HEADPHONE AMP 2

INTRODUCCIÓN

El primer headphone tenía algún problema que hacía difícil su uso, principalmente la etapa de salida que no soportaba los cortocircuitos a los que está sujeto el uso del conector tipo jack. La primera solución de usar unas resistencias de emisor de gran valor no dió resultados adecuados a nivel de sonido.

Se optó por un nuevo diseño partiendo casi de cero, donde además se usarían nuevas técnicas de construcción y diseño.

Para empezar, las fuentes de corriente con Jfet's, que simplifican de manera notable el diseño de la PCB. La etapa de ganancia en voltaje mantiene grandes similitudes con la etapa anterior, en topología simétrica.

 

etapa Headphone 2


Por último, se usó una etapa de salida más avanzada que las push-pull estándar, que se compensa térmicamente ella misma y genera menos distorsión, aparte de estar alimentada a través de una etapa limitadora de corriente que nos permitirá proteger al amplificador de los cortocircuitos del jack.

A nivel de construcción, se tomó la seria determinación de usar todos los componentes SMD que fuese posible por potencia y disponibilidad.

Aprovechando la situación, el jack es un conector pésimo, lo único bueno que tiene es el tamaño y que es fácil de meter y sacar. Pero ahí se acaba todo. No permite separar las tierras, por lo que no tendremos una buena separación entre canales, hace cortocircuitos, la superficie de contacto es escasa, el anclaje es pésimo y casi nunca se queda en el sitio necesario, en ocasiones cortocircuita las dos salidas entre si.

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TOPOLOGÍA

Se trata también de un amplificador en supersimetría. La mayor parte de la topología emplea los conceptos usados anteriormente

En la introducción se han señalado las características más relevantes sobre el anterior diseño, que pasamos a explicar en detalle.

Fuentes de corriente con Jfet:

Suelen ser más limpias en cuanto a ruido, no dependen de un voltaje de polarización creado con un Zener, que está plagado de ruido de Shottky, o un LED que es lo mismo pero requiere más corriente y así se reduce ese ruido, aparte que su menor voltaje permite usar resistencias más bajas y reducir el ruido térmico

En todo caso, se puede hacer una fuente de corriente con dos componentes, un transistor Jfet y una resistencia, no hay que recurrir a un transistor, 2 resistencias y un Zener o LED, más un condensador y una resistencia si se quiere hacer más limpia. Y además, va conectada sólo a dos nodos del circuito, como si se tratase de una fuente de corriente real, en vez de estar conectado a tres.

Fuente de corriente convencional.

Fuente convencional de bajo ruido.

Fuente con Jfet, autopolarizada.

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Etapa de salida

La etapa de salida es básicamente una etapa de Sciklay, con resistencias de emisor suficientemente altas como para eliminar los problemas de deriva térmica..

La etapa de Sciklay tiene unas cifras de distorsión excepcionalmente bajas, debido principalmente a la alta transconductancia que supone el uso de transistores en configuración CFP. La impedancia de salida sin realimentación está en torno a 4 Ohm.

Para evitar los típicos cortes que produce la etapa de salida con limitación en corriente, o distorsiones porque la limitación en corriente produce una limitación en el slew-rate, esta limitación se ha hecho en la alimentación de la etapa, no entre la base y el emisor del propio transistor de salida que es lo usual. Y se ha añadido un condensador de 100nF de cerámica multicapa para proporcionar una reserva de corriente accesible para las altas frecuencias.

Está polarizada con 15mA y el límite de corriente está aproximadamente en 60mA DC.

 

etapa de salida

limitadores de corriente empleados para alimentar la etapa de salida

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Etapa de ganancia en voltaje.

Es muy semejante a la anterior. Las resistencias de emisor se han elegido para que se produzca una fuerte realimentación local. Tenemos una etapa de salida que crea muy poca distorsión, y la ganancia en lazo abierto es 4 (12dB), por lo que no requerimos una gran ganancia en lazo abierto. La primera etapa tiene ganancia 3.3 (10dB), la segunda tiene ganancia 100 (40dB), la ganancia en lazo abierto es de unos 50dB y el factor de realimentación de 38dB, algo mayor de lo que señalan muchos diseñadores como el "optimo" de 30dB.

La etapa tiene el polo de compensación dominante a 22kHz (lazo abierto), quizás un poco prematuramente dado el amplio ancho de banda que nos permiten los transistores de baja potencia. En todo caso, cumple los requisitos para ser un diseño TIM free y es sobradamente estable, las ondas cuadradas pasan sin ningún overshot.

Teóricamente, su ancho de banda con ganancia 12dB es de 2MHz, aunque no he tenido la ocasión de comprobarlo. Muy posiblemente, dado que los transistores que menos ancho de banda tienen (los BD139 y BD140), y son 150MHz, cumplirá dando potencia al menos a 1MHz.

En el aspecto de potencia, está pensada para dar 150mW a 32 Ohm. El voltaje de salida oscila entre +10 y -10V, ahora un obstáculo es la limitación en corriente, con 32 Ohm, 60mA dan justos esos 150mW. Pensando que los cascos tienen una gran eficiencia es suficiente, pero dependiendo del modelo usado, sería aconsejable modificar la limitación en corriente para que dé 120mA.

 

Etapas montadas.

El esquema se muestra a la derecha. Como características que no hallamos comentado, filtro RF a la entrada, Zin=5k6, y una cosa curiosa, la polarización se hace sólo con un potenciómetro. No es necesario transistor de compensación térmica en forma de multiplicador de Vbe.

Un pequeño filro RC "limpia" la tensión de alimentación de la etapa de ganancia en voltaje, a pesar del gran PSRR de esta etapa.

 

Esquema de la etapa

La red de realimentación consta principalmente de un servo de DC. El offset de voltaje a la entrada es muy grande cuando se usan resistencias de emisor tan altas, y un offset de DC en la salida es sumamente pernicioso en unos altavoces tan delicados.

Se usa un electrolítico no polarizado.

 

Red de realimentación

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FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Seguimos disponiendo de la fuente del filtro activo, y esta vez tomamos la decisión de que los voltajes de polarización deberían ser generados fuera del circuito, lo que también redunda en una mayor sencillez de diseño y menos componentes, ya que la generación de voltaje de polarización pueden ser comun a las dos etapas.

Además, en este diseño ese votaje puede servir para alimentar el OP07 que forma el servo de DC.

Con los reguladores integrados de tensión 7815 y 7915 y dos diodos zener de 4,7V o 5,6V se puede obtener una tensión regulada de alrededor de 20V, positivos y negativos, lo mismo sucede con las tensiones de polarización y los 7805 y 7905, así obtenemos ±10V y ±20V.

No se ha recurrido a capacidades exageradas, las entrada tiene dos condensadores de 470µF y lo mismo luego en cada etapa. En la propia fuente, condensadores de 100µF.


Detalle de la fuente Esquema de la fuente

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CONSTRUCCIÓN

Como se ha resaltado en la introducción, la principal caracterísitca es el uso de componentes SMD.

Una de las ventajas de los dispositivos SMD es que no requieren agujero, por lo que si la placa tiene 200 agujeros y usando SMD se ahorran 100, estamos reduciendo en más de 15 centímetros las longitudes de las pistas, que son como cable malo.

También son más pequeños, eso ayuda a reducir el área de PCB y a reducir más la longitud de las pistas. Tampoco se producen tantos ángulos, con lo que el comportamiento a muy alta frecuencia es mejor, y por último, la ventaja más obvia, ahorra tener que hacer agujeros. Este diseño tiene 95, sin compnentes SMD hubiese requerido 90 más.

Todas las resistencias menos 4 de la etapa de salida que no soportaban la potencia necesaria son SMD. Los condensadores de Miller también hubisen debido serlo, pero un error en el pedido lo hizo imposible. Se soldaron dos NPO estándar diréctamente a la superficie ya que la huella del 1206 no permitía otra opción. El formato usado es el 1206, aunque el 0805 también podía haber sido utilizado. Los transistores, en SOT-23.

 

Etapa Headphone 2

Filtro+preamp+headphone2

Los transistores de ganancia no son SMD, por la necesidad de emparejarlos. El medidor de Hfe del polímetro no los acepta si no tienen patas. Vbe es más fácil de medir. En todo caso, será en otra versión cuando se usen transistores duales a la entrada, los BC847BS y BC857BS, con el mismo tamaño que el SOT-23 pero con tres patas más, es decir, 0,6mm entre cada pata.

No es excesivamente difícil soldar SMD cuando se tiene práctica, incluso me parece más cómodo que through hole, pero los componentes son pequeños en extemo, lo que se gana en eliminar agujeros se pierde en que es necesario buena vista, buen pulso y mucha precisión.

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PCBs

Se ofrecen las máscaras de PCB para realizar un amplificador Headphone-2 con fines no lucrativos y para uso personal. Están a escala 1:1, por lo que se pueden imprimir diréctamente. Es necesario eliminar cuaquier ajuste de página para no falsear la escala.

Es posible obtener las PCBs necesarias para la realización el amplificador, también es posible obtener el kit ya montado (recomendado). Para ello, diríjanse a consultas y recibirán información sobre precios y plazos.

Descargue AQUI el archivo PDF. Las capas corresponden a:

  1. top layer
  2. bottom layer
  3. top silkscreen
  4. bottom silkscreen
  5. top solder mask
  6. bottom solder mask
  7. top pad master
  8. bottom pad master
  9. drill dawing (top layer)
  10. drill guide (top layer)

Descargue AQUI la lista de componentes en formato TXT o AQUI en formato XLS.

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DIY amp headphone 2 - PCPfiles en www.pcpaudio.com