Bygg din egen hörlursförstärkare för Under $30-Kuosch NS-01

Bygg din egen hörlursförstärkare för Under $30-Kuosch NS-01

en steg-för-steg-guide för att montera en högpresterande förstärkare på en eftermiddag för under $50.

Vad är NS-01?

NS – 01 är en liten DIY hörlursförstärkare. Det är inte det enklaste möjliga projektet, eftersom det designades med storlek och prestanda i åtanke. Den version som presenteras här ska kunna mata ut 90 mA vid 7 volt RMS och arbeta med jämn lågimpedanshörlurar.

för att hålla den fysiska storleken liten är kortet utformat med ytmonterade komponenter. Dessa är ganska små, så det krävs viss försiktighet för att inte förlora några delar oavsiktligt, men själva monteringen ska vara relativt enkel. För enkelhetens skull hålls delräkningen minimal. Till exempel använder standardkonfigurationen endast två olika motståndsvärden.

förstärkaren i sig består av två steg:

1. ett spänningsförstärkningssteg,
2. ett buffertsteg.

denna tvåstegsmetod bör i teorin förbättra distorsionsprestanda, eftersom samma enhet inte behöver hantera både spänning och strömförstärkning. Resten av kretsarna utgör strömförsörjningen. Styrelsen som visas här är revision D. senare revideringar kan införa små förändringar, men den övergripande strukturen bör förbli densamma.

det talas mycket bland hobbysamhället om hur SMT / SMD är svårt att använda, men min personliga erfarenhet är att SMT faktiskt är lättare att montera för hand än genomgående hålkomponenter. Det största hindret är storleken på komponenterna, men det kan hjälpas helt enkelt genom att använda ett förstoringsglas eller ett mikroskop. För att hålla det enkelt, de minsta komponenterna i NS-01 är i 0805 storlek, eller 2,0 x 1,2 mm.

metoder för lödning

det finns många olika metoder för lödning SMD komponenter. Vissa är lättare att göra men kan kräva specialutrustning. De flesta av dessa använder lödpasta, som i huvudsak är en klibbig pasta gjord av små lödbollar och flöde som hjälper det smälta lödet att flöda. Från enklaste till svåraste metoden:

Reflow ugn

från konverterade brödrostar till stora industriella system, dessa värma styrelsen tills lödpasta smälter och ytspänningen drar komponenterna på plats. Brädan kyls på ett kontrollerat sätt för att förhindra att lödfogarna blir spröda.

kokplatta / stekpanna

i grund och botten en fattig mans version av återflödesugnen. Kretskortet värms underifrån tills temperaturen är tillräckligt hög för att smälta lodet och återflöda komponenterna. Kylning av brädet är svårt att kontrollera. Det faktum att glasfibermaterialet kretskort är tillverkade av är en bra värmeisolator gör denna metod ineffektiv också. Den initiala uppvärmningsperioden är ganska lång och ingenting händer, och plötsligt händer allt på en gång.

Varmluftsåterflödesstation

blåser varm luft för att värma komponenterna och smälta lödpasta. Varmluftsstationer är utmärkta när små fixar behövs, eftersom du kan fokusera värmen på ett litet område, till skillnad från en ugn, men du kan värma hela komponenten på en gång, till skillnad från med ett strykjärn. Tyvärr kan luftflödet flytta små komponenter runt, så vård krävs.

lödkolv

det gammaldags sättet att göra saker. Tar mer ansträngning för att producera vackra resultat. Enda metoden kunna arbeta med fast lod. Även ett billigt järn räcker, men se till att det är temperaturstyrt.

för ugns-och värmeplattans metoder, placera alla komponenter först före uppvärmning. Med varmluftsmetoden, arbeta i små grupper av komponenter, och med lödstryk, placera bara några komponenter åt gången så att du har utrymme att arbeta i.

för att placera en komponent, lägg en liten klump lödpasta på var och en av dynorna på kretskortet och sätt komponenten på plats med pincett. Beroende på komponentens storlek kan det vara bra att hålla ned komponenten försiktigt vid lödning med ett strykjärn.

i den här guiden kommer jag att använda ett lödstryk och lödpasta. Delvis för att jag vill visa hur det görs på ”hårda vägen”, men mest för att dessa verktyg är vad jag har enkel tillgång till.

Guide för att bygga din egen hörlursförstärkare

• saker du behöver
• Lödningsordning
• Steg 1: USB-kontakt
• steg 2: Gain stage
• steg 3: Buffertsteg
• steg 4: Power
• Steg 5: Rengöring

saker du behöver

här är en kort lista över verktyg och delar som krävs för byggnaden. Det finns många alternativ och flera leverantörer, så ta bara följande lista som ett förslag. Om du inte planerar att bygga mer elektronik är det värt att överväga att låna verktygen eller besöka ett makerspace.

verktyg

• lödkolv. Så länge det är temperaturkontrollerat, kommer du att bli bra. Jag använder min 20-åriga Weller, men TS100 har fått bra recensioner.
• lödpasta. Jag använde denna ChipQuick-produkt, men andra märken fungerar lika bra.
• Multimeter. Så länge det kan mäta motstånd och spänning, borde du ha det bra. Till exempel har ANENG anständiga billiga modeller.
• pincett (icke-magnetisk). Rak eller böjd beroende på vad du föredrar.
• lupp eller mikroskop för inspektion
• gnugga alkohol

komponenter

nedan är en lista över föreslagna elektroniska komponenter. Det finns flera distributörer, men för tydlighetens skull har jag bara lagt till länk till en. Även i fallet med motstånd och kondensatorer etc. det är möjligt att ersätta dem med en annan produkt så länge värdet och förpackningen matchar. Ibland slutar distributörer i lager på vissa artiklar, så ibland rekommenderas att hitta alternativ.

Observera att kvantiteterna ovan är komponenterna som fylls i den färdiga förstärkaren. Ibland händer misstag, så det kan vara klokt att köpa en extra komponent eller två. För flera regioner distributörerna erbjuder också gratis frakt om din beställning är tillräckligt stor, så kontrollera om de har något du vill kan du använda för att pad din beställning. Jag köper ofta olika färglampor och olika ljudkontakter.

Lödningsordning

ordningen i vilken komponenter bäst löds skiljer sig avsevärt mellan SMD-montering och genomgående hålmontering. Traditionellt har integrerade kretsar varit de sista komponenterna att löda, men med ytmontering bör ICs vara några av de första komponenterna du monterar. Detta beror på att IC tenderar att vara plattare och bredare än de flesta andra komponenter, och därför är det lättare att montera dem först.

Steg 1: USB-kontakt

NS-01 använder en mikro-USB-kontakt för strömingång. Kontakten är den svåraste delen av byggnaden, så det är ett bra ställe att börja. Jag lägger en liten bit lödpasta på dynorna, eller om du använder lödtråd, förtunna dynorna med så lite lödning som möjligt.

när kontakten är lödd, kontrollerar jag efter shorts mellan strömstiften med en multimeter. Om det inte finns någon kortslutning mellan de centrala stiften på switch SW1 är allt bra och byggnaden kan fortsätta. Om stiften är kortslutna, kontrollera lödningen och mät igen. I värsta fall, ta bort kontakten och löd den igen.

steg 2: förstärkningssteg

efter att strömkontakten är säkert monterad börjar jag med förstärkningssteget, eftersom det är den mest centrala delen av kortet och har de flesta komponenterna till det.

förstärkningssteget tar insignalen och förstärker den, vilket ökar spänningsnivån för ljudsignalen. Med andra ord gäller detta steg förstärkning till signalen. Det utför också viss filtrering för att ta bort brus från signalen som kan störa systemet, till exempel radiofrekvenser. Förstärkningen utförs av en OPA1656, som faktiskt är två operationsförstärkare i ett paket, en av dem används för vänster och den andra för höger kanal.

jag börjar med att placera operationsförstärkaren (op-amp) och se till att orienteringen är korrekt. Ibland för ICs är det lättast att använda en metod som kallas draglödning, men för dessa förstärkare är stifthöjden tillräckligt stor för att det är lätt att lödda en stift åt gången. Jag håller IC försiktigt ner med pincett, plocka en av hörnstiften och lödda den. Sedan lödar jag det motsatta hörnet och sedan resten av benen.

det är aldrig dåligt att kontrollera att ingen av stiften är kortslutna innan du fortsätter. Om du använde för mycket lödpasta kan det ha flödat under komponenten och kan orsaka problem.

nästa lägger jag till avkopplingskondensatorerna . Dessa är 100nf 0805 kondensatorer, så var försiktig så att du inte går vilse. Dessa kondensatorer tjänar till att jämna ut strömförsörjningen för op-amp och fungerar som en energibehållare vid plötslig efterfrågan. Utan dem finns det en ökad risk att op-amp skulle börja oscillera.

nästa är motstånden . Dessa är alla 10 kOhm 0805 motstånd. Efter dem, lödd i 1 oc 1206-storlek kondensatorer, följt av fyra 68pf kondensatorer .

68pf kondensatorer bildar två olika lågpassfilter för varje kanal, en vid signalingången och den andra i återkopplingsslingan. Ingångsfiltret förhindrar radiofrekvent brus från att komma in i förstärkaren, och återkopplingsfiltret begränsar förstärkarens bandbredd, vilket minskar det totala systembruset.

hörnfrekvensen (frekvensen vid vilken filtret gör att signalnivån blir -3 dB) för återkopplingsfiltret är cirka 230 kHz. Det kunde justeras lägre genom att öka kondensatorvärdet, men jag ville använda samma komponent som i det andra filtret, och jag ville inte höra några klagomål om att förstärkaren ”rullar av high end”.

1-kondensatorerna bildar högpassfilter på varje kanalingång, vilket blockerar eventuell DC-förspänning i ingångssignalen, samt reducerar subsonisk rubbning. Hörnfrekvensen för detta högpassfilter är 16 Hz.

nästa installerar jag 10 kOhm-motstånd , följt av 1 ubicf-kondensatorer . Motstånden bildar återkopplingsslingan med, och kondensatorerna skapar högpassfilter, vilket minskar förstärkarförstärkningen vid DC till enhet. Detta filter har också 16 Hz hörnfrekvens.

förstärkarförstärkningen bestäms av förhållandet R3 och R5 för den vänstra kanalen och förhållandet R4 och R6 för den högra kanalen. Eftersom alla dessa motstånd är av lika värde är förstärkarförstärkningen 2 eller +6 dB. Det är möjligt att justera förhållandet mellan motstånden för önskad förstärkning, men försiktighet bör vidtas för att hålla den maximala förstärkta signalen under driftsspänningen på 10 volt.

för min användning är 6 dB mer än tillräckligt med vinst med moderna källor, men dina behov kan vara olika. Observera att justering av förstärkningen också påverkar hörnfrekvenserna för alla dessa filter, så det kan krävas justering av kondensatorvärdena.

steg 3: Buffertsteg

buffertsteget tar den förstärkta signalen från förstärkningssteget och skickar den till hörlurar. I huvudsak är det en förstärkare med en vinst på en. Således ger det ingen spänningsförstärkning, men det kan ge strömförstärkning. Detta blir viktigt, särskilt när du använder hörlurar med låg impedans.

varje kanal har sitt eget buffertsteg med 2 parallella op-ampere (ett helt IC-paket per kanal). Parallella op-förstärkare innebär att förstärkaren kan ge mer ström till hörlurarna än en enda op-förstärkare kunde.

eftersom sektionerna är identiska är de lätta att montera samtidigt

igen börjar jag med ICs .

nästa i rad är kondensatorer . Dessa fungerar som DC-blockerare och tar bort eventuella förspänningar som spänningsförstärkningssteget kan ha skapat. De är funktionellt identiska med i förstärkningsstadiet. Dessa kan också ersättas med noll-ohm länkar, men detta bör endast göras om du är ganska säker på att ingången op-amp inte införa betydande partiskhet.

nästa är 100nf op-amp frikopplingslock, följt av motstånd som ger markvägen för buffertförstärkarna.

Slutkomponenter i buffertsteget är 1 ohm utgångsmotstånd . Dessa hjälper till att balansera små skillnader i buffertstegen och se till att op-förstärkarna inte försöker driva varandra.

steg 4: ström

när signalvägen är klar är det dags att ta itu med strömavsnittet. Jag börjar med indikatorlampan och det är begränsande motstånd . Enligt min erfarenhet gör den nominella strömmen på 20 mA vanligtvis lysdioder alltför ljusa. Tanken är att indikera att enheten är på, inte att lysa upp rummet.

R15 är 10 kOhm, vilket är ganska högt värde, men eftersom lysdioden är ansluten till-10V-strömskenan begränsar den strömflödet till cirka 1 mA, vilket borde vara tillräckligt. Ett lägre värde för R15 ger en ljusare LED. Allt över 1 kOhm borde fungera bra. Eller om du inte behöver indikation kan du lämna D1 och R15 obefolkade helt och hållet.

efter indikatorn fyller jag strömförsörjningskondensatorerna . Dessa 2,2 USBC kondensatorer fungerar som energireservoarer och håller spänningsregleringen stabil.

nu är det dags att placera låg-dropout linjära spänningsregulatorer (LDOs). Jag börjar med den positiva järnvägsregulatorn och följer den med den negativa spännings motsvarigheten . Dessa är olika komponenter med olika pinouts, så var försiktig så att du inte byter dem.

därefter kommer de tre frikopplings – /effektfiltreringskondensatorerna . Lödning av dessa 1 ubicf-kepsar borde vara rutinmässigt nu.

det är ganska lätt att lägga för mycket lödpasta på dynorna och orsaka en kort i LDO, så kontrollera med en multimeter. Jag gjorde det misstaget, och var tvungen att ersätta en av LDOs. Lyckligtvis hade jag köpt reservkomponenter, eftersom de är lätta att bryta när man försöker fixa saker.

jag lämnar DC / DC-omvandlaren för senare på grund av sin stora storlek och löd istället resten av komponenterna först.

med utgångspunkt från den innersta komponenten i raden med fyra fotspår placerar jag och lödar induktorn . Detta filtrerar inkommande ström och tar bort ljud från strömförsörjningen. Sedan installerar jag 4.7-kondensatorerna. Slutligen löd Jag i 1NF kondensatorn . Dessa fyra komponenter är en del av DC/DC-omvandlaren EMI-filtrering.

nu är det dags att lödda omvandlaren . Paketet är högre än resten, men det är inte svårt att hitta rätt vinkel för lödning av dynorna.

efter omvandlaren lödar jag ingångs-och utgångsuttagen . Vid köp av komponenter var typen utan omkopplare som användes i denna krets (SJ-3523-SMT-TR) slut i lager, så jag använde modellen med omkopplare (SJ-3524-SMT-TR) och böjde de extra benen upp med tång så att de inte skulle röra andra komponenter .

strömbrytaren

sist är strömbrytaren . Det här är bäst att sätta in sist eftersom det är en genomgående håldel, och benen kan få brädet att vackla efter installationen (beroende på ytan). Om du föredrar att alltid ha enheten på kan du ansluta anslutningarna permanent. Anslut mittdynan i båda raderna till dynan närmast usb-kontakten. Kuddarna på ingångssidan är inte anslutna och kan ignoreras.

Steg 5: Rengöring

när allt är lödat ihop är det dags att städa upp brädet. Jag använder isopropanol och en mjuk borste eller bomullsknopp för att avlägsna fluss och lödpasta rester från brädet. Denaturerad alkohol fungerar också som ersättning för isopropanol, det är bara inte så trevligt att använda, och kan lämna några rester på brädet. Använd inte aceton eller andra lösningsmedel, de kan skada komponenterna.

sedan använder jag multimetern för att se till att det inte finns några kortslutningar mellan strömskenor. Ett enkelt sätt att göra detta är att mäta motståndet över kondensatorerna C1, C6, C9, C22, C23, C24 och C26. På grund av kondensatorverkan visar mätaren att motståndet förändras under mätningen, men det bör aldrig vara lägre än ungefär en halv megaohm (värdet stiger när kondensatorerna laddas).

Mät också motståndet mellan vänster och höger kanal och mellan varje kanal och jord, för både ingång och utgång. Dessa bör alla läsas som öppna kretsar, eller åtminstone ha hög resistans.

utan shorts i kretsen anslöt jag USB-kabeln och slog på strömbrytaren. Indikatorlampan tänds. Jag använde multimetern för att kontrollera alla spänningar, och allt var ok. VCC bör vara +10 och VEE -10, med 20 volt mellan stift 4 och 8 av varje IC.