Предисловие

Мысль спроектировать портативный усилитель для наушников автора посещала давно, однако отсутствие необходимости в таком устройстве долгое время оставляло проект нереализованным. Но с приобретением изодинамических наушников в следствии их низкой чувствительности и повышенного сопротивления необходимость в усилителе появилась, что положило начало представленной разработке. По мнению автора данный усилитель может быть полезен обладателям высокоомных и/или низкочувствительных наушников. В связи с отсутствием на момент разработки возможности закупки комплектующих, усилитель был спроектирован на самых доступных дискретных компонентах и отечественных выходных транзисторах, что позволяет повторить усилитель полностью из «распая» и практически бесплатно.

Идея

Главными требованиями к усилителю были высокие итоговые параметры, простота повторения, доступность и дешевизна комплектующих, а также надежность и стабильность. Отдельное внимание было уделено экономичности, потенциальная возможность питания от АКБ диктует необходимость малого потребления тока в покое, а желание избавиться от радиатора ужесточает требования к термостабильности.

Данные мысли заложили основополагающие идеи при проектировании усилителя, а именно:

• Высокие качественные характеристики;
• Экономичность;
• Термостабильность выходного каскада;
• Отсутствие дефицитных или дорогостоящих компонентов;
• Компактная и простая для повторения печатная плата.

Схема

Схема. предложенная автором. построена по известной и хорошо зарекомендовавшей себя топологии усилителей с ТОС. Главным достоинством этого решения является высокая скорость нарастания, что в свою очередь является одним из ключевых факторов влияющих на величину динамических искажений вносимых усилителем.
Ведь как известно, причиной возникновения динамических искажений в УМЗЧ является ограничение скорости нарастания выходного напряжения усилителя охваченного глубокой ООС. Токовая ОС, благодаря которой была получена высокая скорость нарастания, совместно с двухполюсной коррекцией позволяет минимизировать искажения вносимые усилителем в воспроизводимый сигнал.

Входной каскад представляет собой буфер на транзисторах VT4, VT5, VT7, VT8, и является типовым решением для усилителей с ТОС. Где высокоимпедансным входом являются базы транзисторов VT4, VT5, а низкоимпедансным («токовым») точка соединения эмиттерных резисторов R12, R13 (транзисторов VT7, VT8). Входные повторители нагружены на источники тока на VT3 и VT6, которые задают режим по постоянному току как входному каскаду (ток покоя VT7, VT8 задан падением напряжения на б-э переходах транзисторов VT4, VT5 и примерно равен их току покоя), так и каскаду усиления напряжения.

Каскад усиления напряжения представляет собой токовые зеркала Вильсона с коэф.отражения 1 к 10 на транзисторах VT9…VT14, входным током для которых служит ток коллекторов транзисторов VT7, VT8 входного каскада.

Коррекция усилителя выполнена на элементах С3, С4, C6, R9, R10.  

Выходной каскад представляет собой хорошо зарекомендовавший себя, особенно в работе с относительно высокоомной нагрузкой, параллельный усилитель. Его исключительная термостабильность позволяет использовать усилитель вовсе без радиатора, либо с небольшой пластинкой. Естественно для термостабилизации необходим хороший термоконтакт VT15 с VT19 и VT16 с VT20. 
Ток покоя выходного каскада задан источниками тока на транзисторах VT17, VT18, на которые нагружены повторители VT16, VT15 соответственно. Несмотря на то, что по постоянному току каскады на транзисторах VT15 и VT16 являются однотактными, для переменного тока они представляют собой двухтактный повторитель (благодаря C7, VD1). Падение на б-э переходах этих транзисторов является источником смещения для выходных транзисторов VT19, VT20, потому ток покоя  выходного каскада примерно равен току через VT15, VT16.

Технические характеристики

За неимением качественного измерительного оборудования, некоторые характеристики будут указаны на основании компьютерного моделирования схемы, они будут отмечены звёздочкой *.

• Напряжение питания: +-6В…15В;
• Полоса пропускания -3db: 3Гц — 850кГц*;
• Выходная мощность: 1Вт;
• Скорость нарастания выходного сигнала: 200В/мкС;
• Глубина обратной связи: 68дБ/1кГц, 58дБ/20кГц*;
• Диапазон допустимой нагрузки усилителя: 16 — 600 Ом.

Коэффициент нелинейных искажений (1 Вт 32 Ом):

• На частоте 1кГц: 0.001%*;
• На частоте 20кГц: 0.002%*.

Частотные характеристики

ЛАЧХ и ЛФЧХ в петле обратной связи: 

Тут можно увидеть указанные выше глубину ООС на частоте 20кГц (58дБ), частоту единичного усиления Fед=4МГц, а также запас устойчивости 58°, что свидетельствует о высокой линейности системы во всём звуковом диапазоне, и полной устойчивости.  

Осциллограммы

Была снята реакция на меандр 20кГц, синусоида на номинальной мощности и ограничение синусоиды в клипе.

Меандр, частота 20кГц:

Синусоида, номинальная мощность, частота 1кГц:

Синусоида, ограничение, частота 1кГц:

Синусоида, ограничение, частота 20кГц:

Компоненты

Перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу. Очень удобно для этого использовать тестер типа MG328a;

Резисторы

Резистор R19 применен металлопленочный для сквозного монтажа мощностью 0.25Вт.

Все остальные резисторы применены SMD типоразмера 1206.

Конденсаторы

Конденсаторы С1,С5,С8,С10 электролитические. Рабочее напряжение конденсаторов С1,С5 6,3В или выше. Рабочее напряжение конденсаторов С8,С10 должно быть несколько выше напряжения питания(одного плеча). Установка конденсаторов на более низкое напряжение недопустима.

Остальные конденсаторы в схеме неполярные, керамические SMD типоразмера 1206, рабочее напряжение конденсаторов С6, C9 не менее напряжения питания(одного плеча), остальные конденсаторы допускается устанавливать на напряжение 6,3В или выше.

*на плате установлены дополнительные шунтирующие SMD конденсаторы 100нФ для электролитических конденсаторов С1,С5, которые на схеме не отображены, их рабочее напряжение также 6,3В или выше.

Диоды и светодиоды

Диод VD1 типа BAS85 или аналогичный (допустима замена на LL4148).

Светодиоды LED1, LED2 красные для SMD монтажа, с напряжением падения 1,8-2В.

Транзисторы

В маломощных цепях усилителя применены транзисторы BC847/BC857, они могут быть заменены на аналоги, например на распространенную пару MMBT5551/MMBT5401. Перед установкой их в плату обязательно необходимо убедиться в их работоспособности;
На фото показана распиновка выводов данных транзисторов.

В выходном каскаде применено транзисторы КТ814/КТ815, также они имеют аналоги среди импортных транзисторов, пару BD139/BD140.
Однако автором были применены отечественные транзисторы, так нет риска наткнуться на подделку.

Печатная плата

Плата усилителя выполнена односторонней, для удобства домашнего изготовления. В архиве содержится готовый гербер, который можно без каких-либо изменений отправлять на завод для изготовления печатной платы.

Габариты платы составили 61мм*34мм. Для питания и подключения наушников (ч/з защиту АС) использованы ножевые клеммы 6,3мм, для подключения источника сигнала используется пайка.

Вид платы в редакторе:

*компоненты Rx, Cx не требуют установки и заложены на печатной плате для возможности изменения коррекции.

Транзисторы выходного каскада, которые требуют теплового контакта для обеспечения термостабилизации, расположены друг напротив друга и должны быть стянуты винтами через изолирующие прокладки. При необходимости улучшенного теплоотвода можно поместить между транзисторами алюминиевую или медную пластинку. Допустимо все транзисторы устанавливать на общий теплоотвод. 

Рекомендации по сборке

В этом разделе статьи хочется дать общие рекомендации по сборке УМЗЧ, при выполнении которых усилитель запускается и работает сразу.

• Используйте только проверенные радиокомпоненты, каждую деталь перед пайкой в плату следует проверить на работоспособность и соответствие номиналу, в независимости от того применяются новые детали или б/у. Отдельное внимание хочется обратить на конденсаторы коррекции, так как на своем корпусе они не имеют маркировки;
• Устанавливайте компоненты номиналом согласно схемы, самопроизвольная замена номиналов элементов недопустима;
• Рабочие напряжения конденсаторов могут быть выше указанных на схеме;
• Допускается применение только тех типов транзисторов, что указаны на схеме или возможные замены указанные в перечне элементов;
• Перед установкой транзисторов необходимо убедиться в их работоспособности и соответствии их параметров документации;
• Транзисторы выходного каскада должны попарно иметь термосвязь друг с другом через изолирующие прокладки, а именно транзисторы VT15 с VT20, и транзисторы VT16 с VT19, так же допустима установка всех выходных транзисторов на один теплоотвод, после закрепления их на радиатор следует убедиться в отсутствии контакта между радиатором и коллектором каждого из этих транзисторов.

Фото собранного устройства

Подключение усилителя

Блок питания для усилителя необходим двухполярный, достаточно 2-3Вт мощности. Подключение «+» выхода БП производится на клемму «+Vcc», подключение «-» выхода БП производится на клемму «-Vcc», общий провод подключается на клемму «GND». Входной сигнал подключается на входы «s_GND» и «IN» соответственно. Выход усилителя подключен к клемме «OUT». Для использования с наушниками предполагающими 3х проводное подключение, общий провод наушников будет оптимально подключить на выход GND блока питания. Для использования с наушниками, поддерживающими диф.подключение, общий провод каждого из наушников необходимо подключать к свободным клеммам «GND» на каждом канале усилителя. 

Первый запуск и настройка усилителя

После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату, проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно (направления диодов, полярность конденсаторов, тип транзисторов (пнп/нпн)) и их ориентация в пространстве, особенно обратить внимание на правильность установки транзисторов КТ814/КТ815, они подписаны в lay файле, также можно ориентироваться на подключение коллекторов, коллекторы КТ814 подключены к отрицательной шине питания, а КТ815 соответственно к положительной. 

Если все в порядке, можно подключать блок питания, первый запуск следует проводить контролируя потребляемый усилителем ток, либо использовать для тестирования две кроны включенных последовательно для получения питания +-9В, либо же включив маломощную лампу накаливания последовательно первичной обмотке трансформатора при стационарном исполнении. При включении лампа должна кратковременно загореться и потухнуть.

Далее следует замерить постоянное напряжение на выходе усилителя, оно должно быть не более +-50мВ. В собранном мной усилителе постоянная составляющая на выходе составила 20мВ. В случае наличия на выходе высокого постоянного напряжения (несколько вольт и более) следует проверить отсутствие ошибок монтажа, в особенности наличие резистора R3 на печатной плате. 

Далее можно подключить наушники и подать сигнал на вход усилителя, если все предыдущие пункты не вызвали проблем усилитель будет работать, теперь можно убрать лампу из первичной обмотки трансформатора и наслаждаться прослушиванием. Усилитель настоятельно рекомендую использовать совместно с релейной защитой АС, для защиты наушников в случае выхода усилителя из строя.

P.S. Внизу прикреплен гербер файл для изготовления плат на производстве, а так же .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).