Усилитель usb сигнала схема

Обновлено: 02.07.2024

Спервого взгляда USB кажется лишенным недостатков. Он «быстр»: с версией USB 2.0 (480 Мбит/c) может
конкурировать только FireWire (IEEE 1394).
Он удобен: для подключения устройств не
нужно выключать питание компьютера,
и при наличии концентраторов (хабов) всего в один разъем компьютера можно подключить до 127 различных устройств. Непрерывно растет и номенклатура USB-устройств—
это USB-накопители, MP3-плееры, сотовые
телефоны, цифровые фото- и видеокамеры,
различные мосты в другие интерфейсы. Фантазия разработчиков устройств привела к появлению даже USB-вентиляторов, пылесосов
и пепельниц.

Несмотря на все свои достоинства, интерфейс USB имеет серьезный недостаток: максимально допустимая длина одного сегмента ограничена спецификацией и составляет
5 метров. Для большинства рядовых пользователей этого достаточно. Но бывают случаи,
когда требуется установить устройство как
можно дальше от компьютера, например,
web-камеру, для использования ее в качестве камеры наблюдения; «мышку» и клавиатуру для организации удаленного рабочего
места на конференциях и семинарах; различные виды датчиков, устройств контроля и ограничения доступа. Есть несколько вариантов решения этой задачи. Можно увеличить
длину связи до 25 м, потратив еще некоторую сумму денег на хабы, что экономически
нецелесообразно. Для удлинения линии связи можно использовать мосты в другие интерфейсы, например, один из радиоинтерфейсов, что очень удобно, так как исключаются дополнительные расходы, связанные
с кабелями, но это будет сопровождаться значительным уменьшением пропускной способности. И последнее — это использование
новых, специально разработанных устройств,
USB-удлинителей, для которых не требуется
установка дополнительного программного
обеспечения и драйверов. Существует несколько их типов.

Первый тип имеет англоязычное название
USB Active Extension Cable. На самом деле это
обычный концентратор со встроенным куском 5-м кабеля, последовательное подключение таких удлинителей позволяет установить
USB-устройство на расстоянии до 25 м от
компьютера.

Второй тип устройств встречается под названием USB Extender. USB extender состоит
из передающего и приемного модулей, в качестве линии связи используются сетевые кабели категорий 5/5E/6. Это довольно сложные
и дорогие устройства, содержащие в себе набор из нескольких микросхем и большого количества дополнительных пассивных элементов. Микросхемы отслеживают USB-протокол
и преобразовывают USB-сигналы в сигналы
Ethernet. Разработчикам устройств типа USB
extender удалось достичь максимально допустимой длины кабеля 40–45 м. Почему не
больше? Дело в том, что USB не предназначался для таких расстояний. В USB-контроллере
аппаратно установлено максимальное время
ожидания отклика устройства и, если за это
время ответ от устройства не поступает, контроллер останавливает с ним всякую связь.
Если перевести это время в пройденные сигналом метры, то получится 40–50 м в зависимости от типа кабеля.

Рис. 1. Активный USB 1.1 удлинитель «ОМИКС»

К третьему типу можно отнести USB кабельные повторители на основе специализированной микросхемы UIC4101CP
(USB 1.1 Active Extension Cable), разработанной в ООО «Юник Ай Сиз» (рис. 1). На новое
техническое решение получен патент Российской Федерации. Две микросхемы, встроенные в разные концы кабеля, позволяют организовать связь устройства и компьютера при
длине кабеля до 40 м. В отличие от решений,
описанных выше, первое из которых использует только экранированный USB-кабель,
а второе сетевой кабель одной из категорий—
5/5E/6, устройства на основе микросхемы
UIC4101CP могут работать с экранированным и неэкранированным USB-кабелем, с сетевыми кабелями категорий 5/5E/6 и с другими типами кабелей, имеющими не менее
четырех проводников (рис. 2). Естественно,
в зависимости от качества кабеля будет варьироваться и его максимальная длина.

Рис. 2. Типовая схема включения активного USB 1.1 удлинителя

На данный момент исследована работа устройств со следующими типами кабелей: экранированный USB 2.0 кабель, сетевой кабель
CAT5 и четырехжильный телефонный кабель. С технической точки зрения конечные
устройства, выполняющие функцию удлинения, на основе UIC4101CP получаются проще. В отличие от существующих системных
решений, состоящих из большого набора микросхем или работающих при использовании дорогостоящих хабов, предлагаемая
структура состоит из кабеля и двух печатных
плат, встроенных в разные концы кабеля.
Каждая из двух плат содержит всего одну микросхему UIC4101CP в 14-выводном пластиковом корпусе, стабилизатор питания, кварцевый резонатор и минимальное количество пассивных элементов.

Следует отметить, что на самом деле 40 метров — это не максимальная длина кабеля,
при такой длине кабеля работает весь ассортимент USB 1.1 устройств в режиме Full Speed.
Для USB-устройств, работающих только в режиме Low Speed (1,5 Мбит/с), можно использовать кабели длиной до 100 метров, правда,
в этом случае на удаленном от компьютера
конце понадобится дополнительный источник
питания из-за падения напряжения на кабеле.

Неискаженная передача импульсных сигналов по длинному кабелю достигается согласованием импедансов приемника и передатчика с волновым сопротивлением кабеля.
Выбор направления передачи информации
по кабелю производится автоматически.

Микросхема UIC4101CP преобразует уровни сигналов и передает данные по кабелю
с использованием импульсных сигналов
меньшей амплитуды (порядка 500 мВ) по
сравнению с амплитудой сигнала контроллера и устройства 3,3 В. Поскольку выходной
и входной импеданс микросхемы UIC4101CP
выбирается равным 45 Ом, то есть равным
импедансу кабеля, то обеспечивается надежная передача данных без отражений сигналов. Это и позволяет увеличить длину линий
связи в устройстве передачи данных до 40 м.

Уменьшение амплитуды сигнала обеспечивает меньшую потребляемую мощность
и меньшую генерацию помех в устройстве.
Малая потребляемая мощность микросхем
позволяет исключить внешний источник питания и работать от питания, передаваемого
по USB-кабелю.

Уменьшение амплитуды импульсного сигнала делает микросхему UIC4101CP чувствительной к помехам и величине искажения импульсного сигнала в линии передачи. При выборе типа кабеля и его длины необходимо
учитывать уровень электромагнитных помех
в помещении, где работает линия связи. В помещении с высоким уровнем помех необходимо использовать экранированный USB 2.0
кабель, который обеспечивает максимальную
длину и максимальную устойчивость к помехам. Поэтому помимо кабельного повторителя USB 1.1, компания «Юник Ай Сиз» выпустила на рынок отдельный продукт: универсальный удлинитель USB 2.0 «ОМИКС» (рис. 3)
с уникальной технологией передачи сигнала.

Рис. 3. USB 2.0 удлинитель (повторитель) «ОМИКС»

Секрет новинки — в уникальных интеллектуальных микросхемах UIC4102CP (рис. 4),
которые позволяют многократно усиливать
сигнал. Интегрированные USB 2.0 приемопередатчики обеспечивают устойчивую передачу сигналов на скоростях до 480 Мбит/с.
Разработчикам USB-удлинителя также удалось полностью исключить влияние электромагнитных помех на кабель. Уникальная
технология экранирования позволяет передавать сигналы через USB-удлинитель без помех в помещениях с высоким фоновым электромагнитным излучением.

Рис. 4. Микросхема UIC4102CP

Новинка вызвала огромный интерес среди домашних и офисных пользователей ПК:
USB-кабель позволил оптимизировать рабочее место, разнести оргтехнику, повысить
комфортность и эффективность работы сотрудников. Благодаря новой технологии передачи данных были осуществлены несколько интерактивных бизнес-проектов, организована удаленная работа сотен уличных
терминалов, работающих через высокоскоростное подключение к Интернету.

Широкая совместимость, надежность, прстота в использовании, высокоскоростные
характеристики универсального USB-кабеля
«ОМИКС» позволили применять его в системах организации on-line видеоконференций, трансляций и записи изображений,
а также организации охранных систем видеонаблюдения при помощи веб-камер и обычного компьютера.

USB-удлинитель «ОМИКС» компании
«Юник Ай Сиз» сегодня не имеет аналогов на
мировом рынке. Две «интеллектуальные» интегральные микросхемы собственной разработки, встроенные в разные концы кабеля,
дают возможность многократно усиливать
сигнал и обеспечивать устойчивую работу
в режимах high-speed (480 Мбит/с), full-speed
(12 Мбит/с) и low-speed (1,5 Мбит/с). Кабель
имеет разъем для подключения дополнительного питания, что позволяет ему работать
с устройствами большой мощности (рис. 5).
При этом USB 2.0 кабель не требует установки драйверов или настройки ПО.

Рис. 5. Типовая схема включения активного USB 2.0 удлинителя

Техническое описание

USB 2.0 удлинитель (повторитель) предназначен для удаленного (до 20 м) подключения USB-устройства к персональному компьютеру. Устройство состоит из кабеля и двух
печатных плат, встроенных в разные концы
кабеля. Каждая из двух плат содержит «интеллектуальные» интегральные микросхемы.

web-камеры;
камера систем наблюдения;
принтер общего доступа для рабочей группы;
клавиатура и мышь;
сканер и т. п.

Устройство совместимо со спецификацией USB 2.0.
Обеспечивает передачу USB-сигналов в режимах high-speed (480 Мбит/с), full-speed
(12 Мбит/с) и low-speed (1,5 Мбит/с).
Позволяет организовать связь устройства
и компьютера при длине до 20 м.
Встроенные USB 2.0 приемопередатчики
обеспечивают передачу сигнала без потерь.
Толщина провода питания (VCC) и провода «земли» (GND) — 24 AWG.
Толщина сигнальных линий (DP и DM)—
28 AWG, стандартная витая пара с импедансом 90 Ом.
Разъем со стороны устройства: тип А розетка, разъем со стороны компьютера; тип А вилка; разъемы соответствуют USB-стандарту;
Длина кабеля 20 м.
Потребляемая мощность — не более
350 мА, 5 В.
Мощность подключаемых устройств без
дополнительного источника питания —
не более 200 мА, 5 В.

Совместимость

Активный USB 2.0 удлинитель отвечает
требованиям спецификации USB 2.0, определяющей правила разработки USB-устройств, работающих в режимах high-speed
(480 Мбит/с), full-speed (12 Мбит/с) и low-speed
(1,5 Мбит/с).

Рассмотрим, как сделать USB усилитель звука для наушников своими руками из самых доступных радиоэлементов. Наибольшую популярность среди усилителей звука для наушников получила микросхема TDA7050 компании Philips.

Микросхема TDA7050 была разработана для портативных мини радио, плееров и т. п. Имеет две схемы включения: мостовая и стерео. При мостовой схеме включения происходит усиление одного канала на одно «ухо». Поэтому для наушников необходимо применять две микросхемы, включенные по мостовой схеме. При этом мощность каждого канала будет очень значительной для наушников и составляет 140 мВт при сопротивлении наушника 32 Ом и питающем напряжении 3 В.

Однако практика показывает, что такая мощность в преобладающем большинстве случаев не потребуется. Поэтому применяется стерео схема USB усилителя звука для наушников. Здесь потребуется лишь одна микросхема TDA7050. Если питать микросхему от 3 В, на пример от двух батареек, то выходная мощность каждого канала равна 35 мВт, а при 4,5 В – 75 мВт.

Схема USB усилителя звука для наушников

Схема USB усилителя для наушников довольно проста и имеет минимальное количество радиоэлементов в обвязке. Напряжение питания микросхемы TDA7050 находится в диапазоне 1,6 В…6 В. Поэтому ее можно питать непосредственно от USB порта, имеющего стандартное напряжение 5 В.

Для регулировки величины входного сигнала и соответственно громкости звука в наушниках применяется сдвоенный переменный резистор с логарифмической характеристикой сопротивлением 20 кОм.

Однако, на мой взгляд, лучшим решение будет установить стабилизатор напряжения с минимальным падением напряжения. Таким интегральным стабилизатор напряжения может послужить микросхема MCP1702. Она имеет достаточно низкое падение напряжения по сравнению с аналогами и составляет 0,65 В. На выходе ее 3,3 В. Поэтому для стабильной работы MCP1702 достаточно подать на ее вход 4 В.

Для сглаживания различного рода пульсаций тока на входе и выходе MCP1702 установлены конденсаторы. Максимум на стабилизатор можно подавать 13,2 В. Таким образом, применяя стабилизатор напряжения, USB усилитель звука для наушников можно питать в широком диапазоне напряжения: от 4 В до 13,2 В. Или даже от одной батарейки, если подключиться к TDA7050 после стабилизатора.

Разводку печатной платы и документацию на микросхемы можно скачать здесь

Если Вы только начинающий радиолюбитель, то рекомендую ознакомиться со статьей, как сделать любой усилитель звука.

Теперь, я надеюсь, Вы сможете собрать любой USB усилитель звука для наушников своими руками.

Для компьютерного пользователя ноутбук, несомненно, является удобным, компактным и достаточно функциональным прибором. Но, к сожалению, и данный аппарат не лишён изъянов.

Наверняка многие пользователи ноутбуков и нетбуков сталкивались с проблемой тихого воспроизведения звука через встроенные динамики этих аппаратов.

Если в условиях дома можно подключить внешнюю стереосистему, то вне домашних стен это бывает невозможно и приходиться ограничиваться наушниками. В таком случае речи о коллективном просмотре какого-либо фильма или сериала не идёт.

Цена портативных компьютерных колонок с питанием от USB-порта достаточно низка и доступна широкому слою населения. Несмотря на это покупка данного устройства может быть и неудачной, так как качество воспроизведения звука такой системой оставит желать лучшего. Как ни странно, но среди дешёвых аппаратов данного класса попадаются приборы весьма хорошего качества, как по дизайну, так и по качеству звуковоспроизведения.

Проведём “вскрытие” портативной акустической системы с питанием от USB-порта и изучим электронную начинку данного прибора. С точки зрения радиолюбителя любопытно узнать, из каких электронных компонентов собираются подобные устройства. Полученные знания могут пригодиться при самостоятельном конструировании портативных звуковых колонок с питанием по USB или их ремонте.

Разборке подвергнем портативные мультимедийные USB колонки марки Sven 315. Несмотря на их дешевизну, данная модель портативных колонок показала хорошее качество воспроизведения и звуковую мощность, достаточную для озвучивания небольшого помещения.

Портативные компьютерные USB колонки SVEN 315

Разборка компьютерных USB колонок

Разбираются портативные колонки легко. Чтобы вскрыть корпус необходимо аккуратно снять переднюю декоративную панель.

Разборка портативных USB колонок

Далее вывинчиваем 4 шурупа которые фиксируют малогабаритный динамик. После демонтажа фиксирующей планки открывается доступ к электронной начинке устройства.

Электронная начинка USB колонок

Для того чтобы достать печатную плату усилителя необходимо выкрутить фиксирующую гайку, которая скрыта под пластмассовой ручкой регулятора громкости. После этого электронную плату можно свободно вынуть из корпуса.

Электронная начинка

Состав электронной начинки прибора оказался довольно прост. На небольшой по размеру печатной плате смонтирована интегральная схема стереофонического усилителя на базе микросхемы LM4863D. При напряжении питания в 5 вольт данная микросхема может выдать по 2,2 Вт выходной мощности на канал при сопротивлении звуковой катушки динамика в 4 Ом. На основании описания (datasheet) коэффициент нелинейных искажений + шум (THD+N) при максимальной выходной мощности составляет 1%.

Плата усилителя и динамик

На основании этих данных можно сделать вывод о том, что на базе микросхемы LM4863D можно собрать довольно неплохой стерео усилитель с низковольтным питанием (5V) и выходной мощностью 2 Вт на каждый канал. Многие, кто ещё не знаком с современными микросхемами считают, что вместо LM4863D подойдёт TDA2822. Это заблуждение! TDA2822 очень прожорлива (по сравнению с LM4863) и на максимальной мощности выдаёт сильные искажения сигнала. Также оптимальное питание для TDA2822 около 12 вольт, что для портативной техники не есть хорошо. TDA2822 можно рекомендовать как легкодоступную замену, если в наличии нет LM4863. Такое может случиться, например, при ремонте.

Стоит отметить, что микросхема LM4863 разрабатывалась специально для компактных систем, поэтому микросхема требует минимум внешних элементов (так называемой обвязки). Микросхема выпускается в разных корпусах, от привычного DIP, до компактного SOIC.

Как купить радиодетали на Aliexpress, я рассказывал тут.

Кроме самой микросхемы усилителя на печатной плате установлен разъём для подключения пассивной звуковой колонки (без встроенного усилителя), сдвоенный переменный резистор для регулировки входного звукового сигнала и электролитический конденсатор. Со стороны печатных проводников монтажной платы установлены SMD элементы обвязки, которые необходимы для работы интегрального усилителя. Питание микросхемы осуществляется от разъёма USB, который подключается к любому свободному порту ноутбука или стационарного компьютера.

Типовая схема подключения микросхемы LM4863 взята из описания (datasheet'а) на данную микросхему и показана на рисунке.

Типовая схема включения микросхемы LM4863 (взято из описания)

По типовой схеме включения микросхемы LM4863 видно, что она способна работать и на обычные наушники (Headphone), сопротивление которых составляет 32 Ом. В микросхеме предусмотрена схема определения подключения наушников и для реализации этой функции отведён 16 (HP-IN) вывод.

Схема усилителя портативных USB колонок

Принципиальная схема усилителя сведена вручную с печатной платы компьютерных USB колонок Sven-315. На схеме показан один конденсатор C2 вместо двух (C7,C9), которые реально присутствуют на печатной плате (см. ниже). Сделано это потому, что на печатной плате конденсаторы соединены параллельно (C7 и C9), и на сведённой схеме конденсатор C2 указывает на общую ёмкость этих двух конденсаторов.

Принципиальная схема усилителя на базе LM4863D (сведена вручную)

Как видим, типовая схема из описания отличается от той, что сведена вручную с печатной платы усилителя компьютерных колонок. На схеме отсутствуют элементы, которые устанавливаются в случае добавления в схему разъёма для наушников. В остальном схема соответствует типовой, приведённой в описании на микросхему LM4863.

Размещение элементов на печатной плате

Если планируется использовать портативные колонки без ноутбука, например, совместно с MP3-плеером, то для питания колонок вполне подойдёт 5-ти вольтовый адаптер питания. Главное, чтобы адаптер питания смог обеспечить достаточный ток нагрузки (как оценочный грубый ориентир: стандартный ток нагрузки для портов USB – не более 500 mA). Согласно описанию на микросхему LM4863 максимальный ток покоя (когда на микросхему не подаётся звуковой сигнал) составляет 20 mA. Естественно, при воспроизведении потребляемый ток будет выше.

На фото показан вариант запитки портативных колонок SVEN-315 от 5-ти вольтового адаптера, который используется для зарядки плеера iPod. Максимальный ток нагрузки адаптера 1А чего с лихвой хватает для штатной работы портативных колонок.

Как выяснилось, качественное звуковоспроизведение портативных колонок SVEN-315 заключается в рациональном исполнении корпуса. Как известно, на качество звуковых акустических систем влияют не только применяемые в них громкоговорители, но и корпус. Чтобы убедиться в этом, достаточно вытащить динамик из корпуса и включить воспроизведение. Качество и звуковая мощность воспроизведения окажутся намного хуже. Данное замечание сделано не случайно, поскольку было проведено сравнение качества звуковоспроизведения портативных колонок SVEN-315 и аналогичных, но более дорогих USB колонок SVEN PS-30.

Несмотря на тот факт, что звуковые колонки SVEN PS-30 смонтированы на базе интегрального USB аудио чипа CM6120-S в составе которого 16-ти битный ЦАП и звуковые усилители класса D, качество их звуковоспроизведения субъективно (на слух) гораздо хуже из-за плохого исполнения корпуса акустической системы.

Корпус портативных колонок SVEN-315 изготовлен из ABS-пластика. Возможно, именно конструкция корпуса и позволяет “выжать” из малогабаритных динамиков все их скромные возможности.

Всем привет! Сегодня я хочу рассказать, как сделать USB удлинитель из провода «витая пара». Длина такого удлинителя может достигать 50-ти метров, в моём случае она равна 15 метрам. Подключать к нему можно любое USB-устройство.

Необходимые инструменты и материалы

штекер и гнездо USB-разъёма, можно использовать штекер от старого провода, а гнездо снять с неиспользуемой аппаратуры;
кабель «витая пара» требуемой длины, я использовал 4-х парный кабель;
принадлежности для пайки, желательно с феном;
острый нож (скальпель).

Описание процесса изготовления

Вначале займёмся штекером. С обеих сторон острым ножом делаем прорезы в резиновой заливке. Прорезать резину следует до металла.

Прогреваем резиновую оболочку феном для пайки до её размягчения и извлекаем из неё штекер.

Разрезы делаем как можно аккуратней, так как после припаивания проводов «витой пары» к контактам штекера, оболочку можно будет снова посадить на клей.
Далее разжимаем лепестки металлического замка, удерживающего кабель, и счищаем слой компаунда, покрывающего контактные дорожки. Здесь нужно проявить осторожность, лично я немного повредил одну из площадок для пайки.
Приступаем к разделке кабеля. Сняв изоляцию, зачищаем кончики проводов с одной стороны кабеля. При пайке кабеля нужно быть особенно внимательным, чтобы не перепутать порядок проводов, иначе удлинитель просто не будет работать.

первый контакт — питание +5В, к нему припаиваем 3 провода — синий, оранжевый и бело-оранжевый;
второй контакт — это –Data, сюда припаиваем бело-зелёный провод;
третий — +Data, припаиваем зелёный;
четвёртый — питание -5В, припаиваем коричневый, бело-коричневый и бело-синий.

Скручиваем строенные провода цепей питания, облуживаем все 4 получившихся кончика и припаиваем их к штекеру. Место паяного соединения заливаем термоклеем или герметиком и зажимаем кабель металлическим замком.

первый — провода синего, оранжевого и бело-оранжевого цветов;
второй — провод бело-зелёного цвета;
третий — зелёный провод;
четвёртый — провода коричневого, бело-коричневого и бело-синего цветов.

Дополнительно к цепям питания (+5В, -5В) необходимо припаять конденсатор, ёмкостью не менее 1500 микрофарад, чтобы избежать просадки напряжения питания. Подключение производим в соответствии с полярностью конденсатора — «+» на 1-й контакт, «-» на 4-й.

Осталось залить пайку гнезда термоклеем или герметиком. Можно приступать к испытаниям. Если при выполнении соединений вы не допустили ошибки, удлинитель должен работать.

Данный удлинитель был изготовлен подключения внешней антенны с адаптером.

Антенна находится на расстоянии нескольких метров, адаптер светится зеленым огоньком.

Заключение

жил может быть не менее 4, по количеству контактов USB разъёма;
сечение проводов цепей питания желательно увеличить, объединив несколько жил, как это сделал я.

Смотрите видео

Читайте также: