Vom SRPP zum SRSE

Teil 1: Die SRPP-Standardschaltung

In diesem ersten Teil der SRPP-Artikelserie untersuchen wir die Tauglichkeit der Standard-SRPP-Schaltung als Hochpegel-Verstärker. Dafür definieren wir die Anforderungen an einen universellen Vorverstärker und prüfen im Anschluss, ob und wie gut die Standard-SRPP-Schaltung diese Anforderungen erfüllt.

Ursprung und Namensgebung

Die SRPP-Schaltung (Shunt-Regulated-Push-Pull) wurde vor allem in Japan in den 1980er Jahren populär. Es entwickelten sich neben einer Reihe von Schaltungsvarianten auch etliche alternative Bezeichnungen, zum Beispiel SEPP, Mü-Follower, Cascoded-Cathode-Follower und Totem-Pole-Amplifier, um nur einige zu nennen. Interessanterweise ist die erste allgemein bekannte Beschreibung ein Patent aus den 1940ern, in dem eine nahezu Standard-SRPP-Schaltung als Leitungstreiber für ein mit dem Wellenwiderstand abgeschlossenes Koaxkabel dient. Diese Schaltung wurde aber noch nicht als SRPP, sondern nüchtern "balanced direct and alternating current amplifier" (US-Patent 2.310.342) bezeichnet.

Line-Level-Preamps

Da wir die SRPP-Schaltung als Vorverstärker für Linelevel-Signale einsetzen möchten, müssen wir ein paar Anforderungen in unser Pflichtenheft aufnehmen:

Die Verstärkung (Gain) sollte zwischen Faktor 10 und Faktor 20 betragen.
Eine ausreichende Bandbreite können wir eigentlich per se voraussetzen.
Die Verstärkung sollte möglichst linear und klirrarm sein, und dies auch ohne den Einsatz von globalen Rückkopplungsschleifen. Über röhreninterne Rückkopplungsmechanismen wird übrigens später noch zu berichten sein.
Gefordert ist eine niedrige Ausgangsimpedanz. Denn wo immer möglich trennen wir Vorstufe und Endstufen und platzieren die Endstufen möglichst nahe an den Lautsprechern. Da Röhrenendstufen üblicherweise sehr geringe Dämpfungsfaktoren besitzen, haben die Widerstände der Lautsprecherkabel Einfluss auf das Zusammenspiel der Impedanzen von Endstufe und Lautsprechern, weshalb die Lautsprecherkabel möglichst kurz ausgeführt werden sollten. Lieber setzen wir Leitungslängen zwischen Vor- und Endstufe ein. Verfügt die Vorstufe über einen hinreichend kleinen Ausgangswiderstand, dann werden die Cinch- oder XLR-Kabel nicht zum klangbestimmenden Element in der Hifi-Kette.
Die Stromlieferfähigkeit unseres Vorverstärkers ist kein entscheidendes Kriterium. Wollten wir Kopfhörer ansteuern, sagen wir eine Grado mit typischen 32 Ohm Impedanz oder einen der großen Sennheiser mit immer noch 300 Ohm Impedanz, müsste der Preamp neben einem kleinen Ausgangswiderstand auch die Potenz besitzen, die Kopfhörer mit reichlich Strom zu versorgen. Da wir uns aber auf die Ansteuerung von Endstufen festgelegt haben, ist diese Strompotenz gar nicht nötig, um ein paar Volt in Eingangsimpedanzen von 10 kOhm bis 100kOhm typischer Endstufen zu bringen.

Standard-SRPP-Schaltung

Anhand der Standard-Schaltung wollen wir untersuchen, wie die SRPP-Schaltung prinzipiell und insbesondere der Gegentaktbetrieb funktionieren. Ich verzichte an dieser Stelle auf die mathematische Herleitung, denn die wird durch die Innenwiderstände der Röhren durchaus komplex und ist dann einem allgemeinen Verständnis möglicherweise hinderlich.

Gegeben sei die obige Schaltung. Wir setzen Trioden vom Typ 6SN7 ein, die mit ihrem Mü von 20 eine der üblichen Röhren für Line-Verstärker ist. Die Versorgungsspannung betrage 300 Volt. Wir setzen Rk = Rak, damit beide Trioden die gleiche Uak sehen, dann müssen bei identischem Querstrom Iq die anderen relevanten Röhrenparameter wie die Steilheit S und der Innenwiderstand rp für die beiden Röhren auch identisch sein. Rk und Rak sollen in dieser Beispielschaltung je 1.4 kOhm sein, und als Last bestimmen wir 10k Ohm als Eingangsimpedanz einer nachgeschalteten Endstufe. Der Querstrom Iq ergibt aus diesen Bedingungen zu ungefähr 3.5 Milliampere.

Wenn in einem beliebigen Augenblick die Signalspannung am Eingang der unteren Röhre zunimmt, dann wird die untere Triode abhängig von ihrer Steilheit etwas mehr als den Ruhestrom Iq leiten. Der erhöhte Strom verursacht über Rak einen größeren Spannungsabfall, Rak wirkt hier also als Strom-/Spannungswandler. Je größer der Spannungsabfall über Rak wird, desto mehr sperrt die obere Triode, denn in Relation zur Kathode wird die Spannung am Gitter immer negativer. Sperren bedeutet hier aber nichts anderes, als dass der Strom durch die obere Triode abnimmt, während gleichzeitig der Strom durch die untere Triode zunimmt. Die Differenz der beiden Triodenströme muss durch die Last zurück zur Quelle fließen. Diese Schaltung arbeitet also, obwohl sie unsymmetrisch angesteuert wird, im Gegentakt der Triodenströme in die Last, und das ist die Definition von Push-Pull-Betrieb.

Viele Autoren haben beschrieben und bewiesen, dass sich in einer symmetrischen Gegentaktschaltung die geradzahligen Harmonischen des Klirr aufheben, somit die Schaltung insgesamt linearer verstärkt. Das entscheidende Wort ist "symmetrisch" und bedeutet für unsere Schaltung, dass die Triodenströme um 180 Grad phasenverschoben sein müssen und gleiche Amplitude haben müssen. Nur dann kompensieren sich die geradzahligen Harmonischen. Eine schnelle Simulation zeigt, dass unsere Schaltung funktioniert:

Im Plot sind die Ströme durch die untere und die obere Triode abgedruckt. Offensichtlich sind sie gegenphasig und besitzen gleiche Amplitude, also genau das, was wir erreichen wollten.

Wenn es so simpel ist, eine funktionierende Schaltung zu zeichnen, warum wird dann soviel Aufhebens um die SRPP-Schaltung gemacht? Nun, zum einen haben wir stillschweigend vorausgesetzt, dass die beiden Trioden identisch sind. In der Praxis jedoch streuen gerade die relevanten Parameter Steilheit und Innenwiderstand am meisten, zudem driften die Parameter jedes Röhrensystems über ihre Lebenszeit.

Viel schwerwiegender ist jedoch, dass Last und Rak=Rk röhrenabhängig in einem bestimmten Verhältnis stehen müssen, damit die Forderung nach Symmetrie erfüllt ist.

Angenommen, wir wollen den Querstrom unserer Schaltung auf gute 7 Milliampere erhöhen, um in den lineareren Teil der Röhrenkennlinie zu kommen, natürlich ohne die Röhre bis an ihre Leistungsgrenzen zu belasten. Eine schnelle Simulation liefert uns für Rak und Rk den Wert 470 Ohm, um einen Querstrom von 7.3 Milliampere zu erhalten. Die Ströme durch die beiden Trioden zeigt wieder der Simulations-Plot:

Die Verkleinerung von Rak führt dazu, dass vornehmlich die untere Triode -in hochohmiger Kathodenbasis-Schaltung- in die Last arbeitet, während die obere Triode kaum noch einen Beitrag zur Verstärkung liefert. Mit der Verkleinerung von Rak haben wir den Gegentakt-Betrieb faktisch verloren.

Damit symmetrischer Gegentakt-Betrieb erreicht wird, muss folgende Formel, auf deren Herleitung ich verzichten möchte, erfüllt sein:

Die Gleichung liefert uns optimale Rak und Rk für eine gegebene Last und für eine Röhre mit ihren Parametern Mü und Innenwiderstand rp. Indirekt diktiert sie uns aber auch den Arbeitspunkt jeder Röhre, denn wir haben außer der Versorgungsspannung keine weitere Möglichkeit mehr, auf die Arbeitspunkte Einfluss zu nehmen. Das führt sehr oft zu Schaltungen wie oben, in denen die Röhren sehr zugeschnürt mit wenig Strom laufen müssen, was in unseren Augen dem Klang selten gut tut.

Die unmittelbare Abhängigkeit von Rload ist das Kernproblem der SRPP-Standardschaltung. Wie wir gesehen haben, funktioniert der symmetrische Gegentaktbetrieb nur für einen bestimmten Lastwiderstand, der zudem noch rein resistiv sein muss. Ein Vorverstärker sollte uns aber die Freiheit geben, von einer Röhrenendstufe mit einigen 100 kOhm Eingangsimpedanz auf eine FET-Endstufe mit vielleicht noch 10k Ohm oder weniger zu wechseln, ohne die Schaltung umbauen oder abgleichen zu müssen.

Was wir bislang noch außer Acht gelassen haben, ist die Ausgangsimpedanz des Verstärkers. Im Beispiel oben mit Rak=Rk=1.4 kOhm hätte der Verstärker einen Zout von ungefähr 4.5 kOhm bei einer Last von 10kOhm. Um wie oben beschrieben keine Probleme mit Kabellängen oder -qualitäten zu bekommen, fordern wir aber eine Ausgangsimpedanz deutlich kleiner 1 kOhm.

Wenn wir die Fakten bis hierher zusammen zählen, kommen wir zu dem Ergebnis, dass die SRPP-Standardschaltung kein Kandidat für einen universellen Linepegel-Verstärker ist. Aber es gibt ein paar Schaltungskniffe, mit denen man die Eigenschaften deutlich verbessern kann. Lesen Sie mehr darüber im zweiten Teil.

Bis zum nächsten Mal,

Ihr Team von McIntyre-HiFi

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