Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych

_._ 17 Nov 2020 19:33 1260 20
IGE-XAO
  • #1
    _._
    Level 9  
    Cześć, w ramach nauki podstaw elektroniki i treningu postanowiłem poeksperymentować i sprawdzić teorię w praktyce budując prosty wzmacniacz, póki co do słuchawek. Żeby nie było zbyt łatwo, nie chciałem używać żadnego gotowego scalaka czy opampa tylko zbudować układ zupełnie od zera i policzyć wartości elementów, przy okazji wykorzystać te, które mam pod ręką, stąd zwykłe tranzystory BC547 i BC557. A więc, poniżej efekt miesiąca w książkach, dwóch dni liczenia i molestowania ltspice i dwóch godzin układania puzli na płytce stykowej :)

    Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych

    Układ działa i gra obciążony słuchawkami o impedancji 80ohm. Generalnie gra lepiej niż się spodziewałem po zwykłych tranzystorach i na tyle dobrze, że chce wykonać go na płytce i zostawić sobie na pamiątkę.

    Post wrzuciłem tutaj w celu weryfikacji, czy założenia i projekt są okej czy raczej coś zmienić lub coś ewidentnie jest źle.
    Schemat przedstawia jeden kanał wzmacniacza.

    Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych

    Opis działania.

    Tranzystor Q1 działa jako wtórnik emiterowy, polaryzację bazy zapewnia układ dzielnika R1, R2 i rezystor R3. Układ polaryzacji zaczerpnąłem z "Wzmacniacze Audio" Jerzego Gołaszewskiego. Punkt pracy tranzystora jest policzony na napięcie kolektorowe 6V przy zasilaniu 12V. Dalej, wyjście wtórnika jest podawany na dwa stopnie wzmacniające na Q5 i Q2. Oba stopnie są sprzęgnięte osobnymi kondensatorami (C5 i C2). Punkty pracy są obliczone dla napięcia kolektorowego ok 6V. Układ jest podwójny, ze względu na odwrócenie fazy, tak więc dwa stopnie więc faza odwrócona o ~360 stopni.Wyjście z kolektora Q2 jest podawane na "mini końcówkę mocy", układ ma typową topologię push-pull. W zasadzie mógłbym wstawić po jednej parze tranzystorów NPN/PNP ale chciałem zobaczyć co się stanie jak użyje dwóch lub więcej par równoległych. Rezystory R9,R10,R22,R23 ograniczają prąd płynący przez tranzystory i podają sygnał na kondensatory C4, który usuwa stałą. Rezystor R16 dodałem aby rozłądowywał C4 gdy nie ma obciążenia, R17 reprezentuje obciązenie o rezystancji/impedancji 80 ohm. Wartości rezystancji dla Q1, Q2, Q5 musiałem "zaokrąglić" do wartości rezystorów z szeregu który miałem fizycznie pod ręką, ale tak aby nie przesuwać za bardzo punktu pracy. Wartości kondensatorów sprzęgających dobrałem eksperymentalnie w LTspice obserwując charakterystykę układu w paśmie akustycznym. W obliczeniach na papierze, założyłem, że B/Hfe dla tranzystorów wynosi 200.

    Układ zmontowany na płytce, po włączeniu po prostu działa. Szumy są znikome, kiedy jest dołączony jack ze źródłem nie słychać przydzwięku sieciowego. W czasie testów z oscyloskopem układ szumiał, po odłączeniu sond i bazy szum zniknął.

    Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych

    Przy projektowaniu chciałem uzyskać równe wzmocnienie w całym przedziale pasma akustycznego, od ok 20Hz do ok 25kHz. Wydaje mi się, że to osiągnąłem. Wzmocnienie układu wynosi ok 11dB. Pasmo przenoszenia od ok 20Hz do niemal 1MHz (w teorii). Powyżej jest charakterystyka wygenerowana w ltspice. Widać na niej, że faza jest przesunięta o ok 360 stopni, i odrobine mniej w przedziale niskich częstotliwości.

    Parę pytań do bardziej doświadczonych forumowiczów:

    - Czy jest sens zmienić tranzystory na np BC550 i BC560, które niby są niskoszumne?

    - Czy przesunięcie fazowe widoczne na charakterystyce jest realnym problemem? Jeżeli tak to w jaki sposób mogę go uniknąć.

    - Czy układ jest generalnie poprawny czy powiniennem zmienić jego topologię?

    Z góry dzięki za odpowiedzi.

    // Kondensator C3 ma wartosc 100uF, nie 10.
  • IGE-XAO
  • #2
    User removed account
    Level 1  
  • Helpful post
    #3
    jarek_lnx
    Level 43  
    _._ wrote:
    Parę pytań do bardziej doświadczonych forumowiczów:

    - Czy jest sens zmienić tranzystory na np BC550 i BC560, które niby są niskoszumne?

    - Czy przesunięcie fazowe widoczne na charakterystyce jest realnym problemem? Jeżeli tak to w jaki sposób mogę go uniknąć.

    - Czy układ jest generalnie poprawny czy powiniennem zmienić jego topologię?

    Z góry dzięki za odpowiedzi.

    Żeby układ był niskoszumny nie wystarczy wstawić niskoszumne tranzystory, to jest cały proces projektowania, ważne są rezystancje w układzie - każdy rezystor ma szumy cieplne, oraz decyduje o tym czy większy wpływ będą miały szumy prądowe, czy napięciowe tranzystora to oraz prąd tranzystora dobiera się do rezystancji wewnętrznej źródła sygnału, R11 niweczy to czym tranzystory niskoszumne sie wyróżniają zmniejszoną rezystancję rozproszoną bazy, w układzie pracującym z dużymi sygnałami szumy nie powinny być problemem. Przesunięcie fazowe dla ucha nie jest wykrywalne, chyba że masz rożne w obu kanałach. Układ jest poprawny, ale liniowość nie będzie najlepsza, masz lokalne sprzężenie zwrotne w dwóch stopniach wzmacniacza (dziwne że potrzebujesz aż takiego dużego wzmocnienia) i żadnej metody redukcji zniekształceń w stopniu końcowym. Czy powinieneś zmienić topologię? na razie nie, nauka o układach z globalnym sprzężeniem zwrotnym to kolejny etap. W LTspice możesz policzyć zniekształcenia poleceniem .four tylko trzeba wyłączyć kompresję. Co do samego THD, niektórzy nie lubią tego parametru, bo nie rozumieją o czym on mówi, nie chodzi o to żeby wzmacniacz który ma 0,0001% był lepszy od tego co ma 0,1%, ale o to że jak wzmacniacz ma kilka procent to coś poszło nie tak, bo to są wartości które słychać.

    Wrzuć plik ASC z symulacji to zobaczę co można z tym zrobić.
  • #5
    jarek_lnx
    Level 43  
    Dopiero w symulacji zauważyłem że stopień wyjściowy pracuje w klasie A, prąd spoczynkowy to 33mA podczas gdy w symulacji wysterowanie daje 5,5mA szczytowo do obciążenia, co powoduje że zniekształcenia stopnia wyjściowego nie mają znaczących wartości. Gdyby to była klasa AB to mogły by stanowić problem, ale nie jest :)
  • IGE-XAO
  • #6
    _._
    Level 9  
    jarek_lnx wrote:
    Dopiero w symulacji zauważyłem że stopień wyjściowy pracuje w klasie A, prąd spoczynkowy to 33mA podczas gdy w symulacji wysterowanie daje 5,5mA szczytowo do obciążenia, co powoduje że zniekształcenia stopnia wyjściowego nie mają znaczących wartości. Gdyby to była klasa AB to mogły by stanowić problem, ale nie jest :)


    Czyli przypadkiem wyszło dobrze? :)

    Mógłbyś zdradzić w jaki sposób zmierzyłeś prąd spoczynkowy? Bo z tego co widze przy wejsciowym sygnale o amplitudzie 100mV jest lekko ponad 5mA prądu w szczycie na obciążeniu (R17), ale nie bardzo wiem gdzie/jak zmierzyć prąd spoczynkowy.
  • #7
    jarek_lnx
    Level 43  
    LTspice podaje punkty pracy w pasku statusu kiedy ustawisz kursor na elemencie np na R9, przez który płynie 16,7mA, są dwie pary tranzystorów wiec mamy dwa razy tyle, w rzeczywistym układzie prąd może się różnic od symulacji - zmierz napięcie na R9 i R22 i wylicz.
  • #8
    CYRUS2
    Level 42  
    O szumach decydują tylko stopnie wejściowe.
    Wtórnik na wejściu jest niepotrzebny.
    Rezystancja wejściowa stopnia na Q5 wystarczy.
    O szumach decyduje tranzystor Q5.
    Typowy niskoszumny to BC413C.
    Ale ta optymalizacja nie ma sensu.
    Bo sygnał wejściowy to 775mV - jest duży.

    O szumach decyduje wejście na Q5 - bo szumy tego stopnia są wzmacniane przez następne stopnie wzmacniacza.
    Przyda się potencjometr na wejściu.
  • #9
    aksakal
    Tube devices specialist
    Biorąc pod uwagę małą impedancję wyjściową nowoczesnych źródeł sygnału, wtórnik na wejściu nie tylko niepotrzebny( kol.CYRUS2) , ale nawet szkodliwy.Jego duży wejściowy opór podwyższa czułość do różnych zewnętrznym zakłócen.
  • #10
    yogi009
    Level 43  
    Moim zdaniem pomiary (w założeniu) niskoszumnego urządzenia złożonego na płytce stykowej nie mają sensu. Trzeba to zrobić na normalnym, poprawnie zaprojektowanym PCB. W chwili obecnej nie wiesz, z czego pochodzą ew. zakłócenia. Te wzmacniacze były realizowane na BC413C, BC109C, a teraz z powodu braku tych tranzystorów stosuje się BC550C/BC560C.
  • #11
    CYRUS2
    Level 42  
    Szumy wtórnika wejściowego są wzmacniane przez następne stopnie.
    Ocena jak pracuje wzmacniacz słuchawkowy powinna być robiona na bardzo dobrych słuchawkach.
    I przy odtwarzaniu plików .wav , lub .flac
  • #12
    yogi009
    Level 43  
    CYRUS2 wrote:
    Szumy wtórnika wejściowego są wzmacniane przez następne stopnie.
    Ocena jak pracuje wzmacniacz słuchawkowy powinna być robiona na bardzo dobrych słuchawkach.
    I przy odtwarzaniu plików .wav , lub .flac


    Pełna zgoda.
  • #13
    _._
    Level 9  
    W temacie szumów, chyba nie napisałem jasno.

    A więc, w pierwszej chwili po uruchomieniu na płytce stykowej myślałem, że coś jest nie tak. Układ dość mocno szumiał, słychać było przydźwięk nie tylko sieciowy. Układ był podłączony pod sondy oscyloskopu i najprawdopodobniej tu był problem, po odłączeniu sond i masy(!) słyszalnego przydźwięku w zasadzie nie ma.

    Testuje na tyle na ile jestem w stanie, źródłem jest DAC na USB (Audiotrak Prodigy Cube), a obciążeniem słuchawki 80 ohm (Beyerdynamic DT 770). Muzyka od skompresowanej na YT po FLAC 48khz. Testowałem też ze słuchawkami 32ohm oraz z Bose QC25 - jest bardzo ok. Piszę to z perspektywy osoby, która spędza przed monitorem ze słuchawkami na uszach czasem i kilkanaście godzin dziennie, więc brak szumienia i cisza jest dla mnie absolutnym wymogiem.

    Jak na układ zbudowany z najzwyklejszych i najtańszych elementów to gra to bardzo dobrze :o
    Od dwóch dni korzystam z tego co jest na płytce stykowej i po wyłączeniu dźwięku nie słychać w słuchawkach niczego, nic nie szumi, nie ma przydźwięku. Zasilam układ z chińskiego zasilacza na biurku, sprawdzałem też 7812. Być może efekt placebo, ale jestem zadowolony :)

    Na dniach zrobię sobie PCB oraz zmontuje układ na rezystorach 1% i spróbuje z BC550/BC560 bo i tak musze dokupić elementy. Jak będzie gotowe to wrzucę do działu DIY, prosty układ, a bardzo fajnie gra :)
  • #14
    CYRUS2
    Level 42  
    _._ wrote:
    Na dniach zrobię sobie PCB oraz zmontuje układ na rezystorach 1% i spróbuje z BC550/BC560 bo i tak musze dokupić elementy. Jak będzie gotowe to wrzucę do działu DIY, prosty układ, a bardzo fajnie gra :)
    Jak kolega ma zmieniać tranzystory to na BC549C - te we wzmacniaczach.
    W tej topologii, kolega wprowadza na wejścia przydźwieki i szumy z zasilacza.
    Bo wejścia są polaryzowane dzielnikami bezpośrednio z zasilania.

    Takie "bufory" w stopniu mocy - są znane.
    Audiofile stosują w buforach BD139/140.
  • #17
    _._
    Level 9  
    Dzięki za sprawdzenie poprzedniego schematu, udało mi się znaleźć błędy w symulacjach ltspice, głównie to, że stopień końcowy wchodził w klasę AB przy większych amplitudach i do tego zniekształcenia w stopniu wzmacniającym.

    Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych

    Przerobiłem układ, wzmacniacz i odwracanie fazy poszło na przód, pierwsze dwa segmenty. Dalej jest wtórnik, który służy do wysterowania stopnia końcowego push pull który tym razem działa w pełnej klasie A. W symulacji działa dla słuchawek 32, 80 i 250 ohm. Brak zniekształceń dla amplitudy sygnału wejściowego do 2Vpp. na wyjściu jest wtedy 6Vpp. Nie udało mi się uzyskać wyższego napięcia z tyłu bez zniekształceń przy zasilaniu 12V.

    Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych

    Układ ponownie zmontowałem na płytce stykowej, tranzystory wymieniłem na BC550C i BC560C, rezystory metalizowane 1%, zasilanie z 7812 i transformatora 12VA.

    Efekt - gra :)

    Dla zainteresowanych schemat do ltspice w załączniku.

    Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych
  • Helpful post
    #18
    jarek_lnx
    Level 43  
    Można trochę poeksperymentować
    Po drobnych zmianach - wzmacniacz dwutranzystorowy i wtórnik ze źródłem prądowym
    THD 0.055%
    Spoiler:

    Fourier components of V(out)
    DC component:0.000631614

    Harmonic Frequency Fourier Normalized Phase Normalized
    Number [Hz] Component Component [degree] Phase [deg]
    1 1.000e+03 2.539e+00 1.000e+00 0.48° 0.00°
    2 2.000e+03 9.041e-04 3.561e-04 -90.69° -91.16°
    3 3.000e+03 1.069e-03 4.213e-04 1.16° 0.68°
    4 4.000e+03 3.116e-05 1.227e-05 90.78° 90.31°
    5 5.000e+03 5.280e-05 2.080e-05 -178.39° -178.86°
    6 6.000e+03 1.330e-06 5.239e-07 -113.85° -114.32°
    7 7.000e+03 2.820e-06 1.111e-06 2.45° 1.98°
    8 8.000e+03 3.790e-07 1.493e-07 172.72° 172.25°
    9 9.000e+03 5.601e-07 2.206e-07 -178.75° -179.23°
    Total Harmonic Distortion: 0.055217%(0.055200%)


    A było
    THD 0.90%

    Spoiler:
    Fourier components of V(out)
    DC component:0.00200207

    Harmonic Frequency Fourier Normalized Phase Normalized
    Number [Hz] Component Component [degree] Phase [deg]
    1 1.000e+03 3.038e+00 1.000e+00 0.63° 0.00°
    2 2.000e+03 1.213e-02 3.994e-03 90.21° 89.58°
    3 3.000e+03 2.242e-02 7.381e-03 1.22° 0.59°
    4 4.000e+03 6.336e-03 2.085e-03 -89.25° -89.88°
    5 5.000e+03 6.855e-03 2.256e-03 -178.28° -178.91°
    6 6.000e+03 2.840e-03 9.348e-04 91.23° 90.59°
    7 7.000e+03 2.668e-03 8.780e-04 2.24° 1.61°
    8 8.000e+03 1.291e-03 4.249e-04 -88.35° -88.99°
    9 9.000e+03 1.121e-03 3.689e-04 -177.24° -177.87°
    Total Harmonic Distortion: 0.904566%(0.904995%)

    Wzmacniacz słuchawkowy na elementach dyskretnych

    W control panel symulacji wyłączasz kompresje, po zakończeniu symulacji pod Ctrl-L dostaniesz "error log" z wynikami poleceń .four dodałem też obliczenie dla v(in) - dla weryfikacji, jak kompresja jest włączona to nawet idealne źródła mają zniekształcenia
  • #19
    _._
    Level 9  
    Oż kurde, źródła prądowe, lustra prądowe, wzmacniacze różnicowe i inne kombinacje kojarze "z wyglądu", ale nie do końća ogarniam jeszcze gdzie i po co je stosować. Czytam "Sztuka Elektroniki" i mam to w aktualnym rozdziale, ale czytanie idzie powoli :)

    Co do THD, pomijając, że matematycznie to jeszcze przede mną i na razie czarna magia, to czy jest jakiś "limit" poniżej, którego powiniennem się trzymać projektując kolejne układy audio i nie audio? Swoją drogą, chcę dołączyć lampy do całości i o ile się nie mylę to magia polega na harmonicznych parzystych co brzmi jakby THD było całkiem wysokie?
  • #20
    CYRUS2
    Level 42  
    Autorze- nasz 6V pp.
    Przy napięciu zasilania12V dużo więcej nie uzyskasz.
    1,5V na amplitudę się uzbiera.
    Rezystory 2*68Ω//= 34Ω .
    To daje spadek amplitudy. o 1,27V.
    Bo słuchawki sa połączone szeregowo z tymi rezystorami.
    Przed rezystorami jest ok. 8,5 Vpp.
    Jak ma to być zasilane z zasilacza, to zastosować zasilacz na 24V DC.
  • #21
    User removed account
    Level 1