Если рассматривать выпускаемые бюджетные источники звука (проигрыватели CD и д.р.), то они в основном предназначены для в составе домашнего кинотеатра т.е. с внешним ресивером и оконечным усилителем. В таких моделях все чаще может отсутствовать выход для подключения головных телефонов (наушников), это конечно удешевляет изделие, но лишает возможности индивидуального прослушивания музыкальных фонограмм, не мешая окружающим.
Но даже при наличии выхода для подключения наушников, зачастую встроенный усилитель обладает крайне «скудными» характеристиками, ничего общего не имеющими с параметрами источника звукового сигнала.
Для любителей прослушивания музыки в наушниках, остается либо специально купить готовое устройство и подключаться к нему, либо же использовать специально разработанный для этой цели усилитель для головных телефонов, подключаемый к выходу проигрывателя.
Выбор характеристик усилителя для наушников
Для правильного выбора тока покоя выходного каскада сначала нужно определиться с параметрами наушников. Большинство головных телефонов имеют полное сопротивление в диапазоне 16…70 Ом, менее распространены модели с 8 и 600 Ом.
Однако полное сопротивление никоим образом не указывает на качество телефонов, а только лишь требуется для правильного подбора усилителя.
Чувствительность наушников определяется как уровень звукового давления (Sound Pressure Level – SPL) создаваемого при подводимой электрической мощности 1 мВт и является по сути, показателем коэффициента полезного действия (КПД). Обычно SPL около 100 дБ.
Таким образом, зная полное сопротивление и SPL можно рассчитать мощность усилителя, необходимую для получения заданного SPL.
Для примера рассчитаем энергетические требования к усилителю для наушников сопротивлением 32 Ом. Чтобы на нагрузке 32 Ом выделилась мощность 1 мВт необходим ток:
Пока все очень даже хорошо. Любой усилитель способен обеспечить в нагрузке такие ток и напряжение. Теперь определим максимальное значение SPL. Это можно сделать, зная максимальную мощность, которую способны выдержать наушники. В параметрах на мои было написано 500 мВт. Если определить различие в уровнях SPL между 1 мВт и 500 мВт, то получим 27 дБ. Значит SPL, создаваемый наушниками при максимальной мощности – 127 дБ.
Значение SPL=127 дБ явно не безопасно для слуха, но является критерием качества для передачи пиков звукового сигнала. Такие пики присутствуют на записях симфонического оркестра или звуках техногенного происхождения (например, пролет бомбардировщика – альбом «The Final Cut» группы «Pink Floyd»)
Однако вернемся к главному. Определим какой ток и напряжение требуются для достижения максимальной мощности в нагрузке:
Таким образом, можно сделать вывод, что наушники с полным сопротивлением 32 Ом более требовательны к выходному току усилителя нежели к напряжению.
Выходной каскад усилителя можно построить как с режимом класса «А», так и с режимом класса «В», и, на первый взгляд, выигрывает второй вариант из-за своей кажущейся экономичности.
Но режиму «В» присущ главный недостаток – переключательные искажения, возникающие из-за нелинейности начального участка ВАХ усилительных приборов.
Борьба с этим недостатком приводит к усложнению схемы, увеличению числа каскадов усиления, переводу выходного каскада в режим «АВ», что в конечном итоге, снижает КПД усилителя.
Получается, что первоначальное достоинство режима «В» приводит к усложнению и удорожанию схемы и не дает выигрыша в КПД при столь малом токе нагрузки.
Потому лучше основываться на режиме «А», как на потенциально более линейном и более простом в схемотехнической реализации. Ток покоя выходного каскада для режима «А» логично выбрать равным большему максимальному току нагрузки, т.е. 200 мА.
Схема электрическая
Технические характеристики:
Номинальная выходная мощность (на нагрузке 32 Ом), мВт – 500;
Чувствительность, мВ – 700;
Полоса рабочих частот (по уровню -3 дБ) Гц – 2…500000;
Уровень шумов, дБ не более – -100;
THD (в звуковом диапазоне), % не более – 0,0025;
Ток покоя, мА – 200.
Работа схемы
Усилитель построен на MOSFET-транзисторах с индуцированным каналом и охвачен петлей общей отрицательной обратной связи (ООС). Такой выбор элементной базы позволяет заметно снизить уровень нечетных гармоник низкого порядка и общий уровень гармоник высокого порядка за счет большей линейности проходных характеристик таких транзисторов и отсутствия входных токов.
Входной каскад на транзисторах VT1 и VT3 позволяет получить высокое входное сопротивление усилителя. Ток покоя дифференциального каскада выбран около 6 мА. Он задается источником стабильного тока на VT2 и R5.
Такое схемное построение позволяет добиться высокой стабильности и отличных шумовых характеристик схемы.
Особое внимание следует уделить источнику опорного напряжения (ИОН) на VD1, R11 и С9. Он является общим для дифференциального и выходного каскадов. От его качества, в конечном итоге, зависят шумовые свойства усилителя в целом.
Экспериментально установлено, что минимизировать шумы ИОН можно пропуская через стабилитрон (мощностью 0,5 Вт) ток не менее 6 мА.
Величину емкости С9 нужно выбирать, подходя с позиции ее наилучшего шунтирующего действия на звуковых и ультразвуковых частотах (до 500 кГц). При этом следует помнить, что конденсаторы с большей емкостью имеют и большее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), что приводит к снижению рабочей частоты конденсаторов.
Оптимальное значение емкости С9 (для качественных конденсаторов) лежит в пределах 4,7…33 мкФ. Если же по качеству конденсаторов имеются сомнения, то можно рекомендовать шунтировать их пленочными конденсаторами емкостью 0,033…0,22 мкФ.
Выходной каскад построен на комплементарных «мосфетах» VT4 и VT5. Ток покоя выбран около 200 мА. На транзисторе VT5 выполнен источник тока, стабильность его такова, что при изменении напряжения питания от ±9 до ±20 В ток изменяется всего на несколько миллиампер.
Величина тока покоя задается резистором R15. Присутствует в выходном каскаде и местная ООС через резистор R14. Стабилитрон VD2 защищает транзистор VT4 от пробоя. Поддержание нуля на выходе при изменении температуры обеспечивается установкой VT4 и VT5 на одном теплоотводе.
В цепи затворов всех транзисторов присутствуют резисторы, которые отсутствуют в устройствах на полевых транзисторах без общей ООС и необходимы в устройствах с ООС. Их часто называют «антизвонными». Без этих резисторов как правило, возникают проблемы с устойчивостью. Сопротивление этих резисторов зависит от входной емкости транзисторов. Для маломощных и транзисторов средней мощности обычно достаточно резисторов по 47...150 Ом для более мощных – 150…510 Ом.
Конструкция детали и наладка
Усилитель смонтирован на печатной плате чертеж которой приведен ниже.
Подстроечный резистор R4 – обязательно многооборотный, типа 3296W. Транзисторы VT1…VT3 можно применить КП505А (уточнить цоколевку).
Установив предварительно движок R4 примерно в среднее положение, подключают мультиметр в режиме вольтметра постоянного тока к выходу усилителя и регулируя R4 добиваются «нуля» на выходе.
После этого усилитель оставляют включенным на 20…30 минут, и снова замеряют напряжение на выходе. Оно не должно быть более ±15 мВ (при необходимости корректируют его подстройкой R4). Далее подключают эквивалент нагрузки (резистор 32 Ом) и убеждаются что напряжение на выходе не изменилось.