Высококачественный усилитель для наушников своими руками схема

Собираем собственный аудио усилитель профессионального уровня не (очень) дорого

Получаем потрясающий стереозвук на основе платы 3e Audio Д-класса

Перевод статьи с сайта IEEE Spectrum, автор – Гленн Зорпет

Несколько лет назад я решил узнать, насколько дёшево можно сделать самому усилитель Д-класса аудиофильского качества. Тогда у меня получилось $523,43. Я смастерил достойный усилок, и статья на IEEE Spectrum всё ещё привлекает читателей и периодические вопросы о том, где можно достать запчасти.

Сожалею, но основные компоненты уже давно исчезли. Поэтому я направлял всех страждущих к наборам от Class D Audio, DIY Class D и Ghent Audio. И пару месяцев назад мне вдруг захотелось проверить, насколько лучше у меня получится сделать усилок сейчас, почти десять лет спустя. Часть мотивации возникла из-за ежегодных списков лучших стерео усилителей с сайта The Master Switch. В списке доминируют усилители стоимостью от $1000 (и десять из них стоят более $2000).

Модные аудио прибамбасы – моя слабость. Но давайте уже отложим в сторону чековую книжку и достанем паяльник. Если вы обладаете базовыми навыками пайки и работы с инструментами – сможете просверлить отверстия в алюминиевом листе? – вы может сделать высококачественное оборудование гораздо дешевле.

Вкратце, усилитель Д-класса работает, преобразуя аналоговый сигнал в переменную последовательность квадратных импульсов фиксированной амплитуды. Эти импульсы включают и выключают транзисторы, а выход транзисторов преобразуется обратно в аналоговый сигнал, более громкий. Когда я писал свою первую статью, аудиоустройства Д-класса были сравнительно новыми, и аудиофилы спорили по поводу того, могут ли они звучать так же хорошо, как устройства класса АБ или А.

Сейчас уже никто не спорит по этому поводу. На рынке представлено множество усилителей класса Д, и лучшие из них доминируют в верхних позициях списков.

Разработка и создание усилителя Д-класса – предприятие, достойное похвалы. Если вы решите пойти таким путём, я отдаю вам честь и предлагаю начать с прекрасной статьи Цезаря Чирилы на сайте All About Circuits. Но если всё, что вы хотите – это максимальное соотношение качества к цене, лучшей стратегией будет тщательно выбрать модуль усилителя и другие компоненты из огромного количества готовых вариантов. Именно это я и сделал. Не стоит благодарности.

Усилитель состоит из двух базовых компонент: источник питания и схема. После пары недель исследований и оценок я остановился на схеме EAUMT-0050-2-A усилителя Д-класса от 3e Audio, компании из Шэньчжэня. Она основана на прекрасном чипе усилителя от Texas Instruments, TPA3250, хорошо показавшем себя в сравнении с усилителями Д-класса, собранными из отдельных компонентов.

TPA3250 может работать с динамиками на 8 Ом или 4 Ом, а его эффективность составляет 92%, согласно данным от TI. Он может принимать симметричные входные сигналы (часто используемые в музыкальных студиях и других профессиональных вариантах применения) или односторонние (обычно используемые в потребительских аппаратах).

Музыкальная композиция: усилитель (вверху) использует коннекторы XLR (слева на фото) для ввода сигнала, типичные для профессиональной аппаратуры. Внутри его главные части – это трансформатор от AnTek Products Corp. (второй сверху), плата выпрямителя от Xkitz Electronics (третья сверху) и модуль усилителя от 3e Audio (внизу) на основе Texas Instruments TPA3250.

Результаты тестов с сайта 3e утверждают, что их плата на основе TPA3250 имеет коэффициент нелинейных искажений + шум (THD+N) в 0,0025% на мощности в 20 Вт и нагрузке в 4 Ом для сигнала в 1 кГц. Это безумно мало. Для сравнения, усилитель Д-класса nova300 от Peachtree Audio стоимостью в $2199, объявленный сайтом The Master Switch «самым лучшим усилителем этого года» имеет показатель THD+N равный 0,005% при прочих равных.

Нужно отнестись к этому критически и понять, что услышать разницу между THD+N в 0,0025% и 0,005% невозможно. Суть в том, что звуковая система, состоящая из усилителя на основе платы 3e стоимостью в $49, вместе с хорошим ЦАП и предусилителем может выдавать звук, сравнимый с high-end усилителем.

В качестве источника питания рекомендую нерегулируемый предназначенный для аудио источник от Xkitz Electronics, модели XAPS-500W ($30). На него следует подать ток 22 В от 200 ВА трансформатора от AnTek Products Corp., модели AS-2222 ($32). Если вы предпочитаете импульсный стабилизатор напряжения вместо линейного, прекрасным выбором станет SMPS300RS от Connex Electronic ($65, вместе с трансформатором). Если хотите сэкономить, на AliExpress есть плата выпрямителя HPOO всего за $15. На другом конце шкалы есть модуль Eltim PS-UN63RQ за €119. Доставка его в США обойдётся в дополнительные €81, поэтому для жителей Америки это не вариант (по ссылке представлен полный список запчастей).

Закончив с усилителем, я подключил его к 30-летним трёхканальным колонкам от Panasonic, которые я часто использую для проверок. Раздавшийся из них звук оказался таким классным, что я был поражён. За всё время я слушал через эти колонки штук 15 различных усилителей, включая ламповые стоимостью вплоть до $1200. Ни у одного из них не было такой чёткости звука и такого точного, детального, и вместе с тем плавного воспроизведения, как у модуля от 3e вместе с источником питания от Xkitz. По моему опыту, найти идеальный баланс точности, плотности басов и общей теплоты звука может очень малое количество усилителей. И данному усилителю это удалось.

Общая стоимость составила $259,01. Чуть больше половины стоимости предыдущего усилителя, выдававшего при этом звук похуже, построенного мною десять лет назад. В эту сумму входит $37,50 за профессиональную покраску корпуса порошковой краской. И я не рекомендую пропускать этот шаг, если только вы не профессионал в покраске алюминия. Усилитель класса high-end должен и выглядеть соответственно. Но, возможно, об этом можно будет как-нибудь поспорить.

Источник

Усилитель для наушников, чуть сложнее

Проапгрейдил недавно компьютер на LGA2011, на коробке от относительно недешевой платы красовалась надпись «супер пупер звук, 110Дб вся фигня». Отлично подумал я, хороший звук никогда не помешает. Следующие 2 дня я неистово гнал железо, и все было хорошо. А потом вернулся к обычной работе, и естественно, к рабочей музыке. Тихо. Нет. ТИХО! 100% громкости едва хватало для комфортной громкости с моими обычными 32-х омными наушниками (Sennheiser HD 448, отличающихся не самой высокой чувствительностью), а если запись была сделана с низким уровнем сигнала — то хоть волосы вырывай.

От безысходности начал было даже слушать через bluetooth A2DP адаптор, но само собой и качество и аккумуляторы (

6 часов) вгоняли в печаль…

Стало ясно что жить так больше нельзя.

Но отступим на 3 месяца назад: Покупал я детали для моего MP3-плеера в terraelectronica, который должен был наконец заменить мой iPod, и проходясь по списку микросхем для аудиотехники (сортировка по наличию и цене) увидел в начале списка MAX9724 по феноменальной цене в 7.78 рублей. Хоть это и был специализированный усилитель для наушников, мне он по тому проекту был не нужен — купленный аудиокодек уже выдавал сигнал нужного для наушников уровня. Ну, решил я, куплю про запас штучек 5, мало ли где пригодится, тем более с такой ценой…

Итак, наши Design goals для усилителя

1. Все должно собираться из того что есть, чтобы решить проблему «сегодня» (супердорогие операционные усилители отпадают)
2. Питание строго от USB, никаких нестандартных блоков питания и тем более батареек
3. Качество должно быть лучше того, что может услышать человек
4. Как следствие из пункта 3 — конденсаторы на пути аудио-сигнала — это проблема (хоть и решаемая). Пленочные конденсаторы дорогие и редкие, а с электролитами тут всегда непросто.
5. Отсутствие потенциометра регулятора громкости — они шумят (при вращении / просто от старости) и вообще ненадежны.

Существующие конструкции:

1. Вот например недавняя статья Усилитель для наушников просто и быстро — в статье тактично опущен вопрос с питанием 🙂 Также, после чтения соответствующих статей понятно, что на операционных усилителях строить нормальные усилители не просто — много нюансов (впроде самовозбуждения, смещения 0, входящего тока и ограничений на входное сопротивление). Ну и в целом — операционные усилители требуют двухполярного питания, из USB его делать — нужна еще одна микросхема и отладка.

2. USB-ЦАП также отпадают из-за доступности и в целом «железная» звуковая карта мне больше нравится.

3. Готовые портативные усилители — помимо ожидания, нужно верить, что там внутри ни на чем не сэкономили. Кстати чип внутри этого FiiO E3 — функциональный аналог того что у меня, разница в том, что MAX9724 может от 5В работать, а LM4917 — 3.3В максимум (что также ограничивает применимость для 300-омных наушников).

Решение

Очевидно, я достал свою MAX9724 — содержит внутри генератор двухполярного напряжения (делает -5В из 5В) и 2 операционных усилителя, заточенные под усиление звука. По качеству — искажения THD+N по типовой схеме включения в моих условиях порядка 0.04% (не каждый услышит искажения даже в 0.5%). Схема не требует наличия конденсаторов на выходе, т.к. сигнал усиливается сразу «относительно земли» — что резко снижает количество возможных мест потери качества.

Этот уровень искажений (0.04%) можно еще снизить — в типовой схеме 2 конденсатора генератора отрицательного напряжения с номиналом 1мкф, и по графику при повышении емкости до 2.2мкф существенное снижение искажений. Я поставил около 20мкф керамических конденсаторов во все 3 места (генератор напряжения + питание), и думаю могу рассчитывать на параметры лучше, чем в типовой схеме

Схема простая как валенок. Стоит обратить внимание только на резисторы, они задают коэффициент усиления, в данном случае 2 (20кОм/10кОм). Если у вас наушники на 150-300 ом, можно поставить 40ком вместо 20, тогда максимальный размах сигнала на выходе усилителя будет 8В, чего должно хватить с запасом. Также на схеме в даташите указаны конденсаторы на входе — их я убрал, т.к. из моей звуковой карты уже идет сигнал относительно нуля, и срезать лишние низы/вносить искажения конденсаторами мне ни к чему. Как результат — усилитель усиливает сигналы от 0Гц (но конечно звуковая карта имеет свои ограничения).

Односторонняя разводка тривиальна, стоит обратить внимание только на 2 перемычки, а также то, что разъемы USB и аудио на «обратной» стороне платы.

Собираем

Микросхема хоть и выглядит хардкорной, легко паяется с помощью магии поверхностного натяжения (все мажем жидким флюсом ЛТИ-120, и припой сам залезает только на ножки). Конденсаторы тут со сломанного компьютерного железа — в аудиотракт их конечно ставить нельзя, но для питания все ок. В каждое из трех мест — кучка больших (по 4.7-10мкФ), и 1 маленький (0.1мкФ) — чтобы их резонансные частоты не совпадали.

Схема получилась весьма компактная. Конденсатор в центре — подключен на питание 5В от USB. При подключении к порту компьютера 1000мкФ конечно перебор, стандарт разрешает только 10мкФ, но обычно все работает.

Высокотехнологичный корпус из изоленты. Изначально плату делал под термоусадочную трубку — но буквально миллиметра не хватило, не влезло. Ну, тем не менее, мне нравится.

Цена вопроса

30 рублей макс.)
Разъемы — 0 (если покупать,

20-30 рублей )
Изолента для хайтек корпуса — 1 рубль

Итого — это ровно 11.06 рубля для меня, и порядка 61.06 рублей если все покупать 🙂

Результаты

Конечно, я сразу наткнулся на известную проблему: при работе с аудио к одной земле нельзя подключаться в двух местах (земля USB и земля звукового разъема). В этом случае по земле пролазят помехи, которые отфильтровать невозможно, и никакой стабилизатор питания тут не поможет. (проблема в том, что у USB — свой уровень земли, у звука — свой, и у нашей платы свой. В зависимости от потребляемого тока земля приподнимается везде по разному и это дает неустранимую помеху).

Решить эту проблему можно или избавившись от звукового подключения (USB DAC) или от питания (аккумулятор или другой блок питания). Использование блока питания с USB выходом меня полностью устроило в связи с тем что они везде есть и стандартны.

Конечный результат — выше любых ожиданий. Никаких нареканий на качество, абсолютный 0 шума, комфортный уровень громкости — от 22 до 40%, и запас для «вытягивания» тихих записей. Звук смачнее (главное помнить, что басы тут от 0Гц) и все такое, да и вообще — аудиодевайсы сделанные своими руками всегда особенно хорошо звучат 🙂

От готовых китайских девайсов (вроде того-же FiiO E3) отличает более низкая цена (sic!), сборка с комплектующими «с запасом», отсутствие конденсаторов в аудио тракте, большая мощность при работе с высокоомными наушниками (300 Ом) за счет более высокого напряжения питания ну и качество звука в теории обещает быть выше (на практике я бы вероятно не услышал разницы).

PS. Как я выше упоминал — усилитель нужен не для того чтобы портить себе слух сверхвысокой громкостью (не говоря уже о порванных наушниках ), а для раскачки «тяжелых» наушников с низкой чувствительностью, если выход звуковой карты слишком дохлый. Ну и тихие записи / фильмы вытягивать без софта…

PS2. Отрыв плюсов от «добавлено в избранное» в 4 раза, рекорд 🙂

Источник

Мощный усилитель для наушников на основе схемы Рода Эллиотта (ESP)

Содержание / Contents

↑ Вступление

Сразу откровенно скажу, что это был мой первый аудиоусилитель, а это первая моя подобная статья, и если кто-то из более опытных и знающих датагорцев увидит слабые места данного проекта, прошу сообщить мне об оных, буду премного благодарен!
Началось все с того что под новый год решил я сам себе сделать небольшой подарок, а именно наушники одной небезызвестной немецкой фирмы. Так как всю жизнь музыку я слушал либо через недорогую китайскую мультимедийную акустику либо в корейской машине, новое приобретение показалось мне просто сказкой! Музыку в новых наушниках я слушал вечера напролет. Дальше — больше, если «уши» за 50 баксов выдают такое качество звука, что если купить что-то посерьёзней, загорелся я!?
Посидев в интернете выяснил, что «серьёзные» наушники имеют сопротивление больше 32 Ом (которое я считал стандартом для всех наушников), попутно выяснил что для подобных экземпляров лучше обзавестись специальным телефонным УМЗЧ, чтобы раскрыть их потенциал. Но покупать ещё и усилитель в мои планы никак не входило. Сделаю сам, подумал я, благо моя профессия напрямую связана с электроникой.

↑ Схема усилителя

Схема усилителя отвечает всем моим требованиям:
— простота;
— нет дефицитных элементов;
— возможность работы с головными телефонами любого сопротивления;
— автор обещал отсутствие фона и низкие нелинейные искажения.
Примененная пара биполярных комплементарных транзисторов BD139 (отечественный аналог КТ815Г) и BD140 (КТ814Г) в даташитах производителей позиционируются, как разработанные специально для аудио-усилителей. СтОят они копейки, звёзд с неба не хватают, но и не так плохи, особенно произведенные зарубежом. Сдвоенный операционный усилитель по умолчанию NE5532, но всеми любимый OPA2134/OPA2132 или скажем LM4562 (рекомендую), также подойдут.

↑ Сборка усилителя

Подробнее об элементной базе. Потенциометр малогабаритный для печатного монтажа с логарифмической характеристикой, специально для регулировки громкости от ALPS. Операционный усилитель NE5532P от Texas Instruments, транзисторы BD139-10, BD140-10 производства ST Microelectronics. Все электролиты Epcos на напряжение 50 В (просто было таких много), конденсаторы на входе микросхемы – мои любимые К73-16 (обожаю «военку»), все резисторы С2-33Н 0.25 ВТ, кроме тех что стоят в эмиттерных цепях, те 2-х ватные (с запасом, можно ставить на 1 Вт), диоды отечественные аналоги 1N4148 – 2Д510А (ммм… «военка») ну и китайская пленка в питании, не помню откуда выпаял. Украшение сборки — радиаторы со старых материнских плат ASUS (они здесь больше для красоты, транзисторы греются не сильно).
Элементы я по номиналам не подбирал за исключением резисторов, те с допуском в 1%.

↑ Первый пуск, корректировка схемы

Заработало сразу! А такое случается редко со схемами из интернета, по крайней мере у меня.
Собирал я все на работе, где есть цифровой 4-канальный осциллограф, генератор сигналов специальной формы, ну и конечно качественный 4-х канальный источник постоянного тока.

Всем этим оборудованием я не преминул воспользоваться, прогнал синус, полоса пропускания усилителя широкая. АЧХ линейна

10 Гц до 100 КГц. Форма синуса на выходе усилителя идеальна. Ради интереса посмотрел, как усилитель справится с меандром — прекрасно, начиная примерно с 200 Гц идеально ровная «полочка»! К сожалению осциллограмм я сохранить не догадался. Самовозбуждения нет, постоянки на выходе нет (0.6 мВ, 0.4 мВ по каналам).

Можно подключать наушники! Запас громкости огромен (надо уменьшить коэффициент усиления по напряжению), есть фон, обусловленный низким сопротивлением тестовых наушников (об этом предупреждал автор схемы). Резистор на 100 Ом последовательно с нагрузкой — фон исчез как понятие (разумеется и часть выходной мощности тоже). Но усилитель работает от очень качественного источника питания, посмотрим, как будет работать от своего собственного.

Немного собственно о звуке. Сразу заметил разительные изменения в низкочастотном спектре, бас не просто стал глубже, появился объем, барабаны не то что слышно — их чувствуешь! Но в общем и целом звук мне показался абсолютно нейтральным, мониторным, как говорится. Хотя мои низкоомные наушники отлично раскачиваются встроенным смартфонным усилителем, звук этот не идет в сравнение с пропущенным через внешний новый устлитель. Однако замечу, проект разрабатывался на будущее, совсем не для этих головных телефонов!

Вроде бы работало все отлично, но мучил меня один вопрос, а именно: насколько качественно работает пара транзисторов на выходе схемы. Ведь возможные искажения могут отсутствовать из-за глубокой оос операционника? Долой ОУ тестирую отдельно выходной каскад без всякой ОС. Осцилограммы ниже:

Как видите, каскад отлично работает и смещение напряжения, создаваемое диодами, вполне достаточно для компенсации нелинейности. Я успокоился и оставил выходной каскад как есть.

Но кое-какие изменения я все же внес. Измененная мною схема приведена ниже (рис.4). Усилитель стал лучше обрабатывать сигналы сложной формы (прямоугольник, пила), по моему разумению если такие сложные сигналы будут меньше искажаться схема только выиграет (возможно я заблуждаюсь).

Уменьшил коэффициент усиления до 12, этого вполне достаточно, а искажения в теории меньше. Добавил возможность переключения между режимами низкоомная/высокоомная нагрузка (переключатель S1). Добавил возможность уменьшить полосу пропускания, впаяв конденсаторы С5, С6 (для NE5532 не требуется).
Емкость электролитов в питании увеличил. Ну и наконец, если вдруг на выходе усилителя висит постоянка > 10мВ, желательно поставить электролиты С15, С17, они заодно спасут наушники, при внезапном выходе из строя самого усилителя. На звук они если и влияют, то очень не значительно – я их точно не слышу (лучше если эти конденсаторы будут Low ESR, но и обычные подойдут).

Свою же печатку я тоже подправил, вот финальная версия — рис.5. Все транзисторы поставил под один радиатор (все равно не греются сильно), освободил место под свои доработки.

Две черные дорожки находятся с обратной стороны платы (я их вырезал ножом после травления и сверления). Плата получилась двухслойной по другому нормально не разводилось, размер 90х110 мм.

↑ Блок питания

Теперь блок питания меня устраивает, фон из наушников ушел. При максимальной нагрузке (1А по обоим плечам) напряжения на выходе стабилизаторов просаживаются на 10 мВ.

Моя печатка на рис. 8

Готовый к работе блок питания установленный на шасси представлен на рис.9.

Немного о конструкции. Слепыш БП изготовлен из двухстороннего 3-х мм стеклотекстолита, т.к после травления дорожек на обратной стороне осталась медная фольга, решил её не отдирать (противное занятие), будет дополнительная экранировка. Радиатор на два стабилизатора один, опять же от старой материнской платы. В правой части платы присутствует разъем для подключения голубого светодиода (для светодиодов другого цвета нужно уменьшить номинал резистора R1 см. рис. 7). Выходные напряжения выводятся через провода, впаянные непосредственно в плату (синий жгут рис. 9). Трансформатор прикручен к плате шпилькой М6. Размер платы 90х200 мм.

↑ Корпус

Лицевая и задняя панели изготовлены из листового алюминия, согнутого на станке. Верхняя крышка выполнена из стеклотекстолита. Боковые панели из алюминия прикручиваются в конце сборки к уголкам на шасси и на верхней крышке, они образуют своеобразные ножки.
Собранный усилитель (рис. 11) получился полностью экранированным, винтовые соединения обеспечивают надежный электрический контакт между деталями корпуса. Задняя панель содержит стандартную 3-х контактную вилку от компьютерного БП, и выключатель от туда же.

Кратко опишу важные аспекты сборки.

1. Все провода скручены, а те, что идут от блока питания к усилителю экранированы (на всякий случай).
2. ВАЖНО! Корпус блока питания связан с шасси в одной точке, там, где прикручивается трансформатор (поэтому шпилька крепящая трансформатор латунная)
3. ВАЖНО! Гайки разъёмов под наушники на передней панели (на них висит сигнальный корпус) изолированы от передней панели диэлектрическими шайбами.
4. Вал потенциометра электрически связан с корпусом прибора, если этого не сделать при прикосновении к валу потенциометра будут наводки в наушниках.

Дизайн получился сдержанным. Корпус окрашен матовой черной краской из баллончика (2 шт. ушло на 3 слоя). Ручка на вал потенциометра из колпачка от духов. Все винты и торцы боковых панелей, отполированы до зеркального блеска.

↑ Заключение

Усилителем я доволен на 200%. Огромный запас мощности, полное отсутствие фона, кстати хлопка при включении тоже нет, четкое нейтральное звучание, не вносящее ни приукрашиваний, ни артефактов в звуковой тракт. Даже и не знаю, чего еще можно ждать от подобного прибора.

P.S.: Недавно поставил в свой усилок вместо NE5532, операционный усилитель LM4562, и понял что может быть и лучше. Как говорится нет предела совершенству!

↑ Дополнения от камрадов

Хорошим «противоступенчатым» средством для таких схем является включение резистора 100 — 300 Ом между выходом ОУ и выходом усилителя.

↑ Файлы

Платы усилителя и БП в Sprint Layout 6
▼ Platy.zip 48,97 Kb ⇣ 300

↑ Файлы от камрада Yanshun

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Опробовано в лаборатории редакции или читателями.

Источник