Jednoduchý zesilovač pro sluchátka (Stránka 1 z 2)

Vznik sluchátkového zesilovače byl v podstatě náhodný, hifi se nezabývám, vzhledem ke kvalitám mých uší je mi to na nic. Jak to tedy proběhlo:
Před lety jsem byl při hledání cesty ke snížení šumu ve sluchátkách svého DIY DJ mixu nucen hledat náhradu za nevhodné LM386. To v sobě neslo výzvu, aby se plošný spoj vešel namísto původního (+ cca 3 cm2 rezervy).
Jak jsem popisoval v jiném vláknu, vzpoměl jsem si na výkonový zesilovač A2030V, posílený tranzistory KD711/12 v napájení (AR B5/88). Tak jsem zkusil, co udělá s OZ a menšími trandy v podobném zapojení. Při obvyklém proudu napájení 3 – 5 mA jsem vystačil se snímacím odporem 100 ohmů.
Výsledek mne velmi pozitivně překvapil, kromě žádaného minimálního šumu byl přínosem zvuk blížící se kvalitě použitého OZ. Vyzkoušel jsem několik slušnějších OZ (co jsem našel doma v krabičce…) na osciloskopu.
S LME47910 se zapojení chovalo velmi sourodě, ve slyšitelném pásmu skutečně jen jako silnější velmi kvalitní operák.
S OP27 nebo OPA134 to bez problému pracovalo, ale v limitaci to až tak excelentně nevypadalo, i když to zvukově bylo docela slušné.
OP37 nebo OPA132 už byly moc rychlé a v limitaci měly tendence k zákmitům.
Jiné kloudné jednoduché OZ jsem při zkouškách neměl po ruce.
To vše už jsem na AW popsal.
https://www.audioweb.cz/viewtopic.php?id=22735
Zvažoval jsem to i jako možnou náhradu za zesilovač pro sluchátka v mixu Rodec X2200, kde je pro sluchátka použito zapojení zesu ve třídě H (napájení +- 15 zvyšované na +-30 V !!). To je náročné pro pasivně chlazený zdroj mixu, který se mi jednou na akci přehřál a na 15 minut stopnul muziku . Vyrobil jsem si tedy cvičně alternativu, takovou šikovnou, malou .

Ta pak byla předmětem zkoumání  - zkoušel jsem drobné úpravy zapojení. Přitom se plně osvědčily rezistory mezi kolektory trandů a výstupem zesilovače. Očekávané přechodové zkreslení se díky kvalitám operáku  objevovalo na osciloskopu až v nadzvukových kmitočtech.  Nejtransparentněji na 300 kHz při výstupním signálu 1 V a nízké zátěži 8 ohmů - žlutá křivka, pro srovnání zátěž 27 ohmů - červená křivka.

Pro srovnání totéž při 20 kHz

Nechal jsem se vyhecovat (Kaedova práce   - díky) k úvahám o symetrickém napájení. Bez potíží jsem přepojil vyrobený zkušební kus na symetrii, ještě se to o pár kondíků zjednodušilo. Rychlost přeběhu byla cca 20V/us.
Zesilovač nemá rád při obdélníkovém signálu (bez C10) zátěž s paralelní kapacitou. Při 27J + 220nF udělá velký výkyv v náběžné hraně. Zkusil jsem, co obdelníkový signál udělá na výše zmíněné profibedýnce (složitá výhybka uvnitř) a chovalo se to naprosto klidně, bez výkyvu. S normálním signálem se to zřejmě nebude negativně projevovat.
Zesilovač mi zkušebně vydržel bez poškození zkrat na výstupu po dobu cca 30 minut. OZ je na trvalý zkrat uzpůsoben.
Při přetěžování do klipu a při kmitočtech nad cca 60 kHz měl OZ tendence ihned omezit výstupní výkon na minimum.

Níže se už ničeho nelekl .

Přetížení + 14 dB sinus na vstupu vypadalo na výstupu jako zcela pravidelný obdélník s ne zcela kolmými náběhy).
Pokoušel jsem se změřit činitel tlumení, ale na basech jsem nenaměřil (8 ohmů oproti bez zátěže) nic, na 17 kHz se snad něco pohnulo, ale bylo to na hranici rozlišení škopku. A nemám moc stabilní sinus generátor, tak hodnoty nad cca 500 nedovedu.
Při testování na bednách mne zvuk oslňoval. Ale pro prakticky využitelný sluchátkový zesilovač bylo potřeba další zesílení a poslechově kvalitní korekce. Jaké ale použít?
Opět zahrála svou roli náhoda , měl jsem tu na kontrole Julův Transiwatt TW140 studio a tak jsem cvičně zapojil za výstup jeho korekčního Williamsonova zesilovače (pozice výšky, basy v nule) konektor a z něj pak zmíněný zkušební kus. Na výstup jsem zapojil profibedýnku (KPL3012LF+DE990+HF99), připojil signál z CD na vstup Transivattu a slyšel nádherné, čisté středy a výšky, jisté basy (samozřejmě - posuzoval jsem to jsa omezen 64 letýma ušima). Posun korekcí to nezhoršoval! Provedl jsem srovnání se zesikem s LM3886TF bez korekcí: byl zřetelně horší. A se zesilovačem v třídě B z Transiwattu: Na ten malý výkon doslova zvuková bída. To mi přineslo poznání, o co je lepší korektor z TW než standardní zapojení a jak to pak ten odrbaný výkoňák pokazí .
Tož ve mně uzrála cesta složení korektoru z TW140 (samozřejmě upraveného na použití precizního OZ) a výkoňáku v symetrickém napájení. 
Takto slepé kuře nalezlo zrno .

Vlastní provedení:
Schéma (pozor - závěrečné) - jako vždy jen tak namázlé, nechtějte na mně nějaké rýsování lepší už nebudu. Nepřečtete-li cosi, zeptejte se….

Williamsonův korektor umožňuje zároveň signál zesílit, zapojení bylo nejprve navrženo na citlivost cca 180 mV na vstupu (cca 125 mV na OZ) pro plný signál.
Negativem tohoto korektoru je malá průchodnost signálu na výstupu při napájení +-15V, která je na basech omezena na cca 5 V mezivrcholově! Regulace hlasitosti tedy musí být na vstupu. To je samozřejmě kompromis, který se negativně odrazí trvalou úrovní šumu.
Průchodnost signálu umožňuje nastavit zesílení výkoňáku na cca 11.
Při zesílení 11 bylo na výstupech výkoňáku naměřeno jen 0,7 a 1,2 mV stejnosměrných, nějaké DC servo jsem proto škrtl z úvah .
R10, R11, C13 zajišťují stejnosměrnou ZV operáku, aby nebyla závislá jen na potenciometru basů.
Výkoňák i korekce jsou schopny zesilovat signál až přes 300 kHz. Z důvodu omezení rychlosti jsou zde vloženy kondenzátory C2 a C10, které (spolu s předchozími rezistory) pasivně omezují horní hranici průchodu signálu na cca 90 kHz (-3dB). Pasivní omezení (na rozdíl od zpětnovazebního) dle většiny autorů tolik nezabarvuje zvuk.
Na basech jsem to trochu přepískl s kapacitou vazebních kondenzátorů (3,3 uF mám totiž zásobu ), takže dolní hranici -3dB to má až na cca 7 Hz.
Balance P2 svým zapojením udržují stálý součet výstupních výkonů R + L v každé pozici v rozmezí do cca 1 dB (pozor na toleranci odporové dráhy potenciometrů, hodnota odporu R1 se proto může změnit). Nechtělo se mi umísťovat balance do zpětné vazby; nedařilo se mi totiž vymyslet zapojení, které by umožnilo jeden kanál zcela ztišit .
K zesu jsem přidal svůj oblíbený typ indikátoru clipu „pro primitivy“ , zde zároveň indikuje zkrat na výstupu . LEDky by měly být difusní a dobře svítící (při cca 3 mA). Zelená D2 (chod) je vložena jen na jednom kanálu.
Výstupní rezistory R20-25 byly na zkušebním kusu předimenzovány tak, abych mohl zkoušet i reprobedýnky (8 i 4 ohmy), proto jsou i výstupní trandy opatřeny malých chladičem, stabilizátory zdroje jsou v TO3 s chladičem a trafo je na 12W. Rezistory R20-25 by měly být metaloxidové (ne drátové!), pro čistě sluchátkové využití ale vystačíte s jediným ve větvi. Používal jsem TR2W od EZK.
Celé se mi to málem nevešlo do krabičky, ani konektor pro sluchátka se nevešel dopředu (použití TP284 ), i spínání napájení je zezadu. Zezadu pochopitelně jsou i reprokonektory... To je tak, když si chcete vytvořit univerzální stroj do univerzální krabice . Pokud nebudete chtít stavět takovýto kombajn (připomínající pseudovynálezcovu kombinaci kosy, hrabí a motyčky na jedné násadě ), vystačíte zcela bez chlazení a s trafem 6W.

Ze zkušebního mechanického provedení (níže) si nikdo příklad neberte, jsem lajdák, netrpělivec a nejsem moc zručný. Dávám to sem jen jako důkaz existence prototypu, rozhodně ne jako příklad k následování ….
 

Tento sluchátkový zes jsem dal na testování kámoši DJovi hifistovi (48), ohlas byl takový, že jsem se málem červenal. Má sluchátka Beyerdynamic TD770 80 ohmů a Audio-Technica ATH-AD700X. Dosavadní zesy ale neměl nic moc (tak za 100 USD, nebo z komponentů věže, nebo wolkmena za 3000,-). 
Odpustím si detaily jak z hifi recenzí (které on desítky let čte), jen závěr: Takto mi ty sluchátka ještě nikdy nehrály. Zase mě začalo poslouchání muziky na sluchátkách bavit. Určitě mi budeš muset takový zes udělat .
Nicméně nahlásil i tři vady :
- lehce chrastící potenciometry volume a hodně chrastící balance (TP284, nejsou nejmladší ). Kupodivu potenciometr basů (pracující se ss napětím) je tichý. U stereo potenciometrů jsem při zběžném hledání v nabídkách dodavatelů nenalezl firmu, která nabízela všechny potřebné hodnoty, tak jsem skončil u vykopávek, ty ještě byly ...
- stálé lehké popískání vlivem rušení (nedal jsem zes do plně stíněné krabice), při vypnutí wifi a MT se ztišilo, když se dal zes do kovového hrnce , tak zaniklo.
- nejzávažnějším problémem z pohledu možného řešení je stálý šum, slyšitelný při tichém poslechu. Nízkoimpedanční sluchátka potřebují jen desetiny V pro plné vybuzení. Obstojný odstup rušivých napětí k dosažitelným cca 7,2 V signálu, což je fajn pro ty sluchátka o impedanci 100 a více ohmů) se tím zhoršuje o 20 dB. Tak jsem kajícně oměřil odstup šum a brumu:  95 a 97 dB, občas ještě zhoršení o dalších 6 dB. Když si odečtete – 20 dB pro nízkoohmová sluchátka a dalších cca 12 dB pro korekce naplno, je to hodně špatné .
Tak zpět zes na pracovní stůl a upravovat:
- Trafo přesunout mimo krabici, propojit nízkonapěťově kabelem.
- Odstínit zapojení – dneska je panelák šíleně zamořen VF signály. Odstínil jsem zatím korektor, výkonovou část jsem v prototypu neřešil. Doporučuji ale dát celý zes do kovové krabice.
- Snížit citlivost – nakonec se mi jevilo vhodné jít na cca 0,5 V (přesněji 0,55V/7,2 V výstupu)
Po těchto úpravách odstup na obou kanálech převýšil 110 dB.
Kompletní stínění jistě dále pomůže, balance ve zpětné vazbě (u R5) rovněž. Lze snížit zesílení předzesu na citlivost cca 0,85V (což by přidávalo cca 3 dB) a podle potřeby zesílit signál před regulátorem hlasitosti. To bude nejspíše cesta pro druhý kus.

Celý projekt má jednu slabinu, výborný OZ LM47910 se již nevyrábí a originál už není k sehnání. Otestuji, jak v zapojení dopadne dvojitý OZ (LM49720 se sehnat dá a dnes již je běžně dostupná náhrada), když se jeden OZ zatlumí.

Pozn.: Hodnoty rezistorů v projektu odpovídají mým v zásobách drženým hodnotám (např. 1k, 1k8, 5k1, 10k, 33k, M1 atd), podle toho jsem jako obvykle maloval zapojení . Zpravidla proto není lehký posun zmíněných hodnot dolu-nahoru kritický. Rovněž indikátor klipu odráží nadbytek trandů PNP v mé zásobě, klidně to lze realizovat v NPN. A nebo oboustranou kombinaci (pro oba vrcholy signálu – mohu dodat schéma – kdysi jsem ho zde již zveřejnil).

Určitě netvrdím, že se jedná o zes, který strčí do kapsy složité vymakané konstrukce.
Jen jsem si ověřil, jak může být cesta k velmi slušnému (a chválenému ) zvuku sluchátek obvodově velmi jednoduchá.