Пользователь
0,0
рейтинг
29 июня 2013 в 14:02

Усилитель для наушников на основе композитной схемы LME49710 + LT1210CT7

Немного лирики



По роду своей деятельности постоянно общаюсь с профессиональной аудио аппаратурой, поэтому целью этой разработки было получить устройство, обладающее высокой верностью воспроизведения. Поэтому схемотехнические решения без ООС сразу были отброшены и за основу была взята композитная схема, обладающая большим потенциалом. Приходилось встречать несколько устройств с такой топологией, однако в большинстве конструкций были использованы приборы LT1795 или AD815. Однако как упоминал в одной из своих статей Дмитрий Андронников (aka Lynx):
даже весьма мощные ОУ с ТОС при подключении к их выходу наушников сопротивлением ниже 50...60 Ом работают в достаточно напряженном режиме как по выходному току (что приводит к росту искажений), так и по тепловыделению.

Было решено привлечь «тяжелую артиллерию», но об этом ниже.


Теперь устройство


Питание

Начну, пожалуй, с самого конца: первый оплот защиты — это фильтр сетевых помех и снабберы во вторичных обмотках трансформатора. Задача снаббера — гасить паразитный колебательный процесс в контуре, образованном индуктивностью рассеяния трансформатора и емкостью цепи его вторичной обмотки в моменты запирания диодов. Задача определения паразитных параметров трансформаторов весьма нетривиальная, поэтому были использованы исследования Алексея (Lexus) и установлены номиналы 100 Ом и 0.1 мкФ.

Изначально я предполагал установить двухзвенный LC фильтр, с применением дросселей производства Murata серий PLA10 и PLH10; конденсаторов подавления ЭМП — Epcos X2 емкостью 0.22 мкФ и варисторa Epcos S20K275 с большой поглощаемой энергией — 150 Дж.

Но в итоге было решено использовать готовые решения в целях экономии пространства в корпусе:

В качестве стабилизаторов применены приборы M5230L производства Mitsubishi Electronic [5]. Довольно интересные приборы, обладающие очень низкими собственными шумами (во много раз меньшими, чем у широко применяемых LM317/LM337) в широком частотном диапазоне: 12 мкВ СКЗ, 20Гц — 100 кГц, высокой температурной стабильностью (0.01%/°С). Но есть один минус — выходной ток самой ИМС ограничен на уровне 30 мА, так что для получения больших токов необходимо использовать внешние регулирующие транзисторы. Схема включения особенностей не имеет и взята из даташита — High ripple rejection circuit. Регулирующие транзисторы применены 2SC4793/2SA1837 и установлены на общем радиаторе.


В качестве выпрямительных применены SMD диоды Шоттки 10MQ100. Конденсаторы 3300 мкФ Panasonic FC, остальные — Elna серий Silmic и Silmic II. Первоначально планировалась установка дополнительных емкостей около LT1210, но уже при разводке платы было решено от них отказаться, так как выходные емкости БП оказались в непосредственной близости от потребителя. При использовании конденсаторов Elna еще на стадии проектирования печатной платы необходимо уточнить их размеры на сайте производителя, так как эти конденсаторы имеют в несколько раз большие габариты чем «обычные»:


Усилитель

Композитная схема имеет большое петлевое усиление, выходной каскад на мощном ОУ охвачен собственной петлей ОС, что позволяет получить довольно низкие искажения при работе на различные виды нагрузок.

В выходном каскаде используется быстродействующие ОУ с токовой ОС LT1210CT7 производства Linear в корпусе TO220, который обеспечивает намного лучший отвод тепла, нежели другие вариант корпусов, которые предлагает производитель. Эти ОУ могут обеспечивать долговременный ток в 1,1А (2А в пике), что позволит с легкостью работать на нагрузку с низким сопротивлением. Коэффициент усиления выходного ОУ равен 2, но легко может быть уменьшен до 1, либо увеличен. Выбор номиналов резисторов в цепи ОС ОУ с ТОС несколько сложнее, чем для ОУ с ОС по напряжению: от его номинала напрямую зависит стабильность схемы. Уменьшение номинала Rf увеличивает рабочую полосу частот, но ухудшает стабильность, уменьшение – увеличивает стабильность и сужает рабочий диапазон. Резисторы в цепи ОС (1,5 кОм) выбраны таким образом, чтобы обеспечить максимальную стабильность. Конденсаторы компенсации (C4, C23) обеспечивают устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Вообще производитель обещает стабильную работу на емкостную нагрузку до 10000 пФ!

Немного о тепловом режиме. В даташите [3] приведены (что не очень часто встретишь) приведены примеры расчетов теплового режима. Микросхемы установлены на индивидуальных радиаторах HS211, обладающих тепловым сопротивлением 7.5 °C/W. Тепловое сопротивление кристалл-корпус составляет 5°C/W. Не зная точного теплового сопротивления изолирующей прокладки оно было для расчетов принято 2 °C/W (по некоторым данным, найденным в интернете).
При нагрузке 16 Ohm (хотя профессиональные наушники редко бывают с сопротивлением ниже 50-60 Ом) и выходном сигнале 4V RMS (что соответствует 5,6V амплитудного напряжения) микросхема будет рассеивать 2Вт тепла (ток потребления в таком режиме чуть более 100 mA). При температуре окружающей среды 25 °C кристалл будет нагреваться не более 65 °C.
Так как наше устройство будет находится в закрытом корпусе, то температура внутри может достигать довольно приличных значений в 50-60°C. В итоге получаем температуру кристалла порядка 100-110 °C что вполне допустимо. Но это на синусоидальном сигнале, на музыкальном сигнале (хотя приходилось «видеть» фонограммы с RMS -3 db :-) ) нагрев будет значительно меньше.

В качестве первой «ступени» был выбран прибор производства другой компании — LME49710 от Texas Instrument [4], обладающий великолепными характеристиками: низким уровнем всех видов искажений, очень низким уровнем шума (0,34 мкВ СКЗ@20Гц — 20000 Гц), низким уровнем смещения (±0,05 мВ), большим разомкнутым усилением (140 дБ) и высоким уровнем CMRR и PSRR (120 и 125 дБ).
Однако в процессе настройки устройства попался один экземпляр этого ОУ, при установке которого постоянное напряжение на выходе было порядка 14 мВ; после недолгих раздумий был установлен другой прибор (из 10 приобретенных) — все пришло в норму.

Плата как элемент конструкции

При применении такого высокоскоростого ОУ как LT1210, имеющего скорость нарастания выходного напряжения 900 В/мкс, особое внимание стоит уделить топологии печатной платы, так как в быстродействующих аналоговых схемах она заметно может повлиять на качество работы устройства. Плата должна быть выполнена так, чтобы минимизировать влияние на работу схемы. Более подробно о топологии печатных плат можно почитать в книгах [1] и [2].
Усилитель выполнен на двухсторонней печатной плате, нижний слой которой отведен под полигон GND, конечно в процессе разводки некоторые цепи все-таки оказались на нижнем слое, но они имеют небольшую длину. Такая топология платы была выбрана для максимального снижения импеданса земли, необходимого для стабильной работы высокоскоростных ОУ. Так же была учтена уязвимость инвертирующих входов ОУ к емкости на землю, так как даже емкость в 1 пФ может привести к увеличению коэффициента передачи ОУ на частотах, близких к максимальным. Наиболее очевидное решение этой проблемы — сокращение длины проводника. Другое, менее очевидное, — это уменьшение его ширины. В результате применение проводников толщиной 0.3 мм к инвертирующему входу ОУ дает емкость около 0.1 пФ в зависимости от диэлектрической проницаемости материала платы (у FR-4 от 4 до5).


В процессе сборки и настройки



Для питания прибора используется трансформатор с четыремя вторичными обмотками с напряжениями 14в и током 500 мА, который был специально заказан на заводе для этого проекта. Регулятор громкости я использовал ALPS RK27 сопротивлением 10 кОм. Корпус был куплен в Китае.






К сожалению на этот момент ничего кроме телефона не было под рукой.

А теперь измерения


После сборки и прослушивания были проведены измерения с помощью комплекса Audio Precision AP586:











Литература:


  1. Брюс Картер и Рон Манчини. «Операционные усилители для всех».
  2. Walt Jung. Op Amp Applications Handbook
  3. LT1210 datasheet
  4. LME49710 datasheet
  5. M5230L datasheet
Антон @pryanic
карма
29,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (49)

  • +1
    Против ширины проводников сигнальных линий ничего не имею, но почему такие тонкие дорожки на цепи питания? Их желательно тоже сделать полигонами.
    • +1
      Сейчас готовлю четырехслойный вариант платы: наружные слои сигнальные, земля и питание полигоны.
      • +1
        Да, так и делают, если есть возможность сделать четырёхслойку. Ну а раз вы всё равно заказывали заводскую, разница в цене будет небольшая.
        • +1
          Да почти не будет, странно что не сразу 4х.
          • +1
            Если заказывать у китайцев мелкие партии, то разница в цене примерно 10 раз
          • +2
            Разница в цене будет приличной. При такой площади платы раза в 3-4 при срочном производстве в России.
            • +2
              Не нужна тут четырёхслойка совершенно.
              • 0
                Не согласен категорично.
                • 0
                  Можно с аргументами?
                  • +2
                    В данном случае мне кажется двухслойки для качественной трассировки цепей питания и земли будет достаточно, если грамотно всё сделать. С виду качество трассировки среднее. Грубых ошибок не заметил, но конечно не высший класс. Жалко нет фотки со стороны земли. Грамотно развести землю очень важно в данном случае особенно!!! И один слой, выделенный целиком под землю не панацея. Часто в сложных цифроаналоговых схемах например приходится специально землю «резать»
                    • 0
                      про заземление в схемах со смешанными сигналами знаю. В случае усилителя для наушников земля должна быть общая для обоих каналов в виду того, что у нагрузки земля для обоих каналов общая. В случае разделения земель получаем петлю.

                      4 слоя конечно лучше по нескольким параметрам:
                      распределенная емкость между слоями питания и земли уменьшает высокочастотные шумы.
                      меньшее излучение помех в эфир.
                      снижение импеданса шин земли и питания.
                      • 0
                        Там этой ёмкости — единицы Пф на квадратный сантиметр. Имеют значение на частотах выше 1 ГГц.
                        А эту плату можно и в одном слое развести без проблем…
                        • 0
                          Предложите свой вариант!
                          • 0
                            Если буду что-то подобное делать — обязательно выложу.
  • +4
    Будет ли продажа плат и трансформатора? =)
  • +1
    Любопытно, а какие головные телефоны вы можете порекомендовать для подключения к данному (или похожему) устройству?
    • +2
      Да в принципе любые. Я сам слушал с Sony 7506 и с Sennheiser HD650
  • +3
    Молодец! Плата шедевр, очень качественно.
    • +1
      Спасибо.
      • +1
        Заказывали где-то, или работаете на предприятии?
        • 0
          Платы заказывал.
  • +6
    Аудиофилы видя его поди бьются в истерике и плачут кровавыми слезами :))))
  • +1
    А что по деньгам вышло?
  • 0
    Прошу прощения за оффтопик, есть вопрос относительно целесообразности использования усилителя для наушников Denon AH-D2000 в связке с звуковой картой Creative X-Fi Titanium HD. Имеет смысл брать усилитель? Если да — что посоветуете?
    • 0
      Ваши наушники с достаточно низким сопротивлением, так что нагружают выход карты довольно сильно.
      Смысл в усилителе несомненно есть, а конкретно сказать не могу — нужно смотреть, слушать, выбирать.
      • 0
        Цитирую один из обзоров — «В недрах платы мы найдем усилитель для наушников NJM4556A, два линейных усилителя National LME49710 и цифро-аналоговый преобразователь Burr-Brown PCM1794!» этого недостаточно? Внешний усилитель все же нужен и повлияет на качество звучания?

        Благодарю за ответ.
        • 0
          Посмотрел я даташит на 4556. В нем все характеристики приведены для сопротивления нагрузки 150 Ом и 2 кОм, следовательно при подключении нагрузки в 25 Ом количество искажений будет в несколько раз выше заявленных в тех. документации. Для высокоомных наушников такой вариант может подойти, для низкоомных я бы не советовал.
          • 0
            Зависит от реального выходного тока, думаю что никто тут не собирается раскачивать её до предела: выходной ток 70 мА на нагрузке 25 Ом даст 120 мВт что для наушников на порядки больше чем обычно используется при прослушивании. Вышеприведённые наушники со своей чувствительностью в 106 Дб\мВт при этом приблизят слушателя к болевому порогу. Ну и конечно же искажения возникающие в схеме пренебрежимо малы по сравнению с искажениями в самих наушниках.
            А вот из-за того что основное падение напряжения будет происходить на внутренних элементах операционника а не на нагрузке греться он будет сильно.
            • 0
              нужно не забывать, что катушка наушников не является чисто резистивной нагрузкой, учитывайте еще емкость и индуктивность; плюс на некоторых частотах импеданс может снижаться довольно значительно. Все это сильно усложняет жизнь для ОУ. Да и наверняка падение беты выходных транзисторов начинается с токов порядка 30 мА. Все эти факторы приводят к сильному росту искажений.
              • 0
                Я очень слабо разбираюсь в технической части, но если сравнивать с звуковыми картами встроенными в мат.плату — разница при переходе на вышеуказанную на слух — огромна. Если дополнительный усилитель даст подобный эффект — это однозначно имеет смысл.
              • 0
                Конечно не чисто резистивной, это понятно. Главное здесь то что полное сопротивление не будет никогда меньше этого самого сопротивления постоянному току которое мы измеряем тестером в диапазоне частот на которых нам предстоит работать*.
                Ради прикола ткнул и померил индуктивность катушки нашников которые первыми попались под руку и имеют сопротивление постоянному току 40 Ом — получилось 112 мкГн. На 20 кГц это 13.8 ома, на 20 герцах — 13.8 миллиома. Таким образом, полное сопротивление ушей с сопротивлением постоянному току 40 Ом на частоте 20 кГц будет 42.3 Ома — невелика прибавка.
                Гораздо бОльшую прибавку сопротивление покажет на частоте механического резонанса — там оно может и в 2-3 раза возрасти.
                Типичная ёмкость хорошего экранированного провода — порядка 100 Пф\м. Трёхметровый провод к наушнику на частоте 20 кГц даст емкостное сопротивление 26 кОм, на 20 Гц — 26 МОм, что крайне далеко от характерных сопротивлений в схеме чтобы на что-то влиять.
                Операционник охвачен ООС, так что до некоторого предела падение беты транзисторов никого не интересует. До какого — ну явно бОльшего чем номинальный выходной ток, иначе ОУ его просто бы не отдал.

                *Я не имею в виду гипотетические случаи закачивания в разъём наушников частоты 1 ГГц где ёмкость самого разъёма будет играть большую роль.
  • 0
    Спасибо, значит будем копать дальше.
  • 0
    Меня смутила фраза: "… схемотехнические решения без ООС сразу были отброшены и за основу была взята композитная схема, обладающая большим потенциалом". Вы какую обратную связь имели в виду — общую или локальную?
    Вообще-то при создании аппаратуры самого высокого класса конструкторы пытаются избавиться от общей обратной отрицательной связи, поскольку она приводит к уменьшению скорости прохождения сигнала и «смазыванию» фронтов импульсов. Добиться низких гармонических искажения не так уж сложно, а вот получить хорошие импулсные характеристики значительно труднее. Понятно, что от локальных обратных связей избавиться не получится, но вот от общей — можно.
    • 0
      Выходное сопротивление усилителя без ООС имеет значение в несколько Ом, введение ООС позволяет максимально снизить выходное сопротивление усилителя.
      Только общая ООС позволяет справиться с фазовыми и дифференциально-фазовыми искажениями, которые есть в любом усилительном каскаде и влияют на достоверность воспроизведения.
      • 0
        Не надо мне пересказывать учебник — я все это знаю. Я говорю о том, что техника самого высокого класса делается без общей обратной связи. Примеров могу привести множество, из того, что первое приходит на память — Ayon Audio, Electrocompaniet, T+A, darTzeel, Lamm Industries… В топовых моделях Musical Fidelity общая обратная связь также не применяется. А вот усилители нижнего ценового диапазона обызательно делаются с ООС — так проще сделать «красивые» характеристики при минимуме затрат. Но по-настоящему «высокую верность воспроизведения» так не получить, поскольку скорость прохождения сигнала снижается и фронты импульсов «замыливаются». Я понимаю, что в Вашем ценовом диапазоне без ОСС обойтись трудновато, но в любом случае не следует преподносить ее как достоинство схемы.
        • 0
          Мне кажется вы слишком сильно преувеличиваете ухудшение импульсных характеристик в схемах с ООС. Снижение быстродействия происходит за счет коррекции, дабы найти компромисс между устойчивостью схемы с ОС и быстродействием. Я не отрицаю высокого качества всех представленных Вами усилителей. Но конечно сравнивать верхний уровень Hi-End и совсем бюджетные решения.
          Опять же, нужно не только говорить о наличии и отсутствии ООС, но и сам уровень схемотехники, ведь линеаризировать схему до введения ООС представляется достаточно сложным. Часто встречаются совершенно бездарные примеры устройств без ООС (к примеру ушные усилители Lehmann).
          • 0
            Насчет Lehmann не соглашусь — старшая модель очень даже ничего, там только цена бездарная. Очень ровный, нейтральный усилитель. Правда, я его слышал с наушниками Sennheiser HD 650. Возможно, у Вас иной звуковой идеал. Или тракт кривой.
            Что касается ООС, постараюсь выразить свою мысль понятнее. Начиная с 60-х годов прошлого века, наличие ООС у транзисторых усилителей было совершенно обязательным. И только где-то с 70-х годов у разработчиков появлется понимание, что настоящую верность воспроизведения можно получить только без ООС. У ламповых усилителей это достигается относительно просто, у транзисторных — очень сложно и потому очень дорого. В бюджетном секторе полупроводниковых усилителей без ООС не бывает в принципе. Это абсолютно общее место и никоим образом не может быть достоинством конструкции. Это как написать: достоинством данного автомобиля и залогом его высоких скоростных характеристик является наличие четырех колес. Теперь понятно?
            • 0
              У Lehmann что за 30, что за 80 — потроха одинаковые. Только коробочки по-разному разукрашены, а внутри деталей примерно на 100-150$)))
              • 0
                Завидуете?
                • 0
                  Нет.
  • 0
    Так что получилось по деньгам? И будет ли конструктор?
    • 0
      Прототип в районе 12 мне обошелся.
      Конструктор вряд ли будет, если не найдется достаточное количество желающих. В ближайшее время могу изготовить несколько плат (опять же зависит от желающих).
      • 0
        держите в курсе ))
      • +1
        В своё время в подобной ситуации я делал так: писал письмо в «резонит» что разрешаю любому заказчику повторять мой заказ номер ХХХ. После чего размещал информацию о порядке заказа в открытом доступе и все желающие могли повторить мой заказ, не оплачивая повторно подготовку к производству и не дёргая меня. Думаю что и другие производители печатных плат тоже пойдут на это.
        • 0
          Я тоже в резоните заказывал). Просто если каждый будет делать по 1-2 платы, то получится дорого, лучше сразу заказать 10-20 штук, тогда цена как минимум вдвое ниже будет.
          • 0
            Вдвое она ниже будет если заказывать не срочное изготовление а через 3 недели. Изменение цены при росте объёма заказа не так значительно. А вот площадь платы сократить раза в два, а то и во все четыре можно убрав с неё радиаторы и прикрутив греющиеся компоненты изнутри к корпусу.
            • 0
              Я и смотрел «мелкие и средние партии». За 1 шт. калькулятор выдает 2400, за 20 шт. — 7650 (385,5р за шт.).
              • +1
                Так подготовка к производству делится на все платы. Если заказ такой уже был то повторно оплачивать подготовку не надо, только изготовление.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.