SilentPoint HA-140 Mini (Class-S Sandman) Headphone Amplifier

Pendahuluan

SilentPoint HA-140 Mini

Udah lama ga buat headphone amplifier lagi jadi kangen pengen nerusin proyek-proyek lama yang terbengkalai. 

Sebenernya udah lama vakum di dunia audio portable karena udah jarang dengerin musik pake cans dan lebih seneng momong anak sama istri, hehe 😄. 

Inspirasi

Selama vakum sebenernya masih suka ngikutin pekembangan headphone amplifier komersial. Dari sekian banyak headphone amplifier yang ada, saya tertarik dengan teknologi dari amplifier THX-AAA. Noise yang super rendah dan minim kolorasi, hal ini sejalan dengan prinsip saya dalam membuat amplifier untuk headphone.

Seperti amplifier saya yang terdahulu (Loresek V3/Fitri) yang saya buat dengan tujuan untuk mendapatkan output yang minim kolorasi dan rendah noise. Loresek V3 punya keistimewaan di output-buffer yang saya desain sendiri menggunakan prinsip current-mirror dimana ternyata hasilnya melebihi ekspetasi. 

Kelemahan/kekurangan pada output-buffer Loresek V3 adalah pada voltage headroom yang terbatas. Walau kita naikan tegangan supply, headroom-nya tidak akan bertambah sehingga kurang cocok untuk cans berimpedansi tinggi.

Setelah itu saya mulai mencoba berbagai macam rangkaian headphone amplifier dengan topologi current feedback amplifier, Class-AA (Technics), Class-A (KISS), dan lain-lain. Hasilnya belum ada yang bisa seenak V3 (menurut selera saya), mungkin yang paling mendekati adalah Simple Class A (KISS) tetapi untuk teknikal suara masih kurang dibanding V3.

Nah muncul lah THX-AAA amplfier yang saya baca (belum pernah denger wkwk) memiliki THD yang sangat rendah walau amplifier bekerja di high- power. Mulailah mencari referensi tentang cara kerja amplifier ini yang ternyata selain menggunakan feedback juga menggunakan feedforwad untuk error-correction (CMIIW) pada amplifiernya. 

Pada salah satu forum audio luar negeri, ada pembahasan THX-AAA yang mana merujuk pada desain amplifier Class-S nya A.M. Sandman. Tenyata desain-nya mirip dengan Class-AA (Technics) yang di invert/dibalik. Akhirnya coba cari informasi tentang cara kerja si Class-S ini untuk diulik dan disesuaikan dengan kebutuhan.

Class-S (Sandman)

https://www.gammaelectronics.xyz/jlh-ae-5b.html

Rangkaian Class-S by A. M. Sandman itu sering bikin bingung karena namanya terdengar seperti switching amplifier (kayak Class-D), padahal bukan. Ini sebenarnya kombinasi cerdas antara amplifier linear kecil (Class-A) dan amplifier daya besar (Class-B/AB) dengan teknik mirip error-correction / feedforward.

Berikut penjelasan cara kerjanya secara runtut dan “engineering view”.

Konsep dasar Class-S Sandman

Intinya:

Amplifier kecil (Class-A) menghasilkan sinyal bersih → amplifier besar (Class-B) menyuplai arus → supaya amplifier kecil tidak terbebani.

Tujuannya:

• Distorsi rendah seperti Class-A
• Efisiensi lebih baik (karena beban berat ditangani Class-B)

Menurut referensi aslinya, sistem ini:

• Membuat beban terlihat lebih ringan (impedansi tinggi) bagi amplifier kecil
• Menggunakan amplifier kedua untuk “menyuntikkan arus tambahan” agar beban utama tidak ditarik oleh amplifier kecil

Struktur rangkaian (blok utama)

Secara sederhana terdiri dari 3 bagian:

1. Amplifier utama (A1 – Class A)

• Linear, low distortion
• Output lewat resistor seri (R4 / RM)
• Langsung terhubung ke speaker

Ini yang menentukan kualitas suara

2. Resistor sensing (R4)

• Mengukur arus yang mengalir ke beban
• Tegangan di resistor ini dipakai sebagai “error signal”

3. Amplifier daya (Class B push-pull)

• Menggunakan transistor berkemampuan arus besar (Q1/Q2)
• Menyuplai arus besar ke beban
• “Meringankan” beban amplifier kecil

Cara kerja step-by-step

1. Sinyal kecil (dekat nol)

• Transistor Class-B belum aktif
• Beban ditangani langsung oleh amplifier Class-A lewat resistor

Output = sangat linear (mirip pure Class-A)
Ini penting untuk detail audio kecil

2. Sinyal mulai besar

• Arus ke beban meningkat → muncul tegangan di resistor sensing
• Amplifier kedua mendeteksi ini

Dia mulai “ikut bantu”

3. Sinyal besar (power tinggi)

• Transistor Class-B aktif penuh
• Mereka menyuplai hampir semua arus ke speaker

Amplifier Class-A tetap kerja, tapi:

• hanya mengontrol bentuk sinyal
• tidak terbebani arus besar

Jadi:

• Class-A = “otak”
• Class-B = “otot”

Mekanisme kunci: “Impedance lifting”

Ini inti kejeniusan desain Sandman:

• Beban speaker (misal 16Ω)
• Dibuat “terlihat” seperti impedansi tinggi oleh amplifier kecil

Caranya:

• Amplifier Class-B menyuntik arus tambahan
• Sehingga arus dari Class-A tetap kecil

Efeknya:

• Distorsi rendah (karena Class-A tidak stress)
• Efisiensi naik

Kelemahan sistem ini

1. Area crossover tetap ada

• Saat Class-B belum aktif → transisi bisa terjadi

2. Impedansi tidak konstan

• Saat kecil → Class-A handle semua
• Saat besar → dibantu Class-B

Ini bisa bikin perilaku nonlinear di level rendah

3. Kompleksitas kontrol

Harus tepat dalam sensing dan gain, kalau salah:

• bisa timbul distorsi
• atau malah osilasi

SilentPoint HA-140 Mini Headphone Amplifier

Menggunakan dasar dari prinsip kerja amplifier Class-S di atas, Loresek mencoba membuat headphone amplifier (SilentPoint) ini yang memiliki arti "Titik Senyap" merujuk kepada keistimewaan headphone amplifier dengan noise-floor yang sangat rendah sehingga tercipta latar belakang yang gelap/senyap (black background) walau gain di-set tinggi.

Loresek mencoba mengurangi kelemahan crossover-distortion yang timbul saat peralihan dari murni Class-A ke Class-B dengan cara mengganti amplifier A2 (Class-B) dengan Class-AB, mengatur ulang gain, dan rasio rangkaian jembatan Sandman untuk disesuaikan dengan keperluan men-drive cans dengan impedansi antara 16-300 Ohm.

Hasil simulasi FFT rangkaian SIlentPoint H-140 Mini:

Hasil simulasi Vrms max sebelum clipping dengan tegangan kerja ±8V, beban 47 Ohm, dan frekuensi 1kHz:

Didapatkan hasil 3.23Vrms ini berarti daya yang dihasilkan sekitar 222mW. Untuk sebuah headphone amplifier portable ini sudah termasuk power yang lumayan besar. 

Prototype SilentPoint HA-140 Mini 

SilentPoint HA-140 Mini PCB Design

Pada prototype pertama ini, saya mencoba membuatnya sekompak mungkin dengan target ukuran PCB 80x47mm. Agar tercapai target tersebut maka komponen elektronika yang dipilih adalah tipe SMD/SMT dengan rata-rata ukuran 0603 untuk resistor dan capacitor berdaya rendah. Untuk komponen yang membutuhkan daya yang cukup besar menggunakan ukuran yang lebih besar yakni 0805/1206.

Saya menaruh perhatian khusus pada desain PCB khususnya pada bagian PSU, jalur input audio, jalur feedback dan bypass capacitor. Setelah desain PCB selesai dicetak lanjut solder-solder dan dites. Hasilnya Fail dirangkaian PSU, wkwk.... Kenapa? karena ini murni eksperimen, saya pake MT3608 untuk membuat PSU Split Rail dengan topologi SEPIC dan ternyata tidak bisa, MT3608 langsung meletup :LoL.

Solusi sementara sebelum bikin revisi, dan saya penasaran sama si Class-S ini, akhirnya nyomot PCB PSU dari ampli proyek saya yang lain (tetap dengan MT3608). Hasilnya ampli bisa bekerja dengan baik dan siap untuk dilakukan tes dan pengukuran.

SilentPoint HA-140 Mini - Testing

Hasil tes awal yakni DCO (dc offset) didapatkan channel R = 3.3mV dan L = 1.2mV (mantap untuk rangkaian tanpa capacitor coupling). Tes dengar, hasilnya sesuai harapan  dan tujuan dibuatnya ampli ini "Black Background". Saya tes pake IEM diy saya (Iyem2an) dan Co-Donguri Shizuku yang rawan hiss kalo ampli ga bagus, disini kerasa banget kesunyian-nya, detail suara juga bertambah karena background bener-bener bersih.

Hasil pengukuran sinyal keluaran maksimal menggunakan oscilloscope Hantek 6022 dengan aplikasi OpenHantek didapatkan hasil Vrms Max: 3.54Vrms/beban 47Ohm/frekuensi 1kHz/Tegangan ±8.3V (sesuai dengan hasil simulasi).

Hasil Pengukuran SilentPoint HA-140 Mini

Dari hasil pengukuran juga terlihat profil FFT yang memperlihatkan frekuensi harmonik kedua yang lebih tinggi daripada harmonik ketiga. Ini menggambarkan ciri khas amplifier Class-A yang mana sesuai dari penjelasan tentang cara kerja amplifier Class-S ini.

Berikutnya, Saya akan buat SilentPoint ini tidak hanya sebagai amplifier dengan input analog tetapi akan saya tambahkan input digital (DAC built-in). Desain PCB sudah jadi tinggal dicetak dan eksekusi penyolderan, semoga ga ada kendala ^^, aamiin