Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2014
Теперь перейдем к, собственно, схемотехнике. В конце 1970-х – начале 1980-х автор статьи участвовал в разработке и внедрении первых в СССР моноблочных музыкальных центров 0-й группы сложности «Такт-001 стерео» и «Такт-011 стерео». Для подключения стереотелефонов было применено традиционное на то время решение с использованием резистивного делителя (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Подключение стереотелефонов через делитель. |
На первый взгляд, это наиболее простое и оптимальное, при наличии мощного усилителя, решение. Действительно, этот вариант самый экономный по затратам, коэффициент искажений, уровень шумов и помех будут минимальными и определяться характеристиками усилителя мощности. Проблема, как всегда в мелочах, а именно – в высоком выходном сопротивлении делителя. Это уменьшает коэффициент демпфирования и приводит к повышению паразитных резонансов, особенно в области низких частот. Кроме того, поскольку собственное сопротивление стереотелефонов, начиная с частоты 1 кГц, имеет уже ярко выраженный индуктивный характер, мы будем иметь подъем АЧХ такого адаптера в области высоких звуковых частот. Так, например, при собственной индуктивности стереотелефонов равной 1 мГн для решения, представленного на Рисунке 4, с частоты 1 кГц начнется подъем АЧХ, который на частоте 20 кГц для типовых наушников с собственным сопротивлением 32 Ом составит 10 дБ. Поскольку реальный импеданс наушников не может быть описан столь примитивно, как сумма активной составляющей R и индуктивной L, то реальная проблема становится еще более существенной. Причина ее в отсутствии достаточного демпфирования. Как выход из положения – необходимо использовать отдельный буферный усилитель или, как правильнее называть – адаптер, с минимальным выходным сопротивлением. Более подробно проблемы, возникающие при согласовании импеданса стереотелефонов с выходным импедансом усилителя, описаны, например, в [5, 6].
Итак, для качественного воспроизведения музыки нужен усилитель мощности или адаптер с минимальным выходным сопротивлением, не превышающим 1/10 от полного сопротивления (импеданса) стереотелефонов в рабочей полосе частот. Решается эта проблема, в общем случае, двумя путями. Можно использовать стандартную схему усилителя мощности с выходным каскадом класса АВ или использовать эмиттерный повторитель. Можно, конечно, использовать и сверхсложные навороченные схемы, так полюбившиеся некоторым поклонникам аппаратуры с модным определением High-end, но золотое правило профессионального разработчика РЭА – совершенство и красота заключаются в простоте. Поэтому обратимся для примера к простым и доступным схемотехническим решениям.
Усилители с выходным каскадом класса АВ являются классикой. Их достоинство – высокий КПД до 72% при малом собственном токе потребления и высокие динамические характеристики. Но они, как правило, требуют общей отрицательной обратной связи по напряжению (ООС) и имеют повышенный уровень нелинейных искажений на малых уровнях, связанный с переходом сигнала между двумя квадрантами. При этом определяющими являются нечетные гармоники. Для уменьшения этих искажений, собственно, наиболее экономичный для этих целей режим класса В дополняется неким начальным смещением, обеспечивающим для малых сигналов, скажем прямо, суррогатный режим класса А. Таким образом, для наушников с малой чувствительностью, которые требуют подачи на них относительно больших уровней напряжения (например, 5 В, как в примере, рассмотренном выше) эти усилители вполне подходят. Для этого, например, можно использовать ИМС TDA2822M (суффикс «М» важен!) в стандартном включении. Для стереотелефонов невысокого класса это будет хороший выбор. В Интернете можно также встретить примеры использования для этих целей ИМС операционных усилителей (ОУ), так как ОУ, как правило, по нелинейным искажениям значительно превосходят усилители подобные TDA2822M. Однако, тут есть нюансы. Так один радиолюбитель (не даю ссылку, чтобы не делать ему рекламы) в качестве усилителя для стереотелефонов предложил переработку некой китайской схемы на базе NE5532. Схема выполнена c двуполярным питанием, но зачем-то дополнена еще и разделительными электролитическими конденсаторами. При этом напрочь забыто, что для их нормальной работы необходимо иметь напряжение поляризации. А если не полениться и посмотреть в спецификацию, то там ясно указано, что для NE5532 минимально допустимая нагрузка равна 600 Ом, а ее выходной ток короткого замыкания может быть всего-то 10 мА. А вот ОУ типа OPA2132 при нагрузке в 32 Ом может подойти, хоть его нагрузка ограничивается теми же 600 Ом. Это допустимо, поскольку его ток короткого замыкания выше, и гарантируется на уровне ±45 мА. Тем не менее, моделирование показало, что максимальное среднеквадратичное напряжение такого усилителя не превысит 1 В; выше этого уровня уже начинается ограничение сигнала.
С большими амплитудами и ОУ – понятно, но что делать в случае малых сигналов в сотню милливольт, но с требованием повышения динамического диапазона, то есть учета пик-фактора? Здесь вариант один – использовать усилитель мощности, работающий исключительно в режиме А, но с высокой перегрузочной способностью. Как правило, здесь используют эмитерный повторитель. При этом КПД при работе на низкоомную нагрузку падает максимум до 12.5%, а заданный динамический диапазон достигается увеличением напряжения питания. Часто в литературе и на радиолюбительских форумах к недостаткам усилителей класса А относят тот факт, что основной вклад в уровень нелинейных искажений этих схем вносят четные гармоники. Позволю тут возразить. Действительно, четные гармоники в усилителях класса А преобладают по уровню над нечетными. Но, во-первых, общий уровень искажений качественных усилителей для стереотелефонов настолько мал, что по сравнению с собственными искажениями даже самых навороченных стереотелефонов, он не будет не то что определяющим, а и просто заметным на слух. Во-вторых, вторая гармоника – это комбинационная составляющая, равная октаве. Как известно, этот музыкальный интервал (мы же говорим о музыке, а не о синусоидальном сигнале) является консонансным, а вот третья гармоника, как раз является диссонансной, так как представляет собой октаву с добавленной «грязной» сдвинутой вниз квинтой или сдвинутой немного вверх квартой. Если взять такой интервал даже из ближайших нот на синтезаторе, то вы ясно услышите характерное «подвывание». Здесь кроется и секрет мягкого «лампового звучания», для которого как раз и характерно превышение консонансных четных гармоник над диссонансными нечетными. Звучание, обогащенное четными гармониками, можно послушать на примере деревянных духовых инструментов, например, кларнета.
Как правило, схемы класса А потребляют ток не менее 100 мА при напряжении питания не ниже 15 – 20 В. Почему «как правило»? В интернете и технической литературе могут предложить и иные «очень эффективные» схемы с напряжением питания 3 В типа представленной на Рисунке 5.
 |
|
| Рисунок 5. | Портативный усилитель для стереотелефонов [7]. |
Если произвести несложный расчет по данным, представленным в [7], то можно увидеть, что на стереотелефонах присутствует постоянное напряжение с уровнем примерно 1.2 В. Следовательно, постоянный ток через обмотку с сопротивлением 32 Ом составит 37.5 мА! О каком качественном звучании можно будет говорить, если мембрана телефонов заторможена собственным магнитным потоком?
Все вышеприведенное представлено как иллюстрация того, что не всему написанному нужно слепо верить, и для того, чтобы избегать очевидных на первый взгляд решений. С большой подборкой доступных для повторения схем с детальными описаниями конструкций можно ознакомиться, например, на сайте [10]. Что касается автора статьи, то в одной из его инженерных тетрадей есть схема усилителя, разработанная им в 1980 году на базе публикации в августовском номере «Wireless World» 1978 года (перепечатка статья есть в [8]). Улучшенная рабочая версия схемы на современной элементной базе приведена на Рисунке 6.
 |
|
| Рисунок 6. | Современная версия схемы усилителя для стереотелефонов на основе публикации [8]. (Показан один канал). |
Еще в 1980 году из схемы была удалена защита от коротких замыканий, которая вносила большие нелинейные искажения. Недостатком схемы был небольшой динамический диапазон и наличие, пусть и незначительных, паразитных составляющих при реакции на импульсные воздействия. В предлагаемой схеме использована современная элементная база, оптимизированы режимы по постоянному току, устранены неточности в организации цепи ООС, нагрузочный резистор в цепи эмиттера выходного транзистора заменен на термокомпенсированный простой, но эффективный стабилизатор втекающего тока (описание, расчет и примеры использования в [11]), добавлен ФНЧ первого порядка по входу. При этом максимальный выходной сигнал при КГ = 1% увеличился до 2.5 В, тем самым, увеличился и динамический диапазон. Коэффициент нелинейных искажений на частоте 20 кГц при напряжении 1.2 В составил 0.06% (у схемы 1980 года 0.12%). Выходное сопротивление усилителя снизилось до величины менее 0.1 Ом (было ≈1 Ом), диапазон воспроизводимых частот составил 5 Гц – 100 кГц (по уровню –3 дБ), ток потребления ≈110 мА. Паразитные составляющие при реакции на импульсные воздействия устранены именно входным ФНЧ. Именно этот фильтр, и именно в этом исполнении, как раз и устраняет характерный для таких схем резонанс АЧХ на верхней граничной частоте. Проблема в том, что разработчики низкочастотной РЭА часто забывают об этом и не видят его. Это происходит потому, что упомянутый паразитный резонанс лежит в мегагерцовой области, а исследуют аудиоустройства исключительно низкочастотными генераторами. В этом, кстати, была и ошибка автора статьи, который пытался устранить искажения, возникающие при импульсном воздействии, ограничивая полосу пропускания общей или внутренней ООС по напряжению и добавкой демпфирующей RC-цепочки по выходу. Добавка пассивного фильтра по входу полностью устраняет возникающие при импульсном воздействии искажения. Рекомендуемая частота среза фильтра 100 – 200 кГц. Однако по современным меркам недостатком схемы остается ее динамический диапазон и относительная сложность, но можно сказать, что такая схема для ряда применений имеет право на использование. Необходимо учитывать, что выходной транзистор и транзистор стабилизатора тока должны быть установлены на радиаторы, так как рассеиваемая на них мощность составляет примерно по 1 Вт. АЧХ и временная диаграмма, показывающая реакцию усилителя на импульсное воздействие, показаны на Рисунке 7.
|
|||||
| Рисунок 7. | Характеристики усилителя, изображенного на Рисунке 6. а) – АЧХ, б) – переходная характеристика. | ||||
А что нового могут дать современная схемотехника и элементная база? Из всего изобилия схемных решений, на взгляд автора статьи, по своей простоте, красоте и качественным характеристикам больше всего подходит решение [9], известное как усилитель для стереотелефонов Класса А Giovanni Militano (Джованни Милитано). В этой схеме, в отличие от схемы на Рисунке 6, усиление мощности обеспечивает повторитель на полевом транзисторе с изолированным затвором (MOSFET), работающий в активной зоне вольтамперной характеристики, что приближает его к ламповым схемам. Его истоковой нагрузкой является не резистор, а генератор втекающего тока на базе ИМС стабилизатора напряжения типа LM317. Как уже было показано выше для схемы на Рисунке 6, использование генератора втекающего тока вместо эмиттерного резистора повышает динамический диапазон в два раза, уменьшает нелинейные искажения и улучшает передачу импульсов с крутыми фронтами. Тем не менее, схема Giovanni Militano хоть и лучше, чем схема на биполярных транзисторах на Рисунке 6, но тоже имеет свои недостатки. Во-первых, для достижения высоких качественных характеристик она требует точной подстройки рабочей точки в зависимости от напряжения питания, во-вторых, как раз из-за отсутствия обратной связи (некоторые специалисты выставляют это как ее особое достоинство, с чем трудно согласиться) она будет иметь еще достаточно большой уровень нелинейных искажений и повышенное выходное сопротивление. Автор статьи разработал и смоделировал при помощи современного мощного симулятора Multisim гибридный вариант усилителя, который сочетает в себе неоспоримые достоинства схемы Giovanni Militano, но является более гибким и более приемлемым на практике (Рисунок 8).
 |
|
| Рисунок 8. | Авторский вариант схемы усилителя Giovanni Militano для стереотелефонов (показан один канал). |
В схему введен операционный усилитель типа OPA132, характеризующийся высокой линейностью, сверхмалыми собственными нелинейными искажениями и способностью работать, но с некоторой компенсацией, на емкостную нагрузку, коей, собственно, является затвор транзистора типа MOSFET. В качестве усилителя мощности выбран хорошо зарекомендовавший себя для этих целей транзистор IRF635 (российский аналог КП737В). В отличие от распространенных ключевых MOSFET, он имеет (заявлено в спецификации) линейную передаточную характеристику и относительно небольшую емкость затвора (типовая, по спецификации, – 600 пФ). В качестве выходного транзистора можно использовать и более доступные IRF610B (суффикс В предпочтителен). Их емкость затвора всего 140 пФ (типовая для IRF610) и 225 пФ (максимум) для IRF610B. При использовании этих транзисторов коэффициент нелинейных искажений будет выше, но не существенно. Использовать транзисторы с большими емкостями затвора недопустимо. Как и в схеме Giovanni Militano, в качестве нагрузки истока использован генератор втекающего тока на основе ИМС стабилизатора напряжения LM317. Хотя некоторые разработчики и отказываются от регулировки рабочей точки, она в предлагаемой схеме сохранена. Если нет под рукой измерителя нелинейных искажений, то настройка, которую лучше выполнять на частоте 10 кГц, ведется по достижению симметричного ограничения сигнала на выходе. Такая настройка минимизирует нелинейные искажения и увеличивает динамический диапазон усилителя до максимума. Базовый коэффициент передачи устанавливается резистором в цепи обратной связи, дальше регулировка осуществляется уже регулятором громкости. Моделирование показало, что такая схема превосходит классическую как по уровню искажений, так и по гибкости в использовании. Ожидаемые параметры усилителя при работе на нагрузку в 32 Ом: уровень выходного сигнала при нелинейных искажениях 1% – 4 В; уровень нелинейных искажений на частоте 10 кГц при выходном напряжении 3.75 В не более 0.01% (2-я гармоника минус 85 дБ, третья – минус 90 дБ); выходное сопротивление на частоте 10 кГц не более 0.01 Ом; полоса рабочих частот 5 Гц – 120 кГц (по уровню минус 3 дБ); ток потребления 250 мА. Усилитель практически без искажений пропускает импульсы длительностью в 10 мкс в большом диапазоне амплитуд. Что касается искажений, то как и следовало ожидать, коэффициент нелинейных искажений не увеличивается при уменьшении уровня сигнала и, что особенно важно для данного применения, он практически не зависит от частоты.
Введение в схему на Рисунке 8 операционного усилителя нельзя считать существенным усложнением, так как в любом случае некий буферный усилитель будет все равно необходим. Напряжение питания при его уменьшении до 15 В приводит к уменьшению максимального уровня выходного сигнала до 2.25 В. Несколько уменьшить зависимость установки рабочей точки от напряжения питания можно заменой делителя, задающего смещение, на регулируемый маломощный источник опорного напряжения (например, на базе LM2931ACD в корпусе SOIC-8). Выходной транзистор и стабилизатор тока должны быть установлена на радиаторы, так как рассеиваемая ими мощность при питании 20 В составит примерно по 2.5 Вт. Стереоканалы лучше не объединять, а их цепи питания и земли разделить и подключить только в источнике питания, хотя, учитывая малую переменную составляющую в общем потреблении тока, это скорее дань классике, чем строгая необходимость. Источник питания необходимо использовать стабилизированный с малым уровнем собственных шумов и пульсаций. Временная диаграмма, показывающая реакцию усилителя на импульсное воздействие, и спектральная характеристика искажений изображены на Рисунке 9.
|
|||||
| Рисунок 9. | Характеристики усилителя, изображенного на Рисунке 8. а) – переходная характеристика, б) – спектральная характеристика искажений. | ||||
В качестве справки на Рисунке 10 показано влияние входного фильтра на АЧХ на примере усилителя, изображенного на Рисунке 8, с входным фильтром, и без него.
 |
|
| Рисунок 10. | Пример устранения входным фильтром влияния паразитного резонанса на частоте 4.751 МГц. |
В завершении рассмотрения темы, хочу добавить, что кроме описанных, несомненно, важных моментов, есть еще три, касающиеся вопросов общего конструктивного исполнения стереотелефонов. Что имеется ввиду? Во-первых, это оголовье. Оно должно обеспечивать хороший контакт самих стереотелефонов с головой слушателя. Здесь предпочтение отдается металлическим конструкциям с возможностью их подгонки по размеру головы слушателя. При этом должен обеспечиваться комфорт для слушателя: оголовье должно легко подгоняться, надежно фиксироваться и исключать излишнее давление на ушные раковины. Это очень важно, в противном случае, вы будете быстро уставать. Обратите внимание, что проволочные оголовья плохо фиксируются, пластмассовые не обеспечивают должно прилегания, а оголовья с пластмассовыми шарнирными креплениями очень ненадежны. Такие крепления быстро ломаются.
Вторым моментом является шнур. Он должен быть максимально гибким, а точки ввода шнура в разъем и непосредственно в телефоны усилены, так как именно в этих точках он часто обламывается. Идеальным вариантом является конструкция шнура в стереотелефонах марки AP-520 компании SVEN [13]. Здесь и высококачественный шнур в матерчатой оболочке, и дополнительное крепление в точке вода (Рисунок 11). К сожалению, на этом достоинства этой модели заканчиваются. Эта мультимедийная модель подходит разве что для прослушивания телепередач и работы в Skype. Обращаю внимание читателей, что пластиковые шнуры могут быть очень мягкими и гибкими при покупке, но через несколько месяцев пользования становятся жесткими именно в местах ввода в излучатели. Это результат воздействия человеческого пота. Рекомендации тут дать трудно, смотрите на форумах.
 |
|
| Рисунок 11. | Точка вода шнура в стереотелефонах марки AP-520 компании SVEN. |
И третий момент – это разъем для подключения. Поскольку сопротивление телефонов невысоко, а токи малы, то разъем должен обеспечивать надежную работу именно в этом режиме. Идеальным будет использование позолоченного разъема. При этом обращаю внимание читателей, позолоченного, а не золотистого цвета! Не все то золото, что блестит. В описании должно быть указано, что разъем позолоченный. В английском это будет gold plated connector, и, желательно, что бы была указана толщина покрытия, например 6 μ (6 мкм). Если написано не gold, а golden, или ничего не написано, то это означает, что разъем просто золотистого цвета и золота в покрытии нет и не было.
Литература:
- genon.ru
- Выбираем high-end наушники: тест 13 моделей
- Рентюк В. Синтез музыкальных тембров, Радиоаматор, №10, 11 2011, №1, 3-5 2012
- Чувствительность наушников
- personalaudio.ru
- doctorhead.ru
- redcircuits.com
- Усилитель для стереотелефонов, Радио №10, 1979
- DIY Class-A Headphone Amplifier
- circuit-zone.com
- Рентюк В. Использование светодиодов в устройствах индикации. Электрик №7-8 2011
- Рентюк В. Практика использования ИМС усилителей с АРУ серии SSM21xx. РадиоЛоцман, 2014, май, стр. 36, июнь, стр. 42
- shop.by
