Hier beschreibe ich den Aufbau eines digitalen Kopfhörerverstärkers, der über S/PDIF einen digitalen Audiostream empfängt und impedanz sowie pegelrichtig einen mittelohmigen Kopfhörer versorgt. Über einen Drehencoder kann die Lautstärke geregelt und gemutet werden, sowie Anfangslautstärke, Höhen, Tiefen und die Deemphasis per Setup-Modus voreingestellt und als Preset gespeichert werden. Dieser Verstärker eignet sich nicht nur als Kopfhörerverstärker, sondern kann auf Grund seiner exzellenten Werte auch als Vorstufe für einen Endverstärker genutzt werden.

Geboren wurde dieses Projekt durch den Umstand, das der analoge Audioausgang der DVB-FF Karte qualitativ so schlecht war, das ich für den Kopfhörerbetrieb auf meinen digitalen Audio-Receiver ausgewichen bin.

Obwohl eigentlich der verwendete Digital/Analog Wandler-Chip der DVB-FF Karte auf Grund seiner Parameter gute Qualität liefern müßte, sind meiner Meinung nach einige Designfehler Schuld am schlechten Klang.

In der hier vorgestellten Schaltung habe ich nun versucht, hohe Qualitätsansprüche an den analogen Audioteil zu legen und diesen unempfindlich gegenüber PC Störungen zu machen, so das die komplette Schaltung intern in den VDR eingebaut werden kann.

Das Herzstück für den Kopfhörerverstärker bildet der 96 kHz IEC 958 Audio DAC von Philips UDA1351 Über diesen Chip wird das über den JP1 ankommende S/PDIF Signal decodiert. Die analogen Ausgangssignale werden dann über Trimmregler auf den JP4 geleitet. Hier kann dann ein externes analoges Stereo Potentiometer angeschlossen werden oder aber über ein qualitativ besseres digitales Potentiometer wie bsw. dem PGA2311 geregelt werden. Hierfür liegt am JP4 +/- 5Volt an. Der UDA 1351 verfügt aber auch über eine interne Steuerung von Lautstärke, Höhen, Tiefen, Deemphasis, sowie die Veränderung der Charakteristik der Höhen und Tiefenfilter. Diese Steuerung erfolgt über den L3 Bus des UDA 1351 mittels eines Microcontrollers. Der JP2 hat die Aufgabe, den UDA in den entsprechenden Modus zu versetzen. In Static Mode ist der UDA so geschaltet, das alle internen Regelungen abgeschaltet sind und das Audiosignal unverändert abgegeben wird. Dieser Modus ist bei der Nutzung der externen Lautstärkeregler zu verwenden. Wenn der JP2 auf L3-Mode gesetzt wurde, dann wird der UDA vom Microcontroller initialisiert und gesteuert. Der Linearregler LM317 erzeugt aus der 5 Volt Betriebsspannung welche am JP5 anliegt die benötigten 3,0 Volt für den UDA und den Microcontroller. Der OP-Amp OPA 2134 ist ein exzellenter Audioverstärker mit optimaler Ausgangsimpedanz für 600Ohm Verbraucher. Die Ladungspumpe MAX 660 erzeugt die negative Versorgungsspannung für den OPA 2134 sowie optional für den PGA 2311. Damit keine störenden Einflüsse über diese Versorgung in den Audioteil einfließen können, arbeitet der MAX660 im Highspeed-Modus mit 80Khz. Zu guter letzt sorgt eine Relaisstufe dafür, das beim Einschalten sowie beim Ausschalten keine störenden Pegelhübe des OP-Amp den Kopfhörer schädigen können.
Schaltplan groß
Beim Platinenlayout wurde beidseitig die Analog und Digital Masse räumlich getrennt. Dadurch sind die empfindlichen Analogleitungen von unten gut geschirmt. Zusammen mit dem Abschirmblech ist der gesamte Analogteil vollständig geschirmt

Als Koppelkondensatoren im Analogteil kommen Polyesterfolien Kondensatoren zum Einsatz.

ein erkannter S/PDIF Stream führt zum leuchten der Led1. Der UDA verfügt über 4 getrennte Stromversorgungen für Supply Analog, Supply digital, DAC und PLL. Dadurch können alle Baugruppen sauber voneinander entkoppelt werden. Die analogen Ausgangssignale gelangen über die Koppelkondensatoren 2,2µF zu den Volumentrimmreglern 10KOhm mit denen der Maximalpegel des OPVs OPA 2134 eingestellt wird. Mit den Widerständen R5 -R10 wird der Verstärkungsfaktor der OPVs festgelegt. Der Verstärkungsfaktor ist im wesentlichen von der Empfindlichkeit/Leistungsbedarf des Kopfhörers abhängig. Dieser Leistungsbedarf kann je nach Modell sehr unterschiedlich ausfallen (Informationen Leistungsbedarf, Daten Leistungsbedarf einiger Kopfhörer). Ich habe die Werte für R5/R6 mit 1KOhm sowie für R7/R8 mit 2,5KOhm bemessen, die Werte für R7/R8 können jedoch für geringere Verstärkung auf 1KOhm gesenkt bzw. zur Vergrößerung der Verstärkung auf 4,7KOhm erhöht werden. Der Widerstand R9/R10 verringert bei sehr niederohmigen Kopfhörerlasten (unter 32 Ohm) einen möglichen Offset des OPVs. Der Wert kann hierbei zwischen 20 - 50 Ohm betragen. Ich habe 30Ohm verwendet.
Während des Einschaltens der Versorgungsspannung pegelt sich der OPV ein. Dieser Einschwingvorgang hat einen relativ großen Spannungshub am OPV-Ausgang zur Folge
Auch beim Ausschalten der Spannung entstehen relativ große Spannungshübe am Ausgang, wenn dabei die Versorgungsspannung des OPV unter +/- 2,5 Volt sinkt.
Aus diesem Grund sorgt eine Relaisschaltung dafür, das erst ca. 1 Sekunde nach dem Einschalten der Betriebsspannung sowie beim Unterschreiten der Betriebspannung unter 4,6 Volt die Kopfhörer zu bzw. abgeschaltet werden. Als Relais kommt dabei ein polarisiertes Relais mit sehr geringer Stromaufnahme zum Einsatz.
eine Metallschirmkappe aus Weißblech schirmt den Analogteil des Verstärkers gegenüber Störstrahlungen zuverlässig ab. Zusammen mit der großflächigen Analogmasse auf der Unterseite ist der gesamte Analogteil gut gekapselt.
Am JP4 kann ein externes Poti zur Lautstärke Regelung in den Signalweg eingeschleift werden. Dazu sind die Steckbrücken im Signalweg zu entfernen und der JP4 ist dann wie nebenstehend gezeigt zu beschalten.

Wenn das digitale Potentiometer mit dem IC Schaltkreis PGA 2311 verwendet werden soll, empfiehlt es sich den IC auf einer steckbaren Huckepackplatine direkt auf den JP4 zu stecken und die Huckepackplatine auch mit einem Abschirmblech entsprechend zu kapseln.
hier sind die weiteren Jumperbelegungen zu sehen. Im Static-Betrieb wird über ein externes Poti die Lautstärke geregelt, im L3-Betrieb wird die interne Regelung des UDA verwendet.

Das S/PDIF Signal wird über den JP1 angeschlossen. Dort kann entweder TTL Pegel 5 Volt direkt von dem J2 der DVB-FF Karte oder genormter S/PDIF Pegel 75Ohm angeschlossen werden. Die jeweilige Masse befindet sich dabei dann am Mittelpin des Jumpers.

Am JP 3 wird die Versorgungsspannung 5 Volt angeschlossen. Der Stromverbrauch inkl Steuerung mittels AVR liegt hier zwischen 65 - 70 mA, damit ist eine Versorgung über den USB Bus möglich.

Am JP 5 wird die 6,3mm Kopfhörerbuchse angeschlossen. Ein eingeschleifter Ferritkern verhindert bei langen Kopfhörerkabeln eine mögliche Antennenwirkung des Kabels.
über den JP2 kann der Betriebsmodus des UDA festgelegt werden. Im Static Mode sind die L3-Pins auf low gelegt , das Selstatic Pin liegt auf high. Im L3 Mode werden die L3-Pins über ein Verbindungskabel mit dem AVR verbunden, das Selstatic Pin wird dabei auf low gelegt.
Die oben beschriebenen externen Möglichkeiten zur Lautstärkeregelung haben einige Nachteile. Analoge Potentiometer mit gutem Gleichlauf sind sündhaft teuer und können mit dem Gebrauch verschleißen. Auch können über deren Signalkabel Störungen einkoppeln.

Diese Nachteile ergeben sich beim Gebrauch des Digitalpotis nicht, jedoch wird das Signal durch die zusätzlichen aktiven Bauteile negativ beeinflußt. Alle diese Nachteile lassen sich umgehen, wenn man die internen Regelungsmöglichkeiten des UDA nutzt.
der UDA1351 besitzt eine L3-Bus Schnittstelle, mit der über einen Microcontroller diverse Funktionen gesteuert werden können.

Lautstärke/Volume von 0db - unendlich in 64 Schritten

Tiefen/Bass: 0 - 24 db bei 250 bzw 300Hz (abhängig vom gewählten Filtermode)

Höhen/Treble: 0 - 6db bei 1,5 bzw 3 Khz (abhängig vom gewählten Filtermode)

Deemphasis: auto; 32,0; 44,1; 48,0 Khz

Filtermode: hier kann der Scheitelpunkt des Höhen und Tiefenfilters verschoben und auch die Stärke des Filters variiert werden
ein 8-bit AVR Microcontroller vom Typ ATtiny 2313 dient zur Steuerung des UDA 1351 über den L3 Bus. Der AVR erhält von der Verstärkerplatine über den JP2 die Versorgungsspannung von 3,0 Volt und über JP1 die L3-Bus Signale L3-Mode, L3-Data und L3-Clock. Auf der einseitigen Platine sind der Drehencoder SW1, die DUO-Leds LD1 und LD2, die Vorwiderstände sowie die Bauteile zur Spannungsversorgung untergebracht. Diese Platine wird an die Front der VDR geschraubt
Die hier verwendete Firmware für den AVR wurde von Reinhard Mantey geschrieben. Dafür möchte ich Ihm hier meinen Dank aussprechen, viele Stunden fleißiger Arbeit und viele Testversionen waren nötig, damit dies alles so funktionieren konnte. Infos und Download der Firmware können über reinhard@schwarzrot-design.de bezogen werden.

Da der Kopfhörerverstärker intern in den VDR eingebaut werden soll, ist die Bedienung einfach und unauffällig gehalten, damit möglichst wenige Bedienelemente zur Steuerung des Verstärkers notwendig sind. In dieser Version wird der AVR mit einem Drehencoder gesteuert , zwei DUO-Leds können diverse Funktionen anzeigen.

Die Firmware des AVR kennt zwei Betriebsmodi:

1. Play Modus

Nach der Initialisierung des UDA kann die Lautstärke mit dem Drehencoder durch links/rechts drehen geregelt werden sowie per Druck auf die Drehencoderachse gemutet werden. Wenn gemutet wurde, blinkt die erste DUO-Led rot

2. Setup Modus

Nach der Initialisierung des UDA wird eine vordefinierte Anfangslautstärke dem UDA übertragen, danach kann dann hintereinander über mehrere Ebenen Lautstärke, Tiefen, Höhen, Deemphasis und der Filtermode geändert sowie abgespeichert werden. Diese Werte werden dann im Play Modus zur Initialisierung des UDA 1351 verwendet.

Den Play Modus erreicht man , indem man die Initialisierungszeit von ca. 1 sek verstreichen läßt ohne den Drehencoder gedrückt zu halten. Die Initialisierungsphase wird durch das Leuchten alle Leds (rot/grün) angezeigt.

In den Setup Modus gelangt man , indem man während des Einschaltens des Stromes den Drehencoder gedrückt hält, bis die Initialisierungsphase abgeschlossen ist. Der Setup Modus wird nun durch das ununterbrochene Leuchten der LD1 grün angezeigt. In dieser Ebene kann die Initialisierungslautstärke verändert werden. Durch drücken auf den Drehencodertaster wird die nächste Ebene angewählt, die dann durch das leuchten von LD1 rot angezeigt wird. In dieser Ebene wird die Stärke der Tiefen eingestellt. Durch weiterdrücken erreicht man dann die folgenden Ebenen für Höhen, Deemphasis und Filtermode.

LD1/grün = Lautstärke

LD1/rot = Tiefen

LD2/grün = Höhen

LD1/grün + LD2/grün = Deemphasis

LD2/rot = Filtermode

Zum Speichern der eingestellten Werte wird der Encoder-Taster solange gedrückt, bis alle LEDs kurz aufleuchten. Nach dem Speichern befindet sich der AVR im Play-Modus.

Nach einer gewissen Inaktivitätszeit (ca. 30 Sek) wird aber auch der Setup-Modus ohne Speichern verlassen und der Play-Modus ist nun aktiv. Im Play-Modus sind dann alle LEDs verloschen.

Reinhard hat auch eine erweiterte Firmware geschrieben, die dann anstelle der DUO-Leds ein alphanumerisches Display zur Anzeige bringt. Leider ist die Firmware so groß, das sie nicht mehr in den ATtiny 2313 passt. Hierfür ist dann ein ATmega 88 erforderlich. In diesem AVR sind dann sicherlich auch noch weitere Funktionen möglich, angefangen von der IR-Fernbedienung bis zur PC-Schnittstelle.
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