RP1 - RIAA-Phono-Pre mit INA163

Hallo Forum!

Ich möchte Euch hier mein aktuelles Phono-Vorverstärkerprojekt vorstellen. Es handelt sich dabei um einen Entzerrer Vorverstärker nach RIAA-IEC 1963 (20-Hz-Subsonic) für den Anschluss an den Plattenspieler.

Vorgeschichte: Während ich querbeet durchs weltweite Web surfte erwischte mich meine Freundin immer wieder dabei, wie ich mir verschiede Plattenspieler, Tonarme, und Vorverstärker ansah. Zu meiner völligen Überraschung schenkte Sie mir dann zum Geburtstag eine Dual Kompaktanlage mit integriertem 1226er Dreher, den Sie vom Fachmann hatte revidieren lassen. Am Headshell ist ein Original Shure Tonabnehmer vom Typ M75D mit neuer Nadel verbaut. Dazu gab´s direkt mal ein paar Platten von Freunden und Familie, damit ich in die Welt des Vinyls einsteigen konnte. Leider war bzw. ist es nicht möglich über den Tape Ausgang der Anlage meine eigentliche Wohnzimmeranlage anzuschließen (Die Reparatur wird wohl mein nächstes Projekt… ), weshalb ich mich auf die Suche nach einem geeigneten Selbstbau Projekt machte.

Dabei stolperte über Calvin´s Audio Page und dessen Projekt PlatINA/Calvin. Außerdem entdeckte ich einen Thread im Analog-Forum welcher sich ebenfalls mit dem PlatINA Projekt beschäftigte. Dieser wurde initiiert von Daniel Matuschek, alias USUL27.

Die PlatINA basiert auf dem Instrumentenverstärker INA103 von Burr Brown bzw. Texas Instruments, dessen Datenblatt eine sehr gute Performance versprach. Also begann ich damit ein Schaltungsdesign zu entwerfen, welches sich an der PlatINA anlehnte, allerdings auf einige Features verzichtete. So entfiel z.B. die Möglichkeit des Symmetrischen Betriebs, sowie die Jumper für Subsonic und Neumann HF-Entzerrung…
Während ich in den Planungen steckte, schrieb ich zig Mails mit einem der Entwickler der mir jede Frage freundlich und kompetent beantwortete. Dieser nette Forumskollege ist wohl auch der Grund warum ich meine verworfenen Schaltungserweiterungen nach und nach wieder in mein eigenes Projekt ein pflegte, so dass ich zu guter Letzt eine Schaltung vor mir hatte, die sogar noch ein klein wenig mehr Funktionen zu bieten hatte als das Original.

Warum habe ich mich für die PlatINA als Ausgangsbasis entschieden?
Im Vergleich mit anderen Selbstbau-Vorschlägen ist die PlatINA günstiger, einfacher und viel sicherer und erfolgversprechender im Aufbau. Sie ist kompakter, präziser in der Entzerrung, weitaus flexibler in der Anpassung und Einsetzbarkeit und anspruchsloser an das Netzteil.

Das Schaltungsdesign:

In der PlatINA kommt ein Instrumentenverstärker (INA) mit asymmetrischem Ausgang zur Anwendung. In Frage kommen der INA103 und INA163 von TI/Burr Brown. In meinem Fall habe ich mich für den INA 163 im SO14-SMD Gehäuse entschieden. Zwar sind in den Specs für den INA103 unwesentlich bessere THD-Werte angegeben, aber der INA163 ist im Stromrauschen sogar der leicht bessere Baustein. Außerdem ist dieser günstiger und einfacher zu beschaffen.
Die Verstärkung kann über DIP schalter zwischen ca. 40dB bis 65dB eingestellt werden. Ausserdem Kann man die Schaltung auf den Tonabnehmer anpassen. So lässt sich für MM-Tonabnehmer die Eingangskapazität ändern und für MC Systeme ist der Eingangswiderstand variabel.
Ein aktiver DC-Servo, aufgebaut mit einem OPA2134 steuert den DC-Offset des INA über den REF-Eingang auf 0V.
Auf den linearen INA Eingangsverstärker folgt ein passives 2120Hz-Filter mit einer Kennlinie nach Neumann. Die HF-Entzerrung nach Neumann berücksichtigt das praktische Verhalten der Schneidmaschine bei der Plattenherstellung und äußert sich messtechnisch in einer größeren Bandbreite bei der Wiedergabe. Die anschließende 50-500Hz Entzerrung erfolgt in der nun folgenden aktiven Stufe des OPA2134. Danach steht das lineare Ausgangssignal an und eigentlich wäre die Schaltung damit schon komplett. Um für die Zukunft aber gut gerüstet zu sein habe ich mich entschieden die Erweiterungen der PlatINA zu übernehmen.
Bei Bedarf kann also ein Symmetrierbaustein (Balanced Line Driver) DRV134 von TI/BB betrieben werden um ein symmetrisches Ausgangssignal zu erzeugen. Mit dem DRV hat man nochmal +6dB an zusätzlichem Gain. Außerdem erlaubt es die Pufferung durch den DRV ein LS-Poti (10k-50k) vor den DRV zu setzen und so eine Stand-alone Vorstufe zu bauen, die die Endstufen direkt ansteuern kann. Zu diesem Zweck habe ich einen entsprechenden Jumper vorgesehen, der bei Bedarf mit einem Poti bestückt werden kann um damit das Musiksignal abzuschwächen. Als Potis kommen 10kOhm Typen in Frage. Zusammen mit den 10kOhm Eingangssimpedanz des DRV sieht der Ausgang des vorgeschalteten OPAs dann mindestens 5kOhm Last, die dieser problemlos treiben kann. Auch bei längeren Potizuleitungen und erhöhter kapazitiver Last bleibt die Bandbreite damit schön hoch.
Bei all den Vorteilen des Line-drivers gibt es natürlich auch einen Nachteil. Symmetrisch abgegriffen ist der differentielle Offset vernachlässigbar klein. Der commonmode Anteil liegt noch deutlich unter dem commonmode input range üblicher OPamps und der meisten diskreten Stufen, ist damit also unkritisch. Allerdings erfordert der commonmode Anteil bei asymmetrischem Abgriff u.U. Maßnahmen, da sich ein nicht ganz unkritischer Ausgangsoffset einstellt. Für asymmetrischen Betrieb ist es daher am sinnvollsten auf den DRV134 zu verzichten und stattdessen eine Brücke in den IC-Sockel zu setzen. Hat ja auch ein paar Transistoren in integrierter Bauweise weniger im Signalweg
Da mein nachfolgender Endverstärker aber ohnehin einen Eingangs-Koppelkondensator hat, muss der Offset (ca. 50mV) auch nicht allzu kritisch betrachtet werden. Ich konnte an meiner Kette jedenfalls keine Änderung im Klang wahrnehmen.

Details zum Entzerrernetzwerk:

Eine Verstärkung nach RIAA erfordert äußerst eng tolerierte und damit frequenzbestimmende Bauteile. Zu diesem Zweck verwende ich in dem Entzerrernetzwerk meines Phono-Vorverstärkers ausschließlich Glimmer Kondensatoren mit 1% Toleranz. Damit gehe ich bei der Entzerrung einen anderen Weg, wie in der Originalschaltung vorgeschlagen. Zu dem Preis der JinGuan-Glimmerkondensatoren von Reichelt bekommt man kaum vergleichbare Folien, insbesondere nicht in so enger Toleranz, oder man kauft eine größere Menge und misst aus. Letztlich ist diese Lösung durch die größere Menge an Bauteilen auch nicht unbedingt billiger, aber sie bedeutet definitiv mehr Aufwand. Der große Vorteil der Glimmer Cs ist also, dass hier nichts abgeglichen oder ausgemessen werden muss. Größere Kapazitäten, kann man leicht durch ein Parallelschalten der Kondensatoren erreichen. Lediglich bei den Widerstandswerten ist dann einiges an Berechnung nötig um die RIAA-Kennlinie einzuhalten. Glücklicherweise habe ich auch hier von der Erfahrung meines Projektpartners profitiert.

Das Netzteil:



Besonderer Wert wurde bei diesem Projekt auch auf die Stromversorgung gelegt.
Das getrennt Aufgebaute Netzteil basiert im Prinzip auf den bekannten LM317 / LM337 Reglern. Ein Ringkerntrafo sorgt für die geforderte Versorgungsspannung. Schnelle Dioden erledigen die Gleichrichtung der Wechselspannung. Zusätzlich wurde jeweils ein kleines SMD RC-Snubber über die Dioden geschaltet. Danach folgt ein Pi-Glied in CLC-Konfiguration. Die erste Kapazität habe ich dabei etwas kleiner gewählt, um die Schaltung HF-mäßig ruhiger zu gestalten und Trafo und Gleichrichter weniger zu belasten. Nach der Drossel folgt dann ein großer Elektrolyt Kondensator um das erste Siebglied zu komplettieren. Ausserdem habe ich noch kleine keramische HF-Caps am ein und Ausgang des CLC-Filters vorgesehen. Damit sollten die nachfolgenden Spannungsregler eine sehr gute Ripple-rejection erreichen. Im Zusammenspiel mit dem Nachfolgenden CRC-Glied wurde damit eine sehr hohe Brummunterdrückung und eine unter 100kHz saubere und stabile Versorgungsspannung realisiert.

Um ein optimales Ergebnis zu erreichen sollten die Versorgungsspannungen der aktiven Bauelemente des Phono-Vorverstärkers allerdings nicht nur in Ihrer Arbeitsbandbreite, sondern über die komplett mögliche Bandbreite geblockt werden. Deshalb dienen die Dreibeinregler in meiner Schaltung auch nur als Vorregler. Auf dem Phonoboard selbst folgt eine elektronische Brummsiebung bzw. ein Gyrator. Dieser hält die Spannung nicht nur ausreichend konstant, sondern vor allem sauber von HF. Anschließend folgen weitere Stabilisierungsmaßnahmen in unmittelbarer Umgebung des Verbrauchers. Die Versorgungsspannungen wurden dabei hinter dem Gyrator abgegriffen und Sternförmig zu den einzelnen Verbrauchern geführt und dort mit Elko und SMD-Keramik-C gepuffert. Die Massebahn auf dem Phonoboard wurde unter den ICs geroutet. Damit wirkt die GND-Fläche gleichzeitig auch als Schirm. Außerdem wurde die Massebahn so breit wie sinnvoll möglich ausgeführt um damit niederohmiger zu werden.

Hier einiger Impressionen:

Die Boards der ersten Prototypen: (Beide Platinen wurden während des Projektes durch neue Versionen ersetzt...)




Das Jungfräuliche Phono Board:




Der INA163:




Die Eingangsseite des Phono-Pres. Schön zu sehen, die Dip-Schalter für Verstärkung und TA-Anpassung:




Gesamtansicht:




Seitenansicht 1:




Seitenansicht 2:




Die elektronische Spannungsstabilisierung:





Die wichtigsten Merkmale des Phonovorverstärkers von Köter & Calvin:
• nahezu jeder Tonabnehmer ist 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)
• HF-Entzerrung nach RIAA-Neumann
• asymmetrischer oder symmetrischer Ausgang durch line driver
• optionales Lautstärkerpoti
• integrierte elektronische Brummsiebung für den HF-Bereich


Der Aufbau:

Das Bestücken der Platine ging leicht von der Hand. Alle SMD-Bauteile waren im Lötkolbenfreundlichen 1206er Package layoutet, so dass jeder versierte Löter den Aufbau bewerkstelligen kann. Beim Instrumentenverstärker im SO14-Gehäuse nahm ich mir ein wenig Lötpaste zur Hilfe – eine echte Empfehlung an alle SMD-Neulinge.
Im Anschluss an die SMD-Teile nahm ich mir die Drahtbrücken vor. Danach folgte der Größe nach die Bestückung der bedrahteten Bauteile. Um eine hohe Kanalgleichheit sicherzustellen habe ich alle Widerstände selektiert. Ansonsten gibt es zum elektronischen Aufbau nicht viel zu sagen.
Um dem bösen Erwachen vorzubeugen habe ich natürlich beide Boards erst einzeln getestet bevor ich PSU und Phono-VV erstmals verheiratete. Anschließend wurden noch einige Messungen in der Werkstatt gemacht. Es folgte der Einbau in ein provisorisches Gehäuse. Besondere Aufmerksamkeit sollte man dabei der Masseführung schenken.

Hier ein paar Bilder vom fertigen Vorverstärker. Das Gehäuse wird noch gegen ein Wohnzimmertaugliches DIY-Gehäuse getauscht, wenn ich mich endlich für ein Design entschieden habe.




mit geöffnetem Gehäuse:










Der Klang:

Tja – was soll ich dazu schon sagen. Um während der Bauzeit schonmal ordentlich Vinyl hören zu können hatte ich mir einen Dynavox TC750 besorgt. Sicherlich ein unfairer Vergleich, aber nichtsdestotrotz der einzige, den ich an meiner Kette anstellen konnte.

Während der Dynavox noch sehr nach Plattenspieler klang, also im Grundton eher fett und in den Höhen zurückhaltend, spielt mein eigener Vorverstärker nun auf einem Niveau, das ich von der Platte so nicht kannte. Bei „Hotel California“ von den Eagles zum Beispiel, kamen neue Details und Nebengeräusche zum Vorschein, die vorher nicht existierten. Bei neuen Pressungen ist kein Unterschied mehr zum CD-Player wahrnehmbar – Staubfreie Tonträger vorausgesetzt. Der Grundton spielt jetzt zurückhaltender, aber viel besser gestaffelt. Instrumente sind besser zu differenzieren.
Natürlich spiegeln diese Erfahrungen nur mein subjektives Empfinden wieder, welches bei einem Selbstbau sicherlich nicht ganz unbeeinflusst bleibt, dennoch kann ich ruhigen Gewissens eine Empfehlung zum Nachbau dieser Schaltung geben.

Am Schluss möchte ich mich noch bei Calvin bedanken. Für die offenen Worte, für die wertvollen Tipps und für die Veröffentlichung dieser Schaltung – besten Dank!

Es grüßt:

Köter

Hehe... danke für´s Kompliment, aber da müssten wir noch einige arbeitsabläufe optimieren, bis es rentabel wird...
Wie gesagt, es ist ja auch noch nicht alles fertig. Einige Details werden noch verbessert, bzw hinzugefügt.
Und dann darf Micha auch mal hören!

Greetz