Et nytt evighetsprosjekt .... 8)
Jeg tengte jeg skulle starte en tråd med noen fabuleringer omkring design av en DIY hodetelefonforsterker. Tråden er litt inspiert av «HodeFon» tråden og nyervervelsen av en iPod.
Designelemneter jeg grubler på kan oppramses som følger (ikke uttømmende):
1) inngang med valgfri volumkontroll/justering av forsterking
2) crossfeed - bør kunne slås av, egentlig burde dette være en del av EQ-funksjonaliteten i iPoden men ...
3) enkel kontroll for «tonal balanse». Imho. så gir lytting på hodetelefoner tilsynelatende en økt følsomhet for variasjoner i tonal balanse; jeg tror dette har mye med at den fysiske (kropslige) opplevelsen av lyd spesielt fra nedre mellomtone og ned i bassområdet, uteblit med hodetelefoner. En volumavhengig ludness-EQ hadde antagelig vært det beste men litt for vanskelig å få til ift. enkle analoge kretse. Loudness-EQ burde med andre ord også være knyttet til volumkontrollen i iPoden, og til «ReplayGain» funksjonen.
4) valgfri drift mellom batterier og nettadapter, med automatisk veksling til nettadapter.
5) mht batteridrift er det en fordel om utgangsspenningen kan svinge så tett på forsyningspenningen som mulig (så man slipper å slepe på to stk 12V blybatterier)
6) valgfri justering av utgangsimpedans fra ~0 ohm til samme impedans som hodetelefonene - dvs. i praksis omkring 30 ohm, 50 ohm 60 ohm, 100 ohm, 300 ohm og 600 ohm - for litt saftigere mellombass og litt mer sting i diskanten.
De siste dagene har jeg lekt litt med SPICE-simulering av et design av utgangstrinn som ivaretar pkt. 5 - jf. vedlagte skjema - jeg håper det er oversiktelig tegnet og «forståelig», og ikke minst at nedenstående kretsbeskrivelse er «forståelig» ... Kretsen kan selvfølgelig brukes på selvstendig grunnlag som «effekttrinn» til en hodetelefon, eller som generell linjedriver.
Kretsen består av en integrert OPAMP i invertert kobling, med en diskret «buffer with a twist» på utgangen som er i tilbakekoblingssløyfa. For å ikke overdrive kravet om spenningssving på inngangen (V3) er forsterkingen på -3. Invertert kobling sammen med «lastavhengig spenningsforsterking» i «bufferen», gjør at utgangen kan kjøre tilnærmet «rail to rail» uten at OPAMPEN eller inngangstrinnet på bufferen «ser» en signalspenning på høyst noen få millivolt i «normale» last impedanser. Designet er først og fremst rettet mot hodetelefonimpedanser på 30-60 ohm og høyere. Iht foreløpige simuleringer er maksimal utgangsspenning med +/- 5V i forsyningsspenning omkring +/-4,5V i 60 ohm (dvs et spenningsfall fra hver forsyningsspenning på 0,5V), og ca +/- 4,4V i 30 ohm. Dvs. maks utgangsspenning nås med hhv. +/- 1,5V og +/- 1,45V.
Som nevnt er den diskrete «bufferen» ikke noen buffer som sådan, men en «høyimpedant» strømkilde med open-loop «forsterking» hvor spenningsforsterkingen er avhenig av lastimpedansen og øker med impedansen, i ca 1,4 ohm er forsterkingen 1 (0 dB), i 30 ohm er forsterkingen ca 26 dB og i 60 ohm er forsterkingen ca 32 dB (nesten perfekt økning med 6 dB men ikke helt ...). Siden «bufferen» har forsterking og er i tilbakekoblingssløyfa, gjør dette at spenningssvinget ut av OPAMPEN er redusert tilsvarende forsterkingen, og utgangsimpedansen med tilbakekoblingen er avhening av den samlede forsterkingen fra inngang til utgang. «Kjernen» i bufferen - transistorene Q1-Q12 og tilhørende motstander (beklager litt rotete komponentnummerering), er en «vanlig» buffer med forholdsvis høy inngangsimpedans og «lav» utgangsimpedans med tilnærmet 1 i forsterking (uten belastning), denne delen av designet er basert på et patent fra en gang på 80-tallet (1984?). Hovedmålet med patentet var en buffer med ~1 i forsterking (uten belastning) og veldig lav og stabil offsettspenning (DC) på utgangen. Utgangen på «patenbufferen», Q2, R2, R3 og Q3, er «omkapslet» av et strømspeil, Q13-Q18, R6, R7 og R13-R16, med ca. 62X strømforsterking. Dvs at strømen i Q2 og Q3 til jord via R2 og R3, forsterkes med 62X. Båndbredden (-3dB) i «bufferen» er litt lastavhengig fra ca 6 MHz ved 1,4 ohm til ca 5 MHz ved 60 ohm , og med en ukompensert peak på 4 dB mellom 2 og 4 MHz.
Foreløpige simulerte specs for «effekttrinnet» ...
Strømforbruk: Tomgangsstømen ligger på ca 12 mA for selve «buffertrinnet», og ca 2mA for OPA134 fra hver forsyningslinje - med AA NIMH batterier (2x4)på 2600 mA tilsier det en standby tid på inntill 92 timer for stereo - trekk fra noen timer til for ca 2-4 OPA134 (ca 2 mA pr stk) til pr kanal for crossfeed og tonekontroll, og standby tiden ramler ned til omkring 60 timer
Forsterking: 3x i laster over 30 ohm (også lavere men det har jeg ikke sjekket særlig ift SOA)
Maks in/ut-spenning (peak): inn +/- 1,5V, ut +/- 4,5V i 60 ohm, ved +/- 5V forsyningsspenning.
DC-ut ved tomgang -offset spenning: ca 20 µV - helt avhengig av valg av OPAMP og valgte OPAMPs reelle ytelse, dvs 20 µV +/-3X0,5 mV for OPA134 - dvs i praksis varierer den mellom +/- 1,5 mV.
Båndbredde: Med OPA134 som OPAMP -3X forsterking, dvs hele «effekttrinnet», varierer ukompensert båndbredde fra ca 8M3 Hz ved 30 ohm til ca 11M1 Hz ved 600 ohm. I praksis bør båndbreden begrenses til ca 500 KHz (eller lavere) med en kondensator over tilbakekoblingsmotstanden R18 på ca 10 pF (-3dB ved ca 530 KHz).
Støy: Støynivået på utgangen innenfor audiobåndet er estimert til ca 7,9 µV - dvs. uvektet SN på ca. 102 dB for 1V ut med 20 KHz BW, støygulvet ligger i underkant av -120 dBV
Forvregning: THD (ex. støy) 3,1 VRMS (4,5V peak) i 60 ohm @ 1 KHz < 0,0001
Simulerte og reelle spec. er selvfølgelig helt avhengig av valg av OPAMP faktiske transistorer mm. OPAMPEN bør være en med FET innput, med forholdsvis lavt nivå av strømstøy, og OK offset spec.
Forbedringsområder - jeg har ikke fått et særlig godt grep om hvordan SPICE (SiMetrix) håndterer klipping - og stabiliteten i kretsen ved simulert klipping er ikke god! EDIT: det gjenstår også noe tweaking og valg mht komponentverdier tomgangsstrøm mv.
Innspill, synspunkter, forslag etc. mottas med takk - kanskje dette kan bli noe reelt (!), og ikke bare løsluppen høyttenking som befester min «posisjon» som «hvitfrakk» ... ;D
mvh
KJ
EDIT: NB Jeg har gjør (har gjort) oppmerksom på at det kan eksistere patentbeskyttelse av hele eller deler av kretsen, så evt. «kommersiell» anvendelse skjer for vedkommendes egen regning og risiko. Flere «EDITs» følger når/om jeg finner patentreferansen.
Jeg tengte jeg skulle starte en tråd med noen fabuleringer omkring design av en DIY hodetelefonforsterker. Tråden er litt inspiert av «HodeFon» tråden og nyervervelsen av en iPod.
Designelemneter jeg grubler på kan oppramses som følger (ikke uttømmende):
1) inngang med valgfri volumkontroll/justering av forsterking
2) crossfeed - bør kunne slås av, egentlig burde dette være en del av EQ-funksjonaliteten i iPoden men ...
3) enkel kontroll for «tonal balanse». Imho. så gir lytting på hodetelefoner tilsynelatende en økt følsomhet for variasjoner i tonal balanse; jeg tror dette har mye med at den fysiske (kropslige) opplevelsen av lyd spesielt fra nedre mellomtone og ned i bassområdet, uteblit med hodetelefoner. En volumavhengig ludness-EQ hadde antagelig vært det beste men litt for vanskelig å få til ift. enkle analoge kretse. Loudness-EQ burde med andre ord også være knyttet til volumkontrollen i iPoden, og til «ReplayGain» funksjonen.
4) valgfri drift mellom batterier og nettadapter, med automatisk veksling til nettadapter.
5) mht batteridrift er det en fordel om utgangsspenningen kan svinge så tett på forsyningspenningen som mulig (så man slipper å slepe på to stk 12V blybatterier)
6) valgfri justering av utgangsimpedans fra ~0 ohm til samme impedans som hodetelefonene - dvs. i praksis omkring 30 ohm, 50 ohm 60 ohm, 100 ohm, 300 ohm og 600 ohm - for litt saftigere mellombass og litt mer sting i diskanten.
De siste dagene har jeg lekt litt med SPICE-simulering av et design av utgangstrinn som ivaretar pkt. 5 - jf. vedlagte skjema - jeg håper det er oversiktelig tegnet og «forståelig», og ikke minst at nedenstående kretsbeskrivelse er «forståelig» ... Kretsen kan selvfølgelig brukes på selvstendig grunnlag som «effekttrinn» til en hodetelefon, eller som generell linjedriver.
Kretsen består av en integrert OPAMP i invertert kobling, med en diskret «buffer with a twist» på utgangen som er i tilbakekoblingssløyfa. For å ikke overdrive kravet om spenningssving på inngangen (V3) er forsterkingen på -3. Invertert kobling sammen med «lastavhengig spenningsforsterking» i «bufferen», gjør at utgangen kan kjøre tilnærmet «rail to rail» uten at OPAMPEN eller inngangstrinnet på bufferen «ser» en signalspenning på høyst noen få millivolt i «normale» last impedanser. Designet er først og fremst rettet mot hodetelefonimpedanser på 30-60 ohm og høyere. Iht foreløpige simuleringer er maksimal utgangsspenning med +/- 5V i forsyningsspenning omkring +/-4,5V i 60 ohm (dvs et spenningsfall fra hver forsyningsspenning på 0,5V), og ca +/- 4,4V i 30 ohm. Dvs. maks utgangsspenning nås med hhv. +/- 1,5V og +/- 1,45V.
Som nevnt er den diskrete «bufferen» ikke noen buffer som sådan, men en «høyimpedant» strømkilde med open-loop «forsterking» hvor spenningsforsterkingen er avhenig av lastimpedansen og øker med impedansen, i ca 1,4 ohm er forsterkingen 1 (0 dB), i 30 ohm er forsterkingen ca 26 dB og i 60 ohm er forsterkingen ca 32 dB (nesten perfekt økning med 6 dB men ikke helt ...). Siden «bufferen» har forsterking og er i tilbakekoblingssløyfa, gjør dette at spenningssvinget ut av OPAMPEN er redusert tilsvarende forsterkingen, og utgangsimpedansen med tilbakekoblingen er avhening av den samlede forsterkingen fra inngang til utgang. «Kjernen» i bufferen - transistorene Q1-Q12 og tilhørende motstander (beklager litt rotete komponentnummerering), er en «vanlig» buffer med forholdsvis høy inngangsimpedans og «lav» utgangsimpedans med tilnærmet 1 i forsterking (uten belastning), denne delen av designet er basert på et patent fra en gang på 80-tallet (1984?). Hovedmålet med patentet var en buffer med ~1 i forsterking (uten belastning) og veldig lav og stabil offsettspenning (DC) på utgangen. Utgangen på «patenbufferen», Q2, R2, R3 og Q3, er «omkapslet» av et strømspeil, Q13-Q18, R6, R7 og R13-R16, med ca. 62X strømforsterking. Dvs at strømen i Q2 og Q3 til jord via R2 og R3, forsterkes med 62X. Båndbredden (-3dB) i «bufferen» er litt lastavhengig fra ca 6 MHz ved 1,4 ohm til ca 5 MHz ved 60 ohm , og med en ukompensert peak på 4 dB mellom 2 og 4 MHz.
Foreløpige simulerte specs for «effekttrinnet» ...
Strømforbruk: Tomgangsstømen ligger på ca 12 mA for selve «buffertrinnet», og ca 2mA for OPA134 fra hver forsyningslinje - med AA NIMH batterier (2x4)på 2600 mA tilsier det en standby tid på inntill 92 timer for stereo - trekk fra noen timer til for ca 2-4 OPA134 (ca 2 mA pr stk) til pr kanal for crossfeed og tonekontroll, og standby tiden ramler ned til omkring 60 timer
Forsterking: 3x i laster over 30 ohm (også lavere men det har jeg ikke sjekket særlig ift SOA)
Maks in/ut-spenning (peak): inn +/- 1,5V, ut +/- 4,5V i 60 ohm, ved +/- 5V forsyningsspenning.
DC-ut ved tomgang -offset spenning: ca 20 µV - helt avhengig av valg av OPAMP og valgte OPAMPs reelle ytelse, dvs 20 µV +/-3X0,5 mV for OPA134 - dvs i praksis varierer den mellom +/- 1,5 mV.
Båndbredde: Med OPA134 som OPAMP -3X forsterking, dvs hele «effekttrinnet», varierer ukompensert båndbredde fra ca 8M3 Hz ved 30 ohm til ca 11M1 Hz ved 600 ohm. I praksis bør båndbreden begrenses til ca 500 KHz (eller lavere) med en kondensator over tilbakekoblingsmotstanden R18 på ca 10 pF (-3dB ved ca 530 KHz).
Støy: Støynivået på utgangen innenfor audiobåndet er estimert til ca 7,9 µV - dvs. uvektet SN på ca. 102 dB for 1V ut med 20 KHz BW, støygulvet ligger i underkant av -120 dBV
Forvregning: THD (ex. støy) 3,1 VRMS (4,5V peak) i 60 ohm @ 1 KHz < 0,0001
Simulerte og reelle spec. er selvfølgelig helt avhengig av valg av OPAMP faktiske transistorer mm. OPAMPEN bør være en med FET innput, med forholdsvis lavt nivå av strømstøy, og OK offset spec.
Forbedringsområder - jeg har ikke fått et særlig godt grep om hvordan SPICE (SiMetrix) håndterer klipping - og stabiliteten i kretsen ved simulert klipping er ikke god! EDIT: det gjenstår også noe tweaking og valg mht komponentverdier tomgangsstrøm mv.
Innspill, synspunkter, forslag etc. mottas med takk - kanskje dette kan bli noe reelt (!), og ikke bare løsluppen høyttenking som befester min «posisjon» som «hvitfrakk» ... ;D
mvh
KJ
EDIT: NB Jeg har gjør (har gjort) oppmerksom på at det kan eksistere patentbeskyttelse av hele eller deler av kretsen, så evt. «kommersiell» anvendelse skjer for vedkommendes egen regning og risiko. Flere «EDITs» følger når/om jeg finner patentreferansen.
