Project #9325: Earle Eaton Kopfhörer-Verstärker (und Version MK II)

Opamp-Verstärker mit TIP120/125-Endstufe

Ich erinnere mich gut an die Tage, als meine Eltern es nur noch wenig akzeptierten, wenn ich spät nachts über Lautsprecher Musik hörte. Seit diesen Tagen bin ich Kopfhörern verfallen, und ich habe fast nur noch Musik über Kopfhörer vernommen. Es begann mit einem Sennheiser HD414, die gesamte Zahl an Kopfhörern, die ich besessen habe, ist mir heute unbekannt. Am Ende gab es nur einen Kopfhörer, der mein Verlangen nach immer besserem Sound befriedigen konnte, der AKG K1000. Er kostete so um die 1500DM in dieser Zeit und setzte für mich neue Maßstäbe in Richtung Klangerfahrung. Dieser Kopfhörer, der eher ein Paar kleine Spezial-Lautsprecher darstellt, ist ein Knaller. Aber funktionieren tut er nur an einer richtigen Endstufe, mit einem Taschen-CD-Player oder einem MD-Walkman ist er unbrauchbar. Denn der K1000 ist recht leistungshungrig.

Der zweite Teil der Geschichte ist, dass ich ja Bassist bin und so einiges zu üben habe, auch spät in der Nacht. Um die Sache abzukürzen: nachdem ich auf eine großartige Seite namens Headwize gestoßen bin, habe ich einige dieser Kopfhörer-Verstärker gebaut, zuletzt den Apheared 47 (Kurzform: A47). Zusammen mit einem AKG K240 stellte er meine Standardwaffe dar. Bis ich eines Tages eher aus Neugier und zufällig einmal den K1000 in den A47 einstöpselte. Wahnsinn, was ein Sound! Wenn auch ein wenig zu leise. Mit einem qualitativ hochwertigen Kopfhörer-Verstärker klang das einfach phantastisch, vor allem aus der Terratec 24/96-Soundkarten mit einwandfreien 24bit-Wandlern vom digitalen Ausgang des DVD-Laufwerkes.

Im Headwize-Forum bekam ich von fa-schmidt den Hinweis, es doch einmal mit einem kräftigerem Verstärker wie dem Earle Eaton zu versuchen. Diesen baute ich dann in wenigen Tagen auf.

Grund-Schaltung

Die Ursprungsschaltung findet sich hier in Headwize. Nach einigen weiteren Diskussionen entschied ich mich zu einer Abwandlung des Designs, so mit kam folgendes heraus:

Haupt-Veränderungen:

• MJE-Transistoren ersetzt durch TIP120/125
  Darlingtons
• Opamp in der Vorstufe nun OPA2132
  statt NE5532/NE5534
• Ausgangs-Elko nun 4700uF statt 2200uF
• Emitter-Widerstände 3.3, nicht 10Ohm

Die Schaltung ist sehr simpel, aber darauf beruht das gute Ergebnis. Das Eingangssignal wird durch den Operationsverstäker vorbereitet und in eine Class-AB-Endstufe geleitet. Der Ausgangs-Elko ist nicht wirklich wichtig, schützt aber den Kopfhörer vor eventuellen Gleichspannungen. Durch die direkte Rückkopplung des Ausgangs auf den invertierenden Eingang des Opamps werden Verzerrungen minimiert und auch Linearität gefördert.

Einzig kritisch ist die LED, die die Vbe-Spannung für die Endstufen-Transistoren erzeugt und die TIPs leicht in den On-Zustand treibt, wodurch die Class-AB-Arbeitsweise entsteht. Mehr dazu später.

Das Netzteil ist eine Standard-Schaltung mit 7815/7915 Reglern, 2200uF Sieb-Elkos, vergleichbar dem Original-Design von Earle. In einigen Schaltungen finden sich noch 1N400x-Dioden über die Regler, wer's mag, kann's tun.

Ein neuer Teil ist eine kleine Schaltung zum Schutz der Kopfhörer. Die Kopfhörer werden erst dann mit den Verstärker-Ausgängen verbunden, wenn das Netzteil seine Soll-Spannung erreicht hat, so wird der Einschalt-Bumms in den Hörern vermieden. Die Schaltung ist simpel, aber funktioniert bestens. Die Schaltung ist mit dem nicht-geregelten 24Volt-Teil des Netzteiles verbunden. Der 470uF-Kondensator wird über die Widerstands-Kombination 47k/250k geladen. Erreicht die Spannung am Elko (= Vbe) den Wert 0.7V schaltet der Transistor durch, das Relais zieht an und verbindet die Kopfhörer mit dem Verstärker-Ausgang. Beim Ausschalten entlädt sich der Elko über den 2N2222 und das Relais fällt schnell ab.

Verzögerung beim Einschalten ist:

(R * C) * (0.7V / 24V)

Mit den angegebenen Werten ist das eine einstellbare Zeit von 0.7 ... 4 Sekunden.

Alle drei Schaltungsteile, Netzteil, Verstärker und Schutzschaltung, habe ich auf separaten Boards aufgebaut, so dass ich später auch eine andere Verstärker-Schaltung einsetzen kann, falls ich mal eine habe.

Erste Modifikationen

Die ersichtlichste Änderung ist der Ersatz der MJEs durch TIP-Darlingtons. Dies hat gegenüber diskreten Transistoren einen direkten Einfluss auf die LED zwischen den beiden Basen, der MJE hat eine Vbe(on) von 1.4V, die TIPS 2.5V. Ein Beispiel für die Berechnung solcher Vorspannungsfälle findet sich hier und in mehr Details noch einmal hier. Wer des Englischen einigermaßen mächtig ist, kann auch hier detaillierte Einleitungen zu Verstärker-Schaltungen finden.

Nach den Grundlagen des Schaltungsentwurfes sollte sich für einen sicheren Class-AB-Betrieb zwischen den beiden Basen eine Vbe von 4 x Vbe0 = 2.8V (2 x 0.7V pro Darlington) einstellen, was einen Ruhestrom von 20mA ergäbe. Mit der einzelnen LED ergibt sich aber eine Vbe0 von nur 2V, was einen Ruhestrom von 2.5mA ergibt! Dies ist eigentlich kein eindeutiger AB-Betrieb und sollte eine unvollständige Vermeidung der Übernahme-Verzerrungen bedeuten.

Benutzt man Lötstifte für die LEDs, kann man leicht verschiedene LED oder sogar ganze Schaltungen versuchen, ohne das Board zu verbrennen. Also 2.5mA Ruhestrom ist per Definition zu wenig, versuche ich also etwas Anderes.

So realisierte ich auf einem Stück eine kleine Schaltung namens «amplified diode» und ersetzte die LED durch diese aktive Regelung. Tatsächlich war nun ein Ruhestrom von 20mA einstellbar. Der Sound veränderte sich aber keinen Deut. Sobald aber eine Last und ein Eingangssignal auf den Verstärker kamen, liefen die TIPs deutlich heiß, und auch der Ruhestrom kam mit 60mA in gefährliche Bereiche, es stellte sich ein thermisches Hochlaufen der Endstufe ein. Diesem thermischen Hochlaufen könnte durch ein direktes Montieren des 2N2222 auf dem Kühlblech der TIPS begegnet werden. Da aber der höhere Ruhestrom keinen besseren Sound erbrachte, habe ich mir den Aufwand eines großen Kühlkörpers plus Isolierung der Endstufen-Transistoren erspart.

Das thermische Hochlaufen könnte gelindert werden, indem die Emitter-Widerstände auf z.B. 10Ohm erhöht würden. Dann lägen aber zusätzliche Bremsen im Ausgangszweig, was ich verhindern wollte.

Nächster Versuch: die LED wird durch 2 x 1N4148 ersetzt. Spannung über den Dioden ist nun 1.4V, was zu erwarten war. Der Ruhestrom geht sogar auf 1.4mA zurück, das ist viel zu wenig und die LED kommt wieder an ihren Platz. Tatsächlich arbeitet die Schaltung mit der LED völlig zufrieden stellend, auch wenn es der Theorie ein wenig widerspricht. Mit diskreten Transistoren wären die 2V über die LED übrigens völlig ok, da ja nicht zwei BE-Bereiche zu versorgen sind.

Wenn auch die Theorie besagt, dass für ein zuverlässiges Vermeiden von Übernahme-Verzerrungen ein Ruhestrom von 20mA notwendig ist (weil Vbe0 = 2.8V), ist das für den Sound völlig unerheblich. Die Darlingtons sind definitiv nicht in einen On-Position. Trotzdem ist auch mit einem sehr guten Kopfhörer selbst in leisesten Passagen keine Verzerrung wahrnehmbar. Wahrscheinlich wäre sie auf einem Oszilloskop sichtbar, hörbar ist sie nicht, oder? Der K1000 ist eine sehr präziser Kopfhörer, man hört sogar kleinste Details wie das Schnaufen des Drummers oder das Rascheln der Noten im Orchester. Aber keine Verzerrungen, ein Mysterium.

Oder auch eben nicht. Der Schlüssel ist die Rückkoplung vom Ausgang zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Der Opamp versucht grundsätzlich zwischen seinen beiden Eingängen eine Differenzspannung von 0Volt herzustellen. Der wichtige Faktor ist die Verstärkung des Opamps. Sind die Transisoren im voll leitenden Bereich, kann der Opamp in seinem normalen Gainbereich arbeiten. Kommen die Transistoren in den Bereich unterhalb Vbe, schalten die Transistoren ab. Das wieder merkt der Opamp, weil die Relation zwischen den Eingängen plötzlich abweicht, und versucht, wieder Linearität herzustellen, erhöht seinen Ausgangspegel entsprechend, zieht die Ausgangstransistoren wieder in den leitenden Bereich u.s.f.

Die sehr lineare Arbeitsweise und der geringe Klirrfaktor (= sehr wenig Verzerrung) entsteht also dadurch, dass die 'toten Zonen' unterhalb Vbe(on) der Transistoren vom Opamp linearisiert werden. Und es erklärt auch, warum es kaum eine Rolle spielt, ob eine LED mit 2.0V oder zwei Dioden mit 1.4V die Vorspannung liefern. Die Vorspannung hilft dem Opamp, viel mehr nicht. Und je schneller der Opamp ist, desto besser werden die Class B-Kanten ausgebügelt. Ein alter 741 zum Beispiel wäre hier schon überfordert, der 553x aber noch nicht.

Opamp-Vorstufe

In Earle Eaton's Design werden zwei NE5534 benutzt. Ich hatte noch einige NE5532 übrig, also habe ich zwei für ein einfacheres Layout spendiert. Und das gab mir die Möglichkeit, den NE gegen andere, Pin-kompatible Opamps zu tauschen, was mich auch interessierte. Also versuchte ich:

• TL072 C:
  Kein Sound-Unterschied zum NE5532. NE5532 und TL072 sind billige Bauteil, funktionieren und klingen jedoch tadellos.
• OPA2132:
  Mein Eindruck war, dass der OPA2132 einen angenehmeren Höhenbereich lieferte. So ließ ich die OPAs drin, bis ich sie für ein anderes Projekt brauche.

Keiner der Opamps produziert irgendein Rauschen, alle drei klingen vorzüglich, der OPA eben einen Hauch besser.

Endstufen-Transistoren

Die Original-Schaltung verwendete MJE diskrete Transistoren. Da diese schwer zu bekommen sind, gibt es als direkte Ersatztypen BD235/236. Ich war auch neugierig, wie die diskreten und die Darlingtons sich im Klang unterschieden, also ersetzte ich die TIPs in einer einzelnen Endstufe durch BDs. Weder im Sound noch in der Leistung ergab sich ein wirklich hörbarer Unterschied. Obwohl es ein wenig esoterisch klingt, schienen die TIPs in den Bässen einen Tucken druckvoller, was sich aus dem viel höheren hFE ergeben kann. So blieben denn auch die TIPs drin.

Mögliche Modifikationen

Ein paar Veränderungen sind noch möglich. Zum einen empfiehlt sich über den 4700uF-Ausgangselko ein paralleler 0.1 oder 0.22uF Filmkondensator, der die Übertragung der Höhen etwas besser kann als der Elko. Der Unterschied mit/ohne ist gering, aber wahrnehmbar. Der 1K-Widerstand im Eingangspfad kann entfallen, keine Ahnung, was Earle damit bezwecken wollte.

Für nicht so soundkritische Anwendungen ist auch ein ungeregeltes Netzteil ok, aber 2x4700uF als Siebung sollten es dann schon sein.

Ausgangs-Leistung

Wie zu erwarten, hängt der erreichbare Pegel von der Impedanz (aber nicht nur) des Kopfhörers ab:

Der zweite Faktor für den Wiedergabepegel ist die verwendete Quelle. Beim Bau hatte ich meinen Sony MD-Player zum Testen benutzt, der K1000 klang damit sauber und klar. Aber der Ausgangs-Pegel war so gerade akzeptabel und erste Zweifel schlichen sich in's Gemüt. Als ich den Verstärker allerdings mit der Terratec-Karte in meinem PC verband, entstand ein anderes Bild. Die Terratec hat +4dB-Ausgänge, Studio-Pegel, nicht -10dB Consumer-Pegel wie die meisten Soundkarten. Und damit wird die Lautstärke mehr als ausreichend. Ist es also zu leise, ist nicht unbedingt der Verstärker schuld, sondern die lahme Ausgangsstufe der Audio-Quelle mit zu niedrigem Output.

Einige Messungen

Frequenzgang:

Stör/Nutz-Verhältnis:

Board-Layout

Ich verwende Veroboards mit Lötpunkten. Das Layout ist geradeaus und simpel. Er erlaubt auch den Einsatz anderer Komponenten, da genug Raum für Verlängerungen ist.

Ein Platinenlayout für einen einzelnen Kanal habe ich noch für EaglePCB im Petto:

   Projekt-Datei:

Was ist gut, was ist schlecht?

	Der Verstärker produziert kein Rauschen, klingt hervorragend und liefert auch für einen K1000 ausreichende Leistung. Straffe Bässe, klare, aber nicht über-brilliante Höhen. Für Geübte nicht sonderlich schwer zu bauen.
	Im Vergleich zum A47 fehlt ihm etwas die harmonische Ausgeglichenheit. Das ist dann aber schon schwer zu hören.
	Nein, es gibt eigentlich nichts Schlechtes an diesem Verstärker.

Bilder

	Das Gehäuse ist nicht der Brecher, sieht nett aus, ist aber sehr wackelig.
	Rechts: Verstärker Links oben: Netzteil Links unten: Schutzschaltung
	Weniger Details ... Wie man sieht, ist noch genug Platz.
	Mehr Details ... Verstärker Während des Aufbaus habe ich Lötstifte und Stecker benutzt; als alles fertig war, wurden die Kabel direkt an die Lötstifte gelegt, was beim Bau flexibler ist.
	Netzteil und Einschaltverzögerung Der Kühlkörper ist nicht notwendig, sieht aber luschtig aus.

Earle Eaton MK II

Wegen der guten Ergebnisse mit diesem Verstärker folgte noch eine zweite Version. Hauptgrund war der, dass ich für das Abhören von Mixes oder für's Transcribieren noch gerne Lautsprecher betreiben wollte. So kam ein neuer Aufbau zum Leben.

Folgende Änderungen flossen ein:

• Netzteil liefert nun bis zu 1.2A Dauerstrom bei 2 x 20V, ungeregelt
• Schalter für Ausgang zum Kopfhörer oder zu Lautsprechern
• Etwas höherer Gain mit einem Gegenkopplungs-Widerstand von 47k statt 33k
• 7K/W-Kühlkörper für die Endstufentransistoren, 3.3 Ohm-Emitterwiderstaände mit 9W Belastbarkeit
• Einzelner NE5534A ersetzt Dual NE5532
• Keine XLR4-Buchse für den K1000

Netzteil und Verstärker + verzögerte Einschaltung gehen auf zwei getrennte Platinen. Sieht dann so aus:

	Ein 6.25mm-Anschluss liegt auf der Frontplatte, einer auf der Rückseite, und ein Schalter zum Umschalten von vorn. Die Verbindung zu den Lautsprechern geschieht über eine kleine Box mit Stecker und Lautsprecher-Terminals (hier nicht gezeigt).
	Diesmal habe ich Clips und Silikon-Folie zum Montieren der Darlingtons benutzt. Etwas teurer, aber sehr bequem und zuverlässig! Sehr zu empfehlen.
	Und ein besseres Gehäuse als beim letzten Mal ...

Resultate

Dieser Verstärker scheint ein noch ein wenig besser zu klingen als die erste Version, was auch an dem besseren Opamp oder der anderen Verdrahtung liegen mag.

Einen kleinen Makel gibt es: mit Kopfhörern ist der Verstärker totenstill, kein Rauschen oder Brummen. Mit den angeschlossenen Lautsprechern (Behringer Monitor 1C) ist jedoch, wenn man das Ohr ganz nah an die Boxen hält, ein leichtes Brummen zu hören. Es ist weder ein Abschirmungs- noch ein Erdschleifenproblem. Bei den wenigen Fällen, wo ich die Monitore benutze, spielt es aber keine Rolle, und ist so leise, dass man es normel nicht hört.

Der Verstärker liefert satt Leistung, mehr als ich jemals brauche; schätzungsweise 2 x 15Watt bei sehr gerimngen Verzerrungen. Und die Darlingtons und das Netzteil werden kaum richtig warm, auch bei großen Lautstärken. Er klingt sehr transparent und definiert, mit wirklich guten Monitoren könnte er sicher noch mehr an Klang liefern. Dies also die endgültige Version des Earle Eaton, die Gesamtkosten lagen bei ca. 80€.