Наверх

Усилитель для наушников M2 Audio - HA-1

5 апреля 2022 г.

Усилитель для наушников – это неотъемлемая часть высококачественного звуковоспроизведения. Даже если источник аудио имеет встроенный усилитель на наушники, он, зачастую, не может обеспечить необходимого качества. При высоком уровне громкости на низкоомные наушники (16-32 Ома) его выходной каскад перегружается, а на высокоомной нагрузке (250-600 Ом) уровня выходного сигнала может быть недостаточно. То есть в первом случае необходимо усилить сигнал по току, во втором - па напряжению.

Несколько лет назад я уже разрабатывал себе усилитель для наушников на основе схемы Питера Смита (Studio Series - Stereo Headphone Amplifier, Everyday Practical Electronics, март 2008) - Prometheus. Несмотря на некоторые проблемы с фоном от трансформаторов, которые некрасиво выглядят на спектре, величина нелинейных искажений, АЧХ и, самое главное – качество звука, получились на достаточно высоком уровне. Он меня всем устраивал, работал целыми днями, выключаясь только на ночь.

Но однажды, общаясь в очередной раз с mihail2501 и размышляя на разные темы, мы разговорились о релейных регуляторах громкости, в частности о лестничной схеме А. Никитина (Радиохобби, №2 2002). Миша, узнав подробности такого решения, загорелся идеей встроить его в усилитель для наушников и предложил заняться его разработкой в габаритах корпуса, который был нами применен в PCM кодере. Меня эта идея также увлекла, но я отметил, что кроме релейного регулятора нам придется разработать собственный изолированный DC-DC преобразователь для питания усилителя от 5V, так как готовые модульные решения были довольно дороги и сложно доставаемы, а питание напрямую от USB сулит множеством помех.

Таким образом быстро сформировался набор требований для будущего усилителя:

  1. Качественная и опробованная схемотехника усилителя Питера Смита.
  2. Релейный регулятор громкости на бистабильных реле.
  3. Два независимых RCA входа.
  4. Питание от 5В с применением изолированного импульсного DC-DC преобразователя.
  5. Корпус 6063-T5 размерами 82x27x100 мм.

Система питания

Первым делом нужно было заняться системой питания, т.к. именно с ее схемотехникой для меня было больше всего туманных моментов. Кроме двухполярного напряжения +/-12V для усилительной части требовались 5V для питания микроконтроллера, который бы занимался обслуживанием органов управления и переключением реле. За выбором подходящей готовой схемы я и провел несколько дней в поисковике, но готовых схем, подходящих для наших запросов, не нашел.

Было принято решение нырнуть поглубже в тему импульсных источников питания и заняться проработкой своего решения. Учитывая мой около нулевой опыт в этой теме, наиболее удобной и простой для реализации двухполярных выходных напряжений мне показалась двухтактная схема Push-Pull. Пройдя мимо дорогой модели ШИМ-контроллера LT3439 и совсем простых трансформаторных драйверов SN6501/5 и MAX253, я остановил свой выбор на токовой микросхеме ШИМ серии UCCx808x от Texas Instruments, а в частности на моделях UCC28084/6 и UCC38084/6, которые работали от 5V. Группы контроллеров 2808х и 3808х отличаются рабочим диапазоном температур, а модели -4 и -6 в каждой группе отличаются временем встроенной схемы софт-старта. Учитывая, что схему плавного пуска я планировал применить внешнюю на большую величину времени, то все четыре модели контроллеров мне подходили.

В самой схеме преобразователя не было ничего сложного, она приведена в документации, но нужно было хорошенько продумать фильтрацию ВЧ-помех, так как DC-DC создавался для питания аналоговых схем. Купив пару микросхем, я сделал макет и опробовал разные схемы фильтрации с целью получения минимального уровня помех на выходе преобразователя. В итоговом варианте я остановился на трех стадиях фильтрации – CLC-фильтр, ферритовая бусина и синфазный фильтр. Добротность первого фильтра снижена установкой резистора параллельно катушке индуктивности. Каждый электролит в фильтре зашунтирован двумя керамическими конденсаторами разной емкости с разным типом диэлектрика с целью подавления помех в как можно более широкой полосе частот. Кроме этого, на каждый выход были установлены LDO-стабилизаторы для еще лучшего подавления импульсных помех. Рабочую частоту преобразователя я выбрал равной 800 кГц (400 кГц на ключах) и рассчитал в программе ExellentIT трансформатор на каркасе EE10.

У DC-DC преобразователя я сделал 3 выхода: +13V, -13V и +6V. Обратная связь по напряжению выполнена с ветки +6V. На двухполярном выходе установлены малошумящие LDO-стабилизаторы серии TPS7A, настроенные на +/-12V, а на выходе +6V – стабилизатор LP2981-5.0. Осциллограмма выхода +12V под нагрузкой показана ниже (7.6 mVp-p, 2.7 mVrms).

Для схемы плавного пуска я применил обычный ключ на полевом транзисторе в минусовой цепи питания трансформатора и ключей, в затворе которого установлена RC-цепочка. Сам ШИМ-контроллер питается в обход этого ключа, что позволяет ему уверенно стартовать без лишних задержек. Осциллограмма появления напряжений на выходе DC-DC показана ниже.

Полученный результат схемы питания меня полностью устраивал, поэтому мы с mihail2501 приступили к проработке дизайна усилителя и его компоновке.

Проработка конструкции

Осуществлять управление релейным регулятором громкости можно разными способами – например, кнопками, энкодером или потенциометром. Вариант с кнопками сразу отпадал, т.к. хотелось видеть именно ручку регулировки в ее классическом виде. Энкодер выглядит максимально аутентично, но «бесконечно» вращается в обе стороны. То есть при его использовании нужна какая-то индикация установленного уровня. Переменный резистор имеет пределы регулировки и сам по себе будет являться индикатором установленного уровня. Его можно включить в качестве делителя и подать напряжение с его выхода на АЦП микроконтроллера. Но так как нам нужно где-то отображать выбранный вход при его переключении, то мы, обсудив все эти варианты, остановились на варианте «энкодер + семисегментный индикатор». Также от энкодера нам бонусом доставалась встроенная в него кнопка.

Следовательно, на передней панели нам нужно было разместить кнопку и светодиод питания, разъем для наушников ¼'' TRS и дисплей с энкодером. На задней – разъем питания, две пары RCA и переключатель входа. Его мы решили вынести именно назад, чтобы не загромождать переднюю панель.

Выбрав подходящие ручки и индикаторы для передней панели, мы посидели несколько вечеров над дизайном и получили вот такой результат:

Также дополнительно мы проработали упрощенный вариант усилителя (версию LITE) с классической регулировкой громкости на сдвоенном переменном резисторе и всего одним входом:

Следующий этап (хотя на самом деле он тесно связан с проработкой дизайна) – создание 3D-модели усилителя с целью определения расположения на плате ключевых элементов – разъемов, кнопки, энкодера.

Основная плата в корпусе располагается горизонтально и на нее удобно встают кнопка, светодиод питания и TRS-разъем. Но вот подавляющее большинство дешевых и распространенных энкодеров имеют вертикальный способ монтажа. Поэтому для дисплея и энкодера мы решили сделать небольшую вертикальную плату параллельно передней панели. К панели она и крепится, а с основной платой стыкуется через штыревой разъем.

Задняя сторона конструктивно устроена просто – все ее элементы устанавливаются на основную плату. USB-разъем применен угловой формата Type-C вертикального монтажа. Переключатель входов также угловой вертикальный.

Усиление и ослабление

Схема усилителя не претерпела практически никаких изменений – мы лишь изменили коэффициент усиления, сделав его равным 4. Так как и я и Миша пользуемся ТДС-16, расчет велся исходя из их сопротивления 16 Ом и чувствительности около 90 дБ/мВт SPL.

Формула расчета:

P = V + 10·log(Wmax)

где P – необходимое звуковое давление в дБ, V – чувствительность наушников в дБ/мВт, Wmax – мощность усилителя в мВт.

Номинальным входным напряжением мы выбрали 1 Vrms. Такое значение считается уровнем 0 dBV в потребительской технике, и его без проблем выдает подавляющее большинство современных звуковых карт. Для достижения звукового давления в наушниках 105-115 дБ (что достаточно громко для большинства людей) потребуется 32-316 мВт мощности на канал. При выбранном Kу = 4 и номинальном входном напряжении на выходе усилителя будет 4 Vrms, что на нагрузке 16 Ом составит 1000 мВт. Это 120 дБ звукового давления и равно болевому порогу слуха. То есть получается хороший запас на случай использования усилителя со слабым источником сигнала.

Для более высокоомных наушников громкости также будет достаточно. Например, у 250-омных наушников Beyerdynamic DT 990 чувствительность составляет 96 дБ/мВт. При максимальной громкости звуковое давление составит 114 дБ.

Релейный регулятор громкости имеет шаг регулировки 2 дБ, 32 шага и позволяет ослабить звук на входе до комфортного для прослушивания уровня. Минимальное значение ослабления равно -62 дБ. Последний 33-й шаг отключает реле схемы защиты, что полностью глушит весь звук. Испытания показали, что такая регулировка достаточно плавная на слух. Эквивалентное сопротивление аттенюатора выбрано равным 10 кОм. Исходя из этого значения и велся расчет сопротивления ступеней.

Детектор просадок питания

Выбранный ШИМ-контроллер имеет встроенный детектор питания и при снижении напряжения ниже 4,1V отключает генерацию. Обратное ее появление возникает только при напряжении 4,3V. С учетом различных потерь и просадок на первичной стороне от источника питания до микросхемы ШИМ получается, что нормальная работа DC-DC преобразователя будет гарантироваться только от 4,5-4,6V на входе разъема питания и выше. Я решил применить простую схему, которая реагирует на изменение напряжения ниже порога 4,7V и формирует логический сигнал на микроконтроллер. Он в свою очередь будет отключать звук на наушники с целью защиты слушателя от нежелательных звуковых эффектов и сигнализировать о снижении напряжения питания.

Схема реализована на регулируемом стабилитроне TL431 и оптопаре. При снижении напряжения на выходе делителя R1-R3-R5 ниже 2,5V стабилитрон TL431 начнет пропускать ток, что приведет к срабатыванию оптопары U1, формируя сигнал для микроконтроллера. Защита от дребезга реализована внутри программы, а принцип срабатывания реализован триггерный.

Защита наушников от постоянного напряжения

Как и в любом другом усилителе без разделительного конденсатора на выходе возможно появление постоянного напряжения в случае неисправности схемы усилителя. Поэтому для защиты наушников необходимо предусмотреть схему защиты. Таких схем существует большое множество, но мне нужна была компактная и простая схема, работающая от однополярного напряжения (причем отрицательного, ввиду особенности ее расположения на плате) и имеющая опторазвязку. Такую схему пришлось разработать.

При нормальной работе усилителя ключ VT1 открыт, контакты реле K1 замкнуты, а конденсатор C1 не успевает зарядиться до напряжения, которое приводит к срабатыванию защиты (около +/-2V). Зарядные резисторы для левого и правого каналов (R1||R2+R4 и R5) выбраны разными неспроста. В случае появления в одном канале напряжения +V, а в другом -V при равных резисторах на конденсаторе установится нулевое напряжение и защита не сработает. Поэтому, чтобы максимально снизить вероятность пропуска опасной ситуации их номиналы различаются.

Появление на конденсаторе постоянного напряжения более +2V откроет транзисторы VT3 и VT2. Через VT2 и светодиод оптопары U1 потечет ток, что приведет к закрытию транзистора VT1 и отключению реле. Аналогично, появление напряжения ниже -2V на C1 приведет к открыванию транзистора VT4, появлению тока через оптопару и срабатыванию защиты.

Время срабатывания защиты зависит от величины постоянного напряжения на выходе усилителя и приведено на графике ниже. В этих значениях не учтено время срабатывания реле. Время можно снизить уменьшением резисторов R1||R2+R4 и R5, но при их слишком низких значениях возможно срабатывание защиты на низкочастотных сигналах при больших уровнях громкости.

Также на ключ VT1 заведен сигнал с микроконтроллера, который по принципу монтажного ИЛИ может выключить реле. Это происходит при включении усилителя (микроконтроллер формирует задержку) или при срабатывании схемы детектора просадки питания. Микроконтроллеру можно было бы полностью отдать управление защитой, но мое мнение таково, что в данном очень важном узле надежнее будет работать простая аналоговая схема на транзисторах.

Печатная плата

Разработанная печатная плата приведена ниже. В левой части можно видеть блок питания, который я на всякий случай отделил металлическим экраном от аналоговой схемы. В нижнем правом углу в непосредственной близости от энкодера расположена цифровая часть с микроконтроллером. Соединение с корпусом выполняется при помощи пружинного контакта в виде pogo-пина. Охлаждение транзисторов выходного каскада усилителя выполнено с помощью небольших стандартных радиаторов, а стабилизаторы имеют термоконтакт на нижней части корпуса и охлаждаются на земляной полигон платы. Остальные греющиеся компоненты не имеют дополнительных теплоотводов. Некоторую циркуляцию воздуха внутри корпуса обеспечивают фрезерованные прорези в свободных местах платы.

Конструктивные особенности

По уже отработанной технологии переднюю и заднюю панель мы заказали из текстолита с черной матовой маской. Затемненное оргстекло для дисплея имеет толщину 0,9 мм. Я вырезал его на фрезере, оклеил дополнительной тонирующей пленкой и вклеил в паз.

Спереди между панелью и корпусом сделана дополнительная пластиковая проставка для крепления энкодера и TRS-разъема.

Результат

Собранный экземпляр усилителя выглядит следующим образом:

Описание было бы неполным без результатов измерений. Краткая сводка измерений и характеристик приведена в таблице:

Входное сопротивление 10 кОм || 47 пФ
Номинальный входной уровень 1 В RMS
Сопротивление нагрузки 16 – 600 Ом
Максимальная выходная мощность 1000 мВт на 16 Ом
THD ~0,0035% (16 Ом, 1000 мВт)
~0,0011% (32 Ом, 500 мВт)
~0,0006% (100 Ом, 160 мВт)
Частотный диапазон 10 Гц – 70 кГц по уровню -0,5 дБ

На наш взгляд результаты получились великолепными и превзошли все ожидания.


Статья с оригинальной схемой усилителя:

Studio Series - Stereo Headphone Amplifier, Everyday Practical Electronics, март 2008

Инструкция по эксплуатации