Output Stage Distortion

[zymorg]

Nachdem Sven schon Interesse bekundet hat, teile ich hier mal mein aktuelles Projekt mit euch.

Hintergrund ist die Untersuchung warum mein Selbstbau-Amp nur ca. 0,04% THD erreicht und nicht 0,002% wie man das von einem Blameless Amp erwarten würde. Der Verstärker ist dieser hier, nur auf Streifenraster gebaut:



Input Stage und VAS habe ich schon separat aufgebaut aber dies ist nicht die Quelle der erhöhten Verzerrungen. Hier messe ich deutlich unter -100dB. Nun habe ich einen Versuchsaufbau mit der Output Stage fertig gestellt und kann wunderbar diese Stufe isoliert und ohne NFB betrachten.

Hier der Versuchsaufbau:


Das Test (Sinus) Signal wird zunächst in einen Spannungsverstärker (23x) gegeben (linke Platine, links unten), dann geht es an einen Buffer (diese Platine mit den beiden BUF634 Buffern, die auf die rechte Platine geschraubt ist), von dort in die Output Stage (rechte Platine, rechts) mit Lastwiderstand (nicht im Bild), dann in einen Notch Filter (linke Platine, rechts unten) und ab ins Oszi.









Und hier ein Messschrieb mir 8Ohm Last und Bias von 0V (grün: nach dem Notch Filter, blau: Ausgang direkt):

[Fraggle]

Das kann vieles sein. Wenn die Schaltung gut ist, kann es am Aufbau liegen.

Nur mal ein paar Anregungen: Mögliche, vom Aufbau abhängige Störer sind die Endtransistorströme, einmal durch ihr Magnetfeld, zum anderen, weil sie sich auf der Betriebsspannung abbilden. Von da aus könnten sie irgendwie in den Signalweg gelangen oder auch über eventuell vorhandene (und falsch verdrahtete) Stützelkos die Signalmasse versauen.

Wo führst Du beim Originalaufbau (erstes Bild) die Betriebsspannungen zu, oben und unten? Und wo liegen dann ungefähr die Kabel (Plus/Minus)? Bei welcher Leistung und bei welchem Ruhestrom hast Du die 0,04% gemessen (d.h. A- oder AB-Betrieb)? Ist die Unterdrückung der Betriebsspannung grundsätzlich gut (z.B. auch kein 100-Hz-Brumm)? Können Masseströme von Stützelkos über die Signalmasse abfließen?

Den Schaltplan habe ich im Moment nicht. Da müßte ich mich erst mal bei diyaudio registrieren.

[zymorg]

Nur mal ein paar Anregungen: Mögliche, vom Aufbau abhängige Störer sind die Endtransistorströme, einmal durch ihr Magnetfeld, zum anderen, weil sie sich auf der Betriebsspannung abbilden. Von da aus könnten sie irgendwie in den Signalweg gelangen oder auch über eventuell vorhandene (und falsch verdrahtete) Stützelkos die Signalmasse versauen.

Diese Fehler habe ich gemacht aber dank des Notch Filters gefunden. Masseführung war nicht gut, daher gab es eine 100Hz Überlagerung was nach nach Filterung des Testsignals sichtbar wurde. Das habe ich korrigiert.

Bzgl. Magnetfeld hat sich die Position der Spule als suboptimal herausgestellt. Diese habe ich auf dem Testamp nun von der Platine entfernt. Ich Frage mich nach meinen Versuchen, wie man überhaupt eine Position finden kann, die keine Störungen im Bereich >0,002% hervorruft. Aber offenbar geht es wenn man sich diesen Amp ansieht.

Das erste Bild zeigt den Amp ohne Korrekturen, wobei man das auf dem Foto ohnehin kaum erkennen könnte.

Wo führst Du beim Originalaufbau (erstes Bild) die Betriebsspannungen zu, oben und unten? Und wo liegen dann ungefähr die Kabel (Plus/Minus)?

Von den Flachsteckern oben und unten am Rand der Platine über die Kondensatoren und dann über eine dieser Drahtbrücken zu den Transistoren. Alle Hochstromverbindungen sind aus diesem Draht gemacht, das bisschen Kupfer was da in den Leiterbahnen steckt ist ja viel zu wenig.



Den Ruhestrom der Messungen habe ich zwar notiert, lag etwa bei 20mA/Transistor, macht aber - außer viel zu niedrig oder viel zu hoch - wenig unterschied. Das hat mich etwas gewundert, ist aber eine Sache die ich mit diesem Modellamp untersuchen möchte.

[zymorg]

Hier die Masseführung, jetzt komplett Sternförmig:

[mechanic]

Zitat von Fraggle

Das kann vieles sein. Wenn die Schaltung gut ist, kann es am Aufbau liegen.

Genau, wenn es um die vierte Nachkommastelle geht, wird ein optimiertes Layout immer wichtiger. Die fliegende Verdrahtung der Leistungstransistoren sehe ich z.B. kritisch (für das letzte "Promille"). Es gab da mal ein Verstärkerprojekt von elektor mit einem Bild von vier unterschiedlichen bedruckten & bestückten Platinen - mit der Bildunterschrift: "Eine perfekte Platine bedarf vieler Versuche!"

Da für den "Honeybadger" das Platinenlayout öffentlich ist, würde ich als Referenz mal eine Endstufe damit aufbauen und messen ...

[zymorg]

Zitat von mechanic

Da für den "Honeybadger" das Platinenlayout öffentlich ist, würde ich als Referenz mal eine Endstufe damit aufbauen und messen ...

Das würde ich auch gerne machen, nur habe mich bisher vor den Kosten gescheut. Aber ich denke ich bestelle jetzt mal so eine Platine.

Weißt du wann der Elektor Artikel etwa war?

[mechanic]

Ja, die Platinen von diy audio sind nicht billig.

Wenn du allerdings Zeit hast: Irgendwann bis Ende des Jahres will ich die Platinen für den "Black Devil" überarbeiten und belichten (Netzteile sind fix und fertig). Dann könnte ich dir ein Pärchen Honeybadger-Platinen mitmachen (zusammen auf ca. 300x200mm Platine, Version REV. 2.1, ohne ausschneiden und bohren). Das wären dann etwa €10 Materialkosten für zwei Platinen .

[zymorg]

Zitat von mechanic

Ja, die Platinen von diy audio sind nicht billig.

Wenn du allerdings Zeit hast: Irgendwann bis Ende des Jahres will ich die Platinen für den "Black Devil" überarbeiten und belichten (Netzteile sind fix und fertig). Dann könnte ich dir ein Pärchen Honeybadger-Platinen mitmachen (zusammen auf ca. 300x200mm Platine, Version REV. 2.1, ohne ausschneiden und bohren). Das wären dann etwa €10 Materialkosten für zwei Platinen .

Das wäre ja klasse! Ich habe Zeit, in der Zwischenzeit habe ich noch genug zum probieren. Ich nehme das Angebot gerne an! Nimmst du den Abdruck aus dem Manual als Layoutvorlage oder hast du eine andere Quelle?

Erzähl doch mal genauer was du mit dem Black Devil vor hast! Wäre das nicht einen Thread wert?

[Fraggle]

Lochraster muß nicht schlecht sein.
Natürlich ist die Wiederholbarkeit bei einer richtigen Leiterplatte besser gesichert.

Zitat von zymorg

Von den Flachsteckern oben und unten am Rand der Platine über die Kondensatoren und dann über eine dieser Drahtbrücken zu den Transistoren.

Darauf wollte ich mit meiner Anmerkung zum Magnetfeld hinaus. Du baust eine ziemlich große Schleife aus den Kabeln für Plus und Minus vom Netzteil. Die Speiseströme sind kritisch wegen ihrem hohen Verzerrungsanteil (Halbwellen).
Von ihrem Magnetfeld gestört werden könnten z.B. Eingangsstufe oder Ausgangsspule.

Du könntest folgendes ausprobieren:

• Plus- und Minuskabel zum Netzteil miteinander verdrillen.
• Plus und Minus auch dicht nebeneinander an die Platine führen. Es bietet sich die Stelle an, wo links im Bild der große rote Kondensator sitzt.
• Die Idee ist, hin- und rückfließende Ströme der Endtransistoren auf der Platine parallel laufen zu lassen. Ja näher zusammen umso besser, umso mehr hebt sich nach außen das Magnetfeld auf.
• Die 3-fach Kabel der Transistoren könntest Du auch noch verdrillen. Aber die liegen ja sowieso schon ziemlich dicht parallel.

Dann fällt mir noch ein:

• Abgriff der Haupt-Gegenkopplung sollte hinter der Vereinigung von positivem und negativem Halbwellenstrom liegen. Also nicht auf dem Weg zu einem Endtransistor.
• Wo wird die Masse für den Ausgang angeschlossen? Ich denke am Sternpunkt auf der Platine ist besser als am Netzteil.

(Die Signalmasse wird ja auch von dort geholt, und die muß sich auf Lautsprecher-Minus beziehen. Auf dem Massenkabel zum Netzteil können Spannungsabfälle, einschließlich Verzerrungen, sein.)

Da Du den "Blameless Amp" erwähnst: Hast Du das Buch von Douglas Self? Kann ich nur empfehlen, wenn es um Ursachen von Verzerrungen geht.

[zymorg]

Zitat von Fraggle

Du könntest folgendes ausprobieren:

• Plus- und Minuskabel zum Netzteil miteinander verdrillen.
• Plus und Minus auch dicht nebeneinander an die Platine führen. Es bietet sich die Stelle an, wo links im Bild der große rote Kondensator sitzt.
• Die Idee ist, hin- und rückfließende Ströme der Endtransistoren auf der Platine parallel laufen zu lassen. Ja näher zusammen umso besser, umso mehr hebt sich nach außen das Magnetfeld auf.
• Die 3-fach Kabel der Transistoren könntest Du auch noch verdrillen. Aber die liegen ja sowieso schon ziemlich dicht parallel.

Interessante Gedanken. Ich habe zunächst mal die Honey Badger Endstufe so gebaut wie sie auch im kompletten Verstärker aufgebaut ist. Im nächsten Schritt will ich einen anderen Aufbau erstellen und dann kann ich deine Ideen untersuchen. Aber ich fürchte, dass die Übernahmeverzerrungen und Transistor Nichtlinearitäten dominant sein werden, oder? Aber definitiv kann das einen Einfluss auf z.B. die Spule oder andere Schleifen in empfindlicheren Schaltungsteilen haben. Der unten verlinkte Self Amp hat die Versorgungsspannungen übrigens auch von den Seiten kommend. Leider kann man das Layout nicht gut erkennen.

Zitat von Fraggle

• Abgriff der Haupt-Gegenkopplung sollte hinter der Vereinigung von positivem und negativem Halbwellenstrom liegen. Also nicht auf dem Weg zu einem Endtransistor.
  

• Das ist auch ein Fehler den ich gemacht und schon korrigiert habe. "NFB Takeoff" ist einer der Verzerrungsmechanismen die Self im Buch beschreibt. Allerdings war kein Unterschied messbar- bei den hohen Verzerrungen die ich noch habe. In Selfs Messschrieben war der Effekt sehr gering und würde sich erst bemerkbar machen, wenn ich ohnehin schon fast am Ziel von 0,002% bin.
  
  

  Zitat von Fraggle

  Wo wird die Masse für den Ausgang angeschlossen? Ich denke am Sternpunkt auf der Platine ist besser als am Netzteil.

Zitat von Fraggle

(Die Signalmasse wird ja auch von dort geholt, und die muß sich auf Lautsprecher-Minus beziehen. Auf dem Massenkabel zum Netzteil können Spannungsabfälle, einschließlich Verzerrungen, sein.)

Genau so ist es auch, mit doppel-Flachstecker am Sternpunkt.

Zitat von Fraggle

Da Du den "Blameless Amp" erwähnst: Hast Du das Buch von Douglas Self? Kann ich nur empfehlen, wenn es um Ursachen von Verzerrungen geht.

Oh ja! Das ist meine Bibel!!

[mechanic]

Zitat von zymorg

Das wäre ja klasse! Ich habe Zeit, in der Zwischenzeit habe ich noch genug zum probieren. Ich nehme das Angebot gerne an! Nimmst du den Abdruck aus dem Manual als Layoutvorlage oder hast du eine andere Quelle?

Erzähl doch mal genauer was du mit dem Black Devil vor hast! Wäre das nicht einen Thread wert?

Abdruck aus dem Manual (V 2.1 auf dem Bestückungsaufdruck) - Seite quer und 159% Zoom, dann passt das recht gut auf meinem Drucker. Das 4x auf Overheadfolie drucken (je 2x übereinander legen, dann deckt das besser) und dann für 8 min in den Belichter auf Bungert-Basismaterial 300 x 200 mm / einseitig 35u. Ich mache mir dann natürlich auch gleich zwei davon auf Halde.

Black Devil? Irgendwann mal fertig kriegen, hören und lautsprecherseitig mit etwas ähnlich abgedrehtem verheiraten .

P.S. Und wenn er nicht gleich läuft, habe ich ja dann bei einem Fachmann etwas gut ...

[zymorg]

Zitat von mechanic

P.S. Und wenn er nicht gleich läuft, habe ich ja dann bei einem Fachmann etwas gut ...

Solltest du mich damit meinen, ich helfe gern
Und auch wenn es funktioniert, kommste mal zum messen vorbei.

[zymorg]

Ich habe ein bisschen weitergemacht. Der Plan ist:
1) open loop gain messen
2) loop gain ermitteln
3) Gesamt THD basierend auf separat gemessener Endstufe und Input/VAS THD und loop gain rechnerisch zu ermittel
4) Vergleich zwischen gemessener und rechnerisch ermittelter THD

Zur Messung der Open Loop Gain habe ich einen Instrumentenverstärker aus TL072 gebaut (diese kleine Platine im Bild). Außderdem habe ich den kompletten Verstärker durch Jumper so umgerüstet, dass ich die Endstufe auch hier direkt isoliert messen kann.

Nun habe ich noch ein kleines Problem:
Der Ausgangsopamp U3 schwingt auf ein paar MHz. Es hängt sehr stark von R10 ab: (Offener Eingang)
0Ohm: 2,8MHz/780mV RMS
100Ohm: 2,8MHz/674mV
1k: 3,8MHz/85mV
4k7: 5,5MHz/24mV
10k: 5,8MHz/12mV

Dann ein paar Optimierungen (kürzere Leitungswege) R6+R1: 6,6MHz/9mV
und danach R2+R5: keine Änderung

Ein bisschen Optimierung zwischen und um U3/R10 (parasitäre Kapazität reduziert durch entfernen benachbarter Leiterbahnen): keine Änderung

Mit dem Oszi parallel zur Messung über die SMA Buchse auf U3 out bei immer noch R10=10k: Ua(RMS)=80mV

Mit dem Oszi parallel auf U3 in: 180mV

Jetzt bin ich etwas ratlos wie woher diese Schwingneigung kommt und wie ich die weg bekomme. Ganz offensichtlich ist die Kabelkapazität zum Oszi ja schon ein riesen Problem. Aber mich wundert warum der TL072 so empfindlich ist. Oder ist meine Schaltung einfach mist? Hat jemand einen Rat?

[mechanic]

Ist der OP "unity-gain-stable" oder nicht und braucht einen Kompensations-C? Manche OP´s reagieren auch böse auf (parasitäre) kapazitive Lasten ...

Ansonsten, wart´s ab: Du hast mich motiviert mein Devil-Platinenlayout fertig zu machen, großformatiges Basismaterial für den "badger" ist da und in den nächsten Tagen wird belichtet und geätzt !

[Fraggle]

Zitat von zymorg

Der Ausgangsopamp U3 schwingt auf ein paar MHz. Es hängt sehr stark von R10 ab: (Offener Eingang)

Hallo zymorg,
der TL072 ist ja eher unkritisch. Die Betriebsspannung sollte, wie bei jedem Opamp, in der Nähe abgeblockt sein. Schwingt nur U3 allein oder die ganze Schaltung? Was heißt offener Eingang? Wenn die Eingänge bzw. R8/R9 in der Luft hängen, würde es mich nicht wundern, wenn es da rückkoppelt.