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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Low-Noise design gemischter analog/digital Schaltungen


Autor: The Daz (Gast)
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Hallo Experten,
ich bin auf der Suche nach Tipps und Tricks zum Entwurf und PCB-Layout
von gemischt analog/digitalen Schaltungen mit Hinblick auf Rausch- und
Brummfreiheit. Die Sachen, die ich bisher gefunden habe sind :

- analoge von digitaler Stromversorgung trennen
- analoge und digitale Masse an einem einzigen Punkt zusammenführen
- digitale und analoge Schaltung räumlich trennen
- Trafos soweit weg wie möglich
- fleißig Entkopplungkondensatoren benutzen
- am besten noch eine Induktivität in Reihe zur Versorgungsspannung für
jeden Chip
- kurze Signalwege
- separate power planes (fällt bei mir aus weil ich mich auf 2 Layer
beschränken muß)

Ich hab mich mal umgesehen und denke, daß für mich der LM833 den besten
Kompromiss zwischen Preis + Rauschverhalten darstellt. In die Schaltung
plane ich digitale Potis zu verbasteln und die per uC zu kontrollieren.
Die ganze Sache soll Audio-Signale mischen und in möglichst hoher
Qualität wieder ausspucken ohne gleich professionelle Ansprüche
erfüllen zu wollen, die aber für den ambitionierten Amateur ok ist. In
diesem Zusammenhang sind keine Verstärkungen oberhalb von Faktor 2
nötig und der Nominalpegel soll bei 0dBV liegen (1V).

Zu den Fragen :

1. Jetzt habe ich die Wahl zwischen kurzen analogen Signalwegen die von
digitalen Leitungen durchkreuzt werden, oder schön beieinander gelegten
digitalen Netzen verbunden mit längeren analogen Signalwegen. Was ist
denn hier die bessere Alternative ?

2. Haben die benutzen Widerstandswerte Einfluss auf das Rauschen ?

3. Gibt es bestimmte Kondensatortypen, die man einsetzen sollte ?

Schonmal vielen Dank im Vorraus.

   Daz

Autor: Michael (Gast)
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Ich kann Dir raten, den analogen Schaltungsteil mit einer separaten
Massefläche zu versehen und separate Signale GND und AGND über einen 0
Ohm Widerstand=Drahtbrücke zusammenzubringen.
Wenn kurze Leitungen, dann die analogen ggf. mit zwei AGND-Leitungen
beidseitig geschirmt.
Mache Dein Layout, teste es durch und ärgere Dich nicht, wenn Du es
noch öfter ändern mußt.

Ansonsten kommt es auch noch darauf an, welche analogen Signale Du
verarbeiten willst: Pegel, Frequenz, Impedanz, ...

Autor: The Daz (Gast)
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Pegel = 0dBV (1V)
Frequenz: Audio (20Hz-20kHz)
Impedanz: <= 600 Ohm am Ausgang, Eingang möglichst im Megaohm-Bereich

Autor: Michael (Gast)
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.... ,also ich halte die Audio immer kompakt und evtl muß mal eine
digitale Leitung im rechten Winkel dazu durch.
Mit den anderen Maßnahmen die Du aufgezählt hast war ich immer
ausreichend bedient. Für ein Meßgerät reichts vielleicht nicht aber bei
allen Audio Anwendungen war ich von der Qualität angenhemn überrascht
mußte ich das Rauschen suchen...
LM833 ist super oft (unabsichtlich) gequält - nie gestorben.
Tipp: wo möglich Audio immer symmetrisch betreiben..

Michael

Autor: The Daz (Gast)
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Michael, danke fuer den Tipp. Werde die orthogonalen routes versuchen zu
beruecksichtigen.

Vielleicht kannst du mir noch bei einem anderen Problem helfen :

Meine digitalen Potis erlauben nur einen Spannungshub von +/- 2,7V was
nicht besonders viel headroom ist. Ich wuerde am liebsten +/- 15V
haben,  also ueberlege ich, ob ich nicht das Eingangssignal daempfe
(-12db)und am Ausgang im gleichen Mass wieder verstaerke (+12 db). Ist
das Unsinn (weil damit der Rauschabstand kleiner wird), oder
praktikabel ?

  Daz

Autor: Christian G. (Gast)
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Du handelst dir damit halt das Problem ein, daß alles (Rauschen,
Brummen, 'Digitaldreck'), was nach der Dämpfung zum Signal dazukommt,
später um eben diesen Betrag verstärkt wird.
Du solltest zunächst mal deinen Signalweg skizzieren  und feststellen,
an welchen Punkten du welche Pegel hast. In welchem Bereich liegen
deine Eingangssignale? Brauchst du da einen großen Headroom? 5.4Vss
sind schon eine ganze Menge. Welchen Pegel brauchst du am Ausgang?

Angenommen du hast 8 Eingangssignale mit max. +4dBu (1.228Vrms), die du
mischen (addieren) willst, dann dämpfst du die Signale per dPoti vor dem
Mischer soweit (-18dB), daß du am Ausgang wieder ein Signal mit maximal
+4dBu hast. Dieses Signal liegt dann wiederum in dem Bereich, den ein
vor dem Master-Out liegendes digitales Poti verarbeiten und eine danach
angeschlossenen Endstufe voll aussteuern kann und du hast nirgendwo im
Signalweg einen höheren Pegel als +4dBu bei einem Headroom von 3.8dB zu
den Potis.

Schwieriger wirds bei Equalizern im Signalweg. Da brauchst du zwar
nicht unbedingt viel höhere Signalpegel, es kann aber schon vorkommen,
daß du durch zuviel Anhebung eine nachfolgende Stufe überfährst. Z.B.
du möchtest den Bass bei 60Hz um 9dB anheben, um noch so richtig Rumms
aus deinen €50.- Lautsprechern zu kriegen;-) da reichen die 3.8dB
Headroom natürlich nicht.
Es ist nicht prinzipiell Unsinn, am Eingang zu dämpfen und am Ausgang
wieder zu verstärken, du solltest dir aber schon darüber klar sein,
wieviel wovon du wirklich brauchst und auf ein rauscharmes Design
achten.
-> Für welche Audio-Signalquelle willst du eigentlich eine
Eingangsimpedanz im MOhm-Bereich haben, hochohmiger Gitarren-Pickup?
Das versaut dir doch nur die S/N-Ratio.
Der LM833 ist ein bipolarer OP mit einem Rin < 200k, dafür müßtest du
schon FET-OPs nehmen.
Schau dir mal http://sound.westhost.com/project30.htm an, ist ein gutes
Beispiel für ein Stagemixer-Design.

Gruß,

Christian.

Autor: The Daz (Gast)
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Christian,
ich hab garnicht dran gedacht, dass der LM833 ein bipolarer OpAmp mit <
200k Impedanz ist. Nein, ich muss nur Line-Signale mischen, insofern ist
die hohe Eingangsimpedanz nicht wichtig. Ich dachte nur, dass ich bei
ner hohen Eingangsimpedanz den Koppelkondensator kleiner waehlen kann.

Inwiefern beeinflusst der Eingangswiderstand die S/N ratio ? Ist der
Kondensator-Typ am Eingang wichtig in diesem Zusammenhang ? In deinem
link sehe, dass Elkos! verwendet werden. Das finde ich ziemlich schraeg
- ich wusste garnicht, dass das ein korrekter Einsatz fuer einen Elko
ist.

Der Mischer ist Teil eines Gitarren-Racks und leider produziert ein
cleaner Amp mitunter ziemlich hohe Amplituden weswegen ich beim Thema
headroom auf Nummer sicher gehen wollte. Ich hab an anderer Quelle
gelesen, dass Studio-Equipment sogar +20dbV vertraegt. Auf jeden Fall
brauche ich auch nur +4dBV am Ausgang, dies ist aber nicht so kritisch,
weil die Endstufe (Roehre) ziemlich was vertraegt.

Autor: Christian G. (Gast)
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In Kürze: Je höher die Eingangsimpedanz, desto höher auch das
Eingangsrauschen und die Empfindlichkeit gegenüber Störeinstrahlungen.
Wenn du Quellimpedanzen von 1-2K hast reicht eine Eingangsimpedanz von
10-20k aus. Es geht natürlich auch weniger, dann wird aber das Signal
auch entsprechend abgeschwächt.
Ich will hier jetzt niemanden dazu verleiten, eine Diskussion über
Elkos im Signalweg anzufangen und warum nur sauteure BlackCaps und
Folienkondensatoren das einzig Wahre sind und daß ein durch Elkos
auftretender Klirrfaktor von 0.001%@20Hz den tollen Klang der darauf
folgenden Röhrenendstufe zunichte macht. Du würdest dich wundern,
wieviele Elkos in den Signalwegen der Aufnahmen einer x-beliebigen
Musik-CD waren (ich habe hier noch irgendwo den Schaltplan einer
Soundcraft 2400 Studiokonsole rumfliegen). Richtig eingesetzt sind
Elkos an notwendigen Punkten im Audio-Signalweg kein Problem (wie auch
bei dem Stagemixer). Ein paar Gedanken und Messergebnisse dazu, die
erfrischenderweise überhauptgarnichts mit Voodoo zu tun haben und dir
außerdem zeigen, warum ein möglichst kleiner Wert für den
Koppelkondensator keine so gute Idee ist, findest du unter diesen
Links:
http://sound.westhost.com/articles/capacitors.htm#2.2
http://www.dself.dsl.pipex.com/ampins/dipa/dipa.htm#5 (5.8 Distortion
8: Capacitor Distortion)

Natürlich verträgt Studioequipment recht hohe Pegel, an den Stellen
sind aber keine Digitalpotis, die nur max. 5.4Vss vertragen. Ich habe
ja auch gesagt, daß du gerne am Eingang dämpfen und am Ausgang wieder
verstärken kannst, wenn du dir Gedanken darüber machst, ob und in
welchem Maße du das brauchst und dabei auf ein rauscharmes Design
achtest. In deinem Fall wäre doch eventuell auch ein schaltbarer
Abschwächer am Eingang ausreichend?

Gruß,

Christian.

Autor: The Daz (Gast)
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Klar, am Eingang wuerde auch eine konstante Daempfung reichen. Nur muss
ich die halt spaeter u.U. wieder aufholen und da kann ich gleich mal
den Verstaerkungsfaktor von meiner S/N ratio abziehen. Kann man nix
machen. Ich versuch mich erstmal ohne, und wenn der headroom nicht
reicht, kann ich diesen Ausweg immernoch versuchen.

Meine Verwunderung ueber Elkos war nicht durch den religioesen Bullshit
erregt, sondern eher ueber die Tatsache, dass ein gepolter Kondensator
ein AC Signal uebertragen soll. Auch wenn das Teil bei den kleinen
Spannungen nicht gleich seinen Geist aufgeben wird, so Frage ich mich
doch ob er dann noch Anforderungen in Bezug auf Signalqualitaet
entspricht. Wenn die einen ungepolten Elko damit meinen ist es klar,
allerdings stimmt dann der Schaltplan nicht.

Mein Streben nach nem kleinen Koppelkondensator ist durch die Kosten
fuer grosse ungepolte Kondensatoren (teuer) und die noetige
Platinenflaeche (noch teurer) begruendet. Eigentlich ist das auch
garnicht so kritisch weil der Frequenzgang einer Gitarrenanlage ja eher
begrenzt ist. Wichtiger ist mir da Dynamik, Rausch- und Brummfreiheit.

Autor: Christian G. (Gast)
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'Religiöser Bullshit', sehr gewählte Ausdrucksweise;-)
Das mit unipolaren Elkos funktioniert (auch dauerhaft), wenn das Signal
selbst keinen wirklich großen verpolten Gleichanteil besitzt, gar keinen
Gleichanteil besitzt oder eben einfach richtig vorgespannt ist. Ist die
Kapazität des Elkos und die Impedanz der nachfolgenden Stufe groß genug
(z.B. 100u und 10k), werden hin zu sehr tiefen Frequenzen zunehmend
zwar Verzerrungen produziert, die liegen aber unterhalb der
Nutzbandbreite (s. o.g. Links) und sind normalerweise nicht
signifikant. Vor allem, wenn man das mit Verzerrungen vergleicht, die
durch Endstufen, passive Frequenzweichen und den Lautsprechern selbst
erzeugt werden. Also alles halb so wild.
Bipolare Elkos klirren zwar noch weniger, haben aber wieder andere
Probleme wie hohe Toleranz, Alterung und Preis.
Wenn mich nicht alles täuscht, habe ich in den Datenblättern von
digitalen Potis (Maxim oder Microchip) Verzerrungen gesehen, die
deutlich höher lagen...
Solange du also unipolare Elkos nicht heftig verpolst, kannst du sie
ohne signifikante Signalbeeinträchtigung zur Entkopplung einsetzen. Das
ist jetzt alles keine Erfindung von mir, sondern gängige Praxis.

Nochmal zu deiner ersten Frage: analoge Signale auf der einen, digitale
Signale auf der anderen Seite, die dPotis bilden dann quasi die Grenze,
sollten sich dadurch etwas längere Signalwege im Analogteil (2-3cm)
ergeben, egal. Hautpsache du hast Analog und Digital möglichst gut
voneinander getrennt. Wobei sich ein Layout für  einen einfachen
Linemischer mit ein paar Kanälen und einer Summe inklusive der dPotis
auch ohne unnötig lange Signalwege routen läßt und keine Steuerleitung
irgendwie ein Analogsignal kreuzt.


Gruß,

Christian.

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