Nemesis Projekt Verstärker

[Same 0]

Hallo !

 

Kennt jemand von Euch dieses neue Konzept für Vorstufe und Endstufe ? Was ist davon zu halten ?

Die Techniker unter Euch sind gefordert.

 

Näheres darüber unter: www.marc-oliver-borck.de

 

[Walter_T 0]

Hi Same!

 

Nemesis-Verstärker, was soll denn das sein?

 

Ich kenne Nemesis nur als "Dark Star" bzw. "Planet X" der irgendwo ausserhalb der Oortschen Wolke auf Grund gravitativer Störungen hin und wieder langperiodische Komenten auf die Reise ins innere Sonnensystem schickt (z.b. Komet Halley) und so auch unter anderem für das Aussterben der Dinos gesorgt hat....

 

mfg

 

Walter

 

ps. bin Hobbyastronom beim Steirischen Astronomenverein tätig...:-)

 

 

 

[pjacobi 0]

Uff, da habe ich noch 'mal Schwein gehabt. Auf den ersten Blick dachte ich, daß Marcs Konzept identisch zu einigen Projekten sei, die ich mir vorgenommen habe. Glücklicherweise sind Marc und ich in fast allen Einzelheiten verschiedener Meinung.

 

Die Endstufe ist ein "halber" Current Feedback Amplifier (Eingangsimpedanzwandler halb vorhanden, Stromspiegel vorhanden, Ausgangstreiber nicht vorhanden). Die Idee einen diskret aufgebauten CFA als Audio Endstufe zu benutzen hatten wir gerade kurz im "Alternatives Audio" Forum angesprochen. Meinen letzten Beitrag, der auch nützliche Links enthältet, kopiere ich gleich mal hierher.

 

Auch Elektor hatte schon mal einen CFA.

 

Den Schaltplan auf Marcs Seite muß man wohl als Prinzipschaltbild betrachten, denn einige Sachen würden so nie funktionieren:

 

1. Da die Basen und die Emitter der komplementären Eingangstransistoren verbunden sind, leitet stets höchstens einer der Transistoren. In einem Eingangspannungsbereich von ca. +- 0.5 Volt leitet keiner der Beiden Ts. Das ist nicht Klasse, A, AB oder B, das ist Klasse C und wird normalerweise und zu Recht für Audio nicht eingesetzt.

 

2. Die Eingangstransis haben keine Emitterwiderstände und werden deshalb (so sie denn endlich leiten), seht nichtlinear sein.

 

3. Die Gegenkopplung ist nicht eingezeichnet.

 

4. Es fehlt ein Ausgangspuffer. Der Ausgang arbeitet als Stromquelle, nicht als Spannungsquelle (Dämpgungsfaktor < 1, Ausgangswiderstand groß). Außer bei speziell dafür vorgesehenen Lautsprechern führt das zu einem völlig verbogenen Frequenzgang.

 

Zu den Differenzen im Detail schreibe ich später was.

 

Grüße,

Peter Jacobi

 

 

[pjacobi 0]

(Kopie von http://f23.parsimony.net/forum51698/messages/176.htm)

 

Geschrieben von pjacobi am 25. August 2000 12:18:15:

 

Als Antwort auf: CFA geschrieben von Rübe am 25. August 2000 11:18:19:

 

Eine nüchterne und gute Einführung in Current Feedback Amplifier ist in:

http://www.edtn.com/analog/barrie5.htm

 

In einer alten Elrad war auch ein guter Grundlagenartikel. Ich weiß nicht, ob es Dir hilft, wenn ich Dir raussuche, welche Nummer es war.

 

CFA ist kein Voodoo, sondern einfach eine besonders transparente Schaltungstopologie: Impedanzwandler-Stromspiegel-Impedanzwandler. Und jede der Komponenten kann bei Bedarf gut linearisiert werden.

 

Wie Barrie Gilbert im oben erwähnten Referat schreibt, wird aber im Prinzip nichts erreicht, was sich nicht auch mit einer konventionellen OpAmp-Struktur erreichen ließe (wobei er sich noch darüber beschwert, daß die meisten modernen integrierten OpAmps intern kompensiert sind, so daß halt nicht alle Möglichkeiten ausgereizt werden können).

 

Der Diamond Transistor als Impedanzwandler funktioniert auch sehr schön, siehe zum Beispiel die alte Burr Brown App Note

http://www.burrbrown.com/download/ABs/AB-181.pdf

 

Und da wir hier beim "Alternativen Audio" sind:

Wer wirklich sicher sein will, alles für seinen Verstärker gegeben zu haben, nimmt für die zweite Stufe des Diamond Transistors immer mehrere Transistoren parallel, und die gleichen Emitterwiderstände wie in der ersten Stufe. Damit werden alle Transistoren im gleichen Punkt ihrer Kennlinie betrieben und mit der gleichen Verlustleistung beaufschlagt. Und als Spannungsverstärker nimmst Du einen Stromspiegel mit parallelgeschalteten Transistoren auf der Ausgangsseite, ebenfalls mit gleichen Emitterwiderständen.

 

Für einen kleinen Klasse A Verstärker kommt dann leicht auf 40 Transistoren (+ Stromquellen + eventuelle Kaskodierung des Stromspiegels):

2+10 im ersten Diamondtransistor (4/20 mA Ruhestrom)

2+10 im Stromspiegel (20/100 mA Ruhestrom)

2+14 im zweiten Diamondtransistor (200/1400 mA Ruhestrom)

 

Grüße,

Peter Jacobi

 

[Gast m-o-b]

Hallo,

 

in der Tat ist das Schaltbild nur ein Prinzipskizze und soll den eigentlichen Aufbau der Verstärker zeigen. Generell ein paar Worte zum Aufbau von Operationsverstärkern:

 

1. Zu 95% besitzen diese am Eingang einen Differenzverstärker (ausgenommen current feedback amps, daher der Name CFA)

 

2. Auf diese Stufe folgt dann eine sogenannte voltage amplification stage VAS

 

3. Damit diese Stufe arbeiten kann, wird als Last eine Stromquelle eingesetzt. Die Ausgnagsimpedanz ist deswegen sehr hoch, um damit z.B. einen Lautsprecher treiben zu können, kommt eine Ausgangsstufe aus einen Spannungsfolger zum Einzatz, üblicherweise in CLASS B als Darlington.

 

Ein sehr großer Teil aller erhältlichen Amps ist so oder so ähnlich mit kleinen Abwandlungen aufgebaut. Ausnahme sind wie schon gesagt die CFA's.In der wireless world gabs vor einiger Zeit eine ganze Artikelserie hierzu. Ist wirklich sehr fundiert und jedem zu empfehln, der sich etwas genauer mit Amps auseinandersetzen möchte.

 

Damit Differenzverstärker Amps linear arbeiten können, werden diese mit einer sehr starken Gegenkopplung betrieben, diese liegt ungefähr in der Größenordnung von 60dB. Von einenem Gesamtverstärkungsfaktor von ca. 100.000 bleibt somit ca. eine closed-loop Verstärkung von etwa 20-30 übrig.

 

Es hat sich mittlerweile eingebürgert, Verstärker so zu realisieren. Der Entwicklungsaufwand ist relativ gering und mit überschaubarem Aufwand erzielt man technisch gute Daten.

 

Bleibt die Frage zu klären, ob der hohe open-loop Verstärkungsfaktor von ca. 100.000 wirklich notwendig ist, um hinterher einen Gesmatverstärkungsfaktor von ca. 30 zu erhalten. Wie schon zuvor beschrieben besitzen konventionelle Amps zwei Verstärkerstufen: einen Differenzverstärker und die VAS-Stufe. Beide erzeugen bei hohen Frequenzen eine Phasendrehung von jeweils ca. 90 Grad. Ein wenig komplexe Last am Ausgang und die Sache fängt an zu schwingen.

Daher auch die Aussage, Verstärker schwingen immer, Oszillatoren nie.

 

Hätte man eine Schaltung, die nur eine Verstärkungsstufe besitzt, so kann diese die Phase bei hohen Frequenzen auch nur um 90 Grad drehen. Damit diese anfängt zu schwingen, braucht es schon eine ziemlich extreme komplexe Last, damit was passiert. Und genau diese Idee steckt hinter der Nemesis-Stufe, der gesteuerte Stromspiegel invertiert das Stromsignal des Differenzverstärkers und treibt hiermit die Ausgangsstufe des Verstärkers. Et voila, die VAS-Stufe entfällt und damit einige technische Probleme.

 

Ganz nebenbei sinkt die open-loop Verstärkung des Verstärkers. Richtig ist daß je größer der Rückkopplungsfaktor ist, der Verzerrungen des Verstärkers sinken. Leider nur die niedriger Ordnung, auf die das Ohr sowiesor nur recht wenig reagiert. Oberwellen hoher Ordnung steigen leider recht deutlich an.

 

Wenn ich mich recht entsinne, stand vor vielen Jahren in der ELRAD ein Bericht über die Untersuchungen des Einflußes der Gegenkopplung auf das Verzerrungsverhalten von Verstärkern, daß ebenfalls diese Abhängigkeit zeigt.

 

Als Ergebnis bleibt festzuhalten, je geringer die Gegenkopplung, desto geringer die Verzerrungen höherer Ordnung. Aber auch nur bis zu einem Optimum von ca. 6dB. Das dürfte im übrigen der Grund sein, warum Röhrenendstufen, bzw Verstärker mit geringer Gegenkopplung so beliebt sind. Erzeugt werden diese Verzerrungen hauptsächlich in der Ausgangsstufe, deswegen auch der Einsatz von CLASS A Verstärkern, welche das Problem fast nicht kennen.

 

Deswegen noch mal kurz die Vorteile der SAS- (single amplification stage) Stufe:

 

Insgesamt eine deutlich geringere Gegenkopplung möglich, da der open-loop Verstärkungsfaktor sinkt und die geringe Phasendrehung von nur 90 Grad bei hohen Frequenzen. Diese Amps sind von daher an allen Lasten absolut stabil. Da es nichts umsonst gibt, steigen die Verzerrungen niedriger Ordnung an.

 

Genaue technische Details zu der Umsetzung der Schaltung bleibt natürlich Betriebsgeheimnis, ein paar Jahre Forschung, Entwicklung und Konstuktion hat es schon gebraucht, bis die Schaltung auf dem Stand ist, wie jetzt. Hinzu kommt, daß mit der Zeit die Anzahl der im Signalweg liegenden Bauteile immer weiter geschrumpft ist, getreu dem Motto, was nicht vorhanden ist, kann auch das Signal nicht verfälschen.

 

Marc-Oliver

 

[pjacobi 0]

Komplette Schaltbilder für CFA Amps in der klassischen Struktur Diamondtransistor/Stromspiegel/Diamondtransistor kann man sich in Datenblättern integrierter CFAs ansehen:

 

Z.B.

 

(290k)

http://www.linear.com/pdf/lt1223.pdf

 

(Vorsicht 1.5M!)

http://www.national.com/ds/LM/LM6181.pdf

 

Grüße,

Peter Jacobi

 

[Gast m-o-b]

Es gibt einen ganz wesentlichen Unterschied zwischen CFA Amps und der SAS Stufe:

 

CFA Amps besitzen als Spannungsverstärkerstufe einen einfachen Transistor in Emitterschaltung, bei den Nemesis-Amps kommt eine deutlich linearere Differenzverstärkerstufe an dieser Stelle zum Einsatz. Die komplette Eingangsstufe ist somit eine gesteuerte Stromquelle, deren Steilheit man sehr einfach durch den Einsatz von Emitterwiderständen anpassen kann. Durch deren Variation kann die Eingangsstufe optimal an den Ausgangstreiber angepasst werden.

 

Viele Grüße

Marc-Oliver Borck

 

[pjacobi 0]

CFA in der klassischen Struktur besitzen überhaupt keinen Spannungsverstärker (ähem, sort of), das ist ja gerade das lustige.

 

In der Eingangsstufe mit einem hochohmigen und einem niedrigohmigen Eingang fließt ein Strom (U1-U2)/R durch den niedrigohmigen Eingang (R einige 10 Ohm).

 

Dieser Strom wird "magisch" (oder nicht so magisch, wie man es sehen will) vom Stromspiegel reproduziert, aber gegen einen hochohmigen Eingang (einige 100 kOHm || einige 10 pF) des Ausgangspuffers.

 

Wenn man mit geringer Schleifenverstärkung arbeiten möchte und die einzelnen Stufen lokal linearisieren möchte, verteilt man den "Kuchen" (die potentielle Open Loop Verstärkung) eben anders: Größere Emitterwiderstände in der Eingangsstufe und einen (hoffentlich) lineraren ohmschen R als Zusatzlast des Stromspiegels.

 

Erstere Maßnahme ist nur beschränkt sinnvoll: Zwar wird die Eingangsstufe linearer, aber der Differenz-Eingangsspannungsbereich, den sie verarbeiten muß, wird größer (umgekehrt proportional zur Schleifengegenkopplung).

 

Aber es freut mich zu hören, daß "Nemesis" entscheidend anders arbeitet, sonst könnte Marc-Oliver noch auf die Idee kommen, ganz allgemein den Einsatz eines CFA als Audio-Endverstärkers patentieren zu lassen.

 

Grüße,

Peter Jacobi

 

 

[Gast m-o-b]

Jeder Transistor, in welcher Schaltung auch immer, ist eine spannungsgesteuerte Stromquelle. Auch ein CFA. Generell gilt : Ic = Is * exp (Ube / (k * T))

 

Is : Sperrstrom

Ube : Spannung zw. Basis u. Emitter

k : Bolzmannkonstante

T : Sperrschichttemperatur

 

Im Arbeitspunkt gilt für die Steilheit des Transistors

 

S = dI/dU = Is / (k * T) * exp(Ube / (k * T))

= Ic / (k * T)

 

wobei k * T auch als thermische Spannung bezeichnet wird (ca. 26mV bei Raumtemperatur).

 

Daran ist nichts magisches. Um wieder auf den Transistor zurückzukommen gilt für diesen:

 

Ic = S * Ube, mit S wie oben angegeben Ic / (k * T)

 

Wie gesagt eine spannungsgesteuerte Stromquelle, von sich auch sehr unlinear (e-Funktion als Kennlinie und kein tanh-Kurve wie beim Differenzverstärker) und das gilt auch für den CFA. Alle eingefügten Widerstände bewirken nur eine lokale Gegenkopplung, Emitterwiderstände z.B. eine Strom-Spannungsgegenkopplung.

 

Schaltungen patentieren lassen? Ist quatsch, geht beim Patentamt sowieso nicht, kostet eine unmenge Geld und jeder kommt an die Infos dran, wg. Veröffentlichung. Ich will mit dieser Schaltung nur anregen, daß Amps auch anders aufgebaut werden können und zwar in gewissen Bereichen besser geeignete, als die üblichen OP-Amps und zwar nicht nur die wg. des invertierten Eingangs eingeschränkten CFAs sondern auch welche mit dem klassischen Differenzverstärker in der Eingangsstufe.

 

[Gast m-o-b]

Eine kleine Anmerkung:

 

anstatt k * T muss es heißen k * T / e

 

e: Elektronenladung

 

[pjacobi 0]

Hallo Marc-Oliver,

 

>Daran ist nichts magisches.

 

He, "magisch" war ein Scherz (noch dazu ein von Gilbert geklauter), und bezog auf die Fähigkeit des Stromspiegels, den gleichen Strom den er gegen eine niedrige Impedanz aufgenommen hat, gegen eine hohe Impedanz zu rekonstruieren.

 

>[...} sich auch sehr unlinear (e-Funktion

 

Klar, der bipolare Transistor "an sich" ist sehr nichtlinear, aber wegen seiner fantastisch hohen Steilheit wird er meist mit Emitterwiderstand betrieben (bzw sein interner Emitterwiderstand wird relevant). Und dann ist z.B. auf die gleiche Steilheit wie ein "linearer" MOSFET gebracht, der linearere von beiden (Wird jetzt irgendwie albern: Spieglein, Spieglein an der Wand, wer ist der linearste im ganzen Land?)

 

>als Kennlinie und kein tanh-Kurve

>wie beim Differenzverstärker) und das

>gilt auch für den CFA.

 

Die typische Eingangsstufe des CFA, der Diamond Transistor ist doch auch symmetrisch und hat deswegen die tanh-Kurve. Aber exp vs. tanh bedeutet doch nur, daß die geradzahligen Klirrfaktoren wegfallen, was psycho-akustisch gar nicht so aufregend besser ist (einige Extremisten meinen ja sogar, "schlechter").

 

Auch von tanh aus, mußt Du den K3 mit genausoviel lokaler oder globale Gegenkopplung drücken, und der Hauptfreiheitsgrad ist dann die Abwägung zwischen den beiden Mechanismem.

 

>Schaltungen patentieren lassen? Ist quatsch, geht

>beim Patentamt sowieso nicht, kostet

>eine unmenge Geld und jeder

>kommt an die Infos dran,

>wg. Veröffentlichung.

 

Glückwunsch zu dieser Einstellung. Andere denken leider anders.

 

>Ich will mit

>dieser Schaltung nur anregen, daß

>Amps auch anders aufgebaut werden

>können und zwar in gewissen

>Bereichen besser geeignete, als die

>üblichen OP-Amps und zwar nicht

>nur die wg. des invertierten

>Eingangs eingeschränkten CFAs sondern auch

>welche mit dem klassischen Differenzverstärker

>in der Eingangsstufe.

 

Falls Du damit nicht reich wirst, kannst Du ja immer noch berühmt werden, indem Du die komplette Schaltung auf die Web Site stellst.

 

Beste Grüße,

Peter Jacobi

 

 

 

[Gast m-o-b]

Hallo Peter,

 

die Übertragungsfunktion des Diamonsstufe hab ich nie ausgerechnet, wg. der Symmetrie kann es aber gut sein, daß auch da eine tanh-Funktion rauskommt. Vollkommen richtig ist, daß bei gleichem Strom durch den Transistor die Steilheit eines MOSFETs wesentlich geringer als die eines Bipolartransistors ist. Gerade von daher bin ich kein Freund von MOSFETs in der Ausgangsstufe. Obwohl: Wegen der quadratischen Kennlinie eines (MOS)FETs ist im Idealfall ein Differenzverstärker mit diesen Bauteilen verzerrungsfrei.

 

Die höhere Verstärkung eines Bipolartransistors hat einen ganz handfesten Vorteil: Genug gain um mit einer einzigen verstärkenden Stufe einen kompletten Verstärker aufzubauen. Das ist bei "meiner" SAS-Stufe genauso wie beim CFA. Es gibt gerade in der ganzen Audiobranche soviel unglaublich viele Halbwahrheiten und technischem Unsinn, unprofessionelle Firmen, Selbstdarsteller und Voodoo, wie in kaum einem anderen Bereich. Gerade weil viele Leute von der Technik an sich keine Ahnung haben, kann man diese leicht mit einigen "fachspezifischen" Schlagworten ködern und dann 08/15-Ware als "High-End" verkaufen.

 

In meinen vielen Jahren mit denen ich mich mit der Audiotechnik beschäftige, läßt sich wohl sagen, daß sich mit allen bisher eingesetzten Meßmethoden keine Aussage über den Klang ableiten läßt. Von daher ist auch die Vorgehensweise, wie man zu qualitativ hochwertigen Geräten kommt etwas anders. Ich habe noch kein einziges Gerät, Kabel, etc. gehört, daß durch zusätzliches Einfügen den Klang verbessert. Der Austausch von minderwertigen Material durch hochwertiges verhilft hingegen in den meisten Fällen zu besseren Klangeigenschaften (z.B. ein datenreduzierter MD-Recorder läßt sich ganz wunderbar durch den Austausch von Koppelelkos durch WIMA-Kondensatoren sowie den Austausch der Widerstände im Signalweg durch DALE-Typen tunen). Obwohl z.B. Röhrenverstärker meist sehr schlechte technische Daten haben, korrelieren diese Meßwerte nicht mit den Klangeigenschaften. Der Rückschluß, daß nur durch schlechte Meßwerte ein guter Klang möglich ist, ist genauso Unsinn. Also, was läßt sich festhalten? Schaltungen so einfach wie möglich aufbauen und dafür so hochwertiges Material wie möglich einsetzen. So einfach wie möglich heißt eben auch bisherige Realisierungen in Frage zu stellen und nach anderen Lösungen zu suchen. Ein Ansatzpunkt ist eben hierbei, die übliche VAS-Stufe zu eleminieren. Wie ich schon angesprochen habe, entfallen somit auch viele Probleme mit der Stabilität etc. Eine andere Maßnahme ist z.B. die Versorgungsspannung zu stabilisieren. Ich schätze in min. 95% aller Fälle wird das nicht durchgeführt. Fast überall sonst in der ganzen Elektrotechnik wird mit stabilisierten Spannungen gearbeitet. In der Audiobranche verläßt man sich viel lieber auf Netzfilter, weil die optisch was hermachen. Und genau das ganze Maßnahmenpaket ist eben dieses Nemesisprojekt, nicht nur für sich betrachtet ein Schaltungsdetail.

 

Reich werden kann man damit wohl nicht, aber den vielen Voodoo-Zauberern werde ich diese Informationen auch nicht überlassen. Da stecken wirklich viele Jahre an Arbeit dahinter. Leider ist es so, je seriöser die Firmen am Markt auftreten, desto weniger ernst werden sie genommen. Voodoo Acustics ist doch viel interessanter als z.B. Burmester, oder?

 

Noch ein Wort zu Patenten: Es gibt heute bessere Möglichkeiten, sich seine Ideen zu schützen, z.B. embedded Software in den Geräten. Außerdem ist mit der Veröffentlichung dieser Idee im Internet sowieso die Möglichkeit genommen, diese Idee patentieren zu lassen, öffentlichkeitsschädlich heißt das glaube ich.

 

Viele Grüße

Marc-Oliver

 

[Quaschik 0]

diese Art von Schaltungen gibt es schon 20 Jahre, sie wurden damals in der franz. Hifi-DIY-Zeitung "L'Audiophile" veröffentlicht als Übersetzung von japanischen Artikeln. Kommerzialisiert wurden diese als Hiraga Classe A und Hiraga Le Classe A Endstufen Anfang der 80er (siehe auch Test in Audio und "Das Ohr").

 

Schaltung der Hiraga siehe Bonavolta-Homepage:

http://www.infomaniak.ch/~bonavolt/hir20.htm

 

Aktuelle Realisierungen der Diamondstruktur siehe Endstufen von Accuphase (auf der japanischen Homepage). Ausserdem habe ichs schon im Eingang einer Elektor-Endstufe gesehen.

 

Gruss,

Hartmut

 

[pjacobi 0]

Hallo Hartmut,

 

Danke für Link und Literaturhinweise.

 

Ein anderer Schaltplan:

http://www.homestead.com/whaan/files/page5.html

 

(Beruhend auf einem Arikel in "Musen to Jikken", Japan, August 1995. Gebaut von einem Amerikaner, der kein Wort Japanisch kann. Funktioniert aber anscheinend trotzdem sehr gut)

 

Grüße,

Peter Jacobi