DIY DJ mixážní pult - snížení šumu pro sluchátka

Tak jsem v podstatě dokončil řešení jednoho dlouhodobého problému se šumem ve sluchátkovém výstupu z mixu. Není to sice samostatný projekt (to by byl celý mix), ale snad mi to bude odpuštěno, když se zde o tom rozepíši.

Před řadou let (téměř dvaceti ) jsem si usmyslel, že si postavím na diskotéky vlastní mix. Vedlo mne k tomu mimo jiné to, že jsem měl řadu součástek, z nichž se dá mixážní pultík postavit, především tahové potenciometry Tesla (TP646 M1). A spoustu OZ typu MAC156. A i to, že kvalitnější mixážní pulty jsou drahé a stejně nesplňují praktické potřeby DJe. Tak jsem si – zcela zcestně – myslel, že mám téměř vše potřebné a že s výjimkou mechaniky není co řešit. Samozřejmě, že to byla hovadina na entou a jen realizace mechanického provedení mi připravila řadu velmi obtížných úkolů a vzala mnoho desítek hodin času.
Nicméně mix byl v roce 2001 realizován.
Jeho provedení jsem udělal tak, aby se mohl dále vyvíjet, tak daleko už jsem viděl... Žádné SMD. Vývody OZ jsem na plošném spoji řadil do dvou řad pro pozici DIP 8 – bylo to pak možno nahradit paticemi a osadit lepšími (dnes precizními) OZ, plošné spoje většiny obvodů oddělené na samostatné moduly s možností výměny atd. Indikátory stereo na každém vstupu a celkový indikátor 2*24 LED + clip se slušně rychlou odezvou. Dva mikrofonní vstupy s indikátory. Obvod echa pro mikrofon, tónový generátor 20 – 20000 Hz a další výbava. Mix má tři napájecí napětí: +- 18 V pro zvuk a + 15 V převážně pro indikátory. Trafo s prvotní stabilizací je umístěno mimo mix. Ovšem skutečná slabina (pominu-li vizain s Tesláckými knoby) - neprofesionální tahové potenciometry TP646 se ale odstranit nedá, jsou pájené na základní desce.
Po realizaci sice skvělý pocit a mnoho odehraných akcí bez poruchy. Jenže, jak to tak bývá, kritici (bohužel oprávnění ) se najdou všude. Kámoš DJ a audiofil po zapůjčení domů: Je to šumítko.
Tak jsem si vyvinul měřič rušivých napětí, změřil vše  a musel jsem sklopit uši a začít se zamýšlet nad změnami.
Mix má prvotní filozofickou slabinu: nejprve pasivně namixuji 4 kanály zdrojů zvuku (citlivost 300 mV) a pak s nimi pracuji. Samozřejmě: Vložit OZ se zesílením cca 5 do cesty signálu v bodech A  (viz schéma) by zásadně změnilo situaci. Ale: Ztratilo by to půvab hledání řešení technické výzvy - co nadělám, jsem narozen ve znamení paličatého berana, je mi to tak dáno.

Pominu v tomto popisu úpravy zesílení do výstupu k masterům a PA, to rovněž prodělalo zásadní změnu a zásadní zlepšení, cesty byly obdobné. Stejně tak předzesilovače pro mikrofony kde jsem zkoušel asi 6 různých OZ a tři zapojení se vstupními trandy, abych na závěr našel vítěze.

Budu se nyní věnovat pouze popisu volby zdroje a způsobu zesílení pro sluchátka, která byla šumově těžkou Achillovou patou.
Na předzesilovač pro sluchátka jsou 4 přepínatelné vstupy:
1. signál volby od „šavlí“
2. signál volby od crosfaderu
3. signál od crosfaderu levé ucho součet jednoho kanálu L+R a pravé ucho součet dalšího kanálu L+R
4. signál od neregulovaného výstupu (sběrače) k masterům

Po zesílení v předzesilovači (s MAC156) následuje potenciometr hlasitosti a zesílení ve sluchátkovém speciálu LM386N.
Pro upřesnění je zde změřen i šum při potenciometru na minimu (označen vstup č. 5). Jako dynamiku zde označuji poměr maximálního dosažitelného nezkresleného napětí na výstupu a šumu při potenciometru hlasitosti, vytočeném naplno (zaokrouhleno na celé dB). Platí, že při jmenovitém napětí na výstupu mixu je dosažena maximální úroveň výstupu zesilovače pro sluchátka.

Výchozí stav (dosažitelné napětí 4 V):
Vstup č.     zb. napětí uV       Dynamika dB
1                       2400                   64
2                       2800                   63
3                       1500                   69
4                       2100                   65
5                         350                     -

Prvním krokem změn byla změna odporů v zpětné vazbě předzesilovače (snížení impedance fakt dělá divy), úprava země a celkového napájení. Výsledek:
Vstup č.           zb. napětí uV     Dynamika dB
1                         1750                     67
2                         1800                     67
3                         1100                     71
4                         1250                     70
5                           195                      -

Druhým krokem byla výměna MAC 156 za OPA134 v předzesilovači pro sluchátka a byla provedena úprava děliče napětí od sběrače master na nižší hodnoty.
Vstup č.              zb. napětí uV    Dynamika dB
1                            1300                   70
2                            1300                   70
3                              550                   77
4                              520                   78
5                              195                    -
Už zde bylo vidět proti počátku 6 - 13 dB zlepšení, nicméně neuspokojovalo mne to, samozřejmě.
Stav je popsán na schématu v odkazu. Černě jsou hodnoty součástek původní stav, zeleně první krok (část nezakreslena), červeně druhý krok.
https://postimg.cc/image/462q12dij/

Třetím krokem byla úplná rekonstrukce vstupního zapojení mixu (2017) – výměna všech potenciometrů a odbočujících odporů za cca 5 krát menší hodnoty. Další sražení hodnot odporů děliče od sběrače k master.
Černě hodnoty součástek po kroku 2, červeně po kroku 3.
https://postimg.cc/image/u1mgkffe3/
Výsledek:
Vstup č.               zb. napětí uV      Dynamika dB
1                                      820                  74
2                                      830                  74
3                                      370                   81
4                                      360                   81
5                                      195                     -

Čtvrtým krokem bylo zmenšení odporů na cestě k předzesilovači a vyrovnání do původní citlivosti zmenšením zesílení předzesilovače. Negativem je snížení přeslechu mezi L a R u vstupů, připojených ke crosfaderu (jen 46dB, jestli si správně pamatuji, co jsem tehdy pracně vypočetl). Holt – něco za něco. Ale těch 8 dB za to, myslím, stojí.
Vstup č.      zb. napětí uV       Dynamika dB
1                       285                      83
2                       300                      82
3                       290                      83
4                       330                      82
5                       195                        -

Pátým, zatím závěrečným krokem byla rekonstrukce sluchátkového zesilovače. Vyhozeny LM386N (zde vzhledem k vysokému napájecímu napětí 15 V naprosto nevhodné) a zapojena jednoduchá kombinace LME49710 s BD139/40 (po dalších zkouškách možná zveřejním příště). Výstupní dosažitelné napětí se snížilo na 3,5V. Zde se již v signálu od sběrače k masteru, kde byl změněn dělič i jeho umístění, podepisuje šum předzesilovačů zvuku do PA (19uV/0,775V). Je to poznat, když se tam stáhne vše na minimum (panorama a korekce), že zbytkové napětí do sluchátek spadne na cca 70 uV. Vlastní šum od sluchátkového předzesilovače při Rg 3k3 tedy odhaduji na 50 uV.  Dále jsem ještě snížil hodnotu sériových odporů od signálů vstupu č. 1 a 2.
Výsledky (zatím závěrečné):
Vstup č.             zb. napětí uV      Dynamika dB k 3,5 V
1                             115                    90
2                             115                    90
3                             138                    88
4                             145                    87
5                                 9                      -

Jak je vidět, když se člověk zamýšlí nad tím, co dělá, lze dosáhnout až překvapivých výsledků. Při skutečném poslechu na 32 ohmových DJských sluchátkách Omnitronic (na hraně únosnosti hlasitosti – ještě trochu a sluchátka bych odhodil) byl potenciometr nastaven tak, že šum činil 30 uV (tedy cca 101 dB možné dynamiky).
Stav je popsán v odkazu: černě hodnoty součástek po třetím kroku, červeně změna po čtvrtém a zeleně po pátém kroku.
https://postimg.cc/image/s9thpl8wr/
Edit: teď koukám na sériové odpory ke vstupu č. 1 a 2 měly být nejprve červeně 10 k a poté zeleně 1k8 (nakonec kdyby tam byla drátová spojka, tak je to zhruba totéž).

Další zlepšení je možné především již zmíněným vložením OZ do bodu A ( a snížením zesílení předzesilovače pro sluchátka), věřím, že by byla hranice 100 dB dynamiky při vytočení potenciometru naplno s velkou rezervou překročena při všech přepínatelných vstupech.

Tímto popisem se snažím předat zkušenosti začínajícím DIY konstruktérům, aby měli - bez znalostí složitých výpočtů - praktickou ukázku, nakolik můžou různé změny zapojení ovlivňovat šum zařízení.
A jako vždy netvrdím, že jsem nic neopominul, že jsem našel všechny cesty. Je to hledání a občasné nacházení řešení, je to o tom hezkém bastlířství. Většina z vás to asi zná...