Открытие и умощнение выхода звуковой карты

Так как конструкция рассчитана на достаточно подготовленного радиолюбителя, то особо в теорию работы узлов и каскадов вдаваться не буду, а дам ссылки на литературу, где это разъясняется с формулами и графиками. Так же не буду описывать применяемые детали. И большая просьба не считать нижеприведённый текст как описание "непримиримой борьбы с конденсаторами в звуковом тракте". Просто хотелось понизить рабочий диапазон звуковой карты для использования компьютера в качестве генератора импульсов разных форм на частотах ниже 5-10 Гц. Ну, и в качестве источника звука, конечно, тоже хотелось попробовать, так как часто слушаю музыку с компьютера и, считаю, что понижение выходного сопротивление источника сигнала в любом случае будет хорошо.

При подключении описываемой конструкции к кодеку AD1986 интегрированной звуковой карты, получились следующие выходные параметры:

*Рабочий диапазон (-1 dB) – 0,1…21 000 Гц;
Выходное сопротивление – около 0,5 Ом;
КНИ на частоте 1000 Гц при U вых=1 В(rms) на нагрузке 100 Ом – 0,005%;
КНИ на частоте 1000 Гц при U вых=1 В(rms) на нагрузке 16 Ом – 0,2%;
КНИ на частоте 1000 Гц при U вых=1 В(rms) на нагрузке 8 Ом – 0,35%;
Выходная мощность на нагрузке 16 Ом при КНИ=0,27% – 0,1 Вт;
Выходная мощность на нагрузке 8 Ом при КНИ=0,63% – 0,18 Вт;
**Токи потребления по шинам питания +/-12 В – около 0,45А;

*При выходном сигнале синусоидальной формы.
**При настройке усилителя на работу с нагрузкой 16 Ом. При перестройке на нагрузку 8 Ом они могут превышать 0,65 А.

Для «открытия выходов» звуковой карты (исключения конденсаторов из звукового тракта) применяется тот же принципе что и для «открытия входов» [1] – дополнительный операционный усилитель, на котором происходит операция «вычитание» постоянной составляющей присутствующей в выходном сигнале кодека звуковой карты. Упрощённая схема показана на рисунке 1. При подаче на нижний вывод R1 положительного постоянного напряжения, оно вычитается из положительного постоянного уровня входного сигнала [2]. На выходе ОУ получаем «ноль». Коэффициент усиления по переменному напряжению рассчитывается как 1+(R2/R1) и при одинаковых сопротивлениях резисторов равен 2 (+6dB).

Рис.1

Но, просто избавится от постоянки в сигнале показалось мало, поэтому решил попутно умощнить выходную цепь, чтоб она могла работать на максимально низкое сопротивление. Хотелось, чтобы даже на 8-16 Ом. Дело в том, что одного вольта (rms) обычно хватает для фонового прослушивания музыки на акустике с чувствительностью более 90 dB в комнате объёмом около 30-35 кубических метров. А с акустикой, чувствительностью около 93 dB (например, на 4А-28) хватает и полувольта. Ну, а если звуковые карты выдают этот 1 В(rms), то остаётся его только усилить по току…

Кроме того, мощный выходной каскад обычно имеет низкое выходное сопротивление, что позволяет ему работать на разные комплексные нагрузки с меньшими фазовыми искажениями. Теоретически это должно нивелировать «влияние на звук» длинных межблочных кабелей. Конечно, при условии, что на том конце кабеля нагрузка тоже достаточно низкоомная.

Сначала для проверки работоспособности была собрана схема по рисунку 2. Схемотехника выходного транзисторного каскада подсмотрена в книге «Электроника от теории к практике» [3] и в статье Алексея Никитина [4]. Это простой усилитель постоянного тока с двуполярным питанием. При токе покоя выходного каскада 100 мА легко отдаёт в нагрузку 100 Ом как 1,5 В переменного, так и 2 В постоянного напряжения. Верхняя граница рабочей частоты по уровню -3 dB находится около 1,5 МГц (зависит от применяемых операционных усилителей и транзисторов). Спектр гармоник – ламповый. Но есть одно небольшое «но» - на нагрузке может присутствовать некоторое постоянное напряжения (50-100 мВ в зависимости от токовых режимов), обусловленное изменением параметров полупроводников при их нагревании.

Рис.2

Можно было, конечно, всё так и оставить, или ввести какие-то цепи температурной коррекции, но, учитывая, что особой потребности в получении на выходе долговременных и стабильных постоянных уровней от проектируемого устройства нет, решено было ввести цепь контроля постоянного уровня. В конечном варианте схемы, показанном на рисунке 3, эту функцию выполняет интегратор на операционном усилителе OP2.2 (ОР4.2), контролирующий «ноль» на выходе «Out» и, в случае его отклонения в какую либо сторону на достаточно долгое время, возвращающий его назад изменением напряжения смещения на базе транзистора VT1. Происходит это медленно, в малых пределах, и если влияет на звук, то, скорее всего, не критично.

Рис.3

Коэффициент усиления по напряжению каждого канала получается около 1,3 раза, так как, после усиления сигнала в 2 раза на OP1.1 (ОР3.1), происходят его дополнительные потери в делителе, образованном резистором R9 (R10), и параллельно включенными R13 (R14) и входным сопротивлением составного эмиттерного повторителя VT1VT3 (VT2VT4). Если же нужно получить коэффициент усиления близкий к 1 (на определённой нагрузке, например, 600 Ом), то можно или подобрать сопротивления R5 (R6) в цепях обратной связи входных операционных усилителей или просто увеличить R9 (R10) (примерно до 1,92 кОм). Ну, а если считать дополнительное усиление «бонусом» и ничего не менять, то в итоге получается, что при подаче на вход усилителя 1 В(rms), он отдаёт в нагрузки 16 и 8 Ом мощности 100 и 180 мВт соответственно. Об этом ещё будет ниже по тексту, а пока подробнее по схеме.

Так как каналы почти полностью одинаковы, то описывать буду один, верхний по рисунку 3.

Сигнал с кодека звуковой карты через резистор R1 поступает на прямой вход операционного усилителя ОР1.1. На его инверсный вход через элементы R7, OP2.1 и R3 подаётся положительное напряжение для компенсации постоянной составляющей входного сигнала. Уровень этого напряжения выставляется резистором R8, подключенному к стабилизатору напряжения VR1, до получения на выходе «Out» потенциала, близкого к нулю (для второго канала напряжение компенсации берётся также с движка резистора R8 (точка «А»)). Выходной каскад усилителя представляет собой составной эмиттерный повторитель на транзисторах VT1VT3, работающий на нагрузку в виде источника тока на таком же составном транзисторе VT5VT7. Опорным напряжением для источника тока является напряжение падения на элементах HL1VD1. Конденсаторы С16С18 сглаживают пульсаций напряжения на HL1VD1, возникающие во время работы усилителя с переменными напряжениями. Величина тока покоя, протекающего через выходной каскад, подбирается сопротивлением резистора R17. Он, примерно, в два раза должен превышать ток (rms), отдаваемый в нагрузку. «Примерно», потому что при меньшем токе возникают бОльшие искажения в выходном сигнале, а при большем токе – избыточное тепловыделение на транзисторах VT3VT5 и в стабилизаторах питания схемы. В небольших пределах ток покоя можно менять изменением сопротивления резистора R19, через которое проходит сумма двух токов – ток базы VT7 и ток через элементы HL1VD1. Последний не должен превышать максимально допустимый для светодиода HL1.

Теперь несколько слов по техническими параметрам усилителя и связанных с ними характеристиками. Все приведённые графики сняты с помощью программы SpectraPLUS, исследуемые сигналы подавались в компьютер через делитель на 2 (9,1к/9,1к). В качестве источника синусоидального сигнала использовался генератор низкой частоты Г3-118. Переменное напряжение измерялось мультиметром ВР-11А.
При R17 равном 6,4 Ом ток покоя выходного каскада чуть менее 200 мА. Радиатор транзисторов греется до 50-60 градусов Цельсия.

Выходное сопротивление усилителя близко к 0,51 Ом. Измерение Rвых проводилось на частоте 1000 Гц по формуле

Rвых=(Uх.х-Uн)Rн/Uн,

где Uх.х – выходное напряжение усилителя без нагрузки; Uн – выходное напряжение на нагрузке, Rн – сопротивление нагрузки.
При таком токе покоя спектр гармоник при выходном сигнале около 1,32 В на нагрузку 600 Ом показан на рисунке 4.

Рис.4

На нагрузку 16 Ом (рис.5) усилитель выдаёт 1,28 В (100 мВт) при коэффициенте искажений менее 0,27%:

Рис.5

А на нагрузку 8 Ом (рис.6) выдаёт 1,21 В (180 мВт) при коэффициенте искажений более 3,6%:

Рис.6

Понятно, что такой режим не подходит для работы с 8-миомной нагрузкой, поэтому приходится увеличивать ток покоя. Например, при 265 мА получаем THD менее 0,9% (рис.7). Но радиатор греется уже до 70-80 градусов, и при долговременной работе внутри корпуса компьютера ему потребуется или принудительное охлаждение, или увеличение площади поверхности рассеивания. Выходное сопротивление выходного каскада приближается к 0,49 Ом.

Рис.7

А при токе в 300 мА (сопротивление R17 около 4 Ом) усилитель может отдавать 180 мВт на 8 Ом уже при коэффициенте искажений менее 0,63% (рис.8). Радиаторы, конечно, греются ещё сильней.

Рис.8

В этом случае при работе на нагрузку 16 Ом искажения выходного сигнала уменьшаются с 0,27% до 0,06% (рис.9).

Рис. 9

Вот тут возникает вопрос о способности блока питания компьютера долговременно обеспечивать нужный ток по шине -12 В. Всё-таки, если делать два канала с токами по 300 мА, рабочие токи ОУ, токи через светодиоды HL, и плюс к этому, дополнительно потребление в стабилизаторе питания -8 В – всё это вместе может получиться более 650 мА. Поэтому, если акцентировать внимание на характеристиках усилителя при работе на 8-ми или 16-тиомную нагрузку, то тогда ещё до начала экспериментов надо вскрыть блок питания компьютера и убедиться в том, что диод, стоящий в цепи выпрямления -12 В может пропускать через себя ток хотя бы 2 А. Если это не так, то почти всегда его можно безболезненно заменить на более мощный или просто запараллелить диодом такой же марки.

Естественно, если собирать плату не для работы на акустику, а только как «мощный выход для звуковой карты», то достаточно выставить токи покоя около значения 100 мА и не заморачиваться с охлаждением радиаторов и переделкой блока питания. Выходное сопротивление в таком случае будет не более 0,6-0,7 Ом, а искажения на нагрузке 100 Ом - как на рисунке 4 (около 0,005%).

Питание

Вот здесь пришлось повозиться. Сначала, при простом использовании компьютерного питания +/-12В, хоть и с дополнительно установленными фильтрующими конденсаторами большой ёмкости, уровень шума в выходном сигнале был достаточно велик. Эксперименты с «электронной фильтрации» тоже не привели к успеху. В конечном итоге простым и достаточно эффективным способом оказалось использование источника питания с высоким выходным сопротивлением. Т.е. просто поставив в цепи двенадцативольтового питания резисторы сопротивлением 1 Ом и применив стабилизаторы последовательного типа [5], удалось добиться достаточно приемлемых результатов по снижению шума. Схема приведена на рисунке 10. В общем, ничего сложного. Так как напряжения в компьютере и так уже достаточно стабильны, а ток потребления усилителей по постоянному напряжению меняется в очень малых пределах, то больших коэффициентов стабилизации здесь не требуется.

Рис.10

По входам стабилизаторов для подавления высокочастотных импульсных помех стоят фильтры C1R1C3C5L1C7C9 и C2R2C4C6L2C8C10 с частотой среза около 500 Гц. Очень примерный расчёт их АЧХ (рис.11) был сделан в программе RFSim99. Увеличив ёмкости С7 и С8 до 3300 мкФ и дроссели L1 и L2 до 500 мкГн, можно понизить частоту среза до 300 Гц.

Рис.11

Катушки индуктивности L1 и L2 намотаны на кольцах размерами 15х8х7 (рис.12) снятых с компьютерных материнских плат. Провод для намотки желательно применить диаметром не менее 0,6 мм. При ПЭЛ-0,8 мм, входит примерно 75 витков и индуктивность получается около 250 мкГн. Если ставить стандартные дроссели, то надо помнить, что через них будет протекать ток более 400-600 мА. Лучше, если они будут намотаны на тороидальных сердечниках.

Рис.12

Так как внутреннее сопротивление источника питания достаточно велико, то для нормальной работы усилителей на низких и инфранизких частотах нужно все электролитические конденсаторы по питанию ставить максимально возможной ёмкости. Если место между PCI-слотами позволяет, то хорошо бы установить дополнительные конденсаторы с обратной стороны печатной платы. Нужно только вырезать площадки в медном покрытии, как показано на рисунке 13.

Рис.13

Файл разводки платы в формате программы Sprint-Layout 5.0 находится в приложение. Рисунок при ЛУТ надо «зеркалить». Для изготовления печатной платы понадобится двусторонний фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм и размером 185х90 мм. С закреплёнными радиаторами и выходными гнёздами RCA габаритные размеры платы получатся около 192х110 мм (высота, в основном, зависит от примененных радиаторов). Все основные элементы схемы припаяны со стороны печати (рис.14). Единственное необходимое переходное отверстие на другую сторону - только для питания +12В. Перемычки, показанные оранжевым цветом, можно разделить на силовые (питание и выход звука) и слаботочные (остальные). Первые выполнены медным изолированным силовым проводом диаметром около 1 мм, а вторые - МГТФ 0,15-0,25.

Рис.14

Контактные дорожки для PCI-ного разъёма лучше не вытравливать, а оставить целым полем и уже после травления платы прорезать их. Места прорезания (процарапывания) медного покрытия, можно определить, вставив уже вытравленную плату в слот расширения (при выключенном компьютере, само собой). После вытаскивания платы, на ней остаются отчётливые следы в тех местах, где контакты разъёма касались медного покрытия. Останется с помощью линейки и заточенного надфиля процарапать между ними слой фольги как показано на рисунке 15 (обратная сторона платы).

Рис.15

Внешний вид собранной платы показан на рисунке 16. Радиаторы взяты из блоков питания компьютера. Один из них разрезан пополам и его половинки используются каждая для своего канала. Гальванически они соединены с общим проводом платы. Между радиаторами и платой проложены шайбы для уменьшения теплоотдачи в плату. Крепёжная планка для установки в системном блоке не соединяется с общим проводом усилителя. Вырезана она из жести толщиной около 0,5 мм – использована заглушка, выламываемая из корпуса системника при установке пятидюймовых приводов. Развёртка планки и её размеры находятся в приложении к тексту. Отверстия под разъёмы в развёртке не указаны, при надобности они сверлятся по месту, в зависимости от их конструктивных размеров.

Рис.16

Детали применялись разные. Операционные усилители, часть резисторов и конденсаторов – smd. Остальные - обычные выводные. В файле разводки платы всё достаточно хорошо видно. Светодиоды поставил красные, но можно использовать жёлтые и зелёные и тогда, скорее всего, последовательно стоящие с ними диоды КД521 нужно будет убрать. Электролитические и плёночные конденсаторы были отобраны по минимальному ESR и максимальной ёмкости. Все мощные транзисторы не прикручены к радиаторам, а прижаты к нему алюминиевыми пластинами (рис.17) через тонкую слюду с термопастой с двух сторон. Между этими пластинами и корпусами транзисторов проложены гибкие изоляционные термопрокладки. Если пластины взять достаточно большого размера, то получаются дополнительные поверхности для рассеивания тепла.

Рис.17

Теперь немного по разъёмам и про «землю»…

Так как сигнал в плату усилителя берётся напрямую с ножек кодека, то придётся «лезть» с паяльником в материнскую плату. Для начала хорошо бы скачать даташит на микросхему применяемого кодека и найти на плате два разделительных конденсатора, которые стоят между выходными ножками кодека и гнездом линейного выхода. При отсутствии даташита, их можно попробовать «вызвонить» тестером. Приведу пример, как это делалось при подключении платы усилителя к компьютеру, которым обычно пользуюсь для всяких радиолюбительских экспериментов. Там в интегрированной звуковой карте стоит кодек AD1885. По даташиту у него может быть два выхода – LINE_OUT (ножки 35 и 36) и HP_OUT (39 и 41 ножки) (рис.18).

Рис.18

После прозвонки тестером цепи от разъёма и внутрь платы, получилась схема, показанная на рисунке 19.

Рис.19

Получается, что в этой материнке звук берётся с выходов кодека, предназначенных для работы на наушники. Ну, в общем, так оно и должно было быть, раз к выходному гнезду можно подключать нагрузку сопротивлением 32 Ом. Куда идут дорожки от 35 и 36 ножек (LINE_OUT), выяснить не удалось - они сначала уходят на обратную сторону платы, а потом куда-то вглубь её. Но их переходные отверстия расположены достаточно удачно (рис.20), поэтому к ним с обратной стороны платы и были припаяны сигнальные провода для усилителя (рис.21). Впрочем, можно подключиться и к плюсовым ножкам разделительных конденсаторов, стоящих по выходам HP_OUT – ничего страшного не произойдёт – я так сделал на другой «материнке», с кодеком AD1986.

Рис.20

Рис.21

Оплётки проводов соединяются с земляной шиной только со стороны источника сигнала и подпаиваются к аналоговой земле. Был проверен и вариант заземления со стороны приёмника - ни на слух, ни на спектрограмме разницы замечено не было, но когда плата усилителя вынималась из компьютера, получалось, что оплётка сигнальных проводов «висит в воздухе», провода оказывались неэкранированными и на них наводились помехи, слышимые даже на выходе HP_OUT. Заземлять их с двух сторон нельзя, потому что тогда при соединении общего провода платы усилителя с общим проводом «материнки» по шине PCI, образуется «земляная петля», на которую наводятся помехи [6].

Если помехи в звуке всё же появились, то можно попробовать «отвязать» общий провод, и вместо показанной на рисунке 22 проволочной перемычки с ферритовой бусинкой установить резистор сопротивлением менее 1 Ом (0,5 Вт) или сильноточный дроссель индуктивностью от нескольких мкГн.

Рис.22

Во время работы по впайке проводов в материнскую плату, можно попробовать немного улучшить шумовые параметры кодека (одновременно для ЦАП и АЦП), поставив дополнительные фильтрующие конденсаторы по цепям DVDD, AVDD и Vref (см. рис.18). Например, установка электролитических конденсаторов по 100 мкФ в питание и запараллеливание конденсаторов в цепи Vref дополнительным, ёмкостью 470 мкФ, позволила уменьшить шумы кодека AD1885 на частотах ниже 10 Гц до 12 dB. А в материнской плате с кодеком AD1986 после установки дополнительных конденсаторов удалось избавиться от некоторых помех и уменьшить шумы в полосе частот от 0,5 Гц до 4 Гц от 5 до 10 dB. Рисунок 23 и рисунок 24 – АЧХ шумов АЦП до и после доработки. Все конденсаторы предварительно были отобраны по минимальным ESR и утечкам и по максимальной ёмкости.

Рис.23

Рис.24

С целью уменьшения помех, во время вскрытия блока питания для проверки (усиления) отдаваемого тока по -12В, можно сразу по всем шинам питания добавить керамических конденсаторов (рис.25). Помогают облегчить работу электролитам и понизить помехи, излучаемые выходящими DC проводами. Впрочем, неплохо так же зашунтировать электролиты и в преобразователе на материнской плате.

Рис.25

Пайку в материнской плате, с предварительно вынутыми процессором и памятью, желательно проводить низковольтным паяльником. Корпус паяльника и общий провод платы должны быть гальванически соединены. Ещё лучше, если заземлены.

Выходные гнёзда усилителя (RCA или другие) можно установить не на плату, а на переднюю панель системного блока. Я поставил приборные разъёмы «под закрутку». В таком варианте идущие к ним провода подключаются к разъёму, расположенному в верхней левой части платы. Здесь можно не ставить лишний разъём, а подпаять проводники сразу к выходному каскаду. Уходящие же к гнёздам провода жёстко прикрепить к плате около места пайки, чтоб не болтались.

Приведу ещё несколько графиков, снятых при работе описанной конструкции на нагрузку 16 Ом. Первый, на рисунке 26 – её АЧХ в диапазоне частот от 0,12 Гц до 10 Гц при использовании по входу «открытой» звуковой карты VIA TREMOR [1].

Рис.26

Второй, на рисунке 27 – синусоидальный сигнал частотой 0,1 Гц.

Рис.27

Сигналы частотой 1 Гц прямоугольной формы показаны на рисунке 28.

Рис.28

Сигнал «пила» частотой 1 Гц на рисунке 29.

Рис.29

Последние два графика заставляют обратить на себя внимание некоторыми искажениями сигнала. Плавно понижающийся уровень «полок» меандра и нелинейное возрастание «пилы» связаны с работой цепи контроля постоянного напряжения на выходе. «Лечится» увеличением постоянной времени обработки. Выбросы по фронтам носят резонансный характер (рис.30), их уровни меняются от количества и качества конденсаторов ёмкостью 0,1…1 мкФ по питанию.

Рис.30

О возможных изменениях и доработках

В схемах усилителей можно убрать цепи контроля постоянного напряжения на ОР2.2. и ОР4.2 и ввести коррекцию температурного дрейфа. В таком варианте получается стопроцентный УПТ. Но ему нужен достаточно качественный источник питания.

Поэтому можно попробовать запитать усилители от дополнительного преобразователя (регенератора) с выходными выпрямленными напряжениями +/- 10…15 В, собранного на отдельной плате (в отдельном блоке). Или, что ещё лучше, от внешнего трансформаторного блока питания. Тогда при увеличении токов покоя выходных каскадов до 400-600 мА, улучшаются выходные характеристики (при одновременном увеличении отдаваемой мощности) и станет возможным использовать акустику сопротивлением 4 Ом даже с низкой чувствительностью. Но «печка» получается неслабая…

Если кого-то смущает подключение акустики к усилителю постоянного тока, то можно выход каждого канала «развязать» конденсатором большой ёмкости, или сделать вариант подключения по рисунку 31. Можно выполнить выход как у Игоря Семынина [7]. Думаю, что с точки зрения распределения переменных токов все эти варианты почти равнозначны. Но в таких схемах ёмкости конденсаторов нужно увеличивать в разы.

Рис.31

Ссылки и литература:
1.  Гольцов Андрей. «Открытие входов звуковой карты»
2.   Алексеенко А.Г., Коломбет У.А., Стародуб Г.И. «Применение прецизионных аналоговых микросхем». Москва, изд. «Радио и связь», 1985 год, стр.91.
3.   Дж.Э. Фишер, Х.Б. Гетланд. «Электроника от теории к практике». Москва, изд. «Энергия», 1989 год, стр. 196.
4.   Никитин А. «Простой транзисторный усилитель-корректор для магнитной головки звукоснимателя». Журнал «Радиохобби» №3, 1999 год, стр. 48.
5.   У. Титце, К. Шенк. «Полупроводниковая схемотехника». Москва, изд. «Мир», 1982 год, раздел 16.3.1.
6.   Волин М.Л. «Паразитные связи и наводки». Москва, изд. «Советское радио», 1965 год, глава 2-5.
7.   Семынин Игорь. «Одна идея однотактного выходного каскада» или «Гибридник»

Гольцов Андрей, r9o-11, г. Искитим, весна-лето 2014

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout