Dienstag, 14. April 2009

Differenzverstärker aus Katodenfolgern zum Treiben von Gegentaktstufen.

Hello,
in this blog I want to show you a push pull driver stage. I build it in a 6 x EL34 power amplifier (schematic) and I am very satisfied with this kind of driver.
It consists of two differential amps. A conventional cathode coupled differential amplifier at the top and an anode coupled differential amplifier at the bottom. Both differential amplifiers are forming a kind of constant current draw to improve each other. There will be no change in charge of the coupling caps from the cathode coupled to the anode coupled differential amp. This prevents 'blocking' of the tubes and cross over distortions.
Experimental BJT bread board circuit


Differenzverstärkern muss oft ein Katodenfolger je Ausgang nachgeschaltet werden um Endtrioden mit genügend niedriger Impedanz zu treiben. Mit Hilfe der 'Vierten Schaltungstechnik' lässt sich aus zwei Katodenfolgern ein Differenzverstärker mit Anodenkopplung aufbauen. Durch eine geschickte Verschaltung mit dem steuernden Differenzverstärker in Katodenkopplung wird zusätzlich eine zeitkonstantenfreie Gitterstrombegrenzung erreicht, es gibt keine Arbeitspunktverschiebung und Übernahmeverzerrungen die damit einhergehen, treten nicht auf. Die Differenzverstärker dienen sich dabei gegenseitig als Stromquellen was die Qualität der Differenzverstärker noch zusätzlich verbessert. Das Bild zeigt die Zusammenschaltung beider Differenzverstärker.


Im folgenden werden die einzelnen Schaltungsteile beschrieben und im Anschluss daran eine Beispielschaltung für einen Kraftverstärker gebracht.


Bei einem herkömmlichen Differenzverstärker mit Katodenkopplung wird das Ausgangssignal an den Anoden der Röhren abgenommen.

Katodengekoppelter Differenzverstärker
Der Katodenstrom verteilt sich, abhängig von der Differenzspannung zwischen den Gittern, auf die Anoden. Bei Verwendung einer Konstantstromquelle, wie im Bild gezeichnet, besteht völlige Gleichtaktunterdrückung. Das bedeutet, auch bei asymmetrischer Ansteuerung erhält man an den Anoden gleich große gegenphasige Signale. Bedingung dafür ist, dass die Belastung an den Anoden gleich ist. Eine Stromquelle erfordert mindestens eine zusätzliche entsprechend beschaltete Röhre. Eine gute Kompromisslösung, ohne diese Stromquelle aus zukommen, ist ein mit Gleichspannung beaufschlagter Widerstand. Dies wird als 'long tailen' bezeichnet und das als Differenzverstärker beschaltete Röhren- (oder Transistor) Paar wird deshalb long tailed pair, kurz LTP genannt. Das hintereinander schalten mehrerer Stufen sorgt für eine weitere Gleichtaktunterdrückung. Auch deshalb investiert man die Röhren lieber in eine zusätzliche LTP-Stufe als in eine Stromquelle.
Noch günstiger ist es, wie in der Schaltung oben ausgeführt, den folgenden Differenzverstärker als Stromquelle für den vorhergehenden Differenzverstärker zu verwenden. Die als Katodenstromquelle dienenden Trioden steuern bei Änderungen des Gesamtstromes wirkungsvoll gegen und bekommen so das gewünschte Stromquellenverhalten r>R durch schaltungstechnische Maßnahmen.

Mit Trioden lässt sich ein Differenzverstärker auch in Anodenkopplung aufbauen.

Anodengekoppelter Differenzverstärker
Bei symmetrischer Ansteuerung fällt keine Signalspannung an den Anoden ab. Jede Unsymmetrie bewirkt eine Anodensignalspannung die über den Durchgriff die Trioden steuert. Bei Verwendung einer Konstantstromquelle, wie im Bild gezeichnet, besteht völlige Gleichtaktunterdrückung. Das bedeutet, auch bei asymmetrischer Ansteuerung erhält man an den Katoden gleich große gegenphasige Signale. Bedingung dafür ist, dass die Belastung an den Katoden gleich ist.
Der Ausgangswiderstand zwischen den Katoden beträgt, wie zwischen zwei einzelnen Katodenfolgern, 2/s [s = Steilheit]. Das sind in der Beispielschaltung gemessene 570Ω. Das anodenseitige 'long tailen' beim anodengekoppelten Differenzverstärker ist aber um den Leerlaufspannungsverstärkungsfaktor µ 'ungünstiger' als das katodenseitige 'long tailen' beim katodengekoppelten Differenzverstärker. Trioden mit hohem Durchgriff und niedriger Restspannung ermöglichen einen hochohmigen Anodenwiderstand was die Gleichtaktunterdrückung verbessert.
Allerdings sind Trioden mit sehr hohem Durchgriff als Katodenfolger eher nicht geeignet. How to find the best cathode follower. In der vorgestellen Applikation sind die Anoden der Katodenfolger kleinsignalmässig mit den Gittern der Katodenfolger über den katodengekoppelten Differenzverstärker als Gitterbasisverstärker, verkoppelt. Die oben beschriebene verminderte Wirkung des 'long tailens', infolge von µ beim anodengekoppelten Differenzverstärker, wird so mehr als ausgeglichen. Durch diese Gleichtaktverkopplung schaffen sich beide Differenzverstärker so gegenseitig optimale Betriebsbedingungen.

Im folgenden ein Applikationsbeispiel dieses Treibers in einen Kraftverstärker:
(Röhrenbestückung entlang des Signalweges ECC82→ECC88→6N6P→6xEL34)


Beim Ansteuern von Endröhren will man vermeiden in den Gitterstrombereich zu steuern. Bei der Ansteuerung über einen galvanisch gekoppelten Katodenfolger hält man den Gitterstrom durch entsprechende Wahl der Anodenspannung für den Katodenfolger im zulässigen Bereich. Beim Anodengekoppelten Differenzverstärker bestimmt der gemeinsame Anodenwiderstand bzw. die Anodenstromquelle den maximalen Gitterstrom der Endröhre. Der Gitterstromeinsatz am Katodenfolger bestimmt den Gitterstrom der Endröhre. Das bekannte Problem mit der Ladungsänderung des Koppelkondensators und der damit verbundenen Arbeitspunktverschiebung wird so vom Gitter der Endröhre zum Gitter des treibenden Katodenfolgers verlegt. Diese Ladungsänderung des Koppelkondensators vermeidet die Schaltung. Der obere Differenzverstärker detektiert den Gitterstromeinsatz an den Endröhren als Änderung des Gesamtstromes und begrenzt die Steuerung der Katodenfolger noch im gitterstromlosen Bereich. Dadurch ändert sich die Ladung in den Koppelkondensatoren nicht. Der Arbeitspunkt bleibt stabil. Man kann nun die Koppelkondensatoren großzügig dimensionieren ohne ein Nachkriechen des Arbeitspunktes fürchten zu müssen.

Wie die Schaltung das macht, kann man an den Gittern der Endröhren oszillographieren. Das Oszillogramm zeigt einen übersteuerten 1KHz Sinus.


(Das gleiche Oszillogramm erhält man auch an der Sekundärwicklung eines Zwischenübertragers, der seine Vorspannung über Symmetrierwiderstände erhält, Bild.)
An der 0V Linie, hier Gitterstromeinsatz, wird die obere Kappe des Sinus abgeflacht. Am unteren Ende wird dafür etwas hinzugefügt. Dies passiert hier im anodenstromlosen Bereich und wirkt sich daher nicht auf das Ausgangssignal aus, zumal das Gegentaktsignal davon unberührt bleibt. Das Ausgangssignal wird bei Übersteuerung wunschgemäß oben und unten begrenzt.


Es kommt nicht zu den gefürchteten Übernahmeverzerrungen durch Verschiebung des Arbeitspunktes.

Appendix:
1. Berechnung des Innenwiderstandes der äquivalenten Stromquelle für den katodengekoppelten Differenzverstärker:
Diese wird durch den anodengekoppelten Differenzverstärker gebildet. Der gemeinsame Katodenwiderstand beträgt:
1.01 Rkges = R9j II R9h II R15j II R15h
= 1/ ( 2x ( 1/47KΩ + 1/56KΩ ))
= 13KΩ.
Dieser wird µ-fach zur Anodenseite multipliziert:
µ 6N6P = 22
1.02 µrkges = 22 x 13KΩ = 286KΩ
Da auch der Spannungsabfall am gemeinsamen Anodenwiderstand Rages des katodengekoppelten Differenzverstärkers die Trioden des anodengekoppelten Differenzverstärkers steuern, wird auch dieser Widerstand Rages µ-fach multipliziert zu µRkges addiert:
1.03 Rages = R9c II R9o Nota: Die 1MΩ Widerstände sind demgegenüber vernachlässigbar.
= 1/ ( 1/47KΩ + 1/47KΩ )
= 23KΩ
1.04 µrages = 22 x 23KΩ
= 506KΩ
Beide Widerstandswerte zusammenaddiert ergeben den Innenwiderstand der äquivalenten Stromquelle für den katodengekoppelten Differenzverstärker:
1.05 µ(Rkges + Rages) = 286KΩ + 506KΩ
r= 792KΩ
Durch 'long tailen' würden demgegenüber nur etwa
1.07 Rlt = (135V + 50V ) / 7mA = 26KΩ erreicht.
Duch die Kombination beider Differenzverstärker arbeitet der katodengekoppelte Differenzverstärker um den Faktor 30 günstiger als alleinstehend mit 'long tail Widerstand'.
Bemerkenswert ist, dass der Großteil des äquivalenten Stromquellenwiderstandes r = 792KΩ hier durch die Gleichtaktsteuerung über µrages = 506KΩ gebildet wird. Diese Erkenntnis ist sehr wertvoll und auf viele derartige Differenzverstärker anwendbar.

2. Ermittlung des äquivalenten Innenwiderstandes der Stromquelle für den anodengekoppelten Differenzverstärker:
Dazu muss man erkennen, das jede Stromänderung an den parallel geschalteten Anoden einen entsprechenden Spannungsabfall am gemeinsamen Anodenwiderstand Rages des katodengekoppelten Differenzverstärkers hervorruft. Dieser steuert die beiden Trioden des anodengekoppelten Differenzverstärkers im Gleichtakt an den Gittern. Diese µ-fach empfindlichere Gittersteuerung ersetzt schaltungstechnisch die Stromquelle an den gemeinsamen Triodenanoden. Beim anodenseitigen 'long tailen' des anodengekoppelten Differenzverstärkers könnte man sich einen 'long tail Widerstand' von maximal (360V – 50V) / 7mA = 44KΩ erlauben. Der dem 'long tailen' entsprechende äquivalente Stromquelleninnenwiderstand, der durch die Gittersteuerung gebildet wird, beträgt demgegenüber µrages = 506KΩ. Durch die Kombination beider Differenzverstärker arbeitet der anodengekoppelte Differenzverstärker um den Faktor 12 günstiger als alleinstehend mit 'long tail Widerstand'.

3. Gleichtaktunterdrückung und CMRR:
Durch die Zusammenschaltung der Differenzverstärker koppelt der katodengekoppelte Differenzverstärker als Katodenfolger Gleichtaktsignale auf die Anoden des anodengekoppelten Differenzverstärkers. Diese werden entsprechend dem Durchgriff zu den Katoden gekoppelt. Die Gittersteuerung über den katodengekoppelten Differenzverstärker wirkt dem entgegen. Folglich begünstigt ein kleiner Durchgriff und ein großer Rages die Gleichtaktunterdrückung.

CMRR beträgt im Applikationsbeispiel gemessene 60dB.

Berechnung von CMRR:
Dazu berechnet man zuerst die Gleichtaktverstärkung vugl
3.01 vugl = 1/µ–Rages/µ(Rages+Rkges)
Bedingung: Rkges>>1/s , für µ der Wert des anodengekoppelten Differenzverstärkers.

Mit den Werten aus der Beispielschaltung:
vugl = 1/22 – 23KΩ/22 (23KΩ + 13KΩ)
vugl = 0,045 - 0,029
vugl = 0,016 entspricht -36dB

Die Gegentaktverstärkung für den katodengekoppelten Differenzverstärker berechnet sich
3.03 vuggkd = s x (µ/s II Ra)
wobei für s und µ die Werte für die Trioden im katodengekoppelten Differenzverstärker eingesetzt werden müssen. Diese werden aus den Diagrammen zu der Röhre ermittelt.
vuggkd = 5mA/V x ( 29 /5mA/V II 47KΩ )
vuggkd = 5mA/V x 5163Ω
vuggkd = 26 fach

Die Gegentaktverstärkung für den anodengekoppelten Differenzverstärker berechnet sich:
3.04 vuggad = (1 – 1/µ) x (Rk ( Rk + 1/s))
vuggad = (1 – 1 / 22) x (26KΩ (26KΩ + 285Ω))
vuggad = 0,95 x 0.99 = 0,94

Die Gegentaktverstärkung der Schaltung beträgt:
3.05 vugg = vuggad x vuggkd
vugg = 26 x 0,94 = 24
vugg = 28dB

3.06 CMRR beträgt:
CMRR = vugg / vugl
CMRR = 24/0,016 = 1500
CMRR = 28dB + 36dB = 64dB

Mit Long Tailed Pair und Katodenfolger würde man demgegenüber lediglich
3.07 Rlt / Rages = 26KΩ / 23KΩ
(siehe 1.07 und 1.03)
= 1,13 entspricht 1,1dB
CMRR = 1,1dB + 27dB = 28dB erreichen.

CMRR verbessert sich durch die Gleichtaktverkopplung von Katodenfolger und Long Tailed Pair zu der hier vorgestellen Anodnung in dieser Schaltung um das 63- fache oder 36dB.

4. Ausgangswiderstand:
Der Ausgangswiderstand rkk zwischen den Katoden beträgt erwartungsgemäß 2/s weil die Innenwiderstände beider Katoden kleinsignalmässig in Reihe liegen. Aus dem gemessenen Wert für rkk kann man die Steilheit s errechnen:
4.01 s = 2 / rkk
s = 2 / 570Ω = 3,51mA/V
1/s = 285Ω
Der Kehrwert der Steilheit s multipliziert mit µ ergibt den Innenwiderstand riak der Triode.
4.02 riak = 1/s x µ
riak = 285Ω x 22 = 6270Ω
Diesen Wert kann man zur Kontrolle im Ia = f(Ua) Diagramm an die dem Arbeitspunkt am nächsten liegenden Kennlinien als Tangenten legen.

Eine vereinfache Formel zur Berechnung des Ausgangswiderstandes zwischen Katode und Masse rkm bringt eine Extremwertbetrachtung:
4.03 Für Rages = 0 gilt:
rkm ≈ 1/s
4.04 Für Rages = ∞ gilt:
rkm ≈ Rkges

Daraus folgt:
4.05 rkm = (Rages + 1/s) II Rkges

Mit den Werten aus der Schaltung:
rkm = 23KΩ II 13KΩ = 8K3Ω

Die Messung ergab knappe 8KΩ. Interessant ist auch, dass sich der Ausgang tatsächlich so verhält wie die im Ersatzbild gezeichnete Anordunug mit Übertrager. Wird ein Ausgang kleinsignalmässig kurzgeschlossen, bleibt die Ausgangsspannung wunschgemäß unverändert. Das bedeutet die Amplitude auf der Gegenseite verdoppelt sich dann.

Der Knüller:
Im einem Forum hat ein in der Szene wohl bekannter User m.E. einfach mal versucht diese Entwicklung für sich zu verbuchen. http://ebmule.de/showthread.php?tid=1147&page=10
Zitat von 'User' aus Beitrag #246:
„... Um weiteren Diskussionen von vornherein vorzubeugen: das, was Darius hier versucht, als Innovation zu verkaufen, habe ich Ende letzten Jahres bereits in einem fertigen Gerät in ähnlicher Konfiguration vorgestellt. ...“ Zitat Ende
Im Bild,
http://www.roehrentechnik.de/forum/gdgt-300B.png
das er dem Beitrag zugefügt hat, zeigt er die alte bekannte Anordnung Differenzverstärker steuert Katodenfolger. Natürlich alles schön bunt, mit Simulationen versehen und die Röhren so positioniert wie in der Schaltung hier im blog. Hat er wirklich geglaubt damit durchzukommen?
Frei nach dem Motto, wenn ich es nicht bekomme darf das keiner haben, versucht man m.E. mit allen Mitteln die Vorzüge der hier vorgestellten Anordnung zu ignorieren oder weg zu reden. Während der Eine versucht vom Thema abzulenken um die Vorzüge nicht zugeben zu müssen, sucht der Andere nach der Stromquelle und der Nächste simuliert gezielt an der Realität vorbei. Flamings übelster Form, sowie meine Realnamensnennung in beleidigendem Zusammenhang, gehören inzwischen auch dazu. Natürlich wird alles versucht um die User davon abzubringen, diesen blog hier zu lesen!
Der Thread steht in der Fassung vom 13.06.09 als .pdf-Kopie zur Verfügung und kann auf Anfrage per Email privat zugesandt werden.

Im folgenden blog wird dann diese Beispielschaltung mit Transistoren durchgemessen.

Letzte Bearbeitung am 20.08.2009




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Kommentare:

Anonym hat gesagt…

Könnte man nicht alternativ den Arbeitspunkt der Endröhren so legen, dass die Anodenstrombegrenzug vor dem Gitterstromeinsatz liegt?

oldeurope hat gesagt…

Nein, das ist verboten. Dann ist das Schirmgitter in Gefahr! Steigt, der Anodenstrom nicht weiter an, so steigt der Katodenstrom doch trotzdem weiter. Das Schirmgitter übernimmt nun den weiteren Stromanstieg und wird u.U. sehr stark überlastet.
Gruß Darius