DHA / Diskreter Kopfhörerverstärker

Front des DHA

 

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

06.06.2019

Mit dem 2015 aufgebauten Kopfhörerverstärker HA1 habe ich über die Jahre sehr vergnüglich Musik gehört. In der ersten Zeit mit meinem alten AKG Kopfhörer und seit Ende 2018 mit meinem neuen Sennheiser HD 800 S. Da ich schon lange vor dem Kauf plante mir den Sennheiser zuzulegen und die Schaltungstechnik des HA1 nicht wirklich meinen Präferenzen entspricht, begann ich schon 2017 mit der Planung eines Kopfhörerverstärkers für den HD 800 S.

Der Sennheiser HD 800 S wird mit Kabeln für den symmetrischen und unsymmetrischen Betrieb ausgeliefert. Das kam mir natürlich sehr entgegen, meinen Vorstellungen entsprechend sollte das Design des neuen Kopfhörerverstärkers natürlich (super-) symmetrisch ausgelegt sein.

Über längere Zeit analysierte ich verschiedene Designs in SPICE, letztendlich habe ich mich für ein UGS6-Modul mit nachgeschalteten Ausgangsstufen in XA.8 Topologie entschieden. Zudem sollten noch Servo-Regler integriert werden um auf jegliche Koppelkondensatoren verzichten zu können.

am 16.06.2019 übernahm der DHA den Platz meines HA1

Aufbau des Verstärkers

16.06.2019

Der Kopfhörerverstärker ist in einem Kühlkörpergehäuse von HiFi-2000 eingebaut. Die komplette Audio Elektronik für einen Kanal, inklusive der Eingangswahlschaltung mit Ansteuerung, befindet sich auf einer Leiterplatte die auf einen der beiden Kühlkörper aufgeschraubt ist.

Der DHA hat 2 symmetrische und 2 unsymmetrische Eingänge. Direkt hinter den unsymmetrischen Eingängen symmetriert ein DRV135 die Signale. Geschaltet werden die Eingänge per Relais, angesteuert von einem I2C Port-Baustein der mit auf dem Audio Board untergebracht ist. Die Potentiale der analoge und digitale Masse sind dabei streng voneinander getrennt um Störungen aus der digitalen Elektronik zu vermeiden.

Das symmetrische Eingangssignal gelangt auf die Lautstärkeeinstellung. Hierfür setzte ich das von mir seit Jahren präferierte integrierte Potentiometer MUSES72320 von New Japan Radio ein. Auch dessen digitale Signale werden durch ein ADuM3154 von der digitalen Sektion vollständig entkoppelt.

Auf das MUSES72320 folgt die eigentliche Verstärkerschaltung des Kopfhörerverstärkers. Es ist ein diskreter super-symmetrischer Verstärker gebildet durch ein UGS6-Modul im Eingang und zwei Ausgangsstufen in XA.8 Topologie. Gebraucht werden noch 2 Schaltungsteile zur Ruhestromeinstellung der jeweiligen Endstufe mit darin integriertem Servo-Regler der den absoluten Ausgangsoffset auf 0V hält. Die Verstärkung ist per DIP-Schalter wählbar und beträgt 12dB, 16dB oder 20dB.

Eine Ausgangsstufe – und jeder Kanal hat natürlich 2 davon – besteht aus einer Klasse AB Gegentakt und einer Single-Ended Klasse A Stufe mit den TO-220 MOSFET’s IRF610 / IRF9610. Der Ruhestrom pro MOSFET ist auf 50mA eingestellt. Damit ergibt sich eine Verlustleistung von 10W pro Kanal was den doch relative großen Kühlkörper merklich warm werden lässt. Die Last – also der Kopfhörer – wird an die beiden Ausgänge der Endstufen angeschlossen und hat somit keinen direkten Kontakt zu Masse (Brückenendstufe).

Die Servo’s können deaktiviert werden, damit habe ich die Möglichkeit den differentiellen und absoluten Offset des Verstärkers erst einmal manuell abzugleichen.

DHA Verstärker Board ohne Leistungstransistoren

DHA Verstärker Board ohne Leistungstransistoren

Die SMD-Bausteine (DRV135, MUSES72320, …) sind auf der Rückseite des Verstärkerboards platziert und deshalb auf den Photo’s nicht zu sehen.

DHA Verstärker Board mit Leistungstransistoren auf dem Kühlkörper montiert

DHA Verstärker Board mit Leistungstransistoren auf dem Kühlkörper montiert

Stromversorgung

16.06.2019

Wie bei der Audio Schaltung machte ich auch bei der Stromversorgung keinerlei Kompromisse und brachte mein gesamtes aktuelles Wissen über den Aufbau von audiophilen Netzteilen ein.

Die 230V/AC Seite beginnt mit einer Netzbuchse mit eingebauten Sicherungen, Netzschalter und Netzfilter von Schurter. Das Erdungskabel ist ausgehend von dieser Buchse direkt an den zentralen Erdungspunkt auf dem Geräteboden (eine M5 Schraube) angeschraubt. Die Phase und der Null-Leiter gehen direkt auf die Leiterplatte und werden dort noch einmal von 3 Kondensatoren gefiltert (Wima MP3 X2 und Y2). Danach folgt der DC Filter der eventuelle Gleichspannungsanteile auf der Netzspannung ausfiltert. Nach diesen 3 Filtern gelangt die Netzspannung auf die Primärwicklung des Ringkerntransformators.

Wie meistens setze ich einen Transformator von Müller Elektrotechnik ein der nach meinen Anforderungen ausgelegt wurde. Der verwendete Trafo hat 5 Sekundärspannungen, 4 oder besser gesagt 2×2 für die Versorgung der beiden Verstärker und eine für die Versorgung der digitalen Elektronik.

Die Gleichspannungsaufbereitung für die Verstärker ist selbstverständlich in Dual-Mono Bauweise aufgebaut – bis auf den gemeinsamen Trafo natürlich.

Jeweils 2 der 4 Sekundärspannungen des Trafo’s gelangen erst einmal auf ein Snubber-Netzwerk und anschließend auf einen Brückengleichrichter mit Ultra-Fast Soft-Recovery Dioden. Hinter den Dioden schließt sich eine C-L-C Filterung mit stromkompensierten Drosseln und 4× 22mF Elko’s an. Danach werden die Gleichspannungen mit einem Kapazitätsmultiplizierer weiter gefiltert und anschließend von einem modifizierten Jung-Regler extrem rauscharm auf die gewünschte Ausgangsspannung von ±25V geregelt.

Die beiden analogen Massen werden auf dem Netzteilboard jeweils über einen Widerstande und 2 antiparallel geschalteten Dioden an Erde angeschlossen.

Weiterhin befindet sich ein zusätzlicher kleiner Trafo mit auf dem Board dessen Aufgabe es ist eine ungeregelte Gleichspannung zur Remote-Einschaltung weiterer Komponenten potentialgetrennt zur Verfügung zu stellen.

Als letztes befindet sich noch ein Schaltungsteil zur Ermittelung der korrekten Netzphase mit auf dem Board. Die Netzphase wird nicht permanent ermittelt sondern wird von Controller über ein Relais ein- und ausgeschaltet. Somit fließt nur kurzzeitig ein kleiner Strom in die Erde. Ermittelt wird die Phase über eine Glimmlampe die von einem lichtempfindlichen Widerstand und anschließendem Komparator ausgewertet wird.

Power Supply Board inkl. Trafo montiert auf dem Bodenblech

Power Supply Board inkl. Trafo montiert auf dem Bodenblech

Steuerung des DHA

16.06.2019

Wenn man den MUSES72320 verwendet muss man zwangsläufig auch einen Microcontroller mit ins System einbauen, es ist die einzige Möglichkeit diesen Chip anzusteuern.

Das hier verwendete Controller Board nutzt – wie eigentlich immer in meinen Design’s – den Atmel AT89C51ED2 Controller. Bedient wird das System mit 2 Drehwinkelgebern oder einer RC5 Fernbedienung und einem 2×20 OLED mit 9,66mm hohen Buchstaben. Das Board steuert natürlich die beiden MUSES72320 an und schaltet die Audio Relais. Zudem kontrolliert es, wie oben beschrieben, die Phasenermittlung. Als kleines Gimmick lässt sich die (blaue) LED zur Netzspannungsanzeige nahezu stufenlos in der Helligkeit vom Controller aus einstellen.

Die Drehwinkelgeber, das OLED, die LED und der IR-Empfänger sind auf dem Board integriert und somit ist keine zusätzliche Verkabelung notwendig. Zudem befindet sich noch die Gleichrichtung und Spannungsregelung der Stromversorgung des digitalen Systems mit auf dem Board.

Oberseite des Controller-Boards

Oberseite des Controller-Boards

Unterseite des Controller-Boards

Unterseite des Controller-Boards

Einbau in das Gehäuse

17.06.2019

Wie oben schon angedeutet verwende ich auch hier wieder ein Gehäuse von HiFi-2000. Dieses Mal ein Dissipante mit 3HE, 300mm Tiefe und natürlich der 10mm dicken Frontplatte.

Blick von hinten auf die Elektronik des DHA

Blick von hinten auf die Elektronik des DHA

Man sieht auf dem Bild oben schön wie die insgesamt 4 Leiterplatten ins Gehäuse montiert wurden. Die beiden Audio-Boards sitzen links und rechts auf den Kühlkörpern, das Controller Board ist von hinten an der Frontplatte und das Netzteil am Boden befestigt. Der Trafo ist mit einer Montageplatte und Gummipuffern ebenfalls durch Aussparungen in der Netzteilplatine auf dem Boden des Gehäuses montiert.

Rückseite des DHA

Rückseite des DHA

Auf der Rückseite sieht man mittig den 230V/AC Anschluss und den Remote Ausgang. Links und rechts sind die 4 Eingangsbuchsen pro Kanal (2× XLR und 2× Cinch) platziert.

Die Front ist am Anfang dieser Seite zu sehen und entspricht meinem üblichen Aufbau mit einem mittig zentrierten Display und 2 Drehwinkelgebern links und rechts davon. Zusätzlich ist auf der Front des DHA die Ausgangsbuchse zum Anschluss des Kopfhörers (XLR 4-polig) untergebracht. Links von dieser Buchse sieht man den IR-Empfänger und rechts die Power-LED.

Audiophile Bewertung des DHA

17.06.2019

Der erste Höreindruck war sehr vielversprechend. Die super-symmetrische Schaltungstechnik verträgt sich auf jeden Fall extrem gut mit dem Sennheiser HD 800 S. Ich habe mit der Kombination auch die außergewöhnliche Auflösung die ich von meiner großen Audio Anlage gewohnt bin. Eine abschließende Bewertung kann ich natürlich erst nach einer Einspielzeit abgeben.

07.08.2019

Nun habe ich annähernd 2 Monate fast jeden Tag mit der Kombination DHA und Sennheiser HD 800 S Musik gehört und ich muss sagen ich bin mächtig begeistert. Die Kombination spielt einfach traumhaft zusammen. Wieder einmal zeigten sich für mich die immensen Vorteile der SUSY Schaltungstopologie. Ich erwartete viel, doch die audiophile Performance des DHA übertraf alle meine Erwartungen und Hoffnungen. Eine sehr gelungene Konstruktion!