Symmetrischer Mikverstärker

[richi44]

Sei es, dass man für Aufnahmen einen Mikverstärker braucht oder für Messungen, meist wünscht man sich ein Ding, das „Studioqualität“ erreicht. Ich setze Gänsefüsschen, weil so ein Ding in Studios sicher einen symmetrischen Ausgang besitzen sollte, was für den Laien nicht erforderlich ist. Was aber Studioqualität erreichen sollte ist der Frequenzgang , das Rauschen und der Klirr.
Und Studioqualität ist auch der Umstand, dass es sich um einen symmetrischen Mikverstärker handelt, der für Netzbetrieb vorgesehen ist und über eine normgerechte 48V Phantomspeisung verfügt.
Hier eine Möglichkeit, sowas selbst zu bauen. Grundlage ist der OPV ADA4899-1, der über ein Rauschen verfügt, das in der Praxis einer Mikrofonspannung von 0,2 Mikrovolt entspricht und damit gerade mal 2,2dB über dem absoluten Minimum liegt.
Zu diesem OPV gleich ein paar Bemerkungen:
Er ist in zwei unterschiedlichen Pinbelegungs-Varianten lieferbar und darauf ist beim Bau des Gerätes zu achten. Es lohnt sich also, das Datenblatt ( http://www.analog.com/static/imported-fi...4899-1.pdf ) zu konsultieren.
Weiter verfügt er über eine Einschaltfunktion (Disable-Pin), welche für den normalen Betrieb nicht belegt wird. Dies ist im Schaltbild nicht eingezeichnet!
Und letztlich beträtg die maximale Speisespannung +/-12V für diesen OPV, sodass es sich aufdrängt, die Speisungen mit 48V Phantom, +/-15V für den allgemeinen Teil des Verstärkers und +/-10V für die Eingangsstufen auszulegen. Ob die Stabis für die 10V direkt im Vorverstärker untergebracht werden oder im Netzteil bleibt jedem Anwender überlassen.
Hier das Schaltbild:
   
Der verwendete OPV ADA4899-1 ist leider nur in der SMD-Ausführung lieferbar, was etlichen „Nicht-Uhrenmachern“ zu fein gebaut ist. Nun kann man aber diese Dinger mit einem Adapter
   
auf eine normale Grösse bringen. Und ich gehe mal davon aus, dass sowas zumutbar ist oder dass man den Händler seines Vertrauens (oder einen anderen guten Geist) um diese Lötgefälligkeit bitten darf. Diese Dinger sind hier http://www.elk-tronic.de/Products/Adapte...dapter.htm
erhältlich.

Das Nächste, das hier verwendet wird, ist ein Eingangsfilter mit einem Ferritkern. Sowas lässt sich selbst wickeln. Es sollte letztlich ungefähr so aussehen:
   
Gedacht ist ein Ferritkern mit etwa 1,5cm Durchmesser und 1cm Höhe, der mit zwei identischen Spulen bewickelt wird. Man kann dazu den Kupferlackdraht doppelt nehmen und einfach parallel wickeln, also nicht zwei örtlich getrennte Wicklungen wie im Bild, sondern Wicklungen, die übereinander liegen. Ich könnte mir so etwa 20 Windungen vorstellen. Und der Draht darf ruhig relativ fein sein, denn es fliessen da wenige mA.

Der Trick dieser Sache ist, dass die beiden identischen Wicklungen für identische HF-Störungen eine normale Spule bilden und damit zusammen mit den Kondensatoren (Röhrchen-Keramikkondensatoren oder Glimmer) diese Störungen unterdrücken, während das gegenphasige Nutzsignal sich an den Wicklungen aufhebt und die Spule dafür nicht wirksam wird.
Man kann nämlich davon ausgehen, dass HF-Störungen auf beide Mikrofondrähte gleich einwirken und damit ein sog. Gleichtaktsignal liefern, während das Nutzsignal ein Gegentaktsignal ist.

Als nächstes sehen wir im Eingang der Schaltung 8 Dioden. Diese sind so geschaltet, dass sie sowohl negative wie positive Signale gegen Masse führen und damit den OPV-Eingang vor zu hohen Spannungen schützen. Dies darum, weil die Siliziumdioden erst bei einer Spannung von mindestens 0,55V leitend werden (maximal ca. 0,75V). Damit ist an jedem Eingang eine Spannung von 1,1V Plus und Minus problemlos möglich, also ohne jede Beeinträchtigung. Diese Spannung entspricht letztlich einem Pegel von (über beide Eingänge gemessen) +6dBU, also dem Norm-Studiopegel. Das bedeutet, dass wir dem Eingang ein Studiosignal zumuten dürfen, ohne den Eingang über eine Dämpfung zu führen. Natürlich ist der Verstärker nicht dafür vorgesehen, Linepegel zu verarbeiten. Aber es könnte ja mal passieren...

Wenn wir die Schaltung weiter verfolgen, so haben wir im Grunde zwei identische Eingangsverstärker. Und weil wir ja von einem genau symmetrischen Signal ausgehen, so ergibt sich an jedem Invers-Eingang eine Teilung aus 3,16k zu (10k + 20 Ohm) parallel mit 16.9k. Und weil diese Widerstände zwischen den Inverseingängen liegen, wirken sie auf beide Seiten. Oder anders gesagt: Wir müssten entweder die beiden 3,16k addieren oder Pot und Fixwiderstände halbieren. Der langen Rede kurzer Sinn: Wenn wir das Pot auf Maximum stellen (10k), so haben wir einen Teiler aus 6,32k zu 6,28k (Pot parallel 16,9k), also eine Verstärkung von rund 6dB. Drehen wir das Pot an den anderen Anschlag, so ist das Teilerverhältnis 6.32k zu 20 Ohm, was etwa 1:317 entspricht und dies wäre 50dB.
Dies wie gesagt bei absolut symmetrischen Signalen.
Haben wir ein Gleichtaktsignal, so ist an beiden OPV-Ausgängen das selbe Signal vorhanden, sodass es keine Teilerwirkung gibt zwischen den Längswiderständen (3,16k) und Pot. Damit ist die Verstärkung für Gleichtaktsignale 0dB. Diese werden also nicht unterdrückt, aber auch nicht verstärkt.

An diesen Eingangsverstärker schliesst sich der erste OPV des NE5532 an. Dieser arbeitet im Noninverseingang mit einem Teiler von 1:1 und im Inverseingang mit zwei gleichen Widerständen. Diese Schaltung ist typisch für einen „Symmetrisch auf Asymmetrisch“-Wandler. Hier werden symmetrische Signale voll übertragen, während Gleichtaktsignale mit bis zu 80dB unterdrückt werden. Kritisch wird es immer dann, wenn Gleichtaktsignale in die Grössenordnung der Speisespannung kommen. Dies wird aber schon im Eingang durch die antiparallelen Dioden unterdrückt. Da müsste das zu grosse Signal (Speisung?) schon niederohmig eingekoppelt werden, um einen Schaden anzurichten. In der Praxis bedeutet dies, dass ein Gleichtaktsignal am Eingang um mindestens 60dB schwächer am Ausgang erscheinen würde, es könnten aber auch über 120dB unterdrückung sein.

Die letzte Stufe umfasst wiederum einen Verstärker/Abschwächer. Je nach Potistellung erfolgt eine Abschwächung von etwa 6dB bis zu einer Verstärkung von ca. 10dB. Somit könnte die ganze Schaltung eine Verstärkung zwischen 0 und 60dB realisieren.
Im Ausgang ist einerseits ein bipolarer Elko eingesetzt, um allfällige DC-Offsetspannungen zu verhindern, andererseits auch ein Widerstand von 100 Ohm als Schutz vor Kurzschlüssen auf den Leitungen.

Zum Aufbau ist folgendes zu sagen:

- Die ganze Schaltung sollte vorteilhfterweise in einem mit Masse verbundenen Blechgehäuse untergergebracht werden, um Brumm- und HF-Einstrahlungen zu verhindern.

- Die Potis sind ein Stereopot, 10k log, wobei der Linksanschlag die volle Verstärkung ergibt (Eingangspoti „überbrückt“, Ausgangspoti Schleifer am 5,11k)

- Die Widerstände sind 1%.

- Die Schutzdioden könnten allenfalls gemeinsam (alle 8) auf einem DIL-Sockelstecker montiert werden, um sie im Störungsfall rasch austauschen zu können. Nur, wenn man einen Kurzschluss mit der Speisung baut (oder Netz oder sonst was böses), sind die OPV des Eingangs auch hinüber!

- Sofern HF-Störungen ausgeschlossen werden können, kann auf das Eingangsfilter verzichtet werden (es könnte auch nachträglich eingebaut werden).

- Ob sich der Aufbau auf einem Print lohnt oder ob man mit sog. Laborkarten (Veroboard) arbeiten will, bleibt jedem selbst überlassen.

Das Netzteil wird vorteilhafterweise in einem separaten Gehäuse untergebracht um Störungen und Einstrahlungen zu verhindern. Details dazu in einem nachfolgenden Beitrag.

[richi44]

Hier nun das Netzteil.
Benötigt werden ein Trafo 2x18V, ca 20VA, dann Stabis für + und –15V(LM7815/LM7915), sowie Stabis (regelbar) für die +/-10V (LM317/LM337).
   
Zur Erreichung der 48V Phantomspannung wird die Wechselspannung über einen Elko von 1000 Mikrofarad geführt und mit einer Diode an die Spannung von +15V geklemmt. Damit kann die Spannung am Pluspol des Elkos nicht unter die 15V fallen. Bei der negativen Halbwelle wird also am Plus die 15V vorhanden sein. Am Elko selbst steht dann die Minus 1,414 max 18V vom Trafo (also rund 25V) plus die 15V aus der Klemmspannung, macht total rund 40V. Bei der positiven Netzhalbwelle addieren sich diese 40V zu den 25V Trafo-Spitzenstannung, sodass eine maximale Spannung von 65V erreicht wird.
Diese 65V werden über die nächste Diode dem Ladeelko von wiederum 1000 Mikrofarad zugeführt. Diese 65V bilden nun die Grundspannung für den diskret aufgebauten 48V Stabi.

Der Längstransistor (BDX33C) ist ein 100V Leistungs-Darlington, der zur Kühlung vorteilhafterweise isoliert auf das Gehäuseblech des Netzteils montiert wird.
Als „Besonderheit“ kann der 6,8 Ohm Widerstand im Emitter und die drei Dioden 1N4148 betrachtet werden. Bei einem Kurzschluss im Ausgang fällt die Spannung auf Null, die Basisspannung des Längstransistors kann dabei dank der Anlaufspannung der drei Dioden nicht über etwa 2V steigen.
Da der Darlington ja 2 „Diodenstrecken“ als eigene Basisspannung benötigt, liegt die mögliche Basisspannung rund 0,6 bis 0,7V höher als die minimal benötigte. Diese zusätzliche Spannung fällt an den 6,8 Ohm an, was einen Emitterstrom von rund 0,1A benötigt. Das bedeutet, dass der Ausgang der Schaltung auf einen Maximalstrom von 100mA begrenzt ist.

Ein Mikrofon kann im Maximum 14,12mA ziehen. Es ist also möglich, mit dieser Schaltung mindestens 6 Mikrofone zu betreiben.
Zur Spannungsstabilisierung ist der MPSA43 eingesetzt, dessen Emitter an der stabilisierten +15V Speisung liegt. Diese bildet damit die Referenz. Über den einstellbaren Ausgangsteiler wird die Ausgangsspannung der Basis zugeleitet und so mit den stabilisierten 15V verglichen. Die Spannung wird bei einer Strombelastung von etwa 10mA auf die geforderten 48V eingestellt (Ausgang mit 4,7k belasten).

Die + und –10V werden mit den einstellbaren Stabis erreicht und die Spannung bei ebenfalls 10mA (1k Last) auf 10V eingestellt.

Ob ein Netzschalter nötig ist, muss jeder User für sich entscheiden, jedenfalls ist der Einsatz einer Primärsicherung von 125mA unbedingt zu empfehlen.

Falls zwischen Netzteil und Verstärker längere Leitungen vorgesehen sind, sollte auf der Verstärkerseite jede Speisung mit 100nF parallel 10 MikroF abgeblockt werden. Dies gilt ganz besonders für die 10V-Speisungen. Hier sollten diese Abblockungen möglichst dicht beim OPV erfolgen.

Für den Anschluss der Regler-IC, welche ebenfalls zur Kühlung isoliert auf das Gehäsueblech zu montieren sind, sind die Datenblätter
http://www.datasheetcatalog.org/datashee...435_DS.pdf
http://www.datasheetcatalog.org/datashee...LM7915.pdf
http://www.datasheetcatalog.org/datashee...009063.PDF
http://www.datasheetcatalog.org/datashee.../LM337.pdf

zu konsultieren.