Simulation von Röhrenverstärkern mit SPICE

Im ersten Kapitel wird der Frage nachgegangen, welche Nischen von Röhrenverstärkern in Zeiten digitaler Audiotechnik besetzt werden. In einem Zeitraum von einem guten Jahrzehnt, vor allem in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts, wurden die Röhrenverstärker von den Transistorverstärkern abgelöst. Lediglich im Bereich der Musikelektronik ließen sich Röhrenverstärker als Gitarren- und Baßverstärker nicht verdrängen und werden nach wie vor wegen ihres Sounds als den Transistorverstärkern überlegen angesehen. Unter technischen Gesichtspunkten war und ist die Ablösung der Röhrenverstärker zu begrüßen. Warum aber sind Röhrenverstärker dann in den späten achtziger Jahren zurückgekommen? Warum erfreuen sie sich wachsender Beliebtheit als Hochpreis-Nischenprodukte? Warum sehen viele Nutzer von Röhrenverstärkern keinen Widerspruch zu digitalen Tonträgern als Signalquelle? Im Kapitel werden einige Fakten zusammengestellt und Überlegungen angegeben, aus denen sich Antworten gewinnen lassen.

Mit dem zweiten Kapitel wird die Simulationssoftware SPICE eingeführt, indem zwei Verwendungsbereiche hervorgehoben werden:

- Eine Simulationssoftware unterstützt ihren Anwender beim Erarbeiten von Schaltungskonzepten, was auch heißt, die bestgeeignete Schaltung aus einer Auswahl mehrerer möglicher Schaltungen zu finden. Sie ergänzt die fundamentalen Überlegungen mit der experimentellen Arbeit. Ihr besonderes Verdienst ist die hohe zeitliche Effizienz gegenüber realen Experimentieraufbauten, den Laboraufbauten.

- Im Zeitraum der Entwicklung einer konkreten Schaltung ersetzt die Simulation mit dem Rechner die Laboraufbauten wenigstens in der frühen Phase. Nach intensiver Anwendung von Simulationssoftware wird nicht nur die frühe Phase ersetzt, sondern man wird in vielen Fällen gar keine realen Aufbauten mehr vornehmen müssen.

Eine dann folgende Kurzeinführung in SPICE stellt die Bezeichnungskonventionen und die SPICE-Anweisungen vor.

Das dritte Kapitel enthält eine Übersicht über die PC-Software. Für den PC sind mehrere, kommerzielle und auch nichtkommerzielle SPICE-Implementierungen als Software-Produkte verfügbar. Auch gibt es Shareware-Lösungen, die für ein vergleichsweise niedriges Entgeld lizensiert werden können. Es werden stichwortartig eine Auswahl von Software-Produkten vorgestellt, die wichtigsten grundlegenden Unterschiede zwischen kommerziellen und nichtkommerziellen Software-Produkten herausgestellt und schließlich auf diejenigen Software-Eigenschaften hingewiesen, die aus der Sicht der Simulation von Röhrenschaltungen wichtig sind.

Im Kapitel vier werden Anwendungen der wichtigsten SPICE-Analysen am Beispiel passiver Netzwerke vorgestellt. Es sind dies die beiden Gleichstromanalysen .DC und .TF, die Zeitbereichsanalyse .TRAN und die Frequenzbereichsanalyse .AC. Hierfür dienen exemplarisch drei einfache passive Netzwerke, die man, mit überschaubarem Aufwand, auch noch ohne Zuhilfenahme eines Schaltungssimulationsprogramms analysieren könnte. Zur Illustration sollen vor der Anwendung von SPICE die Netzwerkanalysen analytisch erfolgen, was dem Leser verdeutlicht, welchen Gewinn er von einem Schaltungssimulationsprogramm bereits in den einfachsten Fällen erwarten kann.

Mit dem Kapitel fünf werden die Röhren- und Verstärkereigenschaften zusammengestellt und die Modellierung der Verstärkerröhren erarbeitet. Zu Beginn werden die Grundlagen der Berechnung von NF-Röhrenverstärkern entwickelt. An einer Grundschaltung wird gezeigt, wie man mit grundlegenden Berechnungstechniken der allgemeinen Elektrotechnik alle interessierenden Kennwerte von NF-Verstärkern berechnet. Der Folgeteil beschreibt die SPICE-Modellierung von Verstärkerröhren. Die Modellierung und der Test der Modelle werden ausführlich beschrieben, indem die Modelle hinsichtlich der beiden unterschiedlichen Ansätze kategorisiert werden. Es sind dies die Modellierung auf der Grundlage physikalischer Charakterisierung und die Modellierung auf der Grundlage mathematischer Approximation. Beide Ansätze werden von einigen Autoren verfolgt. Man kann nach der Lektüre in der Lage sein, jede beliebige Verstärkerröhre zu modellieren, sofern nicht auf die zahlreichen über das Internet erhältlichen Röhrenmodelle zurückgegriffen werden kann. Das Kapitel enthält vier Teile:

- Theoretische Grundlagen der Wirkungsweise von Verstärkerröhren,

- Grundlagen von Verstärkern und ihrer Berechnung,

- Modellierung von Verstärkerröhren mit SPICE und

- Test der Röhrenmodelle.

Das sechste Kapitel enthält nun die Simulationen von Röhrenschaltungen mit erweiterten Grundschaltungen und Systemen. Das Kapitel ist in acht Abschnitte unterteilt, in denen nicht nur Simulationen durchgeführt, sondern auch fundamentale Fragen der Schaltungstechnik diskutiert werden. Berechnung und Simulation werden als gleich wichtig angesehen, zumal die Simulationsergebnisse mit den Rechenergebnissen verglichen werden müssen. Die acht Abschnitte umreißen die acht Themenbereiche:

- Frequenzgangsanalyse eines Entzerrerverstärkers unter Berücksichtigung von Toleranzen der Bauelemente im Entzerrernetzwerk,

- Diskussion, Berechnung und Vergleich von fünf Phaseninverterschaltungen zur Ansteuerung von Gegentaktverstärkern,

- Sechs moderne Grundschaltungen mit jeweils zwei Trioden, die Vorteile der einfachen Eintriodengrundschaltungen des fünften Kapitels vereinigen können und das Potential haben, in modernen und klirrarmen Röhrenverstärkern verwendet zu werden,

- Differenzverstärker und Konstantstromsenken mit Trioden,

- Messen der Standardmaße für nichtlineare Verzerrungen, d. h. Klirr- und Differenztonfaktoren sowie Maße für dynamische Intermodulationsverzerrungen,

- Modellieren von Übertragern und Simulieren des Einflusses der Position der Schirmgitteranzapfung in Ultralinearverstärkern auf den Klirrfaktor und die Leistungsabgabe,

- Anodenfolger als Grundschaltung, von der ausgehend eine kurze Diskussion von Konzeptschaltungen erfolgt,

- Audiofilter mit Röhren, die am Beispiel einer Aktivlautsprecherfrequenzweiche angewendet werden.

Im siebenten Kapitel werden weitere SPICE-Bestandteile vorgestellt. So wird der Leser die Messungs-Anweisung .meas(ure) kennenlernen, mit der er selbst Schaltungsanalysen konzipieren kann. Der Leser erfährt unter Nutzung der .meas-Anweisung einiges zu Spannungsversorgungen von Röhrenverstärkern mit ihren Siebschaltungen, wozu passive wie auch aktive zählen. Die Funktionsquelle mit ihren vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten wird dazu dienen, Zeitbereichssignale zu erzeugen und Filter im Zeitbereich anzuwenden. Auch eine weitere SPICE-Analyse wird vorgestellt, die Rauschanalyse. Das Kapitel enthält so drei Unterkapitel, und in diesen werden einige Anwendungen für Röhrenverstärker und Audiotechnik die Simulationen begleiten. Es sind dies Anwendungen in den Bereichen Spannungsversorgung von Röhrenverstärkern, Audiotests sowie Rauschen von Verstärkerröhren und von Röhrenverstärkerstufen. Der Kapitelschwerpunkt liegt auf Rauschen und SPICE-Rauschanalyse. Dieser Abschnitt beschränkt sich nicht alleine auf Angaben zur Verwendung der SPICE-Rauschanalyse zusammen mit einigen Beispielen, sondern gibt vielmehr einen für ein Buch zu einem ″historischen″ Thema der Elektronik recht weitreichenden Einblick in die Grundlagen und Modellierungstechniken rauschender Widerstände und Verstärkerröhren. Ergänzt wird das Beispiel einer rauschkritischen Anwendung, die Phonoentzerrverstärker.

Das achte Kapitel ist das umfangreichste und anspruchsvollste Kapitel. Rückkopplungen und Stabilität rückgekoppelter Röhrenverstärker sind die Themen. SPICE kann an dieser Stelle eine besondere Stärke zeigen, kann man doch mit Simulationen die Schleifenverstärkung komplexwertig und ohne Bandbegrenzung messen und auf dieser Grundlage die Frequenzgangskorrekturen auslegen, die für den Betrieb rückgekoppelter mehrstufiger Röhrenverstärker unverzichtbar sind. Der hohe Anspruch erwächst aus zwei Forderungen, der Forderung nach Sicherstellung unbedingter Stabilität des gegengekoppelten Röhrenverstärkers und der Forderung nach wirkungsstarker Gegenkopplung. Auch in diesem Kapitel steht den Grundlagen eine große Fläche zur Verfügung. Der Leser erfährt allgemeines und auch einiges röhrenverstärkerspezifisches, was für ihn von erheblichem Nutzen sein kann.