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Vom SRPP zum SRSE

Teil 2: Eine Stromquelle macht den Unterschied

 
Im ersten Teil der SRPP-Artikelserie haben wir die SRPP-Standardschaltung untersucht und ihre Defizite benannt. In diesem zweiten Teil wollen wir versuchen, die Schaltung so zu verändern, dass sie unsere Ansprüche an einen Linelevel- Verstärker erfüllt.
 
Rückblick auf die SRPP-Standardschaltung
Die SRPP-Standardschaltung mit Rk=Rak lieferte uns eine Verstärkung von ungefähr 16dB. Das ist soweit schon brauchbar, es dürfte allerdings auch etwas mehr sein. Unsere Forderung, dass die Ausgangsimpedanz höchstens ein Zehntel der Eingangsimpedanz der nachfolgenden Stufe betragen darf, damit wir keine Problem mit Leitungslängen und -qualitäten bekommen, konnte die Standardschaltung nicht erfüllen; wir ermittelten 4.5k Ausgangsimpedanz an einer 10 kOhm Last.
 
 
Die wichtigste Erkenntnis aus dem letzten Artikel war jedoch, dass der Kernaspekt der Schaltung, nämlich der Gegentakt- oder PushPull-Betrieb nur dann funktioniert, wenn die Widerstände der Schaltung in einem bestimmten, von den Röhrenparametern abhängigen Verhältnis zum Lastwiderstand stehen. Abgesehen von den normalen Streuungen der Röhren und ihrer Drift über die Lebenszeit widerspricht das unserer Forderung komplett, den Vorverstärker frei mit allen denkbaren Endstufen einsetzen zu können, seien es 300B-SET oder Röhrengegentakt-Verstärker mit relativ hohen Eingangsimpedanzen, oder warum nicht eine FET-Endstufe von Nelson Pass, die selten mehr als 10k Eingangswiderstand bietet.
 
Brauchen wir Gegentakt-Betrieb wirklich?
Wir haben ja bereits im ersten Teil festgestellt, dass eine Push-Pull-Anordnung im Vergleich zu einer Eintaktlösung den doppelten Strom in die Last pumpen könnte. Wenn wir 10 kOhm als minimale Last definieren und diese mit reichlich 10 Vp füttern wollten, dann wäre dazu aber nur ein einziges Milliampere notwendig, und dazu braucht es -genügend Ruhestrom und eine kleine Ausgangsimpedanz vorausgesetzt- nun wirklich keinen Gegentakt, das kann eine Eintaktlösung (single-end) ohne Probleme auch leisten. Die doppelte Stromlieferfähigkeit der Gegentaktschaltung ist damit kein Argument, am Push-Pull-Betrieb festzuhalten.
Der zweite Aspekt der Gegentaktschaltung ist die Verringerung des Klirrfaktors durch die Kompensation der geradzahligen Harmonischen. Das ist durchaus eine erwünschte Eigenschaft. Aber vergleichen Sie bitte, wenn Sie die Gelegenheit haben, den Klang einer typischen KT88- Gegentaktendstufe mit einer gut gemachten Eintaktendstufe vom Schlage einer 45 oder 300B SET. Nicht wenige beschreiben den Klang der Single-Ended-Verstärker als runder, wärmer oder einfach wohlklingender, während die Gegentakt-Endstufen im direkten Vergleich etwas rauher auftreten. Die Ursache dieser Klangunterschiede liegt unter anderem in den unterschiedlichen Klirrspektren der Konzepte: Gegentakt ist zwar potentiell klirrärmer, aber die ungeradzahligen Komponenten k3, k5 usw. dominieren das Spektrum. Bei den Eintaktern dominieren die geradzahligen Harmonischen, also k2, k4 usw., und prägen damit den typischen SE-Sound. Wenn wir im folgenden unsere SRPP-Schaltung auf Single-Ended umbauen, wird sich folglich auch der Klangcharakter verändern. Ob dieser Umbau in Ihren Ohren besser oder schlechter klingt, können natürlich nur Sie entscheiden. Aber nutzen Sie die Möglichkeit eines Vergleichs, wenn sich Ihnen die Gelegenheit bietet, es lohnt sich!
 
Shunt-Regulated-Single-Ended
Der Umbau unserer Ausgangsschaltung auf single-ended ist eigentlich ganz einfach: Wir müssen lediglich den Widerstandswert von Rak massiv erhöhen. Mit echten Widerständen wird uns das nicht gelingen, da uns die Versorgungsspannung Grenzen setzt. Aber eine Stromquelle (oder CCS, Constant-Current-Source) bietet genau den hohen Innenwiderstand, den wir benötigen. Die Eigenschaften der veränderten Schaltung untersuchen wir erstmal wieder im Simulator, wieder mit idealisierten Bauelementen.
 
 
Man beachte, dass wir die Röhrenstufe nun mit mehr Ruhestrom betreiben und die CCS dafür auf 7.5 mA eingestellt haben. Damit beide Trioden jeweils wieder ungefähr die halbe Versorgungsspannung sehen, wurde Rk auf 470 Ohm erniedrigt. Die Erhöhung des Ruhestroms, um die Trioden im lineareren Teil ihrer Kennlinien betreiben zu können, blieb uns bei der ursprünglichen Schaltung aufgrund der gegenseitigen Abhängigkeit der Widerstände verwehrt. Nun haben wir Freiheiten, den Arbeitspunkt selbst festzulegen, um dies schon vorweg zu nehmen.
Die Ströme durch die beiden Trioden bei Ansteuerung zeigt wieder der Simulations-Plot:
 
 
Der blaue Trace entspricht dabei dem Strom durch die obere Triode, während der rote Trace den Strom durch die untere Triode anzeigt. Auf den ersten Blick erkennt man, dass nur noch die obere Triode Strom in die Last liefert, während der Strom durch die untere Triode, obwohl sie ausgesteuert wird, außerordentlich konstant bleibt. Wie ist das zu erklären?
Die untere Triode arbeitet in Kathodenbasisschaltung und sieht als Außenwiderstand nur noch unsere hochohmige Stromquelle. Dass sich hinter der Stromquelle noch die Last und das zweite Triodensystem verbergen, sieht die Kathodenbasis nicht, weil die CCS sie davon komplett isoliert. In der Praxis ist diese Isolation natürlich nicht perfekt, aber in der Simulation haben wir eine ideale Stromquelle zur Verfügung.
Wenn die Stromquelle den Strom durch die untere Triode konstant hält, dann muss jede Änderung der Steuerspannung am Eingang der Röhre unmittelbar zu einer Änderung der Anodenspannung führen. Die Änderung der Anodenspannung kann in unserer Schaltung aber nicht mehr auf den Anodenstrom rückwirken, weil dieser ja von der CCS konstant gehalten wird. In der Folge wird sich die Spannungsverstärkung der Kathodenbasis-Schaltung dem Mü der Triode annähern.
 
Wenn Sie mit der Rückwirkung der Anodenspannung auf den Anodenstrom gerade etwas Verständnisprobleme haben sollten: Man kann den Anodenstrom einer Triode über zwei Wege steuern:
  1. Eine Steuerspannung Ugk steuert Ia in einer Größenordnung, die uns die Steilheit der Röhre vorgibt.
  2. Hält man Ugk konstant und ändert die Uak, ändert sich Ia ebenfalls.
Im Ausgangskennlinienfeld ist das sehr leicht nachzuvollziehen (hier in der Simulation einer 6SN7):
 
 
Man sucht sich auf einer der Gitterlinien einen beliebigen Arbeitspunkt, und verschiebt den Arbeitspunkt entlang der gewählten Gitterlinie. Wenn man auf einer Gitterlinie bleibt, bedeutet das nichts anderes als dass Ugk konstant gehalten wird. Beim Verschieben des Arbeitspunkts wird man sowohl in der Horizontalen, gleichbedeutend mit Uak, wie auch in der Vertikalen, gleichbedeutend mit Ia, einen bestimmten Bereich abfahren. Je steiler die Gitterlinien verlaufen, desto größer wird der überstrichene Bereich des Anodenstroms. Da die Steilheit der Gitterlinien ein Maß für den Innenwiderstand der Röhren rp ist, wird klar, dass rp bestimmt, wie groß der Einfluss einer sich ändernden Uak auf Ia ist, denn das Ohmsche Gesetz gilt auch für Kleinsignalparameter.
 
Nehmen wir eine einfache Kathodenbasis-Schaltung mit einem Ra als Beispiel:
 
 
Aufgrund einer Steuerspannung Vstm, die in einem beliebigen Augenblick größer wird, wird die Röhre gemäß ihrer Steilheit den Anodenstrom erhöhen. Mehr Anodenstrom erzeugt über Ra einen Spannungsabfall, der die Uak der Röhre sinken lässt. Wenn die Uak sinkt, muss nach Steuerprinzip b) Ia wieder abnehmen. Die effektive Steilheit der Röhre wird also kleiner sein als die im Datenblatt angegebene Steilheit, und die Spannungsverstärkung wird kleiner sein als die ebenfalls im Datenblatt angegebene Leerlaufspannungsverstärkung.
Genau diesen Effekt nennt man Anodenrückwirkung und versteht ihn als eine röhreninterne Rückkopplung. Unsere Väter sprachen noch vom Durchgriff D der Anode auf das Gitter. Heute formuliert man das etwas anders:
Um welchen Betrag muss man die Uak erniedrigen, um eine Anodenstromerhöhung durch eine vergrößerte Ugk wieder auszugleichen? Diese Definition sollte Ihnen aber geläufig sein, denn das Verhältnis der Änderungen von Uak zu Ugk ist nichts anderes als Mü.
 
Zurück zu unserer SRSE-Schaltung. Die untere Triode liefert also die Spannungsverstärkung des Aufbaus, die an der Anode der unteren Triode als Spannungshub sichtbar wird. Da die CCS den Querstrom im gesamten Zweig aber konstant halten möchte, wird sie die Spannung zwischen beiden Röhrenhälften so einstellen, dass diese Bedingung immer erfüllt ist. Die dynamische Änderung der Spannung über der CCS ist gleichzeitig die Steuerspannung für die obere Triode. Diese arbeitet nun rein als Kathodenfolger und liefert niederohmig den Strom für die Last. Da sie ebenfalls -quasi von der anderen Seite- die CCS als Außenwiderstand sieht, wird auch sie mit größtmöglicher Linearität arbeiten.
Spannungsverstärkung durch die untere Triode und Stromverstärkung durch die obere Triode funktionieren wegen der CCS unabhängig voneinander, so dass wir auf ein präzises Matching der Röhrensysteme bezüglich Steilheit und Innenwiderstand nicht mehr angewiesen sind, wie es bei der Push-Pull-Lösung der Fall gewesen wäre.
Eine Abhängigkeit der Funktion der Schaltung von der Last gibt es nicht mehr. Jede Simulation mit anderen Lastwiderständen würde prinzipiell das gleiche Bild liefern, außer dass die Stromamplituden, die der Kathodenfolger liefern muss, natürlich von der Last abhängen.
Ein Aspekt, den wir bisher noch gar diskutiert haben, ist das PSRR (Power-Supply-Rejection- Ratio). Die Stromquelle hilft uns durch ihre isolierende Wirkung, Störungen auf der Versorgungsspannung vom Audioausgang fernzuhalten, definitiv ein weiterer Pluspunkt.
 
In Summe erhalten wir mit der Einführung der Stromquelle einen single-ended-amplifier, der hoch verstärkt, einen niederohmigen Ausgang bietet, keine gematchten Röhren voraussetzt und seine Eigenschaften nicht von der Last abhängig macht.
 
Haben wir damit den perfekten Vorverstärker gefunden? Nun, Perfektion ist in sich eine philosophische Frage, aber in der Realität erkaufen wir uns die guten Eigenschaften mit einem erhöhten Rauschen, bedingt durch das Rauschen einer realen Stromquelle und die höhere Verstärkung der Schaltung. Für eine verhältnismäßig einfache Schaltung mit nur einer Stufe haben wir dennoch ein gutes Ergebnis erzielt. Es ist halt wie im richtigen Leben: Man kriegt nichts geschenkt...
 
Bis zum nächsten Mal,
Ihr Team von McIntyre-HiFi
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