Zusammenfassung
Im siebenten Kapitel werden weitere SPICE-Bestandteile vorgestellt. So wird der Leser die Messungs-Anweisung .meas(ure) kennenlernen, mit der er selbst Schaltungsanalysen konzipieren kann. Der Leser erfährt unter Nutzung der .meas-Anweisung einiges zu Spannungsversorgungen von Röhrenverstärkern mit ihren Siebschaltungen, wozu passive wie auch aktive zählen. Die Funktionsquelle mit ihren vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten wird dazu dienen, Zeitbereichssignale zu erzeugen und Filter im Zeitbereich anzuwenden. Auch eine weitere SPICE-Analyse wird vorgestellt, die Rauschanalyse. Das Kapitel enthält so drei Unterkapitel, und in diesen werden einige Anwendungen für Röhrenverstärker und Audiotechnik die Simulationen begleiten. Es sind dies Anwendungen in den Bereichen Spannungsversorgung von Röhrenverstärkern, Audiotests sowie Rauschen von Verstärkerröhren und von Röhrenverstärkerstufen. Der Kapitelschwerpunkt liegt auf Rauschen und SPICE-Rauschanalyse. Dieser Abschnitt beschränkt sich nicht alleine auf Angaben zur Verwendung der SPICE-Rauschanalyse zusammen mit einigen Beispielen, sondern gibt vielmehr einen für ein Buch zu einem ″historischen″ Thema der Elektronik recht weitreichenden Einblick in die Grundlagen und Modellierungstechniken rauschender Widerstände und Verstärkerröhren. Ergänzt wird das Beispiel einer rauschkritischen Anwendung, die Phonoentzerrverstärker.
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Notes
- 1.
Wir sehen den Ladekondensator nicht als Filterkondensator in einem RC-Filter an, auch wenn über den zusammengefassten Innenwiderstand von Transformator, Gleichrichter und Verdrahtung in Verbindung mit dem Ladekondensator ein Filter aufgebaut wird.
- 2.
Wegen der Diode ist das Netzwerk nichtlinear. Somit sind unterschiedliche Zeitkonstanten möglich. Im einzelnen bedeutet dies, daß über den Transformator geladen und über den Lastwiderstand entladen wird. Diesen Vorgang haben wir bereits im Abschn. 4.2 kennengelernt.
- 3.
Der Leser findet im Internet zahlreiche Bauvorschläge für einfache und aufwendige Spannungsregler für hohe Spannungen mit bipolaren Transistoren oder MOSFETs im Leistungsteil (Längsregler). Man kann Spannungsregler auch mit Röhren und Glimmstabilisatoren aufbauen, was aber aus Sicht des Autors nicht nur aus Kostengründen unvernünftig ist.
- 4.
Der Arbeitswiderstand einer Verstärkerröhre umfasst nicht nur die in der Schaltung an der Anode angeschlossenen Widerstände, sondern auch den Innenwiderstand der Stufenspannungsversorgung.
- 5.
Im Handel werden diese Kondensatoren als HV-Kondensatoren (High Voltage) angeboten. Der Energietechniker hat allerdings erheblich höhere Zahlwerte im Sinn, wenn er von Hochspannung spricht.
- 6.
Ein wichtiger Kosten-Schwellenwert für die Spannungsfestigkeit der Elektrolytkondensatoren ist die Spannung 63 V.
- 7.
A-Betrieb heißt, daß der arithmetische Mittelwert des Endröhren- bzw. Endtransistorenstroms bei Ansteuerung mit Wechselgrößen unabhängig von der Aussteuerung ist.
- 8.
Der Autor nutzt Röhrenleistungsverstärker mit GU50-Gegentaktendstufen, die bis zu einer Ausgangsleistung von 32 W als A-Verstärker arbeiten und nur im Bereich von 32 W bis 50 W in Richtung B-Betrieb gehen.
- 9.
Möglicherweise ist dies im konkreten Fall nicht sehr kritisch, da ein Anodenruhestrom von immerhin 25 mA für einen B-Betrieb recht hoch ist. Vermutlich würde man Qualitätsunterschiede eher bei etwas höheren Leistungen von wenigen Watt bemerken.
- 10.
Wenn man nicht ein elektronisches Filter mit Röhren aufbauen wollte.
- 11.
In vielen Fällen wird man das metallene Gehäuse oder Chassis des Röhrenverstärkers zum Kühlen des Transistors nutzen können, wobei der Transistor elektrisch sorgfältig isoliert montiert werden muß.
- 12.
Mit einem LC-Filter läßt sich sogar eine Nullstelle auf 100 Hz legen, um für diesen Hauptanteil besonders viel Dämpfung zu erreichen.
- 13.
Man hätte auch sagen können, daß die verbesserte Filterwirkung auf eine mit der Stromverstärkung des Transistors multiplizierte Kapazität des Filterkondensators zurückzuführen ist.
- 14.
Ein großer Kapazitätswert des Filterkondensators lässt die Versorgungsspannung nach dem Einschalten langsam ansteigen. Dieser „Sanftanlauf“ wird von manchen Verstärkerbauern gerne gesehen.
- 15.
Alternativ könnte man in der SPICE-Simulation eine stromgesteuerte Spannungsquelle verwenden, die ohne Spannungsverlust einen Strom in eine Spannung wandelt.
- 16.
Frequenzbereichsanalysen setzen, wie wir es wissen, monofrequente Quellen voraus.
- 17.
Mit Funktionsquellen bezeichnen wir die SPICE-Quellen BV (behavioral voltage source) und BI (behavioral current source). Bei der Namenswahl denken wir an Funktionsgeneratoren, die um nichtperiodische Signale erweitert werden.
- 18.
SPICE erwartet, daß\(H(\infty)=0\) erfüllt ist.
- 19.
Man kennt auch logarithmische Sweeps, bei denen logarithmische Zeitverläufe genutzt werden.
- 20.
Die Ergänzungen\(R(0)=R(T_{P})=0{,}5\) an den beiden Sprungstellen sind hilfreich, wenn das Spektrum des Rechteckpulses berechnet werden muß.
- 21.
Die meisten Zufallszahlengeneratoren erzeugen Folgen von Zufallszahlen. Die Berechnungsvorschrift, ein Algorithmus, muß bei jedem Aufruf mit unterschiedlichen Zahlen im Argument gestartet werden.
- 22.
Terz- und Oktavrauschen zählen zu den wichtigsten Messsignalen der Akustik und der Elektroakustik.
- 23.
Manche (THD+N)-Analysatoren wie z. B. die historischen Hewlett-Packard Analysatoren HP339a und HP8903a enthalten auch einen klirrarmen Sinusgenerator für die Testsignalerzeugung. Die Kombination SG505 und AA5001 von Tektronix nutzt dafür zwei separate Geräte. Neuere Analysatoren werden von Audio Precision oder PrismSound angeboten, um wenige Beispiele anzugeben.
- 24.
Brumm ist ein Sammelbegriff für periodische Störsignale, die z. B. ihre Ursachen in unzureichender Siebung der Versorgungsspannungen oder in magnetischen Einkopplungen in die Schaltung selbst haben. Dieser Brumm kann vom Nutzsignal abhängig sein, wenn z. B. Versorgungsspannungsbrumm mit der Aussteuerung ansteigt (zufolge eines dann benötigten angestiegenen Versorgungsstroms).
- 25.
Bei älteren (THD+N)-Analysatoren ist es notwendig, die Grobeinstellung von Hand vorzunehmen. Die Regelung (Automatik) „vollzieht“ dann nur den „letzten kleinen Schritt“. Bekannte Analysatoren sind die beiden Hewlett-Packard-Modelle HP333A und HP334A.
- 26.
Die Aufgabenstellung ist ein anschauliches Beispiel dafür, die Unterschiede zwischen Laboraufbau und SPICE-Simulation nicht nur zu berücksichtigen, sondern sie vor allem auch zu nutzen. Das Instrumentarium der Simulation erfordert und, vor allem, erlaubt, andere Test- und Analysestrategien als das der Laborausstattung.
- 27.
Diese Bedingung ist nur für den Zeitabschnitt der Intregration notwendig. Für die beiden anderen Zeitabschnitte ist sie aus programmiertechnischen Gründen wenigstens nützlich.
- 28.
Die SPICE-Rauschanalyse wird im Frequenzbereich durchgeführt.
- 29.
Das neutrale Element der Faltung im Zeitbereich ist \(\delta(\tau)\) oder (\(\varphi_{u,f}\ast\delta)(\tau)=\varphi_{u,f}(\tau)\).
- 30.
Eine Bandbegrenzung nach oben hin erfährt das weiße Rauschen alleine schon durch unvermeidliche parasitäre Kapazitäten der technischen Widerstände.
- 31.
Wir verwenden hier den Begriff Transferfunktion, da eine solche Funktion dimensionsbehaftet sein kann. Die ansonsten in diesem Kapitel verwendeten Leistungsfrequenzgänge \(G(f)\) sind dimensionslos.
- 32.
Die Zerlegung ist naheliegend, und sie wird in der Literatur auch verwendet. Es fehlt aber der Nachweis ihrer allgemeinen Gültigkeit.
- 33.
Man beachte, daß die Grenzfrequenzen nicht übereinstimmen.
- 34.
Für Linearverstärker mit halbwegs flachem Leistungsfrequenzgang im Hörfrequenzbereich kann diese Voraussetzung fallengelassen werden.
- 35.
Eigenrauschanteil des Verstärkers beachten.
- 36.
Der interessierte Leser mag sich an dieser Stelle überlegen, daß diese Herangehensweise bei gegengekoppelten mehrstufigen Verstärkern ein Problem mit transienter Übersteuerung der Eingangsstufe aufwirft.
- 37.
Man bedenke, dass das Integral für \(f\rightarrow 0\) gegen unendlich geht, was nicht in Einklang mit der physikalischen Wirklichkeit zu bringen ist. Auch wenn man annimmt, daß sich das Rauschen zu niedrigen Frequenzen hin abflacht, wird man dies kaum durch Messungen bestätigen können, da die hierfür notwendigen großen Messzeiten nicht hinzunehmen sind.
- 38.
\(\sqrt{s}=\sqrt{j\omega}=\sqrt{e^{j\uppi/2}}\sqrt{\omega}=e^{j\uppi/4}\sqrt{\omega}\)
- 39.
Übliches Fremdspannungsfilter, z. B. Sennheiser UPM550 oder Rohde & Schwarz UPGR.
- 40.
Keine Abstriche wegen Bauelementetoleranzen, Eigenrauschen und Aussteuerbarkeit.
- 41.
Wir unterstellen einen Exponenten von−1 in der Frequenzabhängigkeit. Das ist zunächst nicht selbstverständlich. Wenn man es genau wissen möchte, muß man den physikalischen Ursachen auf den Grund gehen. Das mag man heutzutage für rauschkritische Halbleiterbauelemente durchführen. Wir können trotzdem unterstellen, daß wir unsere Verstärkerröhren hinreichend genau modellieren.
- 42.
Eine Frequenz von 1 Hz allerdings auch!
- 43.
Mit der Laplactransformiertern \(\frac{1}{\sqrt{s}}\)erhielte man noch einen Phasenbeitrag von \(-\uppi/4\), der in diesem Fall für die Rauschanalyse bedeutungslos wäre.
- 44.
Die Angabe im Datenblatt lautet auchetwa \(2\,\mu\mathrm{V}\) .
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Potchinkov, A. (2015). SPICE-Simulationstechniken für „Fortgeschrittene“. In: Simulation von Röhrenverstärkern mit SPICE. Springer Vieweg, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-8348-2112-6_7
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Publisher Name: Springer Vieweg, Wiesbaden
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