Calvin & Hobbes
Modularer Vorverstärker mit Akku-Netzteil
Mit Calvin&Hobbes begann in gewisser Weise meine ´professionelle´ Karriere. Stellte Calvin doch den praktischen Teil meiner Diplomarbeit dar.
Calvin, der eigentliche Vorverstärker, ist ein modulares Vorverstärkerkonzept mit 6 Eingängen, davon 2 unabhängige Tapeschleifen, sowie Hochpegel- und Kopfhörer-Ausgängen. Hobbes ist ein Akku-Netzteil, das über Bleigel-Akkus die Stromversorgung Calvins übernimmt.
Bei Calvin kommen durchweg integrierte Operationsverstärker zum Einsatz.
Die hochpegeligen Eingangskanäle führen auf Pegelpotis, die es erlauben alle Kanäle auf gleiche Pegel zu stellen um Lautstärkesprünge beim Umschalten zu vermeiden und die einen konstanten Eingangswiderstand von 47kOhm aufweisen. Es folgen zweifach verstärkende Pufferstufen, die eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen. Das hält das Übersprechen zwischen den Kanälen auch bei längeren Leiterbahnwegen gering und der höhere Pegel immunisiert gegen Einstrahlungen in die Leitungen. Die Tapeschleifen verfügen über Puffer mit einer Verstärkung von 0,5 sodaß die Eingangs- und Ausgangspegel hier übereinstimmen und niederohmige Verhältnisse herrschen. Kanal 1 verfügt nicht über Pufferstufen. Er ist vorgesehen für Quellen, die ohnehin mit hoher Signalspannung und ausreichend niedriger Ausgangsimpedanz versehen sind, z.B. ein externer Phonoverstärker. Es schliesst sich die Umschaltmatrix mit Relais an. Hier teilt sich das Signal und führt einmal auf ein Lautstärke und Balance-Potentiometer (je 10kOhm-Typen) mit nachfolgender 3-fach verstärkender und symmetrierender Stufe mit Transistor-Booster. Parallel dazu, zuschaltbar und mit eigenem Lautstärkepoti versehen, findet sich ein Kopfhörerverstärker mit Transistor-Booster und 7-facher Verstärkung.
Hochpegel-Puffer und -Verstärkerstufen
Operationsverstärker, der Begriff umschreibt eine bestimmte Verstärkerstruktur, die typischerweise über zwei Eingänge, einen Ausgang und zwei Betriebsspannungsanschlüsse verfügt und ansonsten als BlackBox angesehen wird. Die Parameter des Datenblattes beschreiben das Verhalten der BlackBox.
Mittlerweile versteht man darunter aber eher integrierte Schaltungen, sodaß auch andere Verstärkerstrukturen wie Instrumentenverstärker etc. unter den Kurzbegriff OP-Amp fallen.
Kennzeichnende Parameter des idealen Operationsverstärkers sind:
- unendlich hohe openloop-Verstärkung (OL-gain)
- unendlich hoher Eingangswiderstand
- unendlich hohe Bandbreite
- unendlich kleiner Ausgangswiderstand
In der Praxis verfehlt der OP-amp diese Ideale bei weitem. Insbesondere der OL-gain und die OL-Bandbreite sind stark begrenzt und frequenzabhängig.
Ohne die korrigierende und linearisierende Wirkung einer Rückkopplung ist ein OP-amp ein integrierendes Bauteil, kein verstärkendes.
Das Konzept der Rückkopplung funktioniert innerhalb ihrer Grenzen so gut, daß sich messtechnisch hervorragende Werte erzielen lassen.
Die Beschaltung für die Puffer sieht so aus:
Das Poti P1 legt den Eingangswiderstand des Puffers fest und erlaubt eine Pegelanpassung, bzw. Lautstärkeeinstellung. Das Musilsignal geht auf den nichtinvertierenden Eingang des OP-amps und wird mit dem Faktor 2-fach verstärkt. Die Formel der Verstärkung lautet. A=1+R2/R1. Die Bandbreite wird durch den kleinen Kondensator C1, parallel zu R2 begrenzt. Die Kondensatoren C2-C5 dienen der Säuberung und Stabilisierung der Betriebsspannungen.
Die Beschaltung der eigentlichen Verstärker ist aufwändiger. Zum Einen werden die OP-Verstärker-Ausgänge durch Transistor-Booster kräftiger und laststabiler gemacht. Zum Zweiten wird ein invertierender, ansonsten gleich aufgebauter Verstärkerzug mit U2 eingeführt, um Signale nach der professionellen symmetrischen Variante zu übertragen. Die Verstärkung im nichtinvertierenden Zweig um U1 herum errechnet sich mit A = 1+R3/R2 = 7. Im invertierenden Zweig ist es A = R12/R11 = 7. Der Signalstrom über R8, bzw. R17 in die Last wird auch über die Trimm-Cs C1, bzw. C4 auf die Eingänge der OP-Amps gekoppelt. Gerade kapazitive Lasten, wie unterschiedlichste Kabel und Kabellängen, führen zu einem Überschwingen, im Extremfall zu Oszillationen, sehr gut erkennbar an einem eingespeisten Rechtecksignal von z.B. 10kHz. Mit den Trimm-Kondensatoren kann das Verhalten des Verstärkers auf die Last und möglichst sauberes Rechteckverhalten angepasst werden. Das kostet zwar Bandbreite. Die ist jedoch in dieser Dimensionierung mit 300-500kHz mehr als ausreichend groß.
Diese Abgleichmöglichkeit auf lastunabhängiges, optimales Verstärkerverhalten macht Diskussionen über Kabelklang obsolet.