Усилитель для наушников, чуть сложнее
Проапгрейдил недавно компьютер на LGA2011, на коробке от относительно недешевой платы красовалась надпись «супер пупер звук, 110Дб вся фигня». Отлично подумал я, хороший звук никогда не помешает. Следующие 2 дня я неистово гнал железо, и все было хорошо. А потом вернулся к обычной работе, и естественно, к рабочей музыке. Тихо. Нет. ТИХО! 100% громкости едва хватало для комфортной громкости с моими обычными 32-х омными наушниками (Sennheiser HD 448, отличающихся не самой высокой чувствительностью), а если запись была сделана с низким уровнем сигнала — то хоть волосы вырывай.
От безысходности начал было даже слушать через bluetooth A2DP адаптор, но само собой и качество и аккумуляторы (
6 часов) вгоняли в печаль…
Стало ясно что жить так больше нельзя.
Но отступим на 3 месяца назад: Покупал я детали для моего MP3-плеера в terraelectronica, который должен был наконец заменить мой iPod, и проходясь по списку микросхем для аудиотехники (сортировка по наличию и цене) увидел в начале списка MAX9724 по феноменальной цене в 7.78 рублей. Хоть это и был специализированный усилитель для наушников, мне он по тому проекту был не нужен — купленный аудиокодек уже выдавал сигнал нужного для наушников уровня. Ну, решил я, куплю про запас штучек 5, мало ли где пригодится, тем более с такой ценой…
Итак, наши Design goals для усилителя
1. Все должно собираться из того что есть, чтобы решить проблему «сегодня» (супердорогие операционные усилители отпадают)
2. Питание строго от USB, никаких нестандартных блоков питания и тем более батареек
3. Качество должно быть лучше того, что может услышать человек
4. Как следствие из пункта 3 — конденсаторы на пути аудио-сигнала — это проблема (хоть и решаемая). Пленочные конденсаторы дорогие и редкие, а с электролитами тут всегда непросто.
5. Отсутствие потенциометра регулятора громкости — они шумят (при вращении / просто от старости) и вообще ненадежны.
Существующие конструкции:
1. Вот например недавняя статья Усилитель для наушников просто и быстро — в статье тактично опущен вопрос с питанием 🙂 Также, после чтения соответствующих статей понятно, что на операционных усилителях строить нормальные усилители не просто — много нюансов (впроде самовозбуждения, смещения 0, входящего тока и ограничений на входное сопротивление). Ну и в целом — операционные усилители требуют двухполярного питания, из USB его делать — нужна еще одна микросхема и отладка.
2. USB-ЦАП также отпадают из-за доступности и в целом «железная» звуковая карта мне больше нравится.
3. Готовые портативные усилители — помимо ожидания, нужно верить, что там внутри ни на чем не сэкономили. Кстати чип внутри этого FiiO E3 — функциональный аналог того что у меня, разница в том, что MAX9724 может от 5В работать, а LM4917 — 3.3В максимум (что также ограничивает применимость для 300-омных наушников).
Решение
Очевидно, я достал свою MAX9724 — содержит внутри генератор двухполярного напряжения (делает -5В из 5В) и 2 операционных усилителя, заточенные под усиление звука. По качеству — искажения THD+N по типовой схеме включения в моих условиях порядка 0.04% (не каждый услышит искажения даже в 0.5%). Схема не требует наличия конденсаторов на выходе, т.к. сигнал усиливается сразу «относительно земли» — что резко снижает количество возможных мест потери качества.
Этот уровень искажений (0.04%) можно еще снизить — в типовой схеме 2 конденсатора генератора отрицательного напряжения с номиналом 1мкф, и по графику при повышении емкости до 2.2мкф существенное снижение искажений. Я поставил около 20мкф керамических конденсаторов во все 3 места (генератор напряжения + питание), и думаю могу рассчитывать на параметры лучше, чем в типовой схеме
Схема простая как валенок. Стоит обратить внимание только на резисторы, они задают коэффициент усиления, в данном случае 2 (20кОм/10кОм). Если у вас наушники на 150-300 ом, можно поставить 40ком вместо 20, тогда максимальный размах сигнала на выходе усилителя будет 8В, чего должно хватить с запасом. Также на схеме в даташите указаны конденсаторы на входе — их я убрал, т.к. из моей звуковой карты уже идет сигнал относительно нуля, и срезать лишние низы/вносить искажения конденсаторами мне ни к чему. Как результат — усилитель усиливает сигналы от 0Гц (но конечно звуковая карта имеет свои ограничения).
Односторонняя разводка тривиальна, стоит обратить внимание только на 2 перемычки, а также то, что разъемы USB и аудио на «обратной» стороне платы.
Собираем
Микросхема хоть и выглядит хардкорной, легко паяется с помощью магии поверхностного натяжения (все мажем жидким флюсом ЛТИ-120, и припой сам залезает только на ножки). Конденсаторы тут со сломанного компьютерного железа — в аудиотракт их конечно ставить нельзя, но для питания все ок. В каждое из трех мест — кучка больших (по 4.7-10мкФ), и 1 маленький (0.1мкФ) — чтобы их резонансные частоты не совпадали.
Схема получилась весьма компактная. Конденсатор в центре — подключен на питание 5В от USB. При подключении к порту компьютера 1000мкФ конечно перебор, стандарт разрешает только 10мкФ, но обычно все работает.
Высокотехнологичный корпус из изоленты. Изначально плату делал под термоусадочную трубку — но буквально миллиметра не хватило, не влезло. Ну, тем не менее, мне нравится.
Цена вопроса
30 рублей макс.)
Разъемы — 0 (если покупать,
20-30 рублей )
Изолента для хайтек корпуса — 1 рубль
Итого — это ровно 11.06 рубля для меня, и порядка 61.06 рублей если все покупать 🙂
Результаты
Конечно, я сразу наткнулся на известную проблему: при работе с аудио к одной земле нельзя подключаться в двух местах (земля USB и земля звукового разъема). В этом случае по земле пролазят помехи, которые отфильтровать невозможно, и никакой стабилизатор питания тут не поможет. (проблема в том, что у USB — свой уровень земли, у звука — свой, и у нашей платы свой. В зависимости от потребляемого тока земля приподнимается везде по разному и это дает неустранимую помеху).
Решить эту проблему можно или избавившись от звукового подключения (USB DAC) или от питания (аккумулятор или другой блок питания). Использование блока питания с USB выходом меня полностью устроило в связи с тем что они везде есть и стандартны.
Конечный результат — выше любых ожиданий. Никаких нареканий на качество, абсолютный 0 шума, комфортный уровень громкости — от 22 до 40%, и запас для «вытягивания» тихих записей. Звук смачнее (главное помнить, что басы тут от 0Гц) и все такое, да и вообще — аудиодевайсы сделанные своими руками всегда особенно хорошо звучат 🙂
От готовых китайских девайсов (вроде того-же FiiO E3) отличает более низкая цена (sic!), сборка с комплектующими «с запасом», отсутствие конденсаторов в аудио тракте, большая мощность при работе с высокоомными наушниками (300 Ом) за счет более высокого напряжения питания ну и качество звука в теории обещает быть выше (на практике я бы вероятно не услышал разницы).
PS. Как я выше упоминал — усилитель нужен не для того чтобы портить себе слух сверхвысокой громкостью (не говоря уже о порванных наушниках ), а для раскачки «тяжелых» наушников с низкой чувствительностью, если выход звуковой карты слишком дохлый. Ну и тихие записи / фильмы вытягивать без софта…
PS2. Отрыв плюсов от «добавлено в избранное» в 4 раза, рекорд 🙂
Источник
Усилитель для наушников просто и быстро
Данная статья рассчитана на начинающих паяльщиков или людей совсем без опыта, так как рассматриваемое устройство довольно простое и не требует какой-то подготовки. Людям более-менее продвинутым тут, пожалуй, ничего интересного не откроется.
Несмотря на простоту, девайс звучит вполне прилично, а усиливает вообще замечательно, так что если есть желание что-то сделать своими руками, не тратя на это неделю — добро пожаловать. Если же вам просто нужен усилитель для наушников, то сходите и купите. Это будет дешевле и проще.
Зачем
Как многие разработчики, я люблю работать в наушниках. Это создает необходимый барьер между мозгом и разговорами/телефоном/пр. шумами офиса. Не так давно я купил себе относительно неплохие наушники AKG 272 HD, и втыкаю я их в SB Audigy 2. Звуковая картина в целом радует и дарит всяческие наслаждения, но обнаружился один момент — при прослушивании не очень современной музыки, музыки, не затронутой войнами громкости, а также композиций, не страдающих болезненной компрессией и перегейном, громкости звучания недостаточно, даже при вывернутых на максимум ползунках. Вероятно, это связано с чувствительностью используемых динамиков.
Для решения этого вопроса я решил потратить свободный вечер на постройку небольшого усилителя для наушников.
Подобные устройства не редкость, и их довольно много по цене «от 15$», в большинстве своём made in China. Подобная покупка лично мне кажется а) неспортивной и б) труднопрогнозируемой по качеству звука. Что находится внутри коробочки за 20$ можно узнать только после получения, а на какой чип нанесена маркировка пафосного аудио усилителя — вообще навсегда останется загадкой. Ходить же по локальным магазинам и слушать разные модели — банально лень и жалко времени.
Требования
Каких-то особых требований к устройству я не предъявлял, основные моменты таковы:
- стерео;
- внешнее питание, чтобы не заморачиваться с батарейками;
- умеренные габариты;
- качество звука выше сносного (учитывая, что прослушивание в наушниках, строить hi-end смысла нет);
- простота схемы.
Под эти требования подходит тысячекратно проверенная CMoy Pocket Amplifier. В интернете имеется довольно много англоязычных ресурсов с разбором этой схемы и деталей её работы. Русскоязычной информации почему-то не очень много.
Под какие-то исключительные наушники и звуковую карту эта схема, пожалуй, не подойдет, но для нормального «бытового» оборудования вполне годится.
В оригинальной схеме используется относительно качественный (и довольно дорогой) Burr-Brown OPA132, который, помимо прочего, еще и довольно редок в наших краях, но существует целый ряд альтернатив (ссылка на тестирование в конце статьи) так что можно смело собирать. Других редких или дорогих деталей в схеме не используется.
Подготовка
Схема устройства представлена на рис. 1. Точнее, там схема питания и половина схемы усиления — на один канал.
Рис. 1. Схема питания и одного канала
Как видно, схема предельно проста. Не мудрствуя лукаво, разводим плату как получится, под размеры имеющихся деталей. У меня получилось как показано на рис. 2.
Сразу отмечу — устройство я собирал из того, что было под рукой — резисторы 0.5 Вт 5%, высоковольтная пленка, большие электролиты. Маленькой коробочки под рукой тоже не было, поэтому в размерах я не стеснялся. При желании это всё можно сделать раза в три меньше.
Рис. 2. Эскиз печатной платы
Теперь собираем детали — по сусекам или в магазине.
Полезные советы закупающимся впервые:
- не забудьте купить панельку для микросхемы в корпусе dip 8 (и, соответственно, саму микросхему покупайте в этом корпусе). Панелька нужна чтобы легко менять микросхемы и подбирать их на слух, ну и перегреть её паяльником не получится;
- резисторы пойдут 0.25Вт. Чем точнее, тем лучше, но без фанатизма;
- электролитические конденсаторы брать на напряжение 35В и выше;
- если будете делать светодиод — не забудьте держатель для него, соответствующего диаметра.
Теперь можно приступать непосредственно к изготовлению.
Изготовление платы
С помощью любого удобного способа нужно изготовить плату. Я использовал ЛУТ, у меня уже есть опыт и отличный боевой утюг: 
Рис. 3. Утюг
Для травления таким способом понадобятся следующие устройства и материалы:
- Фольгированный текстолит;
- Ножовка по металлу или бормашинка с отрезным кругом;
- Лазерный принтер;
- Глянцевый журнал (лучше без женщин, чтоб не отвлекаться);
- Утюг, который не жалко;
- Мелкая наждачная бумага;
- Ацетон;
- Тряпки или ватные диски;
- Хлорное железо;
- Посудина для травления;
- Раковина, мыло.
Детальные фотографии процесса приводить не буду (сказать и показать что-то новое по поводу ЛУТа довольно трудно, в интернете всё есть). Вкратце процесс таков:
- Вырезаем подходящий кусок текстолита. В идеале — обработать получившиеся кромки напильником, так легче равномерно проутюжить потом;
- Зачищаем медный слой мелкой наждачкой, промываем водой с мылом, и стараемся больше не касаться его пальцами;
- Печатаем лазерным принтером разводку платы на странице из глянцевого журнала;
- Вырезаем, прикладываем рисунок на текстолит, накрываем листом белой бумаги, и утюжим горячим утюгом до тех пор, пока бумага не пожелтеет (это индикатор того, что текстолит прогрелся достаточно). Утюжим старательно, равномерно, не забывая углы. Перегревать текстолит не следует — расплывется печать, а также текстолит может деформироваться;
- Кладем текстолит (осторожно, он горячий) с приклеившимся рисунком в толстую книгу (ненужную!), и становимся всем весом сверху на пару минут;
- Вынимаем, кидаем в ёмкость с горячей водой (я использую глубокую тарелку) минут на 5-10;
- Под краном с горячей водой осторожно отслаиваем бумагу, «катышками». В итоге останутся только черные дорожки;
- Изучаем. Если получилось совсем плохо — смываем всё ацетоном идем к п. 3. Мелкие дефекты можно выправить — расплывы удалить кончиком ножа, а плохо прилипшие дорожки подправить чем-нибудь — например, взять у подруги лак для ногтей, удобно и прочно;
- Разводим раствор хлорного железа в подходящей посудине. Важно! Соблюдайте технику безопасности! Сначала вода, затем железо, и понемногу. Нельзя заливать железо водой — если хлорное железо хорошее, то будет выделяться очень большое количество тепла. Разводим до цвета крепкого чёрного чая;
- Побалтывая, ждем пока сойдет медь. Лучше делать это в проветриваемом помещении, в тепле (чем выше температура, тем быстрее скорость реакции);
- Вынимаем плату, тщательно промываем и смываем порошок ватным тампоном/диском с помощью ацетона. Всё, плата готова!
После этого можно начинать сверлить отверстия. В итоге у меня получилась вот такая плата (постарайтесь не перетравить, как это вышло у меня. Это некритично в данном конкретном случае, каких-то больших токов тут не протекает, а заряженные частицы и так найдут где двигаться, но всё же): 
Рис. 4. Рассверленная плата.
Меры предосторожности:
- Не используйте хороший утюг — поцарапаете всю подошву и получите нагоняй от его водителя;
- При работе с хлорным железом соблюдайте меры предосторожности. Избегайте попадания на кожу, вдыхания паров, попадания хлорного железа на металлические предметы.
Далее плату лудим и запаиваем детали: 
Рис. 5. Лужение
Рис 6. Плата в сборе
При сборке я сразу запаял резисторы R5 (обозначения по схеме) для уменьшения шумов, однако после испытаний от них отказался, впаяв перемычки. В остальном от оригинальной схемы не отступал.
Переключатель питания и светодиод я делать не стал, поскольку батарейное питание и экономия энергии для меня неактуальны, и устройство будет работать от внешнего блока питания.
Как видно на рис. 6, я использовал сдвоенный пот ALPHA и изолированное от корпуса гнездо для питания (это важно).
Также использовались 1/4″ разъемы, просто потому, что они у меня в ходу, как и соответствующие штекеры, хотя в данном проекте логичнее использовать разъемы 3.5 мм. Мои экземпляры не изолированы от корпуса, и я даже получил земляную петлю таким образом, однако на уровень шумов это не повлияло заметным на слух образом.
Подключаем, крутим ручку, радуемся результату. Настройки не требуется, разве что попробовать разные типы ОУ и напряжение питания. Теперь можно приниматься за корпус.
Корпус
Под руками оказалась такая вот коробочка: 
Рис. 7. Корпус Gainta G0124.
Купить такой можно, например, тут. Материал — силумин, обрабатывается крайне легко и приятно. Через десять минут получаем результат: 
Рис. 8. Рассверленный корпус
Собственно, на этом всё. Запихиваем разъемы в корпус, обрезаем и перепаиваем избыток проводов, лепим на нижнюю крышку (с внутренней стороны) что-нибудь непроводящее (чтобы не позамыкать на плате всякое), и получаем готовое устройство: 
Рис. 9. Готовое устройство
Всего на изготовление от поиска схемы до включения готового устройства в розетку потребовалось около 3-4 часов. По деньгам (с чипом OPA2227PA) выходит около 500 рублей. Учитывая получившийся результат — вполне неплохо. Со своими задачами девайс справляется замечательно, profit цель достигнута.
В итоге, ссылка на хороший англоязычный ресурс:
tangentsoft.net/audio/cmoy-tutorial
там же есть тестирование различных ОУ:
tangentsoft.net/audio/opamps.html
UPD. Да-да, я знаю, что плата получилась плохо (несвежий раствор + забыл вытащить вовремя), контролируйте процесс и постарайтесь не перетравить, медь должна быть гладкой, блестящей и радовать глаз.
Источник