономии производители мобильных устройств (особенно смартфонов) ставят на них недорогие низкоразрядные ЦАП, способные сильно исказить звук.
В этом случае высокое качество усилителя и наушников ничем не поможет – на них будет идти изначально некачественный сигнал. Поэтому, если вы не уверены в качестве комплектующих своего мобильного устройства (и если оно может отдавать звук в цифровом виде), выбирайте усилитель со встроенным ЦАП и цифровым входом.

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:

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.

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

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.