Der „ampman classic“ von Hughes & Kettner

Messungen an der Endstufe

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• TL;DR – das Fazit vorweg
  
• Vor­über­legungen
  
• Erste Messungen
  
• Phänomene an ohmscher Last
  
• Messungen an einer komplexen Last
  
• Über­steuerung mit festem Master­volumen
  
• Über­steuerung mit Solo-Boost und hohem Pegel
  
• Messungen am XLR-Ausgang
  
• Nachmessen mit Digital­oszilloskop

Das zweite Kapitel des Artikels über den Hughes & Kettner Amp­Man widmet sich der Unter­suchung der End­stufe, das heißt des Teils im Signal­weg zwischen FX-Return und Laut­sprecher. 

TL;DR – das Fazit vorweg

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• Grenzen der Mess­genauig­keit •
• Begrenzungen •
• Lineare Potentio­meter •
• HF-Artefakte

Zum „TL;DR“ bzw. zum vorgezogenen Ergebnis der Unter­suchung gehört eine hoffentlich aus­sage­kräf­tige Abb. 2.1 – der Versuch eines Über­sichts­schalt­plans der End­stufe: 

Grenzen der Mess­genauig­keit

Auch zu den Messungen der End­stufe ein offenes Wort vorweg:  Das „Mess-Equipment“, das dem Autor zur Ver­fügung stand (Windows-PC mit Vorverstärker bzw. Vor­schalt­gerät, Sound­karte und Oszillos­kopen­soft­ware), ist für professionelle Tests nicht voll­ständig geeignet – bei den gemessenen Spannungen muss mit Mess­fehlern im Bereich von 5 % bis 10 % gerechnet werden (was bei den gemessenen Leistungen auf Mess­fehler im Bereich von 10 % bis 20 % hinaus­läuft). 

Abgesehen davon arbeitet die Sound­karte mit einer Ab­tast­frequenz von maxi­mal 192 kHz, was zur Be­ur­tei­lung von möglichen HF-Arte­fakten einer Class-D-End­stufe (mögliche PWM-Frequenz etwa 400 kHz) natür­lich zu wenig ist.  Des­wegen können zu den Arte­fakten nur grobe Unter­suchungen vorgenommen werden. 

Nun wieder zu den Ergebnissen: 

Begrenzungen

Bei den verschiedenen Messungen an der End­stufe wurden neben oder besser zwischen den beiden Volumen­reglern (Solo-Boost, Master­volumen) mehrere Begrenzungs­schaltungen gefunden, die im Folgenden kurz beschrieben werden sollen (siehe dazu auch den Über­sichts­plan der End­stufe in Abb. 2.1): 

Begrenzungen vor der eigent­lichen (Class-D*)-End­stufe: 

Diese Begrenzung ist der einer Röhren­endstufe nach­emp­funden – ihre Inten­si­tät folgt dem Eingangs­signal­pegel der End­stufe. Sie liegt vor dem Master­volumen­regler und kann also durch die den Eingangs­pegel der Endstufe be­ein­flusst werden (in etwa wie bei einem PPIMV hinter der Phasen­inverter­stufe). 

Soft­clip vor dem Master­volumen

u_E:  250 mV / Div,
u_A+:  1 V / Div

u_E:  250 mV / Div,
u_A-:  1 V / Div

Begrenzungen nach dem Solo-Boost: 

Mit der Aktivierung des Solo-Boosts (per Fuß­schalter) werden eine ein­stell­bare Volumen­anhebung und eine Begrenzer­stufe hinter dem Eingang der End­stufe ein­ge­schleift.  Diese Begrenzung ist schon etwas härter und tritt bei Eingangs­pegeln (am FX-Return) von 1 V (bei voll aufgedrehtem Solo-Boost) bzw. von 2 V (bei heruntergedrehtem Solo-Boost) auf – man sollte also Pegel von mehr als 1 V Sinus Effektivwert vermeiden. 

Hard­clip hinter dem Solo-Boost

u_E (gn): 1 V/Div,
u_A+ (rt): 2 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A+ (V): 1 V/Div

Begrenzungen am XLR-Aus­gang: 

Diese Begrenzungen sind die härtesten – wie auch im Datenblatt vermerkt, sollte man am Eingang der End­stufe (FX-Return) Pegel von mehr als 6 dBV (bzw. 2 V_eff Sinus) vermeiden – bei voll aktiviertem Solo-Boost verringert sich der maxi­male Eingangs­pegel auf 0 dBV bzw. 1 V_eff Sinus: 

Hard­clip am XLR-Ausgang – Eingangs­signal­pegel u_E,sin = 2,2 V

u_A+ (gn):  1 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Lineare Potentio­meter

Ein bisschen muss auch hier schon gemeckert werden – auch bei dem Master­volumen­regler der End­stufe handelt es sich um ein lineares Potentio­meter mit ent­sprechend ungünstiger Regel­charakte­ris­tik – auch wenn diese nicht zu so grund­sätzlichen Problemen führt wie in der Vor­stufe – wo es schwierig sein kann, die hohen Ausgangs­pegel und die u.U. deut­lichen Laut­stärke­unterschiede der beiden Kanäle aus­zu­regeln. 

HF-Artefakte

Bei der Unter­suchung der End­stufe wurde fest­ge­stellt, dass bei mehr oder weniger großer Aus­steuerung HF-Artefakte im Os­zil­lo­skop des Autors auf­tauchten (siehe die Os­zil­lo­gram­me in der folgenden Bilder­tabelle): 

Bilder­tabelle 2.1:  Oszillo­gramme der Ausgangs­signale der End­stufe des ampman beim Auf­treten von HF-Arte­fakten bei unterschiedlichen Wellenformen. 

Unbegrenztes Signal

Begrenztes Signal (Softclip)

(hor.):  0,2 ms / Div,
u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

(hor.):  0,2 ms / Div,
u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

Der Ausgangs­spannungs­hub, mit dem die Arte­fakte ein­setzen, konnte nicht genau spe­zi­fiziert werden (etwa zwischen ±25 V und ±35 V zwischen den beiden Aus­gängen der End­stufe in Brücken­schaltung); mit ge­rin­gerem Laut­sprecher­widerstand ist er eher geringer. 

Vorüberlegungen

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• Angaben im Daten­blatt •
• Sinn­volle und not­wendige Unter­suchungen •
• Sicher­heits­hinweis •
• Spezielles Kabel

Bevor „los­gemessen“ wird, sind ein paar Über­legungen (und ein paar spezielle Kabel) notwendig. 

Angaben im Daten­blatt

Auch hier ein paar relevante Infor­mationen aus dem Daten­blatt des Gerätes – die Pegel am FX-Return und die Ausgangs­leistungen bei ver­schiedenen Laut­sprecher­wider­ständen. 

FX-Return

Klinken­buchse 6,3 mm; unsymmetrisch;  R_Eing. = 20 kΩ

• Sensitivity (Clean, alle Potis in Mittelstellung, Master in Maximalstellung):  −6 dBV bzw. 0,2 V_sin / 0,6 V_pp (Spitze-Spitze)

• maxi­maler Level:  9 dBV bzw. 2,8 V_sin / 8 V_pp

Speaker-Out

Klinken­buchse 6,3 mm; Bridged-Mode; 4 Ω–16 Ω;

• Ausgangs­leistung @ 4 Ω:  48 W
• Ausgangs­leistung @ 8 Ω:  25 W
• Ausgangs­leistung @16 Ω:  13 W

Sinnvolle und not­wendige Untersuchungen

Dynamischer Innen­wider­stand

Hier geht es um eine mög­liche Abhängig­keit der Ausgangs­spannung vom Laut­sprecher­widerstand – nicht die der Aussteuerungs­grenzen von der Last, sondern die Abhängig­keit der Ausgangs­spannung der End­stufe vom Last­wider­stand (bei gleicher Eingangs­spannung). 

Wenn sich die Verstärkung der End­stufe bei sich veränderndem Last­wider­stand eben­falls ändert, wird dieser Zusammen­hang als differen­tieller (oder „dynamischer“) Innen­wider­stand der End­stufe bezeichnet – die End­stufe betont dann die Frequenz­bereiche, in denen der Laut­sprecher eine hohe Impedanz hat (Bass- und andere Resonanzen sowie, wegen der Schwing­spulen­induk­tivi­tät, die Höhen)

Dynamischer Innen­wider­stand und „durch­wobbeln“

Weiterhin wird untersucht, ob sich mit einer „komplexen“, nicht-ohmschen Last ähnlich einem „echten“ Laut­sprecher (in Form eines reaktiven Dummy Loads) der Ausgangs­pegel über den Frequenzbereich ändert. 

Um das Ergebnis dieser Untersuchung vorwegzunehmen:  Die End­stufe mit Dummy Load wurde mit dem Tongenerator des Software­oszilloskopen „durchgewobbelt“ – der gesamte Frequenzbereich wurde durchlaufen – und keine wesentliche Veränderung der Ausgangs­spannung festgestellt. 

Der differen­tielle Ausgangs­widerstand der End­stufe ist dann wohl hinreichend klein – eher wie bei einer HiFi-End­stufe. 

Regelcharakteristiken

Außerdem müssen auch hier die Charakte­ristiken der beiden ausgangs­seitigen Volumen­regler (Solo-Boost und Master) über­prüft werden – ein lineares Potentio­meter könnte auch im Fall des Master­volumen­reglers eine un­prak­tische Regel­charakte­ristik zur Folge haben. 

Begrenzer­verhalten

Schließ­lich ist es sinn­voll, dass (quasi­statische) Über­steuerungs­verhalten zu unter­suchen – clippt nur die Class-D-Ends­tufe oder auch die Stufen davor, bleibt die Schaltung stabil, hängt die maxi­male Aus­steuerung von der Laut­sprecher­impedanz ab usw. 

Sicherheits­hinweis

Da bei einer End­stufe in Brücken­schaltung (anders ist eine so hohe Ausgangs­leistung bei einer eher geringen Betriebs­spannung gar nicht mög­lich) beide Ausgänge der End­stufe „Signal führen“, müssen auch beide „Pole“ des Aus­gangs gegen Kurz­schlüsse (zueinander und gegen Masse) isoliert werden.  Es ist also sinn­voll, die (Gehäuse der) Klinken­stecker des Laut­sprecher­kabels zu isolieren bzw. ab­zu­kleben. 

Weiter­hin wurden bei den im Folgenden beschriebenen Unter­suchungen die verwendeten Dummy Loads mit deut­lichem Sicherheits­abstand neben dem Tisch auf dem Teppich abgestellt, damit dessen Masse nicht mit anderen Geräten Verbindung hat – diese „Masse“ des Dummy Loads ist ja einer der beiden Aus­gänge des Ver­stärkers in Brücken­schaltung. 

Spezielle Kabel

Die Messungen an der End­stufe wurden an Last­wider­ständen anstelle eines Laut­sprechers (verschiedene selbst­gebaute Dummy Load, siehe hier) gemacht. 

Die Verbindung zwischen „ampman“ und Dummy Load er­folg­te über zwei Kabel – ein zwei­adriges Kabel mit Quer­schnitt 2 × 0,75 mm² von Klinken­stecker auf passende Ader­end­hülsen – für die Verbindung von „ampman“ und Dummy Load – sowie ein zwei­adriges Kabel zu den Mess­geräten mit je einem in das Kabel ein­ge­setzten Wider­stand 4,7 kΩ (siehe die folgende Abb. 2.2): 

Diese ein­ge­setzen Wider­stände sollen ledig­lich einen mög­lichen Kurz­schluss hinter dem Laut­sprecher­ausgang auf dem Bastel­tisch / dem Bread­board verhindern.  Bei einem Eingangs­widerstand von min­des­tens 1 MΩ des Vorschalt­gerätes zum Software­oszilloskops (dessen Eingangs­schaltung siehe hier) führt ein Vor­wider­stand 4,7 kΩ zu einem hier ver­nach­lässig­baren Mess­fehler von etwa 0,5 %.

Erste Messungen

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• Einmal durchwobbeln •
• Ausgangsseitige Symmetrie •
• Messung der Ver­stärkung •
• Charakteristiken von Solo-Boost- und Master­volumen-Potentiometer

Einmal durchwobbeln

Mit einer komplexen Last als Lautsprecher (spezieller Dummy Load, der die frequenz­abhängige komplexe Impedanz einer Laut­sprecher­box nach­bildet) wurde der gesamte Audio­frequenz­bereich bei konstantem Eingangs­signal­pegel durchlaufen und die Signal­spannung am Laut­sprecher­ausgang gemessen.  Hier wurden keine Änderungen des Ausgangs­signal­pegels beob­achtet. 

Das heißt, dass die End­stufe des ampman keinen (künst­lich erhöhten) Ausgangs­widerstand aufweist. 

Ausgangsseitige Symmetrie

Die Spannungen an den beiden Polen des Laut­sprecher­ausgangs (der End­stufe in Brücken­schaltung) wurden – bei mäßiger Aus­steuerung – gemessen.  Die Pegel waren exakt gleich.  (Die unter­schied­lichen Spannungen, die hier u. a. in den Oszillo­grammen zu sehen sind, resul­tieren wahr­schein­lich aus den Tole­ran­zen der Bau­elemente in der Mess­elektronik – beim Tauschen der Mess­eingänge „wanderten die Fehler nicht mit“.) 

Messung der Ver­stärkung

Weiter­hin wurde die Verstärkung der End­stufe gemessen – für zwei Messungen (bei 99 Hz und 440 Hz) ergibt sich eine Ver­stärkung von etwa 32 (bzw. 24 dB) sowie mit aktiviertem maxi­malem Solo-Boost eine Verstärkung von knapp 67 (bzw. 37 dB – siehe die folgende Tabelle 2.1): 

Tabelle 2.1: Messung der Verstärkung der End­stufe des ampman.

Messung	uE [ V ]	uA [ V ]	vu	vu [ dB ]
99 Hz	0,180	5,7	31,7	30
440 Hz	0,136	4,4	32,0	30
440 Hz mit Solo-Boost	0,136	9,2	67,6	37

Damit ergibt sich für die Vollaussteuerung (25 V an 8 Ω) eine notwendige Eingangs­signal­spannung der Endstufe von etwa −7 dB, was im Wesent­lichen den Angaben im Daten­blatt entspricht:

\( \begin{eqnarray} u_{E,min} & = & \frac{1} { v_U } \cdot \sqrt{P_A \cdot Z_L } \\~\\ & = & \frac{1} { 32 } \cdot \sqrt{25 \cdot 8 \cdot \textrm{V}\cdot \textrm{A}\cdot \frac{\textrm{V}}{\textrm{A}} } \\~\\ & \approx & \frac{14{,}14} { 32 } \,\textrm{V} \\~\\ & \approx & 0{,}44 \,\textrm{V} \\~\\ & \approx & −7 \,\textrm{dBV} \tag{2.1}\end{eqnarray} \)

Charakteristiken von Solo-Boost- und Master­volumen-Potentiometer

Auch für die End­stufe des ampman wurden die Charakteristiken beider Lauts­tärke­potentio­meter (Solo-Boost und Master­volumen):  untersucht – für fünf verschiedene Einstellungen des jeweiligen Reglers wurde die Verstärkung der im linearen Bereich arbeitenden End­stufe gemessen: 

Tabelle 1.2: Verstärkung in Abhängigkeit von der Ein­stellung von Solo-Boost- und Master­volumen­regler. 

Ein­stellung Poti	Poti Master		Poti Solo-Boost
	uA [ V ]	DPoti [ dB ]	uA [ V ]	DPoti [ dB ]
0 %	0,1	-43,8	5,9	-1,2
20 %	2,1	-17,3	7,8	1,1
50 %	6,6	-8,6	10,9	4,1
80 %	12,3	-2,0	12,9	5,6
100 %	15,4	0	13,4	5,9
ohne Solo-Boost	—	—	6,8	0

Bei beiden Potentio­metern scheint es sich um solche mit linearer Charakte­ristik zu handeln – was beim Solo-Boost-Reg­ler noch gut funk­tioniert, führt für den Master­volumen­regler zu einer nur ein­ge­schränkt brauch­baren Regel­charak­ter­is­tik, weil sich wesent­liche Veränderungen bei kleinen Laut­stärken auf den sehr kleinen Bereich bei fast zuge­dreh­tem Reg­ler kon­zen­trieren (siehe dazu auch das Dia­gramm in folgender Abb. 2.3). 

Für den Solo-Boost-Regler ist die Verwendung eines linearen Potentio­meters völlig in Ordnung, wie Abb. 2.3 (roter gestrichelter Graph) auch zeigt. 

Phänomene an ohmscher Last

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• HF-Arte­fakte •
• Versuch einer Paramet­ri­sie­rung •
• Soft­clip

Die ersten Messungen erfolgten an einem kleinen und „rein ohmschen“ Dummy Load – umschaltbar zwischen etwa 4 Ω und etwa 8 Ω (siehe hier). 

HF-Arte­fakte

Bei der Betrachtung der Mess­ergebnisse muss mit einem eher unschönen Mess­ergebnis begonnen werden – die End­stufe (in Class-D-Schaltung) kann bei Über­steuerung hässlich ver­zerren bzw. über­schwingen bzw. Anteile höherer Frequenzen ent­halten.  Die folgenden beiden Abbildungen zeigen zwei Oszillo­gramme der Ausgangs­signale der End­stufe bei leichter Über­steuerung – einmal ohne und einmal mit aktiviertem Solo-Boost. 

Bilder­tabelle 2.2:  Oszillo­gramme der Ausgangs­signale der End­stufe des ampman beim Auf­treten von HF-Arte­fakten.  440 Hz; Ohmsche Last. 

Solo-Boost off

Solo-Boost max.

Über­steuerung der End­stufe – Ausgangs­signale

(hor.):  0,2 ms / Div,
u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

(hor.):  0,2 ms / Div,
u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

Dabei wurde eigent­lich mit einer ziem­lich sauberen ohmschen Last gemessen, so dass für eine Filterung hinter den Ausgängen der End­stufe (LC-Filter auf ohmschen Widerstand) ideale Bedingungen vor­liegen müssten, um diese HF-Arte­fakte heraus­zu­filtern. 

In obiger Bilder­tabelle 2.2 zeigt sich, dass das Auf­treten von HF-Arte­fakten bei einem Ausgangs­spannungs­pegel von knapp 9 V gegen Masse bzw. bei etwa 17,5 V Ausgangs­differenz­spannung (bzw. bei etwa 20 W an 8 Ω) einsetzt, unab­hängig davon, ob der Solo-Boost davor das Sinus­signal bereits begrenzt hat oder nicht. 

Letztendlich stellt sich natürlich die Frage, was man von diesen HF-Arte­fakten hört – siehe dazu die Detailansicht einer der beiden obigen Oszillo­gramme in der folgenden Abb. 2.4: 

Zur Beurteilung der gezeigten HF-Arte­fakte in obigen Oszillo­grammen: 

Bei einer horizontalen Skalierung von 0,2 ms und etwa 15 „Über­schwingern“ pro Div könnte man auf eine Frequenz der HF-Arte­fakte von etwa 75 kHz schließen – aller­dings ist von PWM-Frequenzen zwischen 300 kHz und 1200 kHz und einer Abtast­frequenz im AD-Wand­ler der Sound­karte von 192 kHz auszugehen – was hier im Oszillo­gramm sichtbar ist, ist nur der Arte­fakt des Arte­faktes; mit einer Frequenz, die erst durch eine zu geringe Abtast­frequenz „entsteht“. 

Ungeachtet der genauen Frequenz bleibt natür­lich, dass solche HF-Arte­fakte ein Problem dar­stellen kön­nen, wenn sie über das (un­ge­schirmte) Laut­sprecher­kabel abgestrahlt werden. 

Versuch einer Paramet­ri­sie­rung

Natür­lich wurde versucht, dem Phänomen der HF-Arte­fakte auf den Grund zu gehen.  Hier muss zunächst gesagt werden, dass es sich bei einem Verstärker in Class-D-Schaltung nicht unbedingt um „Über­schwingen“ handelt, sondern wahr­schein­lich eher um mangel­hafte Filterung des Ausgangs­signals. 

Weiter­hin wurde be­ob­achtet, dass der Effekt lediglich bei relativ großen Aus­gangs­spannungen kurz vor der Voll­aus­steuerung auftritt.  Leider führte der Versuch, durch Messungen unter verschiedenen Bedingungen (unter­schied­liche Laut­sprecher­widerstände, unter­schied­lich stark begrenzte Signale) einen Zusammen­hang zwischen den ver­schiedenen Bedingungen und der Schwell­spannung, ab der die Arte­fakte auf­treten, zu keinem sinn­vollen Ergebnis – bzw. es ließ sich kaum ein Zusammen­hang mit den genannten Para­metern herstellen. 

Ins­ge­samt scheint die (temporäre) Ausgangs­spannung, mit der der Effekt einsetzt, mit größerem Laut­sprecher­widerstand (geringere Last) und mit der weicheren Über­steuerung vor der End­stufe zu steigen. 

Soft­clip

Weiterhin wurde ein spezielles (und nicht zwingend häss­liches) Verhalten bei der Unter­suchung des Solo-Boosts be­ob­achtet. 

Die End­stufe des Geräts (Eingang FX-Return) wurde mit einem Sinus­signal mit einer Ampli­tude von 0,5 V_sin beschickt und der Master­volumen­regler soweit auf­ge­dreht, dass noch gerade keine HF-Arte­fakte (siehe weiter oben) auf­traten.  Danach wurde der (maxi­male) Solo-Boost aktiviert und der Master­volumen­regler ent­sprechend nach­ge­regelt. 

Im letzteren Fall konnte eine weiche und leicht asymmetrische Signal­begrenzung an beiden Laut­sprecher­ausgängen des ampman be­ob­achtet werden (siehe die unteren beiden Oszillo­gramme in der folgenden Bilder­tabelle 2.3). 

Bilder­tabelle 2.3:  Oszillo­gramme der Ausgangs­signale der End­stufe des ampman kurz vor dem Auf­treten von HF-Arte­fakten; 440 Hz; Ohmsche Last. 

u_A+

u_A-

Solo-Boost off; fast volle Aussteuerung – u_A,pp ≈ 35 V

u_E:  250 mV / Div,
u_A+:  1 V / Div

u_E:  250 mV / Div,
u_A-:  1 V / Div

Solo-Boost max.; fast volle Aussteuerung – u_A,pp ≈ 35 V

u_E:  250 mV / Div,
u_A+:  1 V / Div

u_E:  250 mV / Div,
u_A-:  1 V / Div

Es muss aber darauf hin­ge­wiesen werden, dass hier nicht „der Solo-Boost“ weich über­steuert (der tut das wesent­lich härter und bei wesent­lich größeren Signal­pegeln; siehe hier), sondern durch den aktivierten Solo-Boost und das anschließend zurück­gedrehte Master­volumen wird eine Schaltungs­ein­heit da­zwischen weich und asymmetrisch über­steuert. 

Messungen an einer komplexen Last

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Über­steuerung der Solo-Boost-Stufe allein •
• Endstufen­begrenzung bei Solo-Boost 0 % bis 100 % •
• Pegel­abhängige Begrenzung ohne Solo-Boost •
• Pegel­abhängige Begrenzung mit Solo-Boost •
• Fazit Pegel­abhängige Begrenzung mit Solo-Boost

Um die Probleme mit der Abgabe von hoch­frequenten Signal­anteilen (HF-Arte­fakten) durch die eigent­liche End­stufe nicht an der Realität vorbei­zu­testen (der Lautsprecher ist kein rein ohmscher Widerstand), wurde als Dummy Load eine komplexe Last – ein aus einem alten Groove-Tubes-Ver­stärker ent­nommener Dummy Load (Schaltung siehe hier) ver­wendet. 

Über­steuerung der Solo-Boost-Stufe allein

Die Solo-Boost-Stufe, bestehend aus einer leichten Pegel­anhebung (regel­bar; bis zu 6 dB) und einer darauf­folgenden Hard­clip-Stufe, kann über einen Fußschalter in den Signal­weg ein­ge­schleift werden. 

Die folgende Abb. 2.5 zeigt in etwa das Prinzip der ent­sprechenden Messung: 

Die Hard­clip-Stufe über­steuert erst bei relativ hohen Eingangs­signal­pegeln; die End­stufe (Eingang FX-Return) musste dazu mit einem Sig­nal von knapp 2 V_eff an­ge­steuert werden.  Damit bei solch hohen Pegeln wirk­lich nur die Solo-Boost-Stufe über­steuert, wurden die Volumen­änderungen bei den unter­schied­lichen Ein­stellungen des Solo-Boost-Reglers bzw. der de­ak­ti­vierte Solo-Boost über den Master­volumen­regler so aus­ge­glichen, dass das Ausgangs­signal eine relativ un­ver­änder­liche Spitze-Spitze-Spannung von etwa 20 V erreichte (etwa 10 V für beide Ausgänge der End­stufe in Brücken­schaltung). 

Bilder­tabelle 2.4:  Ausgangs­signale im linearen Betrieb der End­stufe – unter­schied­lichem Ein­stellungen des Solo-Boost-Reglers werden durch den Master­volumen­regler zu gleichem Ausgangs­spannungs­hub ausgeglichen (u_E,sin ≈ 1,9 V); Komplexe Last. 

Oszillo­gramme

Lissajous-Figuren u_A+

Lissajous-Figuren u_A-

Solo-Boost off

u_E (gn): 1 V/Div,
u_A+ (rt): 2 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A+ (V): 1 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A- (V): 1 V/Div

Solo-Boost 0 %

u_E (gn): 1 V/Div,
u_A+ (rt): 2 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A+ (V): 1 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A- (V): 1 V/Div

Solo-Boost 50 %

u_E (gn): 1 V/Div,
u_A+ (rt): 2 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A+ (V): 1 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A- (V): 1 V/Div

Solo-Boost max.

u_E (gn): 1 V/Div,
u_A+ (rt): 2 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A+ (V): 1 V/Div

u_E (H): 1 V/Div,
u_A- (V): 1 V/Div

Es zeigt sich, dass mit dem Solo-Boost eine eher harte und sym­metrische Be­gren­zung des Signals erfolgt, wenn auch bei sehr hohen Eingangs­pegeln – schließ­lich sind hier Signal­pegel von etwa 1 V_sin (maxi­maler Solo-Boost) bis etwa 2 V_sin (mini­maler Solo-Boost) not­wendig, um diese Begrenzung zu erzwingen. 

Endstufenbegrenzung bei Solo-Boost 0 % bis 100 %

Nun wurde unter­sucht, inwie­weit der der Solo-Boost-Regler bei geringerem Pegel (ohne Über­steuerung der eigent­lichen Solo-Boost-Stufe) die Über­steuerungs­charak­teristik der gesamten End­stufe beein­flussen – siehe auch die folgende Abb. 2.6: 

Die nach­folgende Tabelle 2.3 fasst die gemessenen Ergeb­nisse zusammen, bedarf einer kurzen Erläu­te­rung: 

Bestimmung maxi­male Aussteuerung: 

Mit einem Signal­pegel von etwa 0,58 V_sin am FX-Return und ver­schiedenen Ein­stellungen für den Solo-Boost und den Solo-Boost-Regler wird die maxi­mal mögliche Aussteuerung der End­stufe (dem Auf­treten von hoch­frequenten Störungen) ermittelt und dann Oszillo­gramme und Lissajous-Figuren aufgenommen. 

Bestimmung Verstärkung: 

Der Eingangs­signal­pegel wird um etwa 10 dB auf etwa 0,18 V_sin gesenkt und anhand der Ausgangs­spannung des unverzerrten Signals die Verstärkung ermittelt. 

Nun die Tabelle selbst mit den gemessenen Werten: 

Tabelle 1.3: Maxi­male Ausgangs­spannungen kurz vor dem Auftreten von HF-Arte­fakten bei unter­schied­lichen Ein­stellungen des Solo-Boost-Reglers und angepasster Ein­stellung des Master­volumen­reglers.  Komplexe Last. 

Solo-Boost	Soft­clip uE = 0,58 V		kS	clean uE = 0,18 V
	uA,sin [ V ]	uA,pp [ V ]		uA [ V ]	vU
ohne	13,9	36,0	1,32	2,49	13,6
0 %	13,6	36,3	1,36	2,42	13,3
20 %	14,3	36,5	1,19	2,79	15,3
50 %	17,9	36,3	1,01	3,26	17,9
80 %	19	35,8	0,94	3,46	19
100 %	19,6	34,6	0,88	3,57	19,6

Ins­besondere die Lissajous-Figuren in der folgenden Bilder­tabelle 2.5 zeigen eine weiche und leicht asym­metrische Be­grenzung.  Die harte Be­grenzung durch den Solo-Boost wird bei den verwendeten Signal­pegeln nicht wirksam – sie setzt erst bei Eingangs­signal­pegeln um 2 V_sin ein. 

Bilder­tabelle 2.5:  Ausgangs­signale kurz vor dem Auftreten von HF-Arte­fakten bei unter­schied­lichem Ein­stellungen des Solo-Boost-Reglers (u_E,sin ≈ 580 mV); Komplexe Last. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

Solo-Boost aus; u_A,pp = 36,0; k_S = 1,32

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A-:  1 V / Div

Solo-Boost 0 %; u_A,pp = 36,3; k_S = 1,36

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A-:  1 V / Div

Solo-Boost 20 %; u_A,pp = 36,5; k_S = 1,91

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A-:  1 V / Div

Solo-Boost 50 %; u_A,pp = 36,3; k_S = 1,01

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A-:  1 V / Div

Solo-Boost 80 %; u_A,pp = 35,8; k_S = 0,94

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A-:  1 V / Div

Solo-Boost 100 %; u_A,pp = 34,6; k_S = 0,88

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A-:  1 V / Div

Pegelabhängige Begrenzung ohne Solo-Boost

Im Anschluss wurde der Solo-Boost vollständig aus dem Signalweg genommen, um nur den Soft­clip genauer unter­suchen zu können: 

Auch hier wurde die End­stufe in die (weiche) Be­grenzung getrieben – ohne aktivierten Solo-Boost.  Der maxi­male Eingangs­signal­pegel von 2,9 V_sin ent­spricht der im Daten­blatt angegebenen maxi­malen Ansteuerung am FX-Return von 9 dBV. 

Der Soft­clip setzt bei gegebener Ein­stellung des Master­volumen­reglers bei Ausgangs­spannung über 10 V_sin ein. 

Tabelle 1.4: Ausgangs­spannungen bei Über­steuerung der Clippstufe vor der Class-D-End­stufe; Mess­bedingungen: Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost aus, Master­volumen­regler 40 %, (maxi­maler Pegel vor dem Autreten von HF-Arte­fakten); Eingangs­signal­pegel von ≈0,7 V bis ≈3 V.  Komplexe Last. 

uE [ V ]	uA,sin [ V ]	uA,pp [ V ]	kS	Anmerkgn.
0,68	6,2	17,7	1,43	clean
0,89	8,1	22,8	1,41	clean
1,19	10,5	28,8	1,37	Beginn Soft­clip
1,6	12,9	32,6	1,26	Beginn Soft­clip
2,2	14,3	35,2	1,23	Soft­clip
2,9	15,5	36,7	1,18	Soft­clip

Dazu in der folgenden Bilder­tabelle 2.6 bestätigt die in der obigen Tabelle aufgelisteten Ergeb­nisse: 

Bilder­tabelle 2.6:  Über­steuerungs­verhalten der Clippstufe vor der Class-D-End­stufe; Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost aus, Master­volumen­regler 40 %, (maxi­maler Master vor dem Auftreten von HF-Arte­fakten) Eingangs­signal­pegel von ≈0,7 V bis ≈3 V.  Komplexe Last. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

u_E = 0,68 V_sin; u_A,pp = 17,7; k_S = 1,43

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E = 0,89 V_sin; u_A,pp = 22,8; k_S = 1,41

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E = 1,19 V_sin; u_A,pp = 28,8; k_S = 1,37

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E = 1,6 V_sin; u_A,pp = 32,6; k_S = 1,26

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:   1 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E = 2,2 V_sin; u_A,pp = 35,2; k_S = 1,23

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E = 2,9 V_sin; u_A,pp = 36,7; k_S = 1,18

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

Pegelabhängige Begrenzung mit Solo-Boost

Das letzte Experiment wurde noch einmal mit aktiviertem Solo-Boost wieder­holt – um die dadurch um etwa 6 dB gestiegene Ver­stärkung aus­zu­gleichen, wurde der (weit­gehend lineare) Master­volumen­regler von Ein­stellung 40 % auf Ein­stellung 20 % „herunter­gedreht“: 

Auch hier setzt der Hard­clip bei einem Aus­gangs­spannungs­hub von etwa 10 V_sin ein.

Tabelle 1.5: Aus­gangs­spannungen bei Über­steuerung der Clipp­stufe vor der Class-D-End­stufe; Mess­bedingungen: Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost max., Master­volumen­regler 20 %, Ein­gangs­signal­pegel von ≈0,7 V bis ≈3 V.  Komplexe Last. 

uE [ V ]	uA,sin [ V ]	uA,pp [ V ]	kS	Anmerkgn.
0,68	6,3	18,0	1,43
0,89	8,2	23,2	1,41
1,2	10,3	27,2	1,32	Beginn Hardclip
1,6	11,5	28,4	1,23	Hardclip
2,2	12,2	29,0	1,19	Hardclip
2,9	12,7	29,3	1,15	Hardclip

Hier kann es eher nicht zur weichen Be­grenzer­kennlinie kommen, da das zum Teil schon recht hoch­pegelige Ein­gangs­sig­nal schon vorher am aktivierten Solo-Boost hart begrenzt wird: 

Bilder­tabelle 2.7:  Über­steuerungs­verhalten der Clipp­stufe vor der Class-D-End­stufe; Mess­bedingungen: Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost max., Master­volumen­regler 20 %, Ein­gangs­signal­pegel von ≈0,7 V bis ≈3 V.  Komplexe Last. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

u_E,sin = 0,68 V; u_A,pp = 18,0; k_S = 1,43

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E,sin = 0,89 V; u_A,pp = 23,2; k_S = 1,41

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E,sin = 1,2 V; u_A,pp = 27,2; k_S = 1,32

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E,sin = 1,6 V; u_A,pp = 28,4; k_S = 1,23

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E,sin = 2,2 V; u_A,pp = 29,0; k_S = 1,19

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

u_E,sin = 2,9 V; u_A,pp = 29,3; k_S = 1,15

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

Fazit Pegelabhängige Begrenzung mit Solo-Boost

Als Fazit der beiden letzten Mess­serien (pegel­abhängige Begrenzung mit Solo-Boost und ohne Solo-Boost) lassen sich drei verschiedene Schlüsse ziehen: 

Vermeidung von HF-Arte­fakten

Mit dem Master­volumen­regler hinter dem Soft­clip lässt sich das Auftreten von HF-Arte­fakten theoretisch(!) vermeiden – mit der Schwierigkeit, die passende Ein­stellung des Master­volumen­reglers zu finden, und dem Preis, dass die Endstufe nicht nur weich, sondern auch früh „soft­clipt“, also die ver­sprochene maximale Aus­gangs­leistung voll­ständig unverzerrt nicht erreicht wird. 

Begrenzung nach dem Solo-Boost

Mit der Aktivierung des Solo-Boost wird hinter der eigent­lichen Volumen­erhöhung ein symmetrischer Hard­clip ein­ge­fügt, der aber erst bei sehr großen Ein­gangs­signal­pegeln wirk­sam wird. 

Asymmetrische Begrenzung

Außer­dem existiert im Signal­weg eine weiter Pegel­begren­zung für jeden Zweig der End­stufe in Brücken­schaltung.  Sie ist deut­lich weicher und jeweils leicht asymmetrisch.  Man könnte sagen, diese Begrenzung bil­det die Über­steuerungen des Phasen­inverters in einer Gegen­takt-Röhren­end­stufe nach. 

Über­steuerung mit festem Master­volumen

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Festes Master­volumen 100 % •
• Festes Master­volumen 50 % •
• Vergleich festes Master­volumen 50 % und  100 %

Nachdem in den vor­herigen Unter­suchungen zum Über­steue­rungs­verhalten der End­stufe des a­mpman darauf geachtet wurde, den Master­volumen­regler immer gerade so ein­zu­stellen, dass am Aus­gang keine HF-Arte­fakte auftreten, folgen drei Mess­reihen mit fest ein­ge­stell­tem Master­volumen­regler. 

Das schließt die Mög­lich­keit ein, dass die eigent­liche Class-D-End­stufe selbst clippt oder, wie bereits be­ob­achtet, HF-Arte­fakte erzeugt. 

Festes Master­volumen 100 %

Begonnen wurde mit einem voll auf­ge­dreh­tem Master­volumen­regler (bei deaktiviertem Solo-Boost) und verschiedenen Eingangs­signal­pegeln – „ohne Rücksicht auf Ver­luste“ bzw. auf mögliche HF-Arte­fakte. 

Die folgende Tabelle 2.6 zeigt, dass sich ein maxi­maler Aus­gangs­spannungs­hub von (hier gemessen) knapp 40 V einstellt.  Erreicht oder über­schreitet das Aus­gangs­signal den Bereich unter dieser Aus­gangs­spannungs­grenze, so treten auch HF-Arte­fakte auf. 

Tabelle 1.6: Aus­gangs­spannungen bei Über­steuerung der Class-D-End­stufe; Mess­bedingungen: Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost aus, Master­volumen­regler 100 %, Ein­gangs­signal­pegel von 0,22 V bis 3 V.  Komplexe Last. 

uE [ V ]	uA,sin [ V ]	uA,pp [ V ]	kS	Anmerkgn.
0,22	7,1	20,5	1,44
0,30	9,5	27,2	1,43
0,40	12,3	37,2	1,51
0,53	15,0	39,8	1,33	HF, Hardclip
0,71	16,2	39,8	1,23	HF, Hardclip
0,93	16,8	39,8	1,18	HF, Hardclip
1,27	17,4	39,8	1,14	HF, Hardclip
1,7	17,8	39,8	1,12	HF, Hardclip
2,3	18,1	39,8	1,1	HF, Hardclip
3,0	18,3	39,8	1,09	HF, Hardclip, AP-Drift

Die Screenshots in Bilder­tabelle 2.8 bestätigen das erst einmal – die letzte Messung weist aber noch auf ein weiteres Detail hin: 

Bilder­tabelle 2.8:  Über­steuerungs­verhalten der Class-D-End­stufe; Mess­bedingungen: Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost aus, Master­volumen­regler 100 %, Eingangs­signal­pegel von 0,22 V bis 3 V. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

u_E = 0,22 V_sin; u_A,pp = 20,5 V; k_S = 1,44

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 0,30 V_sin; u_A,pp = 27,2 V; k_S = 1,43

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 0,40 V_sin; u_A,pp = 37,2 V; k_S = 1,51

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,2 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 0,53 V_sin; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,33

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 0,71 V_sin; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,23

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 0,93 V_sin; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,18

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 1,27 V_sin; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,14

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 1,7 V_sin; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,12

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 2,3 V_sin u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,1;

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 3,0 V_sin; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,09

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Bei starker Über­steuerung (der Ein­gangs­signal­pegel liegt mit 3,0 V_sin schon oberhalb der Spezi­fi­ka­tionen von maxi­mal +9 dBV) treten Arbeits­punkt­ver­schiebungen auf – in jeder der beiden End­stufen­hälften (der End­stufe in Brücken­schaltung) wird das zu große (posi­tive oder nega­tive) Ein­gangs­signal nach Durch­laufen des oberen Maximums so zur Null hin ver­schoben, dass Teile der fallenden Flanke (Spannung zum Null­punkt hin) des Ein­gangs­signals mehr oder weniger sauber verstärkt werden können, die nächste steigende Flanke (Spannung vom Null­punkt weg) aber umso steiler in Clip­ping fährt. 

Festes Master­volumen 50 %

Anschließend wurde die obige Mess­reihe mit einem „mittig“ ein­ge­stellten Master­volumen­regler (und weiter­hin de­ak­ti­vier­tem Solo-Boost) fortgesetzt.  Die Ein­gangs­signal­pegel wurden nur soweit erhöht, dass die die End­stufe gerade in den kritischen Zustand kommt, HF-Arte­fakte zu erzeugen, und nur soweit verringert, dass die End­stufe erkennbar linear arbeitet. 

Zunächst die Tabelle mit den gemessenen und berechneten Werten.  Die Aus­gangs­spannung Spitze-Spitze (und damit auch der Crest-Faktor) für die größte Ein­gangs­signal­spannung u_E = 2,2 V ist zu groß – hier hat die Oszillo­skopen-Soft­ware die HF-Arte­fakte mit gemessen. 

Tabelle 1.7: Aus­gangs­spannungen bei Über­steuerung der Class-D-End­stufe; Mess­bedingungen: Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost aus, Master­volumen­regler 50 %, Ein­gangs­signal­pegel von ≈0,5 V bis ≈2 V.  Komplexe Last. 

uE [ V ]	uA,sin [ V ]	uA,pp [ V ]	kS	Anmerkgn.
0,51	6,8	19,3	1,46
0,68	8,9	24,8	1,40
0,89	10,9	29,3	1,34
1,22	12,9	32,7	1,27
1,6	14,4	34,9	1,21
1,9	15,1	36	1,16
2,2	15,5	37,2	1,20	HF-Artefakte: uA & kS zu groß

Bilder­tabelle 2.9:  Über­steuerungs­verhalten der Class-D-End­stufe; Mess­be­din­gun­gen: Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost aus, Master­volumen­regler 50 %, Ein­gangs­signal­pegel von 0,22 V bis 3 V. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

u_E = 0,51 V_sin; u_A,pp = 19,8 V; k_S = 1,46

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 0,68 V_sin; u_A,pp = 24,7 V; k_S = 1,40

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 0,89 V_sin; u_A,pp = 29,3 V; k_S = 1,34

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 1,22 V_sin; u_A,pp = 32,7 V; k_S = 1,27

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 1,6 V_sin; u_A,pp = 34,9 V; k_S = 1,21

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 1,9 V_sin; u_A,pp = 34,9 V; k_S = 1,16

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

u_E = 2,2 V_sin; u_A,pp = 37,9 V; k_S = 1,20

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Vergleich festes Mastervolumen 50 % und 100 %

In diesem Unterkapitel erst einmal keine neuen Messungen, sondern der Vergleich der Ergebnisse der beiden letzten Mess­reihen mit festem Master­volumen  bei 100 % und bei 50 %.  Spätestens dieser Ver­gleich sollte die Lage des Master­volumen­reglers klären: 

Bilder­tabelle 2.10:  Über­steuerungs­verhalten der End­stufe; Mess­frequenz 440 Hz, Solo-Boost aus, Master­volumen­regler 50 % oder 100 %. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

Master­volumen 50 %;
u_E = 1,9 V_sin; u_A,pp = 34,9 V; k_S = 1,16

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Master­volumen 100 %;
u_E = 0,40 V_sin; u_A,pp = 37,2 V; k_S = 1,51

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,2 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Master­volumen 50 %;
u_E = 2,2 V_sin; u_A,pp = 37,9 V; k_S = 1,20

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Master­volumen 100 %;
u_E = 0,53 V_sin; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,33

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  0,25 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Die „weichere“ und leicht asymmetrische Be­gren­zung entsteht vor dem Master­volumen­regler.  Das weich begrenzte Signal (Bei­spiel 1 und Bei­spiel 3 in obiger Bilder­tabelle 2.10) wird nach der Be­gren­zung auf einen Pegel gedämpft, bei dem die Be­gren­zung durch die Class-D-End­stufe noch nicht (Bei­spiel 1) oder gerade erst (Bei­spiel 3) ein­setzt. 

In den Messungen mit voll auf­ge­dreh­tem Master­volumen­regler ist das Sig­nal vor der Be­grenzung durch die Class-D-End­stufe kaum verzerrt. 

Über­steuerung mit Solo-Boost und hohem Pegel

Eine weitere Messung, zur Unter­suchung der Wirkung des Master­volumen­reglers bei maximalem Solo-Boost und hohem End­stufen­eingangs­pegel (am FX-Return).  Der Erkennt­nis­gewinn beschränkt sich auf zwei unge­fähre Tat­sachen: 

• Bei hohem End­stufen­eingangs­pegel begrenzt der Hard­clip in der Solo-Boost-Stufe, so stark, dass der Soft­clip dahinter (und vor dem Master­volumen­regler) nicht mehr zur Wirkung kommt. 

• Die „ideale“ Einstellung des Master­volumen­reglers, um HF-Arte­fakte zu vermeiden, liegt bei etwa 40 % (siehe die folgenden Messungen bei Einstellungen des Master­volumen­reglers von 35 % und 50 % sowie weiter oben die Mess­reihe Pegel­abhängige Begrenzung ohne Solo-Boost)

Tabelle 1.8: Aus­gangs­spannungen der Über­steuerten Solo-Boost-Stufe und End­stufe in Abhän­gig­keit vom Master­volumen­regler.  Ein­gangs­signal­spannung u_E = 2,4 V_eff.  Komplexe Last. 

Master	uA,sin [ V ]	uA,pp [ V ]	kS	Anmerkgn.
20 %	12,2	28,6	1,17
35 %	16,2	37,2	1,15
50 %	17,9	39,0	1,09	HF
80 %	19,1	39,8	1,04	HF, Hardclip
90 %	19,2	39,8	1,04	HF, Hardclip
100 %	17,8	39,8	1,12	HF, Hardclip, AP-Drift

Bilder­tabelle 2.11:  Über­steuerung von Solo-Boost-Stufe und End­stufe in Abhängigkeit vom Master­volumen­regler.  Ein­gangs­signal­spannung u_E = 2,4 V_eff.  Komplexe Last. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

Master­regler 20 %; u_A,pp = 28,6 V; k_S = 1,17

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Master­regler 35 %; u_A,pp = 37,2 V; k_S = 1,15

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Master­regler 50 %; u_A,pp = 39,0 V; k_S = 1,09

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Master­regler 80 %; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,04

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Master­regler 90 %; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,04

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A-:   1 V / Div

Master­regler 100 %; u_A,pp = 39,8 V; k_S = 1,12

u_A+ (gn):  2,5 V / Div,
u_A- (rt):  2,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   1 V / Div

Messungen am XLR-Aus­gang

Kapitelinhalt:[  Überspringen ]

• Ohne Solo-Boost •
• Mit Solo-Boost

Am Ende wurden die Eigenschaften des XLR-Aus­gangs unter­sucht – Pegel und Signal­formen (Über­steuerung).  Dazu wurde wieder ein Sinus­signal unter­schied­lichen Pegels in den FX-Return eingespeist und das Signal am XLR-Aus­gang gemessen und gegebenenfalls Oszillo­gramme und Lissajous-Figuren auf­ge­zeich­net. 

Ohne Solo-Boost

Ist der Solo-Boost nicht aktiviert, ergibt sich – neben den gleichen Phasen­dreher wie über den Laut­sprecher­aus­gang – eine Ver­stärkung von etwa ein Halb (Line-Pegel) und eine Aus­steuerungs­grenze von knapp zwei Volt (Sinus Effektiv­wert Sinus). 

Tabelle 1.9: Messungen am XLR-Aus­gang; Solo-Boost deaktiviert; Einspeisung am FX-Return; Mikrofon- oder Line-Pegel; Red Box ausgeschaltet. 

uE	uA,mic	uA,line	Anmerkgn.
0,51 V	25 mVsin	280 mVsin
0,68 V	34 mVsin	373 mVsin
0,89 V	44 mVsin	490 mVsin
1,22 V	60 mVsin	670 mVsin
1,6 V	80 mVsin	890 mVsin
2,2 V	320 mVpp	2,9 Vpp	clippt
2,9 V	330 mVpp	2,9 Vpp	clippt

Hier handelt es sich nicht um besonders „musika­lische“ Ver­zerrungen, sondern um ein har­tes Clipping, das besser zu ver­meiden ist. 

Dieses Clipping über den Solo-Boost scheint auch etwas härter zu sein als das über den Laut­sprecher­aus­gang gemessene, setzt aber bei einem ver­gleich­baren Ein­gangs­signal­pegel am FX-Return (etwa 1 V Effektiv­wert Sinus) ein – siehe dazu auch die ent­sprechenden Messungen in Tabelle 2.5 und Bilder­tabelle 2.7. 

Bilder­tabelle 2.12:  Messungen am XLR-Aus­gang; Solo-Boost deaktiviert; Einspeisung am FX-Return; Mikrofon- oder Line-Pegel; Red Box ausgeschaltet. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

Ein­gangs­signal­pegel u_E,sin = 1,6 V

u_A+ (gn):  1 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Ein­gangs­signal­pegel u_E,sin = 2,2 V

u_A+ (gn):  1 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Ein­gangs­signal­pegel u_E,sin = 2,9 V

u_A+ (gn):  1 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Mit Solo-Boost

Mit der Aktivierung des Solo-Boosts er­höht sich die Ver­stärkung der End­stufe um maxi­mal etwa zwei; der maxi­male ver­zerrungs­freie Ein­gangs­signal­pegel fällt auf etwa ein Volt (Effektiv­wert Sinus) – die Aus­steuerungs­grenze hinter dem Solo-Boost von knapp 2,8 Volt bleibt. 

Tabelle 1.10: Messungen am XLR-Aus­gang; Solo-Boost maxi­mal; Einspeisung am FX-Return; Mikrofon- oder Line-Pegel; Red Box ausgeschaltet. 

uE	uA,mic	uA,line	Anmerkgn.
0,51 V	54 mVsin	600 mVsin
0,68 V	73 mVsin	800 mVsin
0,89 V	259 mVpp	2,89 Vpp	clippt leicht
1,22 V	264 mVpp	2,94 Vpp	clippt
1,6 V	266 mVpp	2,97 Vpp	clippt
2,2 V	268 mVpp	2,99 Vpp	clippt
2,9 V	270 mVpp	3,0 Vpp	clippt

Bilder­tabelle 2.13:  Messungen am XLR-Aus­gang; Solo-Boost maxi­mal; Ein­speisung am FX-Return; Mikrofon- oder Line-Pegel; Red Box aus­ge­schal­tet. 

Oszillo­gramme
u_A+ und u_A−

Lissajous-Figuren
u_A+ vs. u_E

Eingangs­signal­pegel u_E,sin = 0,68 V

u_A+ (gn):  0,25 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Eingangs­signal­pegel u_E,sin = 0,89 V

u_A+ (gn):  0,5 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Eingangs­signal­pegel u_E,sin = 1,22 V

u_A+ (gn):  0,5 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Eingangs­signal­pegel u_E,sin = 1,6 V

u_A+ (gn):  0,5 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  0,5 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Eingangs­signal­pegel u_E,sin = 2,2 V

u_A+ (gn):  1 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Eingangs­signal­pegel u_E,sin = 2,9 V

u_A+ (gn):  1 V / Div,
u_A- (rt):  0,5 V / Div

u_E:  1 V / Div,
u_A+:   0,2 V / Div

Nachmessen mit Digitaloszilloskop

Beim Nach­messen des maxi­malen Ausgangs­spannungs­hubs mit dem vorhandenen Mess­equipment des Autors (PC mit Sound­karte, Vorschalt­gerät und Oszillo­skopen­software) wie auch mit einem älteren Digital­oszilloskop (CREATEC SC02) wurde auch hier in der konkreten Um­setzung bzw. Ein­stellung und Kalibrierung (über die Sound­karten­einstellung von Windows) ein Mess­fehler festgestellt – die hier im PC gemessenen Ausgangs­spannungs­hübe sind etwa 10 % zu klein. 

Tabelle 2.11: Messung der maxi­malen Ausgangs­spannungen an einem der Ausgänge der End­stufe in Brückenschaltung – Messung mit dem Digital­scope CREATEC SC02

Master­volumen	uA+,sin [ V ]	uA−,pp [ V ]
100 % & Solo-Boost	9,9 V	≈22 V
100 %	9,2 V	≈22 V
50 % (kaum Verzerrungen)	5,8 V	15,5 V
≈80 % (Keine HF-Artefakte)	8,1 V	20 V

Die HF-Arte­fakte konnten auch nicht genauer unter­sucht werden – das Digital­oszilloskop arbeitete zwar bis in den MHz-Bereich, das Display war aber viel zu klein und viel zu grob­pixelig – mehr als in den Abbildungen in Bilder­tabelle 2.2 konnte man da definitiv nicht erkennen.