Klirr und IMD im WV von zB N4504

[kaimex]

Als ich vor kurzem an einem Philips N4504 den Wiedergabe-Frequenzgang für ein 19 cm/s Bezugsband messen wollte, fiel mir bei der Justage des WK-Azimuth auf, daß das Gerät garnicht in der Lage ist, ein 10 kHz Sinus Signal mit -2 dB Pegel unter Bezugspegel (320 nWb/m) unverzerrt wiederzugeben. (Auf einem DIN-Bezugsband beträgt der Pegel des Signals zur Spalteinstellung allerdings nur -10 dB.)
Der Ausgangspegel des N4504 für Vollaussteuerung ist mit 1 Vrms spezifiziert, also 1.414 Vp.
Die beiden Fotos zeigen 1 kHz und 10 kHz Sinus am Monitorausgang bei einem Pegel von ca.+1.45 Vp. Eingespeist wurde in die 10 Ohm Fußpunktwiderstände der Wiedergabeköpfe.
   
   

Das 10 kHz Signal ist unsymmetrisch verzerrt, unten bauchiger mit geringerem Spitzenwert als bei der oberen spitzeren Halbwelle.
An einer Uher RdL war mir sowas nicht aufgefallen.
Das hat mich veranlaßt, mir mal die Verzerrungen im Wiedergabeverstärker des N4504 genauer anzusehen.
Zunächst habe ich den Pegel der zweiten Harmonischen bei einem 1-Ton Testsignal im Bereich 1-10 kHz gemessen. Das Ergebnis zeigt das nächste Bild umgerechnet in Klirrgrad k2.
   

Der Wert steigt bei Vollaussteuerung (Kurve 0dB (1)) von nicht zu beanstandenen 0,4 % bei 1 kHz auf 1% bei 3 kHz, 3% bei ca. 5,4 kHz auf 10% bei ca. 8 kHz und 22 % bei 10 kHz. Bei einer Wiederholungsmessung am nächsten Tag (0dB (2)) konnte ich den letzten Wert nicht reproduzieren. Er lag da eher bei 14%. Zwei weitere Kurven zeigen den Verlauf bei -6dB und -12 dB Ausgangspegel.
Das nächste Bild zeigt den Pegel der zweiten Harmonischen für 10 kHz als Funktion des Ausgangspegels.
   

An der zunehmenden Steilheit oberhalb -3...-2 dB erkennt man, daß dort offenbar eine wesentliche Aussteuerungsgrenze erreicht ist.
Ursache für dieses Verhalten ist die Schaltung des WV:
   

Der zweite Transistor ist mit seinem 22kOhm Kollektorwiderstand nicht in der Lage, das bei 19 cm/s bei hohen Frequenzen recht niederohmig werdende Gegenkopplungsnetzwerk zum Emitter des ersten Transistors auf +1,45 Vp zu treiben. Dazu reicht der zur Verfügung stehende Strom (knapp 0,5 mA) nicht aus. Ob der Designer meinte, bei diesen Frequenzen sei nicht mit Pegeln größer -15 ... -10 dB zu rechnen, oder ob es sich um Schlamperei handelt, bleibt natürlich offen.
Sicher ist dagegen, daß alle dem N4504 verwandten Geräte mit dieser WV-Schaltung das gleiche Problem haben. Der Kennlinienknick im vorigen BIld ist vermutlich die Stelle, ab der der zweite Transistor für eine Halbwelle völlig sperrt, damit die Spannung an der Last maximal ansteigen kann.
Bei einem rein quadratischen Verzerrungsmodell sinkt der Klirrgrad proportional zum Signalpegel. Bei -15 dB würden dann aus 22% knappe 4%. Das ist jedoch nur ein Teil der Problematik.
Der Wiedergabeverstärker muß bekanntlich den Omega-Gang des Induktionsgesetzes im Wiedergabekopf kompensieren. Dazu verpaßt man ihm einen inversen Frequenzgang im Bereich von etwa 50 Hz bis zu einigen kHz. Beim N4504 und 19 cm/s sieht das so aus:
   

Die Verstärkung steigt also zu tiefen Frequenzen stark an, ist z.B. bei 400 Hz 8 dB größer als bei 1 kHz und bei 100 Hz nochmal 10 dB größer als bei 400 Hz.
Gibt man auf eine nichtlinare Kennlinie ein Frequenzgemisch, so entstehen nicht nur Oberwellen sondern auch Kombinationsfrequenzen. Bei einer rein quadratischen Kennlinie entstehen aus einem 2-Ton-Testsignal außer den Harmonischen beider Töne auch noch die Summen- und Differenz-Frequenz mit vergleichbarem Pegel. Das letztere wird nun zu einem noch größeren Problem als die Harmonischen: infolge des WV-Frequenzganges werden die Differenztöne im Pegel umgekehrt proportional zur Differenzfrequenz angehoben.
Ich habe deshalb mal mit der Zwei-Ton-Methode den Pegel bei der Differenzfrequenz f2-f1 für unterschiedliche Ausgangspegel, Frequenzbereiche und Frequenzdifferenzen gemessen.
Die Ergebnisse sind in den folgenden Bildern zu sehen:
   

Aufgetragen ist nicht der Absolutpegel sondern der Pegel unter dem f1-Signal. Das f2-Signal ist am Eingang ebenso groß. Bei flachem Frequenzgang ist der Spitzenwert der Summe doppelt so groß. Bei den hier dargestellten Ton-Paaren betrug der Frequenzabstand 1 kHz. Die Intermodulation ist, wie von der Klirrgrad-Messung nicht anders zu erwarten, am oberen Frequenzende am größten.
Die Werte liegen z.T. weit über der 1% (-40 dB) bzw. 3% (-30,5 dB) Grenze. Selbst bei einem Ausgangspegel von -10 dB liegt das IMD-Produkt von 19 & 20 kHz bei -22 dB entsprechend knapp 8%.
Noch schlimmer wird es, wenn wir Ton-Paare mit nur 400 Hz oder gar 100 Hz Abstand betrachten:
   

In rot sind zu sehen die Ergebnisse für 15 kHz mit einem Partner 100 Hz, 400 Hz bzw. 1 kHz höher. Die gepunktete Linie ist die gleiche wie die grüne (zweite von oben) auf dem vorigem Bild. Die für 400 Hz Abstand liegt tatsächlich ca. 8 dB darüber entsprechend dem Frequenzgang-Unterschied zwischen 1 kHz und 400 Hz. Die Kurve für 100 Hz Tonabstand liegt nochmal 10 dB darüber, entsprechend dem Verstärkungsunterschied zwischen 400 Hz und 100 Hz. Ähnliches ist bei den grünen Kurven für Frequenzpaare bei 2,5 kHz zu sehen. Als dritter Set wird ein Paar bei 1 kHz gezeigt.
Die oberste Kurve zeigt bei Vollaussteuerung ein IMD-Produkt, das 3 dB über dem 15 kHz Pegel liegt ! Selbst bei einem Ausgangspegel von nur -18 dB liegt das Differenzsignal noch bei -20 dB entsprechend 10% des 15 kHz Signals.
Man sieht an diesen Messungen, daß die Anforderungen an die Linearität des Wiedergabeverstärkers recht hoch sind, wenn man vermeiden möchte, daß ein Schleier von Differenzton-Produkten über den Grundtonbereich menschlicher Stimmen und vieler Instrumente gelegt wird. Beispiel: Wenn ein Differenzton-Pegelabstand von besser als 52 dB bis hinab zu 50 Hz gewünscht wird, müßte bei diesem Verstärker mit ca. 28 dB Verstärkungsanstieg von 10 kHz bis 50 Hz der Verzerrungsgrad apriori <= 0.01% (entsprechend -80 dB) sein.

Da gibt es bei diesem Gerät (und vermutlich auch bei anderen) einiges zu verbessern. Auf den ersten Blick macht die Schaltung eines N4504 einen deutlich aufwendigeren Eindruck als z.B. die einer Uher RdL. Daß man aber versucht hat, den Wiedergabeverstärker mit nur 2 Transistoren pro Kanal zu realisieren, wo Uher schon 4 einsetzt, war Sparen am falschen Ende und resultiert in unbefriedigender Wiedergabe-Qualität.

MfG Kai

[Baruse]

...und resultiert in unbefriedigender Wiedergabe-Qualität

Auch wenn ich leider nichts von Deinen Ausführungen verstehe, so bin ich über die Aussage "unbefriedigende Wiedergabequalität" dann doch einigermaßen erstaunt.
Gerade die Philips Geräte empfand ich überraschend gut, was die Klangqualität anbelangt

Außerdem: bist Du Dir sicher, daß der Bezugspegel für die Philips Maschinen bei 320nWb/m liegt?
Ich hätte hier eher 250nWb/m erwartet
Ich denke auch, daß der Azimut nicht umsonst bei -10dB gemessen und eingestellt wird

Viele Grüße
Jörg

[uk64]

Im normalen Betrieb ist es ja bisher keinem aufgefallen.
Klang hin oder her, ein großer Wurf ist die Schaltung wirklich ist.
Irgendwie halt Philips, Hauptsache anders als andere. Nur halt nicht unbedingt besser.

Eine "Quick an Dirty" Änderung durch hinzufügen eines Transistors und eines Widerstandes würde die maximale Ausgangsspannung bei 10kHz mindestens verdoppeln und die Verzerrungen entsprechend minimieren.
Der Arbeitspunkt läge dann aber immer noch etwas ungünstig.

   

Gruß Ulrich

[kaimex]

Das eine ist die technische Bewertung
das andere ist die erkennbare Veränderung im Klang- , Transparenz- , Ortungs- oder Präzisions-Eindruck.
Spätestens seit den Erläuterungen der hör-akustischen/psycho-akustischen Hintergründe der Datenreduktionstechniken wie sie bei mp3 eingesetzt werden, weiß man ja, daß es Verdeckungseffekte gibt. Andererseits hört man von allen Audio-Profis, selbst von denen, die noch oder wieder analoge Audio-Speicherung auf Bandgeräten benutzen, daß der wesentliche Unterschied zur Digitaltechnik die unschärfere Reproduktion der originalen akustischen Ereignisse ist . Es ist kein Witz ( und nachzulesen im Aufsatz in der aktuellen Ausgabe 9/2016 der Professional Audio), daß letztere Produzenten den "Vorteil" der analogen Speicherung in eben diesem technischen Nachteil sehen !.
Ich wollte mal auf diese spezielle Problematik aufmerksam machen, daß eben durch die Entzerrung im Wiedergabeverstärker durch quadratische Verzerrung entstehende Differenztöne im Pegel sehr stark angehoben werden können. Ist auch ein spezifisches Problem der Analog-Technik, das es bei digitaler Speicherung nicht gibt.

@Ullrich: Das ist eine Möglichkeit. Noch besser wird es, wenn man zwischen den zweiten Transistor und den 2,2 uF Kondensator gleich einen OP als Buffer setzt. Wenn man den dann noch mit Verstärkung 10 laufen läßt, wird es schon sehr gut, allerdings muß man den Frequenzgang im Bassbereich revidieren durch Änderung einiger Kondensatoren und Widerstände, weil es sonst zu unerwünscht hohen Verstärkungsspitzen bei einigen Hz kommt. Das ist Folge der unerfreulich vielen Trennkondensatoren in der Gegenkopplungsschleife und der daraus resultierenden Phasendrehung bei tiefen Frequenzen.
Eine andere Möglichkeit wäre der Ersatz des zweiten Transistors durch einen Kleinsignal-Darlington und Änderung auf einen Kollektorstrom von einigen mA. Das würde allerdings viel mehr Gefummel an der Schaltung erfordern als der o.a. Buffer.
Ein weiteres Ärgernis der Schaltung ist der Bezug des Eingangssignals auf die 9..11 V am Emitterwiderstand des ersten Transistors. Das wurde schon von Philips in einer späteren Variante geändert.

MfG Kai

[uk64]

Mein Ziel war es eher eine Änderung "Minimal-Invasiv" zu gestalten.
Einen einzelnen Transistor plus Widerstand je Kanal lässt sich leicht nachrüsten.

Nachtrag: Eine Entzerrung (eine lineare Verzerrung) und eine quadratische Verzerrung (eine nichtlineare Verzerrung) haben erst mal nichts miteinander zu tun.
Im Gegensatz zur nichtlinearen Verzerrung entstehen durch eine lineare Verzerrung keine Ober- und/oder Differenztöne.

Gruß Ulrich

[Andre N.]

Servus,

Auch wenn ich leider nichts von Deinen Ausführungen verstehe, so bin ich
über die Aussage "unbefriedigende Wiedergabequalität" dann doch
einigermaßen erstaunt.Gerade die Philips Geräte empfand ich überraschend gut, was die Klangqualität anbelangt

Außerdem: bist Du Dir sicher, daß der Bezugspegel für die Philips Maschinen bei 320nWb/m liegt?
Ich hätte hier eher 250nWb/m erwartet
Ich denke auch, daß der Azimut nicht umsonst bei -10dB gemessen und eingestellt wird

ich hab noch nie so einen Mist gelesen und bin auch voll bei Dir Jörg. Nach welcher Glaskugel hat man denn das Threadthema er---messen/stellt? Das würde oder bzw. sollte heissen PHILIPS hat *Nie* ein HIFI taugliches Gerät gebaut hat und gehört demzufolge nach Klang und Messung in den Abfall.
Wie relativ ist ein Bezugsband? Wurde Deines nach Service Manual eingesetzt?
Ich lass meine PHILIPS Liebe mal ganz aussen vor und betrachte es immer neutral. Wer konnte wo, wie, wann besser? Wer ging, war als erstes pleite?
Die vor wenigen Tagen fertiggestellte N4504 spricht eine andere Sprache, wenn auch nicht ganz so perfekt wie andere Kleinspulerhersteller zu der Zeit.
So what

Andre

[uk64]

Das Wort „Mist“ ist hier doch wohl fehl am Platz.

Gruß Ulrich

[niels]

Ich finde es interessant, was ans Tageslicht kommt, wenn man mit einigem Forschergeist vorgeht.

niels

[kaimex]

Hallo Ullrich,

den Begriff "lineare Verzerrung" benutze ich nicht, weil ich ihn "völlig daneben" finde.
Ich weiß nicht, auf welche Textpassage meinerseits deine Anmerkungen im Beitrag #5 abzielen.
Ich benutze die Begriffe Entzerrung für den Frequenzgang beeinflussende Maßnahmen/Schaltungen und Verzerrung für nichtlineare Effekte. Da kann ich nirgends etwas durcheinander gebracht haben.

@Jörg:
Nach der zuständigen Norm ist bei 19 cm/s auf Heimtonbandgeräten der Bezugspegel 320 nWb/m. Die Philips N4504 liefert bei dem Pegel auch die im Service Manual genannte Ausgangsspannung und bestätigt damit, daß es so ist.
Eine Normvorschrift, mit welchem Pegel auf einem DIN-Bezugsband der Spaltjustage-Testton zu schreiben ist, hat zunächst mal nichts damit zu tun, bis zu welchem Pegel eine möglichst verzerrungsarme Wiedergabe realisiert sein sollte.
Wenn ich bei zwei Meßtönen von 10 & 11 kHz mit je -16 dB, Spitzenpegel zusammen bei -10 dB einen deutlich vernehmbaren Ton bei 1 kHz höre, finde ich das unbefriedigend.

@Andre:
An deinem Beitrag ist nichts "neutral" betrachtet. Ich lese da nur unsachliche Polemik.
Mir ist auch schleierhaft mit welcher "Logik" du von Aussagen über ein N4504 auf alle Philips-Geräte zu allen Zeiten schließt.
Dein Hinterfragen der Richtigkeit des Bezugsbandes ist völlig irrelevant:
Das Bezugsband hat mit der Messung von Klirrgrad und Intermodulationsverzerrung nichts weiter zu tun. Der Spaltjustierteil des Bandes war nur der Auslöser für meine Meßaktion. Die Messung wurde völlig ohne Band durchgeführt.
Du kannst gerne "Mist" rufen, wenn jemand etwas schreibt, was dir nicht gefällt. Sachliche Auseinandersetzung geht aber anders.
Ich habe drei Halbleiter-bestückte Bandgeräte, zwei zeigen das beschriebene Problem nicht in dem Maße wie die nun beschriebene Philips-Maschine. Deshalb brauchte ich zur Thread-Themen-Erstellung keine Glaskugel.

MfG Kai

[uk64]

daß eben durch die Entzerrung im Wiedergabeverstärker durch quadratische Verzerrung entstehende Differenztöne im Pegel sehr stark angehoben werden können

Durch diesen Satz könnte der Eindruck entstehe, das die Entzerrung selbst das Problem ist. Das letzte "können" sollte man halt differenzieren. Sie wird nur zu einem Problem wenn der Arbeitsbereich des Verstärkers verlassen wird. Korrekt ausgelegt kann man Entzerren ohne das nichtlineare (z.B. quadratische) Verzerrungen entstehen.

PS: Lineare und nichtlineare Verzerrung sind halt gängige Begriffe.

Gruß Ulrich (immer noch mit einem "L")

[kaimex]

Hallo Ulrich,

meistens verschluckt mein Mini-Bluetooth Keyboard irgendelche Zeichen die ich geschrieben habe, bei deinem Vornamen lag es vielleicht an der falschen Lesebrille, die nicht klar erkennen ließ, ob du ein oder zwei lls verwendest. War keine böse Absicht.

Das "können", das ich da zur Formulierung etwas konziliant abschwächend eingesetzt habe, bezog sich eigentlich auf den betracheten Frequenzabstand von Meßtönen oder Spektralkomponenten in zB Musik. Das ist nun mal das spezifische Problem des (jedes) Wiedergabeverstärkers, daß, wenn (aus anderem Effekt) nichtlineare Verzerrungen entstehen, niederfrequente Spektralkomponenten davon durch die lineare Wiedergabe-Entzerrung kräftig angehoben werden.

So war es gemeint. War vielleicht für eine technisch weniger vorgebildetes Publikum zu knapp oder gar mißverständlich formuliert.

Ich möchte die Gelegenheit wahrnehmen, allgemein zu positivem Denken aufzufordern.
Wenn hier mit meßtechnischen Methoden auf Nachteile/Mankos aufmerksam gemacht wird, so dient das nicht dazu, einem Gerätetyp oder dem vormaligen Hersteller "ans Bein zu pinkeln", sondern dazu, Meßmethoden vorzustellen, Zusammenhänge zu beschreiben und Verbesserungspotential aufzuzeigen. Ulrich hat schon eine einfache Verbesserungsmöglichkeit gezeigt. Ich habe das auch noch vor und will die Verbesserung dann auch meßtechnisch belegen.

MfG Kai

[Andre N.]

Servus,

dann nehme ich mein gemeintes und geschriebenes Wort *MIST* zurück. Vielleicht sprechen wir eine andere Sprache und versuchen vom Gebraucht Zustand und dessen Messwerten auszugehen, oder vom Neuzustand. Das kam leider nicht bei mir an. SORRY
Die N Serien 44/45 haben bis auf leichte Modifikationen im WV wohl das gleiche Problem. Drum mein Schluss, das alle PHILIPS Geräte nicht HIFI tauglich sind.
Vielleicht versuche ich auch Wurzeln zu finden, wohin denn die Zweige gehen.
Kurz und knapp, in welchem Zustand befand sich das Gerät zum Zeitpunkt der Messung? Aus welchem SM stammen Deine Vorgaben, bezogen auf die 320nWb/m?

Gruss Andre

[uk64]

Aus welchem SM stammen Deine Vorgaben, bezogen auf die 320nWb/m?

Ich stelle hier mal die Einstellanweisung aus der Serviceanleitung der N4504 ein.
Wer Spaß daran hat kann ja mal über den entsprechenden "Bezugsbandfluss" und die daraus erfolgenden Konsequenzen nachdenken

   
   

Gruß Ulrich

[kaimex]

Man hat den Eindruck, daß das SM "bewußt" jeden expliziten Bezug zu einer Norm vermeidet.
Wie ich aber bereits in Beitrag #9 anmerkte, sah die "zuständige" DIN Norm für Heimtonbandgeräte bei 19 cm/s einen Bezugspegel von 320 nWb/m vor. Wie der ?"Zufall"? es will, liefert die N4504 bei dem Bezugspegel bei 1 kHz ziemlich genau 1Veff (genannt 0 dB) am Monitorausgang. Bei 250 nWb/m wären es ca. 2 dB weniger.
Da kann nun auch jeder seine Schlüsse draus ziehen, ohne daß ich ein Geständnis abgeben muß, welches SM mir vorliegt.
Trotzdem verrate ich mal, daß es sich vermutlich um die letzte deutsche Version handelt. Es sind zwei Wiedergabeverstârker-Varianten enthalten, noch mehr Platinen-Varianten, deren letzte wohl ab "stamp WR 09/733" galt. Mein Gerät hat die ältere WV-Version, die man von außen daran erkennt, daß an den Pins 6 & 7 der Eingangsbuchse ca. 11V laut SM, in der Praxis eventuell "nur" 9V liegen. Die letzte Version hatte dort "zivilere" 0V. Es sind die Einspeisepunkte für die 10 Ohm Fußpunktwiderstände der WKs für die Messung des Wiedergabe- Frequenzganges.

MfG Kai

[kaimex]

Inzwischen habe ich mir mal einige Möglichkeiten angesehen, die Linearität des Wiedergabeverstärkers der N4504 zu verbessern. Als alter Simulant habe ich nicht gleich den Lötkolben geschwungen und alles praktisch ausprobiert, sondern Schaltungsideen in SPICE simuliert und bezüglich entstehender Verzerrungsprodukte bei der doppelten Frequenz eines sinusförmigen Testsignals analysiert.

Die Testbedingungen orientierten sich dabei an Pegeln und Meßwerten der bereits berichteten praktischen Messungen am Original.
Zur Erinnerung: Der WV wird gespeist über 10 k Vorwiderstände an den 10 Ohm Fußpunktwiderständen der WK, die über die Pins 6 & 7 der Eingangsbuchse von außen zugänglich sind. Weil die aber auf einem DC-Niveau von 9-11 Volt liegen, ist noch ein Kondensator zur Gleichspannungstrennung erforderlich.
Mit einer Eingangsspannung von +3.6 Vp wird bei 10 kHz eine Ausgangsspannung am realen Monitorausgang von ~ +1.5 Vp erreicht, entsprechend geringfügig mehr als 1 Veff (0 dB). Die negative Halbwelle erreicht nur ~ -1.2 Vp. (Zwischen WV und Monitorausgang liegt noch die DNL-Schaltung, die bei hohen Frequenzen die Phase um 180° dreht, bei tiefen um 0° , also ein Allpaß).
In der Simulation wurden deshalb auch 3.6 Vp als Testsignalamplitude gewählt.

Als Simulator habe ich das frei verfügbare LTSpice benutzt. Man führt eine Transienten-Analyse durch und unterwirft das dargestellte Ausgangssignal einer FFT, der man dann den relativen Pegel der Verzerrungsprodukte entnehmen kann. Ich habe jeweils den Pegel bei doppelten Frequenz, also 20 kHz, notiert. Damit man auf diese Weise bis ca. 90 dB unter dem Pegel der Anregung "messen" kann, sind einige Einstellungen an den Parametern der FFT ,der Transienten-Analyse und der Wahl von Frequenz und Zeit-Intervall vorzunehmen. die ich bei Interesse gerne erläutere.

Nun erstmal die Ergebnisse.
1. Originalschaltung:
Bei diesem Eingangspegel muß der zweite Transistor im WV für die positive Halbwelle bereits voll abschalten, damit die Ausgangsspannung maximal ansteigen kann. Die Folge sind erhebliche Verzerrungen mit einem 2f-Pegel von ca. -14 dB.

2. Transistor-Emitterfolger
Ulrich hatte im Beitrag #3 bereits eine einfache Lösung mit einem Emitterfolger zwischen dem Kollektor des Ausgangstransistors und dem Koppelkondensator gezeigt. Es sind nur ein Transistor und ein Widerstand zu ergänzen.
Mit einem BC547C und einem Emitterwiderstand von 1.2 k erreicht man einen 2f-Abstand von -49 dB. Mit größeren oder kleineren Widerständen wird es wieder schlechter.

3. Mit einer JFet-Stromquelle im Kollektor des zweiten Transistors , siehe Schaltungsauszug im nächsten Bild, und einer dazu erforderlichen Änderung der Basisspannungsteiler erreicht man einen 2f-Abstand von -53 dB.

  WVModJFet.JPG (Größe: 24.28 KB / Downloads: 35)

4. Mit einem Buffer bestehend aus einem PNP-Transistor und einem n-Kanal-JFet , siehe nächsten Schaltungsausschnitt, erreicht man -51 dB.

  WVModJfetBip.JPG (Größe: 23.55 KB / Downloads: 394)

5. Mit einem idealen Buffer (spannungsgesteuerte Spannungsquelle) erreicht man -50 dB
6. Mit einem idealen Buffer mit Verstärkung V=10 erreicht man -86 dB
7. Den gleichen Wert zeigte die Simulation für ein OP-Modell, lokal gegengekoppelt auf V=10 und zusätzlicher Zähmung des Baßfrequenzganges mit weiterer Gegenkopplung.

8. Ersetzt man in der Originalschaltung die Transistoren durch Strom-gesteuerte Stromquellen, resultiert eine völlig lineare Schaltung, die keinerlei Verzerrungen erzeugt. Dafür ergab die Simulation ca. -94 dB f2-Abstand. Dort liegt also die Auflösungsgrenze der Methode bei der von mir gewählten Konfigurierung.

9. Wenn man schon einen OP einsetzt ist der zweite Transistor eigentlich überflüssig. Deshalb habe ich dann eine Variante berechnet, in der der zweite Transistor durch einen OP ersetzt wird. Die Schaltung ist im nächsten Bild gezeigt.
   

Sie ist so gewählt, daß von der Originalschaltungstopologie möglichst viel genutzt werden kann (sprich die Platinenenlöcher für Widerstände und Kondensatoren). Der Spannungsteiler am negativen Eingang ist allerdings zu modifizieren und es ist auch vorteilhaft, einige Kondensatorwerte zu ändern sowie den Basiswiderstand des ersten Transistors. Außerdem wird ein Spannungsteiler für die Vorspannung am positiven Einang benötigt.
Mit dieser Schaltung bekam ich 2f-Werte bei -89 ... -92 dB.
Probiert habe ich Modelle von OPs, die bei mir in der Bastelkiste liegen: LF351 & LF 357 von (früher)NationalSemiconductor (jetzt TI) und AD711 von Analog Devices. Es gab keine wesentlichen Unterschiede im Simulationsergebnis. Von den Datenblattangaben her ist der neuere AD711 besser in Sachen "Audio distortion".

1976/7 war auch schon bekannt, wie man einen guten Wiedergabeverstärker baut. Das kann man sehen in der Schaltung der Telefunken M15A. Hier ein Auszug:
   

Ein State-of-the-Art Verstärker sieht heute noch ähnlich aus, verwendet aber in der ersten Stufe statt des Bipolar-Transistors einen JFet mit hoher Steilheit bei hohem Drainstrom. Bei extrem hohen Anforderungen an die Rauscharmut werden sogar mehrere (10, 20 oder mehr) parallel geschaltet, um nach dem 1/Wurzel(N) Gesetz die Rauschspannung zu verringern. Während ein Bipolar-Transistor für mittlere Eingangs-Impedanzen typisch bei Kollektorströmen von einigen 10 µA bis 100 µA betrieben wird, wird bereits der einzelne JFet mit Id ~10...20 mA betrieben, bei 16 Stück (Rauschreduktion mit Faktor 1/4) sind es bereits 160 mA.
Ein WV mit einem FET würde so aussehen (bis auf die Biasregelung):
   

MfG Kai

[ManiBo]

Hallo Kai

Du hast dir ja richtig Arbeit gemacht.
Vielen Dank für die ausführlichen Erklärungen.
Ich habe gerade meine N4504 zur Überholung auf dem Tisch.
Bei meiner ist der Frequenzgang bis ca. 500Hz wellig, aber noch innerhalb der Spez.
Kannst du, falls du möchtest, in meinem Thread nach sehen.
Hast du dafür Lösungsansätze, würde die Maschine gerne etwas besser machen.
Ich vermute aber es sind Kopfresonanzen oder der Aufnahmeverstärker.

Gruß Mani

[kaimex]

Wenn man einen neuen Fotoapparat erworben hat, kann man bekanntlich all seine früheren Reisen nochmal machen, um bessere Fotos zu schießen.
Genauso ist es mit einem neuen Oszi, deshalb hier mal wieder Defätistisches zur Philips N4504 und allen verwandten Geräten (mit nahezu gleichem Wiedergabe-Verstärker).

Zuvor eine Entschuldigung an Manibo, falls ich nie auf seinen Beitrag (den vorigen) geantwortet habe. Ich kann mich nicht daran erinnern, den schon mal wahrgenommen zu haben.

Ich habe das neu erworbene PicoScope 2204A dazu benutzt, mal wieder die Verzerrungen bei hohen Frequenzen (und Pegeln) des Wiedergabe-Verstärkers des N4504 zu dokumentieren. Baugleiche oder recht ähnliche Verstärker wurden auch in etlichen anderen Philips Tonbandgeräten eingesetzt.

Meßaufbau: Ausgang des (Arbitrary-)Waveform-Generators (AWG) des 2204A über 10 uF und je 10 kOhm mit den Pins 6 & 7 der Line-In/Out DIN-Buchse verbunden. Die Kontakte liegen an 10 Ohm Fußpunktwiderständen "unter" den Wiedergabeköpfen.
Eingang B mit Pin 3 des Monitor-Ausgangs verbunden. Mit maximalem Sinuspegel des Oszillators erreicht man zwischen 10 ... 20 kHz knapp halben Ausgangspegel des Tonbandgerätes.
Am PicoScope geht man in die Spektral-Darstellung (Spectrum View) und wählt zB eine Darstellungsbandbreite von 98 kHz. Das Gerät stellt sich dabei auf eine Sample-Rate von 195,3 kS/s ein. Den Oszillator habe ich zunächst in 1 kHz Schritten von 10 kHz bis 20 kHz durchgestimmt.
Das Ergebnis ist im ersten Bild zu sehen:
   
Damit ist der "Lattenzaun" von Spectral-Peaks zwischen 10 & 20 kHz in Einzelmessungen erzeugt und mit einem Overlay-Programm übereinander-kopiert worden. Von 20 bis 40 kHz sieht man den Lattenzaun der dazu gehörigen Oberwellen doppelter Frequenz (die Zipfel darunter sind Dreifache). Danach habe ich zum Spaß den AWG von 10 kHz bis 20 kHz durchstimmen lassen (Sweep-Modus mit Increment 10 Hz / 10 ms). Das hat dazu noch die durchgehende Hüllkurve oben drüber gezeichnet (Display-Mode "Peak Hold" statt "Magnitude").
Der Kasten oben links zeigt für 11 kHz den Pegel-Abstand zur 22 kHz Linie mit etwa 26 dB an, also 5%-Klirr. Oben rechts wird er für 15 kHz & 30 kHz mit etwas mehr als 19 dB angegeben, also mehr als 10%-Klirr.
Die Messung habe ich dann noch mal bei etwa 100 % Ausgangspegel ähnlich wiederholt.
   
Weil ich keine Lust hatte, im Adapter-Kabel die Vorwiderstände zu halbieren, habe ich einen anderen Oszillator mit höherem Ausgangspegel benutzt und per Hand abgestimmt.
Bei 12,5 kHz zur Oberwelle bei 25 kHz sind es jetzt nur noch etwa 10.5 dB Abstand, also um 30%-Klirr, bei 15/30 kHz nur noch 9 dB, also noch schlimmer.

Im Scope-Modus sehen die 15 kHz Signale bei knapp halbem Pegel und bei etwa 100% so aus:
   
Ursache für die hohen Verzerrungen ist der viel zu hoch-ohmig dimensionierte Collector-Widerstand des zweiten Transistors (R39 bzw, R139), der bei diesen Pegeln nicht in der Lage ist, das bei diesen Frequenzen niederohmige Gegenkopplungsnetzwerk der Entzerrung zu speisen. Der erste Transistor treibt den zweiten bis in den Zustand Basisstrom->0 -> Collektorstrom-> Null, damit er "hinten" hochkommt, aber das nützt nichts wegen des ungeeigneten Impedanzverhältnisses. Wer sich jetzt wundert, weil das Bild mehr so aussieht, als käme der Ausgang nicht weit genug nach unten für einen ordentlichen Sinus: Zwischen dem Ausgang des Vorverstärkers und der Monitorbuchse liegt noch die DNL-Schaltung, die auch im "abgeschalteten" Zustand bei hohen Frequenzen das Signal invertiert (bei tiefen nicht) . Die Verzerrungen lassen sich drastisch reduzieren, wenn man den Collector-Widerstand auf 2.2 kOhm verkleinert und die Vorspannungserzeugung an der Basis so ändert, daß sich am Collector etwa 8V einstellen. Mit so einer einfachen Änderung wäre die Leerlaufverstärkung jedoch zu klein für die gewünschte Bass-Entzerrung.
Um auf die magische Tonbandler-Grenze von maximal 3% Klirr zu kommen (höhere Oberwellen großzügig ignoriert) darf der Pegel in diesem Frequenzbereich nicht höher als ~ - 12 dB sein, also etwa 25%. (Das ist etwa da, wo das Aussteuerungs-Instrument 10...15% anzeigt, 50 % ist übrigens da, wo der Zeiger 40 % andeutet. Wer gelegentlich mit dBs operiert, kriegt irgendwann mit: -6 dB entspricht 1/2 Spannung bzw 50%, -12 dB demnach 1/4 bzw 25%. Die Designer des Aussteuerungs-Instrumentes waren offenbar anderer Meinung).

MfG Kai

[ManiBo]

Hallo Kai

@Zuvor eine Entschuldigung an Manibo, falls ich nie auf seinen Beitrag (den vorigen) geantwortet habe. Ich kann mich nicht daran erinnern, den schon mal wahrgenommen zu haben.

Brauchst dich nicht entschuldigen.
Wir haben doch gemeinsam vor ca. einem Jahr über die Problematik uns ausgetauscht.
In vielen Versuchsreihen hab ich dann den Frequenzgang optimiert.
Die mangelhafte Höhenaussteuerbarkeit hab ich ja durch den Emitterfolger ausgemerzt.
Interessant wäre jetzt mal die Auswirkung meßtechnisch zu sehen.

Übrigens, wieder sehr schön von Dir geschrieben.

Gruß Mani

[kaimex]

Na dann bin ich ja froh, bekam schon leicht schlechtes Gewissen...
Dann hast du also Ulrichs Vorschlag realisiert mit hinreichend kleinem Emitterwiderstand.
Alle anderen, die nix getan und gemerkt haben, können sich darauf berufen, daß in den meisten Aufnahmen so hohe Hochtonpegel nicht vorkommen, außer bei "unbedachter" bzw. "böswilliger" Messung.
Es ist in der Praxis also wichtiger, daß der Aufnahmeverstärker das kann.
Dann müßte ich dem ja mal spaßeshalber auf den Zahn fühlen...

MfG Kai

[Ferrograph]

Der zweite Transistor ist mit seinem 22kOhm Kollektorwiderstand nicht in der Lage, das bei 19 cm/s bei hohen Frequenzen recht niederohmig werdende Gegenkopplungsnetzwerk zum Emitter des ersten Transistors auf +1,45 Vp zu treiben. Dazu reicht der zur Verfügung stehende Strom (knapp 0,5 mA) nicht aus.

Hallo Kai,

erst einmal ein Gesundes Neues Jahr.
Ich habe mich noch mal mit diesem älteren Beitrag befasst.
Wäre es nicht eine ganz einfache Möglichkeit den Arbeitswiderstand von T2 auf 5 KOhm durch Parallelschaltung zu verringern?
Oder wäre dann der Transistor im komplett falschen Arbeitspunkt?

Gruß Jan

[kaimex]

Hallo Jan,

auch für dich alles Gute für das neue Jahr.

Man müßte dann den Kollektorstrom erhöhen, damit etwa wieder die gleiche DC-Spannung an dem Widerstand abfällt, sonst hat man aussteuerungsmäßig nichts gewonnen. Das hätte aber die Folge, daß der Eingangs-Widerstand von T2 ca. umgekehrt proportional absinkt, damit auch die Leerlauf-Verstärkung des Vorverstärkers, die aber ohnehin schon knapp wird im Bass-Bereich. Von den einfachen Lösungen ist die von Ulrich/uk64 angegebene mit dem Emitterfolger die beste. Das hat zB Mani/Manibo nach eigenem Bekunden erfolgreich praktiziert.
Man sieht der Schaltung an, daß der Ausgang bei 19 cm/s und hohen Frequenzen (C17 wird dann ziemlich nieder"ohmig") mit etwa R312 (3k) || R98 (6.2k) ~ 2.x kOhm belastet wird. Das ist auch für einen 5 kOhm Kollektor/Quell-Widerstand noch ziemlich "unvorteilhaft". Ein Emitterfolger mit 4.7 k Emitter-Widerstand (RE) hat zwar eine niedrigere Ausgangs-Imdedanz, aber die Aussteuerung unter Ruhepotential (zb halbe Betriebsspannung) wird immer durch das Verhältnis RL/(RL+RE) (RL: Last-Widerstand) begrenzt, während die Aussteuerbarkeit über Ruhepotential "nur" durch den maximalen Emitter-Strom *RL begrenzt wird. Die einseitige Beschränkung kann man zB durch Verwendung eines OpVs aufheben. Das wäre auch nötig, wenn man das Verzerrungsniveau noch weiter herabdrücken will. Dazu braucht man nämlich noch mal mindesten 20 dB Leerlauf-Verstärkung (die ein OpV leicht liefern kann).

MfG Kai

[Ferrograph]

Hallo Kai,

o.k., ich habs verstanden.
Ich werde die Lösung mit dem Emitterfolger einbauen.

Grüße, Jan

[kaimex]

Dieser Schwachpunkt ist selbst in dem Top-Modell N4520 vorhanden:

Da wird der Ausgang (Collector-Widerstand etwas niedriger: 15 kOhm) bei hohen Frequenzen allein durch das Gegenkopplungs-Netzwerk mit etwa 2.4 k bei 19 cm/s, 2.2 k bei NAB 38 cm/s und 1.5 k bei IEC 38 cm/s belastet.
Je ein Transistor und Widerstand für wenige (2?) Groschen hätte bei dem Endpreis doch eigentlich noch mit drin sein können...

Allerdings ist da die Gesamt-Verstärkung auf zwei solche 2-Transistor-Verstärker verteilt. Insofern konnte die Verstärkung in der ersten Stufe niedriger ausfallen. Damit bleibt dann die Ausgangsspannung dort auch niedriger und wohl im "grünen" Bereich.

MfG Kai

[Ferrograph]

Hallo Kai und Co,

nach dem ich den Emitterfolger im WV nachgesetzt habe und nach Abgleichvorschrift die Philips eingemessen habe komme ich
bei meiner N4504 bei 1Khz Vollaussteuerung auf kleiner 2,5% harmonische Verzerrung (THD).
Das scheint mir ein guter Wert zu sein.
Den Klirrfaktor konnte ich leider nicht messen, der soll laut Philips Spezifikation kleiner 3% liegen.

Hier der THD bei 19cm und 1 KHz Vollausteuerung

   

Und hier bei 9,5cm/s:

   

Bei 10 KHz (19 cm/s) und vollem Pegel (was ja theoretischer Weise nicht vorkommen sollte) sieht die gesamte Verzerrung nach Band folgendermaßen aus:

   


Grüße, Jan

[kaimex]

komme ich
bei meiner N4504 bei 1Khz Vollaussteuerung auf kleiner 2,5% harmonische Verzerrung (THD).
Das scheint mir ein guter Wert zu sein.
Den Klirrfaktor konnte ich leider nicht messen, der soll laut Philips Spezifikation kleiner 3% liegen.

Hallo Jan,

THD ist die englische Bezeichnung dessen, was der Germane Klirrfaktor nennt.

Normalerweise würde man hier "dB" oder "logarithmisch" für die vertikale Darstellung wählen, damit man mehr als nur Zipfelchen zu sehen kriegt.
3 % ist keine besondere Philips Spezifikation sondern die übliche Grenze bei Tonbandgeräten für eine sinnvolle maximale Aussteuerung. Bei modernen hoch-aussteuerbaren Bändern erreicht man bei 1 kHz und den als Vollaussteuerung empfohlenen Bandflüssen allerdings deutlich kleinere Werte.
Die Emitterfolger wirken sich bei 1 kHz nicht dramatisch aus. Das tun sie erst im oberen Bereich, wo der WV ohne den Emitterfolger gar nicht in der Lage war, das Gegenkopplungsnetzwerk mit Vollpegel (der in Musik hoffentlich nicht vorkommt) zu speisen.
Da bei 10 kHz die Oberwellen bei 20, 30, 40, 50... kHz liegen würden, gibt es da natürlich Probleme, den Klirrfaktor auf so einfache Weise zu ermitteln. Da empfiehlt sich dann die 2-Ton-Messung (zB mit 10 & 11 kHz) und die Auswertung des von der Nichtlinearität erzeugten Differenz-Tons bei1 kHz.

MfG Kai

[Ferrograph]

Hallo Kai,

bei der Differenzton Messung des modifizierten WV kam folgendes raus:

   

Das sieht gut aus, ich weiß jedoch nicht ob ich dem trauen kann.

PS: Es gibt einen kleinen Unterschied zwischen dem anglophilen THD und dem Klirrfaktor.
In meinem letzten Posting wollte ich nur andeuten daß ich den KF nicht gemessen habe sondern das Programm den THD Wert ermittelt.

Gruß, Jan

[ManiBo]

Hallo

0,2% IM ist sehr beeindruckend.
Welchen Pegel haben f1 und f2 am Ausgang?

Gruß Mani

Ps Klirr wird üblicherweise für K3 angegeben da dominierend. THD über alles. Ich denke Kai kennt den Unterschied

[kaimex]

Es gibt einen kleinen Unterschied zwischen dem anglophilen THD und dem Klirrfaktor.

Wenn ich mich unter
https://de.wikipedia.org/wiki/
vergewissere, was damit gemeint ist, so sehe ich, daß im Audio-Bereich die Definition identisch ist mit der des Klirrfaktors.
Anfangs wird dort eine Definition über Leistungsgrößen genannt. Verwendet man allerdings die Beschreibung mit dBs, so ist auch der dabei entstehende Wert identisch mit dem von dB(Klirrfaktor).

Hat bei dem Bild die dB-Skala Bezug zu 0 dB beim Tonbandgerät ?
Die Verzerrung ohne Emitterfolger ist dominant von gerader Art, also quadratisch und höhere Ordnungen. Dann entstehen mit größter Amplitude f2-f1 und f2+f1. Bei 1 kHz ist aber fast nichts zu sehen. Da würde ich bei 0 dB Pegel doch mehr erwarten.
Stattdessen sieht man 2f1-f2=9 kHz und 2f2-f1=12 kHz, was typisch ist für kubische Verzerrungen, wie sie die magnetischen Kennlinien produzieren.
Solange du den WV testest, würde ich das erstmal ohne Band tun, also durch direkte Einspeisung in den WV-Eingang, zB über die Fußpunktwiderstände oder mit ca. 1 MOhm Vorwiderstand an die heißen Pins des W-Kopfes.

MfG Kai
Nachtrag: Jan hatte doch recht bezüglich "kleinem Unterschied" von THD und Klirrfaktor. Der besteht darin, daß beim THD die Verzerrungsprodukte auf die Grundschwingung bezogen werden, beim Klirrfaktor dagegen auf die Gesamtspannung. Bei kleinen Verzerrungen werden die beiden Werte immer gleicher. Bei großen Verzerrungen ist k < THD.

[kaimex]

Noch eine Ergänzung, wie man aus der Differenzton-Messung auf THD bzw Klirr kommt:

Voraussetzungen: der Frequenzgang ist flach bzw rausgerechnet. Beide Meßtöne haben gleichen Pegel.
Dann kann man für die Spezialfälle "rein quadratische Verzerrung" und "rein kubische Verzerrung" angeben, wie man aus dem Differenzton-Pegelverhältnis den THD bekommt. Da die Ergebnisse nur Näherungen für kleine Verzerrung sind, muß man THD und Klirr nicht unterscheiden.

1. Kennline mit quadratischer Verzerrung: Pegel-Verhältnis von Differenz-Ton zum Pegel eines der beiden Eingangssignale ist = THD.
Beispiel: Pegel-Abstand -40 dB -> THD= 1%

2. Kennlinie mit kubischer Verzerrung: Pegel-Verhältnis ist = 3/4 THD.
Beispiel anhand der letzen Messung: Bei 10 kHz sehe ich etwa -16.5 dB, bei 9 kHz ~ -51.5 dB, macht -35 dB Abstand entsprechend 1.78%. Demnach beträgt THD=4/3*1.78=2.4%.
Die im Bild angegebenen 0.06% sind also Unfug.

Wenn wie beim WV der Frequenzgang nicht flach ist, kann man bei der kubischen Verzerrung die beiden Frequenzen so weit zusammenschieben, bis die Unterschiede im Fgang bei 2f1-f2, f1 & f2 vernachlässigbar werden, die Signale aber noch genug aus dem Untergrund herausragen.
Die Belastung des WV-Ausgang durch das Gegenkopplungsnetzwerk nimmt auch noch bis 15...16 kHz zu (insbesondere bei 19 cm/s) insofern sollte man da auch mal messen.

MfG Kai

[Ferrograph]

Welchen Pegel haben f1 und f2 am Ausgang?

F1 und F2 habe ich in Summe mit 0 dB Anzeige am Austeuerungsinstrument vor Band eingespeist.
Die Hinterbandanzeige lag zwischen -5 und -6 dB.
Die hohen Frequenzen kann das Band bekannterweise auf Grund seiner magnetischen Eigenschaften dann nicht mehr pegelneutral aufzeichnen.
Die Pegeleinstellung in der Oszi-SW stand noch auf dBfs, daher ist hier keine direkte Darstellung auf dBu gegeben.
Der Abstand von Grund und Differenzsignal kann jedoch, wie von Kai beschrieben, aus dem Bild ermittelt werden.
Ich habe die Messung über Band durchgeführt um das Endergebnis der Schaltungsänderung praxisnah zu testen.

Gruß Jan

[kaimex]

Wenn ich mich recht entsinne, bringt die Lösung mit dem Emitterfolger bei der Nennausgangsspannung laut Service-Manual allenfalls einen Abstand der Verzerrungsprodukte von 45 dB (40...50). Insofern wäre mal interessant zu erfahren, wie groß bei dieser Messung der Ausgangspegel tatsächlich war und wo der Sättigungspegel seitens des Bandes liegt. Rein quadratische Verzerrungen sind dem Pegel proportional, demzufolge vergrößert sich der Abstand bei einem Pegel von -20 dB auf -65 dB. Rein kubische Verzerrungen sind dem Quadrat des Pegels proportional.
Bei der Zweiton-Messung sollen beide Signale gleichen Pegel (-6 dB) haben. Bei Systemen mit nicht flachem Frequenzgang sieht man dann am Ausgang (wie hier) was anderes und kann sich fragen, was sinnvoller ist: Gleichheit am Eingang oder am Ausgang. Der Praktiker macht beides, wertet die Messungen aus und bekommt dadurch eine Idee, wie verläßlich die Zahlenwerte sind.

MfG Kai
Nachtrag "angesichts" des Parallel-Threads über die DNL-Schaltung:
Die in der letzten Messung erfaßte Verzerrung kann auch von der DNL-Schaltung stammen, wenn diese im Signal-Pfad und aktiv war.

[Ferrograph]

Nachtrag "angesichts" des Parallel-Threads über die DNL-Schaltung:
Die in der letzten Messung erfaßte Verzerrung kann auch von der DNL-Schaltung stammen, wenn diese im Signal-Pfad und aktiv war.

Die DNL-Schaltung war ausgeschaltet.

Gruß Jan