Hallo,
Seit kurzem befasse ich mich mit dem Aubau von Audioverstärkern. Dazu
lese ich momentan das Buch "High Power Audio Amplifier Construction
Manual" von G. Randy Slone. Das Buch an sich ist eigentlich recht
verständlich, allerdings habe ich inzwischen versucht 2 der
Eingangsstufen nachzubauen, die in dem Buch beschrieben sind.
Die erste Schaltung funktioniert eigentlich ganz gut. Bei einer
Eingangsamplitude von 0,1V Sinus bei 1KHz habe ich am Ausgang eine
saubere Sinusspannung mit einer Amplitude von 2,5V, der DC-Offset
beträgt ohne Eingangssignal ca. 20mV.
Die Betriebsspannung beträgt +/-30V.
Die zweite Schaltung soll laut Buch das Eingangssignal weniger verzerren
wegen des symmetrischen Aufbaus. Allerdings ging beim ersten Test ohne
Eingangssignal das Netzteil in die Strombegrenzung (ca. 300mA).
Allerdings war das bereits zu viel für Q14 und Q15 die beide gestorben
sind. Beim ersten Test waren jedoch statt der BC556B 2 Stück BC558B
verbaut. Diese Vertragen laut Datenblatt nur 30V Uce. Der BC556 hält
laut Datenblatt 80V aus.
Was ich an der zweiten Schaltung nicht verstehe ist, wie der Ruhestrom
durch die beiden Darlington-Stufen (Q14 + Q15 bzw. Q2+Q3) geregelt wird.
Wenn in der ersten Schaltung der Strom durch Q7 steigt, sinkt die
Spannung am Ausgang der Schaltung ab, wodruch der Strom durch Q7
zurückgeregelt wird.
Wenn allerdings in der zweiten Schaltung Q2 im gleichen Maß aufsteuert
wie Q14, dann bleibt die Spannung am Ausgang stets auf 0V, während der
Strom durch die beiden Transistoren immer mehr steigt und zur Zerstörung
führen könnte.
Kann mir jemand erklären wie dieser Ruhestrom geregelt wird? Ist davon
Abzuraten diese Schaltung mit den neuen Transistoren in Betrieb zu
nehmen oder kann ich weitere Versuche riskieren?
Wenn ich die erste Schaltung mit LTSpice simuliere stimmen die
Ergebnisse recht gut mit der Realität überein. Versuche ich die zweite
Schaltung zu simulieren, dann rechnet der Computer eine Ewigkeit herum
und wird nicht fertig. Allerdings kenne ich mich mit LTSpice nicht
wirklich aus und halte auch nicht viel von Simulationen.
> Kann mir jemand erklären wie dieser Ruhestrom geregelt wird?
Die zweite Schaltung ist ganz einfach falsch.
Sie ist auch nicht symmetrischer, denn PNP und NPN sind vollkommen
verschieden und nie mit quasi-gleichen Daten zu bekommen. Man baut so
was eher um Rail-To-Rail Verhalten zu bekommen, was man bei
Audioverstärkern nicht braucht.
Die erste Schaltung hingegen ist symmetrisch in der Eingangsstufe des
long tailed pairs, denn ein BC556 ist gleich dem anderen BC556, und
beide tragen genau dasselbe Signal.
Die folgende Unsymmetrie Q7/Q8 kann man durch Schaltungsänderung
aufheben.
> halte auch nicht viel von Simulationen.
Solltest du aber,
Spice hat dir gerade gesagt daß die zweite Schaltung so nicht geht.
Die 2 x 22u am Eingang sind übrigens Unsinn, auch Spice mag das nicht
(interessant daß es trotzdem rechnet).
>Die zweite Schaltung ist ganz einfach falsch.>Sie ist auch nicht symmetrischer, denn PNP und NPN sind vollkommen>verschieden und nie mit quasi-gleichen Daten zu bekommen. Man baut so>was eher um Rail-To-Rail Verhalten zu bekommen, was man bei>Audioverstärkern nicht braucht.
Ich habe die Schaltung so aus dem Buch übernommen. Der Autor hat auch
einige fertige Verstärker im Buch vergestellt mit einer solchen
Eingangsstufe und angeblich hat er sämtliche Schaltungen selbst
aufgebaut und getestet. Ich werde diese Schaltungen später posten, jetzt
habe ich sie nicht zur Hand.
Ist die Schaltung grundsätzlich nicht funktionstüchtig oder ist sie
einfach nicht symmetrischer?
Beide Schaltungen sind Mist und können mit einigen Änderungen viel
bessere Daten haben.
In der ersten Schaltung ist die Darlingtonstufe Q7/Q8 der größte Fehler.
Wie man an R5/R8 sieht, ist das Verhältnis des max.
Differenzverstärkerausgangsstroms zum Kollektorstrom von Q7 gerade mal
2, und dafür einen Darlington? Zudem wird R7 ohne Stromgegenkopplung
betrieben und klirrt stark. Besser ist es Q7 wegzulassen und den
Kollektor von Q8 an den Kollektor von Q15 anzuschließen und R7 =470 Ohm.
Der Klirrfaktor der Schaltung ist dann etwa Faktor 3 kleiner.
Das Gleiche gilt analog auch für die zweite Schaltung. Dann ist auch der
Ruhestrom automatisch kostant.
> Sie ist auch nicht symmetrischer, denn PNP und NPN sind vollkommen> verschieden
Oh doch, die ist sogar viel symmetrischer, weil (vereinfacht gesagt)
jetzt nur noch die Differenz aus den npn und pnp-Kennlinien verstärkt
wird und nicht mehr nur die Eine oder Andere. Außerdem sind die
Ausgangsströme nun in beiden Halbwellen gleich, im krassen Gegensatz zur
ersten Schaltung.
Wie kann man eigentlich den Ruhestrom der zweiten Schaltung bestimmen?
Bei der ersten ergibt sich der Ruhestrom eigentlich automatisch durch
den fließenden Kollektorstrom und die Stromverstärkung.
Wie gehe ich bei der zweiten Schaltung vor, wenn ich einen bestimmten
Ruhestrom haben will?
Verstärker schrieb:> Bei der ersten ergibt sich der Ruhestrom eigentlich automatisch durch> den fließenden Kollektorstrom und die Stromverstärkung.
Nein, der Ruhestrom ist durch die Konstantstromquelle Q15 festgelegt.
Verstärker schrieb:> Wie gehe ich bei der zweiten Schaltung vor, wenn ich einen bestimmten> Ruhestrom haben will?
So wie ich es beschrieben habe und dann die Emitterwiderstände R7/R8
entsprechend wählen.
Selbst mit den beschrieben Änderungen hat die 2. Schaltung ein Problem
mit dem Ruhestrom:
Es sind 2 unabhängige Differenzstufen, und je nachdem wie weit die
beiden Stufen sich unterscheiden wird der Ruhestrom der Ausgangsstufe
eingestellt. Das kann von praktisch 0 Strom am Ausgang bis zu so viel
Strom gehen, das da Transistoren durchbrennen. Die vorgeschlagenen
Änderungen helfen relativ wenig, es wird nur die Verstärkung für DC und
kleine Frequenzen etwas reduziert, so das es bei sehr guter Paarung der
Transistoren am Eingang eventuell passen kann. Das Problem bleibt aber
im Prinzip bestehen.
> bis zu so viel Strom gehen, das da Transistoren durchbrennen.
Der Strom ist durch die Emitterwiderstände R7/R8 begrenzt, da brennt
nichts durch.
> Das Problem bleibt aber im Prinzip bestehen.
Das stimmt, es müssen noch die Transistoren Q1 und Q13 entfernt und Q4
und Q12 als aktive Dioden beschaltet werden. Die bilden dann mit Q3 und
Q15 Stromspiegel, dann ist es richtig.
>Verstärker schrieb:>> Bei der ersten ergibt sich der Ruhestrom eigentlich automatisch durch>> den fließenden Kollektorstrom und die Stromverstärkung.>Nein, der Ruhestrom ist durch die Konstantstromquelle Q15 festgelegt.
Tut mir leid ich habe mich falsch ausgedrückt. Dadurch das der
Kollektorstrom durch die Konstantstromquelle festgelegt wird ergibt sich
auch der notwendige Basisstrom für den Ausgangstransistor.
>Selbst mit den beschrieben Änderungen hat die 2. Schaltung ein Problem>mit dem Ruhestrom:>Es sind 2 unabhängige Differenzstufen, und je nachdem wie weit die>beiden Stufen sich unterscheiden wird der Ruhestrom der Ausgangsstufe>eingestellt. Das kann von praktisch 0 Strom am Ausgang bis zu so viel>Strom gehen, das da Transistoren durchbrennen. Die vorgeschlagenen>Änderungen helfen relativ wenig, es wird nur die Verstärkung für DC und>kleine Frequenzen etwas reduziert, so das es bei sehr guter Paarung der>Transistoren am Eingang eventuell passen kann. Das Problem bleibt aber>im Prinzip bestehen.
Genau das ist das Problem bei dem ich nicht weiterkomme. Wie bekomme ich
in der Schaltung einen klar bestimmten Ruhestrom?
Ich habe jetzt bei der ersten Schaltung den Darlington ausgebaut und sie
funktioniert auch weiterhin in der Simulation.
Bei der zweiten Schaltung habe ich die beiden Darlingtonstufen ebenfalls
auf je einen Transistor reduziert. Allerdings lässt sich das Ergebnis
weiterhin nicht simulieren.
Mit diesen Änderungen:
>Das stimmt, es müssen noch die Transistoren Q1 und Q13 entfernt und Q4>und Q12 als aktive Dioden beschaltet werden. Die bilden dann mit Q3 und>Q15 Stromspiegel, dann ist es richtig.
funktioniert die Schaltung (ich hoffe ich habe die Änderungsvorschläge
richtig interpretiert). Allerdings wäre dann ein Großteil dessen was in
diesem Buch steht offenbar nicht wirklich brauchbar...
ArnoR schrieb:>> In der ersten Schaltung ist die Darlingtonstufe Q7/Q8 der größte Fehler.> Wie man an R5/R8 sieht, ist das Verhältnis des max.> Differenzverstärkerausgangsstroms zum Kollektorstrom von Q7 gerade mal> 2, und dafür einen Darlington? Zudem wird R7 ohne Stromgegenkopplung
Der Sinn des zusätzlichen Transistors Q8 ist es, die Kollektorspannung
von Q10 auf ein höheres Potential zu bringen.
Verstärker schrieb:> Ich kann eigentlich keinen Kurzschluss erkennen. D3 und D4 sind in Reihe> zu R16 (10K) geschaltet.
Oh, den Widerstand habe ich übersehen. Ist halt auch a bisserl
unübersichtlich gezeichnet.
Was sagt denn LTspice dazu?
Die Schaltung 2a ist ziemlicher Murks: durch die 47 Ohm als R15 und R1
kommt da fast kein Signal mehr an, das ist viel zu niederohmig. Damit
ist dann die Verstärkung kaum größer als 1. Außerdem ist der Strom in
der Ausgangsstufe nur etwa 1/20 des Stroms in der Eingangstufe. Man
sollte da Q12 und Q15 als Stromspiegel 1:1 oder eher mit mehr Strom auf
der Ausgangsseite bauen, nicht andersherum. Also z.B. R15 = R8 = 220 Ohm
um am Ausgang noch genügend Spannungshub zu erreichen.
Bei der Schaltung reduziert sich aber auch schon die DC-Verstärkung
recht weit - die Schleifenverstärkung bei niedriger Frequenz ist als
eher gering - vor allem wenn da am Ausgang noch eine Last dran hängt. Da
ist schon das Rückkopplungsnetzwerk mit R10 R11 schon fast zu viel Last.
Nicht Gast schrieb:
>ArnoR schrieb:>> In der ersten Schaltung ist die Darlingtonstufe Q7/Q8 der größte Fehler.>> Wie man an R5/R8 sieht, ist das Verhältnis des max.>> Differenzverstärkerausgangsstroms zum Kollektorstrom von Q7 gerade mal>> 2, und dafür einen Darlington? Zudem wird R7 ohne Stromgegenkopplung>Der Sinn des zusätzlichen Transistors Q8 ist es, die Kollektorspannung>von Q10 auf ein höheres Potential zu bringen.
Das leuchtet mir nicht wirklich ein, schließlich ist wird Q8 in
Kollektorschaltung betrieben und hat damit eine Spannungsverstärkung
von < 1 und die Ausgangsspannung am Kollektor von Q8 liegt ja 0,7V unter
der Eingangsspannung.
Die ursprüngliche Schaltung sollte laut Buch als Kombination aus
Transimpedanz und Transkonduktanzverstärker arbeiten: Die Eingangsstufe
bestehend aus den beiden Differenzverstärkern soll aus der
Eingangsspannung einen äquivalenten Strom erzeugen und die Ausgangsstufe
soll diesen Strom wieder in eine Spannung umwandeln.
Beim Versuch diese zu simulieren kommt LTSpice kaum auf über 5%, selbst
nach 30min.
>Die Schaltung 2a ist ziemlicher Murks: durch die 47 Ohm als R15 und R1>kommt da fast kein Signal mehr an, das ist viel zu niederohmig. Damit>ist dann die Verstärkung kaum größer als 1. Außerdem ist der Strom in>der Ausgangsstufe nur etwa 1/20 des Stroms in der Eingangstufe. Man>sollte da Q12 und Q15 als Stromspiegel 1:1 oder eher mit mehr Strom auf>der Ausgangsseite bauen, nicht andersherum. Also z.B. R15 = R8 = 220 Ohm>um am Ausgang noch genügend Spannungshub zu erreichen.>Bei der Schaltung reduziert sich aber auch schon die DC-Verstärkung>recht weit - die Schleifenverstärkung bei niedriger Frequenz ist als>eher gering - vor allem wenn da am Ausgang noch eine Last dran hängt. Da>ist schon das Rückkopplungsnetzwerk mit R10 R11 schon fast zu viel Last.
Wenn die Schaltung mit 1K belastet wird, geht die Ausgangsspannung von
0,8V auf 120mV zurück. Die Frequenz scheint dabei kaum eine Rolle zu
spielen. Ändere ich die Widerstände R1, R8, R15 und R7 auf 220Ohm steigt
die Amplitude im Leerlauf auf 1,8V, bei 1K Belastung bleiben jedoch nur
mehr 700mV übrig.
Ist es überhaupt zielführend die Eingangsstufe symmetrisch aufzubauen?
Durch die 4 Transistoren in den Differenzverstärkern sollten eigentlich
durch die Stromspiegel der gleiche Strom fließen um den Klirrfaktor zu
verbessern. Aber die Stromspiegel musste ich ja entfernen um die
Schaltung erst funktionstüchtig zu bekommen.
Wie sieht so etwas in proffessionellen Verstärkern aus?
Verstärker schrieb:>>>Der Sinn des zusätzlichen Transistors Q8 ist es, die Kollektorspannung>>von Q10 auf ein höheres Potential zu bringen.>> Das leuchtet mir nicht wirklich ein, schließlich ist wird Q8 in> Kollektorschaltung betrieben und hat damit eine Spannungsverstärkung> von < 1 und die Ausgangsspannung am Kollektor von Q8 liegt ja 0,7V unter> der Eingangsspannung.
Genau. Das Basispotential von Q8 liegt dadurch bei etwa 1,4V, was eine
ausreichende Spannung für die aktive Last (Q10, Q1, R1 und R2) bewirkt.
Hallo,
ich hatte mich selber vor ca. 15 Monaten mit dem Thema "Verstärker"
beschäftigt da ich meine in den Jahren gekommenen, selbst entwickelten
Aktivboxen auf Vordermann bringen wollte.
Gerade die Eingangsstufe ist für einen Verstärker wichtig. Ich habe
zahlreiche Recherchen im Internet durchgeführt und auch letztlich ein
ganz interessantes englisch sprachiges Buch mir ausgeliehen. Um es
abzukürzen, ich habe es verworfen solche Eingangsstufen und Treiber
diskret aufzubauen. Es bringt nichts, ausser man will dadurch
Erfahrungen sammeln. Ich würde für eine analoge Endstufe einen LME49811,
LME49811 oder LME49830 nehmen. So gut wie die Profis von National
Semiconductor bekommt das kaum einer hin. Die ICs kosten bei Mouser um
die 12-15 Euro. Zu dem gibt es dann damit noch genug zu tun.
Deine Differenzverstärker sind gänzlich nicht optimal. Die ersten
Transistoren sollten FETs sein. Damit verbessert sich der Klirrfaktor.
Ich habe erst in den letzten Wochen einen aktuellen Tietze/Schenk, 13.
Auflage, in der Hand gehabt. Ältere Auflagen kannte ich schon und ich
hätte nicht vermutet das man da auch Quantensprünge machen könnte. Ich
glaube schon die 12. Auflage behandelt das Thema Differenzverstärker bis
auf das Feinste. Alles was ich wissen wollte habe ich dort
wiedergefunden. Aber dort geht man noch weiter.
Zum Thema LTSpice. Ohne vorherige Simulation mit LTSpice werde ich
keinen Lötkolben mehr anpacken. Gerade bei Differenzstufen stocherst Du
sonst nur im Dunkeln. Wenn eine Simulation mal langsam wird, dann gibt
es hier im Forum auch Hilfe. Es gibt ein paar Threads mit Tipps, z.B.
den alternative Solver zu nehmen und ggf. Parameter zu ändern.
Ich habe hier zwei Beispiele:
.options gmin=1e-10 reltol=0.003
.options gmin=1e-12 abstol=1e-10 reltol=0.003
Gruss Klaus.
Verstärker schrieb:> Ist es überhaupt zielführend die Eingangsstufe symmetrisch aufzubauen?
Was ist denn dein Ziel?.
Verstärker schrieb:> Wie sieht so etwas in proffessionellen Verstärkern aus?
So wie du es jetzt hast plus komplementären Emitterfolger.
> Die ersten Transistoren sollten FETs sein. Damit verbessert sich der
Klirrfaktor.
Nur auf Kosten der Steilheit (Verstärkung) und die Paarung (Offset) ist
viel schlechter.
> LME49811
Der ist gar nicht so gut. 50MHz Transitfrequenz aber nur 17V/µs, ein nur
auf gute Niederfrequenzdaten (bis 1KHz) getrimmter Verstärker. Die haben
den so hingetrimmt, dass die Leerlaufverstärkung bis 1KHz geht, weil
dort Klirr gemessen wird. Und für geringen Offset haben die noch
irgendwas gebastelt (OpenLoopGain 93/120dB, Seite 5 im DB).
Eine richtig gute Schaltung hat eine Leerlaufbandbreite von min. 20kHz,
geringen OpenLoop-Klirrfaktor, rel. geringe Leerlaufverstärkung und eine
angepasste SlewRate für geringe TIM-Verzerrungen.
Ich weiß, dass ich mit ICs vermutlich bessere Ergebnisse erzielen würde.
Was mir viel wichtiger ist, ist endlich Erfahrung mit analoger
Schaltungstechnik zu sammeln. Analoge Schaltungen finde ich viel
interessanter als das digital Zeugs.
>Was ist denn dein Ziel?
Ich habe (zumindest jetzt noch) nicht vor diese Schaltungen irgendwo
einzubauen, ich möchte sie erst einmal funktionstüchtig aufbauen und
"herumprobieren" (wie verhält sie sich bei verschiedenen Belastungen,
was passiert wenn ich bestimmte Parameter verändere...) und schauen ob
sie überhaupt funktioniert (was ja offensichtlich nicht selbst
verständlich ist, obwohl der Autor schreibt er habe sämtliche
Schaltungen aufgebaut und getestet).
Laut Buch soll die symmetrisch aufgebaute Schaltung einen besseren
Klirrfaktor haben, diese funktioniert aber nur, wenn ich die
Stromspiegel in den beiden Differenzverstärkern weglasse (Q1 und Q13 in
Schaltung_2). Allerdings sind dann die Ströme durch die beiden
Transistoren der Differenzverstärker nicht mehr gleich, was den
Klirrfaktor deutlich erhöhen soll. Dann kann ich mir den symmetrischen
Aufbau ja gleich sparen und Schaltung_1 verwenden...
Hat jemand eigentlich eine Vermutung warum bei meinem ersten Versuch mit
Schaltung_2 die beiden BC558 abgeraucht sind? Ich habe kaum
PNP-Transistoren hier und möchte desshalb nicht noch weitere opfern.
Die Transistoren sind bei der 2. Schaltung vermutlich kaput gegangen,
weil die Schaltung einfach fehlerhaft ist. Wenn man Pech hat sind die
Offsets so das beide Hälfen gleichzeitig vollen Strom ausgeben wollen,
und ohne Begrenzung des Stromes gibt dann der schwächste Transistor
nach.
Eine realistische Offsetspannung von z.B. 10 mV reicht schon allemal aus
um beide Seiten voll auf zu steuern.
Ein schon erkanntes Problem bei der originalen Schaltung 2 ist halt das
der Ruhestrom an der Ausgangsstufe nicht gut definiert ist. Da könnte
man aber ggf. auch eine Abwandlung von Schaltung 2 mit dem Stromspiegel
finden, wo das Problem nicht auftritt. Das Mindeste wäre wohl eine
Begrenzung der Ströme für die Transistoren am Ausgang (z.B. Widerstand
am Emitter und 2 Dioden als Begrenzung der Basisspannung). Damit würde
schon mal nichts durchbrennen, auch den der "Ausgang" mal
kurzgeschlossen wird.
Man bräuchte dann aber immer noch ein Kompensation der Offsetspannungen
der beiden Eingangsstufen, bzw. eine Einstellung des mittleren Stromes
für die Ausgangsstufen. Ob sich der Aufwand lohnt, wage ich zu
bezweifeln. Da vermutlich lieber eine gute Differenzstufe als 2 die sich
eventuell nicht ganz einig sind. Wegen der hohen Verstärkung reicht da
eine minimale Differenz.
Nichts gegen deine Bemühungen interessante Analogtechnik zu betreiben.
Aber dann würde ich mir was wirklich interessantes suchen! Gerade der
Grenzbereich zwischen Analog und Digital ist superinteressant.
Verstärker baut man mit IC und fertig.
LTspice ist nicht echtzeitfähig und diverse Leute lehnen das auch als
<zukünftige> Gotteslästerung ab. Auch wenn die Prozessoren immer
schneller werden.
LTspice wird langsam, wenn es keinen sauberen nächsten Zeitpunkt mehr
findet. Z.B. wenn lokal die Funktion nicht mehr stetig ist, damit auch
nicht mehr differenzierbar. Das ist immer ein guter Kandidat. Oder eine
Kombination aus übertrieben schnellen und langsamen Signalen am gleichen
Zeitpunkt.
Wenn er noch nicht einmal das ASC-File postet, wird auch keiner helfen
wollen. Ich werds sicherlich nicht nachmalen.
Besser ist es sowieso in der LTspice Yahoo-Gruppe zu fragen.
Schaltung_1.GIF
(37 KB)
Schaltung_2.GIF
(38 KB)
