Ein Operationsverstärker mit Röhren-Diff-Amp (ECC83)

[Jan K. (keksstein)]

Hallo zusammen,

ich habe mal ein bisschen mit Spice gespielt und versucht "moderne" 
Konzepte mit Röhren zu verbinden. Die (für Röhren) recht rauscharme 
Doppeltriode ECC83 bietet sich zum Beispiel für einen 
Differenzverstärker an, verbindet man das mit einem passenden Konzept 
wie HDAM sollte sich die hohe Anodenspannung handhaben lassen.

Die angehängte Schaltung wurde simuliert, funktioniert in der Simulation 
so gut wie eine Transistor HDAM. Klirrt je nach Last praktisch nicht, 
wenn man die Ausgangstransistoren kühlt kann man damit niederohmige 
Kopfhörer treiben. Die Stufe ist stabil bei Verstärkung 1, 
Leerlaufverstärkung ca. 80dB bei 20Hz. Anodenspannung ca. 150V, da 
landet man auf einem günstigen Teil der Kennlinie was den Klirr ein 
wenig senkt.

Ich habe eine kleine Platine gelayoutet die nur den Operationsverstärker 
enthält, man gibt mit der externen Beschaltung die gewünschten 
Eigenschaften vor. Ein Einzel-OPV auf 60x60mm Platinenfläche den man auf 
eine weitere Platine lötet. Die 6N2P funktioniert statt der ECC83 auch, 
letztere gibt es für wenige Euros öfter mal in Ebay.

Was mich jetzt beschäftigt ist ob sich die Schaltung unter gewissen 
Betriebszuständen selbst zerstören könnte. Beispielsweise wenn die Röhre 
noch nicht angeheizt ist. Ich bin mir auch nicht sicher ob es sinnvoll 
ist T4/5/1 mit Bauteilen zu bestücken die nur 60V abkönnen. Ich meine 
z.B. das T9 & T10 als Spannungsbegrenzung am Knoten der auch T3 & T5 
enthält wirkt, Alles nach den Kollektoren von T2 & T3 sehe ich als 
Niederspannung an. Fällt Euch ein Fehlerfall ein der die Bauteile im 
normalen Betrieb zerstört?

Einige Eigenheiten die bei der Simulation aufgefallen sind:

- Der OPV Ausgang klemmt an seiner Rail bis die Röhre warm ist, solange 
ist der Differenzverstärker "nicht da". Die nachfolgende Schaltung muss 
davor geschützt werden
- Kontaktprobleme in der Fassung der Röhre machen ebenso Ärger, die 
meisten Röhrenverstärker bauen aber auch Mist wenn eine Röhre ausfällt.
- Wie "gleich" die beiden Systeme der ECC83/6N2P sind kann ich nicht 
sagen, ich würde mal mit einem recht heftigen Offset rechnen. AC koppeln 
ist wohl besser, bei hoher Verstärkung muss man tricksen.

Was ich damit machen will?

HiFi Vorverstärker oder einen Symmetrierverstärker aufbauen.

Gruß,
Jan

[Gunnar F. (gufi36)]

Interessant, danke! Wie es der Zufall will, fange ich auch gerade nach 
45 Jahren Elektronikpraxis an, mich mit Röhren zu befassen. Genau so 
etwas in der Art schwebte mir (diffus!) vor!

[Arno R. (arnor)]

Jan K. schrieb:
> Die angehängte Schaltung wurde simuliert,
> Klirrt je nach Last praktisch nicht

Mit R16=R17 würde die wohl noch weniger klirren.

Jan K. schrieb:
> Die Stufe ist stabil bei Verstärkung 1

Das sagt gar nichts aus. Stabil ist der auch mit 1° "Phasenreserve". Wie 
groß ist die Phasenreserve bei V=1 und wie ist der Frequenzgang der 
Leerlaufverstärkung? R13 mit 1Ohm ist ja wohl ein Scherz.

Jan K. schrieb:
> - Der OPV Ausgang klemmt an seiner Rail bis die Röhre warm ist, solange
> ist der Differenzverstärker "nicht da". Die nachfolgende Schaltung muss
> davor geschützt werden

Solange die Röhren nicht arbeiten, will der Kollektor von T3 auf fast 
+150V. Du kannst den Stromspiegel T4/T5 etwas unsymmetrisch zugunsten 
von T4 auslegen, dann zieht T5 den Hochimpedanzknoten nach unten. Ein 
definiertes Potential (etwa 0V) geht aber nur, wenn man nennenswert 
Strom von dem Knoten nach Masse fließen lässt, was aber die 
Leerlaufverstärkung reduziert.

[Jan K. (keksstein)]

Hallo zusammen,

>Interessant, danke! Wie es der Zufall will, fange ich auch gerade nach
>45 Jahren Elektronikpraxis an, mich mit Röhren zu befassen. Genau so
>etwas in der Art schwebte mir (diffus!) vor!

Das freut mich :-)
Wenn das Konzept in der Theorie funktioniert will ich die Platine 
fertigen lassen und probiere das aus. Layout etc. kann ich natürlich 
teilen.

>Mit R16=R17 würde die wohl noch weniger klirren.

Korrigiert, danke, war ein Fehler im Schaltplan. In der Simulation sind 
beide Widerstände gleich.

>Das sagt gar nichts aus. Stabil ist der auch mit 1° "Phasenreserve". Wie
>groß ist die Phasenreserve bei V=1 und wie ist der Frequenzgang der
>Leerlaufverstärkung? R13 mit 1Ohm ist ja wohl ein Scherz.

Ich habe mal ein Screenshot + Simulation angehangen

R13 ist unnötig, deshalb 1 Ohm. Mit C1 = 10pF wird das stabil, er 
schadet aber auch nicht wenn man an dem Netzwerk experimentieren will.

>Solange die Röhren nicht arbeiten, liegt der Kollektor von T3 auf fast
>+150V. Du kannst den Stromspiegel T4/T5 etwas unsymmetrisch zugunsten
>von T4 auslegen, dann zieht T5 den Hochimpedanzknoten nach unten. Ein
>definiertes Potential (etwa 0V) geht aber nur, wenn man nennenswert
>Strom von dem Knoten nach Masse fließen lässt, was aber die
>Leerlaufverstärkung reduziert.

T3 kann die 150V aber vertragen, das die Schaltung solange die Röhre 
kalt ist noch nicht korrekt arbeitet ist für die meisten Anwendungen 
eigentlich kein Problem. Die Frage ist nur, geht irgend ein Halbleiter 
währenddessen kaputt?

Übersteuert man den Eingang heftig fließt z.B. über 1mA über die Basis 
Kollektor Diode von Q8. (Simulation) Ob der das verträgt, keine Ahnung. 
Das Datenblatt schweigt dazu.

Gruß,
Jan

[Arno R. (arnor)]

Deine Schaltung ist bei V=1 voll im Bereich des 2.Pols der 
Übertragungsfunktion bei nur noch 20° Phasenreserve. Das ist viel zu 
wenig und ergibt deftiges Überschwingen und abklingende Oszillation im 
Zeitbereich und eine Überhöhung im Frequenzbereich. Unter 60° ist 
unbrauchbar, also die Betriebsverstärkung oder C1 vergrößern.

Wer mit Gewalt mehr Bandbreite will, dimensioniert mit R13/C1 eine 
Nullstelle auf die Frequenz des 2. Pols der Schaltung. Damit wird dieser 
aufgehoben und man bekommt einen Frequenzgang 1. Ordnung, da der 1. Pol 
von der Kapazität am Hochimpedanzknoten bestimmt wird. Weil zu C1 aber 
die Kapazitäten von 4 Transistoren parallel liegen ist diese Wirkung 
sehr begrenzt.

Weiterhin stellt sich die Frage, wie du die Leerlaufverstärkung 
ermittelt hast. Wenn es mittels Kondensator für AC aufgehobener 
DC-Gegenkopplung war, dann stimmt die Kurve oben eh nicht.

[Jan K. (keksstein)]

Danke Arno R.

ich kann mit R13 = 470 Ohm & C1 = 47pF einen Zustand erreichen wo 
(knapp) 60° Phasenreserve da sind, das Problem ist das die 
Leerlaufverstärkung bei 20kHz dann unter 50dB fällt. Ich habe mit 
verschiedenen Werten gespielt, auch den zweiten Pol getroffen, bekomme 
das aber in der Simulation nicht besser hin. Um die erwähnte Kapazität 
der Kollektoren aller 4 Transistoren schneller umzuladen habe ich den 
Strom durch den Spiegel erhöht, das bringt mir wenig weil ich wieder 
Phasenreserve verliere und C1 vergrößern muss.

Tausche ich die Röhre gegen NPN Transistoren aus sieht es nicht besser 
aus, irgendwo muss meine Dimensionierung Mist sein. Hast Du weitere 
Tipps wie ich die Röhrenschaltung gut hinbekomme?

>Weiterhin stellt sich die Frage, wie du die Leerlaufverstärkung
>ermittelt hast. Wenn es mittels Kondensator für AC aufgehobener
>DC-Gegenkopplung war, dann stimmt die Kurve oben eh nicht.

Bei Transientenanalyse C5 von der GK genommen, R9 1Ohm. Bei der AC 
Analyse C5 10F oder 1kF,  R9 1k.

Passt das nicht?

Gruß

[Arno R. (arnor)]

Jan K. schrieb:
> Bei Transientenanalyse C5 von der GK genommen, R9 1Ohm. Bei der AC
> Analyse C5 10F oder 1kF,  R9 1k.

Ich kann damit nichts anfangen, weil ich kein LTSpice benutze. 
Vielleicht lädst du einfach mal Bilder hoch.

Jan K. schrieb:
> ich kann mit R13 = 470 Ohm & C1 = 47pF einen Zustand erreichen wo
> (knapp) 60° Phasenreserve da sind, das Problem ist das die
> Leerlaufverstärkung bei 20kHz dann unter 50dB fällt.

Wenn du C1 vergrößerst, dann sinkt der erste Pol ab, aber natürlich wird 
die Wirkung der Nullstelle stärker, da durch den R13 der jetzt größere 
Kondensator unwirksam gemacht wird.

Die große Phasenreserve von 60° bei V=1 hat eben ihren Preis, also eine 
niedrige erste Polfrequenz und damit auch weniger Verstärkung bei 20kHz. 
Man muss die Schaltung ja nicht so universell bis V=1 auslegen, sondern 
kann mit C1 die 1. Polfrequenz nach Anforderung einstellen.

[Arno R. (arnor)]

Jan K. schrieb:
> Hast Du weitere Tipps wie ich die Röhrenschaltung gut hinbekomme?

Was genau meinst du damit? Die Bandbreite?

Die erreichbare Bandbreite wird vor allem vom zweiten Pol bestimmt 
(falls der 3. weit genug weg ist), da er die Lage des 1.Pol erzwingt. 
Wer in deiner Schaltung den 2. Pol bei etwa 2,5MHz erzeugt, weiß ich 
nicht, es gibt einige Stufen die in der Größenordnung liegen und man 
sieht auch, daß die Phase richtig abschmiert, also der 3. und 4. Pol 
nicht weit weg sind.

Man müsste also ermitteln welche Stufe welchen Pol macht und die dann 
geeignet schneller machen. Z.B. durch kleinere Transistoren, mit 
kleineren Kapazitäten und höherer Transitfrequenz bei den kleinen 
Strömen. Die FZT956 sind mMn eine totale Fehlbesetzung, 2A-Transistoren 
bei 1mA betreiben ist nicht besonders clever. Deren Transitfrequenz ist 
dort gering und die Kapazitäten sind groß.

[Jan K. (keksstein)]

Ich hatte die Hoffnung das es da einen besseren Weg gibt, 48dB 
Leerlaufverstärkung bei 20kHz sind im Vergleich zu käuflichen OPV ganz 
schön mies. Andersrum, im Vergleich zu klassischen Röhrenschaltung 
performt das immernoch super.

Ich habe die Bilder angehangen, R12 geht jetzt nicht mehr an Masse 
sondern an die Gegenseite des Spiegels. Macht so mehr Sinn finde ich. 
Rechteckantwort auf diese Art "perfekt" ohne Überschwinger. Spice meint 
ca. 65° Phasenreserve bei Leerlaufverstärkung = 1.

Nochmal zur ursprünglichen Frage: Meinst Du die Schaltung kann sich in 
der Ausführung selbst zerstören, beispielsweise durch Falsche 
Reihenfolge wenn die Betriebsspannungen angelegt werden oder wieder 
abfallen?

>Was genau meinst du damit? Die Bandbreite?

Im Grunde ja nur weiterhin stabil bei Verstärkung 1. Mehr 
Gegenkopplungsreserve bei 20kHz für weniger Klirr.

[Jan K. (keksstein)]

>Man müsste also ermitteln welche Stufe welchen Pol macht und die dann
>geeignet schneller machen. Z.B. durch kleinere Transistoren, mit
>kleineren Kapazitäten und höherer Transitfrequenz bei den kleinen
>Strömen. Die FZT956 sind mMn eine totale Fehlbesetzung, 2A-Transistoren
>bei 1mA betreiben ist nicht besonders clever. Deren Transitfrequenz ist
>dort gering und die Kapazitäten sind groß.

Das Problem ist, durch die 150V fallen da ja ~150mW ab, die Platine wird 
in SMD Bestückt. SOT23 fand ich kritisch und hab deshalb SOT223 gewählt. 
Ich habe den FCX596 gefunden, der hat wesentlich kleinere Interne 
Kapazitäten.

[Jan K. (keksstein)]

Mit dem FCX596 klappt es deutlich besser, C2 10pF und R12 470Ohm (6pF 
zusätzlich gegen Masse, das sehe ich als parasitäre Kapazität auf der 
Leiterplatte) führt zu UGB 10MHz, bei 20kHz bleiben ~55dB 
Leerlaufverstärkung. Ich glaube so versuch ich es.

[Arno R. (arnor)]

Jan K. schrieb:
> Ich habe die Bilder angehangen, R12 geht jetzt nicht mehr an Masse
> sondern an die Gegenseite des Spiegels.

Das wusste ich vorhin noch nicht. Außerdem ist es nicht die Gegenseite 
des Spiegels, sondern C2 ist jetzt eine Millerkapazität an Q2.

Jan K. schrieb:
> Nochmal zur ursprünglichen Frage: Meinst Du die Schaltung kann sich in
> der Ausführung selbst zerstören, beispielsweise durch Falsche
> Reihenfolge wenn die Betriebsspannungen angelegt werden oder wieder
> abfallen?

Du kannst eine Diode vom Kollektor Q4 nach V+ legen, dann bleibt die 
Rückwärtsspannung an B/E von Q7 unter der Durchbruchspannung.

[Jan K. (keksstein)]

>Du kannst eine Diode vom Kollektor Q4 nach V+ legen, dann bleibt die
>Rückwärtsspannung an B/E von Q7 unter der Durchbruchspannung.

Die Kapazität der Diode wird von der Schaltung nicht sehr gemocht, ich 
hab es mit einer 1N4148 simuliert. Erfüllt nicht die Basis Kollektor 
Diode von Q8 die gleiche Aufgabe? Es fließt ja unter 1mA.

[Arno R. (arnor)]

Jan K. schrieb:
> Erfüllt nicht die Basis Kollektor Diode von Q8 die gleiche Aufgabe?

Ja, das stimmt, hab ich übersehen.

[Jan K. (keksstein)]

Perfekt, danke nochmal für die Tipps.
Ich layoute die Leiterplatte fertig, baue einen Prototypen auf & schaue 
wie das Konzept in der Praxis funktioniert.
Hoffe das ich in ein paar Wochen Ergebnisse einstellen kann.

Gruß,
Jan

[Harald W. (wilhelms)]

Jan K. schrieb:

> ich habe mal ein bisschen mit Spice gespielt und versucht "moderne"
> Konzepte mit Röhren zu verbinden.

Was erwartest Du von einem solchen Konzept? Vermutlich hat schon ein
gewöhnlicher NE5532 bessere Daten.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Wieso kann man eigentlich die Kollektoren von Q7 und Q8 nicht direkt 
miteinander verbinden und dann noch mit den Basen verbinden? Das würde 
das Layout vereinfachen.

Es wird doch nur der Spannungsfall der BE-Strecke benötigt, so als ob 
dort 2 Dioden eingesetzt wären.

[Arno R. (arnor)]

Enrico E. schrieb:
> Wieso kann man eigentlich die Kollektoren von Q7 und Q8 nicht direkt
> miteinander verbinden und dann noch mit den Basen verbinden?
> Es wird doch nur der Spannungsfall der BE-Strecke benötigt, so als ob
> dort 2 Dioden eingesetzt wären.

Nein, die Transistoren arbeiten als Emitterfolger UND als 
Vorspannungsdioden für die Endstufe. Würde man, wie von dir 
vorgeschlagen, nur die Diodenfunktion nutzen, dann wäre die Belastung 
des Knotens Kollektor Q2/Q4 zu niederohmig und die Leerlaufverstärkung 
um etwa den Faktor 100 niedriger.

[Jan K. (keksstein)]

>Was erwartest Du von einem solchen Konzept? Vermutlich hat schon ein
>gewöhnlicher NE5532 bessere Daten.

Faszination an Uralter Technik. Es gibt ja einen Hype um Röhren in 
Audioschaltungen, in den meisten Fällen ist die Performance aber mies 
weil man Konzepte nutzt die vor 100 Jahren entwickelt wurden. (Oder den 
Klang absichtlich verbiegen will) Die Idee ist mit den alten Bauteilen 
möglichst das maximum rauszuholen.

>Wieso kann man eigentlich die Kollektoren von Q7 und Q8 nicht direkt
>miteinander verbinden und dann noch mit den Basen verbinden? Das würde
>das Layout vereinfachen.

Google mal nach "Diamond Buffer" oder schau dir das DB vom BUF634 an.