Noise in RIAA Preamplifiers

“You have to blame Thomas Alva Edison for today’s rock ’n‘ roll. He invented electricity.” Stan Getz (1927-1991)

Lange Seetage auf Kreuzfahrten haben auch ihre Vorteile – so hatte ich endlich mal Zeit mir den Teil „Noise in RIAA Preamplifiers“ [1] vorzunehmend und durchzuarbeiten.

Zur Betrachtung nimmt D. Self das folgende Schaltbild:

Bild 1: Modell Rauschen RIAA Verstärker

Die Signalquelle ist leider nicht ein reiner Widerstand, dann wäre die Sache einfach, sondern eine komplexe Impedanz. Die Bauteilwerte entsprechen dem Tonabnehmer Shure ME75-ED Type 2. Der Generator für das Stromrauschen habe einen unendlichen Widerstand, der Generator für das Spannungsrauschen einen Innenwiderstand von 0Ω, der folgende Verstärker ist dann rauschfrei. Jetzt ergeben sich mehrere Effekte:

  1. Die Impedanz die der Generator für das Stromrauschen sieht ist frequenzabhängig und steigt von etwa 640Ω bei 75Hz auf etwa 24,9 kΩ bei 18kHz.
  2. Das Johnsonrauschen von \(R_{Last}\) wir bei niedrigen Frequenzen von der Spule teilweise kurzgeschlossen.
  3. Durch den steigenden Widerstand von \(L_{gen}\) erreicht mit steigender Frequenz weniger Rauschen des \(R_{gen}\) den Verstärker.
  4. \(R_{gen}\) steigt ebenfalls mit steigender Frequenz, bleibt aber ein rein ohmscher Widerstand.

Im Artikel werden jetzt verschiedene Fälle betrachtet, ich habe hier einige ausgewählt, die Fallnummer ist aber wie im Originalartikel:

Fall Verstärker  \(e_n\\(nV/\sqrt{Hz})\)  \(i_n\\(pA/\sqrt{Hz})\) \(R_{Last}\) \(R_4\) \(S/N\\U_{in}=5mV\) Rauschzahl
3 rauschlos 0 0  47kΩ  220Ω -81,2 0,7
4a 2SB737,\(I_c=70μA\) 1,75 0,386   47kΩ   220Ω -79,9 2,0
4b  2SB737,\(I_c=200μA\) 1,04 0,65   47kΩ   220Ω -78,9 3,0
5 NE5534A 3,5 0,4   47kΩ   220Ω -78,9 3,0
8 LM4562 2,7 1,6   47kΩ   220Ω -74,0 7,9
9 TL072 18 0,01   47kΩ   220Ω -72,6 11.8

Der Verstärker ist immer auf 29,55db Verstärkung bei 1kHz eingestellt. \(R_{4}\) findet man in in dieser Schaltung, das Rauschen geht natürlich in das Gesamtrauschen ein, er sollte möglichst klein gewählt werden. Signal/Rauschabstand immer bei 5 mV Eingangssignal. Das ganze ist berechnet an Hand eines Modells unter Berücksichtigung der RIAA Kurve.

  •  Fall 3: Als Referenz der in der Praxis maximal zu erzielende Wert – ohne Lastwiderstand kann ein Tonabnehmer nicht betrieben werden, und ohne \(R_{4}\) keine Verstärkung. Wir brauchen dazu natürlich immer noch 2 Muster eines rauschfreien Operationsverstärkers, die dürften nicht leicht aufzutreiben sein.
  • Fall4a: Eine mit bipolaren Transistoren aufgebaute Differenzstufe vor einem Operationsverstärker. Der 2SB737 hat einen \(R_{b}\) von 2Ω. Bei einem Kollektorstrom von 70μA ergeben sich diese Zahlen. Reduziert man den Kollektorstrom weiter, steigt das Spannungsrauschen stark an und verschlechtert das Gesamtergebnis wieder.
  • Fall 4c: Der 2SB737 mit einem Kollektorstrom von 200μA.
  • Fall 5: Der NE5534A
  • Fall 8: LM4562 – leider keine (!) Verbesserung, auf Grund des höheren Stromrauschens. gegenüber dem NE5534.
  • Fall 9: TL072

Und OP27 und LT1028? Haben leider beide eine „bias-current cancellation circuitry“ die zusätzliches Rauschen verursacht. Nur wenn beide Eingänge eine ähnliche Impedanz sehen ist dies nicht relevant.

Ich finde das eine sehr interessante Untersuchung. Mehr als einen NE5534A braucht man also nicht für einen excellenten Phonovorverstärker!

[1] Douglas Self: Small Signal Audio Design, ISBN: 978-0-240-52177-0, Elsevier Ltd, 2010, pp. 191-107

  • D. Self, Small signal audio design, Focal press, 2010.
    [Bibtex]
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    Author = {Douglas Self},
    Title = {Small Signal Audio Design},
    Publisher = {Focal Press},
    Year = {2010},
    ISBN = {0240521773},
    URL = {http://www.amazon.com/Small-Signal-Audio-Design-Douglas/dp/0240521773%3FSubscriptionId%3D0JYN1NVW651KCA56C102%26tag%3Dtechkie-20%26linkCode%3Dxm2%26camp%3D2025%26creative%3D165953%26creativeASIN%3D0240521773}
    }

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