ATL-04 Balanced headphone amp by al_tsankov

[GourouLubrik]

Un topic un peu particulier, aujourd'hui, car le concepteur du design, al_tsankov s'est inscrit sur le forum.

Introduction
Tout à commencé lors de mes recherches sur le topologie DIY d'ampli casques et de buffer. Google, DiyAudio et ... Ebay, et je suis tombé sur un design vendu par al_tsankov :
PCB for Preamplifier/Headphone amp with JFET or BJT frontend & Diamond buffer.


Ce design m'est rapidement apparu comme étant très intéressant. déjà parce que pour la plupart des diyers, la simple prononciation de "quad matched 2SK170/2SJ74" enracine le design dans des topologie reconnues et bien connues... (à commencer par mon Yulong A18). Bref j'étais très interessé par ce design, mais comme je suis un insatiable geek ayant besoin, j'ai contacté le vendeur pour lui poser tout un tas de question... dont la question de faire du balanced avec 2 pcb sans potentiomètre.

En vue de la recherche d'un design pour des designs basses impédance haute sensibilité, je n'ai pas besoin d'un gain de bourrin, j'ai surtout besoin d'une large dose de current pour tenir les 1.5 Tesla. Éventuellement, une bonne dose de current servira aussi pour les orthos.

Alex a repondu à mes question, mais il m'a exposé un design non listé sur ebay, qui répondait au doux nom d'ATL-04, plus adapté à mes besoins de design balanced.
intrigué: j'ai ensuite envoyé deux nouveaux messages à alex en le bombardant de questions, et je lui ai glissé que TN serait content de l'accueillir et qu'il y aurait du monde qui se ferait une joie de tester de manière impartial son design.

Le design de l'ATL-04

Voila l'ATL-04



Et son schema: http://www.tellementnomade.org/forum/ga ... ge_id=2307

Ce design est donc conçu pour le double mono, il faut donc 2 pcb pour monter un ampli casque complet.
Niveau dimension, c'est un beau bébé: 210x90x40 mm (avec les pièces et radiateurs monté)

Tout d'abord, un transformateur 18-0-18 AC se fait redresser à 22v DC sur un pcb séparé.
On attaque ensuite l'ATL-04 via une régulation "Sulzer modifié" version standalone ebay
Le courant régulé sera ensuite utilisé pour alimenter l'ensemble de la section audio.

Pour la section audio:
[quote="al_tsankov]the topology is Borbely based JFET differential amplifier in inverting connection, followed by VAS based on folded cascodes and two diamond buffers at the output. The main idea was to use only one matched JFET quad in the balanced channel.[/quote]

L'interêt de n'utiliser qu'un seul quad matched jfet ... c'est que ces JFETs coutent très cher, ne sont plus fabriqué, et son dur à sourcer. (~44$ les quad matched sur fetaudio).

Le gain de voltage par defaut est de 8 , mais on peut adapter le gain moyennant un ajustement des résistances de feedback et des condensateurs associés.

Les 2 AOP au format TO99 transistor double 2SK240/2SJ75 au format TO-92*2 présent sur la photo sont des équivalents de la paire de transistor n-jfet 2SK170/2SJ74 monté sur adaptateur dip6, il est possible de le remplacer par les vraies paires de transistors qu'on 2SK170/2SJ74 qu'on voit sur le schéma - implémenté de cette façon, il n'y a au final il n'y au final ni AOP ni condo sur le signal audio. Comme pour son autre design cité en introduction, Alex a aussi prévu (mais pas testé ) de pouvoir utiliser des BJTs en entrée. C'est moins performant que les jfets mais ça reduit fortement les couts pour ceux pour qui c'est une priorité.

L'impédance d'entée est fixé à 5kohms, il peut être ajusté en augmentant R15, R24, R16, R52.
L'impédance de sortie est de 1 ohms avec les résistance des protections contre les courts circuits / 0.03ohm sans ces résistances
Les puissances évoqué avec le gain standard (x8) sont:
150 mW pour 600 Ohm @ 9V
350 mW pour 250 Ohm @ 9V
1000 mW pour 100 Ohm @ 9V
650 mW pour 32 Ohm @ 4.5V

Prix
20€ en pcb seul - ce qui franchement, n'est pas cher compte tenu de la taille et du fait que l'alim soit intégrée.
76€ PCB + pièces sans les deux paires de matched 2SK170/2SJ74 - détail de la BOM disponible (modèle/marque des composants) sur demande
160€ le PCB complet, assemblé & testé.
Le boitier dédié n'est pas encore fait, estimation approximative d'un boitier avec face avant et arrière en alu, et le reste en acier peint avec un revêtement par poudre : 80/90€

Il faut ensuite ajouter:
- une alim torroidale 50-60VA (NDT: ou r-core )
- un rectifier (pont de diodes et caps)
- Entrées/sortie XLR (NDT: entrées xlr Neutrik NC3FD-L-B-1 / sorties casque Neutrik NC4FD L1-B)
- Un bouton on/off, une embase IEC (NDT: si vous avez le budget et la place... Schaffner FN 9290 )
- le potentiomètre (NDT: Alex a utilisé un Alps RK27 Quad) et le bouton de potentiomètre associé (NDT: aluminium, faut pas déconner).

about ATL-04:
- PCB dimensions are 210x90 mm. The overall height with all parts mounted is 40 mm.
- the topology is Borbely based JFET differential amplifier in inverting connection, followed by VAS based on folded cascodes and two diamond buffers at the output. The main idea was to use only one matched JFET quad in the balanced channel.
Here gallery/image_page.php?album_id=375&image_id=2307
you can see schematic taken from LTSpice.
- As a matter of fact there are 4 OPAmps on the board - 2 of them are in the voltage regulators and other two are the DC servos.
The two TO99 are in fact 2SK240/2SJ75 pairs. 2SK240 is basically two manufacture matched 2SK170 connected with aluminium cap. 2SJ75 is the same, but with matched 2SJ74. These are very rare nowadays but I manage to get some.
They are inserted in the DIP-6 sockets, which are only temporary on the PCB - in order to easily replace JFETs since I incorporated on the PCB ability to use BJTs as a frontend (well I didn't tried this variant yet ).
- the regulators used on the PCBs are modified Sulzer type. The output voltages are +/- 18V, Input voltages - approx. 2x22V rectified.
- The output transistors of the Diamond buffers work of course in class A, biased at approx. 80-85 mA.
- Yes, the big caps (3300uF) are the current reserve for output transistors (you can see them on schematic).
- The voltage gain is approx. 8 at the moment. Well, it can be changed (lowered), but in parallel with that, the frequency correction caps must be changed too. I can, of course, calculate the needed values for some gains.
- The input impedance is 5 kOhm (since the schematic is in inverting connection). It can be raised but on the price of raising the values of R15, R24, R16, R52 (see schematic). The output impedance is mainly the resistance of output series resistances R25, R32 (1 Ohm). I put them there mainly for safety purposes (if the outputs are shorted). If they are omitted, the output impedance will be approx. 30 mOhm. You can calculate the damping factor for given headphones impedance.
- The output power is as follows:
150 mW on 600 Ohm headphone impedance and 9V output voltage
350 mW on 250 Ohm headphone impedance and 9V output voltage
1000 mW on 100 Ohm headphone impedance and 9V output voltage
650 mW on 32 Ohm headphone impedance and 4.5V output voltage

- The prices for 1 channel would be:

* PCB - 20 EUR
* PCB + parts (without 2x2SK170 and 2x2SJ74) - 76 EUR. I can send you detailed parts specification if you want.
* all assembled and tested board ~ 160 EUR
At the moment I do not have the case but it can be created, of course. The price for case (top and bottom steel plates powder-coated; front and back aluminium panels anodised and laser engraved) with appropriate dimensions will be approx. 80-90 EUR.
For overall price you should add toroidal (50-60 VA), rectifier diodes and caps, potentiometer, IN/OUT XLRs, ON/OFF button, IEC connector, 4 feets, knob for potentiometer etc.

And one more thing I have to mention - this design is fully balanced - balanced input, balanced output. It's not possible to feed it with unbalanced input signal or to use unbalanced headphones.

[Adhafera]

Yesss ! ça c'est du schéma de gros porc comme je les aimes !
Je vais mettre du temps à le comprendre <3

[G600]

Quelqu'un saurait m'aider à comprendre pourquoi y'a besoin de 2 servos, et pourquoi deux AOPs à des fins de régulation de voltage ?
C'est pas mieux une alim régulée une bonne fois pour toute ? Dans mes tablettes c'est jamais bon de réguler plus d'une fois, et les AOPs perso ça me donne des boutons...

[GourouLubrik]

Quelqu'un saurait m'aider à comprendre pourquoi y'a besoin de 2 servos

D'après le schéma, un par canal, tout simplement.
Certains préfère des schéma de compensation d'offset à base de biasing manuel (donc on reste en direct coupled mais il a "forcement" un drift dû à la température), d'autre des condos de couplages, d'autres des DC servos...

et pourquoi deux AOPs à des fins de régulation de voltage ?

C'est le principe même des Alimentations de type Sulzer: http://tangentsoft.net/elec/opamp-linreg.html

C'est pas mieux une alim régulée une bonne fois pour toute ? Dans mes tablettes c'est jamais bon de réguler plus d'une fois, et les AOPs perso ça me donne des boutons...

Je n'en sais rien, seules des mesures pourrais nous dire ce qui convient le mieux. je trouve quand même que c'est très différents des AOP dans le signal path et pour l'alimentation, c'est 2 choses bien séparées. quand on la présence de double régultation, tant que la reserve de courant est suffisante, je ne vois pas trop ou est le problème à part pour le rendement ?

@al_tsankov : Is it possible to bypass the whole alim section in order to use other design ?

@adhafera : je trouve aussi que le schema est bien sympathique, c'est pourquoi il est arrivé jusqu'ici dans des conditions un peu spéciales

[Adhafera]

Quelqu'un saurait m'aider à comprendre pourquoi y'a besoin de 2 servos

D'après le schéma, un par canal, tout simplement.
Certains préfère des schéma de compensation d'offset à base de biasing manuel (donc on reste en direct coupled mais il a "forcement" un drift dû à la température), d'autre des condos de couplages, d'autres des DC servos...

Nop, il y a bien deux servo par canal ! Je n'ai pas encore compris comment ils fonctionnent exactement.

et pourquoi deux AOPs à des fins de régulation de voltage ?

C'est le principe même des Alimentations de type Sulzer: http://tangentsoft.net/elec/opamp-linreg.html

On parle bien de l'alim ? C'est pour garantir une tension stable. Si l'ampli consomme brusquement beaucoup, alors il y aura des petites chutes de tensions. L'AOP étant très sensible à ces variations va venir commander le transistor de puissance pour corriger instantanément cette chutes.

C'est pas mieux une alim régulée une bonne fois pour toute ? Dans mes tablettes c'est jamais bon de réguler plus d'une fois, et les AOPs perso ça me donne des boutons...

Je n'en sais rien, seules des mesures pourrais nous dire ce qui convient le mieux. je trouve quand même que c'est très différents des AOP dans le signal path et pour l'alimentation, c'est 2 choses bien séparées. quand on la présence de double régultation, tant que la reserve de courant est suffisante, je ne vois pas trop ou est le problème à part pour le rendement ?

L'AOP dans l'alimentation n'a aucune influence sur le signal sonore.
Normalement, un ampli bien conçu ne doit pas être perturbé par des variations de tension d'alimentation.
De plus, c'est l'AOP qui garanti la stabilité de cette tension. Donc c'est que du bénef !

[G600]

OK les gars, merci pour les pistes de compréhension.
Ça a l'air d'un beau projet quand même.
Adhafera ouais c'est pas dans le circuit du signal, mais adepte des solutions "radicales", je suis toujours dévié vers le "une bonne fois pour toutes".
Du coup j'attends de voir la réponse à la question de Gourou, peut-on utiliser autre chose en alim ?

PS hors sujet, quelqu'un a besoin de bricoles de chez Mouser ? Manque 18€ pour le franco de port...

[GourouLubrik]

Quelqu'un saurait m'aider à comprendre pourquoi y'a besoin de 2 servos

D'après le schéma, un par canal, tout simplement.
Certains préfère des schéma de compensation d'offset à base de biasing manuel (donc on reste en direct coupled mais il a "forcement" un drift dû à la température), d'autre des condos de couplages, d'autres des DC servos...

Nop, il y a bien deux servo par canal ! Je n'ai pas encore compris comment ils fonctionnent exactement.

En effet, il y a bien 2 références à L et 2 références à R sur le schema... sauf que je ne vois pas 4 AOP dédié servo sur le pcb, donc je suppose qu'il y a une subtilité quelque part.

C'est pas mieux une alim régulée une bonne fois pour toute ? Dans mes tablettes c'est jamais bon de réguler plus d'une fois, et les AOPs perso ça me donne des boutons...

Je n'en sais rien, seules des mesures pourrais nous dire ce qui convient le mieux. je trouve quand même que c'est très différents des AOP dans le signal path et pour l'alimentation, c'est 2 choses bien séparées. quand on la présence de double régultation, tant que la reserve de courant est suffisante, je ne vois pas trop ou est le problème à part pour le rendement ?

L'AOP dans l'alimentation n'a aucune influence sur le signal sonore.
Normalement, un ampli bien conçu ne doit pas être perturbé par des variations de tension d'alimentation.
De plus, c'est l'AOP qui garanti la stabilité de cette tension. Donc c'est que du bénef !

la stabilité de la tension est une donné, le noise une seconde, le Z-out une 3ème et deviner quelle caractéristiques privilégier en fonction du circuit un sacré chalenge ;)

Quitte à faire fonctionner en 4x85ma de classe A les transistors de sortie, autant essayer d'alimenter tout ça par une shunt avec un très petit z-out pour écouter si on trouve un gain audible, on n'est plus à vraiment à 100ma de courant de déchet près... je dis 2 fois car je vois pas beaucoup de shunt bipolaire tenir 18v à 750ma, il en faudrait donc 2 (pour conserver le dual mono - tiens, j'ai 2 shunt bipolaire qui m'attendent à la poste )

[al_tsankov]

Hi, guys!
Sorry for writing in English but my French is very rudimentary (left from high school) .

First of all, thank you for your interest about my design.

about DC servos - it's impossible to have only one servo in case when schematic has two independent outputs. Yes, the servos are attached to points R and L (see schematic). This is to some extent non-traditional connection but since the input stage works in inverting connection and there aren't input capacitors I decided to not inject any current backward to the source.
What about the chips - as a servo I use OPA2134, which is dual OPAmp - that's why you see only one body.

According to voltage regulators - of course, they can be omitted and one can use something different. The current consumption is approx. 200-210 mA per board.

[GourouLubrik]

Hi, guys!
Sorry for writing in English but my French is very rudimentary (left from high school) .

No problem, english is perfectly fine, We also have Matthew from Forza Audioworks (Poland) who speaks english on our forum. If someone doesn't understand, there will always be someone nice that does the translation. It's perfectly fine for you too, if you (or Google Translate) don't understand, just ask, we will translate.

First of all, thank you for your interest about my design.

You're Welcome and thanks for registering here

about DC servos - it's impossible to have only one servo in case when schematic has two independent outputs. Yes, the servos are attached to points R and L (see schematic).

We have been tricked by the two reference to both R and L in the schematic, which lead to think Adhafera there was 4 Servos / pcb.

This is to some extent non-traditional connection but since the input stage works in inverting connection and there aren't input capacitors I decided to not inject any current backward to the source.
What about the chips - as a servo I use OPA2134, which is dual OPAmp - that's why you see only one body.
[/quote]
Thanks for the explanation/disambiguation , dual ampop makes perfect sense to the dual marking of L and R in the schematic.

According to voltage regulators - of course, they can be omitted and one can use something different. The current consumption is approx. 200-210 mA per board.

Oh, I thought the bias 80/85ma of bias current was ... for one ouput transistor
Did you try alternative PSU ? Or do you think PSU only have a minor influence over listening results in such a topology ?
Any thought on much more recent LDO regulators (TPS7A4700 / TPS7A3301 for example ? )

[Adhafera]

En effet, il y a bien 2 références à L et 2 références à R sur le schema... sauf que je ne vois pas 4 AOP dédié servo sur le pcb, donc je suppose qu'il y a une subtilité quelque part.

Des AOP doubles ?

la stabilité de la tension est une donné, le noise une seconde, le Z-out une 3ème et deviner quelle caractéristiques privilégier en fonction du circuit un sacré chalenge ;)

Autant avoir une alim qui excelle partout non ? Ce qui est surement le cas de l'alim que tu présentes si l'implémentation est bien faire et l'aop bien choisi

edit : al_tsankov, thanks for your explanations !

[al_tsankov]

Hi again!
As a matter of fact, the points R - R are connected together and connected to the one of the servo OPAmp output (R output). The same for the points L. I draw them in such a way in order to mess with less wires and beside that, simulator accepts this concept.
May be this drawing will be clearer to understand:
http://www.tellementnomade.org/forum/ga ... ge_id=2323

I didn't tried other voltage regulators although this is interesting direction. A friend of mine bought kits for Salas shunt regs and he's going to test the difference between modified Sulzer and Salas regs. Well, we expect his verdict .

[Ony]

It will be definitly interesting to have a feedback about impact of voltage regulator on the sound sig provided by your amp.

Really interesting topic. I have to compare tour design against my Cavalli Liquid Gold

[al_tsankov]

Gorou, a little clarification, if I can:
2SK240 and 2SJ75 are real 2SK170 and 2SJ74 pairs - 2SK240 pair of two 2SK170, 2SJ75 - pair of two 2SJ74. They are manufacture matched and tied together with an aluminium cap. For curiosity, they are matched by Up (pinch-off voltage) but not by Idss, as is widely adopted. I carefully measured all I have in hand and can tell you that the difference in Up between transistors in the pair is insignificant, while the difference in Idss can be as large as 2 mA! It's worth thinking.
Of course, the standard K170/J74 quads can be used tied together.

[GourouLubrik]

Thanks for your clarification, I thought that it was lower grade substitution, looks like I was wrong. I edited first post.
2SK240 2SJ75 looks really hard to source ... I found 2SJ75 @ 32$ / unit on ebay... didn't find 2SK240 under 80€ but that's a real steal considering the price of quad match 2SK170/2SJ74 o_O
The 160€ assembled and tested include these pair to-92? nearly seems like a deal
I only knew Idss matching, thanks for you informations

How do you calculate output impedance ?
Schematic says a pair of 2.7ohm (R21/22 and R30/31) resistors in series with R25|R32
If you omit R25/R31 there is still something like (2.7^2)/(2.7*2) = 1.35 ohms ? and , if not omitted, 2.35ohms ?

[al_tsankov]

Gorou, these 2.7 Ohm resistors are in the feedback loop, you must not forget that. That's why their resistance are divided by the NFB loop gain. If we suppose that NFB loop gain is ~ -40 dB, then 3/100 = 30 mOhm. Since the output transistors work in class A, these resistances are in parallel, but OTOH, we have 2 output stages (amplifier is balanced) and we should multiply the output resistance by 2, so we are back to 30 mOhms .