Phono Preamp met buizen

Een pickup-voorversterker heeft als doel het versterken van het zwakke signaal van het pickup-element. Daarbij moet ook de zgn. RIAA-correctie toegepast worden: de hoge tonen worden iets verzwakt ten opzichte van de lage tonen.
Belangrijke randvoorwaarden zijn: voldoende hoge spanningsversterking en weinig ruis.

Denon DL110
Denon DL110

Ik heb daarnaast nog enkele persoonlijk voorkeuren:

  • Mijn pickup-element is een Denon DL110 – een ‘High Output Moving Coil Cartridge’. Dus wel een MC maar met de signaalsterkte van een MM (Moving Magnet). Dat is bepalend voor de versterkingsfactor van de versterker.
  • Een gebalanceerde ingang helpt om allerlei soorten stoorsignalen, waaronder brom, te elimineren.
  • De signaalversterking moet door buizen gedaan worden.
  • Ik ben niet vies van transistors: ik ben opgevoed met BJT-OpAmps, verschilversterkers, stroomspiegels etc. Daar kun je ook in een buizenversterker nuttige dingen mee doen.

En dan nog wat onvermijdelijkheden:

  • Een dynamisch element (MM/MC) vereist een laagdoorlaatfilter omdat de signaalsterkte evenredig stijgt met de frequentie. Dat moet gecompenseerd worden door een laagfrequent kantelpunt in te bouwen, bovenop de RIAA-correctie.

Overzicht

De versterker bestaat uit 3 ‘trappen’:

  1. De ingangstrap: gebalanceerde in- en uitgang, ruisarm, flinke versterking, laagfrequent kantelpunt.
  2. De verschilversterker: gebalanceerde ingang en enkelvoudige uitgang, RIAA-correctie. Extra versterking.
  3. De buffertrap: een kathodevolger.

Hieronder wordt elke trap verder toegelicht. Maar eerst een blokschema:

TODO

De ingangstrap

Het zo laag mogelijk maken van de ruisbijdrage is hier zo ongeveer het meest belangrijk ontwerpcriterium.

ECC83

Dat gebeurt enerzijds door een gebalanceerde ingang toe te passen. Daarmee worden vooral veel stoorinvloeden van buitenaf geëlimineerd, vooral brom die door de bekabeling wordt opgepikt. Maar ook variaties (brom) op de voeding van deze trap.
Echter, door een gebalanceerde ingang te gebruiken, neemt het ruisniveau van de versterker met 3dB toe omdat er 2 versterkende elementen (hier triodes) in serie gezet worden. Om dat te compenseren, worden er twee triodes parallel geschakeld. Dat levert tevens een lagere (uitgangsweerstand op van deze trap, die wordt hierdoor namelijk gehalveerd.

De ruisbijdrage wordt ook bepaald door het type buis dat gebruikt wordt. Er is gekozen voor een ECC83. Die moet je uiteraard wel selecteren op ruisniveau, want dat verschilt per fabrikant/uitvoering en zelfs per buis.
Daarnaast is het belangrijk om geen impedanties in serie op te nemen tussen het pickup-element en de ingangen van de buizen. Zeker geen weerstanden, maar ook geen condensators. Dat laatste is ook niet nodig omdat de ingang prima DC-gekoppeld kan worden.

Laagdoorlaatfilter

Tussen de gebalanceerde uitgangen zit een condensator. Die zorgt voor het laagfrequent kantelpunt dat nodig is voor dynamische elementen. Dat had ook verderop in de signaalweg gekund. Dat heeft als voordeel dat daarmee ook de ruis van de hogere frequenties van de verschilversterker wordt afgezwakt. Maar door het kantelpunt hier te plaatsen, zorgen we er voor dat de signalen die de verschilversterker te verwerken krijgt, voor alle frequenties even sterk zijn, en dat beperkt de vervorming bij de hogere frequenties. En qua ruis blijkt het gehoormatig maar weinig uit te maken.
De kantelfrequentie moet niet te hoog gekozen worden want daarmee verlies je de lage tonen in de muziek. Maar hij moet ook niet te laag gekozen worden, want dat gaat ten koste van de versterkingsfactor.
De kantelfrequentie is behalve van de waarde van de condensator, ook afhankelijk van de uitgangsweerstand van de buizen. Die is bij buizen nauwkeurig gespecificeerd, maar daar zit natuurlijk tolerantie op. Dat is hier niet erg: een tiental procenten marge is voor deze kantelfrequentie geen enkel probleem.

De versterkingsfactor van deze trap is ongeveer 100, dus 40dB. Dat komt doordat een ECC83 wordt ingezet. En door de hoge waarde van de anodeweerstanden ten opzichte van de (gehalveerde) uitgangsweerstand van de ECC83. NB: deze versterkingsfactor geldt voor DC, althans voor de frequenties onder de kantelfrequentie.

Stroombronnen

De kathodes van de beide buizen die samen de gebalanceerde versterker vormen, zijn aan een stroombron aangesloten die is opgebouwd uit 2 transistors in een klassieke schakeling. Tja, dat zijn geen buizen. Maar zoals gezegd: ze doen niet mee aan de signaalversterking. Transistors hebben een hele hoge uitgangsweerstand, dus de kathodespanning heeft geen enkele invloed op de stroombron. Dus deze schakeling draagt in hoge mate bij aan de ‘common-mode rejection ration’ (CMRR) en daarmee aan het wegwerken van common-mode stoorsignalen.

Ik heb overwogen om de anodes ook met een uit transistors opgebouwde stroombron te belasten, maar dat leek me toch niet verstandig: er wordt snel extra ruis geïntroduceerd, de schakeling is wat complexer dan twee simpele stroombronnen omdat ze zich moeten instellen op de stroom die de kathodestroombron instelt. En het voegt niet heel veel toe: door de anode te belasten met een weerstand die een stuk hoger is dan de inwendige uitgangsweerstand van de buis, is er nauwelijks sprake van ‘belasting’ en is er dus ook weinig inperking van de versterkingsfactor van deze trap.

De verschilversterker

Deze trap zet het balanssignaal van de ingangstrap om naar een enkelzijdig ‘single-ended’ signaal. Dat gebeurt o.a. door een stroomspiegel toe te passen, net zoals dat in een OpAmp gebruikelijk is. Ook hier worden weer transistors gebruikt. En ook hier is geen sprake van signaalversterking. Maar het kan niet ontkend worden dat de signaalstroom door de transistors loopt en dan de transistors dus in het signaalpad zitten. Maar ja, transistors zijn nu eenmaal heel goed in het kopiëren en spiegelen van stromen. Zeker als je ze helpt met wat lokale terugkoppeling, gaat dat helemaal goed.

Stroomspiegel

De stroomspiegel wordt gestuurd door de anodestroom die door de linker buishelft wordt geleverd. De stroom vloeit door Qx naar de stroomspiegel. De rechterhelft van de stroomspiegel kopieert die van de linkerhelft en is dus in fase met de anodestroom van de rechter buishelft. Die twee stromen tellen dus bij elkaar op.
De stroomspiegel is een zgn. ‘Wilson current mirror‘: de extra transistor zorgt voor een hogere precisie.

De DC-uitgangsspanning van deze schakeling wordt bepaald door de spanning die op de basis van Qx wordt gezet. Die spanning wordt daarom extra gefilterd om hem stabiel te maken.

Het zou nog iets fraaier kunnen: gebruik voor Qx een FET. Dan verlies je niet de basisstroom die anders een kleine fout genereert in de stroomspiegel.

Net als in de ingangstrap zijn de beide helften van de buis zijn als ‘long tailed pair’ geschakeld. Ook hier wordt een stroombron toegepast voor de kathodestroom.

Ruis en brom

Ruis speelt in deze trap een veel kleinere rol dan in de ingangstrap, maar toch blijft alertheid geboden! De terugkoppelweerstanden (‘beta-compensation resistors’) in de stroomspiegel blijken namelijk van groot belang te zijn bij het reduceren van ruis in de stroomspiegel. Dat is niet eenvoudig in te zien, maar ik heb het hier uitgelegd.

Eventuele brom op de voedingslijn kan in deze trap nauwelijks kwaad, zolang de basisspanning van de transistor Qx maar stabiel is.

RIAA-correctie

Het RC-netwerk tussen de anodes van de twee buishelften vormen de RIAA-correctie. Voor lage frequenties is er geen verzwakking, voor hoge frequenties is er wel verzwakking want dan worden de weerstand van het RC-netwerkje parallel geschakeld aan de anodebelasting. Die anodebelasting bestaat feitelijk uit de inwendige weerstand van de anodes zelf en die zijn gespecificeerd per type buis. Deze inwendige weerstand bepaalt dus mede de kantelfrequenties van de RIAA-correctie. Een andere buis vergt andere waardes voor het RC-netwerkje. De kantelfrequenties kunnen over de tijd verlopen doordat de buisparameters niet constant zijn over de hele levensduur. Dat is een zwak punt van dit ontwerp.

Deze trap is niet DC-gekoppeld met de ingangstrap. Dat zou wel kunnen, maar dan wordt de spanning tussen anode en kathode in deze trap wat krap. Er is dus gekozen voor een koppeling met condensators. De koppeling met de eindtrap is echter wel DC. De eindtrap is namelijk een kathodevolger en heeft daardoor minder last van een wat lagere anode-kathode-spanning.

De buffertrap

De buffertrap is niets meer dan een impedantieomvormer: hij belast zelf de verschiltrap nauwelijks, maar is zelf wel in staat om laagohmige belastingen aan te sturen.

De kathodestroom wordt ook hier ingesteld met een stroombron. Dat is hier handig omdat de ingang van deze trap DC gekoppeld is met de uitgang van de verschilversterker. De kathodespanning zal dus ongeveer 100V zijn. Door gebruik van een stroombron is de kathodestroom onafhankelijk van de instelling van de verschilversterker. De stroombron moet wel tegen hoge spanningen kunnen, dus de uitgangstransistor is hier anders dan in de voorgaande trappen die hooguit 5V zullen tegenkomen.

De uitgang van deze trap vergt dus wel een condensator om te zorgen dat er in rust 0V op de uitgang staat. Dat moet een niet al te kleine condensator zijn zodat ook de lage frequenties niet lijden onder een lage belastingsweerstand.

WORDT VERVOLGD

Todo: plaatjes/[blok]schema’s toevoegen.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *