Усилитель для наушников с выходом на транзисторах КП901А

Предлагается вниманию высококачественный усилитель для наушников с транзисторами КП901А на выходе, работающими в режиме повторителей при токах покоя порядка 100 мА. На общей для двух каналов плате размещаются также выпрямители, стабилизаторы питания и узел защиты наушников от постоянного напряжения. На отдельной плате находится сетевой фильтр и силовой трансформатор. Предусмотрено подключение к плате усилителя небольшой платки индикации режима работы.

Максимальная выходная мощность усилителя зависит от сопротивления наушников: при работе на нагрузку с оптимальным сопротивлением 60..100 Ом усилитель может развивать мощность до 0,7..0,8W, при сопротивлениях около 30 Ом и 200 Ом она снижается примерно до 0,4 Вт, а при сопротивлениях около 20 Ом и 300 Ом — примерно до 0,25W:

Выходное сопротивление усилителя — около 1,25 Ом. 

АЧХ усилителя практически линейная вплоть до частот 300 кГц, со спадом до -2 дБ на частоте 400 кГц:

Рассмотрим схему усилителя:

Можно сказать, что полная схема усилителя представляет своего рода «сборную солянку».

Стабилизаторы напряжения  ±15В последовательного типа для питания усилителя выполнены по классической структуре ИОН — ФШ — ОУ. Их схема взята от предварительного усилителя Lynx P45. Добавлена лишь опциональная возможность точной подстройки значений выходных напряжений с помощью потенциометров R67, R85. Резисторы R71 и R89 подбираются для получения токов через стабилитроны VD5, VD6 порядка 5 мА (лучше сделать это заранее на отдельном макете для конкретных экземпляров транзисторов Q24 и Q26). В качестве DA1 и DA2 применены отечественные ОУ 140УД7 (надо же их куда-то девать :), но можно применить и другие подходящие ОУ. Управляющие транзисторы Q23, Q25 я поставил те, что были под рукой; лучше выбирать такие, у которых наименьшее напряжение насыщения (это позволит снизить входное напряжение стабилизаторов и уменьшить нагрев транзисторов), большой коэффициент усиления и большой максимально допустимый ток коллектора (в стабилизаторе не предусмотрена защита от КЗ, и в таком случае просто перегорят ограничительные резисторы в силовых цепях этих транзисторов). Возможна установка на плату транзисторов в корпусе TO-220 как с цоколёвкой ЭКБ, так и БКЭ. При использовании транзисторов в пластиковом корпусе радиаторы можно «посадить» на землю (для этого снизу платы предусмотрены соответствующие перемычки из припоя). В выпрямителях использованы диоды Шоттки VD9..VD16 с малым падением напряжения. Элементы индикации HL5..HL8 служат для быстрой оценки наличия входных и выходных напряжений блока питания. И просто для красоты :)

Диоды VD7, VD8 необходимы при работе источника питания на холостом ходу — они защищают конденсаторы C27 и C39 от перенапряжения; при работе под нагрузкой выходное напряжение выпрямителей снижается до безопасного уровня.

Узел защиты наушников от «постоянки» заимствован от усилителя для наушников Lynx HA46. Так получилось, что первоначально я собрал именно этот усилитель, и в нём мне понравилось всё, кроме звучания («замыленные» высокие частоты, видимо из-за применения низкочастотных германиевых транзисторов ГТ402/ГТ404). Так появилась необходимость собрать другой, более качественный усилитель, но в том же корпусе, и с платами тех же размеров, поэтому размер платы рассматриваемого в статье усилителя точно такой же, как и Lynx HA46 (165x80 мм).

Узел защиты наушников работает без нареканий. Номиналы резисторов R77 и R95 можно уменьшить до 680 Ом для повышения чувствительности узла защиты. Элементы R98, C45, VD17, Q27 обеспечивают задержку подключения наушников после подачи питания и после срабатывания защиты.

При разработке схемы собственно усилителя с самого начала было желание собрать его именно на уникальных отечественных полевых транзисторах с горизонтальной структурой КП901А — у меня имелся их запас, и их пока ещё можно найти в продаже. Изначально я попытался сделать двухтактный вариант усилителя, но он получился во всех отношениях неудачным: слишком сложная настройка, необходимость попарного подбора транзисторов, склонность к самовозбуждению, очень плохая термостабильность. Приведу лишь фото собранной платы этой версии усилителя (схему приводить не буду, но замечу, что ввиду относительно низкой крутизны транзисторов КП901А улучшенный вариант «никитинского» выходного каскада здесь оказался не очень пригодным из-за преждевременного ограничения сигнала в верхнеем плече, поэтому пришлось полностью разделять плечи предоконечного дифкаскада):

К сожалению, эту плату, изготовленную с большим трудом методом ЛУТ, пришлось демонтировать, но от неё в новую версию усилителя практически полностью «перекочевала» топология силовой и «защитной» части.

Чтобы «не изобретать велосипед», за основу схемы собственно усилителя я практически полностью взял одну из последних разработок Андрея Дискретный модуль аналогового фильтра AH-F7 Pro v2.0, только в выходных повторителях вместо полевых транзисторов КП902А применил более мощные КП901А с током покоя 100 мА (при уменьшении тока покоя падает выходная мощность, а при его увеличении — чрезмерно возрастает нагрев выходных каскадов и управляющих транзисторов стабилизаторов). Мне очень понравилось звучание предыдущей версии Аналогового фильтра AH-F7 для ЦАП-ов AH-D16 / 17  с полевой сборкой 2N3958 на входе, и выбор этой схемы в качестве основы усилителя для наушников полностью оправдал себя.

Изначально планировалось использовать во входных дифкаскадах отдельные транзисторы КП303Г (КП303Е) с их попарным подбором по начальному тока стока. Однако, даже использование транзисторов с близкими по значению начальными токами стока не даёт гарантию успешной балансировки и удовлетворительной термостабильности схемы. Возможно, требуется дополнительный подбор транзисторов по напряжению отсечки, или подбор номиналов дополнительных резисторов R7, R8 / R37, R38. Так, при установке транзисторов 2П303Г с начальными токами стока в пределах 5..6 мА, балансировка каналов оказалась затруднена и достигалась скачкообразно на самых границах диапазона регулировки потенциометров R5 и R35, а дрейф «нуля» на выходе доходил до 150 мВ. Тем не менее, даже в этом случае звучание усилителя очень порадовало.

Всё-таки, настоятельно рекомендуется использовать в качестве Q1, Q2 и Q12, Q13 подходящие полевые сборки согласованных по параметрам N-канальных транзисторов JFET.

Лучшим вариантом можно было бы считать применение сборок LSK389, но сейчас их купить практически невозможно. Удалось найти более доступный вариант с использованием сборок 2N3958, правда у этих транзисторов малый начальный ток стока (мне попадались сборки с начальными токами стока в пределах 1,6..2,1 мА), и для их применения необходимо увеличить номиналы некоторых резисторов (показаны на схеме красным цветом), уменьшив суммарный ток дифкаскада с исходных 5,7 мА до 1,6 мА. Звучание усилителя с этими сборками просто превосходное, и уход «нуля» на выходе совсем незначительный. 

Если начальный ток стока у транзисторов сборок 2N3958 окажется меньше 1,5 мА (по даташиту допускается минимум 0,5 мА), то номиналы резисторов R2, R4, R32, R34 и R10, R40 придётся увеличить до 3,6 кОм и 1,8 кОм соответственно, снизив тем самым суммарный рабочий ток дифкаскада примерно до 0,5 мА (такой вариант не проверялся, но моделирование показывает очень хорошие результаты).

При монтаже особое внимание нужно обратить на пропайку контактов транзисторных сборок Q3, Q4, Q9, Q14, Q15, Q20 — они довольно маленькие, и может возникнуть сухая пайка, которую визуально трудно обнаружить. Такая проблема у меня возникала и с этим усилителем, и с аналоговым фильтром AH-F7 (например, не светится один из светодиодов HL1..HL4, нарушены режимы работы), пришлось многократно и тщательно пропаивать все выводы.

К выходам усилителя для повышения устойчивости пришлось добавить конденсаторы C46, C47 малой ёмкости — без них при неподключённых выходных проводах усилитель мог возбуждаться.

Номиналы входных резисторов R1, R31 можно изменить (например, уменьшить), в зависимости от номинала используемого регулятора громкости (в моём варианте использован регулятор громкости RK27 100k, поэтому R1 и R31 пришлось увеличить до 470 кОм.

Коэффициент усиления каналов (K) определяется соотношением номиналов резисторов:

K = R26 / R12 +1 = R56 / R42 + 1

— от этого зависит чувствительность усилителя. При указанных на схеме номиналах K=10, и максимальная чувствительность при оптимальных сопротивлениях нагрузки составляет около 0,6..0,8В. В случае использовании усилителя для прослушивания только с выхода ЦАП такая чувствительность может оказаться чрезмерной, и тогда будет целесообразно уменьшить номиналы резисторов R26 и R56 до 39 кОм (или даже до 10 кОм), снизив коэффициент усиления до K=5 (или соответственно до K=2).

Входные разделительные конденсаторы C1 и C2 (плёночные SMD с диэлектриком PPS) можно не ставить, закоротив их перемычкой. Они предназначены на тот случай, если источник сигнала содержит постоянную составляющую, при этом нужно разомкнуть перемычки J1, J2. Указанные конденсаторы могут быть также полезны при отладке.

Выходные транзисторы лучше предварительно отобрать по значениям начального тока стока (ток стока при замкнутых выводах затвора и истока). Транзисторы с бо́льшим начальным током стока лучше поставить на место Q10, Q21, так как у них при токе стока 100 мА будет меньше напряжение между истоком и затвором (у моих экземпляров с начальными токами стока 24 мА и 29 мА напряжения между истоком и затвором оказались в пределах 0,8..1В). На место Q11, Q22 можно поставить транзисторы с меньшим начальным током стока (у моих экземпляров с начальными токами стока 3,3 мА и 1,7 мА напряжения между истоком и затвором получились порядка 1,3..1,6В). Особого попарного подбора транзисторов не требуется.

Термостабилизация выходных каскадов осуществляется за счёт применения терморезисторов NTC1 и NTC2, которые установлены вблизи радиаторов. При длительном нагреве ток покоя выходных транзисторов не должен расти, и даже может немного снижаться. При меньших напряжениях между истоком и затвором транзисторов Q11, Q22, возможно, потребуется уменьшить номиналы указанных терморезисторов.  Может возникнуть необходимость подбора номиналов резисторов R27, R57.

При настройке усилителя лучше закоротить его входы проволочными перемычками. Для измерения величин токов в процессе настройки используются контрольные точки на плате «I1» (ток дифкаскада в миллиамперах соответствует разнице напряжений между точками «I1» в вольтах), «I3» (ток выходного каскада в миллиамперах соответствует падению напряжений между точками «I3» в милливольтах), «I2» (разница значений I2-I3 в милливольтах даёт ток через транзистор Q9.2 или Q20.2 в миллиамперах). Перед первым включением усилителя движки потенциометров R23 и R53 должны быть установлены в положение максимального сопротивления.

В качестве теплоотводов для транзисторов КП901А прекрасно подошли светодиодные радиаторы диаметром 28 мм и высотой 30 мм, закрепляемые на плате с помощью стальных стоек длиной 8 мм (суммарная высота радиаторов с учётом стоек получается 38 мм). Нужно только сделать снизу по центру каждого радиатора отверстие глубиной около 15 мм с резьбой М5.

Уже на этапе изготовления первой версии платы стало понятно, что без дополнительного отвода тепла на верхнюю крышку корпуса, не имеющего системы вентиляции, не обойтись. По этой причине на краях снизу платы в области радиаторов предусмотрены упоры высотой 5 мм в виде нейлоновых стоек, чтобы плата не прогибалась под силой прижима радиаторов к верхней крышке. Радиаторы управляющих транзисторов стабилизаторов напряжения имеют примерно такую же высоту (35 мм), что облегчает изготовление системы прижима. При использовании другого корпуса или в случае организации принудительного охлаждения можно использовать стандартные радиаторы HS211-50 или HS211-30.

Авторский экземпляр усилителя собран в компактном корпусе с внутренними размерами 155*250*50 мм:

Для отвода тепла от радиаторов с платы усилителя на верхнюю крышку к последней снизу через двухсторонний термоскотч приклеены 5 алюминиевых пластин: 2 шт. толщиной 3 мм размерами 60x30 мм — для радиаторов выходных транзисторов, 2 шт. толщиной 6 мм размерами 45x25 мм — для радиаторов силовых транзисторов и 1 шт. толщиной 4 мм размерами 45x45 мм — для отвода тепла от силового тороидального трансформатора (он тоже немного греется).

Для обеспечения надёжного теплового контакта используются силиконовые термопрокладки толщиной 0,5 мм и 1 мм, с учётом возможной кривизны поверхности крышки. С такой системой охлаждения усилитель может работать практически непрерывно без перегрева.

Сетевой фильтр и силовой трансформатор размещаются на плате размерами 110x55 мм, изготовленной методом ЛУТ:

Для индикации режима работы усилителя используется узел на двухцветном светодиоде:

Указанный узел собран на отдельной небольшой платке размерами 20x14 мм, изготовленной методом ЛУТ, которая приклеивается на двухстороннем скотче к внутренней части передней панели усилителя (отверстие под двухцветный светодиод с внутренней стороны передней панели пришлось немного расфрезеровать в области крайних выводов). Сразу после подачи питания светодиод начинает светиться красным цветом в течение времени задержки подключения выходов; он также загорается красным в случае аварии. В нормальном режиме работы светодиод светится синим цветом. Узел индикации подключается к плате усилителя через разъём J3 (по схеме усилителя). 

Платы усилителя и блока питания монтируются на основании из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,6 мм размерами 220x148 мм, которое прикручивается винтами М4 от ножек. Так как высота корпуса ограничена, для монтажа плат к основанию используются короткие латунные стойки высотой 5 мм «мама-мама», которые крепятся к основанию снизу заподлицо с помощью коротких винтов М3x4 с потайной головкой. Слой фольги основания заземляется коротким отрезком припаянного к ней одножильного провода через «земляной» контакт выходного клеммника X5. Металлические части входных разъёмов и выходного разъёма для подключения наушников нужно изолировать от корпуса.

При работе усилителя практически никаких шумов и фона в наушниках не слышно. Усилитель обладает очень чистым, детальным и мягким звучанием — он меня приятно удивил множеством новых нюансов в музыкальных композициях.

Во вложениях прикреплены архивы со схемами, с рисунками печатных плат и гербер-файлом платы усилителя.