RIAA correctie (MM/MI): kanniekiezen

[Mr Tube]

Ja laten we weer verder gaan met het Phono trap project.

Bij het uitwerken verder kom ik met de eerdere opzet toch wel weer een paar probleempjes tegen waardoor ik me genoodzaakt voelde om toch weer naar de versie met tussentrap te gaan, voor MC is hij in elk geval nodig en voor MM niet perse. Een ander punt was dat de gain instelling die ik er graag in wilde hebben niet echt ging werken zonder dar de RIAA correctie wordt beinvloed, de tussentrap leek me een mooie plek voor de gain instelling. Deze is nu nog in stapjes van 6dB maar wellicht zijn 3dB stapjes beter, de RIAA filtering kan weer beter passief worden nu omdat hij anders last heeft van de gain instelling.
De vervorming van alle trappen ligt worstcase op 0,003% bij de hoogste gain en het volle audiobereik (20KHz), dit allemaal bepaald volgens de datasheet.
Voor de MC heb ik gekozen voor 4 stuks LT1028 parallel.

zie ik inmiddels alweer een 6e variant van het schema

Ik denk trouwens dat de laatste trap weer teruggewijzigd gaat worden zoals Pjotr hem heeft bedacht en dan de gain van de tussentrap wat omhoog krik, die had ik namelijk aangepast om de gain nog iets op te peppen voordat de tussentrap werd bedacht.

[Mr Tube]

Ok de bijgewerkte versie, het hoge kantelpunt van rond de 50KHz is ook weer terug en kan door de weerstand in serie met de 10nF te wijzigen aangepast worden of doorverbonden. Zoals in de vorige post al gemeld is de uitgangstrap weer zoals hij eerst was, hij moet hard genoeg werken om het laag op te krikken dus niet teveel gain!

wie vindt dat 0,5V uitgangspanning genoeg is kan ervoor kiezen om de versterking van de tussenstrap aan te passen, de schakeling is wat dat betreft nu heel flexibel.

[rho]

Ziet er allemaal erg leuk uit.
Vooral de flexibiliteit van het geheel is erg aantrekkelijk. (en de aandacht aan het design met betrekking THD en S/N natuurlijk)
Ik denk dat er wel heel wat mensen plezier aan dit soort project kunnen beleven.

Nu ben ik ook wel heel erg benieuwd naar Pjotr zijn ideeën met de discrete ingangstrap voor MC.

[Pjotr]

Nu ben ik ook wel heel erg benieuwd naar Pjotr zijn ideeën met de discrete ingangstrap voor MC.

Ok, komt ie, fasten your seatbelts

Afgelopen dagen dit opzetje gemaakt

Dit is een concept en nog geen uitgewerkt schema. De 2SK147 is een low noise fet met een ruis spanning van 0,9V/nV√Hz, vergelijkbaar met de beste low-noise op-amps dus. Ik heb 2 fets parallel genomen om de ruis te verlagen. De fets zijn "ge-boots trapt" met Q3. Dit zorgt ervoor dat de spanning over de fets 7,5V is. Daardoor blijft de gate current erg laag (enkele pA), de ingangscapaciteit laag en het verlaagt de ruis en de vervorming nog wat.

De tegenkoppeling vindt plaats op de source van de fet. Deze manier van tegenkoppelen wordt ook wel current feedback (CFB) genoemd omdat op dat punt je meer met stroom stuurt dan spanning: De impedantie op de source is immers erg laag. Een groot voordeel van CFB is de hoge bandbreedte die je daarmee kunt bereiken en in dit geval ook eenvoud. Een nadeel ervan is dat je geen frequentie afhankelijk netwerk zoals een condensator, in het terugkoppelnetwerk mag gebruiken bij een normale CFB anders wordt de hele versterker instabiel. En dat willen we nou juist wel kunnen doen met een RIAA correctie. Dus toch maar een passieve RIAA?

Een manier om dit nadeel op te heffen is om het terugkoppel netwerk niet met spanning te sturen maar met stroom. Normale op-amps hebben een spanningsbron als uitgang. De stroom sturing wordt gedaan met G2. G2 representeert een z.g.n. ideale OTA. Een OTA is vergelijkbaar met een op-amp maar levert stroom uit i.p.v. spanning. OTA staat voor Operational Transconductance Amplifier. Nu kan de RIAA correctie weer wel in de tegenkoppeling komen. Ik heb hier de 75u en de snijcurve compensatie gemaakt Met R6, C5 en R3. R3 en C5 zorgen voor de afval bij 2122 Hz en R6 zorgt ervoor dat deze afval weer stopt bij ca. 75 KHz. Deze schakeling bleek met gemak zo'n 50 dB in 1x te kunnen versterken. Voor een MC hebben we dan nog een 2e trap er achter nodig die 10 - 20 dB versterkt op 1 KHz en de 3180us en 318 us tijdconstanten voor zijn rekening neemt. Hier de responsie van deze schakeling:

Dat loopt netjes door tot over de 1 MHz, meer dan genoeg. En de vervorming? In eerste instantie kreeg ik dit plaatje bij een ingangsspanning van 0,5 mV:

Waar is de vervorming? Uhh.......

Bij een 20 dB hogere spanning van 5 mV is er dan dit te zien: (Let op: De schaal is ruimer t.o.v. het vorige plaaatje.)

Oh, gelukkig, toch niet helemaal ideaal

Op 20 KHz krijgen we het volgende plaatje:

En voor een 2-tone IM vervorming van een 1 KHz en 900 Hz toon:

Bijzonder lage waarden die in de praktijk niet te meten zijn en in de ruis verdwijnen. Het geeft wel aan dat de lusversterking en het GBP erg hoog zijn. Nu is dit wel met een ideale OTA die zelf niet vervormt of frequentie beperkt is, het geeft wel aan dat we ons over de vervorming van de fets en hele ingangstrap geen zorgen hoeven te maken. De ingangstrap is meestal wel de grootste vervorming veroorzaker. Met een echte OTA er later in zal het waarschijnlijk wel iets minder worden.

De ruis van de hele versterker komt over 20Hz - 20 KHz (RIAA + A-gewogen) op 44 nV, vergelijkbaar met Tube's op-amp aanpak. Dat komt neer op 81 dB SNR t.o.v. 0,5 mV, 0 dB/1KHz en 75 dB t.o.v. 0,25 mV.bij 1 KHz. Prima geschikt voor een medium output MC.

[rho]

Als er zulke plotjes uit een simulatie rollen, vind je dat dan niet verdacht?
OK, ze zijn niet helemaal perfect, maar toch wel héél erg mooi.
Als alles is gedubbelcheckt ziet het er toch wel erg fraai uit. Ik denk echt dat ik 2 phono-trapjes ga moeten bouwen. Straks moet het topic echt aangepast worden: "wilniekiezen"

Bij die eerste plot dacht je toch wel dat er iets verkeerd was gegaan zeker?

[hannesie]

Als je dit soort plaatjes ziet, zou je zo weer plaatjes willen gaan draaien.

[Pjotr]

Ja ja Ware het niet dat die bijbehorende platen en overige hardware zo achterblijft er bij

Als er zulke plotjes uit een simulatie rollen, vind je dat dan niet verdacht?

Nee, ik niet. Het nodigt wel uit tot verder kijken waarom. Mijn eerdere simpele fet pre's werkten helemaal zonder tegenkoppeling maar die gaven toch een beetje gekleurd warm geluid door wat 2e orde vervorming. Het gaat er nu om, kan dat met tegenkoppeling niet een stuk beter.

De hele schakeling staat stevig in klasse-A. De ruststroom door de fets is 12 mA en de signaalstroom is heel laag t.o.v. daarvan. Ook het ingangssignaal is erg klein en er wordt maar een heel klein stukje van de overdrachtscurve van de fets gebruikt. Hoe kleiner dat is, hoe lineairder dat wordt.

Deze schakeling heeft wel een behoorlijke off- set aan de uitgang waar maatregelen voor genomen moet worden. Eventueel een servo, maar dat moet later blijken bij nader uitwerken. Het ging mij er nu even om van wat kan zoiets.

[rho]

Het kan duidelijk wat we er van verwachten. Dit biedt mooie vooruitzichten voor het eindresultaat.

[Mr Tube]

Dat ziet er mooi uit, ik vraag me alleen af waarom die 2n transistoren en niet de BC550 en BC560?
De schakeling is ook zeker goedkoper dan de LT1028 oplossing, kwa prestaties zullen ze elkaar niet veel ontlopen denk ik.

Is de offest een probleem? volgens mij hadden we al een condensator in het signaalpad voor de laatste trap die er natuurlijk zo achter kan.

Wat jammer is is dat de gain instelling weg is en ook lastig te interpreteren, verder zijn de Fets slecht verkrijgbaar...... en een setje dat laatst uit China (2SK170) kwam kon zo de prullebak in want die voldeden totaal niet aan de specs. Dit zal de reden zijn waarom ik me waarschijnlijk aan de LT1028 oplossing zal blijven vasthouden, verder lijkt het me een hele mooie oplossing. Wat de gain betreft kan ik er ook wel mee leven als deze vast is maar de verkrijgbaarheid van de FET's en de kwaliteit daarvan baart me zorgen, jammer want het zijn mooie componenten.

Edit: Ik gezien dat de 2SK170 nog bij Nedis verkrijgbaar is (voor zolang het duurt.

[Pjotr]

Ha Tube,

Ja, de verkrijgbaarheid van die mooie fets is lastig. Ik wil er de 2SK369 voor gaan gebruiken. Volgens de site van Toshiba in Japan zijn die niet uit productie maar het zal lastig blijven voor de zelfbouwer. Ik heb een paar jaar geleden nog een zak van 100 stuks kunnen bestellen a €0,69/stuk. De prijs is het dus niet. Wat wel te krijgen is is de 2SK170: http://www.europe-audio.com/Product.asp?Product_ID=916 De vraag is dan wel zijn dat de goede originele Toshiba en geen Chinese nep?

W.b.t. de off-set, de stoom door de rechterkant van de stroomspiegel moet exact gebalanceerd zijn: De transistoren J1+J4 en J3+J5 moeten daarvoor goed gematched zijn anders gaat er veel DC verschilstroom door R3 lopen en 1 mA verschil zorgt al voor 1,5V op de uitgang.

Waarom geen BC'tjes? Er loopt flink wat stroom door, ca 12 mA. De Hfe van een BC'tje is daar al niet meer zo lineair, die gedijen het beste tot 1 mA. De 2N's zijn daar lineairder en hebben een hogere bandbreedte. Bovendien staan Q1, Q3 en Q4 wel wat warmte te verstoken en de 2N's kunnen dat beter hebben. Maar met BC'jes zal het ook heus nog wel werken.

Hoezo is de gain instelling lastig? Voor een MC heb je een gain nodig van tussen de 60 dB en 70 dB. Dat is toch prima verder te regelen met de 2e trap? Het is trouwens lastig om deze schakeling minder te laten versterken. Gezien de lage impedanties benodigd voor een lage ruis, wordt C5 dan aan de erg grote kant.

Geef toe, dit is best wel een lastiger schakeling dan met op-amps, zeker om na te bouwen.

[Mr Tube]

Als je de gain van de tweedetrap instelbaar wilt maken door bijvoorbeeld de weerstanden naar GND te wijzigen dan wordt de RIAA curve ook beinvloed, alleen als de Gain heel hoog is merk je daar niet veel van. Nu hebben we het over een gain van 10 a 20dB en dat is al vrij laag, bij een vaste instelling kun je het optimaal berekenen.


Wat de Fets betreft heb ik gezien dat de 2SK170 nog redelijk verkrijgbaar is, de 369 is bij Mouser leverbaar maar niet op voorraad. Verder wordt er expliciet genoemd deze niet te gebruiken voor nieuwe ontwerpen, deze is of raakt ook obsolete. Er is niets op tegen om verder met deze componenten te gebruiken als je ze nog heb liggen, ik vind alleen dat een ontwerp in de toekomst ook nog gebouwd moet kunnen worden.

Dat van die stromen is duidelijk, die BC dingetjes kun je inderdaad beter niet bij die stromen gebruiken.

[Pjotr]

Het is ook meer omdat er wel vraag naar is en ik het zelf ook wel leuk vind.

Voor die Toshiba transistoren is er eigenlijk geen alternatief wat zo ruisarm is. Als die niet meer te krijgen zijn is het hele idee van een phono pre met fets eigenlijk niet haalbaar meer. Maar eerlijk gezegd hoor ik nu al 10 jaar dat ze er uit gaan of zijn.

Zal eens kijken of die 2e trap niet instelbaar kan zonder dat het veel ingewikkelder wordt.

[rho]

Ik vind het heel leuk zo'n discrete ingangstrap, maar heb toch ook een beetje bedenkingen bij een ontwerp met transistoren die niet echt gemakkelijk meer verkrijgbaar zijn.

[Pjotr]

Nou ja, i.i.g maakt Linear Integrated Systems een second source, De LSK170: http://www.linearsystems.com/products.html#GlossE Helemaal hopeloos is het dus niet

Niet specifiek voor een RIAA phono pre maar wel interessant leesvoer: http://www.janascard.cz/PDF/Ultra%20low ... ifiers.pdf

[rho]

Een second source is inderdaad wel handig.

Die pdf lijkt me interessant, ja. Nu nog de tijd vinden om 'm aandachtig te lezen.

[Mr Tube]

Zonder meer een geinig ontwerp Pjotr!
Ik heb ook nog wat zitten boomen over een ontwerp met 2SK170 welke ik op gaatjesprint al eens had opgebouwd als microfoon pre. Het is iets simpeler en in dit geval vind ik passief filteren wel een voordeel hebben, ook deze schakeling is met correctie in de tegenkoppeling niet stabiel te krijgen.
Heb de source weerstand net als jij ook 5 ohm gemaakt, had hem zelf op 10 Ohm. Het blijkt dat de vervorming toch lager wordt als de stroom door het tegenkoppel netwerk dominant is aan de stroom door de Fets, FFT in LT spice weet te melden dat we op -96dB uitkomen met de vervorming welke hoofzakelijk uit 2e harmonischen bestaat. De trap erachter is puur een gaintrap die we kunnen instellen op elke gewenst nivo waarvan ik wil voorstellen om deze van 0 tot 30dB, zo maak je de schakeling geschikt voor zowel MM als MC.

Heb me vooral geconcentreerd op de eerste trap, de bandbreedte is rond de 3MHz. Was eerst tot bijna 50MHz maar vertoonde een piek rond de 40MHz waardoor ik hem wat geknepen heb. Nu loopt het netjes af en heeft ie een mooi fase verloop, en zo blijf ik toch vast houden de drietraps opzet.
Als de laatste trap ook discreet wordt opgebouwd dan kan alles op een enkelvoudige voeding, nu wordt het ook geen bezwaar om Elcos te gebruiken in het signaalpad (eventueel met een parallel C). Koppel elco's worden in deze schakeling flink gepolariseerd en dan zijn ze ineens helemaal niet zo slecht als dat men denkt, wie twijfelt aan het toepassen van Koppel Elco's moet eens luisteren naar Naim Audio (neem dan gewoon de topset van 50K+ euro).

[Pjotr]

Iets vergelijkbaars heb ook al eens gebouwd maar dan met een stroombron i.p.v. R2.

Dit is i.d.d. heel lastig stabiel te krijgen. Probleemveroorzaker is vooral de beperkte Ft van Q2 en Q3. En zo'n darlington constructie maakt het alleen maar erger.

Qua simuleren van stabiliteit en frequentie respons moet je bij een jfet echt naar de gesloten rondgaande versterking gaan kijken. Dus de versterking binnenin de tegenkoppellus. De open loop gain zegt op hogere frequenties weinig omdat daar C_gs gaat lekken naar de uitgang waardoor je boven de 1 MHz rare responsies gaat krijgen die evenwel toch stabiel kunnen zijn. Ook heb je op de gate een C van zeg 100 pf nodig om deze voor hf te "aarden". Anders wordt het nooit stabiel met een element er aan.

De PSSR is trouwens erg laag van deze schakeling hetgeen dan de voeding weer een stuk uitgebreider maakt. Wat betreft die elco's ben ik het met je eens. En als je daar moderne met een polymeer diëlectricum voor gebruikt, zoals de Oscons, dan is vervorming ver over de horizon.

[Mr Tube]

In mijn Mic Pre had ik dezelfde schakeling uitgevoerd met een trafo op de ingang (1:5) met 10K afsluiting, dat gaf geen problemen ten aanzien van de stabiliteit. Als voeding had ik 48V ACCU voeding en deze omlaag gebracht naar 18V via weerstand en zener, ook dat was geen probleem.

Een C'tje op de ingang kan zeker geen kwaad, doe ik tegenwoordig standaard met elke audioinput.
Al is het voor RFI onderdrukking

[Pjotr]

Hier het opzetje met een laatste stage die schakelbaar is tussen 0 dB en 20 dB. Met de aangegeven waarden is dit binnen 0,01 dB nauwkeurig. Met een voortrap die voor MM 30 dB versterkt en voor MC 50 dB moet je alles aan kunnen.

Naar de off-set heb ik verder niet gekeken. Een C naar massa gaat niet werken omdat de weerstand naar massa varieert, die C zou je dan ook omschakelbaar moeten maken.

[Mr Tube]

Dat is een hele mooie opzet, dat verdient zeker aandacht voor verdere uitwerking. De offset is lastig, valt eigenlijk alleen met een servo op te lossen of een koppel C.
Een ander ding is dat ik de schakeling graag idiot proof zou willen maken zodat er geen rare dingen gebeuren als de jumpers per ongeluk worden vergeten. Als dat nu zou gebeuren dan zou dat een hoop schade op kunnen leveren, er is op dat moment namelijk geen tegenkoppeling meer.

voor het laatste heb ik al een oplossing, kost een extra jumper of schakelkontakt en twee weerstanden.

[Pjotr]

Dit is een uitgangspunt waarbij de correctie zelf niet verandert. Fool proof is wel te doen, kost alleen wat extra weerstanden. Wil je toch een C naar massa dan moet die omschakelbaar zijn tussen 6u, 2u en 0,6u voor een -3 dB afval bij ca 10 Hz. Overigens loopt die afval bij een 0 dB instelling dan terug naar -20 dB bij 1 Hz en wordt dan niet lager meer. W.m.b. is dat ruim voldoende om rumble te onderdrukken, de rest moet het ingangshoogdoorlaat doen.

[Mr Tube]

Dit is een uitgangspunt waarbij de correctie zelf niet verandert. Fool proof is wel te doen, kost alleen wat extra weerstanden. Wil je toch een C naar massa dan moet die omschakelbaar zijn tussen 6u, 2u en 0,6u voor een -3 dB afval bij ca 10 Hz. Overigens loopt die afval bij een 0 dB instelling dan terug naar -20 dB bij 1 Hz en wordt dan niet lager meer. W.m.b. is dat ruim voldoende om rumble te onderdrukken, de rest moet het ingangshoogdoorlaat doen.

Inderdaad, ik denk aan een weerstand van het netwerk naar de - ingang van 28K welke in de 10dB stand wordt overbrugd met een extra weerstand en in de 0dB stand wordt doorverbonden.
Van de - ingang naar GND kun je dan drie afzonderlijke combinaties maken van weerstand en condensator waarvan je er een kiest. Lijkt me een elegante oplossing!

[Mr Tube]

Nog even iets over de ruis:

Nu vele Phonotrappen van fabrikanten bestudeert en vaak heb je niet zoveel aan de opgegeven SR verhouding, een fabrikant lijkt het wel te snappen! Array Audio geeft gewoon het volgende op: 0,8nV/Wortel Hz! Dan kun je zelf uitrekenen wat de SR verhouding wordt bij jouw element, teminste....als het spanningsruis gaat.

Pjotr, wat had je in gedachte als OTA in die discrete opzet?
In de simulatie werd een ideale OTA gebruikt maar die bestaat natuurlijk niet.

[Pjotr]

Dat is geheim Maar als je rond zoekt is er niet veel keus

Een hele bekende is de OPA660 van BB, die is inmiddels opgevolgd door de OPA86x. Maxim maakte ook een hele mooie, de MAX435, maar die zijn niet meer in productie (heb ik er nog wel een aantal van liggen). Nadeel is wel dat die op + en - 5V werken, vereist weer een extra voeding maar dat is ook wel te overleven. Heeft ook een voordeel m.b.t. tot over load: Ze clampen gewoon zonder dat er veel in de verzadiging gaat.

[Mr Tube]

Dat is geheim Maar als je rond zoekt is er niet veel keus

Is ook puur ter lering en vermaak, vind het een hele interessante opzet maar was niet van plan om dit op te bouwen al ziet het er wel uitdagend uit. Ik wil langzamerhand toch richting bouwen gaan en een printontwerp gaan maken en dan zie ik de Opamp opzet het meeste zitten, kwa signaal en ruisverhouding en vervorming valt er ook niet veel te winnen volgens mij met de discrete opzet. 0,45nV/Wortel Hz is met 4 parallel geschakelde LT1028 ook ruimschoots haalbaar, het enige verschil is de prijs van de opamps maar je kan gewoon beginnen met een per kanaal en later uitbreiden.

De opzet welke ik nu in mijn hoofd heb is het volgende:

MC step up met LT1028 met een gain van 20dB
volg versterker met een Gain van 30dB en RIAA correctie op 75uS
MM trap met en Gain van 30dB en RIAA correctie op75uS
Laatste trap met RIAA correctie op318 en 3180uS en instelbare Gain van 10 tot 22dB (stappen van 6dB)

ik overweeg om de MM trap te combineren met de volg versterker omdat ze toch eigenlijk hetzelfde doen, dan zal de MC step up ook echt als step up voor de MM ingang gebruikt gaan worden.

De totale Gain komt dan op:
MC 60-72dB
MM 40-52dB