Meten met een versterker

Als voorbeeld gaan we een versterker meten. De versterker die je op de bijgevoegde foto ziet, heb ik in 2019 gebouwd. Het is een Single-Ended versterker met Trans-technologie. Het schema is beschikbaar op deze site onder 'Projecten'. Ir. Menno van der Veen heeft over dit onderwerp een artikel geschreven in Audio-Express. Voor het artikel, klik hier. Het enige verschil is dat ik een kathodeweerstand aan de eindbuis heb toegevoegd, waardoor ik beperkt ben tot maximaal 8 Watt uitgangsvermogen. Trans is een spanningsgestuurde stroombron die de eindbuis volledig lokaal tegenkoppelt. Hierdoor wordt de uitgangsimpedantie van de eindbuis zeer laag. Dit resulteert in een uitstekende aansturing van de uitgangstransformator, wat vooral merkbaar is bij de lage tonen die strak en nauwkeurig worden. Ook neemt de rijkdom aan details in het midden en hoog toe, terwijl de vervorming aanzienlijk vermindert.

As an example, we will measure an amplifier. The amplifier you see in the attached photo was built by me in 2019. It is a Single-Ended amplifier using Trans technology. The schematic is available on this site under 'Projects.' Ir. Menno van der Veen wrote an article on this topic in Audio-Express. For the article, click here. The only difference is that I added a cathode resistor to the output tube, which limits the output power to a maximum of 8 watts. Trans is a voltage-controlled current source that fully locally applies negative feedback to the output tube. As a result, the output impedance of the output tube becomes very low. This leads to excellent control of the output transformer, which is particularly noticeable in the low frequencies, making them tight and precise. Additionally, the richness of details in the midrange and highs increases, while distortion is significantly reduced.

Stel de toongenerator in op 1kHz met een spanning van bijvoorbeeld 2 Vrms en verbind deze met de ingang van de versterker. Draai de volumeregelaar van de versterker geleidelijk omhoog totdat de sinusgolf net niet vervormt aan de pieken. Dit is het maximale vermogen. Het maximale vermogen van deze versterker is exact 8 Vrms bij 1kHz (de versterker moet dus iets worden teruggedraaid voor een perfecte sinusgolf aan beide uiteinden). Met een aangesloten impedantie van 8 Ohm (dummyload) resulteert dit in precies 8 Watt. Omdat 8 Vrms maal 8 Vrms gedeeld door 8 Ohm gelijk is aan 8 Watt bij 1 kHz. BELANGRIJK: de sinusgolf die een oscilloscoop toont is geen Vrms-spanning, maar een Vpp (peak-tot-peak) spanning. Er is meestal een functie op de oscilloscoop om dit om te rekenen naar Vrms. Zo niet, dan is de formule: de piekspanning van een halve sinus delen door de wortel van twee, oftewel Vp/1,414.

Set the tone generator to 1kHz with a voltage of, for example, 2 Vrms, and connect it to the amplifier's input. Gradually turn up the amplifier's volume control until the sine wave is just barely not distorted at the peaks. This is the maximum power. The maximum power of this amplifier is exactly 8 Vrms at 1kHz (the amplifier should be turned down slightly for a perfect sine wave at both ends). With a connected impedance of 8 Ohms (dummy load), this results in exactly 8 Watts, because 8 Vrms multiplied by 8 Vrms divided by 8 Ohms equals 8 Watts at 1 kHz. IMPORTANT: The sine wave displayed on an oscilloscope is not a Vrms voltage but a Vpp (peak-to-peak) voltage. Most oscilloscopes have a function to convert this to Vrms. If not, the formula is: divide the peak voltage of a half sine wave by the square root of two, or Vp/1.414.

Draai de frequentie nog lager zoals op de foto. Dit is kernverzadiging. Op maximaal vermogen (8Vrms@1kHz) is dat bij deze versterker 28 Hz.

Lower the frequency even further, as shown in the image. This is core saturation. At maximum power (8 Vrms @ 1 kHz), this occurs at 28 Hz for this amplifier.

ARTA-SPA. Draai de volumeknop van de versterker volledig open, en raak deze voorlopig niet meer aan. De reden hiervoor is dat we later in FR2, en mogelijk ook in STEPS, de versterkingsfactor nauwkeurig kunnen meten. Wanneer de potmeter van het Arta-kastje volledig wordt opengedraaid en de 1 Watt-instelling (+6dBV bij 4 Ohm of +9dBV bij 8 Ohm) met de volumeknop van de versterker wordt afgesteld, resulteert dit in een onjuiste meting van de versterkingsfactor van de versterker.

• Sluit de linker- of rechteruitgang van de versterker aan op een dummyload van 4 of 8 Ohm op de Left Input van het Arta-kastje.
• Verbind de linker- of rechteringang van de versterker met de Left Output van het Arta-kastje.
• Zet de rechter schakelaar op ON en de linker schakelaar op OFF (zie foto). Dit is noodzakelijk voor metingen met FR2 en later ook met STEPS (Dual channel meting).
• Stel de left gain in op 0,1 en laat de right gain op 1 staan. Dit moet ook zo worden ingesteld op de computer.

Bij een meting op 1 Watt heeft deze versterker een THD+N van 0,049%. Dit is een uitstekende waarde voor een buizenversterker, wat zorgt voor veel detailweergave. Dit resultaat is mede te danken aan de TRANS-technologie in deze versterker.

Daarnaast valt op dat er bijna geen voedingsrimpel zichtbaar is. Het piekje bij 100 Hz is te verwaarlozen, evenals het piekje bij 50 Hz. In spanning omgerekend is -90 dBV gelijk aan 0,03 mVrms, aangezien we een vaste referentie hebben, namelijk 0 dBV = 1 Vrms. Dit zorgt ervoor dat we precies weten wat we meten.

De versterker is daardoor ook bijzonder stil. Dit is mede te danken aan de geavanceerde schakeling van de voeding.

Voor het omrekenen van dBV naar Vrms gebruik ik altijd deze handige site. Het is echter belangrijk om een vaste referentie te hebben.

ARTA-SPA Measurement Procedure:

Turn the amplifier's volume knob fully open and leave it untouched. This is essential for accurately measuring the gain factor later in FR2 and possibly in STEPS. If the potentiometer of the Arta interface is fully open and the 1-watt setting (+6 dBV at 4 Ohms or +9 dBV at 8 Ohms) is adjusted using the amplifier’s volume knob, the gain factor measurement will be incorrect.

Setup:

1. Connect the left or right output of the amplifier to a dummy load of 4 or 8 Ohms on the Left Input of the Arta interface.
2. Connect the left or right input of the amplifier to the Left Output of the Arta interface.
3. Set the right switch to ON and the left switch to OFF (as shown in the image). This is necessary for FR2 measurements and later for STEPS (dual-channel measurement).
4. Set Left Gain to 0.1 and Right Gain to 1, both in the Arta interface and on the computer.

Measurement Results:

At 1-watt output, this amplifier achieves a THD+N of 0.049%, an excellent value for a tube amplifier, contributing to high detail resolution. This outstanding performance is due in part to the TRANS technology used in the amplifier.

Additionally, power supply ripple is nearly absent. The small peak at 100 Hz is negligible, as is the peak at 50 Hz. In terms of voltage, -90 dBV equals 0.03 mVrms, since we use a fixed reference: 0 dBV = 1 Vrms. This ensures precise measurement accuracy.

As a result, the amplifier is exceptionally quiet, thanks to its advanced power supply design.

For converting dBV to Vrms, I always use this handy online calculator. However, having a fixed reference is crucial for consistency in measurements.

ARTA-FR2: Hier zien we twee dingen: het frequentiebereik en de versterking in dB V/V.

We hebben met de oscilloscoop een -3 dB frequentiebereik van 13 Hz gemeten, wat klopt. Hetzelfde geldt voor de hoge tonen. De oploop aan de rechterkant toont de limiet van de geluidskaart.

De versterking is 29,71 dB V/V bij 1 kHz. Dit komt overeen met 30,58 Vrms per 1 Vrms ingangsspanning. De versterker versterkt dus 30,58x.

ARTA-FR2: Here we see two things: the frequency range and the gain in dB V/V.

Using the oscilloscope, we measured a -3 dB frequency range of 13 Hz, which is correct. The same applies to the high frequencies. The rise on the right side shows the limit of the sound card.

The gain is 29.71 dB V/V at 1 kHz. This corresponds to 30.58 Vrms per 1 Vrms input voltage. So, the amplifier amplifies by a factor of 30.58.

ARTA-BURST DECAY. Dit onderwerp vereist bijna geen uitleg. Er zijn geen resonanties of voedingsresten waar te nemen.

Voor een meting moet eerst een impulsmeting worden uitgevoerd. Klik op "IMP" en vervolgens op de rode pijl. In het geopende veld selecteert u "SWEEP", en bij "number of Averages" vult u bijvoorbeeld 5 of meer in om een gemiddelde impulsmeting te krijgen. Vink ook "close after recording" aan zodat het veld automatisch sluit na de impulsmeting.

Klik nu bovenin op het icoontje "Burst decay".

ARTA-BURST DECAY. This topic requires almost no explanation. No resonances or power supply artifacts can be observed.

Before conducting a measurement, an impulse measurement must first be performed. Click on "IMP" and then on the red arrow. In the opened field, select "SWEEP," and under "number of Averages," enter 5 or more to obtain an averaged impulse measurement. Also, check "close after recording" so the field closes automatically after the impulse measurement.

Now, click on the "Burst decay" icon at the top.

STEPS. In deze stappen doorlopen we het frequentiebereik en meten we de vervorming.

Hiernaast is het frequentiebereik van de versterker te zien (bovenste lijn) en de 2e en 3e harmonische vervormingen (onderste lijnen). Dit is een eerste verkenning van de vervorming bij een bepaalde frequentie in dB V/V.

STEPS. In these steps, we go through the frequency range and measure the distortion.

Next to this, the frequency response of the amplifier is shown (top line) along with the 2nd and 3rd harmonic distortions (bottom lines). This serves as an initial exploration of the distortion at a given frequency in dB V/V.

Vervorming versus Frequentie.

Hier zien we de mate van vervorming per frequentie. Klik op het D%-icoontje nadat je het frequentiebereik hebt doorlopen.

 De 2e harmonische (grijze lijn) toont buisvervorming; lagere vervorming betekent meer detail. Trans technologie weet dit goed te onderdrukken.

 De 3e harmonische (rode lijn) toont kernvervorming door de uitgangstrafo, met een vervorming van ongeveer 0,05% over het frequentiebereik. Onder 50Hz neemt de vervorming toe.

Distortion vs. Frequency

Here, we see the level of distortion per frequency. Click on the D% icon after completing the frequency sweep.

The 2nd harmonic (gray line) shows tube distortion; lower distortion means more detail. Transistor technology effectively suppresses this.

The 3rd harmonic (red line) indicates core distortion caused by the output transformer, with a distortion level of approximately 0.05% across the frequency range. Below 50 Hz, the distortion increases.

STEPS-DISTORTION vs AMPLITUDE. Deze functie is te vinden onder "record". Hierbij verhogen we geleidelijk het uitgangssignaal (horizontale lijn, x-as) bij een bepaalde frequentie en meten de resulterende vervorming. Dit proces richt zich met name op het gedrag van de uitgangstransformator (UGT). De onderste rode lijn fungeert als referentie bij 1 kHz, waarbij ik de "startwaarde" dusdanig heb afgesteld dat het signaal net boven de ruisvloer van de geluidskaart en versterker uitkomt. Dit is zichtbaar doordat de lijn recht wordt en niet grillig blijft (zoals een zaagtand). Wanneer de lijn recht wordt, betreedt deze het veld. De “stopwaarde” is ingesteld zodat het signaal stopt bij maximaal vermogen (8Vrms @ 1kHz). Bij 8 Vrms heeft de 1 kHz toon een vervorming van 1,5%, wat een uitstekende waarde is. Hieruit blijkt duidelijk dat de UGT eerder problemen ondervindt bij lagere frequenties.

De groene lijn, aangeduid als untitled, vertegenwoordigt 40 Hz. De meeste UGT's zijn ontworpen voor 40 Hz, vanwege de grootte van de kern en het feit dat de meeste muziek zelden onder 40 Hz komt.

STEPS-DISTORTION vs AMPLITUDE

This function can be found under "record." Here, we gradually increase the output signal (horizontal line, x-axis) at a specific frequency and measure the resulting distortion. This process specifically focuses on the behavior of the output transformer (OTL).

The lower red line serves as a reference at 1 kHz, with the "start value" adjusted so that the signal is just above the noise floor of the sound card and amplifier. This is visible as the line straightens and no longer appears jagged (like a sawtooth). When the line becomes straight, it enters the measurement field. The "stop value" is set so that the signal stops at maximum power (8Vrms @ 1kHz). At 8 Vrms, the 1 kHz tone has a distortion of 1.5%, which is an excellent value. This clearly shows that the UGT experiences more difficulties at lower frequencies.

The green line, labeled "untitled," represents 40 Hz. Most OTL's are designed for 40 Hz due to the size of the core and the fact that most music rarely falls below 40 Hz.

STEPS-LINEARITY TEST. Hier onderzoeken we de lineariteit van de versterker bij een bepaalde frequentie en ook het gedrag van de UGT's. De verticale as toont de hoeveelheid versterking, terwijl de horizontale as de ingangsspanning weergeeft. De referentiefrequentie is 1 kHz. De versterker versterkt hier 30x, wat hij volhoudt tot ongeveer 0,27 Vrms ingangsspanning. Daarna neemt de versterking af. Dit komt overeen met 8,1 Vrms aan de uitgang.

• Bij een frequentie van 40 Hz is de lineariteit vergelijkbaar, hoewel de versterking iets lager is, namelijk ongeveer 28x, wat neerkomt op 7,5 Vrms.
• De lineariteit bij 30 Hz vertoont geen afwijkingen en blijft stabiel tot 0,27 Vrms.
• Bij 20 Hz begint de versterker problemen te ondervinden. De versterking is iets lager en neemt eerder af. Naarmate de frequentie dichter bij 1 kHz ligt, is de zelfinductie van de UGT groter.
• De meting bij 10 Hz dient ter vergelijking en heeft minder belang.

STEPS-LINEARITY TEST

Here, we examine the linearity of the amplifier at a specific frequency as well as the behavior of the output transformers (OTL's). The vertical axis represents the amount of amplification, while the horizontal axis shows the input voltage. The reference frequency is 1 kHz.

The amplifier provides a gain of 30x, which it maintains up to approximately 0.27 Vrms input voltage. Beyond this point, the gain starts to decrease, corresponding to 8.1 Vrms at the output.

• At a frequency of 40 Hz, the linearity is similar, although the gain is slightly lower at around 28x, which results in 7.5 Vrms.
• The linearity at 30 Hz shows no deviations and remains stable up to 0.27 Vrms.
• At 20 Hz, the amplifier starts to experience issues. The gain is slightly lower and decreases earlier. As the frequency approaches 1 kHz, the self-inductance of the OTL increases.
• The measurement at 10 Hz is for comparison purposes and is of lesser importance.

LIMP-Uitgangsimpedantie. Nu gaan we de uitgangsimpedantie van de versterker meten. Hiervoor moeten we eerst kalibreren.

• Sluit niets aan op de ARTA-2 meetunit. Zet beide knoppen op stand 1 en beide schakelaars op ON.
• Volumeknop op stand "CAL".
• Zet de koppel-Condensator schakelaars op DC.
• Open LIMP en druk op de knop "CAL".
• In het veld "calibrate" zet de "number of averages" op 10 en druk op "calibrate". Nu is de meetunit klaar voor de meting.

We gaan eerst een kabel meten. Sluit een kortgesloten kabel aan op de Left Input van de Arta Unit. Gebruik hierbij de kabel waarmee later de versterker gemeten wordt. Druk op de rode pijl, en kijk wat de impedantie is. De meting moet eruitzien zoals op de foto hiernaast. Stop de meting, en druk vervolgens op de knop "RLC" en noteer beide waardes. Let op: de waarde staat in mOhm. Ga vervolgens naar "Setup" en dan "Cable Compensation" en vul de genoteerde waardes in Ohm in. Vink het vakje aan om ervoor te zorgen dat de kabelweerstand automatisch wordt afgetrokken van de meting.

LIMP - Output Impedance

Now we will measure the output impedance of the amplifier. To do this, we must first calibrate the system.

• Do not connect anything to the ARTA-2 measurement unit.
• Set both knobs to position 1 and turn both switches ON.
• Set the volume knob to "CAL."
• Set the coupling capacitor switches to DC.
• Open LIMP and press the "CAL" button.
• In the "calibrate" field, set the "number of averages" to 10 and press "calibrate." The measurement unit is now ready.

Measuring the Cable

First, measure a cable. Connect a short-circuited cable to the Left Input of the ARTA unit. Use the same cable that will later be used for measuring the amplifier.

Press the red arrow and check the impedance. The measurement should look like the reference image.

Stop the measurement, then press the "RLC" button and note both values. Important: The values are in milliohms (mΩ).

Go to "Setup" > "Cable Compensation" and enter the recorded values in ohms (Ω).

Check the box to ensure that the cable resistance is automatically subtracted from the measurement.

Sluit de kabel aan op de uitgang van de versterker, zonder gebruik te maken van een dummyload. Zorg ervoor dat er niets is aangesloten op de ingang. Zet de volumeregelaar van de versterker op minimaal of kortsluit de ingang. Druk vervolgens op de rode pijl. Als alles correct is uitgevoerd, zou u een resultaat moeten zien zoals weergegeven op de bijgevoegde foto. De uitgangsimpedantie van deze versterker bedraagt 1,3 Ohm@1kHz.

U kunt nu tevens de dempingsfactor berekenen. Dit doet u door 8 Ohm te delen door 1,3 Ohm, wat resulteert in een DF van 6,15@1kHz.

Connect the cable to the output of the amplifier without using a dummy load. Ensure that nothing is connected to the input. Set the amplifier's volume control to minimum or short the input. Then, press the red arrow. If everything is done correctly, you should see a result similar to the attached photo. The output impedance of this amplifier is 1.3 Ohms @ 1kHz.

You can now also calculate the damping factor. Do this by dividing 8 Ohms by 1.3 Ohms, resulting in a DF of 6.15 @ 1kHz.