Повторитель для наушников стационарный "SAQ-SHF"

Краткое описание и предназначение устройства

Повторитель для наушников стационарный SAQ-SHF - это малогабаритное стационарное устройство, питающееся от бытовой сети 220В/50Гц, предназначенное для подключения к нему наушников, и подключаемое к линейным выходам бытовых аудиоустройств.

Как появилась схема повторителя SAQ-SHF

Когда я понял, что наушникам необходим усилитель, я первым делом пытался найти в интернете подходящую схему усилителя для наушников. Но то-ли искал плохо, то-ли не там, но не нашёл удовлетворяющую меня. В одной схеме использовались мощные биполярные транзисторы с током покоя порядка 1А и соответствующим питанием, при этом искажения декларировались автором на уровне -60дБ. В другой использовались редкие полевые транзисторы в корпусе для поверхностного монтажа, но зато имелся ОУ, существенно снижающий искажения, и токи покоя были существенно более умеренные. Третья схема была для портативного усилителя на батарейке, она потребляет небольшой ток, работает при разных напряжениях питания, но использует однополярное питание и имеет проходные конденсаторы. Встречались и схемы с лампами, но меня они совсем не интересовали.

По ходу поиска у меня сформировались критерии к cхеме, которая бы меня удовлетворила:

1. Усилитель стационарный, следовательно нет проблемы использовать биполярное питание, получаемое посредством трансформатора с двумя вторичными обмотками. Это позволит обойтись без выходных разделительных конденсаторов.
2. Схема должна быть построена на широко распространённых элементах. Хорошая схема не должна быть привередливой к параметрам компонентов и должна быть легко воспроизводима. Да и требования к аудиоусилителю не такие уж жёсткие, это вам не измерительные приборы.
3. Усилитель должен потреблять разумное количество энергии. Иначе потребуется мощное питание, увеличатся габариты, возрастёт стоимость. Иначе говоря, пропадёт смысл делать отдельный усилитель для наушников, когда станет легче скомбинировать с усилителем для колонок.
4. Если схема на дискретных компонентах, то она должна использовать операционный усилитель, так как он может привнести массу плюсов (снижение искажений, подавление помехи по питанию, взаимопроникновения каналов, компенсация смещения выходного напряжения, увеличение входного сопротивления).
5. Желательно обойтись без элементов для поверхностного монтажа, для того чтобы собирать на макетной плате.

В общем, как я уже говорил, никакой подходящей для себя схемы я не нашёл. Тогда я перешёл к поиску маломощных интегральных усилительных микросхем (менее мощных, чем для колонок). Кое-какие микросхемы в принципе существуют, но, опять же, они редкие, и достать их было невозможно.

Ничего не оставалось кроме как изобретать свой «велосипед». К счастью, я наткнулся на интересную схему в даташите на операционный усилитель LM833 в разделе «Typical Applications», обозначенную как «Line Driver» [1, стр. 11]:

Line Driver из даташита на LM833 (National Semiconductor, January 2003, с. 11)

Это стало отправной точкой к финальной схеме. Я сразу вспомнил, что похожие транзисторные каскады рассматривались в известной монографии «Искусство схемотехники» [2, стр. 103].

Рисунок схемы двухтактного выходного каскада из монографии "Искусство схемотехники"

Там же хорошо описано функционирование этого каскада.
В итоге финальная схема получилась из драйвера линии добавлением конденсатора между базами выходных транзисторов и изменением схемы включения ОУ на неинвертирующую с единичным коэффициентом усиления, а также подбором номиналов и компонентов. По всем параметрам в данную схему подходят популярные транзисторы BC547 и BC557 (и их аналоги КТ3102 и КТ3107). ОУ тоже выбран популярный недорогой и достаточно качественный NE5532.

Принципиальная схема повторителя SAQ-SHF (один канал)

Симуляция в протеусе показывала, что чем выше ток покоя выходного каскада, тем ниже уровень искажений самого каскада (без ОУ). Поэтому сначала я рассчитывал на ток 50 мА, и купил трансформатор соответствующей мощности — BV EI 304 2045 (2.6VA 2x6V 217mA) и большие электролиты, так как собирался использовать CRC в качестве фильтра питания выходных транзисторов. Но эксперимент показал, что ток можно уменьшить как минимум вдвое без роста уровня искажений. Поэтому на фотографиях видны большие конденсаторы и лишние клеммники для питания выходных транзисторов.

Основные технические характеристики

Принципиальная схема

Принципиальная схема повторителя SAQ-SHF

Принципиальная схема источника питания для повторителя SAQ-SHF

Описание работы принципиальной схемы

Выходной каскад на транзисторах Q1 и Q2 — это двухтактный эмиттерный повторитель. Смещение двухтактного повторителя обеспечивается «регулируемым диодом», образованным элементами Q3, R5 и R6. Для увеличения стабильности тока покоя транзисторов Q1 и Q2 используются эмиттерные резисторы R3 и R4. Резисторы R1 и R2 обеспечивают базовый ток выходных транзисторов. Конденсатор C1 обеспечивает одинаковый переменный сигнал на базах транзисторов. На вход транзисторного каскада подключён операционный усилитель U1:A и вместе они охвачены цепью отрицательной обратной связи. Транзисторный каскад — неинвертирующий, поэтому чтобы усилитель был неинвертирующим, операционный усилитель использован также в неинвертирующем включении. Благодаря наличию связи по постоянному току между операционным усилителем и транзисторным каскадом исключается смещение выходного напряжения.
Для источника питания выбрана классическая схема на линейных стабилизаторах.

Настройка устройства

Выходной каскад относится к классу AB, т. е. имеет достаточно большой ток покоя. При данных номиналах, ток покоя составляет около 25мА, при этом тепловыделение транзисторов находится в разумных пределах. Выходной ток задаётся отношением сопротивлений R5 к R6 (R13 к R14) и контролируется по напряжению на R3 и R4 (R11 и R12). В данной схеме это единственное, что требует настройки.

Используемые радиоэлементы в схеме

Печатная плата

Здесь представлены изображения для сборки устройства на макетной печатной плате. Размер схемы повторителя всего 1.6x1.6 дюйма, а схемы источника питания - 2x2.5 дюйма.

Печатная плата повторителя SAQ-SHF

Печатная плата источника питания для повторителя SAQ-SHF

Итоговая стоимость устройства

Точно подсчитать итоговую стоимость уже сложно, собирал больше полугода назад и тогда такой задачи не ставил. По нынешним ценам, а они изменились мало, примерно получается следующее:

Кроме того, трансформатор и корпус брал под заказ, поэтому они обошлись дороже, итого около 800 руб.

Фото собранного устройства

Результаты измерений RMAA

Результаты RMAA для повторителя с ОУ

Результаты RMAA для повторителя без ОУ

Во второй и третьей колонке повторитель нагружен на резисторы сопротивлением 33 Ома, в последней колонке — на наушники Philips SHP2700. В третьей и четвёртой колонках уровень сигнала снижен на -30 дБ, до приемлемого для наушников.
Из сравнения первой и второй колонки видим, что повторитель нагруженный на резисторы почти не привносит искажений (конечно речь о случае с ОУ), а из сравнения третьей и четвёртой — что с наушниками он ведёт себя так же как и с резисторами (по крайней мере, разница ниже погрешности измерений).

Более детально рассмотреть результаты измерений можно скачав архив SAQ-SHF_RMAA.zip, где находятся сохранённые результаты измерений и отчёты RMAA.

*Вследствие того, что я изначально рассчитывал на вдвое больший ток выходного каскада, то у меня в схеме остались резисторы отличных от приведённых в схеме номиналов (R1, R2, R5, R6 и R9, R10, R13, R14 - вдвое меньшего номинала). Кроме того, в наличии не было стабилизаторов 78L05 и 79L05, поэтому пришлось поставить 78L06 и 79L06. Но это всё не должно существенно повлиять на результаты измерений.

Используемая литература

[1] LM833 Dual Audio Operational Amplifier, National Semiconductor, January 2003
[2] Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1. пер. с англ.-4-е изд. перераб. и доп.-М.: Мир, 1993.-413 с, ил.

Ниже вы можете скачать файлы к проекту (Proteus)

Антон Ефимов, ака efa (г. Кемерово, 2012 г.)

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Proteus
• УНЧ для наушников