воскресенье, 8 апреля 2018 г.

Однотактный усилитель для наушников. Часть 1. Самостоятельная жизнь. Схема и измерения.


Однотактный усилитель для наушников

Добрый день!

Вот и состоялся запуск прототипа нового усилителя для наушников. Я его включил, настроил и запустил. После чего, желая скорее поделиться результатами с Вами, отложил в сторону все другие дела и с воодушевлением сел писать эту статью:)


За первые несколько часов, переработав кучу полученной в экспериментах информации (которой хочу поделиться) и превратив ее в цветные графики, таблицы и фотографии, я понял, что всего этого через чур много для одной записи. Она разбухнет и приобретет совершенно неудобную форму, словно удав проглотивший новогоднюю елку... 

Примечание: впрочем, как мне кажется, в наше время коротких записей в соц.сетях, которые никто не читает, картинок и "лайков" неудобной для чтения считается любая запись, содержащая более пары коротких предложений.... :)

Поэтому я решил разделить материал на две части. В первой речь пойдет об общих параметрах схемы и результатах измерений для штатного ее варианта с использованием общей петли ОООС. Вторая часть будет содержать большую часть всех результатов измерений для усилителя в режиме без общей ООС с выхода.

Перед Вами первая часть:)

Начнем?

Вот схема усилителя:

Схема однотактного усилителя для наушников в классе А

Она может работать как самостоятельный усилитель для наушников или как выходной буфер вместе с ламповым предварительным усилителем, образуя гибридный ушник. Высокое входное сопротивление отлично сочетается с разными ламповыми каскадами усиления напряжения.

Напряжение питания схемы должно быть в диапазоне 16-32 В. Для совместимости со стандартным для нас блоком питания "Гаммы" я выбрал 24-26 В. Токи покоя выходных каскадов - по 130 мА. Общее потребление по двум каналам составило почти 300 мА, так как к токам покоя левого и правого каналов добавились токи, потребляемые остальными цепями усилителя: ОУ и цепями смещения.

Напряжение питания и ток потребления усилителя для наушников

Да, усилитель, как и любой другой в классе А, имеет непомерный аппетит и непрерывно ест около 8 Вт. При этом максимальная выходная мощность на наушниках сопротивлением 32 Ома составляет 540 мВт (амплитудное значение) на канал... Это совсем не мало, но КПД очень низкий... Он - плата за все те плюсы, которые дает однотактный класс А. 

Примечание: знаю, знаю... можно долго спорить о достоинствах и недостатках класса А. Но разговор о них выходит за пределы статьи. Могу только сказать, что считаю более чем обоснованным применение таких схем в маломощных устройствах, к которым и относится усилитель для наушников.

Первое включение прошло совершенно гладко. Все сразу заработало. Ток покоя установился, а на выходе (до выходного конденсатора) появилось одинаковое в обоих каналах напряжение, примерно равное половине напряжения питания: 13,4 В

Постоянное напряжение на выходе (до выходных конденсаторов) усилителя для наушников
   
И, конечно, радиаторы начали греться. Так как тепловой режим и тип радиаторов совпадают с тем, что было в Гамме, то никаких неожиданностей не произошло. После двухчасового прогрева температура транзистора VT2 приняла стабильное значение 74 °C:

Температура транзисторов работающих в однотактном выходном каскаде

А транзистор VT4 нагрелся до 67 °C:

Температура транзисторов работающих в однотактном выходном каскаде

Вполне понятно, что разница определяется небольшим перекосом постоянного напряжения на выходе схемы (перед выходными конденсаторами). 

Температуры невысокие и далекие от критических. Но все же, собирая для такого усилителя корпус, стоит побеспокоиться - насверлить в нем побольше отверстий. Иначе усилитель может запечь сам себя... Если только корпус не будет выполнять роль радиатора (например так, как это было сделано в одном из наших проектов).


О частотных свойствах

Проектируя выходной каскад, я сразу ориентировался на применение составного транзистора, и все же долго колебался между разными схемами его реализации. В конце-концов выбрал более линейный вариант. Но кроме линейности получил его склонность к нестабильности и выбросам на ВЧ. Их я постарался устранить выбором типов транзисторов и их режимов. 

Для проверки результатов сменил мультиметр на генератор с осциллографом и посмотрел, как усилитель передает прямоугольный сигнал с частотой 100 кГц:

Осциллограмма выходного сигнала однотактного усилителя для наушников

На мой взгляд, получилось отлично: есть лишь совсем незначительный выброс. Кстати, ограничение скорости нарастания и спада напряжения на фронтах сигнала связано не с самим усилителем, а с наличием фильтра (R1C1) на его входе. Этот же фильтр определяет и верхнюю границу АЧХ (-3дБ) на частоте 500 кГц. Впрочем, увеличивать ее изменением фильтра не стоит.

Нижняя граница АЧХ (-3дБ), определяется входным фильтром (R16C2), и находится на частоте близкой к 4 Гц. 


О выходной мощности:

Тут все совсем просто. Максимальная мощность на наушниках сопротивлением до 50 Ом ограничивается максимальным током, который равен току покоя (130 мА). На наушниках с более высоким сопротивлением - максимальным выходным напряжением. Типовые значения свел в табличку.

Примечание: желтый фон - мощность ограничена током, фиолетовый - напряжением.


Примечание: результаты для тока покоя 130 мА и напряжения питания 24В. Если их изменить, то данные в таблице будут не актуальны.

И об искажениях:

Разные режимы, разная нагрузка, разная мощность, а картинка почти во всех случаях одна: уровень искажений ниже уровня шумов (-105 дБ) и не определяется. Т.е. не превышает 0,0006%...

Увидеть хоть что-то удалось, только подав почти полную мощность (400 мВт, амплитудное значение) на наушники HD-215 (сопротивление 32 Ома). Вот как при этом выглядит спектр:

Спектр искажений ушного усилителя. Класс А.

Любопытно, но спектры оказались одинаковыми и для наушников с сопротивлением 32 Ома, и для резистивной нагрузки 500 Ом.. Но даже так искажения оказались ниже отметки 0,001%. Для работы на полную мощность - это очень хорошо).

Вот, видимо, и все, что я хотел рассказать сегодня. На днях опубликую продолжение. В нем будут приведены результаты измерений для этой же схемы, но с исключенным ОУ. Вот для такой:

Схема однотактного буфера для работы с ламповым предварительным усилителем

P.S. Если статья Вам понравилась, пожалуйста сообщите мне об этом (поставьте "плюсик" или напишите комментарий) и я буду уверен что нужно продолжать:) 

Может быть она будет полезна Вашим друзьям? Помогите им ее найти - дайте ссылку:) 

Всегда буду рад общению с Вами. Пишите в комментариях, приходите в наши сообщества, заглядывайте в мои личные профили в соц.сетях:

и в Instagram'е

Наши сообщества: на G+, на FB и VK
Присоединяйтесь, будем очень рады Вам! )

С уважением, Константин М.



Есть еще интересные статьи :)

О линейности разных схем выходного буфера гибридного усилителя для наушников - изучение спектров искажений некоторых других однотактных выходных схем, которые можно использовать в гибридных усилителях для наушников

Выходной буфер гибридного усилителя для наушников. Продолжение.  - и еще немного о том же))

Спектр искажений выходного буфера гибридного усилителя - и еще чуть-чуть схем и измерений

Схема лампового предварительного усилителя на лампе 6Н1П. Результаты измерений. - описанная схема - отличный и простой ламповый предусилитель. И его можно использовать для построения гибридных усилителей...