Гибридный усилитель для наушников

автор:          М. Шушнов, г. Новосибирск
источник:     Журнал "Радиомир" №12, 2013 г.

В последнее время все больше развивается тема персонального аудио, т.е. прослушивания музыкальных программ через высококачественные наушники. Цена качественных моделей наушников достигает нескольких тысяч долларов, но практически все качественно звучащие наушники требуют использования отдельного высококачественного маломощного усилителя ЗЧ. Реализация высоких показателей стереофонических усилителей ЗЧ является весьма трудной задачей, а наиболее важных из них: относительно широкого диапазона рабочих частот, малого уровня собственных шумов на выходе и малых нелинейных искажений при достаточной выходной мощности — весьма противоречивой. Так, например, повышение выходной мощности усилителя ЗЧ приводит к увеличению нелинейных искажений, а чем шире полоса пропускания усилителя, тем больше уровень шумов на выходе.

Достигнуть малого уровня собственных шумов при широкой полосе рабочих частот усилителя ЗЧ можно, если входные каскады обоих каналов усилителя выполнить на электронных лампах, питающихся пониженным анодным напряжением, а мощные выходные — на полевых транзисторах с индуцированным каналом. При этом коэффициент нелинейных искажений усилителя, охваченного петлей ОООС, как правило, не превышает 0,1...0,3%.

Применение электронной лампы на входе и полевых транзисторов во всех последующих каскадах позволяет получить приятное “ламповое звучание”, которое часто нравится слушателям из-за своей “теплоты”. При желании всегда можно заняться подбором экземпляра лампы под свои музыкальные вкусы, что в полностью транзисторном усилителе сделать крайне затруднительно или вовсе невозможно.

Рис.1. Принципиальная схема гибридного усилителя для наушников

Схема предлагаемого УЗЧ с использованием двойного триода 6Н23П-ЕВ и полевых транзисторов во всех каскадах приведена на рис.1. Усилитель предназначен для прослушивания различных программ при совместной работе с проигрывателем компакт-дисков, внешним ЦАПом, звуковой картой или любым другим источником аудиосигнала.

Основные характеристики УЗЧ

Номинальная выходная мощность (RH=32 Ом), мВт - 500

Номинальная выходная мощность (RH=250 Ом), мВт - 65

Чувствительность, мВ - 500

Полоса частот (при неравномерности А4Х не более ±1 дБ), Гц - 10...60000

Коэффициент нелинейных искажений, %, не более - 0,3 %

Уровень собственных шумов, дБ, не более - 100

Усилитель выполнен в виде двух идентичных трехкаскадных каналов усиления, работающих в режиме класса А. Входные каскады, выполненные на триодах лампы VL1, обеспечивают усиление сигнала по напряжению. Анодной нагрузкой левого каскада является схема на полевом транзисторе VT1, правого — на транзисторе VT2. Подстроенным резистором R4 балансируют смещение транзисторов VT1 и VТ2 по минимуму нелинейных искажений. От положения движка R4 также зависит в небольших пределах ток покоя выходного каскада на транзисторах VT5 и VT6. В катодные цепи лампы включены резисторы R11 и R13, обеспечивающие местную отрицательную обратную связь и повышающие температурную стабильность анодных токов. Нить накала лампы питается постоянным стабилизированным напряжением 6,3 В. Такое питание позволяет избавиться от сетевого фона, часто свойственного ламповым конструкциям.

Второй каскад каждого канала представляет собой истоковый повторитель на транзисторах VT3 и VT4, выполняющий усиление по току, поскольку для “раскачки” выходного каскада требуется перезаряжать достаточно большую входную емкость выходного каскада на MOSFET.

Третий каскад усилителя также представляет собой истоковый повторитель на мощных полевых транзисторах с индуцированным каналом. Гальваническая связь между каскадами обеспечивает высокую стабильность фазовых характеристик усилителя. Конденсаторы С8...С11 — разделительные между усилителем и наушниками, подключаемыми к усилителю.

Уровень громкости в каналах усилителя регулируют сдвоенным переменным резистором R1. При желании этот резистор можно заменить двумя отдельными, в этом случае можно регулировать баланс между каналами. Питание усилителя (кроме цепи накала лампы VL1) осуществляется от источника постоянного тока напряжением 24 В. Потребляемый усилителем ток не превышает 350...400 мА. Отличительной особенностью усилителя является питание лампы низким анодным напряжением. Таким образом, можно сказать, что один из главных недостатков ламповых схем — необходимость высоких напряжений в данной схеме отсутствует.

Усилитель собран на макетной плате из стеклотекстолита. При монтаже следует экранировать входные цепи, а экранные оплетки соединить в одной точке с резисторами R6, R8, R11, R13 и выводами 4 и 9 лампы VL1. Транзисторы VT3 и VT4 необходимо установить на радиаторы, т.к. на них рассеивается мощность около 2 Вт.

Лампу 6Н23П-ЕВ можно заменить лампой 6Н23П, 6922, 6DJ8 или 6N11. При желании можно установить лампы 6Н24П с учетом различия в цоколевке. При замене также следует учитывать, что некоторые экземпляры ламп оказываются неработоспособными при низком напряжении питания, а другие, наоборот, прекрасно работают.

Вместо транзисторов IRF510 можно использовать транзисторы IRF610, IRF520, IRF620 фирмы Vishay Siliconix. От применения аналогов других фирм рекомендую воздержаться. При использовании полевых транзисторов IRF520, IRF620 полоса усиливаемых частот незначительно сужается. Транзисторы VT1 и VT2 можно заменить на КП303Б, КП364А или КП364Б. Их желательно отобрать в пары с близким начальным током стока. Транзисторы VT3 и VT4 можно заменить на КП303Е или КП364Д, КП364Е. Начальный ток стока этих транзисторов должен быть не менее 6...7 мА.

Конденсаторы С1, С4, С5, С6, С7, С8 и С10 лучше применить импортные фирм WIMA, Vishay-ERO, Epcos, хотя неплохие результаты получаются и при использовании отечественных типа К73-17 или К73-11. Если на выходе источника сигнала присутствуют разделительные конденсаторы, то тогда конденсаторы С4 и С5 можно вообще исключить из схемы, закоротив их перемычками (на схеме обозначены П1 и П2). Конденсаторы С2, С3, С9 и С11 лучше использовать проверенных фирм Hitano, Yageo, Nichicon. Переменный резистор R1 должен быть с регулировочной характеристикой “В” (“Volume”) и обеспечивать надежный скользящий контакт. Он не обязательно должен быть дорогим, вполне достаточно резистора типа RK16, СП3-4, но лучше использовать ALPS RK27. Подстроечный резистор R4 лучше многооборотный, типа 3296W фирмы BOURNS или PV36W фирмы MURATA, а также отечественный, типа СП5-2. Следует отметить, что “безымянные” многооборотные построечные резисторы типа 3296W не всегда имеют надежный скользящий контакт. Постоянные резисторы — MЛT, С2-33 или импортные MF. От применения карбоновых резисторов следует воздержаться, т.к. они вносят значительные шумы и обладают низкой температурной стабильностью. Мощные резисторы R19, R20 в выходном каскаде — проволочные, типа С5-37В или импортные, типа KNP. Разъемы XS1, XS2 — типа “тюльпан”, a XS3 — любой, подходящий под штекер наушников.

Стереонаушники могут иметь сопротивление звуковой катушки по постоянному току от 8 до 600 Ом. Если прослушивание будет происходить преимущественно на низкоомные наушники сопротивлением 8...40 Ом, то номиналы R19 и R20 лучше уменьшить до 56...68 Ом, но следует учитывать, что при этом возрастет рассеиваемая на них мощность, а соответственно, и тепловыделение. Если же прослушивание будет вестись с использованием высокоомных наушников, то номиналы R19 и R20 можно увеличить до 200...220 Ом.

Рис.2. Принципиальная схема блока питания гибридного усилителя для наушников

Если усилитель предполагается выполнить в виде автономной конструкции, блок питания можно собрать по схеме, приведенной на рис.2. Особенностями стабилизатора напряжения анодной цепи являются использование полевого транзистора с изолированным затвором VT1 в качестве регулирующего элемента, наличие системы защиты от превышения тока в нагрузке более 400...500 мА и цепи термокомпенсации. Также следует заметить, что шумы данного стабилизатора оказались примерно на порядок ниже, чем стабилизатора на основе микросхемы LM317, что является важным критерием для усилителя ЗЧ.

В блоке питания следует особое внимание обратить на диоды выпрямителей VD1...VD8. Поскольку при включении питания нить накала лампы холодная, ее сопротивление в начальный момент в 3.. .6 раз меньше, чем в разогретом состоянии, а ток через диоды выпрямителя может превышать 1 А. Этот факт следует учитывать при выборе диодов. Поэтому импортные диоды серии 1N400X применять в выпрямителе не рекомендуется, т.к. они часто не выдерживают импульс тока при включении. Лучше использовать отечественные диоды КД226 с любыми буквенными индексами или отечественные диоды других серий, рассчитанные на максимальный выпрямленный ток не менее 1 А. Можно использовать также импортные диоды с барьером Шоттки или диоды ULTRA FAST. Стабилитрон VD12 можно заменить импортным BZX84C12, BZX55C15, отечественным КД212Ж, КС215Ж, либо другими с напряжением стабилизации 12...16 В. Диоды VD9, VD10 и VD13 допустимо заменить диодами 1N4149, КД521А-В, КД522Б.

Вместо регулирующего транзистора VT1 можно установить IRF520, IRF610, IRF620 фирмы Vishay Siliconix. Если увеличить сопротивление “антизвонного” резистора R5 (R6) до 220...330 Ом, то допустимо установить IRF530. Транзистор VT5 в источнике питания необходимо установить на охлаждающем радиаторе. Транзистор VT2 можно заменить любым маломощным транзистором со статическим коэффициентом передачи по току в схеме с общим эмиттером не менее 100 и максимальным напряжением коллектор-эмиттер не менее 30 В. При выборе микросхемы TL431 следует отдать предпочтение надежным производителям — Fairchild, Texas Instruments, ON Semiconductor. В случае отсутствия микросхемы TL431 ее можно заменить отечественным аналогом КР1215ЕН1А, КР142ЕН19А. Интегральный стабилизатор DA2 КР142ЕН5А можно заменить любым аналогичным трехвыводным стабилизатором напряжения, рассчитанным на ток более 1 А и напряжение 5 В, например, КР142ЕН5В, МС7805. Если применить КР142ЕН5Б, КР142ЕН5Г или МС7806, то один из диодов VD11, VD12 можно исключить из схемы, заменив перемычкой.

Конденсатор С1, устраняющий помехи, проникающие из сети, должен быть специальный, помехоподавляющего типа МРХ, и рассчитанный на переменное напряжение 275 В. Но, в крайнем случае, С1 можно заменить отечественным типов К73-17, К78-1 на номинальное напряжение не ниже 400 В. Электролитические конденсаторы С2, С5, С6, С8, С9 и С11 лучше использовать проверенных фирм, указанных выше. Конденсаторы С3, С4, С7 и С10 должны быть пленочные, высококачественные, например, К73-17, К73-9 или аналогичные импортные, рассчитанные на напряжение не менее 50 В.

Трансформатор питания Т1 можно использовать готовый с габаритной мощностью около 30 Вт. Желательно, чтобы трансформатор Т1 был с тороидальным сердечником, т.к. трансформаторы этого типа обладают низким полем рассеяния и меньшей массой и габаритами. Обмотка II должна быть рассчитана на напряжение около 25...27 В при токе 0,5 А, обмотка III — на напряжение 7...8 В при токе не менее 0,4 А. Конструкция блока питания произвольная.

Настройка усилителя, собранного из заведомо исправных деталей, не представляет большой сложности. Сначала необходимо настроить стабилизатор напряжения питания усилителя (+24 В). Конструкция стабилизатора напряжения такова, что никакого предварительного подбора активных компонентов не требуется. При настройке стабилизатора очень удобно пользоваться цифровым вольтметром. После включения стабилизатора необходимо выставить выходное напряжение регулировкой резистора R6. Затем, подключив эквивалент нагрузки (резистор мощностью 10...25 Вт сопротивлением 62 Ом), убедиться, что напряжение на выходе стабилизатора практически не изменилось. Поскольку в настоящее время довольно часто встречаются поддельные МОП-транзисторы, то нелишним будет убедиться в отсутствии самовозбуждения стабилизатора. Если на выходе стабилизатора имеется генерация, то следует заменить регулирующий транзистор. Настройка стабилизатора +6,3 В не требуется, но необходимо убедиться, что напряжение на его выходе находится в пределах 6,1...6,5 В.

После того, как настроен источник питания, необходимо подать напряжение на усилитель. После прогрева лампы в течение 3...5 минут на вход усилителя от звукового генератора подают сигнал частотой 1 кГц и амплитудой около 100 мВ. Подстроечным резистором R4 (рис.1) добиваются минимизации нелинейных искажений усиливаемого сигнала на выходах усилителя. Контроль нелинейных искажений удобно осуществлять с помощью анализатора спектра или при помощи персонального компьютера, оборудованного звуковой картой с установленной программой RMAA.

Если выходная мощность усилителя окажется выше требуемой, необходимо уменьшить сопротивления резисторов R5 и R7 в цепи ОООС. Однако заменять их резисторами сопротивлением более 20 кОм нецелесообразно. Если возникают искажения сигнала, то можно попробовать подобрать катодные резисторы R11 и R13. Следует отметить, что новую лампу следует заранее прогреть в течение получаса, а только потом приступать к настройке усилителя.

На форуме есть тема по конструкции и дизайну ламповых УЗЧ