Calvin-Phono/PlatINA/RP1

Die Calvin-Phono, die PlatINA und die RP1 sind äusserst flexible universell verwendbare Phono-Vorverstärker. Die PlatINA ist dabei ein Projekt in einem gleichnamigen Thread im Forum der Analogue Audio Association (AAA), in welches Anregungen und Hinweise von mir aus den Erfahrungen und dem Wissen um die Konstruktion der Calvin-Phono einflossen.

http://www.analog-forum.de/wbboard/index.php?page=Thread&threadID=34957&pageNo=1&highlight=INA103  AAA-Forum Thread

http://www.crazy-audio.com/projects/platina      PlatINA Website

Die RP1 ist eine Inkarnation eines befreundeten Users, die weitgehend nach meinen Anregungen entstand.

Der zugehörige Thread aus dem HiFi-Forum findet sich hier:

http://www.hifi-forum.de/index.php?action=browseT&forum_id=103&thread=87

HiFi-Forum, RP1 von User ´Köter´.

Im DIY-Audio Forum finden sich auch einige Threads die sehr ähnliche Phono-Verstärker mit dem INA103 oder dem INA163 zum Thema haben.

In die PlatINA und RP1 flossen entscheidende Schaltungs- und Layout-Vorschläge von mir, basierend auf der Calvin-Phono, der Phonostufe des Calvin&Hobbes Vorverstärkers ein. Aussergewöhnlich an den Phono-Verstärkern ist die Kombinationen von sehr großer Flexibilität, hervorragenden Messwerten und exzellentem Klang.

Features:

  • nahezu jedes Tonabnehmersystem verwendbar, von low-ouput MC bis high-output MM
  • anpassbar in Widerstand und Kapazität an das Tonabnehmersystem
  • Verstärkung in weiten Grenzen anpassbar
  • asymmetrischer oder symmetrischer Anschluss des Tonabnehmers
  • hochpräzise Entzerrung nach RIAA-IEC 1963 (20-Hz-Subsonic) schaltbar
  • HF-Entzerrung nach RIAA-Neumann zuschaltbar
  • asymmetrischer oder symmetrischer Ausgang (auch parallel-Betrieb)
Calvin-Phono Prinzipschaltbild
Calvin-Phono Prinzipschaltbild

Das Schaltungsdesign der Phono-Verstärker ist ein Resultat der konsequenten Umsetzung der Spezifikationen. Unterschiede zwischen den drei Schaltungen bestehen in der Dimensionierung der Bauteile, der Bauteilwahl und dem symmetrischen Ausgang der PlatINA und RP1, sowie dem Leiterplattenlayout und der Stromversorgung.

Alle gängigen Tonabnehmer sind echte symmetrische Quellen. Allerdings sind viele MM-Tondosen durch einen kleinen Blechstreifen von einem Anschlusspin nach Masse zwangsweise desymmetriert. Es bietet sich daher eine Schaltung an, die für beide Fälle umschaltbar genutzt werden kann.

Die beste Eingangschaltung für eine symmetrische Quelle stellt der Instrumentationsverstärker, oder kurz INA dar. Ein INA bietet beiden Eingängen des symmetrischen Signals exakt gleiche Bedingungen.

Zur Anpassung an den Tonabnehmer sind zusätzlich Widerstände (Rinvar) und Kapazitäten (Cinvar) zuschaltbar, sowie eine einseitige Masseaufschaltung des invertierenden INA-Einganges für unsymmetrischen Betrieb.

Korrektur: Die Funktion der Jumper X1 und X2 ist im Prinzipbild vertauscht. X1 jumpert die symmetrische Betriebsart, X2 die asymmetrische.

Es gibt INAs mit unsymmetrischen, als auch symmetrischen Ausgängen. Letztere werden als fully-differential bezeichnet. Eine symmetrische Masse-freie Signalführung innerhalb einer Schaltung bietet aber keinen entscheidenden Vorteil, da hier die Masseverhältnisse genau definiert sind und durch geschickte Layoutgestaltung beeinflusst werden können. Vollständig symmetrische Signalführung bedeutet dagegen einen praktisch doppelten Aufwand an Bauteilen und Signalbearbeitung und damit an Kosten.

In den Phono-Verstärkern kommt daher ein INA mit asymmetrischem Ausgang zur Anwendung. Die in Frage kommenden INA103 und INA163 von TI/BB (ähnliche TYpen gibt es von ADI und THAT) verfügen über einen REF-Eingang der typischerweise auf GND referenziert ist. Ein aktiver DC-Servo, aufgebaut mit einem FET-Eingangs-OP (OP1) steuert den DC-Offset des INA über den REF-Eingang auf 0V. Die nötigen hohen Verstärkungsfaktoren und grösstmögliche Übersteuerungssicherheit verlangen quasi den Einsatz des DC-Servos an dieser Stelle. Die RIAA-IEC Entzerrung sieht eine untere Grenzfrequenz von 20Hz zur Verminderung von Resonanzeffekten aus der Tonabnehmer-Tonarm-Kombination vor. Der DC-Servo kann problemlos und vorteilhaft auf 20Hz -statt typischerweise um 0,1Hz- dimensioniert werden (Rdc/Cdc).

Obgleich es möglich und prinzipiell auch wünschenswert wäre die frequenzbestimmenden Bauteile der RIAA-Entzerrung in die Rückkopplung des INAs aufzunehmen, ist der INA als linearer Verstärker aufgebaut, dessen Verstärkung in weiten Grenzen durch einen einzigen Widerstand einstellbar ist (RG). Eine Verstärkung nach RIAA erforderte äusserst eng tolerierte und damit frequenzbestimmende Bauteile, soll die mögliche hohe CMRR (CommonModeRejectionRatio, die Immunität gegen störende äussere Einstrahlungen) nicht unnötig verringert werden.

Können die Anforderungen an Rauscharmut und Übersteuerungssicherheit erfüllt werden, dann ist diese Form des Signaleinganges in Bezug auf Flexibilität, Schaltungsaufwand und Leistungsfähigkeit am günstigsten.

Obwohl ein symmetrischer Eingang grundsätzlich mindestens 3dB geringeren Rauschabstand als ein asymmetrischer Eingang bietet, ist das Rauschverhalten der verwendeten INAs derart gut, daß selbst sehr leise MC-Tonabnehmer mit nur 150µV Nennpegel (@1kHz, @5cm/sec Schneidschnelle) verwendet werden können.

Auf den linearen INA-Eingangsverstärker folgt ein passives 2120Hz-Filter (Rf1+Rf1b/Cf1), dessen Serien-Widerstand so niederohmig gewählt wurde, daß die Pegelverluste des Filters unter 10% betragen. Über eine Steckbrücke kann an dieser Stelle zusätzlich bestimmt werden, ob die RIAA-Entzerrung nach RIAA (X7) oder eine Entzerrung nach Neumann (X6) erfolgt. Der Vorschlag von Neumann berücksichtigt das praktische Verhalten der Schneidmaschine bei der Plattenherstellung und äussert sich messtechnisch in einer größeren Bandbreite bei der Wiedergabe. Der Schaltungsaufwand hält sich mit einer Steckbrücke und einem zusätzlichen Widerstand in kleinen Grenzen.

Die noch fehlende 50-500Hz Entzerrung erfolgt in der nun folgenden aktiven Stufe, mit den frequenzbestimmenden Bauteilen Rf2, Rf3, Cf2-3 und Rf2-3 im Rückkopplungszweig eines FET-OPs (OP2).

Gegenüber einer vollständig passiven Entzerrung bietet dieser gemischte, zweistufige Ansatz die Vorteile mit 20dB geringerer Verstärkung auszukommen und in Punkti Rauschen und Verzerrungen überlegen zu sein. Gegenüber der einstufigen vollaktiven Entzerrung bietet sie den Vorteil, die einzelnen Teilentzerrungen in Bezug auf Signalhandhabung und Rauschverhalten optimieren zu können und Variationen, z.B. eine Neumann-RIAA, einfach und mit geringem Aufwand zu implementieren. Die nötigen hohen Verstärkungsfaktoren für low-output-MC-Systeme sind mit einstufigen Schaltungen praktisch ohnehin nicht realisierbar. Der OP2 leistet in der Tat nur noch einen geringen Verstärkungsbeitrag bezogen auf 1kHz. Den Löwenanteil übernimmt der INA. Gleichzeitig fungiert der OP auch als niederohmiger Spannungsausgang und benötigt bei entsprechender Auslegung keine weitere Pufferstufe oder Kabeltreiber. Allenfalls ein Symmetrierbaustein (Balanced Line Driver) wie der SSM2142 von ADI oder DRV134 von TI/BB oder ein einfacher Invertierer wäre nötig um wieder ein symmetrisches Ausgangssignal zu erzeugen.So geschieht es bei der PlatINA und optional auch der RP1.

Bei relativ geringem Schaltungsaufwand und Kosten erlaubt diese Art der zweistufigen Verstärkung und geteilten RIAA-Entzerung eine höchstqualitative Phono-Wiedergabe verbunden mit enormer Flexibilität in Bezug auf die Wahl des Tonabnehmers. Mit 1% Toleranz der frequenzbestimmenden Bauteile kann man unter +-0,1dB Abweichungen im Amplitudengang erzielen. Rauschen und Verzerrungen bleiben unter allen Umständen in völlig irrelevanten Größenordnungen.

Klanglich präsentieren sich die Phono-Verstärker als äusserst korrekte, neutrale Gesellen. Bässe werden außergewöhnlich straff und sauber dargestellt. Auf diesem Fundament stehen sehr fein aufgelöste detailreiche Mitten und Höhen. Selbst Tonabnehmer-Schlachtschiffe wie ein Koetsu Urushi oder ein Lyra Titan-i überfordern sie nicht, sondern können ihre besonderen Qualitäten voll entfalten.

Da mir die RP1 ausgesprochen gut gestaltet erscheint, sowohl elektrisch als auch mechanisch, möchte ich ein paar Bilder davon zeigen.

Man erkennt die Aufteilung des Gehäuses, einem modifizierten Modushop Gehäuse, in zwei eigenständige Kammern für die Netzteil- und die Audio-Baugruppe. Die Verkabelung ist sauber ausgeführt, was den Eindruck von Pefektion erweckt.

Die Leiterplatten sind einseitig ausgeführt und könnten auch zu Hause selbst geätzt werden.

Das Layout hat viel Platz auf der Leiterkarte, sodaß die Bestückung und das Verlöten leicht fällt.

Die meisten Bauteile sind in Durchsteck-Technologie ausgeführt. Nur die INA163 und ein paar keramische Abblockkondensatoren sind in Oberflächenmontage auf der Kupferseite der Leiterkarte angeordnet.

Auf dem dritten und dem fünften Bild erkennt man einen Jumper zwischen den DIP-8 IC-Sockeln. Hier kann ein Lautstärkesteller eingeschleift werden, falls die RP1 einen regelbaren Ausgang erhalten soll.