Impedanzwandler selber bauen mit OPVs

[rille2]

Die Elektronik meiner neu erstandenen (eher preiswerten) Gitarre habe ich gleich rausgeschmissen, das war doch sehr preiswertes Zeug. Das Ton-Poti hat gekratzt, der Toggle-Schalter für die Tonabnehmer war sehr wackelig und die Klinkenbuchse war auch vom Billigsten. Also erst mal neue, hochwertigere Potis, Buchsen und Schalter bestellt. Einen Impedanzwandler will ich auch gleich einbauen. Das Setup soll dann grob so aussehen: Tonabnehmer (2xHumbucker) -> Umschalter -> C-Switch -> Tonblende -> Impedanzwandler -> Lautstärkepoti.

Ich habe mir mal die Schaltungen angeschaut, die so für die Impedanzwandler im Umlauf sind. So viel findet man da nicht. Die ganz einfachen Schaltungen mit nur einem Transistor begeistern mich eher nicht. Oft sieht man auch den TL061. Eine Schaltung mit dem AD820 habe ich auch noch gefunden:



Die Anforderungen an einen Impedanzwandler bzw. auch ein Schaltungsbeispiel kann man unter http://www.guitar-letter.de/Knowled...esImpedanzwandlersinderGitarrenelektronik.htm und http://www.guitar-letter.de/Knowledge/ImpedanzwandlerfuerdieElektrogitarre.htm nachlesen.

Die größten Probleme, die sich in der Praxis ergeben, sind IMHO:

• kapazitive Last am Ausgang durch das Kabel (bis 1nF sollte kein Problem für die Schaltung sein)
• ausreichend großer Aussteuerungsbereich
• Stromaufnahme
• einfache Versorgungsspannung

Die kapazitive Last ist ein recht großes Problem, viele gängige OPVs sind damit überfordert. Man kann dem aber durch eine spezielle Beschaltung bzw. Auswahl des OPVs beikommen. Für den AD820 sind z.B. 350 pF als maximale Last angegeben. Mit folgender Schaltung geht aber mehr:

Das Datenblatt spricht hier von 10% Überschwingen bei 5 nF Belastung. Der AD8610 ist von Haus aus bis 1nF stabil, bei +/-5V und 10 kOhm Last am Ausgang werden im Datenblatt sogar 10nF angegeben. Bei höherer Verstärkung als 1 geht dann sowieso immer noch eine höhere Kapazität. Man kann also überlegen, vielleicht gleich eine Verstärkung von 2 zu nehmen.

Rail-to-Rail-OPVs sind natürlich eine Überlegung wert, die haben einen hohen Aussteuerungsbereich. Ich habe mir hier mal von Analog die Typen AD8641, AD820 und AD8625 bestellt um damit zu experimentieren. Sie benötigen alle weniger als 1mA, der AD8641 sogar nur 250µA. Von Haus aus sind 350 pF bzw. 500 pF als kapazitive Last kein Problem, mit o.g. Schaltung bzw. höherer Verstärkung auch mehr.

Mit dem AD8610 werde ich evtl. auch experimentieren (habe ich eh rumliegen), der braucht aber schon 2,5mA, d.h. ein 9V-Block mit 500mAh hält ca. 200h. Nachteil ist natürlich, dass es kein Rail-to-Rail ist. Bei +/-5V Betriebsspannung werden +/-4V als Ausgangsspannung angegeben, d.h. mit einem 9V-Block dürften es ca. +/-3,5V sein. Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber kapazitiven Lasten. Ein Rail-Splitter (TLE2426) kann hier für die benötigte symmetrische Spannungsquelle sorgen und man kann sich die ganzen zusätzlichen Bauteile sparen, die sonst für einen Betrieb mit einer einzelnen Versorgungsspannung nötig sind. Problem ist dann aber, wie schaltet man das ganze ein? Der Trick mit Batterie-Minus der die Stereo-Klinkenbuchse geht nicht, da die Ausgangsmasse eben nicht mehr gleich dem Minus-Anschluss der Batterie ist.

Analog bietet auch eine Simulationsprogramm an: http://www.analog.com/en/content/adisimpe/fca.html. Es heißt ADIsimPE und ist eine Spezialversion von SIMetrix/SIMPLIS. LTSpice würde natürlich auch gehen, Modelle für die OPVs werden auch angeboten. Solche Simulationen sind Neuland für mich, ich habe jetzt mal etwas mit ADIsimPE herumgespielt.

Hier einfach mal ein Beispiel:

Eingespeist wird ein Rechtecksignal mit 20 kHz und +/-1V. C1 wurde erhöht, das verringert das Überschwingen. VR1 ist das Lautstärkepoti in der Gitarre und CL die kapazitive Last des Kabels. RL ist der Lastwiderstand des Eingangs des Gitarrenverstärkers und dürfte in der Praxis eher höher sein.

Heraus kommt dann:

Frequenzgang (100Hz...50kHz):

Rot ist Vin, blau ist V_out1. Grün ist dann V_out2, d.h. hinter dem Poti, dass hier auch 90% eingestellt war. Wie man sieht, bildet das Poti und die dahinter liegende Kapazität einen Tiefpass, der hier aber nicht wirklich störend ist.

Die Kurvenform sieht dann so aus:

Es wurde nur ein Ausschnitt gewählt, der das Überschwingen zeigt, das hier mit <7% recht moderat ausfällt. Mit kleinerem C1 wird das Überschwingen größer. Rot ist das Eingangssignal, grün das Signal vor dem Poti (V_out1).

Nach dem Poti sieht es durch den Tiefpass noch etwas anders aus:

Bevor jetzt jemand auf die Idee kommt, das Signal wird ja total verfälscht, sollte sich vor Augen halten, dass Musik nicht aus Rechtecksignalen besteht. Die wurden hier nur benutzt, um die Stabilität und die Reaktion auf kapazitive Lasten zu zeigen.


Das ganze muss jetzt natürlich noch in der Praxis ausprobiert und getestet werden. Anregungen und Kommentare sind natürlich auch erwünscht. Ich bin eher Anwender und würde mich im Entwerfen von Schaltungen nicht gerade als Experte bezeichnen

Die ganze Problematik des Betriebs an einer einfachen Versorgungsspannung muss ich mir auch noch genauer anschauen...

 

[Telefunky]

sehr hübsch gemacht, aber wenn du dich selbst als Anwender bezeichnest, warum dann der Technik-Krempel ?
ich kenne 3 sehr gute Vorstufen - und die arbeiten alle mit 1 Transistor
bei der Avalon U5 ist es ein spezieller Typ (HF iirc) mit sehr hoher Betriebssspannung
in meinem Telefunken V357 ein FET, auf dem Huckepack noch ein Bipolarer sitzt (früher Doppeltransistor)
im Audient ID22 ein FET vor einer diskreten Eingangsschaltung
alles sehr einfache, aber hochwertige Entwürfe
(ok, sie sitzen nicht im Instrument - aber dafür wird rein gar nichts 'verschliffen')
das ist auch deutlich zu hören...
eine Gitarre verzeiht sicherlich etwas mehr, aber beim Bass wird es überdeutlich (ich habe beides)
hochwertiger Tonabnehmer nach Geschmack, gutes Kabel, diskreter Eingang mit Einzeltransistoren reicht nicht nur aus, sondern liefert meist das bessere Ergebnis
Op-Amps sind in erster Linie ein Mittel zur Rationalisierung, nicht zur Verbesserung
ps: für Mikrofone gibt es einen sehr gelobten Impedanzwandler mit 20 dB gain, der auch nur mit 1 FET arbeitet (Triton Audio FETHead)

cheers und herzlich willkommen, Tom

 

[smartin]

Ich führe demnächst auch einen Preamp auf dem Markt ein, der einen OPV hat.

Es haben sich einfach hervorragende elektrische Werte gezeigt, insb. beim Rauschverhalten, Klang und Batterieverbrauch. Ich kann z.B. bis 3,2 Volt runter - das reicht für die Batterien, die fürs Stimmgerät schon zu schwach sind.
Ich verstehe die Entscheidung deshalb vollkommen.

Ich würde allerdings nicht anfangen einen einzelnen selbst zu bauen. Kann man doch fertig kaufen - ist dann viel kleiner (ich komme auf die Größe von 1 Centmünze) und günstiger.


Aber nun zum Thema:

"Der Trick mit Batterie-Minus der die Stereo-Klinkenbuchse geht nicht, da die Ausgangsmasse eben nicht mehr gleich dem Minus-Anschluss der Batterie ist."

Den einen Tipp gebe Ich Dir mal, der Rest bleibt aber Geheimsache meinerseits .... Schau Dir mal die Switchcraft Nr. 13 an
Die bekommst Du einzeln z.B. beim Tubeampdoc.


Viel Spaß beim Forschen und Entwickeln...

 

[rille2]

@Telefunky
Mit Anwender meinte ich eher, dass ich zwar aus den Datenblättern oder Application Notes die Schaltungen entnehmen und auch entsprechend den dortigen Infos anpassen kann, mir aber nicht sämtliche Grundlagen geläufig sind. Die praktische Umsetzung ist dann kein Problem. Du meinst mit Anwender wahrscheinlich jemanden, der sich mit Elektronik eigentlich gar nicht auskennt und das Ding nur anstöpseln will

Ich habe halt die Erfahrung gemacht, dass gerade im Audiobereich auch viel "Glauben" vorhanden ist und technisch eigentlich schlechte Schaltungen trotzdem eingesetzt werden, weil es Hersteller/Entwickler/Fans entsprechend anpreisen. Weil nur ein aktives Bauteil vorhanden ist, glaubt der unbedarfte Anwender halt, da wird auch möglichst wenig beeinflusst.


@smartin
Danke für den Tipp mit der Buchse. Die ist optimal geeignet. Ich hatte zwar schon mal kurz gesucht, aber eben bei den gängigen Hersteller noch nicht alles angeschaut.

Das selber bauen ist ja auch mehr zum Spaß an der Freude Und Geld spart man ja auch noch. Das Ergebnis können dann ja gerne auch andere nutzen.



Ich habe mal noch etwas herumexperimentiert und bin erst mal auf diese Schaltung mit dem AD8610 gekommen:

In der Simulation sieht alles gut aus. Es sind bis zu 3V Eingangsspannung (6V Spitze-Spitze) ohne Übersteuern möglich. Das Verhalten mit 1nF Last an einer Rechteckspannung sieht auch gut aus.

Die Teile dafür müsste ich sogar herumliegen haben, mal schauen, ob ich morgen dazu komme.

Eine Version mit klassischer Beschaltung und Rail-Splitter werde ich auch noch testen. Dazu müssen die entsprechenden Teile aber erst mal da sein. Jetzt weiß ich ja auch, welche Buchse dafür geht.

 

[hottube]

Da muss ich Smartin recht geben.

Der Unterschied im Ergebnis ist nach meinen Erkenntnissen nicht von OPV, FET oder Bipolar abhägnig, sondern von der Schaltung und Dimensionierung an sich.
OPV Schaltungen lassen sich anhand des Datenblatts sauber Dimensionieren und mit geringen Abweichungen immer wieder aufbauen.
Diskrete Bipolare Schaltungen sind etwas aufwändiger zu berechnen, die Streuungen halten sich gegenüber FET basierten Verstärkern noch in Grenzen.
Wer FET-Transistoren in der Serienfertigung für qualitativ hochwertige Schaltungen nutzen will, wird in aller Regel selektieren müssen - oder einen Abgleich vorsehen.

Im Bastelbereich würde ich jedoch keine der Technologien ausschließen wollen.

Wenn hohe Eingangswiederstände bei der Schaltung benötigt werden, greift man zu FET und Verwandten, diese haben ein geringeres Strom-Rauchen, dies geht bei dieser Anwendung stärker in die Rauschbilanz ein. Bipolare Halbleiter sind die Meister wenn es um das Spannungsrauschen geht.

Als Messverstärker ziehe ich OPV Schaltungen vor. Diese gibt es auch mit FET Eingängen und nach gelagerten Bipolaren Stufen. Ein Overshoot bei Fg von 50KHz ist für Messungen an Gitarren vernachlässigbar. Ich für meinen Teil bin bei diesen Frequenzen bereits Stock taub.
(Kapazitive Lasten verringern hier die Phasenreserve)

Für Bässe benötigt man Klirr ärmere Schaltungen und geringere Intermodulation als für Gitarren, da Bässe überwiegend tiefe Töne gespielt werden, deren Obertöne viel dichter in den dar überliegenden Bereichen auftauchen. (engerer Lattenzaun)


wenn Du gerade beim Analysieren von Schaltungen bist, die oben von Dir zitierte Schaltung sieht inzwischen so aus:



Schaltungen zu Halbleitern findet man in den Datenblättern, zumindest teilweise, darüber hinaus gibt es dann noch Application Notes entweder zu speziellen Halbleitern oder zu Themengebieten. Das kann etwas mühsam sein beim finden und durchsuchen. Hin und wieder hat man etwas Glück und findet ältere gedruckte Datenbücher von TI, AD, BB oder LT. Neuere spezial Halbleiter auch bei Maxim, leider kaum für Amateure verfügbar. Für diskrete Schaltungen ist man auf noch ältere Datenbücher und Application Guide angewiesen. In der Literatur gilt der "Tieze Schenk" als Standardwerk, im Hobbybereich war es der Nürman, mit fertigen zum Nachbau oder weiterentwickeln geeigneten Schaltungen. Eigentlich gibt es keine sinnvolle Kombination aus elektrischen Bauteilen, die nicht nirgendwo bereits beschrieben ist. Die Kunst ist zu wissen wo es steht
Ach noch ein Hinweis zu Preisen von Halbleitern, etliche sind bereits angekündigt. Als diese aus der Produktion gingen wurden noch Restbestände von den Distributoren auf Lager gelegt. Halbleiter die langsam zur Neige gehen werden dann immer teurer. So manch alter (veralteter) OPV ist heute teurer und schlechter als die Standard Typen, diese sind meist sehr kostengünstig. So manches Juwel ist inzwischen auch bei den Asien-Halbleitern zu finden.

 

[Telefunky]

@Telefunky
Mit Anwender meinte ich eher, dass ich zwar aus den Datenblättern oder Application Notes die Schaltungen entnehmen und auch entsprechend den dortigen Infos anpassen kann, mir aber nicht sämtliche Grundlagen geläufig sind. Die praktische Umsetzung ist dann kein Problem. Du meinst mit Anwender wahrscheinlich jemanden, der sich mit Elektronik eigentlich gar nicht auskennt und das Ding nur anstöpseln will

ich habe dich schon so verstanden, dass entsprechende Kenntnisse vorhanden sind...
den 'Anwender' habe ich tatsächlich in Richtung 'Nutzer des Ergebnisses' ausgelegt - ist aber nebensächlich

in meinem eigenen 'Arsenal' findet sich auch genau 1 Ausnahme von der Regel des bevorzugten diskreten Aufbaus
(und da sitzt zu allem Überfluss auch noch ein 4558 vorn drin)
die 'Auflösung' des Billigteils hat mich schon überrascht, wobei es sicher kein Entwurf mit Ambitionen war

ansonsten habe ich halt nur die Hörergebnisse - und wüsste auch mit viel Phantasie nicht, wie das zu steigern wäre
was hottube über die Bauteile-Selektion schreibt, spricht natürlich rein organisatorisch für OPV
und da ich die neuen Exemplare von AD selbst nicht kenne... mach' einfach mal

cheers, Tom

 

[rille2]

wenn Du gerade beim Analysieren von Schaltungen bist, die oben von Dir zitierte Schaltung sieht inzwischen so aus:

Anhang anzeigen 394363

Was kommt an "TP1"?

 

[hottube]

An TP1 ist ein Schalter gegen Masse/U+ vorgesehen. Über Q1 wird damit R3 in der Gegenkopplung auf Masse gelegt. Damit hat die Schaltung neben V=1 noch einen schaltbaren weiteren Verstärkungsfaktor.
Da der Schalter nicht selbst in der Schleife liegt kann er beliebig platziert werden. Der Teil ist aber noch experimentell.

 

[rille2]

Ich habe die Schaltung mal im Simulator nachgestellt. Als Last habe ich wieder 1nF und 10kOhm genommen. Mit TP1 auf Masse (Gain=1) sieht das aber nicht gut aus. Man hat sehr starke Überschwinger. Hier mal ein Bild mit einem Rechtecksignal mit 1V und 10 kHz:

Bei Gain=2 sieht es besser aus:

Bei Gain 2 sind max. 2,3Vs (4,6Vss) als Eingangsspannung möglich. Solange man keine High Gain-Tonabnehmer nimmt, sollte das aber locker reichen.

Das Problem ist ja generell, dass die Stabilität bei Unity Gain am schlechtesten ist. Selbst mit leicht erhöhter Verstärkung wird es schon deutlich besser.

Falls jemand selber experimentieren will, ich habe mal die Dateien für ADIsimPE angehängt.

Der erste Prototyp ist auch fertig:

Getestet habe ich aber noch nicht

 

[rille2]

Einen kurzen Test habe ich jetzt doch noch gemacht. Sieht soweit wie erwartet aus. Mangels richtigem Tongenerator habe ich den Rechteckgenerator im Oszi (1kHz/5V) genommen. Die Stromaufnahme ist mit 2,5 mA im erwarteten Bereich. Jetzt müssen nur noch die bestellten Teile (Poti, Schalter usw.) eintreffen, dann kann ich das Ganze in die Gitarre einbauen und praktisch erproben.

@hottube
Wie viel Spannung geht durch den BSS 84 verloren? Weniger als bei einer Schottky-Diode (z.B. SB130 von Vishay: <0,2V bei 0,01A)?

 

[hottube]

@rille2 Ron beträgt ca. 10Ohm (Versorgung 9V Block, ca. 1.1 mA -> 0,011V)

Der Überschwinger ist meistens harmlos - dennoch lohnt es sich das näher zu betrachten.
Relvant, ist das die betroffenen Frequenzen deutlich oberhalb vom Nutzbereich liegen.
Der wichtigste Parameter ist aber die Phasenreserve. Dieser stellt sicher dass die Schaltung nicht selbst zum Oszillator wird.
Bzw. bei gerade noch stabiler Phasenreserve Empfindlich auf Einstreuungen höherer Frequenzen reagiert. (EMV Probleme)
Bei geringer Phasenreserve ist das saubere Setzen von Abblock-Kondensatoren direkt am OPV besonders wichtig.

Woher der Effekt kommt wird hier erklärt:
hier die AP-Note dazu: http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/38-06/capacitive_loading.html

Um das zu beurteilen wird ein Plot mit Betrag und Phase (.AC Analyse) herangezogen.


Die Betragskurve stellt die "Filterkurve" dar. Am Ausgang kommen nur Frequenzen an die auch am Eingang vorhanden waren, angehoben oder abgesenkt entsprechend des Kurvenverlaufs.
Der Nutzbereich der (E)Gitarre endet jedoch noch vor 20kHz. Auswirkungen der Überhöhung am oberen Frequenzbereich werden in der Praxis nicht zu hören sein.
Ist der Überschwinger nicht zu vermeiden, kann also auch der Eingang gefiltert werden.


Einen Überschwinger von rund 50% ist auch in meinem Aufbau bei V=1 zu finden, bei V = 2 geringer. (Mal sehen ob sich das noch optimieren lässt)

 

[rille2]

Wichtig ist es ja hauptsächlich, um mal zu schauen, wie stabil sich die Schaltung verhält. Man will ja schließlich keine Rechtecksignale verstärken.

Ich habe jetzt die Schaltung provisorisch in die Gitarre eingebaut, funktioniert gut. Da die Platine mit knapp 5x5 cm natürlich viel zu groß ist, werde ich noch kleinere Versionen bauen. Ich habe mir jetzt eine Labor-Platine für SMD bestellt, dann wird alles mit SMD-Bauteilen bestückt. Die Railsplitter kamen auch, dann kann ich mit denen auch testen.