0.000023% (-132dB) - 100W/8R/20kHz

[Pjotr]

In principe geldt dit voor alle matchende niet-lineaire effecten, even of oneven orde. Bij een in principe symmetrisch onderdeel zoals een weerstand valt alleen niet te verwachten dat imperfecties die leiden tot even-ordevervorming zullen matchen. In Linear Audio hebben wel artikelen met metingen van weerstandsvervorming gestaan, dus door die op te zoeken kun je controleren in hoeverre dat een juiste verwachting is.

Dat is leuk, heb je ook een linkje naar die artikelen?

(*): Ik bedoel hetzelfde fabrikaat, hetzelfde model, dezelfde waarde en als het even kan afkomstig uit dezelfde partij, kortom eenheidsweerstanden die zo goed mogelijk gelijk aan elkaar zijn.

Stel een standaard gain van 20x. Dan zou je dus een feedback deler van b.v. 1K met 19K nodig hebben. Maar om het te laten werken moeten alle weerstanden gelijk zijn. Dus die 19K wordt een serie van 19 losse weerstanden van 1K!

[MarcelvdG]

In Linear Audio hebben wel artikelen met metingen van weerstandsvervorming gestaan, dus door die op te zoeken kun je controleren in hoeverre dat een juiste verwachting is.

Dat is leuk, heb je ook een linkje naar die artikelen?

Het is er eigenlijk maar 1: Ed Simon, "Resistor non-linearity: there's more to Ohm than meets the eye", Linear Audio volume 1, April 2011

https://linearaudio.net/article-detail/2093

Zie ook het commentaar van Cyril Bateman en Samuel Groner op https://linearaudio.net/letters

Ik weet overigens niet meer of Ed Simon eigenlijk wel meer dat 1 weerstand van hetzelfde type gemeten heeft, anders weet je natuurlijk nog niets over de reproduceerbaarheid. Ik zal zo eens in mijn stapel Lineat Audio's gaan graven.

Stel een standaard gain van 20x. Dan zou je dus een feedback deler van b.v. 1K met 19K nodig hebben. Maar om het te laten werken moeten alle weerstanden gelijk zijn. Dus die 19K wordt een serie van 19 losse weerstanden van 1K!

Inderdaad. Als analoge IC-ontwerper ben ik niet anders gewend dan dat je tegenkoppelnetwerken van grote aantallen eenheidsweerstanden maakt, maar voor wie er niet aan gewend is schijnt het angstaanjagend te zijn. Gelukkig went het snel .

[MarcelvdG]

Ed Simon heeft aan brugschakelingen bestaande uit tien weerstanden van hetzelfde type gemeten. In twee van de vier takken zaten enkele weerstanden en in de andere twee takken een serie-parallelschakeling. Aangezien hij per type weerstand maar 1 zo'n brug heeft doorgemeten, kun je er niets uit concluderen wat de reproduceerbaarheid van de vervorming betreft. Je ziet wel duidelijk dat fysiek grote weerstanden met een lage temperatuurcoefficient het minste en dat koolweerstanden en dikke-film SMD-weerstanden het meeste vervormen. Bij de koolcomposietweerstanden die hij heeft doorgemeten zie je ook heel duidelijke zijbanden door 1/f-ruis (langzame weerstandsvariaties).

[Pjotr]

Met je linkjes wordt ik niet echt wijzer. Heeft hij ook de standaard sot23 netwerkjes gemeten? Zoals b.v. deze http://www.farnell.com/datasheets/2877086.pdf En wat kwam daar uit?

[MarcelvdG]

Nee, hij heeft alleen naar losse weerstanden gekeken, niet naar weerstandsnetwerken.

[Pjotr]

Hmm blijft wel mistig zo. Mooie taak voor Sander om zijn nieuwe superdupervervormingsmeetsetup eens uit te gaan proberen.

[ray5150]

Ik neem aan dat bij dit soort beoogde minimale vervormingscijfers de layout van de schakeling toch ook wel zijn invloed zal hebben op deze cijfers ?
Met andere woorden, Sander geeft aan eerst een prototype op gaatjesprint te willen maken, dat zal dan vast wel andere cijfers bij de metingen opleveren, tenminste, dat vermoed ik.

[Pjotr]

Wil je niet vervelend doen Ray. Cijfers zijn cijfers! Period. Hoe meer verschillend des te beter toch?

[SSassen]

Ik neem aan dat bij dit soort beoogde minimale vervormingscijfers de layout van de schakeling toch ook wel zijn invloed zal hebben op deze cijfers ?
Met andere woorden, Sander geeft aan eerst een prototype op gaatjesprint te willen maken, dat zal dan vast wel andere cijfers bij de metingen opleveren, tenminste, dat vermoed ik.

Prototype is proof of concept, daarna een nette print, waarschijnlijk vierlaags.

[Pjotr]

Ga hem eerst maar stabiel krijgen. Was bij de ExtremA ook nog wel een dingetje.

[SSassen]

Ga hem eerst maar stabiel krijgen. Was bij de ExtremA ook nog wel een dingetje.

ExtremA was stabiel als je 'm ordentelijk opbouwt, en volgens de onderdelen op de BOM. Op DIYaudio zaten echter een paar knutselaars die 'm met onderdelen uit de grabbelbak gebouwd hadden en dan gaat het mis idd, ik verwacht hetzelfde resultaat als ik jouw ZBA-CA met onderdelen ga opbouwen die niet conform de BOM zijn.

[SSassen]

Ga hem eerst maar stabiel krijgen.

Oh, maar ik ben al een aardig eind op weg, onderste versie heeft een diamond buffer eindtrap, dat biedt een aantal voordelen, maar is ook kritischer en heeft nog last van hoogfrequent oscillaties, zie de fase 'wiebel' bij 100MHz. De EF2 eindtrap in de andere versie gedraagt zich voorbeeldig.

fase_gain_plots.jpg

[Pjotr]

Beetje fazig schema, nou ja afwachten maar

Nog even dat gedoe met die thermische weerstandsvervorming. Dat is nu typisch iets volkomen lineairs waarvan je goed de vervorming kunt simuleren in PSpice. Vanmiddag maar even dit schemaatje van een feedbacknetwerkje opgezet met gebruikmaking van standaard MELF 0204 dunne film metaalfilm weerstanden met een TC van 25 ppm:

Feedback networkl.GIF

Dat levert bij 1kHz aan vervorming:

1000Hz.GIF

Bij 100Hz:

100Hz.GIF

En bij 20Hz:

20Hz.GIF

De thermische massa samen met de thermische weerstand van de weerstand zorgt voor een thermisch laagdoorlaat filter. De thermisch modulatie neemt daar mee dus af met oplopende frequentie en vv. De tijdconstante van de MELF weerstandjes ligt op ong. 2.2sec wat een 3dB punt oplevert van 0,07 Hz. Boven die frequentie neemt de vervorming dus linear af met de frequentie.

Resume, bij 100W in 4 ohm staat er een terugkoppelspanning van 1,41V_p op de inverterende ingang en dat veroorzaakt dan een 3e orde harmonische van:

Bij 1kHz 2,5nV --> -175 dB
Bij 100Hz: 25nV --> -155 dB
Bij 20Hz: 125nV --> -141 dB

Hier kan ik toch niet echt wakker van liggen bij een praktische audio versterker. Beetje storm in een glas water w.m.b. Een wil je nog verder omlaag dan kun je ook 1 ppm weerstanden nemen, dan win je nog eens een 30dB Maar dan moet je wel diep in de buidel tasten en aan je lay-out extreme zorg besteden. Of dikkere TH met een grotere massa nemen.

[MarcelvdG]

Nog even dat gedoe met die thermische weerstandsvervorming. Dat is nu typisch iets volkomen lineairs waarvan je goed de vervorming kunt simuleren in PSpice.

Het is per definitie niet lineair, anders zou het ook geen vervorming kunnen opleveren. Knap dat het je lukt om dynamische thermische effecten te simuleren!

Resume, bij 100W in 4 ohm staat er een terugkoppelspanning van 1,41V_p op de inverterende ingang en dat veroorzaakt dan een 3e orde harminische van:

Bij 1kHz 2,5nV --> -175 dB
Bij 100Hz: 25nV --> -155 dB
Bij 20Hz: 125nV --> -141 dB

Hier kan ik toch niet echt wakker van liggen bij een praktische audio versterker.

Ik ook niet, maar ik lig ook niet wakker van -80 dB. Sander streeft inmiddels naar -160 dB, dan begint dit wel mee te spelen. Het hangt natuurlijk ook van de waarde van de weerstanden af, met 100 ohm heb je onder dezelfde aannames 20 dB meer vervorming.

Daarnaast vermoed ik dat de weerstand van de uitgang naar de inverterende ingang 19 keer zo veel vervorming produceert als je 'm niet uit een serieschakeling opbouwt. Er staat immers 19 keer zo veel spanning over bij dezelfde stroom, dus de temperatuurvariaties zijn 19 keer groter.

Ed Simon mat overigens bij 15,8 V, 1 kHz over zijn brugschakelingen derde harmonische vervormingen van onder andere:

-100 dB voor OHMITE 5 % 0,25 W koolcomposiet
-116 dB voor Vishay 1206 dikke film SMD
-119 dB voor KOA 5 % 0,25 W koolfilm
-132 dB voor Vishay 1206 25 ppm/K dunne film SMD
-136 dB voor Xicon 1 % 0,25 W metaalfilm
-164 dB voor Holco H4 0,25 W
-171 dB voor Dale RN65E S102 25 ppm/K militaire weerstanden

De vervorming met 15,8 V over zijn brug komt ongeveer overeen met dezelfde vervormingen bij 7,9 V effectief, 1 kHz over een enkele weerstand van 1 kohm.

Hij zag overigens een omgekeerde evenredigheid met de wortel van de frequentie. Dat zou kunnen komen doordat de thermische capaciteit en de thermische weerstand gedistribueerd zijn. Ik weet dat bij thermische diffusieprocessen er vaak wortels van tijden, wortels van frequenties en wortels van de Laplace-variabele tevoorschijn komen, al weet ik niet precies waarom. Als je kijkt naar de thermische-impedantiegrafieken van vermogens-MOSFET's nemen die voor korte pulsen ook altijd met de wortel van de tijd toe.

[Pjotr]

Daarnaast vermoed ik dat de weerstand van de uitgang naar de inverterende ingang 19 keer zo veel vervorming produceert als je 'm niet uit een serieschakeling opbouwt. Er staat immers 19 keer zo veel spanning over bij dezelfde stroom, dus de temperatuurvariaties zijn 19 keer groter.

Yep, nogal grutjes, de thermische massa wordt met 19 losse weerstanden ook 19x zo groot en schuift het LP op naar beneden in frequentie. Ik heb hier ook bewust de tempco van de onderste weerstand (R2) niet meegenomen om te bezien hoe het maximaal uitpakt. Het niet lineaire component is hier het vermogen dat kwadratisch met de spanning toeneemt en daarmee de temperatuur. De hogere harmonische is het gevolg van het multiplicatieve effect van de versterking t.o.v. de temperatuur. Maar de componenten zelf zijn volkomen lineair. Dit i.t.t. een BJT, fet, enz.

Overigens is de vervorming van het signaal niet afhankelijk van de grootte van het signaal, die blijft uiteraard relatief. Misschien wil Sander het even nameten?

[MarcelvdG]

Gezien de signaalniveaus had ik de indruk dat je nou juist de weerstand van de negatieve ingang naar aarde aan het simuleren was (uitgaande van de klassieke niet-inverterende configuratie). De weerstand van de uitgang naar de negatieve ingang vervormt 19 keer zo veel (als het maar 1 weerstand is).

[Pjotr]

Ja, dat klopt toch ook met het schema... Wat ik simuleer is wat aan signaal op de negatieve ingang van de verschilversterker staat.

[MarcelvdG]

Je hebt helemaal gelijk, ik dacht dat de bestuurde bron en de weerstand samen een weerstand voorstellen, maar ze modelleren een complete spanningsdeler.

[Pjotr]

Je kunt in PSpice niet zomaar de grootte van een weerstand dynamisch moduleren. Dat is hier gedaan met een numeriek gestuurde stroombron functie.

[MarcelvdG]

Maar goed, al met al is er een gat van ruim 30 dB tussen de simulatie en de meting:

Simulatie bij 20 V effectief uit de versterker, waarvan 19 V over de zelfopwarmende weerstand van 19 kohm: -175 dB bij 1 kHz
Meting: -132 dB bij 1 kHz en 7,9 V voor een 25 ppm/K 1206 dunne film SMD-weerstand van 1 kohm -> ongeveer -142,3 dB bij 19 V, 19 kohm

Ik denk dat dat vooral met de frequentieafhankelijkheid te maken heeft, dat het op een gegeven moment nog maar met de wortel van de frequentie omlaag gaat. Verder is de meting niet aan een MELF gedaan.

[Pjotr]

Ja dat bedacht ik mij ook al. In de simulatie ben ik er van uitgegaan dat het hele weerstandselement momentaan, dus vertragingsloos, in zijn geheel opwarmt. Dat is natuurlijk niet zo! De AL2O3 body heeft ook een thermische weerstand waardoor de diepere lagen later opwarmen. Het eigenlijke Ni-Chr weerstandslaagje van een dunne-film weerstand is maar een paar micron dik en moet zijn warmte afgeven aan het ceramiek via de thermische weerstand daar van. Daardoor wordt de effectieve thermische massa eigenlijk tijdsafhankelijk. Je zou kunnen spreken van een soort van "Thermisch skin effect". In werkelijkheid is het dus beslist minder rooskleurig. Je kunt dit alleen compenseren zoals je al aangeeft, door alle weerstandjes in de ketting fysiek gelijk te houden als je echt het onderste uit de kan wil. Alleen dan compenseren deze zij-effecten goed. Mooi voorbeeld dit, dat vervorming simuleren best wel zo zijn haken en ogen heeft.

Overigens waren we er 25 jaar geleden al achter gekomen dat de metaalfilm MELF weerstandjes duidelijk beter klonken dan de 1206 dikke film in een stappenverzwakker.

[SSassen]

Tijdens het ontwerp van de ExtremA hebben we ook gekeken naar vooral de weerstanden in het tegenkoppelnetwerk, omdat die uiteraard direct invloed hebben op de prestaties van de versterker. Uiteindelijk bleek dat vooral de eigen ruisbijdrage doorslaggevend was, met 2K2/47K werd een compromis bereikt tussen ruisbijdrage en ingangsimpedantie.

[Pjotr]

Ha Sander,

Welke had uiteindelijk gewonnen? Het gaat niet om de ruis maar om de vervorming t.g.v. thermische modulatie. En die kan wel eens flink hoger uitpakken dan je simulaties aangeven. Dat wordt überhaupt niet meegenomen.

[SSassen]

Ha Sander,

Welke had uiteindelijk gewonnen? Het gaat niet om de ruis maar om de vervorming t.g.v. thermische modulatie. En die kan wel eens flink hoger uitpakken dan je simulaties aangeven. Dat wordt überhaupt niet meegenomen.

Dit was niet op basis van simulaties, maar metingen aan het prototype, uit m'n hoofd (ik moet m'n aantekeningen er even bij pakken) was dit een 1/4 metaalfilmweerstand van Vishay de MRS25 serie.

[Pjotr]

Maakt niet uit. I.i.g. is van oudsher de Dale RN serie allang uitverkoren voor audio. Krell zit er vol mee.