Klirrfaktor des Wald und Wiesen Hifi Verstärker

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Bevor Du diesen Bericht liest, solltest Du den Bericht Meßsystem Amplitudengang für Audio Verstärker kurz angesehen haben, das darin vorgestellte Meßsystem kommt nun zur Anwendung.

Interessant und helfend ist auch der Bericht Was bedeuten Open Loop, Slew Rate und Bandbreite?, er hilft ein wenig dem Leser mit geringeren Kenntnissen.

Zunächst wird in diesem Bericht erneut gezeigt, wie stark Open Loop, Frequenzgang und Klirrfaktor miteinander zusammmenhängen. Dazu wird ein mathematisches Model mit Messergebnissen gespeist.

Open loop und Klirrfaktor:

bisher hatte ich öfters geschrieben, für einen geringen Klirrfaktor ist eine hohe Open Loop und eine möglichst lineare Regelstrecke notwendig.

Das Vermessen der Linearität einer Regelstrecke ist schwierig, insbesondere bei einem geschlossenen Verstärker. Wie das messtechnisch am einfachsten gehen soll, dazu fällt mir vielleicht mal was ein.

Die Beurteilung der Open Loop ist etwas einfacher, dazu gibt es mehrere Möglichkeiten. Ich schreibe bewußt Beurteilung und nicht Vermessen. Aus dem Frequenzgang heraus ist zu sehen; bei Belastung sinkt die Ausgangsspannung der jeweiligen Frequenz. Das ist ein Maß für den dynamischen Innenwiderstand, der widerum in der Open Loop begründet liegt. Eine hohe Open Loop gibt dem Regelkreis die Möglichkeit äußerst präzise auf den Sollwert nachzuregeln auch unter widrigen Bedingungen.

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Bild 1: zeigt die gestellten Ausgangsleistungen

Bild 2&3: zeigen die gestellten Spannungen am Eingang und die Ausgangsspannung

Bild 4&5: das linke Bild zeigt den Gain aufgetragen über die Eingangsspannug, rechts den Gain als Polynominal Fit Funktion

Das Amplituden Meßsystem hat für diese Messung 60 verschiedene Ausgangsleistungen des Verstärkers an 4 Ohm gestellt. Beginnend bei maximaler Ausgangsleistung ca. 1V unterhalb des Clipping (ca. 15,7 Vrms). Der Lautstärkeregler steht bei 70%. Um das System einschwingen zu lassen, wird zunächst eine Frequenz von 200 Hz angefahren und diese vermessen. Im nächsten Schritt werden die zu messenden 300 Hz angefahren. Kleinste Ausgangsleistung etwa 60mW

Die Eingangs- und die resultierende Spannung am Ausgang. maximale Spannung am Eingang etwa 306 mVrms, kleinste Eingangsspannung etwa 10mVrms. Als Ausgangsspannung  maximal 15,7 Vrms und minimal 0,5Vrms. Die 60 Schritte sollten ausreichend sein um die gesamte Powerdynamik des Verstärker zu durchfahren. Der Meßbereich beider Voltmeter blieb unverändert.

Das Voltmeter kann nur pos. Effektivwerte messen, für negative Spannungen wurde für diesen Test die positiven Spannungswerte an der y-Achse gespiegelt, sei jetzt nicht kleinlich wegen dem Minuszeichen und Vrms! In Natura würde das bedeuten, der Verstärker hätte für die positive wie auch die negative Halbwelle exakt die gleiche Open Loop. Das ist nicht realistisch, aber bitte lass diese Vereinfachung hier zunächst gelten. Das rechte Bild macht über ein Polynom Fit 9ter Ordnung aus den diskreten Messwerten eine mathematische Funktion.

Bild 5 ist ähnlich zu den gemessenen Werten in Bild 4. Die Polynom Ordnung habe ich auf neun gesetzt, das sollte genügen. Die noch etwas harte Kurve der Messwerte wird dadurch etwas verschliffen.

copyrights bei Ralf Ohmberger

Ein idealer mathematischer Sinus dient nun als Eingangsgröße

Im folgenden dient nun ein mathematisch generierter nahezu idealer Sinus als Eingangsgröße für das Verstärkermodell. Dieser Sinus wird nun multipliziert mit der aus der Messung gewonnenen Polynominal Fit Funktion. Die angelegte Amplitude beträgt 300mVp. 

Der ans Modell angelegte Sinus hat eine Frequenz von 300 Hertz. Wir erinnern uns an den Bericht der Amplitudengang Messung des Wald und Wiesen Verstärker, bei etwa 300-350 Hz hatte dieser eine besonders ausgeprägte Variation der Verstärkung vs. Last. Für diesen Frequenzbereich erfolgt nun auch die Messung und Simulation.

Für die später gezeigte FFT ist das hier von Bedeutung: die Abtastrate des mathematischen Sinus beträgt 200.000 Samples/Sekunde. Insgesamt wurden 400.000 Samples an diese Mathematik angelegt. Das Signal liegt somit für zwei Sekunden am FFT Analyzer an. Oder anders ausgedrückt, für eine FFT stehen 600 Grundwellen zur Verfügung. Das Bild zeigt einen 10ms Ausschnitt der zwei Sekunden. 

ideale mathematische Eingangsspannung

Bild 6: zeigt angelegten mathematischen Sinus

Modulierter Gain

Bild 7: zeigt die Modulation des nichtlinearen Verstärkungsfaktors durch den angelegten Sinus. Bei einem idealen Verstärker wäre es eine gerade Linie.

Ausgangsspannung am Verstärker

Bild 8: zeigt die vom Verstärker Modell erzeugt Ausgangsspannung, in der Scope Darstellung natürlich als Sinus erkennbar.

Anmerkung: bei der Darstellung von Bild 7 und Bild 8, ist mir ein kleines rein optisch verwirrendes Mißgeschick passiert. Bild 7 zeigt 1000 Samples und Bild 8 zeigt 2000 Samples, beide Achsen hätten sollen 2000 Samples tief sein

Betrachte nun in Bild 7&8 die Samples "Null", keine Ausgangsspannung, kein Strom, maximale Open Loop, Verstärkung auf Maximum 51,95. Wenn der Sinus in Bild 8 sein positives Maximum bei Sample 167 erreicht, dann ist die Verstärkung in Bild 7 auf dem Tiefpunkt 50,8 , da der maximale Ausgangstrom die Open Loop reduziert und damit geht auch die Verstärkung zurück. Mathematisch hergeleitet in Was bedeuten Open Loop, Slew Rate und Bandbreite? 

Die ganze Prozedur der modulierten Open Loop wiederholt sich ständig der Polynom Fit Funktion in Bild 5 folgend.

In diesem Mechanismus liegt ein Großteil von entstehendem Klirrfaktor begründet, die Modulierbarkeit der Open Loop. Im Prinzip eine bauartbedingte Nichtlinearität der Regelstrecke

Nun wird es richtig interessant durch die FFT Analyse

wir untersuchen nun zuerst die mathematisch nahezu ideale Sinusspannung am Eingang des Verstärker. Danach die modulierte Ausgangsspannung am Ausgang des Verstärker.

Spektrum des idealen Sinus verstärkt mit idealem Verstärker

Bild 9: zeigt die FFT der mathematischen Sinusspannung verstärkt mit idealem Verstärker. Wäre schön, wenn das echt wäre - volle 220dB Signal zu Rauschabstand and Distortion Free, wo kann man das kaufen? 

Allgemeine nette Anmerkungen zur Fast Fourier Transformation: diese hier FFT rechnet ohne üblichen Filter wie z.B. Hamming, Blackma...u.s.w, die die rechte und linke Seite des Datenblocks weniger bewerten als den mittleren Teil. Warum geht das hier so gut ohne "spektrale Verschmierung". Ganz einfach, es sind bis zur rechten Seite 600 ganze Sinusschwingungen (rechnet es aus den Samples und der Frequenz nach), das sind viele für eine FFT. Die Betonung liegt auf "ganze", würde die letzte der 600 Schwingungen nicht im Nulldurchgang enden (sie fängt ja auch im Nulldurchgang bei Sample Null an), so würde beim erneuten Aneinandersetzen eines wiederholten 600er Blocks eine unstetige Stelle entstehen, ein kleiner Sprung. Dieser steile kleine Sprung enthält wieder mathematisch alle Frequenzanteile, die sofort als "Verschmierung" im Spektrum erscheinen und das Signal zu Rauschverhältnis deutlich verschlechtern würden. Daher bei einer FFT wenn möglich immer die Blöcke so enden lassen wie sie anfangen, und dann noch die Randfilter drüber, dann ist Ruhe mit Verschmierung. Die FFT gilt prizipiell nur für streng periodische Signale.

Spektrum des  Verstärker Modells mit symetrischer Open Loop

Bild 10: zeigt die Ausgangsspannung am simulierten gefitteten Verstärker. Der ideale mathematische Sinus wurde mit der exakt gespiegelten symetrischen Polynominal Fit Funktion verrechnet.

Was fällt denn hier sofort auf?

Das Spektrum hat ja nur ungeradzahlige Harmonische, wo sind denn all die geradzahligen Harmonischen? 

Sie können bei einem Verstärker, der die positive Halbwelle haargenauso verstärkt wie die negative Halbwelle überhaupt erst gar nicht enstehen.

für die ungeradzahligen Ordnungen gilt: 

1*1*1 = 1 oder -1 * -1 * -1 = -1 

das Vorzeichen bleibt bei ungeradzahliger Ordnung immer so wie am Eingang, eine zwingende Voraussetzung für Symetrie

für die geradzahligen Ordnungen gilt: 

1*1 = 1 oder -1 * -1 = 1  

das Vorzeichen ist bei geradzahliger Ordnung immer positiv. Die geradzahligen Energieanteile finden sich in der positiven Halbwelle wieder.

Das ist schlichtweg ganz einfache Mathematik.

Wie kommen nun die geradzahligen Harmonischen hinzu?

nun wird die Symetrie der exakt gespiegelten Gain Polynominal Fit Funktion einseitig etwas gestört, genauso so wie es der Realität auch enstpricht.

Was tue ich dafür? ich spiegle die Verstärkungswerte für die negative Halbwelle nicht wie zuvor mit dem Faktor -1,00 sondern mit dem Faktor -1,01. Ich füge also eine einprozentige Abweichung der negativen Open Loop zur positiven Open Loop ein. Mal sehen was jetzt passiert.

Ach ja, ich sollte Dir noch erklären, warum ich die Open Loop der negativen Halbwelle eigentlich nicht genauso messe wie die positive?  Ich sage Dir das ist unmöglich.  Ich kann weder die positive noch die negative Seite explizit vermessen, das geht bei 300 Hz nicht mehr. Das würde funktionieren für eine Vermessung mit Gleichspannung, die langsam eine Rampe von full minus nach full positiv läuft, einfach mit einem Multimeter mitzeichnen. Für 300 Hz wo die Open Loop ja mitlerweile verändert zu DC ist, müsste man ein Multimeter haben, daß während des steigenden Sinus von Eingang und Ausgang immer zum gleichen Zeitpunkt unendlich schnell mißt, von der Phasenverschiebung mal abgesehen, die das eh nicht möglich macht. Daher eine RMS Messung, das ist technisch realisierbar und den RMS Meßwert in Bezug zur Gain Kennlinie setzten.

Zurück zu den geradzahligen Harmonischen, mal sehen wie sich nur 1% Open Loop Unterschied auswirken.

Spektrum des  Verstärker Modells mit unsymetrischer Open Loop

Bild 11: zeigt die Ausgangsspannung am simulierten gefitteten Verstärker. Der ideale mathematische Sinus wurde mit der 1% fehl gespiegelten Polynominal Fit Funktion verrechnet.

Ja wer sagt's denn da sind ja die Geradzahligen!

Schon eine 1 prozentige Open-Loop-Nicht-Gleichheit reicht aus um einiges an Geradzahligen zu generieren.

Wie sind nun diese Erkenntnisse auf Verstärker zu übertragen?

Ich versuche nun mal die beiden gebräuchstlichen Verstärker Typen darauf hin zu beschreiben.

Klasse A Betrieb als Eintaktverstärker

Man sagt diesen Verstärker Typen oft einen warmen weicheren Klang zu als dem Gegentakt. Er hat auch oft hohe Anteile der Gewichtung an geradzahligen Harmonischen. Oftmals sind es Röhrenverstärker. 

Ja warum denn, baut man Röhrenverstärker oft als Eintaktverstärker über eine AC-Auskopplung?

Ein Hauptgrund ist doch die Tastsache, das es im übertragenen Sinne nur "NPN" Röhren (verzeiht mir diese krässlichen schlimm klingenden Worte) gibt. "PNP" Röhren kenne ich nicht. Um mit dieser Technolgie einfacher einen Verstärker zu realisieren bietet sich der Eintakt Verstärker schaltungstechnisch an. Ein Eintakt Verstärker ist in seiner Open Loop in besonderem Maße unsymetrisch, was die Verstärkung der positiven und negativen Halbwelle angeht. Deutlich zu sehen wird dieser Vorgang auch an einem Oszilloskope, gelingt es den Verstärker in eine Betriebsbedingung zu fahren, in der er besonders stark klirrt, so ist am Scope eine Verformung des Sinus zu beobachten. Meistens sieht es bei diesem Verstärkertyp so aus, als sei der Sinus ein unten rundes Ei, das oben etwas spitzer wird, stimmts?. Das hat eine Ursache in den hier beschriebenen Vorgängen. Das geht mit einem Transistor Verstärker genauso wie mit einem Röhrenverstärker. Ja ok, die Röhre hat etwas mehr quadratische Kennlinienstruktur als der mehr exponetielle Kennliniencharakter des Transistors. Nochmal zur Festigung, mit dem Transitor bekommt man die "warmklingende Eiform" genauso hin.

Klasse A oder A/B Betrieb als Gegentaktverstärker

jetzt kommt der sogenannte "Böse Bube" dem leider manche fälschlicherweise oft so viel Böses nachsagen, z.B. den kristallklaren Sound, mag ja sein. Solche Aussagen darf man nicht verallgemeinern, eine Tendenz ist erkennbar, der Einzelfall aber immer zu untersuchen. Man muß so einen bösen starken wilden Jungen eben nur ganz hart an die Leine nehmen, dann wird er ganz ganz lieb.

Gelänge es bei ihm die Open Loop weitestgehend für die positive und negative Halbwelle auf  gleich zu züchten reduzieren sich die geradzahligen Harmonischen enorm. Nur so genau kann keiner alle Transistoren paaren, die Selektion müsste auch für alle Signalfrequenzen gleich sein, so wird auch dieser Kollege geradzahlige Harmonische generieren. Wenn die ungeradzahligen überwiegen, ist der nichtlineare Anteil der Open Loop wahrscheinlich in erhöhtem Maße vorhanden.

Der Gegentaktverstärker kann schaltungstechnisch mit sehr hoher Open Loop ausgestattet werden. Gelingt es den Kraftmeier stabil gegenzukopplen hängt er ganz brav an der Leine, besser gesagt an einer Stahlstange. Den Verstärker mit hoher Open Loop auszustatten, auch bei hohen Frequenzen dann stabil zu kriegen - genau das ist eine Kunst im Verstärkerbau. Idealerweise sollte die Open Loop für weite Frequenzbereiche  nicht nur hoch sein, dazu auch noch weitestgehend zu linear, das sind nun mal die kaum realisierbaren Wunschvorstellungen. 

Die "Eiform" ist bei dieser Verstärker Klasse weniger anzutreffen.

Jetzt endlich zu den richtigen Messungen

Im folgenden werden die Klirrspektren des Wald und Wiesen Verstärkers gezeigt.

14Vpeak300Hz70per.gif (74824 Byte)

14Vpeak1kHz70per.gif (68347 Byte)

1400mVpeak5kHz70per.gif (64581 Byte)

Bild 12: zeigt das Spektrum bei voller Aussteuerung. Last 4 Ohm bei 20,58 Vpeak und 300 Hertz. Der Lautstärkeregler steht auf  70%. Ausgangsleistung etwa 53 Watt rms. Sehr gut zu sehen das Feuerwerk an Harmonischen, Netzstörungen und Mischprodukten verschiedenster Art. Total Harmonic Distortion 0,35%. Total Harmonic Distortion über alles 0,64%.

Bild 13: zeigt das Spektrum bei 2/3 Aussteuerung. Last 4 Ohm bei 14,1 Vpeak und 1 kHz. Der Lautstärkeregler steht auf  70%. Ausgangsleistung etwa 25 Watt rms. Bei dieser Darstellung fällt das schlechte Netzteil (Summe aus Quelle und Verstärker) richtig auf. Total Harmonic Distortion jetzt besser 0,077%. Total Harmonic Distortion über alles 0,561%.

Bild 14: zeigt das Spektrum bei kleiner Aussteuerung. Last 4 Ohm bei 1,41 Vpeak und 5 kHz. Der Lautstärkeregler steht auf  70%. Ausgangsleistung etwa 250mWrms. Bei dieser Darstellung fällt das schlechte Netzteil + Quellennetzteil immer mehr auf auf. Total Harmonic Distortion jetzt 0,043%. Total Harmonic Distortion über alles schon 1,75%. Auffällig der merkwürdige Ton bei 19 kHz, mehr dazu später.

100mVpeak1kHz70per.gif (72300 Byte)

100mVpeak5kHz70per.gif (65018 Byte)

quelle1kHz750mVrms.gif (67283 Byte)

Bild 15: zeigt das Spektrum bei sehr kleiner Aussteuerung. Last 4 Ohm bei 140mVpeak und 1kHz. Der Lautstärkeregler steht auf  70%. Ausgangsleistung etwa 25mWatt rms. Bei dieser Messung habe ich die Achsen um Faktor 10 falsch skaliert, nicht verwirren lassen, die 140mVp stimmen.. Total Harmonic Distortion 0,02%. Total Harmonic Distortion über alles 7%.

Bild 16: zeigt das Spektrum bei sehr kleiner Aussteuerung. Last 4 Ohm bei 140mVpeak und 5kHz. Der Lautstärkeregler steht auf  70%. Ausgangsleistung etwa 25mWatt rms. Bei dieser Messung habe ich die Achsen um Faktor 10 falsch skaliert, nicht verwirren lassen, die 140mVp stimmen auch hier.. Total Harmonic Distortion 0,034%. Total Harmonic Distortion über alles 7%.

Bild 17: zeigt das Spektrum der Signalquelle bei 1kHz und 750mVrms. Total Harmonic Distortion 0,00071%. Total Harmonic Distortion über alles 0,78%. Die Quelle ist auch nicht sauber im Netzbereich. Umbau der Gerätenetzquelle wäre sinnvoll und angesagt.

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Bild 18: zeigt das Spektrum des Verstärkers alleine. Am Eingang des Verstärker wurde ein 50 Ohm Widerstand angeschlossen, der Lautstärkeregler steht auf voll. Deutlich zu sehen der hohe Netzbrumm des Verstärker, sogar schon dann wenn wie hier ohne Ausgangsspannung gar kein Strom fließt. Der merkwürdige 19kHz Ton ist immer noch da.

Bild 19: zeigt das Spektrum des Verstärkers alleine. Randbedingungen wie bei Bild 18. Hier wurde der merkwürdige 19 kHz Ton einmal näher unter die Lupe genommen. Was sich nicht so alles in einem Verstärker tummelt? Ja aber nur so lange der Receiver auf UKW steht, beim Umschalten auf Mittelwelle ist er verschwunden. Es ist der FM stereo Decoder. Schön sichtbar auch die kleinen Mischprodukte der 50 Hz Netzfrequenz mit dem 19 kHz Träger.

Bild 20: zeigt das Spektrum des Verstärkers alleine. Randbedingungen wie bei Bild 18. Hier wurde der Bereich der Netzfrequenzen unter die Lupe genommen. In diesem ungeregelten, dabei sogar unbelasteten Netzteil ist alles dabei an Netzoberwellen was das Herz sich wünscht.

Was hätte man noch messen können?

ganz klar, man könnte den Klirrfaktor als Funktion über die Frequenzen schön darstellen, ja auch die einzelnen Harmonischen als Funktion der Frequenz, das ganze in Abhängigkeit des Parameter Last und Ausgangsspannung und und und. Dazu muß ich mir noch ein automatisiertes Meßsystem zusammen programmieren. Ich bin ehrlich gesagt aber auch nicht so scharf drauf, die Ergebnisse hier liegen innerhalb des Erwartungsbereichs, das ein Verstärker mit zunehmdendem Ausgangsstrom und steigenden Signalfrequenzen zunehmend klirrt, ist für solch einen Verstärker nichts ungewöhnliches, die Frage ist immer nur wieviel und wann er bei welchen Bedingungen er stärker anfängt zu klirren.

Auch das ungeregelte Netzteil ist alles andere als toll. Man darf ja nicht vergessen dieses Gebrumme hört man auch schon, hier bei der Messung sieht man's mal. Diesen Verstärker jetzt noch weiter auf Klirrfaktor hin zu untersuchen macht keinen Sinn mehr, er verhält sich genauso, wie man es zuvor auch erwartete. Ferner ist es jetzt auch langweilig den Verstärker noch auf Intermodulationsverzerrungen oder TIM hin zu untersuchen, er wird auch da nur mäßigen Erfolg zeigen. All diese Ergebnisse sind schon tendenziell aus dem Frequenzgang herauslesbar

Zusammenfassung

eigentlich so wie man es erwartet für einen Wald und Wiesen Verstärker, harmonischer Klirr bei Zimmerlautstärke gar nicht mal so übel, den ganzen Rest zusammengefasst im THD+Noise echt übel Richtung Prozentbereich gehend. Das Netzteil hat mich enttäuscht, war aber auch klar, eine gute Power Supply kostet gut Geld, ob geregelt oder ungeregelt. Überrascht und was neues dazu gelernt habe ich beim 19 kHz Ton, der beim Umschalten von UKW zu Mittelwelle verschwindet, soweit ich weiß, ist es der FM Stereo Decoder Baustein, der außerhalb des Übertragungsbereiches leigt der bei etwa 16kHz endet.

Dieser kleine Receiver wird noch für einige weitere Messungen und Test herhalten müssen, ich wünsche ihm noch ein langes Leben.

     Danke Deiner Geduld, Ralf

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