Single high speed amplifier схема подключения

The Pass Zen Amplifier: Однотактный Усилитель класса А

Конструкции звуковых усилителей Нельсона Пасса ( Nelson Pass ) уже не один десяток лет пользуются спросом и популярностью у радиолюбителей-аудиофилов (в хорошем смысле слова). В сети, на радиолюбительских ресурсах, создана не одна тема со схемами и обсуждениями его усилителей, как оригинальных, так и с различными доработками. В этой статье рассмотрена изменённая схема однотактного усилителя класса А Нельсона Пасса «The Pass Zen Amplifier».

Изменения были внесены в источник тока — стоковую нагрузку с большим динамическим сопротивлением для усилительного транзистора. Теперь оба полевых транзистора усилителя — n -канальные одного типа. Это улучшает температурную стабильность схемы и уменьшает искажения.

Я постараюсь сжато изложить видение Нельсона Пасса касательно общих проблем звука и усилителей в частности, а также выложу для скачивания оригинальный документ с текстом и схемой в конце статьи, чтобы каждый читатель мог ознакомится с первоисточником.

Проблемы транзисторных усилителей

Два наиболее существенных требования к усилителю – это его простота и линейность. Меньшее число элементов меньше окрашивает звук и информации при этом теряется меньше.

Но усилитель хоть и должен быть простым, но всё же главное – он должен сохранять линейность. Есть искажения в усилительном тракте, которые являются неизбежными. С другой стороны, если они мало раздражают, то они вполне себе терпимы. Естественно, что надо стремится чтобы измеряемые искажения были как можно ниже. Достоинства простой схемы теряются, если звук становится избыточно окрашенным.

Большинство сложных схемотехнических решений оправданы высокими измеряемыми техническими параметрами. Этот подход прекрасно работает для объективных параметров. Но звук, его качество, если говорить о усилителях, это не измеряемые объективные параметры, а субъективное мнение слушателя. Построение стоящего усилителя – это компромисс между простотой и объективным качеством звука.

Насколько простой может быть схема, чтобы она хорошо звучала? Очевидно, однокаскадный усилитель — самое простое решение. Но сразу возникает вопрос: «Что мы можем получить от однокаскадного усилителя?».

Однотактный усилитель класса А

Топология однотактного усилителя, работающего в классе А применялась ещё в первых ламповых усилителях. Сейчас она не часто используется в выходных каскадах транзисторных усилителей. И причиной этого является то, что двухтактные выходные каскады имеют гораздо более высокий КПД и малый ток покоя при работе в режиме класса АВ .

Однотактные усилители класса A рассеивают на холостом ходу тепловую мощность значительно превышающую их мощность полезную. Их типовой КПД составляет около 20% . Только этой огромной неэффективностью можно объяснить, почему однотактным усилителям уделяется столь ограниченное внимание, хотя внимательное рассмотрение схем показывает, что есть возможность приблизить их эффективность к 50% .

Однотактный несимметричный усилитель отличается от двухтактного тем, что обрабатывает сигнал целиком на каждой стадии усиления, не разделяя его на две половины. Это деление на положительную/отрицательную половину – искусственно, и вызвано желанием эффективно обрабатывать только сигнал переменного тока, без постоянной составляющей. Усилитель с топологией класса А воспроизводит музыку наиболее естественно . В выходном сигнале нет третьей и других « странных » гармоник, присущих классу AB , а в основном присутствует вторая гармоника, которая на слух воспринимается намного благозвучней.

Схема электрическая принципиальная

Сразу приведу технические характеристики данной схемы и её особенности. Работа усилителя рассчитана с 8- омными акустическими системами. Также этому УМЗЧ требуется предварительный усилитель, естественно соответствующего класса. Чтобы получить на выходе десять ватт полезной мощности на вход нужно подать сигнал 3 В , а не привычные всем 0,7-1 В . При этом ток холостого хода составляет без малого 2 А . Т.е. при покое на транзисторах выделяется по 30 Вт тепловой энергии, что называется « в никуда ». Это надо иметь ввиду при выборе теплоотвода. Коэффициент гармоник, измеренный с входным синусоидальным сигналом 3 В (10 Вт вых.) частотой 1 кГц на активной нагрузке 8 Ом составил 0,9 %.

На транзисторе VT3 реализован каскад усиления, а источник тока для него на VT2 . Узел на транзисторе VT1 задаёт режим работы транзистора VT2 . Цепь R1R3С1 служит для фильтрации пульсаций питания.

Ток, проходящий через VT2 , вызывает падение напряжения на резисторе R9 , и когда оно достигнет 0,66 В , транзистор VT1 начинает открываться, что ограничивает напряжение затвор-исток VT2 примерно до 4 В . Равновесие наступает при постоянном токе через VT2 примерно 2 А .

Резистор R5 и R8 создают цепь обратной связи по постоянному току, которая управляет затвором VT3 и поддерживает напряжение около 4 В , позволяя установить напряжение на стоке VT2 равное половине напряжению питания.

Поскольку схема усилителя инвертирует фазу входного сигнала, положительный вывод динамической головки должен быть соединён с общим проводом.

Конструкция, детали и наладка

Печатная плата для усилителя показана на рисунке выше. Плата односторонняя, рассчитанная на два канала. Принадлежность элемента ко второму каналу на монтажной схеме обозначается как «xx.2» .

Питание усилителя осуществлялось от типового тороидального трансформатора ТТП250 (25В, 8А) в паре с платой стабилизатора ( 34 В ) по этой схеме .

По деталям стоит лишь сказать о конденсаторах, которые должны быть, если бюджет позволяет, специальные для аудио, а не китайскими версиями К50-35 .

О наладке данной схемы существуют даже отдельные форумы и сам Нельсон даёт некоторые советы. В частности, он предлагает, подавая на вход синусоиду и постепенно доводя выходной сигнал до клиппинга регулировкой R8 добиваться симметричного ограничения сигнала. Я, собрав несколько экземпляров, и опробовав все методы, которые нашёл в литературе, пришел к выводу что при исправных деталях и правильном монтаже достаточно выставить резистором R8 по мультиметру ровно половину питания (у меня 17 В ) между стоком и истоком транзистора VT2 и больше не о чем « не заморачиваться ».

Для кого этот усилитель?

В заключении, позволю себе сделать небольшое отступление-предостережение, адресованное начинающим радиолюбителям, которые решили заняться звуком. Сразу оговорюсь, что мнение это сугубо моё. Это чисто из практики, ведя радиокружок. Часто начинающие, начитавшись различных « аудиофильских » форумов, где в красках описывается « полнота, живость и насыщенность » звука усилителей класса А , приходят к выводу, что это именно то, что им и нужно. Да и цены на заводские фирменные модели усилителей этого класса просто запредельные. И, вроде как, вывод напрашивается сам собой – это лучшие усилители.

Но на самом деле это не более чем коммерческий шаг, и большинству слушателям этот усилитель не нужен. Объясню почему. Чтобы раскрыть весь звук этого усилителя нужно: 1. хороший источник сигнала; 2. соответственно и акустика; 3. расположение АС , пространство и акустическое оформление помещения; 4. и, что немаловажно — музыка должна быть не электронной, искусственно созданной на компьютере, для которой есть класс D , а по крайней мере записанная с живых музыкальных инструментов. А теперь давайте прикинем, каков процент слушателей от их общего числа обладают всеми перечисленными составляющими, могут их себе позволить, да ещё и слушают определённый тип музыкальных фонограмм?

Источник

Микрофонный усилитель и УНЧ для ЦАП и АЦП микроконтроллера

Усилители сигналов для АЦП и ЦАП микроконтроллера

В статье изложены подходы по построению схемотехники усилителей для микрофона и динамиков в микроконтроллерной технике. Занимаемое элементами усилителей пространство не превышает

Предисловие

Хотел применить в проекте синтезатор речи в реальном времени на основе библиотеки
ESP8266Audio — supports ESP8266 & ESP32
Автор порта библитотеки предлагает подключать динамик используя один транзистор

Use the AudioOutputI2SNoDAC object instead of the AudioOutputI2S in your code, and the following schematic to drive a 2-3W speaker using a single $0.05 NPN 2N3904 transistor:

Я так и сделал. Но оказалось, что транзистор греется т.к. каскад работает в режиме класса A. Стабилизатор напряжения 300mA просто не справился с питанием контроллера и такого усилителя. Не говоря уже про питание от батареи, которую пришлось бы ставить не оправданно большей емкости, по сравнению с применением усилителя класса AB, B или C. Пришлось искать различные варианты. Так же рассмотрены варианты усилителей для микрофона. Напряжение питания усилителей однополярное 3V. 5V

Усилитель на одном транзисторе для микрофона

Первое и самое простое это каскад с общим эмиттером. В качестве микрофона будем использовать электретный микрофон. В нем использован предусилитель на полевом транзисторе. Для его питания нужен источник питания

Мне нравится схема с использованием Collector-Feedback Bias. Во первых в ней на один резистор меньше по сравнению с классической схемой на делителе и за счет отрицательной обратной связи компенсирует разброс в коэффициенте усиления транзистора.

Для примера зададимся резистором коллектора 18 KOm для усиления в 50 раз резистор в эмиттере будет (упрощенно, т.к. мы не учитываем внутреннее сопротивление эмиттера) 18000 / 50 = 360 Om

Поскольку входное сопротивление АЦП обычно составляет сотни KOm можно немного увеличить сопротивление коллектора и достичь большего усиления. Важно чтобы сопротивление следующего каскада (в нашем случае вход АЦП) имело большое входное сопротивление, что бы наш усилитель мог «раскачать» сигнал. Иначе придется увеличивать ток через коллектор уменьшая резистор в коллекторе, а это приведет к уменьшению усиления в целом

Сопротивление в эмиттере используется для стабилизации режима транзистора за счет отрицательной обратной связи. Если подключить параллельно этому резистору конденсатор, то отрицательная обратная связь по переменному напряжению исключается и каскад имеет коэффициент усиление как у самого транзистора «по документации».

Еще один момент. надо задать выходное напряжение на коллекторе, равное половине полной рабочей шкалы напряжения АЦП. Шкала ESP32 без аттенюаторов 1.1V. Смещением базы R10 выставляем на коллекторе 0.5V… 0.6V

  • 0 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_0) gives full-scale voltage 1.1 V
  • 2.5 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_2_5) gives full-scale voltage 1.5 V
  • 6 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_6) gives full-scale voltage 2.2 V
  • 11 dB attenuation (ADC_ATTEN_DB_11) gives full-scale voltage 3.9 V

Можно сделать смещение на коллекторе близкое к половине напряжения питания и увеличить коэффициент усиления каскада, но добавив аттенюатор. Однако, вносить ослабление не рекомендуется, поскольку нам понадобится большее усиление

Схема и расположение на плате

Усилитель на трех транзисторах для динамика

Для усилителя применим схему на трех транзисторах с выходным каскадом в режима AB. Зададим ток покоя порядка 5 — 10 mA. Ток покоя устанавливается резистором R4. R15 устанавливает половину напряжения питания на эмиттерах

Схема и расположение на плате

Усилитель на операционном усилителе для микрофона

Ниже ссылка на наиболее распространенные решения с расчетами для микрофонного усилителя

Хорошая статья по предотвращению помех по питанию в схемах op amp
Операционный усилитель с однополярным питанием

Схема и расположение на плате усилитель для микрофона и динамика

»/>

Расчеты конденсаторов

C2 = 0.33nF $» data-tex=»inline»/>

C5 = 2.2µF $» data-tex=»inline»/>

C14 = 0.1µF $» data-tex=»inline»/>

Можно использовать любой операционный усилитель, даже LM358 или LM322 (LM324 четыре усилителя в одном корпусе). Рекомендуется выбирать усилитель с выходом Rail-to-Rail для достижения большей амлитуды на выходе

Усилитель на операционном усилителе для динамика. Параллельное включение

Поиски использования параллельного включения операционного усилителя для раскачки более менее приемлемой мощности привели на интересные решения.
Один человек взял аж 60! усилителей и сделал себе подарок на юбилей. Вот это я понимаю.

Микросхема семейства TS922 способна отдавать 80 мА на нагрузку 32 Ом

Комбинированная схема с операционным усилителем и каскадом класса B, AB
Small audio amplifiers

Что бы хотелось попробовать в будущем

Добавить возможность автоматической регулировки усиления. Например на основе такого решения Использование усилителя с АРУ как мягкого ограничителя уровня сигналов


Для «сжатия» уровня входного сигнала, чтобы уровень выходного сигнала не зависел от громкости говорящего в микрофон применяют SSM2167. Это предусилитель микрофона с регулируемой компрессией. Но выходное напряжения ограничен 0.7V и смещение на выходе 1.4V. Для согласование со входом АЦП потребуется каскад с небольшим усилением.


The output impedance of the SSM2167 is typically less than 145 Ω, and the external load on Pin 9 should be >5 kΩ. The nominal output dc voltage of the device is approximately 1.4 V;therefore, a blocking capacitor for grounded loads must be used.

Заключение

Использование транзисторных усилителей в современной электронике оправдано когда нет возможности купить специализированные микросхемы такие как stereo — PAM8403, PAM8406 или mono PAM8302A, PAM8304, NS4150. Где PAM8406 — Абсолютный фаворит если нужен стерео усилитель с однополярным питанием. Его цена стремится к 2$ за 10 штук. Есть возможность включения режима усиления выходного каскада в режим AB

В качестве микрофонного усилителя можно использовать mems микрофоны с I2S интерфейсом, такие как INMP441. В этом случае использование усилителя отпадает и микрофон подключается непосредственно через интерфейс I2S к контроллеру

Разводка одного из вариантов платы с усилителями на транзисторах сделанная в Autodesk EAGLE

С чего все началось

Плата была изготовлена на фабрике JLCPCB.
Качество мне понравилось, но мне не с чем сравнивать, разве что с травлением в хлорном железе.

Источник

Оцените статью
REMNABOR
Adblock
detector