Plattenspieler Verstärker

Ziel war es einen kleinen Verstärker zur Entzerrung der Phono Schneidkennlinie zu bauen.

Das verwendete Moving Magnet System liefert eine Nennspannung von 5 mV bei 1000 Hz und 5cm/sec. Die Verstärkung wurde so gewählt, daß die Endstufe sehr weit aufgedreht werden muss um höhere Lautstärken zu erreichen. Der Verstärker wird die Endstufe um den Phonoeingang erweitern. Bei den daran angeschlossen Fostex Holz Hörnern ist der Wirkungsgrad jedoch sowieso keine Problemstellung. Der Verstärker enstand zuerst am Taschenrechner, danach als Leiterplatte, die im Labor optimiert wurde.

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Links die Eingänge und die Anschraubmöglichkeit der Plattenspieler Erdung. Rechte Seite Ausgänge und Anschlüsse für die externe Versorgungsspannung. Die Gehäuseoberfläche ist aus Kupfer und lackiert. Klanglich, ja was soll man dazu sagen? - einfach schwer zu beschreiben - ich bin damit sehr zufrieden, vom Ohr als auch von den Messungen.

Amplitudengang

Die folgenden Graphen zeigen den gemessenen Amplitudengang des linken und rechten Kanals. Als Signalquelle diente ein Fluke 5200A AC-Kalibrator. Als Stimulus Sinus Spannung wurden konstante 40mVrms gewählt, die im Bassbereich schon nahe 10 Volt peak verursachten. 40mV sind eine hohe Spannung, die bei diesem Tonabnehmer System normalerweise nicht auftreten, die Verwendung als Meßsignal hat hier aber ihren Grund. Derat kleine Spannungen sind zunehmend schwer mit höherer Genauigkeit zu messen. Aus Gründen der besseren Messbarkeit wurde hier ein noch akzeptabler Pegel verwendet, den der Verstärker noch gut treiben kann, der sich aber besser messen läßt als nur etwa 5mV mit den daraus resultierende Ausgangsspannungen. Die kleinste so zu messende Spannung beträgt noch ca. 43 mVrms am Ausgang bei 30 kHz, eine Spannung die sich noch halbwegs vernüftig messen läßt.

Gemessen wurde die Ausgangsspannung des Verstärkers mit einem HP 3457A Digital Multimeter. Bei dieser Messung wurden die Signalspannungen des Kalibrators nicht nachgemessen, sie wurden also gestellt und als konstant angesehen.

Messergebnis zeigt den typischen Verlauf einer Phono Entzerrer Schaltung. Sie ist die umgekehrte Schaltung zur meistverbreitesten Schneidkennlinie, so daß am Lautsprecher wieder der gehörrichtige lineare Frequenzgang entsteht. Über das Wie, Wieso, Weshalb und Warum der drei Zeitkonstanten wurde schon vieles geschrieben und ist weitverbreitet im Internet und in der Fachliteratur zu finden.

Um die Besonderheiten gleich zu beantworten, auf den 20 Hertz Rumpel Tiefpassfilter wurde verzichtet, er wurde ganz weit nach unten gelegt und lediglich als DC-Blocker ausgelegt. Die mögliche Höhenanhebung bei etwa 50 kHz wurde nicht realisiert, macht bei diesem Tonabnehmer wahrscheinlich nicht den durchgreifenden Sinn. Gemessen wurden Frequenzen von 10 Hertz bis 1 MHz, aufgezeichnet der Bereich von 10 Hz bis 30 kHz.

Die höchste gemessene Ausgangsspannung von 5.943 Vrms steht bei 10 Hertz an. Daraus ergibt sich ein:

In diesen Diagrammen wurden die Messwerte in Dezibel umgerechnet und gleichzeitig dabei der Verstärkungsfaktor normiert auf 1 (0dB) bei 1000 Hz. Die korrekte Schallplattentheorie verlangt so weit ich mich erinnern kann ein paar Hertz mehr, für die durchgeführte Normierung ist es aber vollkommen gleichgültig, da hier auch das zu Grunde gelegte ideale mathematische Referenz Filter auch auf 1000 Hz normiert wurde.

Hier wurde nun die ideale Soll Filterfunktion berechnet und als normierte 1kHz Referenz zu Grunde gelegt, sie entspricht einer Parallele zur Frequenzachse und schneidet die 0 dB. Danach wurde aus dem gemessenen normiertem Amplitudengang und der idealen Sollfunktionen die Differenz gebildet.

Die gezakten Linien zeigen die Abweichung in Dezibel vom Sollwert und die eingelegte Gerade ist eine Regressionsgerade.

Die gemessene Abweichung dieses Verstärkers in dB ausgedrückt beträgt etwa +/-0.02 dB vom Sollfrequenzgang. Damit kann man sehr zufrieden sein.

Der 10 Hertz Wert wurde bei dieser Betrachtung ausgeklammert, der Abfall ist noch eine Auswirkung vom DC-Blocker, dessen Polstelle in der Referenzkurve nicht mit eingerechnet wurde. Zudem kommt erschwerend hinzu die DMM sind bei so niedrigen Frequenzen alles andere als sehr genau. Auch ein paar weitere Worte sind zur Messtechnik nötig. Der Kalibrator wurde in seinen verschiedenen Frequenzbereiche folgendermaßen eingestellt:

wenn man genau hinschaut erkennt man in den Graphen den Umschaltsprung der Amplitude verursacht durch den Frequenz Range Wechsel der Quelle. Ein typischer Effekt im Umgang mit Messgeräten. Die Einstellung von 40mV im 1kHz Range kann nie exakt dieselbe sein wie im 10kHz Range. Beim Kalibrator muss man allerdings noch ein Stückchen weiter überlegen, er ist gebaut für hochpräzise Amplitudengenauigkeit, aber nicht unbedingt für hochpräzise Frequenzen. Bei der Kalibrierung von DMM, einer seiner Hauptaufgaben, ist es vollkommen gleichgültig ob das DMM nun mit genau 1000 Hz auskalibriert wird oder mit z.B. 1020 Hz, es misst denselben Wert. Die Phono Entzerrer Kurve hingegen ist jedoch frequenzabhängig, d.h. beim Wechsel in einen anderen Frequenzbereich genügen ein paar Hertz neben dem vorherigen Wert schon um kleine veränderte Amplituden zu verursachen.

Auf die Idee die tatsächlichen Frequenzen des Kalibrators mitaufzuzeichnen bin ich leider erst später gekommen. Die Frequenzabweichung des Kalibrators liegt bei einem Soll von 1000 Hz bei einem Istwert von etwa 997 Hz. Gerade bei einem Range Wechsel oder auch innerhalb eines Range selbst verändern sich die Frequenzwerte immer etwas leicht nichtlinear. Ich hab jetzt aber keine Lust mehr die ganze Messung nochmal durchzukauen, so etwas dauert Stunden. Sollte auch kein Problem sein, da bei dieser Messung alle Messfehler dem Prüfling zugeschrieben werden und trotzdem sind es nur 0.02 dB. Eine konservative Angabe der Messwerte, im Zweifelsfall den Prüfling belasten und nicht entlasten.

In der Realität ist es wahrscheinlich, dass der Amplitudengang deutlich glatter verläuft, nahe an der Regressionsgeraden umliegend. Eines jedoch wird aber wahrscheinlich der Realität entsprechen; der leichte mit der Frequenz ansteigende Verlauf, der im linken Kanal ein wenig stärker ausgeprägt ist. In einfacheren Worten ausgedrückt: es ist wahrscheinlich, daß der Verstärker eine sehr minimale Höhenanhebung gegenüber dem Sollverlauf besitzt. Aber um nochmal die Größenordnung hervorzuheben, wir reden hier von 0.0x dB.

Manchmal ist es leicht, manchmal ist es schwierig in Dezibel zu denken, deswegen nochmal dieselbe Darstellung als Abweichung vom Sollwert in Prozent dargestellt. Man hat davon in diesen Größenordnungen eine leichtere Vorstellung. Es sind hier auch nur etwa +/- 0.2 Prozent Abweichung vom Sollfrequenzgang unter der gleichen Behandlung der niedrigen Frequenzen.

Was man auch noch messen könnte wäre der Phasengang und ihn mit dem gerechneten Sollphasengang vergleichen, aber das kann man sich sparen, wenn der Amplitudengang sehr exakt stimmt, passt der Phasengang auch.

Auch förmlich ins Auge fallend, der ähnliche Kurvenzug zwischen beiden Kanälen, die Berge und Täler befinden sich an den selben Stellen, ein erneutes Indiz dafür, dass die gezackte Kurvenform mehr oder weniger ein Abbild auch der Messgeräte Ungenauigkeit ist. Vor allem die Linearität des DMM und ein wenig die des Kalibrators innerhalb eines Ranges spielen hier eine Rolle. Man beachte bitte mal die spezifizierten AC Genauigkeiten des DMM, dann wird man erkennen, daß man hier bereits an den Grenzen der verwendeten Messmittel angekommen ist. Selbstverständlich lässt sich das Ganze noch um einiges genauer vermessen, z.B. mit noch besseren DMM oder ein paar Stück gleichzeitig davon. Wer will kann auch mit thermischen Methoden zuschlagen, z.B. mit dem 540B, nur da kann man pro Messwert schon etwa eine Stunde Zeit einplanen, besser gesagt "zwei", man sollte dann die Ausgangsspannung und die Quelle vermessen. Der Thermal Transfer bräuchte hier sogar schon einen sehr guten Präzisionsvorverstärker um mit den kleinen 40mV klar zukommen.

Für die praktische Betrachtung als Plattenspieler Verstärker ist es witzlos noch tiefer hineinzumessen. Aus elektrotechnischer Sicht betrachtet wäre es jedoch interessant und aufschlußreich über das tatsächliche Verhalten des Verstärkers noch mehr zu wissen.

Klirrfaktor Messung

Eingestellt wurden am Generator eine Frequenz von 1000 Hertz und eine Amplitude von ca. 60mVrms. Am Ausgang des Verstärkers liegen dann ca. 1 Volt rms an. Der Analyzer zeigte innerhalb seines Dynamikbereiches keine harmonischen Verzerrungen. Der harmonsiche Klirrfaktor ist damit kleiner als 90 dB. Die Skalierung des Analyzers beträgt 10dB/DIV (Top Linie=0dBV) und 0.5kHz/DIV.

Die Störungen links im Spektrum stammen aus dem Generator, die sind mir bekannt. Bei der Messung eines Phonoverstärkers treten diese Netzstörungen des Generators natürlich noch verstärkt in Erscheinung verglichen zu einer Messung an einem Verstärker mit linearem Frequenzgang. Beim Plattenspielerverstärker werden die Netzstörungen etwa um fast 20dB höher bewertet als das Nutzsignal.

Hinzu kommt erschwerend, der Generator läuft auch nur auf recht kleiner Amplitude von 60 mV, da sind die Netzstörungen sowieso schon hoch verglichen zu Messungen bei denen man mit höheren Signalamplituden fahren kann.

Der Analyzer und der Verstärker jedenfalls wurden für diese Messung extra mit einer Batterie betrieben, von denen stammt mit Sicherheit kein Beitrag. Weitere Klirrfaktormessungen kamen zu dem selben Ergebnis, der Dynamikumfang des Analyzers war nicht zu überschreiten.

Abschließend wurde das System noch mit einem 2mV Moving Coil System getestet, auch makellos, allerdings ist die eingestellte Verstärkung dafür etwas zu niedrig, sprich nicht laut genug.

Plattenspieler Verstärker für ein Magnet Tonabnehmer System

Amplitudengang

Klirrfaktor Messung