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Hifi-Klassiker

Allen Wright's SLCF

 
Wieder ein Hifi-Klassiker, aber immer noch kein McIntosh, Walker oder Paravicini. Das tut uns beinahe schon leid, aber auf Compound- und Aikido-Schaltung kann eigentlich nur Allen Wright's SLCF folgen, wenn man thematisch in der Spur bleiben möchte. Allen, ein gebürtiger Neuseeländer, lebt heute in der Schweiz und ist der Kopf von "Vakuum-State", einer kleinen aber feinen Röhren-Schmiede in Schaffhausen. Er hat eine ganze Reihe interessanter und innovativer Röhrenschaltungen entwickelt und wiederentdeckt, von denen wir uns die SLCF herauspicken wollen.
 
Super-Linear-Cathode-Follower (SLCF)
Superlativ-Bezeichner wie "Super-Linear-..." sind eigentlich nicht unsere Sache. Da aber "Kathodenfolger mit verbesserter Linearität" auch nicht wirklich aufregend klingt, bleibt es eben bei "SLCF", zumal es der eingeführte Name für die besagte Schaltung ist.
 
Motivation
Die Aikido-Schaltung finden wir prinzipiell gut, weil sie einfach aufgebaut werden kann - sogar freiverdrahtet, gut klingt und aufgrund ihres guten PSRR mit einem einfacheren Netzteil zurecht kommt. Enthält gespielte Musik jedoch viele dynamische Feinheiten, stößt die Aikido dann doch an ihre Grenzen. Die SLCF-Schaltung soll hier Abhilfe schaffen, auch wenn hier scheinbar zwei Dinge vermischt werden: Ein verbessertes dynamisches Verhalten hat nämlich nicht unmittelbar etwas mit linearerem Verhalten, sprich Verzerrungsarmut zu tun. Ob und wie die beiden Aspekte doch zusammengehen, gilt es herausfinden.
 
Compound als Basis
Die gute, alte Compound-Schaltung soll wieder der Ausgangspunkt sein, von der aus wir in zwei Schritten die SLCF entwickeln. Obwohl es primär um die zweite Stufe, dem Impedanzwandler, geht, werden wir trotzdem auch die erste (spannungsverstärkende) Stufe anfassen, um am Ende wieder ein funktionierendes Ganzes zu erhalten.
 
 
Die Gitterstopper R2, R4 und R6 haben für die Funktion der Schaltung eigentlich keine Bewandtnis, sie verhindern im praktischen Aufbau hochfrequente Oszillationen. Genauso überflüssig (für das Verständnis) sind R9 und R10, die bei gezogener erster Röhre verhindern, dass die zweite Röhre in der Luft hängt. Gitterableitwiderstand R3 wird als bekannt vorausgesetzt, ebenso der Abschlusswiderstand R7 hinter dem Koppelkondensator.
Der eigentliche Impedanzwandler ist die obere Triode der ECC81, die zum Funktionieren aber einen, sagen wir, Gegenhalt braucht. Schließlich soll die Kathode möglichst genau dem Gitter folgen, und das gelingt umso besser, je weniger der, nun ja, Gegenhalt selbstständig (d.h. aufgrund der Stromänderung bei Aussteuerung) abtaucht oder hochkommt - bildlich gesprochen. Technisch gesprochen arbeitet die obere Triode gegen eine Stromquelle, die möglichst hochohmig zu sein hat, und die in der Compound-Schaltung von der unteren Triode und ihrem Kathodenwiderstand R5 gebaut wird. Die ECC81 wird sich hier wie eine Impedanz von circa 35 kOhm verhalten, folgt man der vereinfachten Daumenregel, dass Impedanz = dynamischer Innenwiderstand plus Kathodenwiderstand um Mü der Röhre erhöht. 35 kOhm ist aber nun kein Wert, der den Namen Stromquelle verdient, dafür dürften es schon deutlich mehr als 100 kOhm sein. Wer übrigens dazu neigt, eine ECC82 auch als zweite Röhre einzusetzen, gelangt noch weiter ins Dickicht: Für eine 82'er sinkt die Impedanz auf ungefähr 13 kOhm, weshalb wir für Compound oder Aikido die hochohmigere 81'er gewählt haben, deren drei Milliampere Querstrom noch locker für den Antrieb jedweder Endstufe ausreicht. Eine 83'er wäre weil hochohmiger als Stromquelle natürlich besser geeignet, allerdings könnte der Strom für eine Halbleiterendstufe schon knapp werden. Aber, welche Röhre wir auch nehmen, wir schaffen es mit keiner, solange sie so beschaltet ist, eine so hohe Impedanz zu bauen, die der Kathodenfolger für einen wirklich linearen Betrieb braucht.
 
Röhrenkaskodierte Halbleiter-CCS
Es gibt viele schaltungstechnische Möglichkeiten, die Impedanz zu erhöhen, sinnvollere und weniger sinnvolle. Eine erste Idee könnte sein, die Röhren-Stromquelle gegen eine Halbleiter- CCS (CCS = constant current source = Stromquelle) zu tauschen. Allerdings bliebe uns dann eine halbe Doppeltriode übrig, und außerdem hätten die kleinen Halbleiter mit einer relativ großen Verlustleistung zu kämpfen, weil sie schließlich die halbe Versorgungsspannung von 125 Volt im Beispiel sehen. Aber wie wäre es denn, die Triode mit einer Halbleiterschaltung zu verbandeln, dergestalt, dass die Halbleiter die Impedanz bauen, und die Röhre sie dabei unterstützt und ihnen die Hochspannung vom Leibe hält?
 
 
Eine mögliche Implementierung zeigt das Bild. Eine simple Halbleiter-CCS, gebaut aus zwei Widerständen und zwei Allerwelts-Transistoren - ganz im Stile von Doug Self, der praktisch nur diesen Typ verbaut. Allen Wright bevorzugt dagegen Lösungen mit FETs, seien es Junction-FET oder MOS-FET. Am Ende des Tages kann und darf natürlich jeder wie er will. Wir bevorzugen hier die Self'sche Variante, weil sie präzise zu berechnen und temperaturstabil genug für diese Anwendung ist. Wichtig zu beachten ist, dass die CCS von der Heizspannung der Röhren versorgt wird. Ob nun 6.3 oder 12.6 Volt ist dabei prinzipiell unerheblich, aber geregelt muss sie sein. Während die CCS noch relativ tolerant gegenüber einem Restbrumm der Versorgung ist, ist es die Anspannung des Röhrengitters sicherlich nicht! Das Gitter der Triode liegt nämlich nicht mehr auf Masse, sondern wurde auf die Heizspannung gesetzt, einfach, um dem Transistor in Richtung Röhrenkathode mehr Luft zu verschaffen. Das klappt wunderbar, solange die Heizspannung ausreichend geregelt ist.
Wie die untere Triode verschaltet ist, sollte nun klar sein, wie sie wirkt vielleicht noch nicht ganz. Dabei ist es eigentlich ganz einfach, denn wie mit der Daumenregel vorgestellt hat sie einen dynamischen Innenwiderstand, den wir hier getrost vernachlässigen können, und additiv multipliziert sie den Kathodenwiderstand mit Mü. Dass statt eines einfachen Widerstandes nun eine CCS an der Kathode hängt, ändert daran nichts. Mit anderen Worten: die Triode multipliziert die Impedanz der CCS mit ihrem Mü, was in Summe eine sehr sehr große Impedanz ergibt - genau das, was der Kathodenfolger braucht, um möglichst linear zu arbeiten. Die Triode fungiert hier nicht mehr selbst als CCS, sondern als Kaskode für die eigentliche (Halbleiter-) CCS. Damit sei ganz nebenbei der Begriff der Kaskode eingeführt und eine ihrer Eigenschaften aufgezeigt.
 
Cascodes all over
Mit der kaskodierten CCS haben wir den ersten Schritt hin zum SLCF getan. Ein wesentlicher Punkt fehlt jedoch noch, nämlich das Konstant-Halten der Spannung zwischen Anode und Kathode der Follower-Triode - auch bei Aussteuerung! Doch werfen wir zunächst einen Blick auf die geänderte erste, die spannungsverstärkende Stufe.
 
 
Wäre die obere Triode V1 nicht vorhanden, wäre die Gainstage eine simple Kathodenbasis-Schaltung rund um V1 (unten) plus dem Arbeitswiderstand R8. Eine erhöhte Eingangsspannung wird die Röhre mehr Strom leiten lassen, wodurch mehr Spannung am Arbeitswiderstand abfällt. Die Gain dieser Schaltung wäre um einiges kleiner als das Mü der Röhre (typisch 33 bei einer ECC88). Das kann auch gar nicht anders sein, weil die am Arbeitswiderstand abfallende Spannung die Anode der Röhre, bildlich gesprochen, nach unten drückt. Eine verkleinerte Spannung zwischen Anode und Kathode senkt den Querstrom durch die Röhre, was nebenbei gesagt das ist, was eine Röhre zur Röhre macht, und überraschenderweise auch direkt aus den Kennlinien abgelesen werden kann. Während die Eingangsspannung also mehr Strom leiten lassen möchte, hat die Kathodenbasis-Schaltung gleichzeitig das Bestreben, den Strom wieder zu verringern. Das ist nichts anderes als eine röhren-interne Rückkopplung, die verhindert, dass die Gain die "Leerlaufverstärkung" Mü erreicht.
 
In der Schaltung oben ist eine weitere Triode V1 (oben) zwischen Kathodenbasis und dem Arbeitswiderstand geklemmt. Ein simpler Spannungsteiler aus R16 bis R18 legt das Gitter und damit auch die Kathode auf ein festes Potential; C4 unterstützt den Spannungsteiler lediglich dabei, das Potential festzuhalten. Die Kathode und damit die Anode der unteren Triode liegen somit immer auf circa 80 Volt - auch bei Aussteuerung! Das heißt, egal wie die Eingangsspannung den Querstrom und damit die Spannung über dem Arbeitswiderstand variiert, die Anode ist auf die 80 Volt geklemmt. Damit entfällt natürlich der oben beschriebene Rückkopplungsmechanismus, und die Gain wird sich tatsächlich dem Mü der Röhre annähern. Diese Schaltung der Gain-Stage ist die klassische Form der Kaskode-Schaltung, die auch Allen Wright sehr gerne einsetzt, beispielsweise in seinen Phono-Pre oder seinen Endstufen. Neben der hohen Spannungsverstärkung hat sie noch eine zweite interessante Eigenschaft: die Miller- Kapazität ist mehr oder weniger komplett ausgehebelt, was die obere Grenzfrequenz der Stufe enorm erweitert.
 
Wer bis hierher folgen konnte, dürfte mit der SLCF-Schaltung nun keine Probleme mehr haben, denn V2 (oben) ist nach wie vor ein Kathodenfolger. Und FET T3 kann man sich wieder als Form einer Kaskode-Schaltung vorstellen: Der Spannungsteiler mit R14 und R15 definiert eine Spannung für das Gate und damit für Source des FET und damit für die Anode des Kathodenfolgers. Nur ist die Anodenspannung nicht mehr fixiert, sondern folgt dank C3 als Wechselgröße der Kathodenspannung des Kathodenfolgers. Mit anderen Worten: unabängig von der Aussteuerung ist die Spannung zwischen Anode und Kathode immer konstant. Die röhren-interne Rückkopplung ist wieder ausgeschaltet, und das wirkt unmittelbar auf das Verzerrrungsverhalten. Der Klirr wird als singuläre Größe zwar nicht kleiner, aber das Klirrspektrum ändert sich, indem die ersten Harmonischen dominanter werden, während höhere Klirrordnungen praktisch nicht mehr stattfinden. Das findet unser Gehör richtig gut!
 
 
Zwischenfazit
Eigentlich könnte man die Schaltung wie gezeichnet aufbauen. Allerdings ist die Gain noch etwas hoch: selbst mit dem Spannungsteiler aus R9 und R10, der für korrekte Arbeitspunkte unumgänglich ist, liegt sie immer noch so um Faktor 15. Damit könnte man zwar arbeiten, aber es gibt einen geschickten Weg, gleichzeitig die Verstärkung zu reduzieren, ein paar Bauteile einzusparen und den Sound der gesamten Stufe noch etwas zu tunen. Da das Silbenbudget aber schon wieder massiv überschritten ist, stellen wir die finale Schaltung und die aufgebauten Platinen erst zu einem späteren Zeitpunkt vor - selbstverständlich nicht, ohne sie gründlich zu verhören.
 
 
Bis zum nächsten Mal,
Ihr Team von McIntyre-HiFi
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