Operationsverstärker- Alles was leise rauscht

Lautsprecherbau und -tuning

Operationsverstärker- Alles was leise rauscht

Beitragvon Kaskode » 23.09.2017, 10:53

Nein, nicht schon wieder ein OP-Amp Thread, welches das Forum in 20 Lager spalten könnte, aber es muß mal wieder sein.

Für meine BM6 Lautsprecher im Vorstellungsthread, die ich nun so gut wie fertig renoviert habe, geht es mir im nächsten Schritt um Verbesserungen. Auf der Suche nach Erfahrungen von bereits Geschriebenen auf diesem Gebiet stach dabei das Thema Operationsverstärker immer wieder hervor.

Die BM 6 (und vermutlich auch die anderen der Classic-Serie) haben zwei unterschiedliche Op-Amps verwendet. Das ist zum einen für die Aktiv-Regelung der berühmte NE5534 und zum anderen der TL074 (wird später betrachtet) für die Frequenzweichen. Für die galt es einen würdigen Ersatz zu finden. Die Suche im Forum ergaben wiederkehrend die folgende Empfehlungen für den NE5534: Der LME49710 sowie der OPA637.

Da Rauschen bei mir immer ein Augenmerk ist, habe ich Datenblätter gewälzt und möchte hier weitere OP vorstellen, welche diesen Aspekt stärker hervorheben. Die OPs sind sicherlich auch hier nicht unbekannt und wurden auch schon „getestet“ Daher würde ich mich über euren Feedback freuen.

Über das Wesen des Rauschens ist zu sagen, das über die Kette aller Verstärker das Rauschen von Stufe zu Stufe aufaddiert wird. Da ist es natürlich wichtig, besonders auf den ersten Stufen rauscharme Ops zu bekommen, wähend „hinten“ am Ausgang andere Parameter, wie z.B. die Slew Rate oder Offset vorzug finden.

Ein weiteres Wesen des Rauschen ist (neben dem thermischen Rauschen) die als 1/f-Rauschen bezeichnete Komponente, welche von 0Hz mit 3 dB abfallend ist und ab einer bauteiltypischen Eckfrequenz (Datenblatt) keine Rolle mehr spielt. In meiner Betrachtung schließe ich die 3dB Eckfrequenz des 1/f Rauschens mit ein. Eckfrequenzen die bei weniger als 30-40Hz liegen (für die BM6 durchaus abbildbar) dürfen es schon sein.

Auf dem Zug der rauscharmen OPs ist der genannte NE5534 gar nicht mal so schlecht und wird wohl in den 80ern der Stern am Himmel gewesen sein. Die heute zumindest erhältliche überarbeitete (bessere) Version NE5534A als direkter Nachfolger zu tauschen, sollte kein Fehler sein. Für das 1/f Rauschen findet man bei unterschiedlichen Anbietern abweichende Angaben. Hier muß man genauer schauen. Der OP von Texas Instrument scheint eine niedrigere (also bessere) 3db Eckfrequenz von ca 50 Hz zu haben. Andere Datenblätter weisen die Eckfrequenz sogar mit bis zu 200Hz aus, welches ein deutlich höheren Rauscheintrag im Bass mit sich bringt. Ein Austausch des alten NE5534 gegen einen neuen NE5534A kann also schon lohnen, ohne das man die Schaltung überarbeiten muß. Es ist ein überschaubarer Aufwand den vorhandenen IC gegen einen anderen zu wechseln.

In der Rangfolge der Selektion steht also für meine Tabelle das Rauschen und die 1/f-Eckfrequenz vorne, gefolgt von der Slew Rate und dem Offset. Andere Parameter werden bestenfalls als drittes Kriterium herangeführt. Keine Rolle spielt die Bauform. DIL-Gehäuse bevorzugt, aber auch SOT ist OK, wenn die elektrischen Werte stimmen. Es gibt zu hauf Adapterplatinen für DIL-SOT.

Das Datengrab:

NE5534A
Rausch (nV/sqrHz): 3,5
1/f (Hz): 50-200 (Hersteller beachten)
SlewRate(V/us): 13
Offset: 5mV (neuere deutlich besser)

OP37
Rausch (nV/sqrHz): 3,2
1/f (Hz): 3 (in Worten: drei !)
SlewRate(V/us): 17
Offset: 30uV

LT1037
Rausch (nV/sqrHz): 2,5
1/f (Hz): 2 !!
SlewRate(V/us): 15
Offset(uV): 20uV

LT1028
Rausch (nV/sqrHz): 0,85 !
1/f (Hz): 3,5
SlewRate(V/us): 15
Offset: 20-40 uV

OPA228P
Rausch (nV/sqrHz): 3
1/f (Hz): 5
SlewRate(V/us): 11
Offset: 10uV

OPA134 (Achtung, ist ein FET)
Rausch (nV/sqrHz): 8
1/f (Hz): 15
SlewRate(V/us): 20 !
Offset: 0,5mV

OPA637
Rausch (nV/sqrHz): 5,2
1/f (Hz): 40
SlewRate(V/us): 100 !
Offset(uV): 40-250uV

AD797 (Achtung, ist ein FET)
Rausch (nV/sqrHz): 0,9 !
1/f (Hz): 80
SlewRate(V/us): 20
Offset: 20uV

AD811
Rausch (nV/sqrHz): 1,9 !
1/f (Hz): 25
SlewRate(V/us): 400 !
Offset: 0,5mV

LME49710
Rausch (nV/sqrHz): 2,5
1/f (Hz): 50
SlewRate(V/us): 20 !
Offset: 50uV

Aus diesen nüchternen Datenzahlen heraus fliegt der OPA 134 gleich schon mal raus, da dieser mit seinen FET-Eingängen mitunter größere Anpassungen an den gegebenen Schaltungsentwurf vorraussetzt, um das Rauschen nicht am Ende mehr werden zu lassen. Darüber hinaus liegt bei diesem Typ das Rauschen ohnehin höher als beim NE5534. Die Messerspitze mehr an Slew Rate kann mich da nicht vom Ofen weglocken. Auch der AD797 als JFET-Typ ist raus aus dem Rennen, trotz seiner ansonsten schönen Werte.

Besser bis deutlich besser im Rauschen, mit besserer Slew Rate und deutlich niedrigere 1/f-Eckfrequenz liegen:
OP37, LT1028, LT1037, LME49710,
Zu den OP37 sollte man auch den Hersteller prüfen, hier weichen die Datenblätter stark ab, auch der Preis schwankt hier erheblich.

Ausnahmen in der Reihe bilden die Typen OPA637, welcher stärker rauscht als der NE5534 und der AD811, welcher mit einer unnötig hohen brutalst-Slew Rate von 400 V/us aufwartet. Der AD ist für Videoanwendungen optimiert worden. Daher ist dieser möglicherweise gar nicht so optimal, obwohl das Rauschen sehr gering ausfällt.

Die Frage, ob eine starke Slew Rate mehr bringt (so wie bei Autos, Hubraum lässt sich nur durch mehr Hubraum ersetzen :cheers: ) erschließt sich mir nicht so ganz. Natürlich, zu wenig ist nicht gut, da es die obere Grenzfrequenz in meiner Verstärkung beeinflusst. Bei einer gegebenen Verstärkung und einer bekannten höchsten vorkommenden Audiofrequenz ist das „mehr“ von ausreichend viel nicht entscheidend. Daher ist aus meiner bescheidenen Sicht der OPA637 als Edelrauschquelle nicht im jeden Design das heilbringende Wunder. (so, wer hebt den Handschuh auf? :cheers: )

Was ist noch offen? Die Entscheidung, welche ich noch nicht getroffen habe. Im Bereich LME49710, OP37, LT1028 oder LT1037 wird es aber liegen. Hier freue ich mich auf eure Erfahrungen. Ebenso würde ich mich über andere Betrachtungsweisen freuen.

Gruß,
René
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Beitragvon wgh52 » 23.09.2017, 11:08

Hallo René,

bei der Revision meiner BM Omegas stand zwar Rauschen nicht explizit auf der Agegda :wink: , aber ich habe sämtliche NE5534 belassen wie sie sind, ihnen "nur" jeweils Nachrüstung der fehlenden lokalen Modul-Versorgungspufferung durch Polymer-Elkos und je Chip NP0 Keramik Kondensatoren in der Versorgung spendiert. Die TL0x wurden gegen OPA164x mit Nachrüstung der fehlenden lokalen Modul-Versorgungspufferung durch Polymer-Elkos und für jeden Chip wieder NP0 Keramik Kondensatoren in der Versorgung ersetzt. Der klangliche Nutzen belohnt für den Aufwand: Feinere Auflösung und klarere Impulswiedergabe.

Grüße,
Winfried

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Beitragvon Kaskode » 23.09.2017, 12:30

Weiterführend wird nach gleichem Schema der TL084 (JFed) betrachtet.
TL084
Rausch (nV/sqrHz): 18
1/f (Hz): 180
SlewRate(V/us): 13
Offset: 3 mV

Mal sehen, was sich in 30 Jahren Entwicklung getan hat. Als Vierfach-OP mit JFet Eingängen gibt es nachfolgend diese pinkompatiblen Modelle:

AD 713
Rausch (nV/sqrHz): 18
1/f (Hz): 100
SlewRate(V/us): 20
Offset: 0,4mV

ADA 4610-4
Rausch (nV/sqrHz): 7,3
1/f (Hz): 30
SlewRate(V/us): 21
Offset: 0,4mV

OPA1644 AID
Rausch (nV/sqrHz): 5,1
1/f (Hz): 20
SlewRate(V/us): 20
Offset: 1mV

Hier lässt sich leicht erraten, wie die Wahl ausfällt. Der OPA1644 AID liegt vorne, ganz so wie es Winfried schon erfolgreich realisiert hat. Vielen Dank für die Bestätigung.

Gruß,
René
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Beitragvon KSTR » 23.09.2017, 15:54

Nicht nur auf das Spannungsrauschen schauen, auch auf das Stromrauschen bei Bipolars mit spektakulären eNoise-Werten, insbes. bei Quellimpedanz-Mismatch.
Man bedenke zudem, dass schon 1kOhm mit 4nV/rtHz thermisch rauscht. OpAmps mit unter 10nV/rtHz sind mE in 95% aller Audioschaltungen Verschwendung, Ausnahme MC und dergl.
1/f-Corner ist auch irrelevant wenn's nicht gleich kHz sind. Rauschen bei 100Hz stört keinen Mensch, wenn er es überhaupt hört.


Äh, AD797 ist ein Bipolar.
Und bei OP37 und Abkömmlingen (alles mit 37 am Schluss), Lt1028 etc: Minimum Noise Gain >= 5!!
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Beitragvon Erstemalaktiv » 24.09.2017, 16:28

Hallo Rene

Schön dass Du mit den BM6 weiter gekommen bist. Ich habe in meiner BM12 in der Frequenzweiche den AD713 eingebaut und bin sehr zufrieden. Die NE5534AN (die rauscharme Version) habe ich bisher drin gelassen. Ganz leises Rauschen ist nur zu vernehmen, wenn man das Ohr direkt am Chassis hat.

P.S.: Hast Du in Erfahrung bringen können, wie die Gegenkopplung einzustellen ist, da es ja keine Ausgangsrelais an den Endstufen gibt. Eine Abgleichanleitung wäre super, da ich ja ein Paar BM6 mit gleichem Fertigungsstand habe.

Grüße, Mathias
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Beitragvon Ralph Berres » 10.10.2017, 09:26

man sollte bei dem Austausch des Original OPs gegen andere Typen immer darauf achten, ob der neue OP auch frei von HF-Schwingen ist. Das passiert schneller und häufiger als einen lieb ist.
Es gibt auch OPs bei der eine Mindestverstärkung eingestellt sein muss, um nicht zu schwingen.

Also nicht nur auf das geringste Eingangsrauschen achten, sondern auch darauf achten ob der OP auch stabil läuft.

Extrem schnelle OPs mit irrsinnig hohen Gain-Bandbreiten-Produkte und Anstiegssteilheiten können zusätzlich noch Layoutprobleme verursachen. Diese sind für NF nicht unbedingt die erste Wahl.

Ralph Berres
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Beitragvon Rainair » 11.10.2017, 13:46

...ja, ja, alles schwingt - nur der Oszillator nicht ! :D

ganz im Ernst: Schau mal hier:
http://audioreviews.blogspot.de/2005/10 ... -amps.html

LG, Rainer
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Beitragvon Kaskode » 14.10.2017, 07:04

Hallo Rainer,

vielen Dank für den Link aus 2005. Ich befürchte, wir müssen uns bei manch einem OpAmp beeilen mit dem bestellen, bevor diese nicht mehr lieferbar sind. Der LME49710 z.B. gibt es auch nur noch im Abverkauf bis Lagerbestand null.

Hallo Ralph,
ja, in den Application Notes der Datenblätter wird hierauf hingewiesen. Einige Typen lassen sich als "direct drop in" für den NE5534 ersetzrn, andere sind nur Pinkompatibel und die umliegende Elektronik muß angepasst werden. Auch findet man Hinweise, das bei Verstärkungen kleiner 3 genauer hingeschaut werden muß.

Ich möchte im ersten Anlauf mit den OPA1644 (ersetzt den TL074) arbeiten und werde hoffendlich was brauchbares hier scheiben können.

Gruß,
René
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Beitragvon wgh52 » 14.10.2017, 11:04

Kaskode hat geschrieben:...OPA1644 (ersetzt den TL074)...
Hallo René,

mit dieses OPAs als Ersatz für TL habe ich bereits gute Erfahrungen gemacht.

Allen Leuten, die ähnliches planen, rate zusätzlich (falls nicht bereits auf der Platine implementiert) jeden OPV Chip an den Versorgungen mit NP0 Keramik-Cs zu puffern.

Hier eine Impression der Adaption:

Bild

...und wie's bei mir dann "in situ" aussieht:

Bild

just my 2 cents worth :cheers:

Grüße,
Winfried

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