Amplificatore per cuffie Objective 2 (O2)

Grazie all’amico di forum Ellyk0 ho avuto il permesso di pubblicare ufficialmente questo articolo scritto a due mani. La prima parte sua e dedicata alla sua esperienza di montaggio dell’Objective 2 amplificatore portatile dal costo assai interessante (150 euro circa) e dalle prestazioni particolarmente di ottimo livello; in tale parte troverete dei miei inside tra parentesi. La seconda parte mia e dedicata all’apparato teorico e pratico che sta dietro ad un amplificatore, di certo non completa ed esauriente, ma per quello ci vorrebbe un libro e non un articolo, tuttavia comprensibile a tutti e quindi adatta ad addentrarsi nel capire cosa deve fare un amplificatore, il cui concetto deve essere slegato dal concetto di volume.

I Parte
Guida al montaggio dell'amplificatore per cuffie Objective 2 (O2)

L’O2 è un amplificatore per cuffie relativamente economico con caratteristiche paragonabili a prodotti di fascia di prezzo ben superiore ad esso. (In pratica si può confrontare ad amplificatori di fascia 300-350 euro.)
Queste le caratteristiche principali:

• Accuracy - ak-yer-uh-see: “The condition or quality of being true, correct, or exact”
• The road to audio nirvana: Accuracy, and hence the best sound quality, in a headphone amp is almost entirely determined by (the non-geeks might want to skip this):
• Output Impedance – It should be less than 2 ohms to provide the correct bass damping even with 16 ohm headphones and avoid frequency response problems. Output Impedance differences account for most of the variations in sound quality people hear between different headphone amps and sources
• Power – Sufficient voltage, current, and gain must be available to drive the desired headphones to realistic levels without strain. Many amps fall short with many headphones.
• Noise – The amp should not contribute any audible noise in real world use. Most, unfortunately have audible hiss—especially when using sensitive IEMs.
• Channel Balance – The stereo image should not audibly shift left or right with any realistic volume setting. This is another common problem.
• Frequency Response – The output should be flat to within +/- 0.1 dB from 20 hz to 20 Khz and not slew rate limited at full power. But many headphone amps, including some fairly big names like Creek and Pro-Ject, use capacitor coupled outputs that roll off the bass into low impedance loads and add distortion. Tube and single ended designs can be even worse.
• Distortion – All non-linearities (unwanted garbage added by the amp) should be under 0.01% (–80 dB) at least at midrange frequencies where the ear is most sensitive, and worst case, under 0.05% (-66 dB) across the rest of the spectrum when operating with the desired headphones and output levels. Singled-ended and tube amps nearly always fail this by a wide margin as do many conventional designs. Ideally an amp should be under 0.01% across the board.
• Transient Response & Stability – Ringing and overshoot should be tightly controlled with all realistic headphone loads. I’ve seen several amps get this wrong in their quest for needless excess bandwidth and/or excessive slew rates.
• Phase response – Less than +/- 2 degrees phase error from 100 hz to 10 Khz assures the best possible imaging and spatial perception.

Online si trova per circa 130€. Ma ci sono altre alternative infatti si può acquistare in versione DIY dagli stessi shop a circa 70€ oppure è possibile acquistare i singoli componenti attraverso i vari negozi di elettronica ad esclusione del pcb. (Questo è possibile, ma per motivi inerenti al THD+N meglio fornirsi del PCB.)
La versione che ho scelto io è quella in kit DIY acquistata dal negozio svizzero headnhifi.
In circa una settimana e mezzo il pacco mi è arrivato a casa tramite raccomandata postale.
Cosa troviamo compreso nel kit?
Tutto! Compreso il regalino per allietare il montaggio … ebbene si … in omaggio un lecca lecca alla ciliegia. Che classe questi svizzeri XD.

Nel kit è compreso:
-case
-alimentatore
-batterie 9v
-busta con i componenti per l’amplificatore
-PCB
-busta antistatica per i componenti sensibili
-busta con adattatori pin e varie resistenze per il Gain
-pomello in alluminio per la regolazione del volume
-lecca lecca alla ciliegia

Cosa manca?!
Sicuramente avrei gradito qualche documento cartaceo quali lista dei componenti e schema per il montaggio … ma d’altro canto il sito di chi l’ha progettato è veramente completo e dettagliato.
Non mi è nemmeno piaciuto il fatto che tutti i componenti fossero uniti insieme in un unico sacchetto. Mi sarebbe piaciuto trovare tutto già classificato, ma forse è un lusso troppo grosso visto il prezzo esiguo e classificare i componenti non è un’operazione complessa.
Anche un cavo jack da collegare tra input e ampli sarebbe stato comodo, ma sicuramente quel lecca lecca lo è stato di più. (Pubblicherò in versione aggiornata la mia guida sui cavi su www.estatica.it e tecnicamente parlando  meglio così, almeno si può prendere/fare un cavo migliore che se presente avrebbe fatto lievitare il costo)

Montaggio

Per prima cosa bisogna armarsi di pazienza, carta, penna e tester.
Con l’aiuto della lista dei componenti classificate ogni singolo pezzo.
Per le resistenze è relativamente facile. I colori delle bande sono già sufficienti a indicare la resistenza, ma consiglio di eseguire una contro prova con un tester.
I condensatori hanno tutti il valore riportato sopra (anche se è minuscolo da leggere)
Il resto dei componenti non crea particolari difficoltà.

Ora viene il momento di mettere a scaldare il vostro saldatore.
Il pcb offre una visione completa di dove posizionare ogni singolo pezzo. Dove è previsto indica addirittura il positivo e il negativo.

Per il montaggio consiglio di procedere partendo dagli elementi più piccoli per poi arrivare a quelli più grandi e delicati:
-resistenze
-condensatori
-socket 8 pin ma senza montare i componenti (U1, 2, 3,4)
-mosfet U5 e U6 ( da maneggiare con cautela visto che sono sensibili alle cariche elettrostatiche)
-terminali batteria
-pulsanti gain e power
-connettori jack
-controllo volume
-connettore alimentazione
-mosfet Q1 e Q2
-inserire U2 (1, 3 e 4 li inseriremo dopo ai dovuti test)
Questo è il risultato (non è il mio… nella fretta di usarlo mi son dimenticato di immortalare il momento)

Test

Prima di collegare all’alimentazione ed inserire U1, 3 e 4 è bene munirsi di tester e andare a verificare che i valori siano conformi a quanto indicato nell'immagine numero 5.

Ora possiamo montare gli ultimi componenti U1, 3, 4
E ancora una volta andiamo a misurare la corrente DC come indicato dall’immagine 6.
 
Ci sono anche altri test che possiamo eseguire, ma per ciò consiglio un’approfondita lettura della seguente sezione test.
Se è tutto in ordine allora iniziate collegando l’ampli ad una sorgente e a delle cuffie “sacrificabili” (nel caso che qualcosa andasse storto).
Io sinceramente non ho eseguito i test in quanto ho scoperto solo dopo la loro esistenza ma ho testato prima con periferiche a basso costo. Nel mio caso non c’è stato alcun problema e quindi sono passato a inscatolare il pcb dentro il case. Niente di più facile se avete a disposizione una cacciavite con punta torx da 3.

La costruzione è finita! Il risultato nelle immagini 7 e 8.

Approfondimento GAIN

Di default il kit indica il montaggio di resistenze adatte ad un guadagno di 2,5 e 6,5.
Se ciò non vi aggrada avete la possibilità di sostituire le resistenze R17, 19, 21, 23 per implementare il gain più consono a pilotare le vostre cuffie.
Il kit prevede dei pin socket da posizionare nei contatti delle resistenze sopra citati. Facendo ciò si ha la possibilità di non dover saldare le resistenze e inter cambiarle  secondo le nostre necessità.
Per calcolare il gain desiderato bisogna utilizzare queste formule:
Low Gain Ratio = 1 +  R16/R17
High Gain Ratio = 1 + R16/R19
 Voltage Gain in dB = 20 * Log(Gain Ratio)

esempio – The standard amp has R16=1500 and R17= 1K so 1 + 1500/1000 = 2.5X.
And 20*Log(2.5) = ~ 8 dB.

II Parte
Compendio tecnico

Ciao ragazzi Ellyk0 mi ha chiesto di curare un compendio tecnico su questa sua esperienza.
In primis voglio fare un’aggiunta banale … avete presente quei guanti blu in lattice che spesso si vedono nei filmati di chi monta i PC? Bene se avete paura di caricare i vostri mosfet … usateli.
In secundis un appunto: SE e ripeto SE sapete cosa state andando a fare i test potete anche saltarli … non ci vuole una laurea per montare correttamente un condensatore e nemmeno a saldare i componenti seguendo le istruzioni … cosa diversa per creare il circuito (sembra che NvAvGuy e i rivenditori di questo fantastico ampli si siano dimenticati di questo essenziale dato di fatto: a seguire delle istruzioni non ci vuole una laurea … bene loro non le avevano messe pensando che chiunque potesse comprendere a colpo d’occhio il circuito).
Sempre lasciandomi guidare dalle parole di Ellyk0, e trovare così argomenti che possano interessare, voglio spendere due parole sull’approfondimento del Gain.
Le formule sono corrette e dovete applicarle così come sono scritte.
Diamo le formule per ambo i canali:
LG= 1+R16/R17=1+R22/R21
HG= 1+R16/R17=1+R22/R23
Il +1 non è lì per caso gli operazionali sono usati ad anello chiuso non invertente e deriva dalla formula A=Vo/Vs=(R1+R2)/R1 … ok non mandatemi lì dove state pensando detta in parole povere indica il valore del Gain ovvero un valore numerico (A è infatti un numero puro) che indica di quante volte il Voltaggio in ingresso sarà aumentato.
Ciò vuol dire che questa formula vi dà la possibilità di adattare il vostro O2 alle vostre esigenze … “Da ogni grande potere, derivano grandi responsabilità” dicono in Spider Man … bene in campo audio solitamente la frase va scritta così: “Da ogni grande potere, derivano grandi possibilità di fare errori grossolani”; ebbene si non improvvisatevi ingegneri e fisici fate le modifiche che avete le capacità di comprendere senza fare per l’appunto “errori grossolani”.
Negli anni ne ho viste veramente di ogni, da operazionali con buchi spropositati, a resistenze messe lì come se il valore di Gain fosse l’unica cosa importante, cambiare qualcosa senza avere quella mezza tonnellata di libri di elettronica in testa solitamente porta a grandi delusioni e grandissimi errori che suscitano in tutti quelli come me … ilarità.
Allora gli OPAMP di cui leggete in internet sono solitamente operazionali teorici perfetti e senza difetto alcuno; non ci vuole un genio per comprendere che tali operazionali sono ben lontani da essere esistenti, tutti questi “difetti” sono ben descritti dai produttori di OPAMP nei loro brevi e spesso di difficile comprensione  datascheet (con vari allegati tecnici).
Senza star qui a rompere troppo le scatole su come interpretare un operazionale …

Sappiate che:

1. piazzare resistenze di valori che superano le centinaia di migliaia di Ohm non serve in un circuito semplice e non servono a diminuire il rumore se avete rumore rivedete le saldature è più facile che troverete una saldatura fatta male e rifacendola il rumore sparirà.
2. piazzare delle resistenze de decine di migliaia di Ohm serve quando il circuito è diverso da quello dell’O2 e si vogliono raggiungere valori più precisi o vicini all’ideale, il che vuol dire usarne di più ed usare più spazio.
3. tenetevi per le R17, R19, R21 ed R23 attorno a valori a 4 cifre, più vicini a 1KΩ che ai 10KΩ.
4. non esagerate col Gain, la corrente continua (fa  friggere le vostre cuffie) aumenta col Gain, ma in modo almeno x2, valori di Gain che superano i 6.5 proposti solitamente portano gli operazionali a buttar fuori il massimo della corrente continua che possono erogare, ok valori bassi non sono un problema con cuffie di bassa impedenza, ma con cuffie ad alta impedenza invece sono estremamente rischiosi e potreste dover dire addio alle vostre cuffie. Inoltre tale valore è ottimale anche per il THD+N per gli operazionali presenti nell’O2 e in buona parte degli operazionali ad uso audio. Un valore di G=6.5 significa un voltaggio di uscita compreso tra i 6.5V se l’ingresso è di un singolo Volt, ma ben 13V se l’ingresso è quello standard di 2V. Considerando che gli operazionali arrivano senza problemi legati al THD+N con uscite fino a 10V non è il caso di esagerare dato che 13V è un valore già limite di per sé oltre il quale il THD+N cresce seguendo una funzione esponenziale.

Potrebbe sembrarvi facile, ma progettare un amplificatore per cuffie non è né semplice, né banale, ci vogliono discrete conoscenze in elettroacustica per riuscire a creare un amplificatore che funzioni bene, per creare un amplificatore che non si limiti a riprodurre musica, ma che suoni invece ci vogliono anni di ricerca. L’arrivo degli operazionali ha un po’ creato il mito del Cmoy … il mito che chiunque potesse progettare un amplificatore per cuffia perfettamente suonante, progettare un ampli va ben al di là di prendere un OPAMP e metterlo in un circuito, tra l’altro creare un buon circuito con operazionali è un’impresa che non tutti gli ingegneri riescono ad affrontare in modo corretto e con buoni risultati, personalmente credo che la tecnologia in questo campo sia stata un passo avanti nella riproduzione sonora e nelle possibilità che si sono aperte, ma il rovescio della medaglia è stato che un circuito ad operazionali, non è facile da far suonare, bisogna tenere a mente in fase di progettazione molti più dettagli e soluzioni rispetto alle solite amplificazioni a stato solido o a valvole.
L’O2 è un ottimo amplificatore per cuffie rispetto al costo è anche tra i migliori, ma lo stesso progettista è conscio dei limiti che ho cercato di farvi comprendere:
L’O2 non è ottimale con cuffie top di gamma (solitamente necessitano di più Ampere e più Volt di quanti l’O2 possa dare)
L’O2 non è l’ampli perfetto in ogni situazione ed è progettato per essere usato nel mondo del mobile dove i Volt di uscita dei dispositivi sono compresi in un massimo di 1.5V … il che guarda caso moltiplicato per il Gain di 6.5 dà esattamente 9.75 … inferiore a quei 10V che fissavo come limite intelligente da dare all’operazionale … caso o magia? Nessuna delle due solo conoscenze tecniche che constano in alcuni volumi di elettronica e di anni di ricerca.

Permettetemi ora un piccolo inside sui costi.

Notiamo anche solo per questo O2 una differenza notevole tra kit da assemblare e O2 montato. Praticamente quello montato costa il doppio. Bene  nel costo di un amplificatore dovete contare si il costo dei componenti, ma anche il costo di montaggio … che essendo fatto da una persona ha un costo elevato anche se questa persona ci mette 10 volte meno il vostro tempo i montaggio. Poi ci sono ovviamente le tasse da pagare, che pagano anche le aziende e non si tratta solo di tasse sul prodotto in sé, ma su tutto l’apparato azienda. Ed infine i costi che mai nessuno calcola: quelli di ricerca e sviluppo. Per fare un buon ampli ci vuole un team di ingegneri che lavora costantemente su un prodotto per un determinato periodo di tempo per far si che tale prodotto sia di buon livello per il costo … bene l’O2 non ha tali costi perché  NvAvGuy ha messo in licenza gratuita il suo progetto, le aziende se vogliono possono modificarlo, ma il grosso del lavoro di progettazione è già stato fatto GRATIS!!! Un ampli così solo per i tempi di progettazione da considerare come spesa di R&D costerebbe circa il doppio se non di più.

Stavo per concludere qui questo inside tecnico/teorico, ma dialogando con Ellyk0 ho compreso che sebbene dia per scontati altri due concetti, mi sbagliavo a darli per scontati, ma soprattutto ho compreso che ci sono ragazzi realmente interessati al mondo della riproduzione audio, che invece di lanciare frecciatine o cercare di far valere il “peso” del proprio impianto, o della propria quantità di impianti, pongono domande serie e che riempiono di gioia ingegneri, tecnici, appassionati e fisici, non perché sono domande specifiche o inside tecnici particolari, ma perché partono proprio con questa parola: perché e vengono poste magari su basi che si danno per scontato, ma che di fatto di scontato non hanno nulla (un po’ come quando vengono poste domande sull’accelerazione di gravità e il proprio interlocutore afferma che un corpo cade prima perché è più pesante … domande banali per chi si occupa di astrofisica, ma fondamentali per rispondere alla sete di conoscenza altrui … insomma inutile parlare della gravità all’interno dell’orizzonte degli eventi, se l’interlocutore non ha chiaro cosa sia la gravità sulla terra … lo stesso discorso si applica anche nell’audio inutile parlare di Gain … se non si è disposti a spiegare per lo meno in modo capibile cosa è la fase)

“Con le cuffie collegate direttamente alla sound blaster z mi sembra di avere lo stesso effetto di quando provo a impostare il Gain a 6,5. In più una divisione dei suoni più marcata. Quindi se hai delle spiegazioni tecniche a ciò sarebbe molto utile.” Tutto parte da una frase che è una constatazione di un qualcosa che avviene, ma non si sa perché avviene. Alla fin fine anche tutto il discorso sul Gain di prima … ok bello, tecnico, ma comprensibile … letto e mi trovo davanti ad una domanda che mi fa capire che non potevo già parlare del Gain saltando a piè pari due fatti fondamentali: impedenza d’uscita e fase.

“La metallizzazione degli alti nella SBZ è data da un'impedenza di 22 ohm che agli estremi banda introduce notevole distorsione, inoltre bisognerebbe anche vederne la fase d'uscita che anche lei contribuisce a creare dei picchi positivi o negativi di risposta in frequenza.” La mia risposta alla SBZ che metallizza, si perché quando abbiamo un’alta impedenza d’uscita abbiamo anche dispersione di questa potenza e in corrispondenza di tale impedenza otteniamo anche tassi di distorsione (THD+N) maggiori (se poi consideriamo pure la fase il discorso si complessifica, ma un passo alla volta). Inoltre quando due impedenze sono confrontabili si crea una circuito che genera più rumore e nel caso di cuffie a bassa impedenza si può tranquillamente definire l’amplificatore (se amplificatore si può chiamare) una toppata pazzesca.

Continuando nel dialogo scrivo: “Quando imposti il Gain massimo praticamente ottieni più Volt di quelli necessari e richiesti dalla cuffia avendo così un suono decisamente aggressivo, di converso se hai meno Volt hai un suono più morbido... piace o non piace, ma avere un ampli che lavora in modo errato non fa suonare meglio la cuffia... solo in modo falsato e soprattutto scorretto perché se lavora troppo morbidamente la cuffia fa sentire i difetti dell'ampli per quanto riguarda la sua tenuta in potenza, se lavora in modo troppo aggressivo la cuffia ne restituisce completamente l'aggressività e non è un gran sentire.” Ebbene si, si parla sempre di Gain come se gli Ampere fossero inutili. Il fatto è che il Gain è la sezione che dà più problemi e se mal implementata rovina completamente l’amplificatore, ma alla fin fine i mA in una cuffia sono fondamentali ed è bene avere un amplificatore capace di erogare anche molta corrente. Non che tali sezioni di guadagno in corrente siano meno complesse, dato che inseriscono anche una discreta quantità di corrente continua quiescente nel circuito, ma sono più facilmente gestibili sia tramite un’implementazione classica che prevede l’inserimento di un DC servo, sia tramite soluzioni più originali ed alternative (le quali sono solitamente più complesse e costose, ma non meno efficaci).

Lasciandomi trasportare dalla parte riportata in inglese: “La divisione dei suoni è data invece da due caratteristiche di difficile intuizione: la prima è che ogni amplificatore ha una propria risposta all'impulso... e deve essere estremamente veloce; la seconda è che ogni amplificatore ha la sua fase... più è piatta più lascia alla cuffia la possibilità di esprimersi e i difetti di fase sono solo inerenti alla cuffia. La rotazione di fase si può capire partendo dal fatto che le onde sonore hanno una fase ... più tutte partono con identica fase più tutte arriveranno allo stesso modo al nostro orecchio... poi Technics ha introdotto il circuito di linearizzazione della fase che è uno step in più e la fase ottenuta all'ascolto è lineare... quello che facciamo noi può essere lineare come singolo componente il che è già uno step fondamentale.” Alla fin fine di onde parliamo e quando si parla di onde non c‘è solo la lunghezza e l’ampiezza, c’è anche la fase che alla fin fine è di fondamentale importanza, ma è appunto un concetto talmente ovvio e base che spesso si dà per scontato. Insomma avere un ampli che sottopone il tutto a rotazioni di fase estreme è solo un problema che causa l’annullamento o anche solo l’impoverimento dell’informazioni acustica, ricordo che una fase di 180° è la peggiore fase che si possa avere perché fa partire due segnali che tenderanno a sottrarsi in ampiezza tra loro. Poi parlavo anche di impulso, insomma ogni segnale acustico è esprimibile come impulso più è veloce più esso è chiaro, definito, nitido, preciso e soprattutto non invadente, una risposta lenta non permette di ottenere informazioni e darà una sensazione di impasto poiché gli impulsi si sovrappongono.

Insomma tutto questo per dire che non si progetta ad udito.... si progetta in modo oggettivo e scientifico, e che ciò che ho scritto è solo una minima parte di quello che si potrebbe dire, ma forse sono quattro punti fondamentali per distinguere ciò che è hi-fi e ciò che di hi-fi ha solo l’involucro.