Differenzverstärker mit Offset am Ausgang? Wie?

[Paul H. (powl)]

Ich habe hier ein Bluetooth-Audio-Modul (WT32i von Bluegiga) welches für 
jeden Audiokanal einen differenziellen Signalausgang hat. Auf den 
Ausgängen befinden sich heftige Gleichtaktstörungen.

Die differenziellen Ausgangssignale schwingen um den Mittelwert von 
VCC/2. Wenn ich diese durch einen als Differenzverstärker beschalteten 
OpAmp schicke erhalte ich am Ausgang die Differenz der beiden 
differenziellen Ausgangssignale, allerdings auf GND bezogen. D.h. der 
OpAmp bräuchte eine negative Versorgungsspannung um die negativen 
Halbwellen auszugeben. Lieber wäre mir, ich könnte eine einfache 
Versorgungsspannung nutzen und das Audio-Signal dann einfach über 
Kondensatoren auskoppeln.

Ich habe schon mal drüber nachgedacht, wie man einen OpAmp dazu 
beschalten könnte, dass er die Differenzspannung am Ausgang mit einem 
gewissen Offset ausgibt, so dass diese immer im positiven Bereich liegt, 
aber sofern ich nichts übersehen habe scheint das gar nicht so trivial 
zu sein?

Ist es überhaupt möglich, das mit nur einem OpAmp zu bewerkstelligen 
oder brauche ich auf jeden Fall zwei? Wenn ich einem der Eingangssignale 
ein Offset verpasse dürfte dieses ja am Ausgang wieder erscheinen. Dafür 
brauche ich aber wohl auch wieder einen zweiten OpAmp. Geht das auch 
anders? Ich bin gerade nicht mehr allzu fit in der Materie und übersehe 
da vielleicht etwas. Möglicherweise kann mir jemand hier ganz schnell 
sagen: nö, geht nicht. Oder mir Tipps für die nötige Außenbeschaltung 
geben.

lg Paul

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Du meinst wahrscheinlich diese Schaltung hier:

  http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm

Darin musst du nur R4 durch 2·R4 ersetzen und einen weiteren Widerstand
R5 = 2·R4 vom nichtinvertierenden Eingang nach VCC schalten. Dadurch
wird VCC/2 zum Ausgangssignal hinzuaddiert.

[Günter Lenz (Gast)]

Paul H. schrieb:
>Lieber wäre mir, ich könnte eine einfache
>Versorgungsspannung nutzen und das Audio-Signal dann einfach über
>Kondensatoren auskoppeln.

Koppelkondensatoren kannst du auch an den Eingängen
benutzen, und schon hast du daß was du willst.
Bei einem Audio-Signal braucht ja die Gleichspnnung
nicht übertragen werden.

[Paul H. (powl)]

Yalu X. schrieb:
> Du meinst wahrscheinlich diese Schaltung hier:
>
>   http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm
>
> Darin musst du nur R4 durch 2·R4 ersetzen und einen weiteren Widerstand
> R5 = 2·R4 vom nichtinvertierenden Eingang nach VCC schalten. Dadurch
> wird VCC/2 zum Ausgangssignal hinzuaddiert.

That's it. Danke, so einfach war das, aber von alleine wär ich nicht 
drauf gekommen. Ich rechne das mal durch um das zu vertiefen :-)

[Joe F. (easylife)]

Alternativ könnte man auch einen (single ended) I2S Codec eigener Wahl 
anschließen...

[Paul H. (powl)]

Yalu X. schrieb:
> Du meinst wahrscheinlich diese Schaltung hier:
>
>   http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0210153.htm
>
> Darin musst du nur R4 durch 2·R4 ersetzen und einen weiteren Widerstand
> R5 = 2·R4 vom nichtinvertierenden Eingang nach VCC schalten. Dadurch
> wird VCC/2 zum Ausgangssignal hinzuaddiert.

Ich habe das mal aufgebaut, festgestellt, dass es sich nicht wie 
gewünscht verhält und dann versucht durchzurechnen. Mit dieser Rechnung 
komme ich auf keine Lösung, wenn ich möchte, dass Ua = U2 - U1 + Vcc/2 
ist, also die beiden Eingangsspannungen U2 und U1 nicht skaliert werden. 
Dazu müssten R3/R5 = R2/R1 sein und wenn das so ist muss R3/R4 = 0 sein. 
Das haut ja nicht hin.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Paul H. schrieb:
> Ich habe das mal aufgebaut, festgestellt, dass es sich nicht wie
> gewünscht verhält

Wie verhält es sich dann?

In der Simulation funktioniert die Schaltung perfekt (s. Anhang). Es ist
wie gewünscht Ua = U2 - U1 + VCC/2. Das wird auch in der Realtität nicht
anders sein, solange die Eingangs- und Ausgangsspannungen innerhalb der
Spezifikation des verwendeten Opamp liegen.

[Paul H. (powl)]

Danke!

Das lag in der Tat an meinem Aufbau, die Werte waren falsch. Habs selbst 
grade auch noch mal simuliert und das passt.

Jedoch stimmt dann die Formel im Wiki zum Potenzialdifferenzverstärker 
nicht oder ist zumindest auf diesen Fall nicht anwendbar, was 
mathematisch gesehen doch ziemlich seltsam ist, oder?

Mir ist aufgefallen: Wenn ich an einem Eingang einfach Vcc anschließe 
dann schleuse ich mir leider sämtliche Störungen, die auf Vcc liegen und 
normalerweise vom OpAmp ausgeregelt werden, mit ins Signal ein. Mir 
steht aber bereits eine geregelte Vcc/2 von anderer Stelle zur 
Verfügung. Gibt es irgendwie eine möglichkeit, stattdessen diese zu 
nehmen?

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Paul H. schrieb:
> Jedoch stimmt dann die Formel im Wiki zum Potenzialdifferenzverstärker
> nicht

Doch, die stimmt schon, aber

> ist zumindest auf diesen Fall nicht anwendbar

Die angegebene Formel

$$U_\mathrm a=\sum_{i=1}^{n'}\frac{R'_0}{R'_i}U'_i-\sum_{i=1}^n\frac{R_0}{R_i}U_i$$

stellt eine gewichtete Summe dar und ist anwendbar unter der Bedingung,
dass

$$\sum_{i=1}^n\frac{R_{0}}{R_{i}}=\sum_{i=1}^{n'}\frac{R'_0}{R'_i}$$

Diese Bedingung sagt nichts anderes aus, als dass die Summe  der
Gewichte in der oberen Formel 0 sein muss. Bei dir sind aber die
gewünschten Gewichte 1 (U₂), -1 (U₁) und ½ (Vcc), d.h. ihre Summe ist ½
und nicht 0.

> Mir ist aufgefallen: Wenn ich an einem Eingang einfach Vcc anschließe
> dann schleuse ich mir leider sämtliche Störungen, die auf Vcc liegen und
> normalerweise vom OpAmp ausgeregelt werden, mit ins Signal ein.

Ja, Vcc ist hier als Signalspannung zu betrachten, folglich gelten dafür
dieselben Qualitätsanforderungen wie für die Differenzspannung U₂-U₁.

> Mir steht aber bereits eine geregelte Vcc/2 von anderer Stelle zur
> Verfügung. Gibt es irgendwie eine möglichkeit, stattdessen diese zu
> nehmen?

Klar, das vereinfacht die Sache sogar: Du nimmst einfach die klassische
Subtrahiererschaltung mit vier gleichen Widerständen, legst aber den
einen Widerstand, der normalerweise an GND liegt, stattdessen an Vcc/2.

[Paul H. (powl)]

Aha!

Yalu X. schrieb:
> Klar, das vereinfacht die Sache sogar: Du nimmst einfach die klassische
> Subtrahiererschaltung mit vier gleichen Widerständen, legst aber den
> einen Widerstand, der normalerweise an GND liegt, stattdessen an Vcc/2.

Grandios! Mir fällt dabei witzigerweise auf, dass ich auf die gleiche 
Idee gestern Abend schon mal beim Einschlafen gekommen bin, diese aber 
wohl wieder vergessen habe, bis eben :-D

Das probier ich gleich mal aus, danke!