Hybrid Kopfhörerverstärker PC900 + MOSFET (Entwurf)

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Ste_Pa
Stammgast

#1 erstellt: 12. Apr 2021, 01:47

Hallo Zusammen,

ich habe ja lange keinen KHV gebastelt ...

Aktuell baue ich ja an einem kleinen R2R-DAC mit Röhrenkathodenfolger, den Matthias dankenswerter Weise entworfen (

Klick) hat.

Und wenn ich schon beim Bauen bin, soll sich zu dem DAC auch noch ein KHV "dazu gesellen". Dieser soll in einem von Größe und Design her ähnlichen Gehäuse untergebracht werden, damit ich die Geräte neben oder übereinander stellen kann.

Angedacht habe ich einen diesmal einen hybriden Kopfhörerverstärker, dessen Vorstufe aus einer Triode in Kathodenbasisschaltung besteht. Damit ich das Ausgangssignal ohne Ausgangsübertrager und/oder "dicke" Röhren niederohmig bekomme, soll die zweite Stufe aus einem Halbleiter-MOSFET in Sourcefolger-Schaltung bestehen.
Ich habe für die eigentlich ohmschen Arbeitswiderstände (Anodenwiderstand in der Vorstufe und Kathodenwiderstand in der Endstufe) Konstantstromquellen vorgesehen. Insgesamt verbessern sie das Klirrspektrum des Amps etwas (in den Simulationen ca. 0,5%), erhöhen die Ausgangsleistung und geben Reserven, um eine kleine Spannungsgegenkopplung einzubauen. Ob die ganzen elektronischen "Helferlein" so sinnvoll / zielführend sind, ist auch eine Frage, die ich mir stelle.

Der KHV soll nur für Kopfhörer mit hohen Impedanzen (ab 250 Ohm) eingesetzt werden. Als Betriebssspannung habe ich 160 Volt vorgesehen, welche auch den Sourcefolgers speisen. Das ermöglicht eine DC-Kopplung ohne Koppelkondensator zwischen den beiden Stufen. Als Leistung soll der Amp mind. 200mW in 600-Ohm- als auch in 300-Ohm-Kopfhörer abgeben können.

Ich habe meinen Schaltungsentwurf mal angefügt und würde mich über Verbesserungsvorschläge und Meinungen wie immer sehr freuen.

Ob man die "dicken" MOSFETs braucht weiß ich auch nicht so genau. Für 200 mW in 600 Ohm werden 18,3 mA _rms und 10.95 V_rms (15,5 V_Amplitude bzw. 31 V_Spitze_Spitze) benötigt, für 200 mW in 300 Ohm: 25,8 mA_rms und 7,8 V. Der Stromfluss ist also vergleichsweise gering, allerdings fällt erheblich Spannung ab, so dass die TO-220-Gehäuse der MOSFETS sicher doch von Vorteil sind, auch wenn die IRF610 3,3A vertragen, die ich bei Weitem nicht ausnutze.

Viele Grüße
Steffen

Das LT-Spice-Schema gäbe es

[hier].

[Beitrag von Ste_Pa am 12. Apr 2021, 02:49 bearbeitet]

Ingor
Inventar

#2 erstellt: 12. Apr 2021, 16:57

Mir erschließt sich nicht, warum du um den relativ harmlosen Kondensator zwischen den beiden Stufen zu vermeiden. eine kondensatorgekoppelte Endstufe mit einem Parallelwiderstand am Ausgang in der Größe der Kopfhörerimpedanz vorsiehst. Dadurch verbrätst du nur Energie und hast den Kondensator an einer besonders kritischen Stelle eingesetzt.

Ste_Pa
Stammgast

#3 erstellt: 13. Apr 2021, 03:31

Hallo Ingor,

erst mal Danke für das Feedback.

Ob es sinnvoll ist (oder signifikante Vorteile bringt) die Röhrenvorstufe und die MOSFET-Endstufe via DC zu koppeln und auf einen Trennkondensator an dieser Stelle zu verzichten, ist halt genau die Frage. Die DC-Kopplung klappt, zumindest nach dem was ich versucht habe, nur dann, wenn beide Stufen auf gleichem Betriebsspannungsniveau liegen. Und dadurch habe ich auch in der Endstufe die 160V, von denen das meiste sowohl im oberen MOSFET (Sourcefolger-Schaltung) als auch im unteren MOSFET (CCS) verheizt wird. U_spitze_spitze von ca. 31 V an 600-Ohm würden genügen (für 200 mW im Kopfhörer).

Den Einwand mit dem Parallel-Widerstand verstehe ich nicht so ganz. In der Simulation soll R_Last mit 600 Ohm den Kopfhörer repräsentieren.

Ein (oder zwei) spannungsfeste Kondensatoren einsetzen werde ich aber in beiden Konzeptionsfällen. Immerhin können im Worst-Case die 160-V "durchschlagen" und so etwas mag ich nicht im Kopfhörer bzw. auf den Ohren haben.

Der Auskoppel-C muss ansonsten eigentlich auch zwingend vorhanden sein, um das DC-Potential abzutrennen, es sei denn man macht die ganze Schaltung symmetrisch bzw. versorgt sie mit symmetrischer Betriebsspannung. Allerdings wird man auch dann nicht um einen C zum Abtrennen von Gleichspannung am Ausgang umherkommen, es sei denn man setzt einen DC-Servo ein, aber so viel (Schaltungs)Aufwand wollte ich dann doch nicht betreiben.

Der "SOHA II hedphone amp" arbeitet z.B. mit einem DC-Servo und auch mit einem Koppel-C zwischen Röhrenvor- und Halbleiterendstufe. Auf einen Auskoppel-C wird hingegen verzichtet

(Klick).

Was ich vorhin noch festgestellt habe ... Die Schaltung aus meinem Eingangspost läuft in der Simulation auch mit "nur" 100-V Betriebsspannung. Möglicherweise wäre hier ein gutes Optimum aus akzeptablem Klirr und noch vertretbarer Wärmeerzeugung.

Viele Grüße
Steffen

[Beitrag von Ste_Pa am 13. Apr 2021, 03:42 bearbeitet]

Ingor
Inventar

#4 erstellt: 13. Apr 2021, 21:09

Ich hatte gedacht, du wolltest den 600 Ohm Widerstand einbauen und hatte diesen nicht als Teil der Simulation für den Kopfhörer verstanden. Da es dir wohl eher um die Orignalität der Schaltung geht, als um eine erprobte Schaltungsanordnung, macht es sicher SInn die Schaltung so zu bauen.

Ste_Pa
Stammgast

#5 erstellt: 13. Apr 2021, 21:35

... Da es dir wohl eher um die Orignalität der Schaltung geht, als um eine erprobte Schaltungsanordnung, macht es sicher SInn die Schaltung so zu bauen. ...

Hallo Ingor,

och gegen eine erprobte Schaltungsanordnung hätte ich auch Nichts einzuwenden, ganz im Gegenteil.

Es ist nur so, dass ich schon recht lange im Netz recherchiert hatte und mir diverse Artikel und Schaltungsvorschläge gespeichert habe. Aber "irgendwie" fand ich bisher Nichts, wo ich gesagt hätte, ja genau dieser Kopfhörerverstärker soll es sein.

Hier mal einige Vorschläge, mit ähnlichem Konzept (Röhrenvorstufe, hier aber als Long Tailed Pair und MOSFET-Endstufe). Alle Vorschläge arbeiten aber mit ziemlich geringer Anodenspannung für die Röhrenvorstufe.

"Starving Student" hybrid headphone amplifier
Eingangsstufe: 19J6 in LTP
Ausgangsstufe: IRF510 (Buffer und CCS)
UB: + 48V

Hybrid MOSFET SE Amp
Eingangsstufe: ECC88 in LTP
Ausgangsstufe: IRF9540 und IRF540 (Buffer und CCS)
UB: +/- 35 V

A Hybrid Tube/MOSFET Headphone Amplifier
Eingangsstufe: ECC88 in LTP
Ausgangsstufe: 2SJ79 INS. 2SK216 INS. (Buffer und CCS)
UB: +/- 35 V

Und hier noch mal der SOHA II headphone Amp auch Hybrid

60-Volt-Variante

150-Volt-Variante
Eingangsstufe: 12AU7 in LTP
Ausgangsstufe: BJT (Buffer und CCS)
Besonderheit: Zwei unterschiedliche Spannungen für Vor- und Endstufe, aktive Offsetnachregelung (DC-Servo)

Es gibt im Netz noch viel mehr ... aber wie gesagt ... zum einen hege ich immer das Ziel genau zu verstehen was ich aufbaue und zu anderen muss die Lösung (für mich) sinnvoll / zweckmäßig sein.

Am liebsten wäre es mir, wenn man an meinem obigen Schaltungsentwurf noch etwas verbessern könnte. Originell ist zwar auch immer schön, muss aber nicht.

Viele Grüße
Steffen

[Beitrag von Ste_Pa am 13. Apr 2021, 21:38 bearbeitet]

Rolf_Meyer
Inventar

#6 erstellt: 14. Apr 2021, 22:30

Moin Steffen,

Habe gestern mal ein wenig mit Deiner Schaltung rumgespielt...
Habe leider nur begrenzt Ahnung von Kopfhörerschaltungen, da ich mit den Dingern aufm Kopp wenig bis garnichts anfangen kann. (Trotz Sennheiser HD800.)

Bedarf es wirklich derartig hoher Ausgangsspannungen? Reichen10Veff nicht schon, um sich selbst an nem 300-Öhmer die Birne wegzuschießen?
Was wird denn wirklich an Ausgangsspannung für Deine 300- bzw. 600-Öhmer gebraucht?
Bis 8-9V kann ich da mit einer reduzierten Abwandlung dienen.
Ich betreibe meine KH entweder an 300B SE Verstärkern oder an so nem "Destiny Aristaios". Beides geht sehr, sehr laut...
Und wenn das für den DAC sein soll... da kommen 1,7Veff raus... nicht nur 300mV.

Gruß, Matthias

Ste_Pa
Stammgast

#7 erstellt: 14. Apr 2021, 22:54

Moin Matthias,

... Habe gestern mal ein wenig mit Deiner Schaltung rumgespielt...

Das dies jemand macht, darauf hatte ich gehofft.

... Reichen10Veff nicht schon, um sich selbst an nem 300-Öhmer die Birne wegzuschießen? ...

An 300Öhmern sollten 10Veff aureichen. Laut meiner Excel-Tabelle ergeben sich damit ca. 200mW, das sind für Kopfhörer ne Menge "Holz".

100mW in 600Ohm -> I_eff = 12,9mA, U_eff = 7,75V
200mW in 600Ohm -> I_eff = 18,3mA, U_eff = 10,95V

100mW in 300Ohm -> I_eff = 18,3mA, U_eff = 5,48V
200mW in 300Ohm -> I_eff = 25,8mA, U_eff = 7,75V

Mit geht es aktuell hauptsächlich um meine AKG K240 Monitor (noch die Originalen aus Ende der 1990'er Jahre

).
Nennimpedanz: 600 Ohm
Nennbelastbarkeit: 200 mW
Übertragungsbereich: 15 - 20.000 Hz
Klirrfaktor: < 1%
Schalldruckpegel: 88 dB

Mit denen habe ich die Erfahrung, dass 100mW (mir zumindest

) nicht ausreichen. Kopfhörerversträker habe ich ja schon ein paar gebastelt, mal mit Röhren, mal mit Halbleitern.

Mein

"letztes" Exemplar liefert ca. diese 100 mW und das ist zu wenig.

Ich höre schon häufiger und auch gern (sehr) laut via Kopfhörern Musik, das mag aber auch daran liegen, dass ich mir den Nachbarschaftsfrieden in der Mietwohnung nicht verscherzen will.

Ja ich wollte, wenn ich für den R2R-DAC eh am Gehäusebau bin, diesem im selben Zuge einen kleinen "Zwilling" in Form eines KHV beseite stellen, in ähnlichem Gehäusedesign.

Daher dachte ich auch an die PC900, neben ihrer anderen Vorteile (läuft auch bei niedrigen Spannungen, hat eine rel. hohe Spannungsverstärkung, ist sehr preiswert).
Da der KHV aus dem R2R-DAC gespeist wird, könnte ich ihn auch mit mehr Eingangsspannungs versorgen, den KF des R2R-DAC will ich eh vom Ausgangspegel her schaltbar machen (3 verschiedene Level via umschaltbaren Spannungsteiler).

Die Simulation im Ausgangspost funktioniert prinzipiell (auch mit 300mV Input) im LT-Spice für 300-Öhmer als auch für 600-Öhmer, auch mit nur 100V Betriebsspannung, Klirr (THD) 0,2% (an 300Ohm) und 0,6% (an 600Ohm) bei ca. 200mW. Ich bin aber nun nicht sicher, ob die Schaltung an sich stimmig ist und ob man evt. Klirr-technisch noch mehr rausholen kann ... oder ob die Schaltung an sich großer Murks ist, und ich diesen aber nicht so sehe ... oder ob zu viel "Halbleiterei" an der Röhre zu viel "des Gutmeinens" sind ... Fragen über Fragen ... .

Beste Grüße
Steffen

[Beitrag von Ste_Pa am 14. Apr 2021, 23:05 bearbeitet]

Rolf_Meyer
Inventar

#8 erstellt: 14. Apr 2021, 23:25

Ok,

Dann werfe ich mal diese Schalte in den Ring...

Soll bei 240mW ~0,16% Klirr machen... an 600Ohm

Vielleicht hilft es ja. Wie gesagt... mit KHV habe ich nurbegrenzt Ahnung.

Gruß Matthias

Ste_Pa
Stammgast

#9 erstellt: 14. Apr 2021, 23:37

Moin Matthias,

besten Dank!!!

0,16% Klirr sind auf jeden Fall schon deutlich besser als meine 0,6%.

Mir scheint ein wenig globale GK ist gut.

Die CCS für den MOSFET scheint dann irgendwie nicht unbedingt vorteilhaft.

Ich glaube ich muss mir doch mal die Arbeitsgeraden klassisch in ein Kennlinienfeld der PC900 zeichnen, möglicherweise auch die des MOSFET, um mir das Schaltungsverhalten noch etwas mehr zu verdeutlichen.

Beste Grüße
Steffen

PS: Wünschenswert wäre es für mich auch, wenn man auch 300-Öhmer an dem Amp anschließen könnte, ohne zu viel umzuparametrieren. Impedanzen < 300 Ohm würde ich aber generell ausschließen, da das Ganze sonst zu komplex würde.
Das klappt mit Deinem Schaltungsentwurf. Mit R_Last = 300 Ohm und einem GK-Einkoppel-Widerstand von 330k (statt 680k für 600Öhmer) bei sonst identischen Schaltungsparametern errechnet LT-Spice 200mW bei 0,05% Klirr.

PPS: Ich sehe KHV immer als kleine NF-Verstärker, sozusagen nichts Besonders und nicht unbedingt anderes als ein großer Verstärker, nur eben kleiner mit weniger Leistung (was Vieles leichter macht

) und ggf. etwas "anspruchsvoller" in Bezug auf Brumm und Rauschen, weil die der Kopfhörer als "akustische Lupe" angeschlossen wird.

[Beitrag von Ste_Pa am 15. Apr 2021, 03:09 bearbeitet]

Ste_Pa
Stammgast

#10 erstellt: 15. Aug 2021, 02:13

Hallo Zusammen,

auch in diesem Thread nach etwas längerer Zeit eine Rückmeldung von mir.

Der KHV ist nun endlich als Gerät fertig gestellt. Ich habe ihn vom Gehäusedesign so konzipiert, dass er zu meinem DIY-"Hifi-Turm" passt, welcher noch einen R2R-DAC mit Röhrenkathodenfolger sowie einen Musikstreamer mit Raspberry-Pi und Hifi-Berry DIGI+ pro besteht. (vgl.

dieser Thread bzw. Post)

Ausgelegt ist der KHV für den Betrieb von hochohmigen Kopfhörern (300 Ohm - 600 Ohm Impedanz). Sowohl der Grad der Gegenkopplung als auch die Eingangsempfindlichkeit ist umschaltbar (unterschiedliche Relaisgeschaltete Festwiderstände).

Meine AKG-K240-Monitor-600-Ohm-Kopfhörer habe ich auch gleich schon in einer langen Hör-Session am KHV betrieben und bin sehr zufrieden. Endlich habe ich einen KHV, der die AKG's mit richtig "Power" versorgen kann, so dass auch ein sehr lauter Musikgenuss möglich ist.

Die hybride Lösung (Spannungsverstärkung durch die (schönen kleinen) PC900-Röhren und Stromverstärkung mittels der IRF610-MOSFETS) gefällt mir auch vom Konzept gut, erlaubt die Schaltung doch den Verzicht auf die Ausgangsübertrager bei gleichzeitig rel. niedrigem Platzbedarf (wenn man Röhren-OTL-Konzepte vergleichsweise betrachtet, die strompotente Endröhren erforderlich machen).

Der mit dem REW-Tool gemessene Klirrfaktor (0,4% bei 100mW) ist höher als in der THD-Wert, den die Simulation berechnete. Dies hat aber damit zu tun, dass mein USB-Sound-Interface (Emu-202), welches ich für die Messungen benutzt habe, keine 2,5V Amplitude für das Ausgangssignal bereitstellen kann (sondern nur knapp die Hälfte) und dadurch die (globale) Gegenkopplung geringer ausfällt.

Im Anhang noch ein paar Fotos, der Schaltplan sowie einige Messergebnisse.

Viele Grüße

Steffen

Hybrid-KHV - Außenansicht 1 - Front