Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Digitaler Lautstärkeregler, Alternativen zum PGA2311


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von Keksstein (Gast)


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Hallo,

ich bin auf der Suche nach einem digital steuerbaren Lautstärkepoti mit 
geringem Gleichlauffehler und sehr niedrigen THD. Das ganze soll vor 
einem Kopfhörerverstärker (Endstufe) eingesetzt werden dessen THD so bei 
-120dB (!) liegt. Mein Problem ist, vor diesem Verstärker befindet sich 
ein ein normaler Vorverstärker dessen Ausgangspegel meisten bei ~50mVeff 
liegt, in dem Bereich verzerrt ein PGA2311 zum Beispiel schon merklich. 
Es wäre außerdem schön wenn der IC bei +-15V laufen würde und von sich 
aus schon eine Verstärkung machen kann, im Grunde wäre ein PGA2310 mit 
verbessertem THD genau das richtige.

Meine Frage ist nun, kennt jemand ICs deren Verzerrungen unter denen des 
folgenden Kopfhörerverstärkers liegen oder bleibt mir da nur ein 
normales Poti? Meine Suche bei den namhaften Herstellern (Ti, Analog, 
Cirrius, Maxim...) war bisher nicht wirklich erfolgreich...
Hat jemand eine bessere Lösung?

Ich bin mir übrigens bewusst das man so geringe Verzerrungen absolut 
nicht hören kann.

Dankeschön!

Gruß,
Jan

von Ulrich H. (lurchi)


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Bei einem 50 mV Pegel ist eine Forderung nach -120 dB THD sinnlos, denn 
da hat man praktisch immer mehr Rauschen. Wenn man an der Grenze des 
machbaren ist, sollte man mit dem Pegel eher an der oberen grenze 
bleiben, also eher 1-5 V als Symmetrisches Signal.

Die Alternative die man noch hat, wäre ein Reihe von Relais. Es wäre 
auch zu überlegen wenigstens eine grobe Stufe (z.B. 40 dB) in den 
Endverstärker (oder gar dahinter) zu legen, so dass man nicht so sehr 
den Weg runter und wieder hoch geht. Sonst hat man zwar -120 dB THD aber 
bei 1 W Leistung nur noch 70 dB Rauschabstand - und das kann man ggf. 
gerade noch hören.

von Harald W. (wilhelms)


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Keksstein schrieb:

> ich bin auf der Suche nach einem digital steuerbaren Lautstärkepoti mit
> geringem Gleichlauffehler und sehr niedrigen THD.

Dann nimm ein Motorpoti.

von Keksstein (Gast)


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>Die Alternative die man noch hat, wäre ein Reihe von Relais. Es wäre
>auch zu überlegen wenigstens eine grobe Stufe (z.B. 40 dB) in den
>Endverstärker (oder gar dahinter) zu legen, so dass man nicht so sehr
>den Weg runter und wieder hoch geht.

So machen es die PGAs ja, vom Aufwand her wäre das für mich absolut in 
Ordnung mit den Relais. Der PGA hat aber einen entscheidenden Vorteil, 
er arbeitet Knackfrei da er im Nulldurchgang die Verstärkung ändert, mit 
Relais wird das sehr schwer bzw. nur mit hörbarer Unterbrechung zu 
machen sein denke ich. Bekommt man sowas in den Griff mit z.B. REED 
Relais?

>Dann nimm ein Motorpoti.

Die mir bekannten haben ordentlich Probleme mit dem Gleichlauf, 
zumindest laut Datenblatt. Besser ist da ein High Tech Poti das die 
Firma Thel anbietet, das Motorisierte liegt bei gut 120€ und ist der 
Notfallplan.


Ich habe eben den MAS6116 entdeckt:

http://www.mas-oy.com/uploads/Data%20sheets/DA6116.pdf

Der wäre bei mir praktisch ideal auch was die Eingangspegel angeht. Das 
klappt aber nur im "balanced mode", lässt sich aber machen.

Was haltet Ihr von dem IC, besonders im Vergleich zum 2311er?

von Ulrich H. (lurchi)


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Ein Geräusch beim Umschalten ist bei den Relais kaum zu vermeiden 
(eventuell noch wenn man zusätzliche FETs parallel hätte, die dann für 
die kurze Zeit das Signal übernehmen. Der Aufwand wäre dann aber 
erheblich.

Von den Verzerrungen ist der PGA2311 doch in Ordnung. Das Problem ist 
das Rauschen bei einem so kleinen Signal - das wird man so schnell nicht 
los. Da müsste man schon einen extrem rauscharmen Verstärker (irgendwas 
wie 10 mal AD797 parallel) haben um bei 50 mV noch in die Nähe von 120 
dB SNR (jedenfalls nicht bewertet) zu kommen. Es ist auch sehr zu 
bezweifeln das die Quelle das mitmacht - das mindeste wären da schon mal 
weniger als etwa 6 Ohm Quellwiderstand.

Wenn man erst auf ein symmetrisches Signal gehen muss, kann man dabei 
auch gleich verstärken. Damit wäre dann auch das Problem beim PGA23xx 
gelöst.

von Keksstein (Gast)


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>Ein Geräusch beim Umschalten ist bei den Relais kaum zu vermeiden
>(eventuell noch wenn man zusätzliche FETs parallel hätte, die dann für
>die kurze Zeit das Signal übernehmen. Der Aufwand wäre dann aber
>erheblich.

Oder kurz per Relais muten, aber ob das so schnell funktioniert das es 
nicht stört?

>Von den Verzerrungen ist der PGA2311 doch in Ordnung.

Ich hole mal ein wenig weiter aus, mein erstes Konzept war es die 
Verstärkung in der Endstufe per Relais schaltbar zu machen und davor den 
PGA2311 einzusetzen. Sobald der PGA verstärken soll wird die 
Grundverstärkung in der Endstufe höher gesetzt und der PGA dämpft um 
diesen Wert. Die Endstufe passt ihre Verstärkung also immer so an das 
der SNR möglichst klein bleibt, Umschaltung der Verstärkung (wie es die 
meisten klassischen Kopfhörerverstärker haben) entfällt damit ganz. Das 
Problem war nun das ich am Eingang Signale bis 22dBu verarbeiten will, 
das ist zu viel für den PGA. Ich habe deshalb direkt an den Eingang ein 
Spannungsteiler 1/5 gesetzt (per Jumper im Normallfall gebrückt) was 
aber wieder den gewonnenen Vorteil beim SNR zunichte macht.
Der PGA2310 wäre optimal weil er intern die ganze Verstärkung machen 
kann, hat aber den Nachteil das er deutlich höher verzerrt als der 
PGA2311.

>Das Problem ist
>das Rauschen bei einem so kleinen Signal - das wird man so schnell nicht
>los. Da müsste man schon einen extrem rauscharmen Verstärker (irgendwas
>wie 10 mal AD797 parallel) haben um bei 50 mV noch in die Nähe von 120
>dB SNR (jedenfalls nicht bewertet) zu kommen.

Du hast recht, die Anforderung war ein wenig übertrieben. (=
Prinzipiell geht es darum:
Vor dem Kopfhörerverstärker sitzt eine gekaufte Vorstufe mit ähnlichem 
Konzept, ein HIFIAkademie Preamp:

http://hifiakademie.de/?id=3&si=MTQxMjcwNzY2Mi45MjUyfDg4LjY1LjEzLjEyNnwg

Momentan habe ich einen Kopfhörerverstärker der Firma Funk 
Tonstudiotechnik, den LPA-2 nach der Vorstufe im Betrieb dessen 
Lautstärkepoti bis kurz vor Anschlag aufgedreht ist, er ist praktisch 
nur als Endstufe in Verwendung. Ich brauche noch einen zweiten 
Kopfhörerverstärker und wollte etwas eigenes aufbauen, habe aber ein 
wenig Angst das ich mit dem PGA2311 (der ja schon das abgeschwächte 
Signal der Vorstufe bekommt) auf die Nase falle.

>Wenn man erst auf ein symmetrisches Signal gehen muss, kann man dabei
>auch gleich verstärken. Damit wäre dann auch das Problem beim PGA23xx
>gelöst.

Ich müsste eben erst symmetrien und nach dem MAS desymmetrien, da kann 
der PGA schon wieder vorne liegen.

von Ulrich H. (lurchi)


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Man sollte es vermeiden überhaupt über den kleinen 50 mV Pegel zu gehen. 
Das sollte eigentlich möglich sein das Signal auch mit ordentlichem Line 
Pegel zu bekommen. Die grobe Anpassung an die Quelle kann man auch 
"fest" machen mit Jumpern oder ähnlichem, das muss nicht lautlos zu 
schalten sein.

Beim Kopfhörerverstärker braucht die Endstufe nicht wirklich verstärken, 
das ist dann eigentlich nur noch eine Impedanzwandlung. Die grobe 
Reduzierung der Verstärkung (z.B. 30-50 dB) könnte man da tatsächlich 
passiv hinter dem "Verstärker" machen, sofern es mit dem 
Ausgangswiderstand hinkommt - da gehen die Meinungen auseinander, was 
man da haben will. Da man die Stufe nur sehr selten wechseln muss (ggf. 
in der Steuerung etwas Hysterese einbauen) soll da ein leichtes Knacken 
nicht stören, zumal man ggf. vorne ein Mute machen kann.

Der PGA .... oder ähnliche muss dann nur noch einen kleineren Bereich 
von vielleicht +10 dB bis -40 dB abdecken. Mit einem passende Pegel ist 
das ja auch kein Problem - zur Not halt differentiell für etwa 6 dB mehr 
Dynamik. Für den extremen High End Bereich sollte das Signal eigentlich 
sowieso so weit es geht symmetrisch-differentiell sein.

von Keksstein (Gast)


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>Man sollte es vermeiden überhaupt über den kleinen 50 mV Pegel zu gehen.

Warum darüber, kleine Signale sind doch eher das Problem?

>Die grobe Anpassung an die Quelle kann man auch
>"fest" machen mit Jumpern oder ähnlichem, das muss nicht lautlos zu
>schalten sein.

Ziel ist es schon das man die Schaltung auch als reinen Kopfhörer 
"Vollverstärker" verwenden kann, ich werde auch öfter mal direkt an eine 
normale Line Quelle gehen und muss dann natürlich ohne Nachteile die 
Lautstärke einstellen können.

>Beim Kopfhörerverstärker braucht die Endstufe nicht wirklich verstärken,
>das ist dann eigentlich nur noch eine Impedanzwandlung.

Im Grunde ist es "nur" ein OP + Buffer, es stört nicht die OP-Stufe bei 
bedarf verstärken zu lassen.

>Die grobe
>Reduzierung der Verstärkung (z.B. 30-50 dB) könnte man da tatsächlich
>passiv hinter dem "Verstärker" machen, sofern es mit dem
>Ausgangswiderstand hinkommt - da gehen die Meinungen auseinander, was
>man da haben will.

Das geht solange wie man die Impedanz des KHs kennt gut, ich denke aber 
eine niederohmige Endstufe schadet nie. Wo liegt das Problem vor der 
Endstufe zu dämpfen wenn diese schon ein so geringes Rauschen aufweist?

>Da man die Stufe nur sehr selten wechseln muss (ggf.
>in der Steuerung etwas Hysterese einbauen) soll da ein leichtes Knacken
>nicht stören, zumal man ggf. vorne ein Mute machen kann.

Ich würde das über den PGA lösen der kurz wenn die Verstärkung in der 
Endstufe (per Relais) geschaltet wird seinen Ausgang auf Mute stellt. 
Ohne Signal hört man bei der Umschaltung ja nichts.

>Der PGA .... oder ähnliche muss dann nur noch einen kleineren Bereich
>von vielleicht +10 dB bis -40 dB abdecken

Genau das würde er ja auch tun wenn man zusätzlich automatisch die 
Verstärkung in der Endstufe umschalten lässt, z.B. eine einfache 
Steuerung mit µC. Die Frage ist eher ob es eine gute Idee ist dem PGA an 
seinen Eingang einen so niedrigen Pegel zu geben?

>Mit einem passende Pegel ist
>das ja auch kein Problem - zur Not halt differentiell für etwa 6 dB mehr
>Dynamik.

Wie ist das gemeint?

>Für den extremen High End Bereich sollte das Signal eigentlich
>sowieso so weit es geht symmetrisch-differentiell sein.

Am Eingang? Ist als zusätzlicher Eingang geplant, deshalb auch die 
Dämpfung 1/5 am Eingang.

von Ulrich H. (lurchi)


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Beim Kopfhörer muss man so mit 16 - 600 Ohm Impedanz rechnen, wobei man 
selten unter 32 Ohm kommt. Der Verstärker sollte also mit einer 16 bzw. 
32  Ohm Last klar kommen. Ein -40 dB Teiler wäre ein Faktor 100, also 
etwa 100 Ohm und 1 Ohm. Die Ausgansimpedanz wäre damit bei 1 Ohm schon 
sehr niedrig. Die Frage ist halt was man da haben will, teils werden 
auch rund 50 Ohm als Ausgangswiderstand vorgeschlagen.

Den Vorteil, den man mit einer Abschwächung hinter dem Verstärker hat, 
ist das man auch bei kleiner Lautstärke noch ein gutes SNR hat, weil 
halt auch das Rauschen des Verstärkers reduziert wird. Man gewinnt also 
bei gerigner Lautstärke z.B. 40 dB beim SNR. Mit Teiler am Ausgang wird 
das SNR vermutlich im wesentlichen vom Widerstand des Kopfhörers 
bestimmt - man ist damit also praktisch am theoretischen Limit. Den 
Preis den man dafür Zahlt, ist ein etwas höherer Stromverbrauch ( meist 
< 1 W) - für den Netzbetrieb und der relativ kleine Leistung eines 
Kopfhörers geht das noch.
Die Begrenzung der Lautstärke ist noch eine kleine Baustelle, wenn man 
32 Ohm und 600 Ohm zulassen will.

Mit fester Verstärkung und einer nicht so extremen Last (wenigstens 1 
Ohm als Serienwiderstand), kann man auch die Endstufe besser auslegen.

In der Regel ist auch nicht so sehr das SNR wichtig, sondern der 
absolute Rauschpegel am Ausgang, gerade bei kleiner Lautstärke. Bei 
einem normalen Verstärker also das SNR bei 1W (oder weniger) nicht der 
Wert bei voller Leistung.

Der sehr niedrige Pegel am Eingang ist keine gute Idee. Die 1/5 
Abschwächung sollte man da also nur nutzen wenn man die braucht. Um noch 
auf 120 dB SNR zu kommen, darf man eigentlich nie unter etwa 300 mV 
kommen.

von Keksstein (Gast)


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>Beim Kopfhörer muss man so mit 16 - 600 Ohm Impedanz rechnen, wobei man
>selten unter 32 Ohm kommt. Der Verstärker sollte also mit einer 16 bzw.
>32  Ohm Last klar kommen. Ein -40 dB Teiler wäre ein Faktor 100, also
>etwa 100 Ohm und 1 Ohm. Die Ausgansimpedanz wäre damit bei 1 Ohm schon
>sehr niedrig. Die Frage ist halt was man da haben will, teils werden
>auch rund 50 Ohm als Ausgangswiderstand vorgeschlagen.

So ~100 Ohm war einmal der Normwert für Kopfhörerausgänge, vermutlich 
weil man Leistungsendstufen so auf Kopfhörerpegel abgeschwächt hat und 
damit Kopfhörer mit unterschiedlichen Impedanzen am gleichen Ausgang 
gleich laut sind.

>Den Vorteil, den man mit einer Abschwächung hinter dem Verstärker hat,
>ist das man auch bei kleiner Lautstärke noch ein gutes SNR hat, weil
>halt auch das Rauschen des Verstärkers reduziert wird. Man gewinnt also
>bei gerigner Lautstärke z.B. 40 dB beim SNR. Mit Teiler am Ausgang wird
>das SNR vermutlich im wesentlichen vom Widerstand des Kopfhörers
>bestimmt - man ist damit also praktisch am theoretischen Limit. Den
>Preis den man dafür Zahlt, ist ein etwas höherer Stromverbrauch ( meist
>< 1 W) - für den Netzbetrieb und der relativ kleine Leistung eines
>Kopfhörers geht das noch.
>Die Begrenzung der Lautstärke ist noch eine kleine Baustelle, wenn man
>32 Ohm und 600 Ohm zulassen will.

Ich denke in dem Fall überwiegen dann aber die Nachteile, auch einem 
Kopfhörer schadet die elektrische Bedämpfung des Chassis nicht wirklich.

>Mit fester Verstärkung und einer nicht so extremen Last (wenigstens 1
>Ohm als Serienwiderstand), kann man auch die Endstufe besser auslegen.

Es liegt ein RL-Glied (Parrallelschaltung) in Serie zum Ausgang, im 
Versuchsaufbau hat das super gegen kapazitive Lasten geholfen. Die 
Induktivität wird schon ~1 Ohm Innenwiderstand haben, so extrem niedrig 
muss es für Kopfhörer ja nicht sein.

>In der Regel ist auch nicht so sehr das SNR wichtig, sondern der
>absolute Rauschpegel am Ausgang, gerade bei kleiner Lautstärke. Bei
>einem normalen Verstärker also das SNR bei 1W (oder weniger) nicht der
>Wert bei voller Leistung.

OK, das macht für mich Sinn, hängt aber auch vom Eingangspegel ab.

>Der sehr niedrige Pegel am Eingang ist keine gute Idee. Die 1/5
>Abschwächung sollte man da also nur nutzen wenn man die braucht. Um noch
>auf 120 dB SNR zu kommen, darf man eigentlich nie unter etwa 300 mV
>kommen.

Wird auch so gemacht, ist das direkt auf den PGA bezogen?
Mein Problem ist einfach das ich nicht einschätzen kann in wie weit der 
PGA mir Probleme machen wird bezüglich Klirr und rauschen, es wäre halt 
ärgerlich wenn der Rest der Schaltung dadurch "begrenzt" wird das im 
Grunde 2 PGAs hintereinander liegen. Bei meiner aktuellen Lösung macht 
der Kopfhörerverstärker ca. 4 fache Verstärkung, die Vorstufe mit 
PGA2311 steht für normale Lautstärke auf -25dB - -30dB. rechnet man das 
nach bekommt der Kopfhörerverstärker an den Eingang im Normalfall 
ungefähr 100mV, rauschen ist momentan kein Thema und ist erst zu hören 
ab einer Verstärkung von +20dB.

von Ulrich H. (lurchi)


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Beim PGA2311 sind ja auch nur die Werte vom THD+Noise nicht so gut. Da 
ist nicht direkt angegeben ob es am Klirr oder dem Rauschen liegt, aber 
es ist eigentlich klar das bei kleiner Amplitude das Rauschen dafür 
verantwortlich ist. Vom Klirrfaktor ist das IC sehr gut, nur beim SNR 
ginge es halt besser, auch weil andere ICs einen höheren Pegel erlauben.

Die Verstärkung der Endstufe sollte auf das Minimum begrenzt sein, um 
das unvermeidliche Rauschen am Eingang der Endstufe bzw. Ausgang des 
Lautstärkereglers nicht unnötig zu verstärken. Also so, das die 
Begrenzung am Eingang und Ausgang der Endstufe praktisch zusammenfallen. 
Das dürfe beim Kopfhörer Verstärker also eher eine Verstärkung von 1 
oder vielleicht noch 2 sein, wenn man auch 600 Ohm treiben will. Für die 
Lautstärkeeinstellung macht es da schon Sinn auch die Verstärkung der 
Endstufe auf 1 runter zu schalten, statt nur das Signal davor 
abzuschwächen. Wenn man es ernst nimmt braucht man für einen 32 Ohm 
Kopfhörer vermutlich auch meist nicht mal eine Verstärkung von 1. 
Effektiv unter 1 geht halt am besten mit passivem Teiler hinter dem 
Verstärker - auch wenn der Faktor 100 von oben vermutlich übertrieben 
ist, aber ein Fakor von etwa 5 ist schon allein wegen der Anpassung der 
Impedanz im Vergleich zu 600 Ohm angebracht. Oft wird man auch etwa 
10-20 dB unter der maximalen Lautstärke bleiben - ein Teiler von etwa 
1:10 dürft bei einem 32 Ohm Kopfhörer also die meiste Zeit drin sein.

Es ist da halt die Frage wie man die Lautstärke an den Kopfhörer 
anpassen will: per Ausgangswiderstand (etwa die 100 Ohm) oder Aktiv 
durch umschalten (Schalter oder ggf. automatisierte Erkennung ?).

Wenn man in der Anwendung 2 Stufen der Lautstärkeregelung hinter 
einander hat, sollte man halt dafür sorgen, das die erste Stufe das 
Signal nicht zu weit abschwächt, sondern nur dass es in den 
Eingangsbereich passt. Bei geringerem Pegel ist auch die Quelle 
vermutlich vom SNR nicht mehr so toll - es sei denn die hat einen 
passiven Abschwächer am Ausgang. Viel besser als die Ausgangsstufe davor 
muss die Eingangsstufe nicht sein.

von Keksstein (Gast)


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>Beim PGA2311 sind ja auch nur die Werte vom THD+Noise nicht so gut. Da
>ist nicht direkt angegeben ob es am Klirr oder dem Rauschen liegt, aber
>es ist eigentlich klar das bei kleiner Amplitude das Rauschen dafür
>verantwortlich ist. Vom Klirrfaktor ist das IC sehr gut, nur beim SNR
>ginge es halt besser, auch weil andere ICs einen höheren Pegel erlauben.

Jetzt habe ichs verstanden warum das Diagramm für THD+N über Amplitude 
zu geringen Ein / Ausgangsspannungen immer schlechter wird, ist ja auch 
absolut logisch wenn man das Rauschen betrachtet. Danke für den Hinweis, 
damit werde ich den IC einsetzen können!

>Die Verstärkung der Endstufe sollte auf das Minimum begrenzt sein, um
>das unvermeidliche Rauschen am Eingang der Endstufe bzw. Ausgang des
>Lautstärkereglers nicht unnötig zu verstärken. Also so, das die
>Begrenzung am Eingang und Ausgang der Endstufe praktisch zusammenfallen.
>Das dürfe beim Kopfhörer Verstärker also eher eine Verstärkung von 1
>oder vielleicht noch 2 sein, wenn man auch 600 Ohm treiben will. Für die
>Lautstärkeeinstellung macht es da schon Sinn auch die Verstärkung der
>Endstufe auf 1 runter zu schalten, statt nur das Signal davor
>abzuschwächen.

Die Endstufe ist so ausgelegt das über 3 Relais die Grundverstärkung 
angepasst werden kann, der kleinste Wert ist 0dB der höchste 14dB. (die 
14db sorgen dafür das man die Endstufe auf knapp 10Veff aussteuern kann 
mit PGA am Eingang für hohe Pegel an hochohmigen KH) Das geht 
automatisch in meinem Konzept per µC, der PGA muss Normalerweise nur das 
Signal ein klein wenig abschwächen (bis auf bei extrem niederohmigen 
KHs) und die Endstufe verstärkt nur so hoch wie gerade benötigt.
Klassisch lässt man die Endstufe ja hoch verstärken und senkt davor den 
Pegel über Poti ab. Momentan die einzige Firma die die Verstärkung schon 
in der Eingangsstufe realsisert hat ist Violectric / Lake People. 
Deshalb erreichen Ihre Verstärker wohl auch ein sehr niedriges 
Rauschen...

>Es ist da halt die Frage wie man die Lautstärke an den Kopfhörer
>anpassen will: per Ausgangswiderstand (etwa die 100 Ohm) oder Aktiv
>durch umschalten (Schalter oder ggf. automatisierte Erkennung ?).

Auf jeden Fall aktiv! Ich habe schon versuchte gemacht wie sich 
Kopfhörer an dem "genormten" 100 Ohm Ausgang im Vergleich zum 
niederohmigen Ausgang anhören und habe schon starke unterscheide 
bemerkt, im positiven für den niederohmigen Ausgang.

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