Kopfhörerverstärker

Der Kopfhörerausgang eines Laptops rauscht, ein hochohmiger Studiokopfhörer klingt am Handy zu leise, oder ein selbst gebauter Mikrofonverstärker soll abgehört werden. In allen Fällen fehlt ein Verstärker, der eine kleine Spannung sauber in einige Milliwatt an 16 bis 300 Ω umsetzt. Ein Lautsprecher-IC wie der LM386 ist dafür zu grob: zu viel Rauschen, zu viel Leistung.

Die Lösung ist ein Operationsverstärker, der genug Strom liefern kann. Der NJM4556A ist genau dafür gebaut: ein Doppel-OPV mit ±70 mA Ausgangsstrom, der schon ab 4 V läuft. Hier versorgst du ihn aus einem 9-V-Block. Eine Hälfte verstärkt den linken, die andere den rechten Kanal.

Schaltplan

• IC1, NJM4556A: zwei OPVs in einem achtpoligen Gehäuse, Verstärkungs-Bandbreite-Produkt 8 MHz, Ruhestrom etwa 8 mA. Die Ausführungen im SMD-Gehäuse sind noch regulär lieferbar.
• P1, 10 kΩ log, stereo: ein Doppel-Potentiometer für die Lautstärke beider Kanäle.
• C1, 1 μF, und R1, 100 kΩ: Eingangskopplung und Vorspannung. Sie heben das Signal auf die Mittenspannung.
• R2, 22 kΩ, und R3, 10 kΩ: legen die Verstärkung fest. C3 sorgt dafür, dass Gleichspannung nur einfach verstärkt wird.
• C2, 100 pF: begrenzt die Bandbreite und beruhigt die Stufe bei kapazitiver Last durch das Kabel.
• C4, 470 μF: der Ausgangselko, ein Aluminium-Elko. Er trennt die 4,5 V am OPV-Ausgang vom Kopfhörer.
• R4, 1 kΩ: hält die Kopfhörerseite von C4 auf 0 V, auch ohne eingesteckten Kopfhörer. So knackt es beim Einstecken nicht.
• R5, R6, C5: ein Spannungsteiler mit Siebelko für die Mittenspannung U_M = 4,5 V.

So funktioniert die Schaltung

Jede Hälfte des OPV ist als nichtinvertierender Verstärker geschaltet. Weil nur eine Batterie da ist, arbeitet die Schaltung um die Mittenspannung herum: Ruhepegel an Ein- und Ausgang ist 4,5 V, das Musiksignal schwingt darum. Wie sich das mit zwei Batterien oder einem Spannungsteiler mit Puffer lösen lässt, beschreibt Symmetrische Versorgung und virtuelle Masse.

Hier ist der Kopfhörer aber nicht an die Mittenspannung angeschlossen, sondern über C4 an die echte Masse. Das hat einen Grund: Der Strom des Kopfhörers fließt dann zurück in die Batterie und nicht in den Teiler aus R5 und R6. Ein Teiler aus zweimal 10 kΩ könnte die 70 mA eines lauten Basses nicht aufnehmen, die Mittenspannung würde im Takt der Musik wackeln, und beide Kanäle würden sich gegenseitig stören.

Für Wechselspannung ist C3 ein Kurzschluss, die Verstärkung beträgt

Das sind 10 dB. Für Gleichspannung ist C3 offen, und die 4,5 V vom Eingang erscheinen unverstärkt am Ausgang.

Dimensionierung

1. Wie viel Leistung braucht ein Kopfhörer? Ein typischer 32-Ω-Kopfhörer erreicht etwa 100 dB Schallpegel bei 1 mW – schon unangenehm laut. Dafür braucht er

jeweils als Effektivwert.

2. Verstärkung. Bei der Verstärkung 3,2 genügen dafür 56 mV am Eingang. Der Kopfhörerausgang eines Telefons liefert mehrere hundert Millivolt, ein Line-Ausgang bis 1 V. Die Reserve bleibt im Lautstärkeregler.

3. Grenze durch den Ausgangsstrom. Der NJM4556A liefert bis zu ±70 mA. An 32 Ω reicht das für eine Amplitude von 70 mA · 32 Ω ≈ 2,2 V; die Batterie ließe etwa 3 V zu. Damit sind

möglich, rechnerisch 119 dB Schallpegel. An 16 Ω halbieren sich Amplitude und Leistung, an 300 Ω begrenzt die Spannung auf etwa 15 mW.

4. Ausgangselko. C4 bildet mit dem Kopfhörer einen RC-Hochpass:

Bei 16-Ω-Kopfhörern verdoppelt sich die Grenzfrequenz auf 21 Hz. Wer tiefe Bässe will, nimmt 1000 μF.

Bauteilliste

Varianten

Ohne Ausgangselko. Mit symmetrischer Versorgung, etwa zwei 9-V-Blöcken oder einer Ladungspumpe für die negative Spannung, liegt der Ausgang auf 0 V, und C4 entfällt. Das spart die großen Elkos und den Bassabfall.

Klangregelung davor. Wer Höhen und Bässe anpassen will, schaltet eine Klangregelung nach Baxandall vor den Verstärker.

Einschaltknacken unterdrücken. Ein Relais, das den Kopfhörer erst nach einigen Sekunden zuschaltet, beseitigt das letzte Geräusch; siehe Einschaltverzögerung mit RC-Glied.

Mikrofon abhören. Hinter dem Mikrofonverstärker für Elektretkapseln wird mit dieser Stufe ein einfaches Abhörgerät.

Lautsprecher statt Kopfhörer. Für 8-Ω-Lautsprecher reicht der Strom nicht; dafür ist der Audioverstärker mit LM386 da.

Typische Fehler

• Kopfhörermasse an der Mittenspannung: Der Strom fließt dann durch R5/R6, und es brummt oder verzerrt. Kopfhörermasse und Batterieminus gehören zusammen.
• Verzerrung bei lauten Bässen an 16 Ω: Der OPV erreicht seine Stromgrenze. Gegenmittel: weniger Lautstärke oder ein Kopfhörer mit 32 Ω und mehr.
• Rauschen: Zu viel Verstärkung oder ein lauter OPV. Bei Verstärkung 3,2 ist der NJM4556A leise genug; mit 11 wird das Grundrauschen auf empfindlichen In-Ear-Kopfhörern hörbar.
• Schwingen: fehlende Abblockkondensatoren an Pin 8, lange Leitungen zum Poti. Ein Oszilloskop am Ausgang zeigt hochfrequente Schwingungen, die man nicht hört, die aber den Ruhestrom erhöhen.
• Lautstärkeunterschied links und rechts: Toleranz des Stereo-Potis im unteren Drehbereich. Das ist normal für billige Potis; besser sind Typen mit engerem Gleichlauf.

Selbsttest