Deutschsprachige Zusammenfassung der Schaltungs- beschreibung des MK III b Phonovorverstärkers
Der MC-Phonovorverstärker ist zweistufig und vollständig symmetrisch aufgebaut. Eine lineare breitbandige Eingangsstufe arbeitet auf ein niederohmiges passives RIAA Netzwerk. Es folgt eine zweite, hochverstärkende Ausgangsstufe mit Operationsverstärkern, die mit einem Ausgangsübertrager abgeschlossen wird.
Der symmetrische Aufbau erhöht die Immunität gegen Störstrahlung, neutralisiert geradzahlige Harmonische, gestattet eine konstante Belastung der Stromversorgung und verdoppelt die Aussteuerbarkeit.
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Die Eingangsstufe
Die Eingangsstufe arbeitet mit extrem rauscharmen 2SK369 jFETs (Datenblatt). Zur weiteren Rauschreduktion wurden zwei mal drei Transistoren nach Selektierung parallel geschaltet. Die sehr steilen (40mA/V) jFETs werden durch zwei BC550C (Datenblatt) kaskodiert. In Vorversuchen hat sich gezeigt, dass die bipolaren Transistoren als als kaskodierende Transistoren den FETs klanglich überlegen sind. Die Kaskodeschaltung macht die Eingangsstufe durch Unterdrückung der Millerkapazität breitbandig (siehe Abbildung der Frequenzgangs). Der -3db Punkt liegt über 750kHz. Eine hohe Bandbreite ist wünschenswert, um die angehobenen hohen Frequenzen der invertierten RIAA auf der Plattenrille ohne jeden Verlust an Dynamik, Transparanz und Luftigkeit verstärken zu können.
Die Verstärkung der Eingangsstufe beträgt aufgrund der hohen Steilheit der drei parallelgeschalteten jFETs von 120mA/V ca. 240 (47.6db) . Die Begrenzung der Ausgangsspannung setzt bei 28Vss ein. Dies entspicht über 200mVss am Eingang und liegt jenseits jeder Ausgangsspannung von Moving Coil (MC) Tonabnehmern. Dennoch ist die sehr hohe Aussteuerbarkeit wünschenswert, um Nichtlinearitäten der nicht gegengekoppelten Eingangsstufe klein zu halten. Nehmen wir eine Ausgangsspannung von 2mVss des MC-Tonabnehmers an, wird nur 1% der Aussteuerbarkeit der Eingangsstufe beansprucht.
Aufgrund der relativ hohen Ruheströme von 2 x 15mA (5mA pro Eingangs-jFET) ist die Verlustleistuungen an den Halbleitern der Eingangsstufe nicht unerheblich. Der Spannungsabfall an den Drainwiderständen beträgt 2000Ohm x 0,015A = 30V. Bei voll geladenen Akkumulatoren beträgt die Spannung an den BC550C 12V, die Verlustleistung also 12V x 0,015A = 0,18W. Dies liegt sicher unter der maximal zulässigen Verlustleistung von 0,5W.
Die Symmetrie der Eingangsstufe garantiert eine Konstantstromquelle, bestehend aus je zwei BF246 und BC550. Diese ebenfalls kaskodierte Schaltung hat einen dynamischen Innenwiderstand im Gigaohmbereich. Ebenfalls aus Gründen der relativ hohen Verlustleistung sind je zwei Transistoren parallel geschaltet und die BF246 mit kleinen Kühlkörpern beklebt (123K/W). Die Verlustleistung an diesen Transistoren beträgt 14,6V x 0,015A = 0.22W.
Die notwendigen Vorspannungen für die Kaskode und die Konstantstromquelle werden aus Gründen der Rauschminimierung nicht durch Spannungsabfälle an Halbleitern, sondern aus zwei 9V Akkumulatoren bereitgestellt.
Das RIAA Netzwerk
Das RC Netzwerk der RIAA Kompensation liegt virtuell parallel zu den Arbeitswiderständen der Eingangsstufe (erläuternde Zeichnung). Die Kaskoden arbeiten somit auf frequenzabhängige komplexe Widerstände. Da die Verstärkung der Eingangsstufe in guter Näherung das Produkt aus Steilheit der jFETs und den Beträgen der Arbeitswiderstände ist, nimmt die Verstärkung gemäß der RIAA Kompensationskurve mit steigender Frequenz ab.
Im Gegensatz zu konventionellen RIAA Netzwerken besitzt die Schaltung mit dem 10Ohm Widerstand eine vierte Zeitkonstante. Beim Schneiden der Schallplattenmatrizen wird die weitere Anhebung des Hochtonbereiches bei ca. 50kHz durch ein 6db Filter abgeriegelt, um die Schneidköpfe vor Überlastung zu schützen. Dieses Filter wirkt sich, wenn auch in geringem Maße, schon im hörbaren Bereich aus und kann die Luftigkeit guter Plattenaufnahmen beeinträchtigen. Die vierte Zeitkonstante des RIAA Netzwerkes kompensiert dieses 50kHz Filter.
Die RIAA Kompensationskurve zeigt diese Abbildung. Im Mittenbereich zwischen 200Hz and 5000Hz liegen die Abweichungen von der idealen RIAA Kompensation unter +/-0,1db (siehe RIAA Fehlerkurve). Die höchste Abweichung von der idealen Kurve beträgt 0,26db, gemessen bei 50Hz. Der Roll Off unter 20Hz beugt einer Sättigung der Kerne der Ausgangstransformatoren bei hohen Pegeln vor. Im oberen Frequenzbereich hebt die vierte Zeitkonstante die RIAA Kurve um 0.37dB bei 20kHz und um 1,37db bei 50kHz. Der Widerstand Rt (68k im Schaltplan) erlaubt eine Feinanpassung der RIAA.
Entscheidendend für eine gute räumliche Abbildung ist ein perfekter Gleichlauf der RIAA Kurven beider Stereokanäle. Durch entsprechende Bauteilselektion liegen Abweichungen rechts / links unter 0,1%.
Die Ausgangsstufe
Die symmetrische Ausgangsstufe übernimmt die weitere Verstärkung des gezähmten Signals. Sie ist mit je zwei Operationsverstärkern in sogenannter Kompositeschaltung aufgebaut. Ein spannungsgegengekoppelter Präzisionsoperationsverstärker OPA627 (siehe Datenblatt) arbeitet auf einen stromgegengekoppelten OPA603 (siehe Datenblatt). Die Kompositeschaltung kombiniert somit die Präzision und die niedrige Offsetspannung der OPA627 mit der Schnelligkeit und der Stromlieferfähigkeit des OPA603. Die Gesamtverstärkung der Ausgangsstufe beträgt 250. Die Kompositeschaltung kann Lasten von 150Ohm mit einem Spannungshub von ±10V treiben, ohne dass es zu thermischen Rückkopplungen in die Eingangsstufe des OPA627 kommt.
Die Gegenkopplungsnetzwerke definieren eine Verstärkung von 37 am OPA603 und eine Verstärkung von 6,75 am OPA627. Die geringe Verstärkung kommt d
er Breitbandigkeit und einem geringen Offset zugute. Dies ist wichtig, um eine Vormagnetisierung der Ausgangsübertrager zu vermeiden. Die 39 Ohm Widerstände isolieren die Gegenkopplungsschleife von der komplexen Last am Ausgang.
Die Verstärkung der vorliegenden Schaltung ist für MC Systeme um 0,4mV Ausgangsspannung optimiert. Soll die Verstärkung der Gesamtschaltung variiert werden, so kann dies problemlos über eine Änderung des 5k Widerstandes der großen Gegenkopplungsschleife vorgenommen werden. Die innere Gegenkopplungsschleife um den OPA603 sollte nicht verändert werden.
Die Abbildung zeigt den Frequenzgang der Ausgangsstufe. Der -6db Punkt der OPA627/603 Kompositeschaltung liegt bei einer Verstärkung von 500 über 2MHz. Die hohe Verstärkung und Bandbreite erfordern einen sehr sorgfältiges Schaltungslayout, Sternschaltung der Spannungsversorgung und eine separate Entkopplung jedes Operationsverstärkers mit Folienkondensatoren.
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Auf der Sekundärseite der Lundahl LL7902 ist der Frequenzgang bis 200kHz geradlinig. Der -6db Punkt liegt bei 1MHz. Somit ist das Paradigma einer Bandbreite um mindestens den Faktor 10 über den hörbaren Bereich hinaus erfüllt.
Die Transformatorauskopplung mit dem LL7902 hat folgende Vorteile:
- Eine rauschfreie Zusammenführung der symmetrischen Ausgangssignale ohne Energieverlust zu einem asymmetrischen Signal am Ausgang,
- Impedanzuntersetzung um den Faktor 16. So können auch sehr niederohmige und kapazitive Lasten ohne Höhenverlust getrieben werden.
- Unterbindung möglicher Masseschleifen und elektrostatische Abschirmung.
Mit Ruheströmen von 20mA der OPA603 und einer Impedanztransformation von 16:1 arbeitet die Ausgangsstufe im reinen Klasse A Betrieb. Das RC Netzwerk am Trafoausgang kompensiert die induktive Belastung ist auf eine optimale Übertragung von Rechteckschwingungen ausgelegt. Die 3,3MOhm Widerstände leiten elektrostatische Potentialdifferenzen ab, da Primär- und Sekundärseite des Übertragers ansonsten vollständig galvanisch getrennt sind. Zwischen 10Hz und 20kHz liegt der Ausgangswiderstand bei 20 Ohm. Über 20kHz steigt die Impedanz auf 80Ohm bei 100kHz (siehe Abbildung Ausgangswiderstand / Frequenz).
Inzwischen ist die Produktion des OPA603 eingestellt wurden. Ein geeigneter Ersatztyp ist der AD811. Zur klanglichen Optimierung sollte der Gegenkopplungswiderstand der inneren Schleife bei diesem Typ von 1k auf 560Ohm herabgesetzt werden. Alle anderen Widerstände bleiben unverändert.
Das Netzteil
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Die Stromversorgung trägt einen hohen Anteil an der Qualität eines Phonoverstärkers. Bei MC Phonostufen müssen Signale im Nanovoltbereich aufgearbeitet werden. Rauschen, HF Einstrahlungen und Netzstörungen etc. wirken hier besonders negativ. Chemische Spannungserzeugung aus Batterien oder Akkus eliminiert diese Probleme.
Das akkubasierte Netzgerät ermöglicht eine Betriebszeit von mindestens 12 Stunden. Für die Eingangsstufe werden durch Reihenschaltung von sechs Bleigelakkumulatoren die notwendigen Spannungen von +48V und–24V erzeugt. Die Ausgangsstufe wird mit +/-12V versorgt. Für den Ladevorgang heben Relais die Reihenschaltung auf und verbinden die einzelnen Akkumulatoren mit konstanten Ladespannungen von 13,6V.
Auf der Platine sind zwei weitere 9V Akkumulatoren montiert. Sie haben die Aufgabe, definierte elektrische Bedingungen der abgeschalteten Eingangsstufe sicherzustellen. Ohne die Hilfsspannung würde sich nach dem Abschalten der Eingangsstufe der 9V Akku, der die Vorspannung der Kaskode liefert, über die pn Übergänge der Eingangstransistoren und der Konstantstromquelle entladen und die Polarität der Elkos der negativen Versorgungsspannung umkehren. Die beiden 1N 4004 Dioden schützen die Akkus im Betrieb vor der wesentlich höheren Versorgungsspannung.
Die Entladung der Hilfsakkus ist minimal, da mit dem Abschalten der Eingangsstufe die Konstantstromquelle auf Null gesetzt wird und praktisch keine Stromentnahme stattfindet.