aktiver Verstärker und Abschwächer

[Andre N. (xaverius)]

Hallo,

ich benötige zwei elektronische Schaltungen, um ein Audiosignal von 
Line-Pegel anzuheben auf 10 Vpp und nach einer Verarbeitung wieder auf 
Line-Pegel abzusenken: Audio-Interface -> Verstärker -> Verarbeitung -> 
Abschwächer -> Audio-Interface. Im Anhang findet ihr meinen 
Schaltungsentwurf für den Verstärker und den Abschwächer. Hinweis: R13 
und R14 halten Kurzschluss-Ströme klein, da es sich um ein Modularsystem 
handelt, bei dem mit Patch-Kabeln hantiert wird, also Kurzschüsse immer 
wieder auftreten.

Zu den beiden Schaltungen habe ich folgende Fragen.

*1. Dimensionierung der Kopplungskondensatoren*

Ich habe viel recherchiert und komme hier irgendwie nicht auf einen 
grünen Zweig. Der Entwurf zeigt das, was ich sehr oft gesehen habe, also 
10 µF in Reihe zum Eingang und zum Ausgang. Ich würde das aber gern 
besser verstehen und nachrechnen. In der Regel wird von einem Hochpass 
ausgegangen mit einer Grenzfrequenz von 20 Hz. Die Berechnung ist dann 
einfach f = 1/(2piRC). Jedoch kann ich hier keinen RC-Hochpass erkennen. 
Bei einem RC-Hochpass müsste der Widerstand des RC-Glieds parallel zum 
Eingang des Verstärkers liegen und mit der Masse verbunden sein. Ebenso 
unklar ist für mich der Kopplungskondensator am Ausgang. Wie genau ist 
also der Zusammenhang, der hier zugrunde liegt?

*2. Kopplungskondensator beim Abschwächer*

Beim Abschwächer verzichte ich auf einen Kopplungskondensator am 
Eingang, da keine Verstärkung stattfindet. C3 entfernt dann in einem 
Ruck die Gleichspannungsansteile vom Eingangssignal des Abschwächers und 
die DC-Anteile, die durch den Abschwächer selbst entstehen. Ist das 
plausibel?

*3. Kondensatortyp für die Kopplungskondensatoren*

Ich weiß, hier kann jetzt viel diskutiert werden. Entsprechend der Infos 
im Link unten würde ich mich für Polyester-Folienkondensatoren 
entscheiden, da bezüglich Preis und Größe noch im Rahmen. Prinzipiell 
okay oder mit Kanonen auf Spatzen geschossen?

*4. Spannungsteiler statt Abschwächer*

Prinzipiell könnte ich den Abschwächer auch passiv auslegen. Das wäre 
dann also nur ein einfacher Spannungsteiler und auf den 
Kopplungskondensator würde ich verzichten. Die aktive Variante erscheint 
mir aber sauberer und den Aufwand wehrt. Was meint ihr?

*5. Dimensionierung der Widerstände*

Fällt euch irgendwas auf bei der Dimensionierung der Widerstände? Ich 
bin insbesondere etwas unsicher bei dem Zusammenspiel aus R4/RV1 und 
R6/R8.

Vielen Dank im Voraus!
André


== Weblinks ==
* http://www.audio-consequent.de/info/inf_baue.htm

[Helge (Gast)]

In meiner Welt gäbs 2 Änderungen.
1. U1B auf x2 einstellen, Verstärkung auf die Stufen aufteilen -> 
R9=10k.
2. R5, R7, RV2 so aufteilen, daß der Schleifer vom Poti auf den 
OP-Eingang geht. Dann spielt dir der Schleiferwiderstand keinen Streich 
(Kohleprummel, Fett, Dreck)

Deine 10uF sind nur dann ein Hochpass, wenn du die Innenwiderstände und 
die Quell-/Lsatwiderrstände mit einrechnest. Sinn der Dinger ist die 
reine Wechselstromkopplung, Gleichstromanteile weg. Folie ist gut.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Andre N. schrieb:
> ich benötige zwei elektronische Schaltungen, um ein Audiosignal von
> Line-Pegel anzuheben auf 10 Vpp und nach einer Verarbeitung wieder auf
> Line-Pegel abzusenken

So wie das gebaut ist, ist das eine Rauschquelle. Oder mußten die OPV 
weg? Warum nicht einfach nur einen Spannungsteiler für den Abschwächer? 
Kommt es auf die Phasenlage an? Wenn nicht, dann kannst du wenigstens 
die zweite invertierende Stufe einsparen.

> Hinweis: R13
> und R14 halten Kurzschluss-Ströme klein, da es sich um ein Modularsystem
> handelt, bei dem mit Patch-Kabeln hantiert wird, also Kurzschüsse immer
> wieder auftreten.

Soll das Teil eines modularen Synthesizers werden?

> *1. Dimensionierung der Kopplungskondensatoren*
>
> Ich würde das aber gern besser verstehen und nachrechnen.
> Jedoch kann ich hier keinen RC-Hochpass erkennen.
> Bei einem RC-Hochpass müsste der Widerstand des RC-Glieds parallel zum
> Eingang des Verstärkers liegen und mit der Masse verbunden sein.

Bei einem invertierenden Verstärker ist der (-) Eingang des OPV ein 
"virtueller Massepunkt". Für die erste Stufe des Verstärkers ist der 
Eingangswiderstand also gleich R5.

> Ebenso unklar ist für mich der Kopplungskondensator am Ausgang.

Da wirkt der Eingangwiderstand der folgenden Stufe.

> Beim Abschwächer verzichte ich auf einen Kopplungskondensator am
> Eingang, da keine Verstärkung stattfindet. C3 entfernt dann in einem
> Ruck die Gleichspannungsansteile vom Eingangssignal des Abschwächers und
> die DC-Anteile, die durch den Abschwächer selbst entstehen. Ist das
> plausibel?

Man kann das so machen. Allerdings wirkt dann ein überlagerter 
Gleichspannungsanteil auf alle Stufen ein. Mit allen Nebenwirkungen wie 
Übersteuern und ähnlichem. Da beide Stufen eine "Verstärkung" von 1 
haben, wird das kein Problem. Höchstens das Poti am Eingang wird hörbar 
kratzen, wenn du dran drehst.

> *3. Kondensatortyp für die Kopplungskondensatoren*
>
> Ich weiß, hier kann jetzt viel diskutiert werden. Entsprechend der Infos
> im Link unten würde ich mich für Polyester-Folienkondensatoren
> entscheiden

Bei 10µF werden die schon recht groß. Wahrscheinlich reichen auch Elkos. 
Am Ende eine Geldfrage.

> *5. Dimensionierung der Widerstände*
>
> Fällt euch irgendwas auf bei der Dimensionierung der Widerstände?

Größere Widerstände rauschen mehr. Für Audio ohne weitere Anforderungen 
würde man sich auf ca. 10KΩ Eingangswiderstand beschränken. Bei einem 
Modularsystem mit u.U. langen Leitungen auch niederohmiger (was gegen 
R13, R14 spricht; zumindest von der Größe her).

[HildeK (Gast)]

Axel S. schrieb:
> Kommt es auf die Phasenlage an? Wenn nicht, dann kannst du wenigstens
> die zweite invertierende Stufe einsparen.

Richtig, ein OPA sollte weg, den zweiten kann man auch nichtinvertierend 
beschalten. Ein nichtinvertierender Buffer ist schon sinnvoll, weil man 
den Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe nicht unbedingt kennt.

Andre N. schrieb:
> Hinweis: R13
> und R14 halten Kurzschluss-Ströme klein, da es sich um ein Modularsystem
> handelt, bei dem mit Patch-Kabeln hantiert wird, also Kurzschüsse immer
> wieder auftreten.

Ja, macht man so, aber mit kleineren Widerständen für R13 und R14.

Generell: Die Schaltung muss natürlich symmetrisch versorgt werden.

Andre N. schrieb:
> Ich
> bin insbesondere etwas unsicher bei dem Zusammenspiel aus R4/RV1 und
> R6/R8.

R6 belastet das Poti mit 20k, womit sich eine Verschiebung der Kennlinie 
ergibt. Mit einem nichtinvertierenden Buffer belastet man das Poti nicht 
und erreicht das selbe.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

HildeK schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Kommt es auf die Phasenlage an? Wenn nicht, dann kannst du wenigstens
>> die zweite invertierende Stufe einsparen.
>
> Richtig, ein OPA sollte weg, den zweiten kann man auch nichtinvertierend
> beschalten. Ein nichtinvertierender Buffer ist schon sinnvoll, weil man
> den Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe nicht unbedingt kennt.

Wie gesagt, auf den Anwendungsfall kommt es an. Mit einem Eingangs- 
widerstand von mindestems 15KΩ und einem Ausgangswiderstand von 1KΩ 
(R13, R14) braucht man auch sonst keinen Buffer. Die Spannungsteiler 
legt man z.B. 10KΩ zu 1.5KΩ aus und gut ist. Klappt natürlich nicht, 
wenn man 10 Eingänge mit einem Ausgang verbinden will.

[Helge (Gast)]

Vorschlag. OP-AMP al gusto. Wenn das in der Audioverarbeitung eingebaut 
ist, können D3-D6, R5-R6-C2 entfallen.
Schleifer der Potis immer stromlos halten, macht sonst nur Ärger.

[Andre N. (xaverius)]

Vielen Dank für eure Antworten!

Ich habe den Entwurf modifiziert, siehe Anhang. R13 und R14 habe ich 
verkleinert und beim Verstärker habe ich die Verstärkerung auf beide 
Stufen verteilt. Die Eingangswiderstände der OpAmps habe ich auf 10k 
reduziert. Und der Abschwächer besteht jetzt nur noch aus einem 
Impedanzwandler.

Hinweise:
Ich habe RV2 im Feedback-Pfad belassen, da Pin 1 und 2 vom Poti 
miteinander verbunden sind. Das wirkt ja bereits extremen 
Verstärkerungssprüngen durch Krümel etc. beim Schleifer des Potis 
entgegen. Und ja, das Ganze soll Teil eines modularen Synthesizers 
werden (deswegen R13 und R14). Beim Abschwächer fühle ich mich mit dem 
Impedanzwandler ein kleines Bisschen wohler und tendiere dazu, mich 
gegen einen rein passiven Spannungsteiler zu entscheiden. Vom 
Abschwächer geht es dann zum Audio-Interface, zum Mischpult oder zu 
anderen Geräten mit Line-Pegeln.

Frage zum Verstärker:
Mir ist wichtig, dass die Phase vom Eingangssignal des Verstärkers und 
vom Ausgangssignal des Abschwächers nicht invertiert ist. Prinzipiell 
könnte ich den Verstärker auch einstufig und nicht invertierend bauen 
wie in der Schaltung von Helge im letzten Post, um Rauschen 
entgegenzuwirken. Haltet ihr das alle für sinnvoll? Oder lieber so wie 
jetzt zwei invertierende Stufen, die sich die Verstärkung teilen?

[Helge (Gast)]

Am Schleifer kannste Stromrauschen haben. Das ist ein kleiner Punkt, von 
dem aus auf die Widerstandsbahn verteilt. Wenn du so baust, besser die 
fixe Verstärkung nach vorn. Dann ist das halbiert.

[Andre N. (xaverius)]

Eine kurze Frage ist mir noch eingefallen: Spricht eigentlich etwas 
gegen einen TL074 statt 2x TL072? Die Kanaltrennung beträgt laut 
Datenblatt 120 dB. Das sollte doch reichen.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Nein, reicht. Zumal von Stereo keine Rede war.

mfg

[HildeK (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Nein, reicht. Zumal von Stereo keine Rede war.

Wenn es Stereo wäre, reicht auch eine Trennung von 40-50dB locker aus.
Aber auch bei unabhängigen Signalen sind 120dB jenseits von Gut und 
Böse. Das musst man erst mal mit dem Layout schaffen.
Ein Problem könnte bei sehr hohen Verstärkungsfaktoren auftreten; das 
ist aber hier mit v=4...7 nicht gegeben.

Andre N. schrieb:
> Spricht eigentlich etwas
> gegen einen TL074 statt 2x TL072?

Nein. Sind nur vier statt zwei OPAs in einem Gehäuse, das halt deshalb 
größer ist. Und, die Verdrahtung mag einfacher sein, wenn man zwei TL072 
nimmt.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Andre N. schrieb:
> Eine kurze Frage ist mir noch eingefallen: Spricht eigentlich
> etwas
> gegen einen TL074 statt 2x TL072? Die Kanaltrennung beträgt laut
> Datenblatt 120 dB. Das sollte doch reichen.

Ich verstehe nach wie vor nicht, warum du einen invertierenden
Verstärker baust. Eine Stufe reicht bei der Verstärkung doch aus.

Dann brauchst du zwei OPV. Nicht drei oder vier.

> Mir ist wichtig, dass die Phase vom Eingangssignal des Verstärkers
> und vom Ausgangssignal des Abschwächers nicht invertiert ist

Und das verstehe ich auch nicht. Eine Phasendrehung hast du immer. Dafür 
sorgen bei niedrigen Frequenzen die Koppelkondensatoren und bei hohen 
Frequenzen die OPV. Die hörst du auch nicht. Und Steuerspannungen können 
deine Verstärker ja ohnehin nicht verarbeiten.

[Andre N. (xaverius)]

Anbei der aktualisierte Entwurf mit nur noch einer Stufe beim 
Verstärker. Was meint ihr? Und ist die Entkopplung am Eingang mit C1 
auch okay so?

> Eine Phasendrehung hast du immer. Dafür
> sorgen bei niedrigen Frequenzen die Koppelkondensatoren und bei hohen
> Frequenzen die OPV.

Eine Phasenverschiebung ja, aber ich denke keine Phaseninvertierung. Der 
Hintergrund ist, dass es sein kann, dass ich das im Modularsynth 
verarbeitete Signal wieder zum Originalsignal mischen möchte. Also so 
als wenn man einen Effekt reinmischt. Eine leichte Phasenverschiebung 
wäre okay, eine Phaseninvertierung natürlich nicht.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Andre N. schrieb:
> Anbei der aktualisierte Entwurf mit nur noch einer Stufe beim
> Verstärker. Was meint ihr? Und ist die Entkopplung am Eingang mit C1
> auch okay so?

Der OPV braucht einen Widerstand vom (+) Eingang nach GND. Der wirkt 
dann als Eingangswiderstand der Schaltung. Also z.B. 15KΩ.

[Helge (Gast)]

Wie hart ist die Umgebung? Kann da auch mal wer 100V-Audio oder 
phantomgespeistes Signal dranstecken?

[Andre N. (xaverius)]

> Der OPV braucht einen Widerstand vom (+) Eingang nach GND. Der wirkt
> dann als Eingangswiderstand der Schaltung. Also z.B. 15KΩ.

Tatsächlich, vielen Dank für den Hinweis. Der zusätzliche Widerstand 
wird benötigt bei der AC-Kopplung zusammen mit C1, um eine RC-Hochpass 
zu formen:
https://www.electronics-notes.com/articles/analogue_circuits/operational-amplifier-op-amp/non-inverting-amplifier.php

In dem Link wird aber ein deutlich höherer Widerstand von 100k 
empfohlen. Das senkt entsprechend die Kapazität von C1. Bei einer 
angenommenen Grenzfrequenz von 20 Hz ergibt sich der Wert von C1 zu nur 
noch 100 nF: C = 1/(2pi*R*f). C2 und C3 habe ich auch noch mal 
angepasst. Hier gehe ich von einem Eingangswiderstand von mindestens 10k 
in der jeweils folgenden Stufe aus, so dass sich eine Kapazität von 
jeweils 1 µF ergibt.

Im Anhang wieder der aktuelle Stand. Was meint ihr? R8 gut 
dimensioniert? Die Kondensatoren groß genug oder etwas zu knapp? Sonst 
noch irgendwas auffällig? Vielen Dank!

[Andre N. (xaverius)]

> Wie hart ist die Umgebung? Kann da auch mal wer 100V-Audio oder
> phantomgespeistes Signal dranstecken?

Nein, ich nehme Signale von maximal der Versorgungsspannung an, also 
+/-12 V und die Verstärkung wird entsprechend auch durch die 
Versorgungsspannung begrenzt. Auf Klemmdioden würde ich somit 
verzichten.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Andre N. schrieb:
>> Der OPV braucht einen Widerstand vom (+) Eingang nach GND. Der wirkt
>> dann als Eingangswiderstand der Schaltung. Also z.B. 15KΩ.
>
> Tatsächlich, vielen Dank für den Hinweis. Der zusätzliche Widerstand
> wird benötigt bei der AC-Kopplung zusammen mit C1, um eine RC-Hochpass
> zu formen

Nicht primär. Das ist eher ein lästiger Nebeneffekt. Aber er stellt 
einen DC-Arbeitspunkt für den OPV ein.

> In dem Link wird aber ein deutlich höherer Widerstand von 100k
> empfohlen. Das senkt entsprechend die Kapazität von C1.

Zum Eingangswiderstand habe ich weiter oben schon alles gesagt. Audio 
liegt meist zwischen 10K und 47K. Für ein Modulsystem mit längeren oder 
gar ungeschirmten Kabeln würde ich an die untere Grenze gehen.

An sich legt man das auch so aus, daß der OPV an beiden Eingängen 
ungefähr den selben Widerstand sieht. Da gleichen sich die 
Eingangsbiasströme aus. Aber nachdem der TL072 FET-Eingänge hat, ist das 
müßig. Auch die Gegenkopplung trennt man DC-mäßig auf, damit 
Offsetspannungen nicht mitverstärkt werden. Aber bei einer Verstärkung 
von maximal 7 ist auch das egal.

[Andre N. (xaverius)]

Gut, ich habe den Eingangswiderstand abgesenkt auf 10k und C1 
entsprechend angepasst zu 1µF (Grenzfrequenz 20 Hz). Der Eingang des 
Verstärkers ist noch nicht direkt Teil des Modularsystems. Er bekommt 
über ein geschirmtes Kabel das Audiosignal vom Audio-Interface, dass 
dann im Modularsystem verarbeitet werden soll.

[HildeK (Gast)]

Ein Poti mit 33k wirst du kaum bekommen. 22k, 25k, 47k oder 50k wären 
die nächsten Werte. Dann halt entsprechend R2 und R3 neu berechnen.
Mouser behauptet zwar, eines mit 31k zu haben; das dürfte jedoch ein 
Druckfehler sein. Das verlinkte Datenblatt nennt nur 22k und 47k in dem 
Bereich.

Ob R8 mit 10k richtig ist, hängt auch von deiner Quelle ab. Wenn es ein 
anderer OPA-Ausgang ist, dann geht es natürlich. 10k oder auch 22k sind 
schon in der richtigen Größenordnung. Bei einem hochohmigen Ausgang 
hättest du halt mehr oder weniger viel Pegelverlust.