Danke Reinhard, sieht in der Tat schon sehr gut aus ! Vielleicht ist für die Rauschsimulation am Ende auch wichtiger, die Daten der Eingangsstufe passend im Modell zu haben.

Schwieriger ist dann sicher eine saubere Analyse des Verhaltens in kritischen Schaltungen, wo es auch auf das Schwingverhalten ankommt. Gibt es diesbezüglich gute Modelle für den LM 833 ? Dem wird ja eine etwas ausgeprägtere Schwingneigung nachgesagt ...

Besten Gruss,

Michael

Hallo Michael,

Schwingverhalten
Dessen Analyse bei Operationsverstärkern in einer Simulation ist exakt gleich zum Vorgehen bei einem gegengekoppelten diskreten Verstärker.
Das Vorgehen ist hier in allen Einzelheiten in einem kurzen Video gezeigt: analog.com/en/education/educat…videos/5579254320001.html

Es kommt jetzt nur noch darauf an, ob die Schleifenverstärkung und Phasenmarge im Modell des jeweiligen Operationsverstärkers explizit und richtig modelliert wird.

Das TI (Texas Instruments) Modell des LM833 hat die Schleifenverstärkung und Phasenmarge (Aol, PM) ausdrücklich inkludiert:



Mit diesem Modell sollte also Schleifenverstärkung und Phasenmarge realistisch modellierbar sein, also Vorhersage von Schwingneigung möglich sein.

Gegenmassnahmen beim Schwingen von Operationsverstärkern: all-electronics.de/elektronik-…rstaerkern-vermeiden.html

Gruß
Reinhard


PS:
Der LM833 von National Semiconductor (jetzt LM833-N von TI genannt) ist technisch anders als der LM833, den ursprünglich TI herausgebracht hat und der immer noch LM833 (ohne -N) heisst.
Sehr verwirrend.

oldiefan schrieb:

Da das A-Filter den 50 Hz Peak recht gut wegschneidet, könntest Du Dir, wenn Du in ARTA die eingebaute A-Gewichtung zuschaltest, den RMS-Rauschabstand des jeweiligen Phono-VV in dB(A) über das ganze Audio Frequenzband als Geräuschspannungsabstand in dB(A) rms ausgeben.

Den Nachsetzverstärker habe ich noch einmal überarbeitet, er bietet nun einen Frequenzgang, der von 20 Hz bis 20 kHz innerhalb von +-1 dB bleibt und einen Eingangswiderstand von 47 kOhm hat. Außerdem habe ich die Verstärkung auf 20 dB eingestellt und kontrolliert. Die Verstärkung der beiden Testphonokarten, PM8006 und ESP, unterscheidet sich kaum, bei den niedrigen Frequenzen liegt die ESP-Karte um ca. 1 dB vorn, bei den mittleren Frequenzen verstärkt die PM8006 um 0,5 dB mehr. Die Verstärkung bei 1 kHz liegt bei 41 dB (ESP), respektive 41,5 dB (PM8006): 5 mVrms am Eingang erzeugen also am Ausgang bei 1kHz: 561 mVrms, respektive 594 mVrms. Das entspricht einem Pegel von -5,0 dBV bei der ESP und -4,5 dBV bei der PM8006. Außerdem muss ich bei meinen Messungen wieder die +0,8 dB Aufschlag durch den systematischen Fehler in meinem Meßsystem beachten.

Grün dargestellt: Der Ablesewert in ARTA.
Die dB(A)-Werte des Rauschens für das Audiofrequenzband, bezogen auf den Spannungswert am Verstärkerausgang bei 5 mVrms am Eingang betragen damit:

Und da schließt sich der Kreis zur Simulation. Reinhard hatte mir mal Zahlen zu den jeweiligen Verstärkern übermittelt, jeweils mit 1k-Abschluss und mit Netzwerk 1 (weicht im Wert etwas ab vom P30): ESP: 78,7/ 76,5 dB(A) und PM 8006 mit 84,4/ 79,8 db(A).
Da ist die Unsicherheit meiner Messung größer als die Differenz zwischen Modell und Messergebnis, würde ich meinen.

Viele Grüße,
Christian

Hallo Christian,

DAS würde ich auch meinen!




Es zeichnet sich also ab, dass die Simulationsergebnisse des Geräuschspannungsabstands (A-gewichtet) TYPISCH ca. +/- 1 dB mit Messungen übereinstimmt, wenn die zugrundeliegenden Rauschmodelle (im Fall von OpAmps) korrekt sind.

Burkhard Vogel schreibt und zeigt (Seiten 167-168) in seinem Buch "The Sound of Silence, Lowest-Noise RIAA Phono-Amps Designer Guide", dass die berechneten Rauschabstände innerhalb 1 dB mit seinen Messungen übereinstimmen. Nur hat er kein Schaltungs-Simulationsprogramm verwendet, sondern die Gleichungen klassisch erstellt und mit MathCad berechnet!

"To verify the proposed mathematical model many measurements had to be carried out, especially at late night, when the mains was cleaner and hum interferencewas less intensive. All calculation and measurement results are listed in Table 4.2.The most important lines are no. 13 (RIAA-equalized noise: SNriaa ) and 16 (RIAA-equalized and A-weighted noise: SNariaa ). These deltas indicate that the claim at the beginning of this article becomes true that a max. 1.0 dB variance between mathematics and measurements could be possible."

Besten Gruß
Reinhard

Edit 18.02.2022:
Link zur zitierten Quelle aus Urheberrechtsgründen entfernt.

Moin Reinhard,

aha -- vielleicht liegt es einfach daran, dass es beim LM 833 unterschiedliche Aufbauten gibt ? Dann könnte man ein Schwingverhalten ja einsehen --- mit einer Version stabil, mit der anderen nicht ... (?)

Michael

Hallo Michael,

das ist wohl so. Schwingungsneigung räumt TI beim LM833 bei kapazitiver Last im Datenblatt ja ausdrücklich ein (Lot-abhängig!).
Beim LM 833-N (früher NS-Typ) wird dagegen ausdrücklich dessen Stabilität betont und es fehlen die expliziten Hinweise auf Schwingungsneigung. Das muss aber nicht heissen, dass der LM 833-N diesbezüglich tatsächlich besser sein muss.

Hier die beiden verschiedenen Versionen im Prinzipschaltbild:

1. LM 833-N (früher war das die LM833 Version von National Semiconductor)




TI schreibt im Datenblatt zum LM833-N
"This dual amplifier IC utilizes new circuit and processing techniques to deliver low noise, high(Min) speed and wide bandwidth without increasing external components or decreasing stability. The LM833-N is internally compensated for all closed loop gains and is therefore optimized for all preamp and high level stages in PCM and HiFi systems."

Das heisst nicht notwendigerweise, dass der LM833-N unter allen Umständen stabil ist ("unconditionally stable"). Kapazitive Last mögen die OpAmps alle nicht. ggf. sollte man eine solche durch einen Zwischen-Serienwiderstand unschädlich machen.

In einem anderen Forum wurde berichtet:
"Replacing the operational amplifier from National LM833 to OnSemi LM833 sorts out the problem (Schwingung bei 70 MHz). I have tried this in 20 units so far and it fixes it completely.


2. LM 833 (das ist die ursprüngliche Version von Texas Instruments)




TI schreibt im Datenblatt zum LM 833

"While all the previously stated operating characteristics are specified with 100-pF load capacitance, the LM833 device can drive higher-capacitance loads. However, as the load capacitance increases, the resulting response pole occurs at lower frequencies, causing ringing, peaking, or oscillation. The value of the load capacitance at which oscillation occurs varies from lot-to-lot. If an application appears to be sensitive to oscillation due to load capacitance, adding a small resistance in series with the load should alleviate the problem (see Figure 39)."



Die max. zulässigen 100 pF Last trägt bereits ein ca. 1 m langes Kabel am Ausgang bei. Hat das angeschlossene Device darüber hinaus noch merkliche Eingangskapazität, die sich dazu addiert, kann es also für den LM833 kritisch werden, wenn die Gegenmassnahmen nach Fig. 39 nicht implementiert sind.


Gruß
Reinhard

Ein mir untergekommener Fall eines schwingenden LM833 betraf einen simplen nichtinvertierenden Verstärker. Ursprünglich tat ein eher langsamer 4558 seinen Dienst, bei Ersatz mit dem LM833 kam es zur Selbsterregung. Dort war es nicht die kapazitive Last, es gab einen 5k6-Widerstand direkt nach dem Ausgang. Was Opamps aber auch nicht mögen, sind parasitäre Kapazitäten zwischen Aus- und positivem Eingang, bzw. zwischen den Eingängen. Dort war es wohl der Drahtverhau (der Sylvania-Saba 8280) rund um den Opamp, der zu Verkopplungen führte.

Den folgenden Oszillator habe ich nur mit dem etliche Posts vorher verlinkten,aufwändigen LM833-Modell nachstellen können. Die einfacheren Modelle von ST oder TI blieben mit dieser Schaltung noch ruhig, ebenso ein Opamp mit dem Model eines 4559.
Die Vorhersage mit einer Simulation bleibt trotzdem schwierig, da man die parasitären Komponenten einer realen Schaltung in aller Regel nicht kennt. Aber wenn die Phasenreserve schon knapp wird (weniger als 45°), sollte man mal den Oszi am Labortisch bemühen, die Schaltung mit Rechtecksignalen speisen und nach gedämpften Schwingungen schauen.

Viele Grüße,
Christian



Schaltung mit parasitärem Kondensator zwischen Ausgang und nichtinv. Eingang



Schleifenverstärkung, bei 180° Phasendrehung ist noch Verstärkung vorhanden --> es schwingt.



Anschwingen im Zeitdiagramm

Interessant --- und wenn ON Semi da zuverlässiger ist, kann man das ja getrost als gute Lösung im Kopf behalten ! Besten Dank für Eure Analyse !

Michael

Hallo die Runde,

gestern kam ein Päckchen für mich an. Unter Anderem enthielt es zwei LM4562-Doppel_OPV. Ich habe nun diesen Opamp mit einem NE5532 hinsichtlich des Rauschverhaltens verglichen. Zum Vergleich sind hier die Rauschdaten der beiden Opamps noch einmal aufgeführt, wie sie in Datenblättern zu finden sind:





ESP-Schaltung, Rauschdichtemessung, Türkis: LM4562, Rot: NE5532P

Mit der originalen ESP-Schaltung + 20-dB-Nachsetzer beginnen die Rauschdichtekurven ab ca. 1-2 kHz auseinander zu laufen. Der LM4562 erzeugt trotz niedrigeren Spannungsrauschens die höheren Rauschdichtewerte. Ab ca. 5 kHz liegen sie ca. 5 dB höher. A-bewertet ergibt sich damit für die Rauschspannung im Audiofrequenzband (20 Hz-20 kHz) am Ausgang eine Verschlechterung von -62,5 dB(A) auf -58,7 dB(A). Für die Beurteilung der Phonokarte selbst muss man wieder etwas umrechnen: -20 dB durch den Nachsetzverstärker, + 5 dB, um auf den Wert für 5 mVeff Eingangsspannung zu normieren. Mittlerweile habe ich das Meßsystem kalibriert, die Berücksichtigung dieser Differenz von 0,8 dB aus früheren Posts ist nicht mehr notwendig. Es ergeben sich -77,5 dB(A) mit dem NE5532P, respektive -73,7 dB(A) mit dem LM4562.
Seinen Vorteil des niedrigen Spannungsrauschens kann der teurere LM4562 mit angeschlossenem Pickup also nicht ausspielen. Das Widerstandsrauschen dominiert in der ESP-Schaltung.

Mit niedrigerem Schutzwiderstand am Eingang (220 Ohm vs. 2k2) und einem ebenfalls um Faktor 10 in der Impedanz abgesenkten Feedbacknetzwerk der ersten Verstärkerstufe lässt sich das Rauschverhalten der Schaltung ja verbessern.



ESP-Schaltung mit NE5532P, Rauschdichtemessung der beiden Schaltungsvarianten, Türkis: mit niedrigen Impedanzen, Rot: Originalschaltung

Diese Messung zeigt den Unterschied der beiden Schaltungsvarianten. Der NE5532P erreicht nun -64,2 dB(A) Ablesewert --> 79,2 dB(A).




ESP-Schaltung mit niedrigen Impedanzen, Rauschdichtemessung, Türkis: LM4562, Rot: NE5532P

Das ist der Vergleich der beiden Opamps mit der rauschtechnisch verbesserten Schaltung. Nun sieht man das niedrigere Spannungsrauschen des LM4562 im Kurvenverlauf bis ca. 1 kHz. Bei den hohen Frequenzen hat sich leider auch etwas verändert, der NE5532P hat nun einen größeren Abstand, die Schaltungsverbesserung wirkt bei ihm auch bei hohen Frequenzen, weil sein Stromrauschen niedrig genug ist. Zusätzlich führt die A-Bewertung des Ergebnisses dazu, dass sich der Vorteil des LM4562 bei den niedrigen Frequenzen nicht so stark in einer niedrigeren Rauschspannung im Audioband niederschlägt. Er ist mit -61,2 dB(A) --> 76,5 dB(A) immer noch deutlich schlechter als der NE5532P.

Das Ergebnis könnte man vereinfacht so zusammenfassen: Solange ein Pickup für eine hohe Impedanz bei Frequenzen oberhalb von 2-3 KHz sorgt (MM), ist eine sorgfältige Abwägung von Strom- und Spannungsrauschen der Eingangsstufe notwendig. Die hohe Impedanz führt dazu, dass das thermische Rauschen des Eingangswiderstandes von 47 kOhm dominant wird. Es wird nicht mehr durch den rauschtechnisch parallel liegenden Pickup kurzgeschlossen. Dazu kommt unter Umständen die Rauschspannung, die durch das Stromrauschen an der Impedanz der Parallelschaltung aus Pickup-Induktivität, Eingangskapazität und Eingangswiderstand abfällt.

Ausführlich wird der Effekt hier beschrieben, außerdem gibt es dort schöne Übersichten zu Opamps und deren Rauschwerten:
Opamps_inductive_sources_Ribov_PID5545903.pdf

Ich habe weitere Opamps diesem Praxistest unterzogen. Allesamt auf vergleichbarem Niveau (+-1 dB) lagen:
LM833
NE5532A, (Auslesetyp des NE5532P mit garantierten max. Rauschwerten)
NJM2068
NJM4580
OPA2134

Deutlich abgeschlagen (die teuren Spannungs-Low-Noise-Typen, einige High-Precision-Typen und Billigst-OPVs):
LT1013
LM4562
TL082, 072, 062
LM358
MC33172
MC34072

Da es hier um konkrete Op-Amp-Modelle geht: Die obigen Aussagen gelten für Phonoverstärker für MM-Pickups mit ihrer hohen Induktivität und den notwendigen hohen Eingangswiderständen. Bei einem Verstärker für MC-Pickups dürften die Low-Noise-Typen durchaus ihren Vorteil ausspielen, da deren hohes Stromrauschen auf niedrige Impedanzen trifft. Aber dieses Feld wird ja eher von diskret aufgebauten Verstärkern dominiert, weil sich dadurch noch etwas bessere Werte erzielen lassen.

Viele Grüße,
Christian

Danke Christian,

sehr schöne Analyse ! Ich habe den ESP nun in der niederohrigeren Variante mit meinen noch verbliebenen NE 5532 AM (!) aufgebaut, das ist die MIL-Version im Blechgehäuse. Ein paar hatte ich noch ...

Dein Hinweis auf MM ist in der Tat relevant. Bei MC HighOutput ist die Lage anders. Die brauchen in der Regel eine um einen Faktor 2-3 höhere Verstärkung als MM, sind aber niederohmig und auch deutlich weniger induktiv. Da kann der LM 4562 dann seinen Vorteil vielleicht doch ausspielen.

Klar ist allerdings auch: TL 072 etc. sind nicht mehr zu empfehlen, übrigens auch klanglich nicht. Die kann man fast immer erkennen, die hinterlassen einen Fingerabdruck, der eine subtile Mischung aus Rauschen und "Sound" sind. Da dann auf jeden Fall lieber den OPA 2134, der ja eh eine gute Wahl ist (aber leider auch etwas teurer).

Besten Gruss,

Michael

Hallo Christian,

wunderbar, wie Du die Unterschiede in den Messungen so gut herauskitzeln konntest!


Gruß
Reinhard

PS:
Es gibt noch'nen ziemlich neuen "GUTEN" OpAmp für MM: OPA1656 (dual), bzw. OPA1655 (single)
ti.com/document-viewer/OPA1656…#TITLE-SBOS901SBOS9013640

Sehr interessante neue OPVs, leider nicht mehr mit DIP. Aber mit Adapter natürlich noch einsetzbar. Da bin ich mir dann aber nicht sicher, ob die relativ vielen zusätzlichen Kontakte nicht die "ultra-guten" Daten schon wieder schmälern. Wenn man mehrere Nullen hinter dem Komma bei den Verzerrungen hat, spielen Aspekte des Platinen-Layouts schon eine Rolle, wenn man die voll nutzen will.

Besten Gruss,

Michael

Ja, diese Opamps bieten eindrucksvolle Zahlen. Ich denke aber, dass sie erst in einer auf sie zugeschnittenen Schaltung ihre Vorteile voll ausspielen, z.B. wie beim Muffsy mit nur 100 Ohm Fußpunktwiderstand in der Rückkopplung der ersten Stufe.

VG, Christian