Simulation von Röhrenverstärkern mit SPICE: PC-Simulationen von Elektronenröhren in Audioverstärkern
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2015
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INHALTSVERZEICHNIS
1 NF-ROEHRENVERSTAERKER IN ZEITEN DIGITALER AUDIOTECHNIK 1
2 SIMULATION ELEKTRONISCHER SCHALTUNGEN MIT SPICE 7
2.1 KURZEINFUEHRUNG IN SPICE 9
2.1.1 DIE SYNTAX VON SPICE 10
2.1.2 BAUELEMENTEBIBLIOTHEKEN 12
2.1.3 ELEMENTANGABEN 13
2.1.4 SPEZIELLE ANWEISUNGEN 17
2.2 GLEICHSTROMANALYSEN 18
2.3 ZEITBEREICHS- ODER TRANSIENTENANALYSE 20
2.4 FREQUENZBEREICHSANALYSE 22
2.5 ERGEBNISVARIABLEN DER ANALYSEN 24
3 SPICE IMPLEMENTIERUNGEN FUER PC 25
4 SPICE ANALYSEN AM BEISPIEL EINFACHER PASSIVER NETZWERKE 31
4.1 GLEICHSTROMANALYSEN AM BEISPIEL ZWEIER RESISTIVER SPANNUNGSTEILER
. 31
4.2 ZEITBEREICHSANALYSE AM BEISPIEL EINES SPITZENWERTGLEICHRICHTERS 35
4.3 FREQUENZBEREICHSANALYSE AM BEISPIEL
EINES BAXANDALL-ENTZERRERNETZWERKS 38
5 VERSTAERKERROEHREN, VERSTAERKER UND SPICE-MODELLE 43
5.1 GRUNDLEGENDE EIGENSCHAFTEN VON ELEKTRONENROEHREN 44
5.1.1 EIGENSCHAFTEN DER ROEHRENDIODEN 45
5.1.2 EIGENSCHAFTEN DER VERSTAERKERROEHREN 49
5.2 VERSTAERKER 62
5.2.1 VERSTAERKERROEHRENKAPAZITAETEN 63
5.2.2 LINEARE ERSATZSCHALTUNGEN FUER VERSTAERKERROEHREN UND -SCHALTUNGEN 63
5.2.3 VERSTAERKERGRUNDSCHALTUNGEN MIT EINER VERSTAERKERROEHRE 67
5.2.4 DIMENSIONIERUNG EINER VERSTAERKERSTUFE 75
5.2.5 KOPPLUNG ZWISCHEN ZWEI VERSTAERKERSTUFEN 76
5.2.6 RECHENBEISPIELE: VERSTAERKER MIT GEGENKOPPLUNG UEBER ZWEI STUFEN 79
XI
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XII
INHALTSVERZEICHNIS
5.3 SPICE-TRIODENMODELLE 88
5.3.1 RAUMLADUNGSMODELLE FUER TRIODEN 88
5.3.2 HEURISTISCHE TRIODENMODELLE 91
5.4 TEST DER TRIODENMODELLE 96
5.4.1 TEST 1: KENNLINIENFELDERTEST, TRIODE ECC82 97
5.4.2 TEST 2: ARBEITSPUNKTETEST, TRIODE ECC82 98
5.4.3 TEST 3: DIFFERENTIELLE-KENNWERTE-TEST, TRIODE ECC82 100
5.4.4 TEST 4: SCHALTUNGSTEST, TRIODE ECC82 104
5.5 SPICE-PENTODENMODELLE 105
5.5.1 RAUMLADUNGSMODELLE VON PENTODEN 106
5.5.2 HEURISTISCHE PENTODENMODELLE 113
5.6 TEST DER PENTODENMODELLE 116
5.6.1 TEST 1: KENNLINIENFELDERTEST, PENTODE EL34 117
5.6.2 TEST 2: ARBEITSPUNKTETEST, PENTODE EL34 118
5.6.3 TEST 3: DIFFERENTIELLE-KENNWERTE-TEST, PENTODE EL34 120
5.6.4 TEST 4: SCHALTUNGSTEST, PENTODE EL34 123
5.7 AUSWERTUNG DER TESTS DER VERSTAERKERROEHRENMODELLE IN 5.4 UND 5.6 .
125
6 SPICE-SIMULATIONEN VON ROEHRENSCHALTUNGEN IN BEISPIELEN 131
6.1 FREQUENZGAENGE UND FREQUENZGANGABWEICHUNGEN BEI ENTZERRERVERSTAERKEM
134
6.1.1 VORVERZERRUNG DES VERSTAERKEREINGANGSSIGNALS 135
6.1.2 SIMULATION VON BAUELEMENTETOLERANZEN 137
6.2 PHASENINVERTERSCHALTUNGEN 140
6.2.1 BERECHNUNG DER KATODYNE-SCHALTUNG 142
6.2.2 BERECHNUNG DER PARAPHASE-SCHALTUNG 150
6.2.3 BERECHNUNG DER FLOATING-PARAPHASE-SCHALTUNG 154
6.2.4 BERECHNUNG DER SEE-SAW-SCHALTUNG 157
6.2.5 BERECHNUNG DER CATHODE-COUPLED-SCHALTUNG 161
6.2.6 VERGLEICH DER PHASENINVERTERSCHALTUNGEN MIT SPICE-SIMULATIONEN 165
6.3 MODERNE DOPPELTRIODENSCHALTUNGEN FUER AUDIOVERSTAERKER 174
6.3.1 KASKODENSCHALTUNG 175
6.3.2 SRPP-VERSTAERKER 181
6.3.3 /X-FOLLOWER 189
6.3.4 WHITE-CATHODE-FOLLOWER 195
6.3.5 ANODENBASISSCHALTUNG MIT AKTIVER LAST 201
6.3.6 TREIBERVERSTAERKER FUER HOHE AUSGANGSSPANNUNGEN 206
6.3.7 DISKUSSION UND KOMBINATIONEN DER DOPPELTRIODENSCHALTUNGEN . . 211
6.3.8 KOMBINATIONEN VON DOPPELTRIODENSCHALTUNGEN 217
6.4 DIFFERENZVERSTAERKER MIT KONSTANTSTROMSENKEN 220
6.5 SIMULIERTE MESSUNG VON NICHTLINEAREN VERZERRUNGEN 229
6.5.1 FOURIERTRANSFORMATIONEN FUER PERIODISCHE SIGNALE 231
6.5.2 DFT-BASIERTE FOURIERTRANSFORMATION MIT SPICE 233
INHALTSVERZEICHNIS
XIII
6.5.3 TESTSIGNALE DER MESSVERFAHREN FUER NICHTLINEARE VERZERRUNGEN . . .
236
6.5.4 SIMULATIONEN DER MESSUNGEN VON NICHTLINEAREN VERZERRUNGEN . . .
241
6.6 MODELLIEREN VON ROEHRENVERSTAERKERN MIT UEBERTRAGERN 245
6.6.1 SPIEE SIMULATION EINES ULTRA-LINEAR-VERSTAERKERS 250
6.7 DER ANODENFOLGER ALS GRUNDSCHALTUNG 254
6.7.1 BERECHNUNG UND SIMULATION VON ANODENFOLGERSCHALTUNGEN . 257
6.7.2 DER ANODENFOLGER ALS YYKONZEPTVERSTAERKER" 261
6.8 AKTIVLAUTSPRECHER-FREQUENZWEICHEN MIT ROEHREN 269
6.8.1 SALLEN&KEY-FILTER MIT EINHEITSVERSTAERKERN, BERECHNUNGEN
UND SIMULATION 272
6.8.2 SIMULATIONEN DER TIEF- UND HOCHPASSFILTER
MIT NICHTIDEALEN VERSTAERKERN 278
6.8.3 MODIFIZIERTE SALLEN&KEY-FILTER 283
6.8.4 ROEHRENSCHALTUNGEN FUER EINVERSTAERKER-FILTER ZWEITEN GRADES . 287
6.8.5 EINE DREIWEGE-LAUTSPRECHERFREQUENZWEICHE 295
7 SPICE-SIMULATIONSTECHNIKEN FUER YYFORTGESCHRITTENE" 299
7.1 ANWENDERDEFINIERTE SPICE-ANALYSEN MIT DER .MEAS-ANWEISUNG AM
BEISPIEL DER SPANNUNGSVERSORGUNG VON ROEHRENVERSTAERKEM 299
7.1.1 ZUR .MEAS-ANWEISUNG IN SPICE 300
7.1.2 SPANNUNGSVERSORGUNG VON ROEHRENVERSTAERKERN 302
7.1.3 GLEICHRICHTER UND LADEKONDENSATOR 303
7.1.4 PASSIVE UND ELEKTRONISCHE SIEBSTUFEN IN DER SPANNUNGSVERSORGUNG
DER ENDROEHREN (LEISTUNGSFILTER) 317
7.2 DIE FUNKTIONSQUELLEN AM BEISPIEL VON AUDIOTESTS
IN DER TRANSIENTENANALYSE 326
7.2.1 DREI EINFACHE UEBUNGEN ZUR VERWENDUNG
DER FUNKTIONSSPANNUNGSQUELLE 327
7.2.2 SWEEP-SIGNALE 331
7.2.3 BURSTSIGNALE 335
7.2.4 RAUSCHSIGNALE 341
7.2.5 (THD+N)-MONITOR MIT SPICE 345
7.3 RAUSCHANALYSE MIT SPICE 354
7.3.1 EINLEITUNG 356
7.3.2 SPEKTRALFUNKTIONEN ZUR BESCHREIBUNG
VON VERSTAERKERRAUSCHSIGNALEN 357
7.3.3 THERMISCHES WIDERSTANDSRAUSCHEN 362
7.3.4 GRUNDLEGENDES ZUR SCHALTUNGSSIMULATION MIT RAUSCHGROESSEN . . . 365
7.3.5 SPICE UND WIDERSTANDSRAUSCHEN 379
7.3.6 YYRAUSCHFREIE WIDERSTAENDE" FUER DIE SPICE-RAUSCHANALYSE 387
7.3.7 STROMRAUSCHEN BEI WIDERSTAENDEN 387
7.3.8 BEWERTETE UND UNBEWERTETE RAUSCHMESSUNGEN 392
XIV
INHALTSVERZEICHNIS
7.3.9 ROEHRENRAUSCHEN 400
7.3.10 MODELLIERUNG UND SIMULATION VON ROEHRENRAUSCHEN 406
7.3.11 SPICE ROEHRENMODELLE UND ROEHRENRAUSCHEN 413
7.3.12 RAUSCHEN BEI AUDIO-ROEHRENVERSTAERKERN 414
7.3.13 EIN BEISPIEL ZUR SPICE-RAUSCHANALYSE 416
8 RUECKKOPPLUNGEN, STABILITAET UND FREQUENZGANGSKORREKTUREN
BEI ROEHRENVERSTAERKERN 425
8.1 EINLEITUNG MIT GLIEDERUNG UND GLOSSAR 426
8.2 DAS EINFUEHRENDE BEISPIEL: DIE KATHODENBASISSCHALTUNG OHNE
UND MIT EINER STROMGEGENKOPPLUNG 433
8.2.1 SPANNUNGSVERSTAERKUNG UND INNENWIDERSTAND 433
8.2.2 ABHAENGIGKEIT DER SPANNUNGSVERSTAERKUNG
VON DEN ROEHRENPARAMETEM 436
8.2.3 INNENWIDERSTAND UND SCHALTUNGSAUSGANGSWIDERSTAND 439
8.2.4 REDUKTION VON DER AUSGANGSSPANNUNG UEBERLAGERTEN
STOERSPANNUNGEN DURCH DIE GEGENKOPPLUNG 440
8.2.5 SPICE-SIMULATIONEN AN KATHODENBASISSCHALTUNGEN
MIT UND OHNE STROMGEGENKOPPLUNG 441
8.2.6 ERGEBNISSE DER BETRACHTUNGEN AM EINFUEHRENDEN BEISPIEL 444
8.2.7 UEBERGANG VOM EINFUEHRENDEN BEISPIEL
ZUR ALLGEMEINEN BETRACHTUNG 444
8.3 DIE ARTEN DER GEGENKOPPLUNG 445
8.3.1 STROM-UND SPANNUNGSGEGENKOPPLUNG ALS OBERBEGRIFFE 445
8.3.2 DIE DREI BEI ROEHRENVERSTAERKERN GEBRAEUCHLICHEN
GEGENKOPPLUNGSARTEN 449
8.4 RUECKKOPPLUNGEN, GEGEN- UND MITKOPPLUNG BEI AUDIOVERSTAERKERN . 455
8.4.1 GEGENKOPPLUNG, DIE NEGATIVE RUECKKOPPLUNG (NEGATIVE FEEDBACK) 456
8.4.2 RUECKKOPPLUNGSTECHNIKEN IN VERSTAERKERN 458
8.5 DIE SCHLEIFENVERSTAERKUNG 459
8.5.1 DIE SCHLEIFENVERSTAERKUNG DER KATHODENBASISSCHALTUNG
MIT STROMGEGENKOPPLUNG 460
8.5.2 DIE SCHLEIFENVERSTAERKUNG DER ANODENFOLGERSCHALTUNG 461
8.5.3 DIE SCHLEIFENVERSTAERKUNG DER KATHODENFOLGERSCHALTUNG 461
8.5.4 MESSTECHNISCHE UND SIMULATIONSTECHNISCHE ERFASSUNG
DER OFFENEN VERSTAERKUNG BEI GLOBALER GEGENKOPPLUNG 461
8.6 DIE GLOBALE GEGENKOPPLUNG IN AUDIO-ROEHRENVERSTAERKERN 463
8.6.1 VERBESSERTE UNEMPFINDLICHKEIT GEGEN SYSTEMPARAMETERTOLERANZEN
BEIM VERSTAERKER MIT GLOBALER GEGENKOPPLUNG 464
8.6.2 RUECKKOPPLUNG UND LINEARE VERZERRUNGEN BEIM VERSTAERKER
MIT GLOBALER GEGENKOPPLUNG 465
INHALTSVERZEICHNIS XV
8.6.3 RUECKKOPPLUNG UND NICHTLINEARE VERZERRUNGEN BEIM VERSTAERKER
MIT GLOBALER GEGENKOPPLUNG 474
8.7 SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNGEN IN AUDIO-ROEHRENVERSTAERKERN 483
8.7.1 EINFLUSS VON VERSTAERKUNGSFAKTOR-TOLERANZEN BEIM VERSTAERKER
MIT SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNG 486
8.7.2 LINEARE VERZERRUNGEN BEIM VERSTAERKER
MIT SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNG 487
8.7.3 NICHTLINEARE VERZERRUNGEN BEIM VERSTAERKER
MIT SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNG 491
8.7.4 DER SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNGSUEBERLAGERER ALS GRUNDSCHALTUNG . 493
8.7.5 EIN BEISPIEL FUER EINE SUBSIDIAER-MITKOPPLUNG 495
8.7.6 MESSTECHNISCHE ERFASSUNG DER SCHLEIFENVERSTAERKUNGEN BEIM
VERSTAERKER MIT EINER SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNG 499
8.7.7 BERECHNUNG EINES VERSTAERKERS MIT SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNG . 501
8.7.8 SIMULATIONSBEISPIEL FUER EINEN VERSTAERKER
MIT SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNG 502
8.7.9 EIN BESONDERER VERSTAERKER MIT SUBSIDIAER-RUECKKOPPLUNG 506
8.7.10 DER PHONO-ENTZERRVERSTAERKER IN AKTIV-TOPOLOGIE ALS BEISPIEL
FUER EINE FREQUENZABHAENGIGE GEGENKOPPLUNG 509
8.8 EINE ALLGEMEINE UEBERLEGUNG ZUM GEGENKOPPELN 513
8.9 ROEHRENLEISTUNGSVERSTAERKER, RUECKKOPPLUNGEN, STABILITAET UND SPICE .
515
8.9.1 ROEHRENLEISTUNGSVERSTAERKER UND TRANSISTORLEISTUNGSVERSTAERKER .
516
8.9.2 ELEKTRONIKLABOR UND SPICE-SIMULATION 518
8.10 GRUNDLAGEN LINEARER RUECKGEKOPPELTER ROEHRENVERSTAERKER
IM HINBLICK AUF VERSTAERKERSTABILITAET 519
8.10.1 VERSTAERKERSTABILITAET UEBER DEN FREQUENZGANG KS(A ) 521
8.10.2 MESSUNG DES FREQUENZGANGS DER SCHLEIFENVERSTAERKUNG
VON TYPISCHEN ROEHRENLEISTUNGSVERSTAERKERN MIT SPICE 526
8.10.3 FREQUENZGANGSKORREKTUR ZUR ERZIELUNG STABILER
RUECKGEKOPPELTER ROEHRENLEISTUNGSVERSTAERKER 535
8.10.4 VERSTAERKEREIGENSCHAFTEN IN ABHAENGIGKEIT DES PHASENRANDS 537
8.10.5 FREQUENZGANGSKORREKTUR MIT STUFEN-GLIEDERN 542
8.10.6 FREQUENZGANGSKORREKTUREN AM ROEHRENLEISTUNGSVERSTAERKER
UND IHRE PRAKTISCHEN AUSFUEHRUNGEN 559
ANHANG ROEHRENMODELLE 573
ANHANG FORMELZEICHEN UND SYMBOLE 575
LITERATUR 581
SACHVERZEICHNIS 587 |
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