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]

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]

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]

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.

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]

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.

• 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.
  
  

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