Frage zu Abschnitt der Oberwellen bei einem Operationsverstärker

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Track17
Ist häufiger hier

#1 erstellt: 10. Mrz 2015, 11:43

Ahoi HIFI-Foristen,

wie bereits in einem anderen Thread (in dem es um HP bzw. TP Filter ging) erwähnt, möchte ich einen Kopfhörer-Transistor-Verstärker aufbauen und dabei auch vor allem verstehen was der Verstärker überhaupt tut.

Um dieses Verständnis zu erarbeiten versuche ich die einzelnen Bestandteile der Schaltung mit LT-Spice zu simulieren und die Ergebnisse zu überprüfen. Bei der Simulation des Vorverstärkers bin ich aber gerade an einem Punkt, den ich mir nicht erklären kann. Auch die Google- bzw. Forensuche hat keine zufriedenstellenden Antworten hervor gebracht.

Es geht um den folgenden nicht invertierenden Verstärker:

Die Widerstände sind nach der Formel Vu = (R1+R2) / R2 ausgelegt also beträgt Vu = 5,7 und nach der Formel Vout = Vin * Vu ergibt sich für die Ausgangsspannung Vout = 4,84V. Bis hierher ist auch (außer ich habe irgendwo einen Rechenfehler gemacht) noch alles klar.

Beim weiteren Vorgehen gibt es aber nun Probleme. Und zwar besitze ich einen Sennheiser Kopfhörer mit einer Impedanz von 300 Ohm. Dieser ist als (rein ohm'scher) Lastwiderstand eingezeichnet und durch die Berechnung P = U * I ergibt sich eine Leistung P = 77,8mW. Insgesamt sollen es aber 250mW werden.

Dafür braucht man dann als Endstufe diesen "Transistor-Booster". Bevor ich mich mit diesem beschäftige möchte ich aber gerne noch klären, warum man die Widerstände die den Verstärkungsfaktor des OPAMP einstellen nicht so auslegen kann, dass eine deutlich größere Verstärkung als 5,7 heraus kommt.

R1 und R2 sind allerdings bereits nach dem Maximum gewählt, welches möglich ist ohne den "Abschnitt" der Oberschwingungen (wie in der folgenden Simulation zu erkennen) zu erhalten:

Die bisherige Recherche hat ergeben, dass ein solches Schaubild dann zu Stande kommt, wenn die Versorgungsspannungen des Operationsverstärkers zu gering sind (in diesem Zusammenhang wird viel von Übersteuern und Einsatz von "Rail-to-Rail" OPAMPs geschrieben) aber von den einfach mal grob festgelegten +-20V bin ich ja noch weit entfernt. Also daran kann es eigentlich nicht liegen.

Weiterhin findet sich im Datenblatt des OPA2604, dass dieser bis zu 600 Ohm Lasten treiben kann. Nun weiß ich aber nicht wie ich die zu treibende Last berechnen kann, vermute den Zusammenhang bezüglich der abgeschnittenen Oberschwingungen aber genau da!?

Berechnet sich die zu treibende Last nach ((R1+R2)*RLast) / (R1+R2+RLast)? Wenn ja ergäbe sich (bei Einsatz eines 8,2kOhm Widerstandes für R1) Rges=290,53 Ohm. Was ja wiederum gegen die Vermutung der zu hohen zu treibenden Last sprechen würde!?

Sorry für den Roman aber ich wollte die Problematik so spezifisch wie möglich beschreiben.

Freundliche Grüße und Danke für das Lesen bis hier her!

Nils

[Beitrag von Track17 am 10. Mrz 2015, 11:53 bearbeitet]

Reference_100_Mk_II
Inventar

#2 erstellt: 10. Mrz 2015, 12:22

Du schneidest da nicht irgendwelche Oberwellen ab, du ezeugst welche ^^

Dein Problem ist eine zu geringe Versorgungsspannung des OPs bzw. ein zu großes Eingangssignal.
Dadurch fängt der OP an zu übersteuern und die Ausgangsspannung beträgt annähernd UB.
Dann entstehen ungewollte Verzerrungen, die den geraden vielfachen der Grundschwingung entsprechen (wenn ich mich recht erinnere) und mit steigender Frequenz immer schwächer werden.
Mit einem Spektrum Analyzer kann man das gut sehen.

Mach die Versorgungsspannung größer oder verringere das Eingangssignal, das sollte helfen.

Soundscape9255
Inventar

#3 erstellt: 10. Mrz 2015, 12:47

Operationsverstärker können keine beliebig hohen Ströme liefern.

Beim 2604 sind es 35mA und dein Spicemodell macht vermutlich bei 25mA zu.

Kay*
Inventar

#4 erstellt: 10. Mrz 2015, 14:38

Vorsicht beim Simulieren,
es gibt Modelle mit unterschiedlicher Qualität, was die Annäherung der Realität betrifft!
sprich, es gibt einfachere und welche mit besserer Annäherung

Track17
Ist häufiger hier

#5 erstellt: 11. Mrz 2015, 12:08

@ Reference_100_Mk_II: Die Versorgungsspannung ist eigentlich schon viel höher als sie sein müsste (ich habe verschiedene Werte ausprobiert weil das auch immer die erste Antwort in verschiedenen anderen Foren war).

@ Soundscape9255: Genau das ist es! Ich habe den Flaschenhals die ganze Zeit ausschließlich bei der Spannung gesucht und dabei vergessen, dass das Problem bei der Strombegrenzung liegt. Wie du richtig vermutet hast ist das Spice Modell auf 25mA begrenzt.

@ Kay*: Das ist mir bei meinen Berechnungen auch schon aufgefallen. Die Ergebnisse weichen immer relativ stark von der Simulation ab. Aber da sollte ich den Fehler wohl erst mal noch nicht bei den Simulationen suchen.

Vielen Dank für eure Hilfe! Mit diesen Informationen kann ich jetzt schon wieder ein Stück weiter kommen und vielleicht dann sogar bald alle Stufen in den Verbund setzen und dann das gesamte Modell simulieren.

Soundscape9255
Inventar

#6 erstellt: 11. Mrz 2015, 12:20

Noch ein Tipp von wegen Ungenauigkeiten der Simulation:

Die Spannungsquelle im Spice liefert keinen guten Sinus, wenn du Untersuchungen zum Klirr anstellen willst, solltest du eine Wavedatei als Quelle einbinden und dir deinen Sinus selbst bauen.

Track17
Ist häufiger hier

#7 erstellt: 11. Mrz 2015, 14:31

Danke für den Tipp! Hat perfekt funktioniert. Jetzt ist die Simulation schon ein Stück realistischer geworden.

Solange ich mit den idealisierten Operations-Verstärker und Transistor Modellen simuliere kann man wohl ohnehin nicht gerade von Realitätsnähe sprechen. Aber das wird dann einer der nächsten Schritte sein.

Soundscape9255
Inventar

#8 erstellt: 11. Mrz 2015, 14:48

Du kriegst für den 2604 von TI auch ein Spice-Modell, das kannst du einbinden:

http://www.ti.com/product/OPA2604/toolssoftware

Track17
Ist häufiger hier

#9 erstellt: 11. Mrz 2015, 17:28

Und vielen Dank auch für diesen Tipp!

Es hat zwar etwas gedauert bis ich das Teil richtig eingebunden hatte, aber jetzt kann man am Ausgang (hinter der geplanten Darlington Endstufe) sogar schon etwas Klirr bewundern oder besser, jetzt kann man anfangen sich darüber zu ärgern.

Im Laufe der nächsten Tage werde ich mal meine vollständige Schaltung hier im Forum präsentieren und so zu sagen zum Abschuss frei geben.

[Beitrag von Track17 am 11. Mrz 2015, 17:29 bearbeitet]

Kay*
Inventar

#10 erstellt: 12. Mrz 2015, 17:26

und so zu sagen zum Abschuss frei geben.

ich hatte hier im Forum irgendwann mal einen Link zu

www.edn.com gepostet.
Dabei ging's um die Verringerung von Verzerrungen bei OP + Transistoren

Kay*
Inventar

#11 erstellt: 13. Mrz 2015, 15:27

sorry, war Electronic Design

http://electronicdes...ets-class-ab-buffers

audiophilanthrop
Inventar

#12 erstellt: 13. Mrz 2015, 23:47

Soundscape9255 (Beitrag #6) schrieb:

Öhm... Ich hatte bisher noch nie Probleme mit den integrierten Sinussen. Man sollte halt tunlichst sein
.option plotwinsize 0
nicht vergessen, wenn man eine .tran-Analyse laufen läßt, sonst spuckt einem die verlustbehaftete Datenkompression der Rohdaten in die Suppe.

Für die FFT empfehle ich übrigens ein Kaiser-Bessel-Fenster mit Beta von 20. Eine 16384er reicht normalerweise. So 20 Sinusperioden sollte man vorher simulationstechnisch schon einfangen.

Was KH-Verstärkerschaltungen mit OP + Treiberstufe angeht, so ist der olle

Ur-Eaton vom Grundsatz her immer noch sehr gut - auch wenn man P1, R1, R2 heute wohl einen Faktor 5 kleiner wählen würde, R3 noch einen Faktor 2 kleiner, R5 eher zu ~3x*R3, R10 eher zu 1-10 Ohm (oder 10 Ohm || 2 µH oder so), und C5 hätte einer Drahtbrücke zu weichen. Ein paar Entstör-Cs am Eingang wären auch nicht verkehrt (vielleicht einmal 100p direkt und am OP nochmal 220p oder so). Und wer mag, kann der cleveren LED noch einen Elko zu 100-220 µF parallelschalten. NE5534 übrigens lieber von ON Semi als von TI, oder gleich auf neuzeitliche LME49710/720 setzen (oder OPAx132/134, dann aber lieber Lautstärkepoti nur 10k - die haben recht deutliche nichtlineare Eingangskapazität, da sollten die Impedanzen +/- nicht zu stark abweichen).

Leider ist die hierzulande populäre Version des Eaton eine gründlich verschlimmbesserte mit Darlingtons ohne viel Ruhestrom (sonst kriegt man die thermisch auch nicht stabil), deren Verzerrungsverhalten reichlich naja ist. Die Praxis scheint zwar besser auszufallen als meine Simu seinerzeit, aber die Werte bei Pegel von ~0,5 Veff waren echt nicht mehr besonders witzig.

Auch beliebt sind statt der diskreten Emitterfolger-Puffer integrierte "Diamond Buffer"-Schaltungen vom Schlage LME49600 oder LT1010.

[Beitrag von audiophilanthrop am 13. Mrz 2015, 23:51 bearbeitet]

Track17
Ist häufiger hier

#13 erstellt: 14. Mrz 2015, 12:41

@ Kay*: Danke für den Link. Allerdings ist das noch ein bisschen Zukunftsmusik, denn aktuell bin ich eher auf dem Level, dass ich mich sehr freue wenn der selbst ausgelegte Verstärker am Ende überhaupt funktioniert (das habe ich in der Simulation bisher nämlich noch nicht hinbekommen). Trotzdem ist der Link als Lesezeichen gespeichert!

@ audiophilanthrop: Den .opt plotwinsize=0 Befehl habe ich jetzt in meinen Schaltungen eingebunden. Das Eingangssignal hat sich ein bisschen abgeändert (vor allem sind die Maxima und Minima etwas "spitzer" geworden). Ist ja kein Akt gewesen aber ich denke im Grunde geht es bei solchen Dingen auch eher um das letzte Feintuning - aber davon bin ich wie schon erwähnt noch weit entfernt.

Für die Filter Simulation habe ich immer das Bode Diagramm genutzt weil es mir am geläufigsten und am einfachsten zu Lesen ist.

Den Eaton kenne ich schon aber es geht mir darum etwas eigenes zu machen. Klar stelle ich auch eigentlich nur schon vorhandene Schaltungen die ich in Büchern gefunden habe zusammen aber es soll wirklich eine selbst ausgelegte Schaltung werden um die Funktionsweise zu verstehen. Diese fertige Schaltung werde ich noch im Laufe des Wochenendes zeigen.
Bezogen auf deine Verbesserungsvorschläge sind in meinem aktuellen Entwurf einige Dinge schon in der Größenordnung wie du es hier beschreibst. Andere Sachen (vor allem in Bezug auf Entstörkondensatoren) fehlen noch vollständig.

Der Entwurf beinhaltet aber auch eine Darlington-Schaltung. Es klingt sehr danach als würdest du davon eigentlich ganz abraten. Aktuell bekomme ich die auch noch nicht anständig zum Laufen (in der Simulation). Der OPAMP funktioniert sehr gut aber durch die Endstufe wird das Signal total "zerschossen". Glaube aktuell hat das noch mit der Sättigung oder den falschen Transistoren zu tun.

Und abschließend noch zu den ICs: Bestimmt könnte man so einen "besseren" Verstärker aufbauen aber dann wird es für mich als totalen Anfänger wieder sehr schwierig die Funktionsweise vollständig nachvollziehen zu können.

[Beitrag von Track17 am 14. Mrz 2015, 12:43 bearbeitet]

audiophilanthrop
Inventar

#14 erstellt: 14. Mrz 2015, 16:04

Track17 (Beitrag #13) schrieb:

Der Entwurf beinhaltet aber auch eine Darlington-Schaltung. Es klingt sehr danach als würdest du davon eigentlich ganz abraten. Aktuell bekomme ich die auch noch nicht anständig zum Laufen (in der Simulation). Der OPAMP funktioniert sehr gut aber durch die Endstufe wird das Signal total "zerschossen". Glaube aktuell hat das noch mit der Sättigung oder den falschen Transistoren zu tun.

Zeig doch einfach mal her, das Ding. Hast du den Puffer vielleicht noch außerhalb der Gegenkopplung?

Ich sag's mal so: Jede Schaltung ist ein Kompromiß zwischen Komplexität, Performance der Einzelbauteile, Stromverbrauch und Performance. Je komplexer aber die Schaltung, desto schwerer ist es tendenziell, sie gut zum Laufen zu bekommen. Jede Stufe mehr steuert halt ihre eigenen Pole und ihre eigenen parasitären Effekte bei.

Ich habe da seinerzeit recht ausführlich rumsimuliert und war von den Ergebnissen mit zweistufigen Pufferschaltungen (egal ob Diamond-Buffer oder Darlington) eher enttäuscht. Sobald ich die nach meinen Ansprüchen stabil hatte (so 10 nF sollte man schon ranhängen können, ohne daß da was schwingt), waren die Verzerrungswerte bei 10 kHz nur noch Mittelmaß.
Beim Treiben von Lautsprechern bleibt eiinem nichts anderes übrig (*), da wird man dann mit Zobelglied und Serieninduktivität am Ausgang die Stabilität verbessern und kommt so auch auf annehmbare Performance (nicht umsonst finden sich diese Maßnahmen bei so ziemlich jedem Seriengerät).
Aber für Kopfhörer reicht eigentlich auch ein einstufiger Puffer, solange der im Arbeitspunkt einigermaßen beta und fT hergibt und der OP zumindest halbwegs Dampf hat (was in der Liga NE5532 ja der Fall ist). Und da wären wir dann wieder bei BD139/140 oder MJE243/253 im A-Betrieb. Wenn du noch 'n paar gescheite Modelle brauchst, der Herr Cordell

hat da recht anständige für gängige Audio-Transistoren.

*) Naja, wobei... Wenn man einen sehr stromstarken OP wie den NJM4556A nimmt, sollte man eigentlich ganz gut mit einem einstufigen Puffer auskommen. Also zumindest bei +/- 15 V. Das wäre schon mal gar nicht so schlecht - so Richtung 10 W / 8 Ohm oder 20 W / 4 Ohm müßte drin sein, solange es das Netzteil hergibt. Die Puffertransistoren sollten halt bei ~3 A noch beta >30 hergeben. Das wird dann schon fast auf 2SC5200/2SA1943 rauslaufen.

[Beitrag von audiophilanthrop am 14. Mrz 2015, 16:28 bearbeitet]

Kay*
Inventar

#15 erstellt: 15. Mrz 2015, 14:37

Aber für Kopfhörer reicht eigentlich auch ein einstufiger Puffer,

BUF634 wenn ich recht erinnere, wäre auch ein Ansatz.
Ansonsten
- kann man OP's auch parallel schalten, Ausgänge über Widerstände zusammenfassen
- finden sich auch spez. OP's mit höherer Spannung und Strom
- kann man auch gleich LM4766 o.ä. verwenden

der Vorteil integr. Lösung ist meist, dass man sich nicht auch noch mit
Überlastsituationen beschäftigen muss