Создайте свой собственный усилитель для наушников менее чем за 30 долларов — Kuosch NS-01

Пошаговое руководство по сборке высокопроизводительного усилителя за полдня менее чем за 50 долларов.

Полный блок, подключен и играет

Что такое НС-01?

NS-01 — это небольшой усилитель для наушников, сделанный своими руками. Это не самый простой проект, поскольку он был разработан с учетом размера и производительности. Представленная здесь версия должна быть способна выход 90 мА при 7 В RMSи работать даже с наушниками с низким импедансом.

Чтобы сохранить небольшой физический размер, плата разработана с использованием компонентов для поверхностного монтажа. Они довольно маленькие, поэтому требуется некоторая осторожность, чтобы случайно не потерять какие-либо детали, но сама сборка должна быть относительно простой. Для простоты количество деталей сведено к минимуму. Например, в конфигурации по умолчанию используются только два разных номинала резисторов.

Сам усилитель состоит из двух каскадов:

1. каскад усиления напряжения,
2. буферный этап.

Этот двухэтапный подход теоретически должен улучшить характеристики искажения, поскольку одно и то же устройство не должно иметь дело с усилением как напряжения, так и тока. Остальная часть схемы составляет блок питания. Показанная здесь плата относится к версии D. В более поздних версиях могут быть внесены небольшие изменения, но общая структура должна остаться прежней.

В сообществе любителей много говорят о том, как СМТ/СМД сложна в использовании, но мой личный опыт показывает, что SMT на самом деле легче собрать вручную, чем сквозные компоненты. Самым большим препятствием является размер компонентов, но это можно решить, просто используя увеличительное стекло или микроскоп. Для простоты самые маленькие компоненты в NS-01 находятся в 0805 размерили 2,0 х 1,2 мм.

Методы пайки

Существует множество различных способов пайки компонентов SMD. Некоторые из них сделать проще, но для этого может потребоваться специальное оборудование. В большинстве из них используется паяльная паста, которая по сути представляет собой липкую пасту, состоящую из крошечных шариков припоя и флюса, который помогает расплавленному припою течь. От самого простого к самому сложному методу:

Печь оплавления

От переделанных тостеров до больших промышленных систем, они нагревают плату до тех пор, пока паяльная паста не расплавится и поверхностное натяжение не притянет компоненты на место. Плата охлаждается контролируемым образом, чтобы предотвратить ломкость паяных соединений.

Горячая плита / сковорода

В основном версия печи оплавления для бедняков. Печатная плата нагревается снизу до тех пор, пока температура не станет достаточно высокой, чтобы расплавить припой и оплавить компоненты. Охлаждение платы трудно контролировать. Тот факт, что печатные платы изготовлены из стекловолокна, является хорошим теплоизолятором, что также делает этот метод неэффективным. Первоначальный период нагрева довольно длительный и ничего не происходит, а потом вдруг происходит все сразу.

Станция оплавления горячим воздухом

Подает горячий воздух для нагрева компонентов и расплавления паяльной пасты. Станции горячего воздуха отлично подходят для небольших ремонтных работ, так как вы можете сосредоточить тепло на небольшой площади, в отличие от духовки, но вы можете нагреть весь компонент сразу, в отличие от утюга. К сожалению, воздушный поток может перемещать мелкие компоненты, поэтому требуется осторожность.

Паяльник

Старомодный способ ведения дел. Требуется больше усилий для получения красивых результатов. Единственный метод, способный работать с твердым припоем. Достаточно даже дешевого утюга, но убедитесь, что он поддерживает температуру.

Для методов духовки и горячей плиты сначала поместите все компоненты перед нагреванием. При использовании метода горячего воздуха работайте небольшими группами компонентов, а при использовании паяльника размещайте только несколько компонентов за раз, чтобы у вас было место для работы.

Чтобы разместить компонент, нанесите крошечные капли паяльной пасты на каждую контактную площадку на печатной плате и установите компонент на место с помощью пинцета. В зависимости от размера компонента может быть хорошей идеей осторожно придерживать компонент при пайке утюгом.

Если вы используете станцию ​​горячего воздуха, убедитесь, что поток воздуха не сдувает с платы мельчайшие компоненты.

В этом руководстве я буду использовать паяльник и паяльная паста. Отчасти потому, что я хочу показать, как это делается «сложным путем», но в основном потому, что у меня есть легкий доступ к этим инструментам.

Руководство по созданию собственного усилителя для наушников

Вещи, которые вам понадобятся

Вот краткий список инструментов и деталей, необходимых для сборки. Есть много альтернатив и несколько поставщиков, поэтому принимайте следующий список только в качестве предложения. Если вы не планируете создавать больше электроники, стоит подумать о том, чтобы одолжить инструменты или посетить мастерскую.

Инструменты

• Паяльник. Пока он с температурным контролем, все будет в порядке. Я использую свой 20-летний Веллер, но ТС100 получил хорошие отзывы.
• Паяльная паста. я использовал этот продукт ChipQuickно другие бренды работают так же хорошо.
• Мультиметр. Пока он может измерять сопротивление и напряжение, все должно быть в порядке. Например, у ANENG есть достойные недорогие модели.
• Пинцет (немагнитный). Прямые или изогнутые в зависимости от ваших предпочтений.
• Лупа или микроскоп для проверки
• Медицинский спирт

Требуется лишь немного места на столе и несколько инструментов. Компоненты

Ниже приведен список рекомендуемых электронных компонентов. Дистрибьюторов несколько, но для ясности я добавил ссылку только на одного. Также в случае резисторов и конденсаторов и т. д. их можно заменить другим продуктом, если его стоимость и упаковка совпадают. Иногда у дистрибьюторов заканчиваются запасы определенных товаров, поэтому иногда рекомендуется найти альтернативу.

Усилитель предлагает большую гибкость в выборе компонентов. На самом деле, почти все детали, представленные ниже, можно изменить, чтобы доработать усилитель на свой вкус.

ОписаниеКоличествоСсылкаЦена (приблизительно) Плата NS-011иметь тенденцию$10 Операционный усилитель, OPA16561Маузер$2,95 Операционный усилитель, OPA16782МаузерПреобразователь постоянного/постоянного тока за 1,66 долл. США1Маузер4,28 $ Аудиоразъемы2Маузер1,80 $ Регулятор напряжения, положительный1Маузер0,70 $ Регулятор напряжения, отрицательный1Маузер0,90 долл. США Светодиод (дополнительно)1Маузер0,28 $ USB-разъем1Маузер0,43 доллара СШАМаузер$0,52 Резистор, 10 кОм11МаузерРезистор 0,65 $, 1 Ом, 08054МаузерКонденсатор $0,40, 2,2 мкФ, 08052МаузерКонденсатор $0,54, 1 нФ, 08051МаузерКонденсатор $0,44, 100 нФ, 08056МаузерКонденсатор $0,60, 1 мкФ, 120611МаузерКонденсатор $0,74, 68 пФ, 12064МаузерКонденсатор $0,84, 4,7 мкФ, 08052МаузерИндуктор $0,38, 6,8 мкГн, 08051Маузер0,14 доллара США 28,25 доллара США

Обратите внимание, что указанные выше количества являются компонентами собранного усилителя. Иногда случаются ошибки, поэтому может быть целесообразно приобрести дополнительный компонент или два. Для некоторых регионов дистрибьюторы также предлагают бесплатную доставку, если ваш заказ достаточно большой, поэтому проверьте, есть ли у них что-нибудь, что вы хотите использовать для дополнения вашего заказа. Я часто покупаю светодиоды разного цвета и разные аудиоразъемы.

Порядок пайки

Порядок, в котором лучше всего припаивать компоненты, значительно различается для SMD-монтажа и сквозного монтажа. Традиционно интегральные схемы были компонентами, которые паяли последними, но при поверхностном монтаже микросхемы должны быть одними из первых компонентов, которые вы монтируете. Это связано с тем, что микросхемы имеют тенденцию быть более плоскими и широкими, чем большинство других компонентов, и поэтому их легче установить в первую очередь.

Основное правило состоит в том, чтобы думать, как компоненты мешают впаиванию других компонентов. Начните с самых сложных частей, чтобы меньше исправлять, если что-то пойдет не так, а затем работайте от центра платы к краям, размещая плоские компоненты перед высокими компонентами.

Это голая печатная плата, с которой мы начинаем.

Шаг 1: USB-разъем

NS-01 использует разъем micro-USB для подачи питания. Соединитель — самая сложная часть сборки, так что это хорошее место для начала. Я наношу на контактные площадки немного паяльной пасты или, если использую проволочный припой, предварительно заливаю контактные площадки как можно меньшим количеством припоя.

Старая поговорка гласит, что если вы думаете, что использовали достаточно припоя, значит, вы использовали его слишком много, и здесь это тоже применимо. Легко добавить припой, если его недостаточно, но извлечь его гораздо сложнее, особенно после того, как компонент прочно сидит на плате.

После того, как разъем припаян, я проверяю мультиметром наличие короткого замыкания между контактами питания. Если короткого замыкания между центральными выводами переключателя SW1 нет, то все в порядке и можно продолжать сборку. Если контакты закорочены, проверьте пайку и повторите измерения. В худшем случае удалите разъем и припаяйте его снова.

Требуется совсем немного паяльной пасты.
Удачная пайка разъема USB. Средние выводы не используются и их припаивать не нужно.

Шаг 2: Получить этап

После того, как разъем питания надежно установлен, я начну с каскада усиления, потому что это самая центральная часть платы, и на ней находится больше всего компонентов.

Стадия усиления принимает входной сигнал и усиливает его, повышая уровень напряжения аудиосигнала. Другими словами, этот каскад применяет усиление к сигналу. Он также выполняет некоторую фильтрацию для удаления шума из сигнала, который может мешать работе системы, например радиочастот. Усиление выполняет OPA1656, который фактически представляет собой два операционных усилителя в одном корпусе, один из них используется для левого, а другой для правого канала.

Я начинаю с размещения операционного усилителя (операционного усилителя) (U2), убедившись, что ориентация правильная. Иногда для микросхем проще всего использовать метод, называемый перетаскивание пайки, но для этих операционных усилителей шаг контактов достаточно велик, чтобы можно было легко припаивать по одному выводу за раз. Я осторожно прижимаю микросхему пинцетом, вытаскиваю один из угловых контактов и припаиваю его. Затем припаиваю противоположный угол, а потом и остальные ножки.

Припаян первый операционный усилитель

Прежде чем продолжить, никогда не помешает проверить, не закорочен ли ни один из контактов. Если вы использовали слишком много паяльной пасты, она могла затечь под компонент и вызвать проблемы.

Далее я добавляю развязывающие конденсаторы (C16, C17). Это конденсаторы 0805 емкостью 100 нФ, поэтому будьте осторожны, чтобы не потерять их. Эти конденсаторы служат для сглаживания питания операционного усилителя и работают как резервуар энергии в случае внезапного спроса. Без них существует повышенный риск того, что операционный усилитель начнет колебаться.

Развязывающие конденсаторы для U2 впаяны.

Далее резисторы (R1, R2, R5, R6). Это все резисторы 10 кОм 0805. После них впаяйте конденсаторы типоразмера 1206 емкостью 1 мкФ (С4, С5), а затем четыре конденсатора емкостью 68 пФ (С2, С3, С10, С11).

Конденсаторы емкостью 68 пФ образуют два разных фильтра нижних частот для каждого канала, один на входе сигнала, а другой в контуре обратной связи. Входной фильтр предотвращает попадание радиопомех в усилитель, а фильтр обратной связи ограничивает полосу пропускания усилителя, уменьшая общий шум системы.

Частота среза (частота, при которой фильтр приводит к тому, что уровень сигнала составляет -3 дБ) фильтра обратной связи составляет около 230 кГц. Его можно было бы уменьшить, увеличив емкость конденсатора, но я хотел использовать тот же компонент, что и в другом фильтре, и не хотел слышать никаких жалоб на то, что усилитель «скатывает» с высоких частот.

Конденсаторы емкостью 1 мкФ образуют фильтры верхних частот на входе каждого канала, блокируя возможное смещение постоянного тока во входном сигнале, а также уменьшая дозвуковой гул. Частота среза этого фильтра высоких частот составляет 16 Гц.

Резисторы для U2 припаяны.
Конденсаторы фильтра впаяны.
Четыре конденсатора по 68 пикофарад припаяны.

Далее я устанавливаю резисторы на 10 кОм (R3, R4), а затем конденсаторы на 1 мкФ (С7, С8). Резисторы образуют петлю обратной связи с (R5 и R6), а конденсаторы создают фильтры верхних частот, уменьшая усиление усилителя по постоянному току до единицы. Этот фильтр также имеет угловую частоту 16 Гц.

Коэффициент усиления определяется соотношением R3 и R5 для левого канала и соотношением R4 и R6 для правого канала. Поскольку все эти резисторы имеют одинаковое значение, коэффициент усиления усилителя равен 2 или +6 дБ. Можно отрегулировать соотношение резисторов для желаемого усиления, но следует соблюдать осторожность, чтобы максимальный усиливаемый сигнал не превышал рабочего напряжения 10 вольт.

Для меня 6 дБ более чем достаточно для современных источников, но ваши потребности могут быть другими. Обратите внимание, что регулировка усиления также влияет на угловые частоты всех этих фильтров, поэтому может потребоваться регулировка значений конденсатора.

Последние резисторы для каскада усиления.
Стадия усиления завершена. Линейный уровень Pro Audio имеет номинальную пиковую амплитуду 1,736 вольт. Коэффициент усиления 5 будет означать пиковое значение 8,68 вольт, что хорошо соответствует рабочему напряжению с большим запасом.

Однако уровень потребительской линии имеет пиковую амплитуду 0,447 вольт, что позволяет использовать максимальный коэффициент усиления 22 или 20, чтобы не рисковать. Однако это, вероятно, слишком громко для прослушивания в большинстве наушников.

Шаг 3: этапы буферизации

Буферный каскад принимает усиленный сигнал от каскада усиления и отправляет его в наушники. По сути, это усилитель с коэффициентом усиления, равным единице. Таким образом, он не обеспечивает усиления по напряжению, но может обеспечить усиление по току. Это становится особенно важным при использовании наушников с низким импедансом.

Каждый канал имеет собственный буферный каскад с 2 параллельными операционными усилителями (один полный пакет ИС на канал). Параллельные операционные усилители означают, что усилитель может обеспечить больший ток для наушников, чем одиночный операционный усилитель.

Поскольку секции идентичны, их легко собрать одновременно.

Снова начну с интегральных схем (U3, U4).

ИС буферных ОУ распаяны.

На очереди конденсаторы (С12, С13, С14, С15). Они работают как блокираторы постоянного тока, устраняя любое смещение, которое могло быть создано каскадом усиления по напряжению. Они функционально идентичны (C4, C5) в каскаде усиления. Их также можно заменить ссылками с нулевым сопротивлением, но это следует делать только в том случае, если вы достаточно уверены, что входной операционный усилитель не вносит значительного смещения.

Смещение является проблемой, потому что наушники обычно плохо реагируют на постоянный ток, протекающий через них. Постоянный сигнал смещает диафрагму из ее предполагаемого положения, ограничивая перемещение, что может привести к увеличению искажений. Кроме того, постоянный ток нагревает звуковую катушку, что может привести к выходу наушников из строя.

Эти конденсаторы соединяют каскады вместе и устраняют любое смещение постоянного тока, которое может иметь сигнал.

Далее следуют развязывающие конденсаторы операционного усилителя емкостью 100 нФ (C18, C19, C20, C21), за которыми следуют резисторы (R7, R8, R9, R10), обеспечивающие заземление для буферных усилителей.

Буферные развязывающие конденсаторы впаяны. Они фильтруют мощность, поступающую на буферные усилители.
Входные буферные резисторы впаяны. Они обеспечивают заземление для операционных усилителей.

Последними компонентами буферного каскада являются выходные резисторы 1 Ом (R11, R12, R13, R14). Это помогает сбалансировать небольшие различия в буферных каскадах и гарантирует, что операционные усилители не будут пытаться управлять друг другом.

Выходные резисторы уравновешивают любые неравенства в параллельных буферах.

Шаг 4: Мощность

Когда путь прохождения сигнала готов, пора заняться силовой частью. Начну с индикаторного светодиода (D1) и его ограничительного резистора (R15). По моему опыту, номинальный ток 20 мА обычно делает светодиоды слишком яркими. Идея состоит в том, чтобы указать, что устройство включено, а не освещать комнату.

R15 составляет 10 кОм, что является довольно высоким значением, но поскольку светодиод подключен к шине питания -10 В, он ограничивает ток примерно до 1 мА, чего должно быть достаточно. Меньшее значение для R15 дает более яркий светодиод. Все, что выше 1 кОм, должно работать хорошо. Или, если вам не нужна индикация, вы можете вообще не заполнять D1 и R15.

Индикаторный светодиод и токоограничивающий резистор. Эти компоненты являются необязательными. Подойдет любой цвет светодиода, но здесь я использую зеленый.

После индикатора заселяю конденсаторы питания (С22, С23). Эти конденсаторы емкостью 2,2 мкФ работают как резервуары энергии и обеспечивают стабильное регулирование напряжения.

Теперь пришло время разместить линейные стабилизаторы напряжения (LDO) с малым падением напряжения. Я начинаю с регулятора положительного напряжения (U5), а затем с аналога отрицательного напряжения (U6). Это разные компоненты с разными выводами, поэтому будьте осторожны, чтобы не поменять их местами.

Далее идут три конденсатора развязки/фильтрации питания (C6, C9, C26). Пайка этих 1 мкФ колпачков уже должна быть рутинной.

Эти конденсаторы емкостью 2,2 мкФ стабилизируют регулируемое напряжение, обеспечивая чистое рабочее напряжение операционных усилителей.
Используйте небольшое количество паяльной пасты, чтобы прикрепить регуляторы с малым падением напряжения. При необходимости добавьте еще позже, но использование слишком большого количества паяльной пасты при первой пайке компонента может привести к короткому замыканию под компонентом (не спрашивайте, откуда я знаю).
Первый LDO успешно спаян.
Оба регулятора на месте.
Эти три конденсатора фильтруют напряжения, поступающие от DC/DC-преобразователя.

Очень легко нанести слишком много паяльной пасты на контактные площадки и вызвать короткое замыкание в LDO, поэтому проверьте его с помощью мультиметра. Я допустил эту ошибку, и мне пришлось заменить один из LDO. К счастью, я купил запасные части, потому что их легко сломать, пытаясь что-то починить.

Печальный итог моей попытки починить короткое замыкание под одним из регуляторов. Купи запчасти!

Я оставлю DC/DC преобразователь (U1) на потом из-за его большого размера, а вместо этого сначала припаяю остальные компоненты.

Начиная с самого внутреннего компонента на линии из четырех посадочных мест, я размещаю и припаиваю катушку индуктивности (L1). Это фильтрует входящий ток и устраняет помехи от источника питания. Затем устанавливаю конденсаторы 4,7 мкФ (С1, С24). Наконец, я впаиваю конденсатор 1 нФ (C25). Эти четыре компонента являются частью фильтрации электромагнитных помех преобразователя постоянного тока.

Индуктор входной мощности.
Конденсаторы для входа DC/DC преобразователя.

Теперь пришло время припаять преобразователь (U1). Упаковка выше остальных, но найти правильный угол для пайки контактных площадок не должно составить труда.

Преобразователь постоянного тока в постоянный является самым крупным компонентом на плате.

После преобразователя припаиваю входное и выходное гнезда (J2, J3). При покупке компонентов типа без выключателя, используемого в этой схеме (SJ-3523-SMT-TR), не было в наличии, поэтому я использовал модель с выключателем (SJ-3524-SMT-TR), а дополнительные ножки подогнул вверх с помощью плоскогубцами, чтобы они не касались других компонентов (C19, R6).

Входной (левый) и выходной (правый) разъемы. Выключатель

Последним является выключатель питания (SW1). Его лучше вставлять последним, потому что это деталь со сквозным отверстием, и ножки могут привести к раскачиванию доски после установки (в зависимости от поверхности). Если вы предпочитаете, чтобы устройство всегда было включено, вы можете постоянно подключать соединения. Подсоедините центральную площадку обоих рядов к колодке, ближайшей к USB-разъему. Пэды со стороны входного разъема не подключены и могут быть проигнорированы.

Выключатель питания также можно не использовать, но соединения должны быть соединены вместе.

Шаг 5: Очистка

После того, как все спаяно, пришло время почистить плату. Я использую изопропанол и мягкую щетку или ватную палочку, чтобы удалить остатки флюса и паяльной пасты с платы. Денатурированный спирт также работает в качестве замены изопропанола, просто его не так приятно использовать, и он может оставлять следы на плате. Не используйте ацетон или другие растворители, они могут повредить компоненты.

Затем я использую мультиметр, чтобы убедиться, что между шинами питания нет коротких замыканий. Простой способ сделать это — измерить сопротивление конденсаторов. С1, С6, С9, С22, С23, С24 и С26. Из-за действия конденсатора измеритель показывает изменение сопротивления во время измерения, но оно никогда не должно быть ниже примерно половины мегаома (значение увеличивается по мере зарядки конденсаторов).

Измерьте также сопротивление между левым и правым каналами и между каждым каналом и землей как для входа, так и для выхода. Все они должны считываться как разомкнутые цепи или, по крайней мере, иметь высокое сопротивление.

Без короткого замыкания в цепи я подключил USB-кабель и включил выключатель. Загорится светодиодный индикатор. Я использовал мультиметр, чтобы проверить все напряжения, и все было в порядке. VCC должно быть +10, а VEE -10, с 20 вольтами между контактами 4 и 8 каждой микросхемы.

Я подключил источник сигнала с минимальной громкостью. Наконец, я подключил свои наушники (используйте одноразовую пару, если можете, на случай, если что-то пойдет не так) и увеличил громкость.

Новый усилитель для наушников готов.