Symmetrische Kopfhörerverstärker

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Robodoc
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Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Robodoc »

Hallo zusammen,

heute hat Fried Reim von Lake People/Violectric - mit Sicherheit einer der kompetentesten Verstärkerentwickler in der Kopfhörerszene - uns ein White Paper zur Veröffentlichung zukommen lassen mit dem Titel "Über symmetrische Kopfhörerverstärker - Verschiedene Arten und Zwecke von Symmetrien"

Vielen Dank dafür an Fried!!! Hier der Ordnung halber seine Signatur als Quellenangabe. Fried ist (noch) nicht Mitglied dieses Forums, er wird jedoch bestimmt in diesem Thread mitlesen und ggf. auch Fragen beantworten. Also darf gerne diskutiert werden.
image001.jpg
image001.jpg (13.28 KiB) 9228 mal betrachtet
______ Fried Reim - Über symmetrische Kopfhörerverstärker - Verschiedene Arten und Zwecke von Symmetrien _______


Die symmetrische Leitungsführung …
… wird angewendet mit dem Ziel, maximale Störunempfindlichkeit auf einer Signalleitung zu erreichen.

Wer mal bei der Bundeswehr gewesen ist, kennt vielleicht das Feldtelefon und die „Bongos“ mit ihren Kabeltrommeln auf dem Rücken. Beim Feldtelefon handelt es sich um ein Telefon in rudimentärer Form ohne jedwede Elektronik, ohne Stromversorgung. Ein Feldtelefon wird mit einem anderen durch eine simple verdrillte zweiadrige Leitung verbunden. Diese kann durchaus einige Kilometer lang sein und die Verständigung klappt trotzdem. Das ist angewandte symmetrische Leitungsführung!

Die einfachste, zuverlässigste und sehr präzise Art der Symmetrierung erfolgt durch Transformatoren – die sind leider teuer und haben Probleme mit hohen Frequenzen!

In einem elektronischen Symmetrierer wird zu einem vorhandenen unsymmetrischen Signal (a) ein invertiertes, um 180° gedrehtes Signal (-a) gebildet.
elektr-symmetrierer.jpg
elektr-symmetrierer.jpg (101.85 KiB) 9228 mal betrachtet
Die beiden Signale werden über eine zweiadrige verdrillte Leitung geschickt, die nicht einmal abgeschirmt sein muss. Auf dem Weg zum Empfänger können Störeinflüsse (s) auf beide Signale einwirken. Im „Empfänger“ gelangt das Signal auf einen Differenz-Verstärker. Wie der Name schon sagt, bildet solch ein Bauteil eine Differenz, subtrahiert also ein Signal vom anderen - und das geht so:
a - (-a) = 2a

Mit den Störeinflüssen macht der Differenzierer genau dasselbe:
s-s = 0

Im idealisierten Ergebnis erhält man im „Empfänger“ die doppelte Signalstärke ohne Störeinflüsse. In der Wirklichkeit klappt das natürlich nicht zu 100 %. Hier müssen Spannungs- und Impedanz-Verhältnisse berücksichtigt werden, was in der Praxis als Gleichtaktunterdrückung gemessen werden kann. Je mehr konstruktiver Aufwand getrieben wird, desto besser ist das Ergebnis.

Neben der gegenüber unsymmetrisch geführten Signalen deutlich erhöhten Störfreiheit ergibt sich konstruktionsbedingt der weitere Vorteil, das die Masse bzw. der Schirm des Kabels tatsächlich nur als Schirm zum Schutz der Signale und zum Potentialausgleich zwischen den angeschlossenen Geräten gebraucht wird – also wirklich eine rein statische Funktion hat. Anders als bei der unsymmetrischen Anschlussart wird der Schirm und/oder die Masse nämlich nicht zum Rückfluss der Signale gebraucht. Die Masse ruht also und wird nicht moduliert!

Während also eine symmetrische Leitung in erster Linie dazu dient, eine weitgehend störungsfreie Signalübertragung und eine statische Masse zu gewährleisten, stehen bei einem „symmetrischen“ Verstärker andere Dinge im Vordergrund.

Dazu zuerst ein Blick auf das Prinzip eines einfachen Verstärkers:
Einfacher-Verst.jpg
Einfacher-Verst.jpg (56.34 KiB) 9228 mal betrachtet
Die linken und rechten Eingangssignale werden verstärkt und der linken und rechten Last zugeführt.

Symmetrische Verstärker sind grundsätzlich nichts Neues, sondern schon lange bekannt z. B. im Autoradio, wo diese Technik gern hergenommen wurde (und wird) um bei begrenzter Spannung (12 V) 4-fache Leistung zu erzeugen. Diese Schaltungstechnik wird gern auch Vollbrückenverstärker,
Push-Pull-Verstärker oder BTL (bridge terminated load) genannt. So sieht´s aus:
pushpull.jpg
pushpull.jpg (68 KiB) 9228 mal betrachtet
Eingangssignale werden jeweils über zwei Verstärker der Last zugeführt. Der Trick ist, das einer der Verstärker „normal“ arbeitet, der andere invertiert, also um 180 Grad phasenverschoben. Während der eine Verstärker die Schwingspule drückt (push), zieht (pull) der andere Verstärker. Bei gleicher Betriebsspannung ergibt sich gegenüber dem einfachen Verstärker doppelter Spannungshub bzw. vierfache Leistung. Ein weiterer Vorteil ist die vollkommen unbelastete Masse, denn sie hat nichts mit der Verstärkung zu tun.

Einer der Nachteile der obigen Schaltung wird auch sofort ersichtlich: Verdoppelung der Bauelemente.

Leider ist das richtige Leben nicht so einfach, wie die obigen Prinzip-Schaltbilder. Hier der „einfache“ Verstärker mit „Problemstellen“:
Einfacher-Verst-Prob.jpg
Einfacher-Verst-Prob.jpg (66.75 KiB) 9228 mal betrachtet
Ausser der Last, die anzutreiben die Aufgabe ist, kommen noch reichlich parasitäre Impedanzen ins Spiel die es zu berücksichtigen gilt und die potentiell geeignet sind, das Ergebnis des möglichst sauberen Antriebs der Schwingspule zu beeinträchtigen.
Impedanzen sind ein komplexer Mix aus ohmschen, kapazitiven und induktiven Parametern, die z. B. bei einem hohen kapazitiven Anteil eines Kabels zu Instabilitäten des Verstärkers führen können.
Der Einfachheit halber soll im Folgenden aber nur der ohmsche Anteil berücksichtigt werden.
An jeder ohmschen Last fällt eine Spannung ab, die für Nichtlinearitäten im System verantwortlich ist !
Aus obigem Schaltbild sind einige Probleme sofort ersichtlich:
- Je höher die ohmsche Last, desto geringer der Einfluss der parasitären Impedanzen
- Je geringer die ohmsche Last, desto höher der Einfluss der parasitären Impedanzen
- Je geringer die Ausgangsimpedanz des Verstärkers, desto geringer sein Einfluss auf die Qualität der Übertragung
- Je geringer die ohmsche Last, desto höher der Einfluss des Kabels und der Ausgangsimpedanz
- Bei Kopfhörern mit Klinkenstecker entstehen grosse Fehler durch das für beide Kanäle gemeinsame Massekabel und die suboptimale Verbindung Klinkenstecker – Klinkenbuchse mit ihren viel zu grossen Kontaktstellen.
- Die Masse ruht nicht sondern wird belastet mit den über das Kabel und die internen Impedanzen abfallenden Spannungen von Links + Rechts, wird also mit dem Monosignal moduliert – was als Übersprechen bzw. Intermodulation mess- und hörbar ist.

Für einen symmetrischen Verstärker sieht es so aus:
pushpull-prob.jpg
pushpull-prob.jpg (93.4 KiB) 9228 mal betrachtet
Anstatt 6 Problemstellen wie bei „einfachen“ Verstärker hat man jetzt nicht 12 sondern derer nur 8. Also schon mal keine Verdoppelung der Schwierigkeiten. Die Übertragungsqualität wächst, weil keine gemeinsame Masseleitung zu berücksichtigen ist, ebenso wie es keine Belastung der Masse gibt. Allerdings ist nicht alles Gold beim Push-Pull Verstärker.
Neben der Verteuerung eines spezifischen Produktes durch die Verdoppelung der Bauelemente sind folgende Punkte zu berücksichtigen:
- Verdoppelung der Ausgangsimpedanz wegen zweier Impedanzen pro Kanal
- Höheres statisches Rauschen durch doppelte Verstärkung
- Gefahr von zusätzlichen Intermodulationen wegen doppelter Verstärker

Beim Einsatz eines Symmetrischen oder Push-Pull Verstärkers als Kopfhörerverstärker geht es im Kern nicht um die Maximierung der Ausgangsamplitude. Vor allen Dingen nicht, wenn niederohmige Kopfhörer getrieben werden sollen. Da gibt Geräte unter anderem im Lake People / Violectric Programm, die mehr als genug Amplitude bringen – auch an hochohmigen Kopfhörern.

Was also macht einen symmetrischen Kopfhörerverstärker sinnvoll und erstrebenswert ?
Wie weiter oben schon erwähnt, hat ein „einfacher“ Verstärker die „Masse“ als seinen Bezugspunkt.
Präziser gesagt nicht irgendeine Masseleitung oder Fläche im Gerät, sondern den Fusspunkt des Trafos.


Die Amplitude des Nutzsignals schwingt möglichst gleich um diesen Bezugspunkt (sonst redet man von DC-Offset) und wird nur von der positiven und negativen Betriebsspannung begrenzt.
Die theoretische maximale effektive Amplitude ( Veff ) errechnet sich vereinfacht so:

Betrag der Betriebsspannungen
2 x Wurzel 2
=
Betrag der Betriebsspannungen
2,83



Über die Last (die Schwingspulen des Kopfhörers) wird diese Spannung über eine gemeinsame Leitung auf den Masseanschluss der Kopfhörerbuchse ins Gerät zurück geführt und von da aus zum Fusspunkt des Netztrafos geleitet, dem eigentlichen Bezugspunkt oder Massepunkt. Da die Leitungen vom Kopfhörer und die im Gerät, ebenso wie die Massefläche im Gerät nicht unendlich niederohmig sind, sondern selbst auch einen Widerstand haben und damit eine Last sind über die Spannung abfällt, wird der Bezugspunkt „Masse“, der ja eigentlich ruhen sollte, mit den Resten von Links + Rechts „verseucht“. Das ist ein summiertes Monosignal !
Das kann man messen und hören, nämlich als Intermodulation bzw. Übersprechen!!
Wie weiter oben dargestellt spielen die Schaltung selbst (Ausgangsimpedanz), das Schaltungslayout, das Kabel des Kopfhörers, das Verhältnis zwischen der Summe von Masse + Rückleitungswiderstand und Last-Widerstand (Schwingspule) tragende Rollen.

Ein symmetrischer Verstärker (oder Vollbrücken- oder Push-Pull- oder BTL-verstärker) besteht deshalb aus 2 normalen Verstärkern pro Kanal, von denen einer das Normale, der andere das um 180 Grad gedrehte (invertierte) Eingangssignal an die Schwingspulen des Kopfhörer liefert. Da die Last (die Schwingspule) jetzt zwischen der modulierten positiven und negativen Betriebsspannung hin und her gezogen wird, ist die Masse vollkommen aus dem Spiel. Sie ist nicht mehr belastet und hat damit auch keinen Einfluss auf das Übersprechen. Auch die Leitungen des Kopfhörers gehen nicht mehr zum Teil gemeinsam, zum Teil getrennt in die Wirk-Bilanz ein, sondern sind ganz klar zugeordnete ohmsche Lasten (nämlich je zwei Leitungen pro Schwingspule) mit sehr geringen komplexen Impedanzanteilen.

Der besondere Vorteil eines symmetrischen (Kopfhörer-) Verstärkers ist also die hohe Kanaltrennung.
Ich möchte betonen, das Störungen in der Kanaltrennung auch bei „Standard“ Verstärkern meist so klein sind, das sich üblicherweise keiner beschwert – auch weil viele nicht wissen wie es „besser“ geht. Die besonders hohe Kanaltrennung beim Hören mit Kopfhörern wird hin und wieder auch als „unnatürlich“ empfunden und z. B. durch „Crossfeed“ künstlich reduziert.

Die optimierte Übersprechdämpfung und die geringere Intermodulation - die reinere Kanaltrennung - sind aber der Grund für das Aha-Erlebnis was viele beim symmetrischen Kopfhörer (-Verstärker) empfinden. Die Räumlichkeit gewinnt, die Abbildungsschärfe nimmt zu, die Ortbarkeit einzelner Instrumente im Raum wird klarer. Um es plakativ auszudrücken: Beim Hören mit Lautsprechern sitzt man im Auditorium, beim Hören mit „normalen“ Kopfhörern wechselt man auf den Platz des Dirigenten, beim Hören mit „symmetrischen“ Kopfhörern ist man Teil des Orchesters.

Ein technischer Vorteil des symmetrischen Ausgangs ist, das man jetzt endlich von dem unseligen Klinkenstecker mit seinen teils dramatischen Übergangswiderständen weg muss/kann. Wobei die Verwendung von 2 Stück 3-pol XLR die man hin und wieder sieht, ebenfalls Sinnhaftigkeit vermissen lässt !! Auch die Variante mit 2 Stereo-Klinkenstecker gibt es …
Bei Lake People / Violectric hat man sich für einen 4-poligen (Neutrik) XLR als Ausgangsbuchse entschieden, mit einer Belegung, die seit den Tagen des AKG K1000 gebräuchlich ist. Jedoch abweichend von der Norm das Mädel (female) am Gerät und ohne Latch (Verriegelung), Male am Kopfhörerkabel.

Bleibt die Frage, ob und wie man vorhandene Kopfhörer auf symmetrischen Betrieb umbauen kann, bzw. welche Kopfhörer es schon gleich symmetrisch gibt.
Generell gilt: wenn das Kabel vier-polig ausgeführt ist, ist alles kein Problem.
Es wird einfach die Klinke abgeschnitten und ein 4-pin XLR drangelötet.

Hier eine kleine Liste mit den bereits von Lake People / Violectric modifizierten Kopfhörern:

AKG: K701 möglich
AKG: K702, K712, K812 nicht möglich !!
Audeze: alle angebotenen Kopfhörer möglich, teilweise schon ab Werk mit 4-pol XLR
Beyerdynamic: T1, T5, T5P möglich
Beyerdynamic: DT 880 nicht möglich !!
HiFi Man: alle angebotenen Kopfhörer möglich, teilweise schon ab Werk mit 4-pol XLR
Sennheiser: HD 600, HD 650, HD 700, HD 800 möglich
Ultrasone: Edition 8, Edition 10 möglich
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hadisch
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von hadisch »

Sehr interessant und auch für mich als absoluter Laie zum größten Teil verständlich.
Eins ist besonders toll für mich als Bastler
. Bleibt die Frage, ob und wie man vorhandene Kopfhörer auf symmetrischen Betrieb umbauen kann, bzw. welche Kopfhörer es schon gleich symmetrisch gibt.
Generell gilt: wenn das Kabel vier-polig ausgeführt ist, ist alles kein Problem.
Es wird einfach die Klinke abgeschnitten und ein 4-pin XLR drangelötet.
:top: :top:
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Firschi
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Firschi »

Liest sich einwandfrei und geht viel leichter von der Hand als sich durch die entsprechenden Kapitel des Handbuchs der Audiotechnik zu wühlen. Ist also doch kein kompletter Bullshit, meinen R-2R Balanced Headamp endlich fertig zu bauen. Danke, Fried!
Hacki2560

Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Hacki2560 »

Ich frage mich, warum ausgerechnet Sennheiser mit dem HD 660S einen anderen Weg mit den balanced-Steckern geht. Die passen doch nur in den Sony, oder habe ich etwas verpasst?
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Robodoc
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Robodoc »

Wie oben gesagt .... Es wird einfach die Klinke abgeschnitten und ein 4-pin XLR drangelötet.
Oder einen Adapter bauen (lassen).
Hacki2560

Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Hacki2560 »

Ja, das ist für den Endanwender aber die denkbar schlechteste Lösung. Wieviel balanced-Buchsen gibt es denn so verstärkerseitig zu adaptieren? Ein Standard wäre hilfreicher. Aber he, ich hab doch eh keine Ahnung!
Schlappen

Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Schlappen »

Hacki2560 hat geschrieben: Aber he, ich hab doch eh keine Ahnung!
Genau wie ich, hihi. :D
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cyfer
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von cyfer »

Interessanter Artikel!

Meine Meinung bleibt aber zum größten Teil bestehen: symmetrischer Betrieb von Kopfhörern ist im Prinzip eine teure Spielerei.
Und gerade im portablen Bereich, wo der symmetrische Betrieb im Moment regelrecht forciert wird, ist es wirklich kontraproduktiv. Mit einem teuren BA Inear möchte ich sicherlich nicht Rauschen und Ausgangsimpedanz meines Zuspielgerätes verdoppeln.
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Firschi
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Firschi »

Rauschen verdoppelt sich, wenn ich das richtig verstanden habe, nur dann, wenn die durch die Symmetrierung doppelte Lautstärke vorliegt. Was die Impedanz angeht gebe ich dir absolut Recht speziell im Hinblick auf BA InEars.
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cyfer
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von cyfer »

Bringt die höhere Kanaltrennung eines symmetrischen Verstärkers überhaupt irgendetwas, wenn der DAC, der den Verstärker füttert, unsymmetrisch angeschlossen ist und bereits einen gewissen Stereo Crosstalk mitbringt?
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bartzky
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von bartzky »

Firschi hat geschrieben:Rauschen verdoppelt sich, wenn ich das richtig verstanden habe, nur dann, wenn die durch die Symmetrierung doppelte Lautstärke vorliegt. Was die Impedanz angeht gebe ich dir absolut Recht speziell im Hinblick auf BA InEars.
Wie Fried schon schrieb, hat man durch die doppelte Verstärkung mehr statisches Rauschen, also absolutes Rauschen, Grundrauschen, "Downstream" Rauschen, oder wie auch immer man das nennen möchte. Im Klartext: Der Rauschteppich, der von der Einstellung am Poti unabhängig ist. Das ist leider auch genau das Rauschen, das man üblicherweise mit Inears hört.

Ohne jetzt undankbar klingen zu wollen, finde ich den plötzlichen Bruch in dem Artikel doch etwas extrem, wenn es plötzlich um "Räumlichkeit", "Abbildungsschärfe" und "Ortbarkeit" geht. Für mich hätte es ruhig ein paar Zeilen vorher aufhören dürfen. Oder noch besser: Ausführliche Erklärungen, warum sich genau diese Attribute derartig verbessern sollen. Oder wenn man noch träumen darf: Die entsprechende Doppelblindstudie dazu :kilroy:
Aber nichtsdestotrotz ein schöner Artikel - vielen Dank dafür!
Zuletzt geändert von bartzky am Di 21. Nov 2017, 23:04, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Symmetrische Kopfhörerverstärker

Beitrag von Firschi »

cyfer hat geschrieben:Bringt die höhere Kanaltrennung eines symmetrischen Verstärkers überhaupt irgendetwas, wenn der DAC, der den Verstärker füttert, unsymmetrisch angeschlossen ist und bereits einen gewissen Stereo Crosstalk mitbringt?
Interessante Fragestellung, darauf war ich beim Entwuf meines R-2R DAC und Balanced Headamps auch gestoßen. Aufklären kann ich es leider nicht.

bartzky hat geschrieben:Wie Fried schon schrieb, hat man durch die doppelte Verstärkung mehr statisches Rauschen, also absolutes Rauschen, Grundrauschen, "Downstream" Rauschen, oder wie auch immer man das nennen möchte. Im Klartext: Der Rauschteppich, der von der Einstellung am Poti unabhängig ist.
Das war ein guter Hinweis, danke Niklas. Stellt man sich die 4 einzelnen verstärkten Kanäle vor, erscheint es plausibel, dass die Differenz zwischen je zweien davon auch das Rauschen von eben diesen beiden einbringt, im negativen Sinn.
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