Буфер линейного выхода для штатной магнитолы.

Предупреждение. Высказанные в данной статье мысли и решения являются всего лишь плодом размышлений и экспериментов автора. Несмотря на неочевидную простоту, данное схемотехническое решение отлично работает в большом количестве автомобилей в течение последних десяти лет.

С завидным постоянством на просторах интернета появляется, как феникс из пепла, тема изготовления предусилителя для подключения дополнительного усилителя к штатному головному устройству. Повторяясь снова и снова, десятки, если не сотни мастеров совершают одни и те же ошибки. Хотя для того, чтобы разобраться в данном вопросе и решить раз и навсегда имеющиеся задачи, хватило бы несколько тихих вечеров. Для себя я решил этот вопрос ещё в 2006 году. Несколько позже мне стало интересно: кто-нибудь займётся решением этой же проблемы? Сейчас же, когда в энный раз мастера идут по следам друг друга вокруг «пуховой опушки», у меня лопнуло терпение. Прошу, обратите внимание на предложенное решение и напрягите мозги.

Перед усилителем линейного выхода штатной магнитолы стоит несколько задач:

1. Слишком маленький уровень сигнала на выводах встроенного усилителя (200-250 милливольт) не согласован с входным напряжением автомобильных усилителей (1-4 вольт). Дополнительно, низкий уровень сигнала слабо защищён в длинных межблочных кабелях от наводок со стороны штатной проводки автомобиля.
2. Проблема наводок из- за разного потенциала общего провода магнитолы и усилителя.
3. Проблема подачи питания на буфер и вывода сигнала включения внешних усилителей (ремоут).
4. Проблема однополярного питания схемы и хлопков при включении/выключении.
5. Четыре канала усиления, работающих в сходных условиях.
6. Необходим минимальный размер платы, позволяющий установить усилитель внутри магнитолы.

Вопрос усиления сигнала с 250мВ до 2В решается вполне стандартным усилительным каскадом на операционном усилителе с коэффициентом усиления от пяти до шести. А вопрос наводок требует более тщательного рассмотрения.

Во-первых, в магнитоле имеется как минимум два общих провода – общий питания (на большом электролите) и общий аудиосигнала (приходит к микросхеме усилителя мощности). На приёмной стороне также два общих провода – общий питания усилителя (шасси) и общий аудио усилителя (на холодных клеммах динамиков), к тому же входные RCA разъёмы могут не иметь соединения ни с одним общим проводом, будучи выполнены по балансной схеме.

В таких условиях донести музыкальный сигнал от выхода аудиопроцессора до входа усилителя поможет только развязывающий трансформатор. Вначале я именно так и поступал. Случайно я смог недорого купить пермаллоевые трансформаторы с коэффициентом передачи 4:1 и полосой от 40Гц до 35 кГц. К сожалению, запасы трансформаторов исчерпались. Применение простых электронных схем приводило к вынужденному соединению музыкального тракта в какой-то точке с общим проводом, а значит к появлению шумов и наводок. Вот тогда мне и пришла в голову идея изготовить предусилитель со свойствами электронного трансформатора. Чтобы звуковой сигнал ни на входе, ни на выходе не был связан с проводом питания.

Отвязать сигнал на входе от общего провода достаточно просто: нужно применить дифференциальную схему включения операционного усилителя. Вот она:

На этой схеме для наглядности показаны две разные земли – входная и выходная. Есть ещё и третья – питание операционного усилителя, но, чтобы не захламлять схему, я её не нарисовал.

Такую схему легко превратить в дифференциальный усилитель с необходимым нам коэффициентом усиления, просто заменив резисторы R1 и R3 на 18 кОм:

Эта идеальная схема должна прекрасно работать в идеальном автомобиле с идеальным усилителем мощности. Однако, на практике это не так. Баланс схемы обеспечивается при точном соблюдении соотношений резисторов:

R2/R1 = R4/R3

Поэтому для такой схемы нужно устанавливать резисторы с точностью не хуже 1%, лучше отобранные. Подключение к усилителю с высоким входным сопротивлением добавляет к сопротивлению R4 входное сопротивление усилителя, и баланс всей схемы рушится, как карточный домик. К тому же, усилители могут быть построены с разной топологией входов, и величину добавочного сопротивления вообще невозможно предсказать. На этом этапе все электрики терпят фиаско. Они просто подключают R4 к общему проводу магнитолы или уходят от балансной схемы к небалансной, заземляя (+) вход операционного усилителя. Или применяя не инвертирующую схему усилителя, что с точки зрения наводок и шумов абсолютно аналогично.

Открою секрет полишинеля – выход есть, он лежит на поверхности! Достаточно для сигнала выходной земли применить повторитель:

Теперь сопротивление цепей усилителя, подключённого к клеммам Vout и GNDout, не оказывает никакого влияния на баланс дифференциального усилителя, а выходной сигнал получает общий провод, не соединённый ни с проводом питания, ни с входным общим проводом. Поскольку второй операционный усилитель используется в качестве повторителя, и он нагружен на высокое сопротивление R4, то здесь просится обыкновенный эмиттерный повторитель на PNP транзисторе, которому не нужно отрицательное напряжение питания.

Я хочу обратить внимание на то, что к блоку линейного выхода может быть подключён усилитель как с балансным входом, у которого оба контакта не заземлены, так и усилитель с небалансным входом, у которого сигнал GNDout подключён к общему проводу усилителя. В первом случае необходимо заземлить GNDout на корпус магнитолы, во втором случае нет. Для выбора типа заземления я вывожу вместе с выходами петлю провода, закорачивающую резистор R5. Перерезав эту петлю, можно отвязать выходы магнитолы от общего провода, но теперь необходимо убедиться, что общий провод линейных выходов соединён с общим проводом на стороне усилителя.

Переходим к вопросу параллельной работы нескольких каскадов. Здесь есть возможность значительно упростить схему без ухудшения параметров. Смотрите, вот два канала рядом, а для наглядности я развернул второй канал по вертикали:

 

Вам ничего не кажется странным? Обратите внимание на точки A и B. Их потенциалы равны, так как они включены между одинаковыми сигналами с помощью одинаковых делителей. Входной ток операционного усилителя мизерный и не оказывает влияние на потенциал точек A и B. Поэтому мы можем с лёгким сердцем заменить два делителя одним:

Итак, мы упростили второй канал дифференциального усилителя до двух резисторов, и он работает точно так же, как и первый с четырьмя резисторами. Это стало возможным потому, что входные и выходные сигналы имеют один общий провод, а также из-за инвертирующей схемы усиления сигнала. Вот и открылась очередная маленькая хитрость: обычно в таких схемах применяют не инвертирующую схему усиления (чтобы сохранить фазу сигнала). Я же предлагаю просто подключить динамики к усилителю в обратной полярности.

Осталось решить проблемы с однополярным питанием и включением ремоута. Питание буфера предполагается либо от постоянного питания, либо от сигнала ремоута. Ток потребления блока по цепи +12 вольт около 8 мА. Это примерно столько же, сколько потребляет автомобильная охранная система. При постоянном питании отсутствуют хлопки при включении, вызванные зарядом конденсаторов на входах и выходах блока. Для автомобилей с небольшими аккумуляторами и мотоциклов, наоборот, важно минимальное потребление при выключенной аудиосистеме. В таком случае необходимо питать буфер от цепи ремоута. Нужно сделать возможность выбора источника питания.

Детектор сигнала ремоута сделан на двух транзисторах. Вход подключён к RC цепочке с большой постоянной времени, чтобы минимизировать хлопки при включении. Применение полевого транзистора на входе согласуется с номиналом резистора в RC цепочке. Источником сигнала ремоута чаще всего является питание операционных усилителей на выходе ЦАП или питание звукового процессора. Следует отметить, что такой ремоут выключается со значительной задержкой после выключения магнитолы.

Вот и все «хитрости». Схема и печатная плата доступны по ссылке. Плата размером 45,5х25мм. Таких плат в разных вариантах за 10 лет изготовлено более 50, так что схема давно отработана и не содержит подводных камней.