Projekt "BLACK CAT" High-End Audio-Röhrenverstärker

von der TU Berlin und Henry Westphal



Die erste Version des Verstärkers, im Bild oben, wurde im WS 2003/4 und im Sommer 2004 realisiert. Er wurde im Winter 2004/5 weiterentwickelt.

Der Hintergrund.
Der Röhrenverstärker ist ein Produkt, von dem für viele Menschen eine zunächst unerklärliche Faszination ausgeht. Die Beschreibungen des Klangs in den Testberichten der einschägigen Zeitschriften lesen sich ungefähr wie Weinkritiken.

Für bestimmte Verstärker oder auch einzelne Röhren werden z.T. abenteuerlich hohe Preise gezahlt.
Dies ist umso verwunderlicher, da Röhrenverstärker bei vielen meßtechnischen Parametern deutlich schlechter abschneiden, als dies die üblichen Halbleiterverstärker tun. Es gibt Röhrenverstärker, die aus meßtechnischer Sicht relativ bescheidene Ergebnisse bringen, aber bei Hörtests sehr gut beurteilt werden und zu weit über dem Marktniveau liegenden Preisen gehandelt werden.

Interessanterweise ist die Röhrentechnik heute wieder ein Wachstumsmarkt. Seit dem historischen Tiefpunkt in den 1980-er Jahren steigt die jährlich produzierte Röhrenmenge wieder kontinuierlich an. Firmen aus den ehemaligen Ostblockstaaten z.B. Tesla / JJ aus der Slowakei und Svetlana aus Russland agieren auf dem weltweiten Audio-Markt und bringen inzwischen sogar wieder echte Neuentwicklungen auf den Markt.

Die Projektidee.
Unser Ziel war es, einen kompromißlos auf Audio-Qualität hin orientierten Vollverstärker zu entwickeln und in Betrieb zu nehmen und diesen dann von den meßtechnischen Eigenschaften und vom Höreindruck her mit üblichen Halbleiterverstärkern zu vergleichen.

Hierbei kombinierten wir klassische Röhrentechnik mit den heutigen technischen Möglichkeiten. Ein Großteil der Versorgungs- und Heizspannungen wurde mit Halbleiterschaltungen stabilisiert, während jedoch der Signalpfad ausschließlich Röhren enthält. Der Verstärker wurde auf sorgfältig entworfenen mehrlagigen Leiterplatten aufgebaut.

Röhrentechnik und moderne High-Tech Elektronik ist kein Widerspruch. Im Gegenteil: Im Zusammenwirken mit moderner Halbleiterelektronik kann die Röhre erst heute ihr volles klangliches Potential entfalten.

Wir begannen unsere Arbeit mit der eingehenden Analyse vorhandener Verstäkerschaltungen. Es wurden etwa 100 im Internet veröffentlichte Schaltungen aus der Zeit von 1950 bis 2003 betrachtet. Es zeigte sich, daß sich die Vielzahl der Schaltungen auf einige wenige verschiedene Grundkonzepte zurückführen ließ, die immer nur jeweils graduell variiert wurden.

Da anhand der Schaltungskonzepte nicht beurteil werden konnte, welche der Schaltungen das größte klangliche Potential erwarten liess, wurde der Verstärker modular konzipiert. Für die einzelnen Komponenten wie Vor- und Endstufen wurden mehrere, auf verschiedenen Schaltungskonzepten basierende, Leiterplatten realisiert, die aufgrund identischer elektrischer und mechanischer Schnittstellen gegeneinander austauschbar waren.

Die bestgeeigneten Module wurden dann in einem eigens angefertigten Chassis aus Aluminium montiert, so daß zum Abschluß des Labors ein gebrauchsfähiger Verstärker, der "BLACK CAT 1" (siehe oben) bereitstand.

Die Ergebnisse.
Der im Rahmen des Projekts fertiggestellte Verstärker überzeugte durch einen ungewöhnlich plastischen und klaren Klang.
Zwischen den einzelnen Schaltungskonzepten zeigten sich, insbesondere bei den Vorstufen, erhebliche klangliche Unterschiede.

Es wurde letzendlich eine Endstufe ausgewählt, die im Sinne eines Oparationsverstärkers vollständig differentiell arbeitet und eine Phono-Vorstufe, die ohne jede Gegenkopplung arbeitet.

Nach Abschluß des Laborprojekts wurde der Verstärker noch einmal (im Zusammenhang mit einer Studien- und einer Diplomarbeit) vollständig überarbeitet und mit einem professionellen Audio-Analyzer durchgemessen und weiter optimiert.

Das folgende Bild zeigt die Ansicht des weiterentwickelten und optimierten Verstärkers "BLACK CAT 2":


Der BLACK CAT 2
Im Rahmen der angesprochenen Diplomarbeit wurden auch vergleichende Blind-Hörtests mit anderen, kommerziellen, Verstärkern durchgeführt, bei denen die "BLACK-CAT"-Verstärker sehr gut abschnitten.

Die spannende Frage, warum der Verstärker "so gut klingt", die uns fast zwei Jahre lang beschäftigt hat, kann inzwischen auf der Basis dieser Hörtests und Messungen beantwortet werden.

Verstärker werden üblicherweise nach "eindimensionalen" Meßwerten optimiert und klassifiziert. Das sind zum Beispiel Frequenzgang und Klirrfaktor. Diese Werte beziehen sich auf einen einzigen Sinuston, der den Verstärker durchläuft.

Musik besteht aber immer aus mehreren, gleichzeitig vorhandenen Frequenzen.

Daher gibt es auch die, wenig bekannten, "zweidimensionalen" Meßwerte wie Intermodulation und Differenztonfaktor. Diese beschreiben das Verhalten des Verstärkers, wenn dieser mit zwei Sinussignalen verschiedener Frequenz gespeist wird. Diese Werte werden beim Entwurf der üblichen HiFi-Verstärker meist nicht mit hoher Prorität betrachtet.
Nun ist es aber so, daß ein Klirrfaktor im der Größenordnung 1% den Hörgenuß nicht wesentlich beeinträchtigt, während dagegen ein Differenztonfaktor in der Größenordnung 0,1% der Musik viel an Lebendigkeit nimmt.

Der Klirrfaktor beschreibt das Verhältnis der Intensität von im Verstärker entstehenden Oberwellen zum Grundton. Die Oberwellen sind ganzzahlige Vielfache des Grundtons. Sie verändern die Klangfarbe, aber sie sind stets höhere Oktaven des bereits vorhandenen Tons, sie "passen" also zur Tonart des Musikstücks.

Ganz anders ist es mit den Summen- und Differenzfrequenzen, die bei der multiplikativen Mischung von Signalen an Nichtlinearitäten des Verstärkers entsehen und deren Intensität mit dem Differenztonfaktor und dem Intermodulationsfaktor beschrieben werden. Diese Produkte stehen nicht in einem ganzzahligen Verhältnis zu den Grundtönen, sie passen also nicht zur Tonart des Musikstücks.
Beim Musikhören führen diese zu der Empfindung, daß die Boxen enger zusammen und weiter weg stehen, die Musik verliert ihren Glanz, ihre Leichtigkeit und ihre Lebendigkeit.
Es entsteht ein "Sumpf" an undefinierten Tönen, man empfindet eine allgemeine Unbestimmtheit und Unschärfe. - Es ist ungefähr so, wie wenn man der Musik in einem muffigen Raum mit vielen dort aufgehängten feuchten Wintermänteln zuhören würde.

Der "BLACK CAT 2" hat einen Differenztonfaktor von 0,002% und einen Klirrfaktor von 0,033 %, währen der Telefunken HA990, als Beispiel eines handelsüblichen HiFi-Transistorverstärkers, einen Differenztonfaktor von 0,366 (das 183-fache des BC 2) und einen Klirrfaktor von 0,0048 hat.

Dies ist also die gesuchte Erklärung für den "magischen" Klang der "BLACK-CAT"-Verstärker.
Der geringe Differenztonfaktor kann technisch damit erklärt werden, daß die Röhre ein Bauelement mit einer praktisch von Haus aus linearen Übertragungskennlinie ist. Daher benötigt ein Röhrenverstärker vergleichsweise wenig Gegenkopplung, beim BLACK CAT 2 ist der Gegenkopplungsfaktor (Verhältnis der Ausgangsspanung mit und ohne Gegenkopplung) 20 dB bei 1 kHz, das ist 1 zu 10.
In Halbleiterschaltungen sind dagegen Werte von 1 zu 1000 und mehr üblich. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß jede Gegenkopplung um die Laufzeit durch den Verstärker verzögert wirkt, also die durch sie bewirkte Fehlerkompensation stets unvollständig ist.

Es soll allerdings nicht unerwähnt bleiben, daß sich auch mit Halbleiterschaltungen vergleichbare oder gar bessere Eigenschaften in Bezug auf den Differenztonfaktor erreichen lassen. Der schaltungstechnische Aufwand ist dabei jedoch wesentlich höher als bei der Verwendung von Röhren.
Ein bekanntes Beispiel dafür sind die Verstärker der Firma Burmester, deren Signalpfad aus Einzeltransistoren besteht.

Der Frequenzgang des BLACK CAT2 ist 10 Hz bis 40 kHz bei einer Abweichung von +/- 0,1 dB.
Wie Hörtests gezeigt haben, sind die Verstärker BLACK CAT vielen industriell gefertigten Röhren- und Transistorverstärkern, die als hochwertige HiFi-Geräte verkauft werden, deutlich überlegen.

Eine Vielzahl von Hörern zeigte sich vom Klang der BLACK-CAT-Verstärker begeistert. Insbesondere Musiker aus dem klassischen Segment empfinden den Klang als absolut realistisch. Sie erkannten sonst nicht hörbare Details wie etwa die Eigengeräusche bestimmter Violinsaitentypen.

Hierzu die Aussage eines Höres, der selbst Orchestermusiker ist: "Die Musik wird seziert".
Diese Art der Wiedergabe bedeutet aber auch, daß Spielfehler des Orchesters oder Mängel und Schwachstellen bei der Musikproduktion gnadenlos ans Licht gezerrt werden und nicht mehr mit einem scheinbar gefälligen Klangbild zugedeckt werden.
Bei längerer Nutzung dieser Verstärker erkennt man, was für unglaubliche Qualitätsunterschiede es zwischen verschiedenen CDs gibt. Dem besonderen Genuss beim Hören hochqualitativer CDs steht die Erfahrung gegenüber, daß dem Hörer im Gegenzug viele früher gern und oft gehörte CDs durch das nun mögliche Erleben des Kontrasts, verleidet werden.

Abschließend sei auch die optische Faszination des, offen aufgebauten, Röhrenverstärkers erwähnt:
Das Glühen der Röhren schafft eine ganz besondere Atmosphäre, die insbesondere in den Abendstunden die Freude des Hörerlebnisses steigert.

Die Endröhren des BLACK CAT 2 in Aktion:


Einige weitere Eindrücke:

Die Endstufe des BLACK CAT2 von der Unterseite gesehen:


Die Phono-Vorstufe des BLACK CAT 2:


Die Phono-Vorstufe des BLACK CAT2 von unten gesehen:


Noch einmal (zur Verdeutlichung) die Endstufe des BLACK CAT 1:


Die Endstufe des BLACK CAT 1 von unten gesehen:


Die Endstufenbaugruppe des BLACK CAT 1 im Testbetrieb:


Die Endstufe.
Die Endstufe ist als Ultralinear-Gegentaktendstufe mit Eingangs- und Treiberstufe in Differenzverstärkerschaltung ausgeführt. Es handelt sich hier um nichts anderes als einen Operationsverstärker in Röhrentechnik.
Dieses, in der Vergangenheit nur selten angewandte, Schaltungskonzept hat sich im Vergleich mit den üblichen Schaltungskonzepten, wie der klassischen Williamson-Schaltung, als überlegen erwiesen. Die bekanntesten Verstärker, die mit diesem Schaltungskonzept realisiert wurden, sind der Ultra-Linear II von Acrosound aus dem Jahr 1959 und der TVA-1 von Michaelson & Austin aus den 1970-er Jahren.

Die hier realisierte Schaltung basiert auf einer Analyse und nachfolgender Verbesserung der Originalschaltungen der beiden vorgenannten historischen Geräte.
  • Die max. Ausgangsleistung ist 40W.
  • Die Endstufe kann direkt mit einem CD-Player angesteuert werden.
  • Auf die Möglichkeit der Klangregelung wurde bewußt verzichtet, da sich gezeigt hat, das auch ein in neutraler Stellung eingestelltes Klangregelnetzwerk zu erheblichen, die Plastizität des Klangbilds zerstörenden, Phasenfehlern führt.

    Das Blockschaltbild der Endstufe:


    Der vollständige Schaltplan als Download (PDF, 30 KB)

    Die Schaltung besteht aus der Eingangsstufe (ECC83), der Treiberstufe (ECC82) und der Gegentakt-Endstufe ( 2 x KT88).
    Die als Differenzverstärker ausgeführte Eingangsstufe bewirkt den Großteil der Spannungsverstärkung. Die Treiberstufe bewirkt eine weitere Spannungsverstärkung und hat einen hinreichend geringen Ausgangswiderstand zur Ansteuerung der Endröhren. Die Endstufe führt eine Leistungsverstärkung durch und summiert, durch die Wirkung des Ausgangsübertragers, die beiden gegenphasigen Eingangssignale, während auf beide Zweige der Endstufe gleichermaßen wirkende Störeinflüsse sich gegenseitig kompensieren. Der Ausgangsübertrager bewirkt zudem die Impedanzanpassung von den hochohmigen Röhren auf den niederohmigen Lautsprecher.

    Die Schaltungen der Originalgeräte wurde jedoch insbesondere dahingehend verändert, daß Eingangs- und Treiberstufe gleichspannungsmäßig entkoppelt wurden. Dies macht es dann möglich, den Arbeitspunkt der Eingangsstufe optimal einzustellen. Bei der Originalschaltung hätte dies zu einer zu starken (gleichspannungsmäßigen) Voraussteuerung der Treiberstufe geführt.
    Es zeigte sich, daß die exakte Einstellung der Symmetrie der Wechselspannungsamplitude der Eingangsstufe der Schlüssel zum Erreichen eines guten Differenztonfaktors ist. Eine Symmetrie des Wechselanteils der Ausgangssignale der Eingangsstufe führt aber zwangsweise zu einer großen diferentiellen Gleichspannung zwischen diesen Ausgängen.

    Eine detaillierte Beschreibung der Schaltung findet sich im Abschlußbericht (PDF zum Download, 13MB).

    Das folgende Oszillogramm zeigt das Übertragungsverhalten der Endstufe bei einem 20 kHz Rechtecksignal:


    Das Rechteckübertragungsverhalten der Endstufe
  • Oberer Strahl: Eingangssignal 1V / DIV.
  • Unterer Strahl: Ausgangssignal an 4 Ohm Lastwiderstand 10V / DIV.
  • Die Unterseite der Endstufenbaugruppe:


    Das folgende Bild zeigt die Oberseite der Endstufenbaugruppe:

    Die Phono-Vorstufe.
    Die Phono-Vorstufe ist als gegenkopplungsfreie Verstärkerschaltung mit geteiltem Entzerrernetzwerk realisiert. Diese Schaltung hat sich, im Vergleich mit weiteren 4 Schaltungskonzepten, als optimal erwiesen.
    Die Schaltung basiert auf einer Originalschaltung aus dem Buch "Valve Amplifiers" von Morgan Jones.

    Das (stark vereinfachte) Blockschaltbild verdeutlicht das Prinzip:


    Der vollständigen Schaltplan findet sich hier (PDF zum Download).

    Die Ansicht der Leiterplatte von der Unterseite:


    Die Ansicht der Leiterplatte von der Seite:


    Das folgende Oszillogramm zeigt das Ausgangssignal des Phono-Vorverstärkers bei Speisung mit einem Rechtecksignal über ein RIAA-Inversfilter (inverse Lipshitz-übertragungsfunktion):


    Das Netzteil.
    Die Klangqualität des Verstärker hängt wesentlich von der Fähigkeit des Netzteils ab, die benötigten Versorgungs- und Heizspannungen stabil und ohne überlagerte Störungen bereitzustellen.
    Die Anodenspannung für die Endröhren wird mit einer Drossel und großzügig dimensionierten Elkos geglättet. Die Anoden- sowie die negativen Kathodenbezugsspannungen für die Vorstufen- und Treiberstufen werden mit Transistorschaltungen für jede einzelne Röhrenstufe getrennt stabilisiert. Die Heizspannung für die Vorstufenröhren wird als stabilisierte Gleichspannung bereitgestellt.

    Die Baugruppe zur Anodenspannungsversorgung:


    Die Baugruppe zur Heizspannungsversorgung von oben:


    Die Baugruppe zur Heizspannungsversorgung von unten:


    An die Schaltung zur Stabilisierung der Heizspannung werden hohe Anforderungen gestellt: Die Schaltung arbeitet unter hohen Umgebungstemperaturen in einem Chassis ohne nennenswerte Luftzirkulation. Daher muß ihr Wirkungsgrad möglichst hoch sein. Eine getaktete Spannungsreglerschaltung scheidet aber wegen der durch sie abgegebenen Störungen aus. Daher wurde eine eigenentwickelte Spannungsreglerschaltung auf der Basis von Operationsverstärkern und MOSFETs eingesetzt. Die Versorgungsspannung der Operationsverstärker ist dabei höher als die ungeregelte Eingangsspannung, die an die MOSFETs geführt wird. Die Verwendung von Schottkydioden und eines sehr großen Ladekondensators erlaubt eine vergleichsweise niedrige Trafo-Sekundärspannung. Die Schaltung arbeitet mit einer Netzspannungstoleranz von +/- 10% und bei einer Umgebungstemperatur von bis zu +60°C. Um eine zu enge räumliche Konzentration der Wärmeabgabe zu vermeiden, werden 4 identische Spannungsregler vorgesehen, die jeweils eine Gruppe von Röhren versorgen. Ein RC-Glied in der Referenzspannungsquelle sorgt für einen langsamen, die Heizfäden schonenden, Spannungsanstieg.

    Ein Auszug aus der Schaltung der Heizspannungsversorgung:


    Chassis, Verkabelung und Signalqualität.

    Die Synthese aus traditioneller Aufbautechnik und moderner Leiterplattentechnik.

    Das traditionelle optische Erscheinungsbild von Röhrenverstärkern sollte beibehalten werden, ohne daß man die Nachteile der früher üblichen freien Verdrahtung in Kauf nehmen muß.


    Das Bild zeigt einen Williamson-Verstärker von Heathkit aus den 1950-er Jahren als typisches Beispiel für das klassische Erscheinungsbild von Röhrenverstärkern.
    Zudem bietet diese Bauweise einige technische Vorteile:
  • Sicherer Halt schwerer Bauteile auf dem Chassis
  • Die Wärmeabstrahlung der Röhren wird durch das Chassis von anderen Bauteilen abgeschirmt.
  • Elektrische Abschirmwirkung des Chassis.
  • Wärmeableitende Wirkung des Chassis.
  • Gute Konvektionskühlung durch offene Bauweise.
  • Berührungsschutz
  • Die freie Verdrahtung hat jedoch einige gravierende Nachteile:
  • Sehr zeitaufwendig und fehleranfällig
  • Masseführung nicht optimal gestaltbar Optimal ist dagegen der Einbau von Leiterplatten in ein klassisches Chassis und deren Verbindung mit vorgefertigten und vorgeprüften Kabelbäumen. Diese Aufbaumethode verbindet die technischen (und nicht zuletzt optischen) Vorzüge der traditionellen Chassismontage mit den Vorzügen moderner Leiterplatten- und Kabeltechnik. Sie ermöglicht zudem den einfachen Vergleich verschiedener Schaltungskonzepte, die auf leicht gegeneinander austauschbaren Leiterplatten mit identischen und mechanischen Schnittstellen realisiert sind.
    Die Vorstufe des BLACK CAT 1 von unten


    Ein vorgefertigter und vorgeprüfter Kabelbaum vor dem Einbau:


    Die Signalqualität im Lautsprecherkreis.
    Schon kleinste Übergangswiderstände im Lautsprecherkreis haben erhebliche Einflüsse auf den Klang. Daher wurden die herkömmlichen Klemmen durch Spezial-Hochstrom-Steckverbinder aus dem Militärbereich ersetzt. Diese haben so großflächige Kontakte, daß man übliches Lautsprecherkabel direkt mit diesen verlöten kann. Zudem tragen diese aufwendigen Steckverbinder zum Erscheinungsbild des Verstärkers bei.
    Die Lautsprecherbuchsen des BLACK CAT1 mit MIL-Hochstrom-Steckverbindern:


    Die Signalqualität in den Vorverstärkerstufen.
    Die signalführenden Leiterbahnen werden zur Oberseite hin von dem geerdeten Metallchassis und zur Unterseite hin durch die Groundplane auf der Bestückungsseite der Leitertplatten abgeschirmt. Die Masseführung folgt streng dem Signalfluß und ist für beide Kanäle getrennt, Rückflüsse von Signalströmen in vorgelagerte Stufen werden durch geeignete Trennstege in den Grondplanes vermieden. Alle Audiosignale sind mit abgeschirmeten Kabeln verkabelt. Die Verwendung von Relais für die Eingangsauswahl vermeidet umfangreiche Verkabelungen von Audiosignalen. Alle Röhren der Vorstufen werden mit Gleichspannung geheizt.

    Die Richtigkeit dieser überlegungen zeigte sich dadurch, daß auch ohne Metalldeckel an der Unterseite des Chassis bei maximaler eingestellter Lautstärke nicht die geringsten Störgeräusche wie Brummen oder Rauschen am Lautsprecher hörbar sind.

    Detail der Vorstufenbaugruppe des BC1, deutlich sind die Groundplanes zu erkennen:


    Weiterführende Informationen.
    Der vollständigen Abschlußbericht findet sich hier zum Download:
    Teil 1 Konzeption, Vorstufen und Netzteil, Abschlussbericht Wintersemester 03-04, als PDF (12MB).

    Teil 2 Endstufen, Integration zum Gesamtgerät, Testergebnisse, Abschlussbericht Sommersemester 04, PDF (13 MB).

    Gruss, Henry Westphal

    Aufgrund der Diskussion im Forum schrieb Herr Westphal dazu:
    Es wurden über die Meßwerte des BC2, insbesondere den Rauschabstand, diskutiert. Unter dem folgenden Link kann man unsere Meßprotokolle einsehen:
    www.emsp.tu-berlin.de/lehre/mixed-signal-baugruppen/messwerteBC2
    Meines Wissens beziehen sich die 120 dB Rauschabstand auf die Ausgangsspannung bei Nennleistung. Ich werde noch mal den Diplomarbeiter fragen, der die Messungen geplant und ausgeführt hat.
    Viele Grüße,
    Henry Westphal

    Kompletter Unterlagensatz zum Download : www.emsp.tu-berlin.de/lehre/mixed-signal-baugruppen/Roehrenverstaerker

    Bitte beachten Sie: Diese Unterlagen sind nur zur Verwendung für den privaten Selbstbau und zu Lehr- und Ausbildungszwecken bestimmt, jede gewerbliche Nutzung ist ausdrücklich untersagt.
    Zurück zur Hauptseite