Anforderungen an den Lautstärkesteller:
- Die Lautstärke der Musikwiedergabe muss einstellbar sein.
- Die Einstellcharakteristik sollte dem menschlichen Lautheitsemfinden angepasst sein, das sich näherungsweise logarithmisch verhält.
- Da der Vorgang unmittelbar auch die Signalqualität beeinflusst, sollte der Stellprozess so neutral und genau wie möglich erfolgen.
- Bei Stereo und Heimkino müssen zwei oder mehr Musikkanäle synchron und möglichst gleich verstellbar sein
Es gibt eine Reihe von Lösungen, die sich in Qualität und Aufwand unterscheiden.
- Potentiometer-Schaltung
Die Lautstärkeeinstellung erfolgt im einfachsten Fall mit einem Potentiometer, bzw, dualen oder vierfach-Potis, die eine logarithmische Kennlinie aufweisen (Fig. A und B). Hier gibt es große Qualitäts- und Preisunterschiede. Grundsätzlich problematisch sind die typischerweise großen Toleranzen sowohl im Endwert, als auch im Gleichlauf. Das Temperaturverhalten unterliegt vergleichsweise großen Änderungen (z.B. 200ppm/°C).
In der üblichen Verschaltung ist der Eingangswiderstand konstant und entspricht dem Datenblattwert. Der Ausgangswiderstand jedoch ist abhängig von der Einstellposition veränderlich und nimmt Werte zwischen nahe 0Ohm und 1/4 des Nominalwertes (spezifizerter Wert im Datenblatt) an.
Damit die Beeinflussung des Signals möglichst klein bleibt, sollte der Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe ca. 5-10mal so hoch sein. Kritisch wird es, wenn in dieser hochohmigen Umgebung noch kapazitive Anteile vorkommen, wie es Kabel oder auch viele HF-Abblockkondensatoren in Verstärkereingängen darstellen. Dann bildet der Ausgangswiderstand mit der Summe der Kapazitäten einen Tiefpassfilter, mit einer Bandbreite, die von der Position des Lautstärkestellers abhängt. Die Bandbreite kann bei längeren Kabelwegen dann durchaus unter 20kHz fallen. Die Potentiometerschaltung ist daher allenfalls für kurze Leitungsstrecken geeignet. Die üblicherweise verwendete Lösung ist der Einsatz einer Pufferstufe, die einen konstanten hohen Eingangswiderstand und einen konstanten niedrigen Ausgangswiderstand aufweist.
Verwendet man geschaltete diskrete Widerstände lassen sich verschiedene Schaltungsstrukturen aufbauen, die günstigere Eigenschaften als Potis aufweisen.
Im einfachsten Fall, der Kette (Fig. C) ersetzt man die Poti-Widerstandsbahnen durch eine Kette von Widerständen. Ein Schalterkontakt ersetzt den Schleifer des Potis durch einen mechanischen Schalter, Relaiskontakt oder Halbleiterschalter. Der Aufwand an Bauteilen, Baugröße, Kosten und Leiterbahnlängen wird schnell unpraktikabel, sodaß üblicherweise auf 12-24 Schaltstufen begrenzt wird. Als Digitalpotis in IC-Bauform lassen sich aber durchaus auch bis zu 256-stufige Versionen finden. Ausser der Verwendung von Widerständen mit besseren Eigenschaften und engerer Toleranz, sodaß Endwert und Gleichlaufwerte geringere Abweichungen zeigen, gibt es keine entscheidenden Vorteile gegenüber einem Dreh- oder Schiebe-Poti.
Eine Variante der Potentiometerschaltung ist die Leiter (Fig. D). Hier werden jeweils passende Widerstandpaare geschaltet. Die Vorteile sind, daß das Signal weniger Lötstellen passieren muss und das jedes Widerstandspaar individuell abgeglichen werden kann. Aufgrund des Aufwandes sind hier selten mehr als 24 Schaltstufen zu finden.
- geschaltete Widerstandsnetzwerke
Um das Problem der Potentiometerschaltung -den variierenden Ausgangswiderstand- zu umgehen sind andere Widerstandsnetzwerke nötig. Die abgebildete Schaltung kann mit gleichen Schaltstufen aufgebaut werden, was jedoch den Aufwand stark vergrößert, bzw. die Anzahl der Lautstärkeschritte gering hält. Werden die einzelnen Schaltstufen aber Bit-weise gewichtet, z.B. mit -1dB, -2dB, -4dB und -8dB, dann kommt man mit wenigen Schaltstufen aus und erreicht trotzdem eine hohe Anzahl an Schritten. Mit der 4-stufigen Schaltung sind bereits 15 1dB-Stufen schaltbar. Bei 7 Stufen überstreicht man schon einen enorm großen Bereich von 127dB.
Mit geeigneten Widerstandswerten können ausreichend niedrige, konstante Ausgangswidersandswerte bis ca. 1kOhm herunter realisiert werden. Dann spielen auch längere Kabelstrecken bis etwa 10m keine Rolle und es kann auf eine aktive Pufferstufe verzichtet werden.
Der Eingangswiderstand der Schaltung variiert jedoch, beträgt aber mindestens mehrere kOhm. Es sollte nur die Bedingung erfüllt sein, daß der Eingangswiderstand der Schaltung >10x höher ist als der Ausgangswiderstand der Quelle.
Die Schaltung verlangt bei Bit-gewichtetem Aufbau nach präzisen Widerstandswerten, umso mehr, je mehr Schaltstufen involviert sind, weil sich die Abweichungen aufaddieren. Kritisch sind also jene Stufen, bei denen je eine ganze Bit-Stufe geschaltet wird, also z.B. von Schritt 7 auf Schritt 8, Schritt 15 auf Schritt 16, oder Schritt 31 auf Schritt 32, etc.
Diese Schaltung erlaubt höchstwertigste Audio-Wiedergabe, da eine rein passive Lösung ohne irgendwelche verstärkenden, aktiven Bauteile im Signalweg möglich wird
- weitere Lösungen
- geschaltete Hybride
Man kann auch auf aktivem Weg die Lautstärke einstellen. Der Gedanke liegt nahe, wenn ohnehin aktive, verstärkende Stufen zum Einsatz kommen.
Hierbei wird der Verstärkungsfaktor direkt variiert, indem ein Poti an Stelle eines Festwiderstandes in der Gegenkopplungs-schleife sitzt. Rechts in der Bildmitte sieht man das OPAmp Symbol mit dem Poti.
Es ist jedoch schwierig einen ausreichend großen Einstellbereich zu schaffen, ohne entscheidende Parameter der Verstärkerstufe zu sehr zu verschlechtern. Daher werden in integrierter Schaltkreisform Kombinationen dieser Techniken angeboten (Crystal CS3310, TexasInstruments PGA2310). Der überstrichene Bereich ist sehr groß und die Präzision der Schaltstufen sehr gut. Die ICs erlauben einfache, kompakte und günstige Schaltungen. Die Ansteuerung der Chips über Microcontroller erlaubt entsprechenden Komfort und vereinfacht Mehrkanalanwendungen. Es vereint aber mit der Ketten-Topologie der Widerstände, dem zwangsläufig verwendeten Widerstandsmaterial und den variablen Verstärkerstufen, gleich drei unterlegene Techniken. Nichtsdestotrotz sind diese Chips sehr beliebt und es gibt einen regelrechten Hype in der Szene.
- Strom-basierende Techniken
- R2R-DAC plus I-U-Wandler
Als sehr präzise Lösung eines Bit-gewichteten Netzwerkes kommen sogenante multiplizierende DACs in Frage (R2R-Technik). Das analoge Eingangssignal wird in den Referenzspannungseingang eingespeist. Diese DACs stellen dann einen Strom am Ausgang zur Verfügung, dessen Größe durch ein Bit-Muster bestimmt wird, das beispielsweise ein Microcontroller erzeugen kann. Es muss daher eine Strom-Spannungs-Wandlerstufe am Ausgang des DACs folgen. Der Takt-Eingang des DAC bekommt nur Pulse wenn die Lautstärke gestellt wird, bleibt ansonsten unbenutzt. Die Versorgung des DACs mit meist nur wenigen Volt stellt eine Begrenzung auf kleine Eingangsspannungen dar und ist eigentlich der einzig gravierenden Nachteil dieser Technik. Insofern erstaunt es, daß diese Variante kaum zu finden ist.
- Transkonduktanzverstärker plus Rheostat
Ein Transkondutanzverstärker setzt eine Eingangsspannung in einen proportionalen Ausgangsstrom um. Dieser Strom erzeugt an einem einstellbaren Widerstand, einem Rheostaten einen dem Widerstand und dem Strom proportionalen Spannungsabfall. Je kleiner der Widerstandwert, umso geringer ist die Spannung. Diese Technik hat drei Vorteile. Zum einen ist für niedrige Signalpegel der Widerstandswert klein und damit auch sein Eigenrauschanteil (4kTR). So wird der volle Dynamikspielraum erhalten. Zum zweiten ist die Ausgangsspannung nicht durch niedrige Versorgungsspannungen eines DACs begrenzt. Der Transkonduktanzverstärker kann aus hohen Versorgungsspannungen gespeist werden. Und zum dritten ist die Stromverstärkung Ic/Ib von Bipolartransistoren über mehrere Dekaden linear - im deutlichen Gegensatz zur exponentiell gekrümmten Ub/Ic Kennlinie. Das erlaubt den Bau von Rückkopplung-freien Verstärkerstufen mit sehr geringen Verzerrungen.