Diskreter CFB-Vorverstärker - low cost, high end (<- lt. Simuergebnis)

[Susie Q]

Hallo,

wie ein Schaltungskonzept für einen solchen Einsatzzweck aussehen müsste, mit dem Mann/Frau mit einer Hand voll Standart Metallschicht und BC-Krimskrams für wenige Euro maximale Ergebnisse heraussimulieren- und (worauf es ankommt) in der Praxis bei entsprechendem Aufbau sicher auch umsetzen könnte, wollte ich genauer wissen - ein Ergebnis diverser Entwürfe und Bemühungen zeigt folgendes
Schematic
(einige Besonderheiten bzgl. CFB siehe in diesem threath)

Die stromrückgekoppelte ("CurrentFeedBack") Schaltung hat in allen Stufen Klasse-A Arbeitspunkte, ist über einen weiten Bereich der Verstärkung und der Ausgangsleistung einstellbar/anpassbar und gegen Kurzschlüsse gesichert (dauerkurzschlussfest je nach Dimensionierung zweier dann erforderlicher Fingerkühler für die Ausgangsemitterfolger T17/T18 resp. Alternativtypen im TO126-Gehäuse für höhere Leistung). Die Frequenzgangkorrektur ("Phasenkompensation") ist für eine hohe Bandbreite und Stabilität an kapazitiven Lasten und Verstärkungen bis herunter auf 0dB angepasst (s. Rechteckwidergabe und Bodediagramm).
Denkbar wären alle möglichen Einsätze als Pegel-, Puffer-, Leitungs-, Kopfhörer-, Meß-etc.-Verstärker

So wie das bis jetzt aussieht, sollten die Ergebnisse mit den besten und kostspieligsten käuflichen Audio-OP's mithalten können und diese sogar teilweise übertreffen, je nach praktischer Ausführung (optimal z.B. als temperaturkompensierender Aufbau mit kürzesten Leitungswegen per SMD)

Ein paar Simulationsergebnisse:

Slewrate/Rechteckverhalten

Leistungsbandbreite/Amplituden- und Phasenfrequenzgang/Stabilitätskriterium

Fourieranalyse/THD (tabellarisch) (Grundwelle=5KHz, 6Vss, RL=600Ohm||500pF)

dto. als lineares Diagramm

dto., Diagramm in dB-Skalierung

Die Rauschanteile werden in der Simulation ignoriert (bzw. gesondert untersucht), um den extrem niedrigen Oberwellengehalt sichtbar zu machen, denn knapp vier Millionstel Volt (für die erste Oberwelle = k2) werden in der Praxis klarer Weise von Rauschen überdeckt. Wenn auch ein Maximum an Rauscharmut für sehr kleine Signale herausgekitzelt werden soll, können natürlich auch andere, noch rauschärmere Typen (1dB, <1dB) mit ansonsten vergleichbaren Eigenschaften für die rauschrelevante Diamondstufe T1-T8 zum Einsatz kommen.


Nachträge

THD/Grundwelle=1KHz, 6Vss, RL=600Ohm||500pF

THD/Grundwelle=10KHz, 6Vss, RL=600Ohm||500pF

[Ollie]

Hast du die THD auch fuer 1, 20 und 50kHz (zwecks Vergleichbarkeit) gerechnet? Wie schlagen sich die Komponenten in einer aufgebohrten dreistufigen Lin-Konfiguration (Class-A usw., gerne auch vollsymmetrisch) bzw. mit einem AD797 z.B.?

Cheers,
Ollie

[Nuggets]

Hi Susie!

Das ist ja Wahnsinn! Wenn man die simulierten Ergebnisse auch in der Realität zusammenbringt, wäre ein Bau dieser Schaltung wirklich lohnenswert!
Wenn, dann würde ich die Schaltung als Buffer für den PGA einsetzen. *duckundweg*
Ich weiß, dass ich da ein analoges Poti schicken würde, aber davon will ich wegkommen.

Nuggets

[harry_m]

Irgendwie ist mir das Ding äusserst sympatisch. Wenn es eine Platine geben würde, hätte ich es vielleicht sogar gewagt...

Das ist vielleicht eine Idee, aus der was werden konnte: so oft, wie hier schon diverse Module angegangen wurden, hätte man schon von jedem davon eine Platine fertigen lassen können, um sie dann kostendeckend und vielleicht sogar etwas Gewnn bringend zu verkaufen.

[Nuggets]

Wenn es eine Platine geben würde, hätte ich es vielleicht sogar gewagt...

Wart mal ab. Ein Layout dürfte bei Hilfestellung der dies betreffenden Profis schon drinnen sein. Wenn man sich darauf einigt, welche Bauteile verwendet werden sollten (z.B. WIMA-Cs), kanns ja eigentlich losgehen.

[Susie Q]

Hallo Nuggets,

die eingesetzten Modelle sind zuverlässig genau, ich hatte bereits mehrfach das Vergnügen, hernach am Objekt messend vergleichen zu können.
Einige Punkte wären dazu und darüber hinaus jedoch zu beachten:

1. Bzgl. THD sollten die Ergebnisse bei einer korrekten Bezugspunkt- und Masseführung ohne Abstriche hinkommen, denn bei diesen noch relativ niedrigen Audio-Frequenzen wirken sich parasitäre Effekte des Aufbaus noch nicht nennenswert aus. Anders ausgedrückt wird ausser Rauschen unter normalen Pegel- und Lastbedingungen mit einem 200MHz Spekrumanalyzer nichts an Oberwellen messbar sein

2. Das simulierte Rechtecksignal hat eine Flankensteilheit von 10ns, in der Praxis dürfte dieses Signal mit Amateumitteln nicht nur schwierig erzeugbar sein, sondern auch schwerlich unverfälscht auf die Platine kommen bzw. abtastbar werden. Ob dann ein parasitärer Aufbau die Simuergebnisse merklich verändert (auch hier ist die Frage der Messmittel von Interesse), hängt vom Aufbau ab: je kapazitäts- und induktivitätsärmer aufgebaut wird, desto besser (obschon man gelegentlich daran denken sollte, dass solch bemühten Werte sicherlich jenseits des gehörmäßig Relevanten liegen)

3. Das komplett gleichspannungsgekoppelte Konzept (mit Ausnahme des Schutz-C1) ist naturgemäß mehr oder weniger driftempfindlich, je nachdem, ob und wie sich entsprechende Bauteile mit gegenläufiger Temperaturkennlinie mechanisch berühren- und thermisch aneinander angleichen können. Schaltungen komplett auf einem Siliziumchhip verfügen demgegenüber über den Vorteil kürzester thermischer Zeitkonstanten/innige Wärmekopplung der Bestandteile, und zusätzlich werden bestimmte herstellungsbedingt stark streuenden Parameter per Laser automatisch abgeglichen.
Je nachdem was für Transistoren man gerade erwischt, müssen auch bei dieser diskreten Schaltung ein paar Widerstände u.U. abgeglichen werden (z.B. durch bewusstes hochohmiger-dimensionieren und anschließendes Paralellschalten), damit i.e.L. die Ruheströme ihren Sollwert einhalten. Der Offset muss/könnte in Abhängigkeit von der Betriebsspannung mit einem Spindeltrimmer abgeglichen werden, man erhält dann einen Gleichspannungs-koppelbaren Schaltungsausgang (bei vielen diskreten Schaltungen fällt die Drift wg. allseits vorhandener Koppelkondensatoren ja nicht auf).
Ein simpler Auto-Offsetregelkreis wäre dann die beste Lösung.

[Nuggets]

@ Susie:

Was sind denn die Alternativ-Typen für die höhere Leistung? Ich habe nämlich vor, die Vorstufe zu layouten. Dabei muss ich sagen, dass ich beileibe kein Profi bin. Versuchen will ichs aber.
Gestern habe ich schon Schaltplan in meinem schematic-capture-fähigen Programm nachgezeichnet und die Bauteile mit Footprints versehen. Für den C1 hätte ich den Wima MKS2 gewählt.

Frequenz- und Phasengang:
Die sind ja geradezu vorbildlich!

Temperaturdrift:
Wie du schon sagtest, wird es schwierig, die Bauteile wärmemäßig zu koppeln.
Du schlägst einen Auto-Offset-Regelkreis vor. Ok. Wenn du das noch einfügen würdest, warte ich solange mal mit dem Layout.

Nuggets

edit: Hättet ihr was gegen SMD-Metallschicht-Widerstände der Bauform 1206?

[Susie Q]

Vorschläge

R13 und R16 müssen 1a Qualität haben: z.B. die gängigen hellgrauen 1/3W (R13) bzw. 1W (R16) Metallschichttypen (Philips)

- Schematics 2 mit Auto-Offset
Das Potentiometer (P1=Spindeltrimmer) für die manuelle Offseteinstellung würde ich im Layout beibehalten, mit Auto-Offset kann es durch eine Brücke ersetzt werden (R2=R3)

- für T17/T18 das Pinout der angegebenen T039 (EBC) und T0220 (BCE) layouten.
Das kleine Metallgehäuse führt bei reinen VV-Anwendungen genügend Verlustleistung ab, ev. dennoch Platz für einen kleinen Kühlstern vorsehen (diese Transistoen nicht auf hohe "Stelzen" stellen - max. 5mm lange Drähte)

- für höhere Leistungen - z.B. für einen niederohmigen Kopfhörerverstärker in Klasse A-Betrieb - muss die Schaltung etwas umdimensioniert werden, hier kommen die exquisiten TO220-Typen in Frage, siehe alles in
Schematics 3

dazu eine Fourieranalyse:
THD @6Vss/f1=5kHz/RL=30Ohm

[Susie Q]

@ Nuggets

Ich habe nämlich vor, die Vorstufe zu layouten. Dabei muss ich sagen, dass ich beileibe kein Profi bin. Versuchen will ichs aber.

Das kriegst Du schon hin - fragt sich wie.

Im Ernst: wenn du versuchst, das Layout direkt nach Lage der Teile im Schematics in etwa zu übertragen, sollte das doch klappen, wenn nicht, machst Du es halt nochmal und nochmal ...

Ist der Unteschied zwischen Netzteilmassen-/Bezugsmasseführung klar, bzw. wie und wo beide Massen miteinander verbunden werden müssen? Wenn das nicht stimmt (dabei wird die Platine als Summen-Widerstands-Bauteil betrachtet), werden aus 0.0002% THD schnell das 100-fache ... (!)

[Nuggets]

@ Susie:

Das ist echt gut mit der Auto-Offset-Kompensation!
Das Layout an sich dürfte schon zu machen sein. Das Programm erlaubt mir ja Verbesserungen.

leistungsstärkere Alternativtypen:
Diese Typen mögen zwar gut sein, aber sie sind in Deutschland schwer beschaffbar. Nicht einmal Farnell führt alle beide 2sc/2sa-Transistoren.
Wenn das ein Projekt werden sollte, das viele Leute nachbauen sollen, dann muss man auch darauf achten, dass die Bauteile nicht all zu exotisch werden und man sie nicht erst über 5 Ecken bekommen kann. Da würde ich jetzt schon ein Problem drinnen sehen.

Massen:
Wenn man mehrere Massen hätte (z.B. für PGA, µ-Controller), dann würde man die halt erst auf der Preampplatine zusammenschalten, und ansonsten getrennte Masseflächen haben.
Hier kann man sowieso nicht aus, weil die Spannungsregler, die ich aufs Board mit drauf setzen möchte, ohnehin auch die Masse als Bezugsmasse brauchen. Von daher hätte ich einfach eine große Massefläche auf der Ober-und Unterseite gezogen.
Was schlägst du vor?

Nuggets

edit: was ist nun mit den Widerständen? Ist 1206 ok? Du schreibst, dass R13 und R16 von hoher Qualität sein müssen. Tuns da nicht auch die Standard 2%-0,25W-Typen von Farnell. Wenn dann könnte an noch axiale Vishay-Dale-Präzisionswiderstände einsetzen, wenns denn sein muss.

[Susie Q]

exotisch ...

Bla, bla, bla. Was schreibst'n da?

Wie zufällig ... vor 14 Tagen eine Fuhre Halbleiter vom Japan-Spezialisten HeHo eingefahren, darunter z.B. 2SA1111 für 1,11€ ...
Hinkel hat auch einen 2SA1111, für 1,14€
usw.

Natürlich darf jedermann in die B-C-E-Löcher löten, was er will, blos für so einen mit ...
ft= 200MHz
IC= 1.5A
P= 20W
ß= 100+
= 2SA1111/2SC2591
... wird sich kaum ein Ersatztyp finden (aber wozu auch ...?!)
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... die Spannungsregler, die ich aufs Board mit drauf setzen möchte ...

Das ist eine sehr gute Idee, Nuggets!
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Massen ...

Schau bitte nochmal, wonach ich genau gefragt hatte.
Im Schematic gibt es bei mir zwei verschiedene Massesymbole, einmal mit und einmal ohne Null:
Ist das aufgefallen bzw. "sagt" Dir das etwas?
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Tuns da nicht auch die Standard 2%-0,25W-Typen von Farnell.

Also ... wenn ich in den E-Shop gehe ...
Die haben seit dem letzten Jahrtausend nichts anderes als 1%-ige Metallschichtwiderstände für 8 Cent das Stück (wie man weiss, sind die in der Masse von Philips und von ausgezeichneter Quali, da braucht's keine Vishays). Nimmdieundalleswirdgut.

PS, weil ich schon mal was dazu geschrieben hatte:
... handelt es sich um die Gegenkopplungswiderstände: Die bestimmen ausschliesslich mit ihren Eigenschaften die closed loop Schleifen-Eigenschaften, weil sie die Gegenkopplung als äusserliche Teiler definieren, einschliesslich ihrer Schwächen. Alles andere befindet sich innerhalb der GK und kann ausgeregelt werden. Diese beiden müssen also beste Eigenschaften (induktionsfrei etc.) haben, die einfachste Lösung sind überall erhältliche 1%/1Watt Metallschicht.
1/3 Watt für den Teiler nach Masse [R13, 100Ohm], 1Watt [R16, 500(510)Ohm] für den Reihen-GK, um Verzerrungen durch Wärmemodulation zu unterbinden - das ist so, bei den rel. hohen Strömen in der Current-Feedback-Gegenkopplung.

Also ... daraus würde ich selbst schließen, dass ausser R13 und R16 deine geplanten 1206'er passen, obschon ich nicht weiss, was nun 1206'er eigentlich sind ... (Beschreibe sie, kläre uns bitte auf)

[Nuggets]

@ Susie:

Ja, die Japan-Transitoren kann man kriegen, nicht aber zusammen in einer Großbestellung beim Rundumversorger (z.B. Farnell). Die Ts sind in der Tat besonders und werden eine Besorgung wahrscheinlich belohnen.
Trotzdem kann man das anders sagen...

Masse:
Habe deine Nullen entdeckt
Scheinbar willste die Massen an der Last zusammenschalten.

Widerstände:
Hier würden sich dann doch unmagnetische, nichtinduktive Präzisions-Widerstände von V.-D. anbeiten.
Den Rest würde ich dann aber wegen der erreichbaren Bestückungsdichte und Kürze der Leiterbahnen in SMD ausführen.
Damit das für die meisten Hobbybastler noch zu löten ist eben in 1206.
So, "1206": Dahinter versteckt sich nichts anderes als eine Bezeichnung für SMD-Gehäuse von Widerständen und Kondensatoren.
Dabei ist 1206 die größte dieser SMD-Gehäuseformen.
Damit du dir ein Bild der dir wahrscheinlich sowieso bekannten Gehäuse machen kannst, der exemplarische Link

Nuggets

[Susie Q]

@ Nuggets

Ja, die Japan-Transitoren kann man kriegen, nicht aber zusammen in einer Großbestellung beim Rundumversorger (z.B. Farnell).

Schau doch mal, was HeHo ausser Japans noch zu bieten hat ... (Stichwort Rundumversorger)

Die Ts sind in der Tat besonders und werden eine Besorgung wahrscheinlich belohnen.

Ja, bedingt. In so einer Typenauswahl steckt auch jahrelange Erfahrung.

Trotzdem kann man das anders sagen...

Was denn kann man trotzdem anders sagen?
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Fa. FARNELL:
WIDERSTAND DICKFILM 0R0 200V 0.25W 10ST; RoHS -konform:JA; Widerstandselementtyp:Thick Film; Widerstand:0R; Gehäusetyp:1206; Nennleistung:0.25W; Toleranz +:0%; Toleranz -:0%; Temperatur, Betriebs- max.:125°C; Temperatur, 200 ppm/°C

Ich glaube, der 0R0 macht am wenigsten Probleme ... *g*
OK, der Rest soll auch genehm sein. (Größte Bauform: bei diesem Pfrimelzeug für die Amateurlöterei ja bestens)
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Scheinbar willste die Massen an der Last zusammenschalten.

Aber wie (in welcher Reihenfolge)?! Und warum?!

[PeterG]

Aber wie (in welcher Reihenfolge)?! Und warum?!

Hi Susie,

Eingangsmass 0 , Netzteilmasse ohne ( auch Filterelkos) und die "treffen" sich am Ausgang des VVs. So wird das imho ja immer gemacht Sicher jibbet dafür auch nen Fachbegriff?

MfG
Peter

[dersucher]

Super Projekt! sehr interessant!

Hallo,

habe bisher mitgelesen, und bin sehr interessiert, dieses Projekt evtl. selbst aufzubauen.

Selbst habe ich seit ein paar Jahren Röhrenverstärker favorisiert, kommen die doch mit weniger aktiven Elementen aus: Weniger gekrümmte Kennlinien = weniger Korrekturmaßnahmen durch Gegenkopplung nötig. Die Diskussionen über Röhrenklang vs. Transistorklang sind überall im Netz präsent, aber sollen hier nicht wiederholt werden. Es ist schlicht geschmackssache, wie so vieles im Leben

Diese Schaltung/Simulation von Susie Q gefällt mir sehr gut. Vorallem jedoch im Hinblick auf eine Endstufe, wie sie ja in einem anderen Thread diskutiert wird.

Was die Japan-Tranistoren betrifft, so sind sie m.E. nicht wirklich gut zu erhalten, sondern eher zu Höchstpreisen. Wenn sich hier genügend Interessenten zusammen tun, wird sich etwas machen lassen bei großen Halbleiterdistributoren.

Ich schlage vor, auf SMD-Bauteile weitgehend zu verzichten, da sie Löterfahrung benötigen, bzw. am bestem im Schwallbad zu verlöten sind (so werden SMDs gewöhnlich automatisch gelötet). Für industriell gefertigte Platinen machen die Bauteile sicher Sinn, aber für ein Heimwerkerprojekt nicht. Es sei denn, es gibt bestimmte Bauteile nicht in anderer Form (so z.B. diverse Operationsverstärker, etwa AD8610).
Die Dickfilmwiderstände typ 1206 haben aber keine wirklich guten Daten. Jeder TK50 Metallfilmwiderstand hat heute 50, max. 100ppm Temperaturdrift und 1% Toleranz. Für etwas mehr Geld sind auch 0,1% drin.

Wie sind die Wünsche für ein Layout?
Die TO220 der "Leistungsversion" müssen in jedem Fall gekühlt werden.

gruß