Puristische Endstufe in Klasse A

[Frankynstone]

Hallo Susie,

danke für die Analyse von Bild 1, wenn Du tatsächlich mal mit einer professionellen Software analysierst, wäre mir das eine große Hilfe. Dass die Schaltung Millerkiller enthält, wusste ich nicht, weil ich diese aus dem HiFi-Forum anders kannte. Wieder was gelernt.

Und mit Bild 2 hast Du natürlich ganz Recht, stammt aus dem "Radiobastelbuch" von Schubert aus 1973. Abgebildet ist die Dimensionierung für Batteriegeräte. Die für Netzbetrieb weicht aber nur minimal davon ab.

Und ja, ich bin hier in Dresden seit meiner Geburt und über das Blaue Wunder schon oft mit Fahrrad und gelegentlich mit Auto drüber gefahren. Aber nicht nur diese berühmte Brücke über die Elbe, sondern die ganze Stadt ist sehr schön und nur der Umzug zu meinem irgendwannigen Arbeitsplatz bringt mich weg von hier.

Grüße.

Frank.

@karahara: So eine Idee hatte ich auch schon mal, ich dachte Festpannungsregler als Emitterfolger mit besonders konstanter Basis-Emitter-Spannung zu vergewohlfertigen. Hab das aber nie so gebaut.

[Susie Q]

Die Millerkiller-Bezeichnung aus dem HiFo ist zwar ein gar trefflicher Begriff für zu hohen Strömen befähigte Kollektorschaltung entkoppelt hochohmig eine spannungsverstärkende Eingangsstufe von einer Spannungsverstärker-Emitterstufe und treibt/lädt niederohmig mit hoher Grenzfrequenz deren Millerkapazität oder so, aber in Bild 1 gibt es die nicht - schrieb ich auch nicht, sondern Miller-Frequenzgangkorrektur - ist was anderes (was sagt dir eigentlich meine Kurzbeschreibung - wie weit in etwa ist dein momentaner Kenntnisstand?)

PS: als ich zum ersten mal unter dieser Brücke stand, bekam ich einen ... Lachkrampf - ich habe mich gleich nach der Zahl der Einzelteile gefragt und als Konstrukteur einen Briten angenommen (-->spleen), was wahrscheinlich nicht stimmt (ich freue mich schon auf ein Wiedersehen, auch auf diesen wunderschönen Märchenwald im Norden von DD)

Gruß

[Frankynstone]

Deine Ausführungen verstehe ich, Fachbegriffe nachschlagen ist sicher erlaubt. Transimpedanzpunkt ist so ein Begriff.

editiert, weil belanglos

[Susie Q]

Text ebenfalls gelöscht, weil wg. obigem edit in der Luft gehangen

[Frankynstone]

Den Schaltplan Bild 1 habe ich überhaupt nur deshalb gespeichert, weil mir das vollkommen symmetrische Konzept super gefällt, da die Impedanz des Ausganges für beide Halbwellen gleich ist, da sich geradzahlige Vielfache der Grundwelle vollständig aufheben müssten und da ich die Funktionsweise mühelos nachvollziehen kann, inklusive der Stromgegenkopplung, die man bei vielen einfachen und dennoch guten Verstärkern findet.

Bezüglich Regelkreis ideal wäre: damit Eingangs- und Ausgangssignal möglichst identisch sind (von der reinen Spannungsverstärkung mal abgesehen) muss der Regelkreis ein LTI-System sein, schnell sein (linearer Frequenzgang, geringe Phasendrehung im genutzten Bereich) und soll keine Überschwinger produzieren (die berühmte BIBO-Stabilität der Automatisierungstechniker ist hier nicht ausreichend) und daher muss ein dominanter Pol geschaffen werden, der das Ende des Übertragungsbereiches festlegt, alle anderen Pole sollten weit oberhalb des Übertragungsbereiches liegen (unity gain stable ist hier mal nicht erforderlich). Verstärkung der offenen Schleife viel viel größer, als die der geschlossenen Schleife, um Störungen auszuregeln.

Daraus würde ich schließen, dass Bauelemente folgende Eigenschaften haben müssten: geringe Sperrschichtkapazitäten, hohe Transitfrequenz, hohe Stromverstärkung. Leider schließen sich Linearität und hohe Verstärkung gegenseitig aus, hochverstärkende Bauelemente werden durchaus mit absicht nichtlinear gezüchtet.

Was mir völlig unklar ist: wie wählt man den Arbeitspunkt z. B. einer Emitterschaltung, um die Grenzfrequenz zu maximieren?

[Susie Q]

Was mir völlig unklar ist: wie wählt man den Arbeitspunkt z. B. einer Emitterschaltung, um die Grenzfrequenz zu maximieren?

Im einfachsten Fall: typenabhängig, ft als Funktion von I,C (unter Berücksichtigung von Ansteuerkreis und Lastktreis ähnlich derer, mit denen die Parameter lt. Datenblatt gemessen wurden)

inklusive der Stromgegenkopplung, die man bei vielen einfachen und dennoch guten Verstärkern findet

Gründe? Ich darf einen wichtigen nochmal hierher ziehen:
"Ein grosser Vorteil einer Stromgegenkopplung besteht in der ggü. einem Differenzverstärker nahezu uneingeschränkten Stromlieferfähigkeit zufolge Begrenzung der Eingangsstufe lediglich über einen mehr oder weniger niederohmigen Rgk (hier: 300R) und nicht über eine konstant und (entsprechend) hoch limitierende Stromquelle. Im Endeffekt resultieren daraus über die höhere Grenzfrequenz am Transimpedanzpunkt schnellere Frequenz- und Aussteuerungs abhängige Ausregelvorgänge innerhalb der geschlossenen Schleife, und dies schlägt sich wiederum in reduzierter Intermodulation nieder - für HiFi ganz entscheidend."

Daraus würde ich schließen, dass Bauelemente folgende Eigenschaften haben müssten: geringe Sperrschichtkapazitäten, hohe Transitfrequenz, hohe Stromverstärkung. Leider schließen sich Linearität und hohe Verstärkung gegenseitig aus (...)

Klare Sache. Um diese Parameter zu erreichen, reicht manchmal ein aktives Element pro Stufe nicht aus, Lösungen bestehen aus Verbundschaltungen, z.B. besagter Millerkiller, Kaskodenstufen (beide erhöhen unter dem Nachteil negativer Phasendrehung die obere Grenzfrequenz, je nach Schaltungsauslegung), oder die erwähnten Darlingtons (ß) - nochmals, weil ein nicht unwichtiger Punkt:
"Das Detail Spannungsverstärkerausgang = Transimpedanzpunkt = Entstehungsort der Open-Loop-Verstärkung ist durch direkte Ansteuerung der relativ niederohmigen Endstufenbasen nur zu einer sehr geringen offenen Schleifenverstärkung in der Lage, sprich: die resultierenden harmonischen Verzerrungen dürften einer hochwertigen Signalverarbeitung im Wege stehen - Abhilfe würde sofort ein Darlingtonstromverstärker oder besser ein lokal auf V=1 gegengekoppelter Stromverstärker aus zwei Emitterschaltungen erbringen."

... dominanter Pol geschaffen werden, der das Ende des Übertragungsbereiches festlegt, alle anderen Pole sollten weit oberhalb des Übertragungsbereiches liegen (unity gain stable ist hier mal nicht erforderlich)

Das Übliche eben, wobei die Kunst darin besteht, mittels einer oder mehrerer Nullstellen in der Übertragungsfunktion die dominante erste -6dB/Okt. Polstelle = f1 möglichst weit in Richtung 20kHz zu schieben, damit auch hier die Gegenkopplung Nichtlinearitäten möglichst gut ausregelt (die Nullstellenerzeugung bezeichnete jemand als "Niquistschleuder").
Und gegen Überschwinger mit und durch negativ Phasen drehende Last sollte der Phasenabstand für unbedingte Stabilität möglichst nicht unter -100Deg./f-3dB,fo closed loop abfallen.

Und so weiter (z.B. ein optimiertes "Stufendesign" aus - wie du schon sagtest - sich widersprechenden Eigenschaften, wie gleichzeitig hoher Bandbreite, hoher Linearität, hoher Spannungsverstärkung, hoher Steiggeschwindigkeit für geringe Intermodulationsverzerrungen, niedriger Ausgangswiderstand ...)

Gruß

[Susie Q]

Hallo Frankynstone,

nachfolgend das Schematic der Bild 1-Schaltung - die Simu läuft, und wie du siehst, entsprechen die Ruheströme in enger Anlehnung an die originalen Bauteilwerte schon mal ziemlich genau den Angaben in Schaltbild. Die Transistoren sind wohl exquisit, aber ... (z.B.) den Klirrfaktor zeige ich dir erst, wenn du mit der Schaltung soweit einverstanden bist.

Die Zenerstabilisierung für den Diamondeingangssbuffer habe ich weggelassen, da sie nichts bringt - wenn stabilisieren, dann betr. PSSR bereits ab der Stufe mit T3/T4. Da diese aber über keine betriebsspannungsunterdrückenden Laststromquellen verfügen, sondern Kollektorlastwiderstände (R9/R12), muss die gesamte Schaltung (wie schon geschrieben) an einer stabilisierten Gesamtbetriebsspannung betrieben werden, sonst schlägt ein +/-Ub-Ripple schlecht unterdrückt auf den Ausgang durch (in der Praxis sollte eine üppige Betriebsspannungssiebung die PSSR zufrieden stellen - falls Mann sowas überhaupt zusammenlötet).

Gruß

[PeterG]

Hallo,

interessant! Ich bin auch gespannt, wie das zusammengelötet ausschaut!

MfG
Peter

[Frankynstone]

So, ich hab mir die Schaltung im Simuprogramm mal vergleichend mit dem Bild 1 zu Gemüte geführt und stelle fest, dass Du ein paar Widerstandswerte etwas angepasst hast, und am Ausgang finde ich diese merkwürdige Spule gegen kapazitive Last. Verbessern Deine Umbauten das Verhalten? Als Last sehe ich 10n (Kabel etc.) und 6 Ohm reell (impedanzkompensierte Box).

Du befeuerst den Eingang schon mit 600mV, da kommen mit der Spannungsverstärkung von ca. 30 über 50W raus, so laut höre ich nie und die Stufe arbeitet schon am Ende ihrer Möglichkeiten. Das Verhalten bei 1W würde mich weit mehr interessieren.

Ich bin auf die Ergebnisse gespannt. Schließlich war ich irgendwann der Meinung, dass ich mir diese Stufe für ernsthaftes HiFi bauen müsste.

[Susie Q]

Hi.

... stelle fest, dass Du ein paar Widerstandswerte etwas angepasst hast ...

... hat i.e.L. mit den verwendeten Transistoren (bzw. deren Modellen) zu tun: Denke Mann z.B. an Kennlinien abhängige Ruheströme bzw. Symmetrieeigenschaften - s.a. auch dieses hier in möglichst enger Anlehnung an das Original

... am Ausgang finde ich diese merkwürdige Spule gegen kapazitive Last ...

Die ist in der Tat würdig, gemerkt zu werden, z.B. als "Phasenrückdreher", wenn zu kapazitive Kabel-Lasten (Test-Last hier: 10nF) die Schaltung durch negative Phasendrehung u.U. zum Schwingen bringen und darüber hinaus ohne Tiefpassspule durch Störstromspitzen intermodulieren lassen (geschätzte 99.9% aller Amps besitzen diese Spule aller Wahrscheinlichkeit nach wegen dem Stabilitätsaspekt)

Du befeuerst den Eingang schon mit 600mV, da kommen mit der Spannungsverstärkung von ca. 30 über 50W raus, so laut höre ich nie und die Stufe arbeitet schon am Ende ihrer Möglichkeiten.

Die 600mV erzeugen an 6R und tatsächlichen V,closed-loop = 28 etwas über 20W und teilen als Testsignal mit,
a) den erfolgten Wechsel von Klasse A nach Klasse B Betrieb (und die Tatsache, dass ab hier THD unmissverständlich steigt) und
b) die zum Erbarmen geringe Amplitude ggü. der Höhe der Betriebsspannung bzw. den höchstmöglich zu erwartenden und niedrigen Wirkungsgrad - mit 500mV,Ue hier simulativ-optisch und da numerisch auffällig (Kategorie A)

Aus der komponentenweise aufgelisteten Verlustleistungsanalyse ist ferner die hohe P,tot der Endstufentransistoren zu entnehmen: mit rund je maximal 35 Watt für T7/T8 braucht es lt. SOA schon dicke Brocken mit cross dimensionierter Montageplatte, weil per Isolierscheibe elektrisch vom Kühler getrennt werden muss. Die simulierten ONSemi-Typen kommen auch in praxi an, da sie nicht nur viel Leistung verarbeiten können, sondern darüber noch außerordentlich schnell sind (Empfehlung: Datenblatt studieren)

Kategorie B - aufgenommene Leistung und Wirkungsgrad bei 3.5 Watt Leistungsabgabe

Kategorie A - Klirrfaktor bei f1 = 5kHz und Ua = 13Vs

Kategorie B - Klirrfaktor bei f1 = 5kHz und Ua = 6.55Vs

Frequenz- und Phasengang

Rechteckwiedergabe

Fazit: (IMO) dafür, dass diese lahme Angelegenheit dermaßen viel Leistung verpulvert, sollte sie im Gegenzug wenigstens weniger verzerren.

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Wie schon geschrieben, gibt es ein missing link, nämlich eine Vorrichtung, um die zu hohe Strombelastung bei der I nach U-Wandlung am Transimpedanzpunkt durch die Leistungsemitterfolger möglichst deutlich zu verringern - mit dem Ziel,
a) einer höheren, Verzerrungs-ausregelnden Open-Loop-Verstärkung, und
b) ebenda diesen Slewrate- und Bandbreiten-Flaschenhals zu beseitigen

Aus der Bredullie kommt man z.B. mit ein paar Bauteilewert-Modifikationen und einem geeigneten Design für den Stromverstärker mittels den beiden schnellen ON's und zwei guten, alten BD139/140 nebst ein paar weiteren Widerständen:




Kategorie A - Klirrfaktor bei f1 = 5kHz und Ua = 14Vs

Kategorie B – Klirrfaktor bei f1 = 5kHz und Ua = 7Vs

Frequenz- und Phasengang

Rechteckwiedergabe

Nebenbei: die Schaltung des Stromverstärkers ermöglicht die elektrisch und wärmetechnisch nicht zu isolierende, direkte Montage der End-Transistoren auf einem (gemeinsamen) Kühler, für die Chiptemperatur/Lebensdauer von erheblichem Wert (der Kühler selbst muss natürlich elektrisch gegen das Gehäuse isoliert werden: dafür gibt es im Elektronikhandel diese blauen Plastikwinkel)

Fazit: Stromaufnahme und Wirkungsgrad sind unverändert, die neue Schaltung verzerrt aber gut eine Zehnerpotenz weniger und ist jetzt fast unverschämt schnell und trotzdem stabil.
Dass Letzteres nicht etwa bedeutet, am Ziel = musikalische Anforderung vorbeizuschießen, belegen Intemodulationsereignisse, die besagen: ein Regelkreis kann nie zu schnell sein, so lange er stabil bleibt.

Grüße

[Susie Q]

Okay. Über 75Watt Aufnahme und 13Watt Abgabe dikutieren in der Regel nur Sadisten.

Für die Dame oder den Herrn in Leder hätte ich noch eine klassische Ruhestromnachsteuerung, nachdem klar wurde, dass hier eine relativ labile Arbeitspunkteinstellung werkelt:
Abhängig von Raumtemperatur und Kühler-Temperaturkapazität stellt sich etwas aussteuerungsabhängig eine mehr oder weniger pendelnde Endtemperatur ein, mit der einstellbaren Transistor-Zener-"Diode" (T7) - wie üblich auf dem Kühler geklemmt - wird der Stromverstärker dann gegen thermisches Weglaufen gesichert. Der Klirr sinkt gegenüber den Widerstandsstromquellen nochmals etwas ab.

Die Intermodulationsverzerrungen sind gemessen an der Einfachheit dieser Schaltung erstaunlich niedrig! - teils auf das Current Feedback-Verfahren, teils auf den linearisierenden Effekt des hohen Ruhestroms im speziellen Stromverstärker zurückzuführen.



Dimensioniert man den Stromverstärker allerdings für Klasse AB-Wirkungsgrad (~ 65% max.) 3-stufig-lokal gegengekoppelt, sind dessen Verzerrungen so gering, dass die Über-Alles THD nochmals um eine halbe Zehnerpotenz bzw. IM um Faktor 3 verringert werden können, bei unveränderter Bandbreite und Slewrate.

[Frankynstone]

Wie die Zeit vergeht. Ich bin gerade dabei, einen Phonopre und weitere kleine OPV-Schaltungen zu layouten.

Jetzt muss ich mir allerdings erstmal die faszinierende Analyse und Weiterentwicklung dieser französischen A-Klasse-Schaltung durchlesen.

[Susie Q]

Ah, ein Franzose! Passt.
Der Marquise de Sade stammt auch aus Fronkreisch ... *g*

Wie Schotten wohl AMP's kreieren?

[Frankynstone]

Dass Bild 1 von einem Franzosen gemalt worden ist, sieht man an der Beschriftung (vert = grün, noir = schwarz) ich mag die Sprache nicht so sehr.

Schotten betreiben die Klasse-A mit plusminus 1,2V Taschenlampenakkus. Lautstärke reicht für den gemütlichen Abend am Kaminfeuer (wenn man das Holz vom Nachbarn borgt).

[Susie Q]

Ich dachte da eher so an Musical Fidelity

Phonoleitungen nackt auf der Platine unter dem Trafo durch von hinten durch's Auge.

Oder waren das Briten? Grease for All?