Entwicklung eines Audio-Vorverstärkers

Moin Jungs,

ich helfe euch gerne. Mit dem PGA kenn ich mich ja bekanntlichermassen aus, Fernsteuerung auf Philips RC5 Basis auch. Wobei die etwas altbacken ist, ggf. sollte man da ein neueres Protokoll implementieren.

Bin grade ein wenig verwirrt: Was ist jetzt genau der Unterschied zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsschaltplan? Einmal sitzt der Teil mit der "Muellmasse" vorne, einmal hinten.
Ich gehe davon aus dass der PGA vollsymmetrisch in den Ausgang nach den OPV eingeschleift werden soll?

Gruesse,
Stefan

Hallo,

Danke für das Angebot, was wir gern annehmen.

Tatsächlich ist der Eingangsverstärker ein schnöder Eingangspegelanpasser mit Impedanzwandler, wobei uns hier auch eine ferngesteuerte Variante der Pegelstellung, ebenfalls mit PGA vorschwebt. Im Anschluß kommt eine Routingsektion als Ein-/Ausgangswahlschalter mit Relais. Danach folgt eine aktive Frequenzweiche, also der Digitalteil der DCX, deren ADCs und DACs ohnehin symmetrische in/outs haben. Im Signalpfad dahinter folgt die servosymmerische Ausgangsstufe.
Insofern halten wir es für sinnvoll, je zwei Kanäle der PGAs für einen symmetrischen Kanalzug zu verwenden.

Es ist noch nicht einmal entschieden, ob der PGA2320 oder der CS3318 zur Anwendung gelangt. Nach Datenblatt bietet der CS einen leichten Vorsprung in Sachen Dynamik und THD+N, auch unter Einbeziehung des niedrigeren Maxpegels.
Ziemlich sicher möchte ich aber einen MSP430 einsetzen, weil ich den einigermassen kenne und ich eine ordentliche Entwicklungsumgebung habe. Insofern würden wir uns auf "Hochsprachenebene" austauschen müssen.

Wir kennen keinen Fernbedienungscode, sind hier deshalb offen. Etwas Zukunftsfähigkeit kann nicht schaden, wenn ein Mindestmaß an Kompatibilität gewahrt bleibt, um die Fernbedienung ggf. für andere Geräte oder eine Uni-Fernbedienung einsetzen zu können.

hallo,

Die Transils am Eingang setzen natürlich voraus, dass
die angeschlossenen Geräte kurzschlussfest sind und
keinen grösseren Strom (im Fehlerfall) liefern als die
Transils abführen können.
Ich hätte ja R10,R12 direkt an den Eingang gesetzt
(zwischen XLR und C20,C21 !
Das direkte Kurzschliessen der Quellen durch die
Kondensatoren hätte ich damit gleich auch vermieden).

Grundsätzlich,
Überspannungssicherungen brauchen immer einen
strombegrenzenden Widerstand oder eine (Schmelz-)Sicherung!

Machen Transils überhaupt einen Sinn bei Audio?
Schnelle Spitzen werden doch von den Kondensatoren
abgefangen.

Fernsteuerung auf Philips RC5 Basis auch. Wobei die etwas altbacken ist, ggf. sollte man da ein neueres Protokoll implementieren.

Warum?
jede Uni-FB kann wenigstens RC-5

Hallo Kay,

danke für die Hinweise.

die Suppressordioden sind _ausschließlich_ gegen ESD vorgesehen. Vielleicht nehmen wir später körperlich kleinere mit geringerer Sperrschichtkapazität. Das sollte besser für die CMRR sein.

Für den externen Fehlerfall von Überspannung legen wir die Kiste nicht aus, wo wäre da eine sinnvolle Grenze? Die 100 Ohm reichen auch kaum als Schutz, denn bei 10Vrms Nenneingangspegel müßten schon 1W-Versionen her. Die nötige Leistungsauslegung wächst mit dem Quadrat der Spannung, die es abzufangen gilt.
Andererseits rauscht jeder Widerstand in der Eingangsleitung. Je kleiner selbiger in Summe, desto besser für das SNR.

Wenn Audioquellen die HF-Kondensatoren nicht vertragen, können sie auch keinen einzigen Meter Strippe treiben. Wer OPAs ohne Serienwiderstand in einen Ausgang verbaut, ist selbst schuld. So etwas kommt mir nicht an die Kiste.

Wer OPAs ohne Serienwiderstand in einen Ausgang verbaut, ist selbst schuld. So etwas kommt mir nicht an die Kiste

du kennst nicht jede Quelle,

aber es sicher richtig, dass die Wahrscheinlichkeit
eines Defektes relativ gering ist
...
aber ich tausche lieber einen abgebrannten Widerstand als
einen OP

Hallo Timo,

die Suppressordioden sind _ausschließlich_ gegen ESD vorgesehen.

Das dachte ich mir. Ich nutzte dafuer gerne die USB ESD Schutz Dioden von Texas Instruments, die ueblicherweise eine Kapazitaet im Bereich von 1pF bis 2pF haben. Ob die aber mit den 10Vrms zurechtkommen muesste man nachschauen.

Ziemlich sicher möchte ich aber einen MSP430 einsetzen, weil ich den einigermassen kenne und ich eine ordentliche Entwicklungsumgebung habe. Insofern würden wir uns auf "Hochsprachenebene" austauschen müssen.

An den MSP430 hast du ja schon vor einiger Zeit dein Herz verloren. Leider habe ich noch kein Projekt mit dem Low-Power-16Bitter bei dir sehen koennen
Meine Sourcen sind (noch) Assembler, habe fuer RC5 aber auch C Sourcen. Leider ist das Auswerten meist recht hardwarespezifisch, da man je nach Controller lieber einen externen Interrupt oder ein Capure & Compare Modul in Verbindung mit einem Timer einsetzt.

Für den externen Fehlerfall von Überspannung legen wir die Kiste nicht aus, wo wäre da eine sinnvolle Grenze? Die 100 Ohm reichen auch kaum als Schutz, denn bei 10Vrms Nenneingangspegel müßten schon 1W-Versionen her.

Fuer Ueberspannung sind die Supperssordioden m.E. nur eingeschraenkt geeignet, ich wuerde da eher Clampdingdioden einsetzen. Das fordert aber, dass dein Netzteil im Ueberspannungsfall auch als Senke arbeiten kann.
Ich wuerde da mir aber keine uebertriebenen Gedanken machen. ESD Schutz und ein adequater Serienwiderstand in der Leitung und gut ist. Den Rest werden die Clampingdioden im OP schon abfangen, fall man den Eingang nicht mutwillig zerschiessen will.

Es ist noch nicht einmal entschieden, ob der PGA2320 oder der CS3318 zur Anwendung gelangt. Nach Datenblatt bietet der CS einen leichten Vorsprung in Sachen Dynamik und THD+N, auch unter Einbeziehung des niedrigeren Maxpegels.

Habe mir gerade mal das DB des CS3318 angeschaut. Leider sind die ja mit Messkruven (im Verleich zu TI) doch sehr sparsam. Daher vermag ich kaum zu sagen, welcher Chip besser ist. Auf den ersten Blick erscheinen die doch sehr aehnlich. Was ich allerdings interssant finde ist, dass Cirrus seine Chip deutlich verbessert hat. Der erste digitale Lautstaerkeregler, der einigmassen beliebt war, war von Cirrus. Kurz darauf kam dann der PGA2311, der den Cirrus techisch gesehen locker in die Tasche gesteckt hat. Offenbar hat sich Cirrus da etwas ans Bein gepinkelt gefuehlt.
Wieviele Kanaele sollen es denn werden? Da bietet der CS3318 im LQFP Gehaeuse mit 8 Channels platzmaessig deutliche Vorteile gegenueber dem PGA2320.

Btw: Die frage mit dem Muellmassendingens bist du mir noch schuldig

Gruesse,
Stefan

Hallo Stefan,

ein Projekt ist der Raumströmungssensor, den ich bestimmt hier schon irgendwann erwähnte:
http://www.ibtk.de/project/rstr/foto/20020906komplett_im_Gang.jpg

mit den Innereien der Kugel:


bekommt z.Z. einen Controller ringsherumgestrickt:
Filmchen

Inzwischen laufen die einzelnen Firmware-Module endlich auch einigermaßen. PC-Programm und Zusammenschreiben fehlen noch.

Es gab aber auch schon das
Atemgasanalyseprojekt.
Zum Weiterlesen für Interessierte.

Auch das Trumspannungsmeßgerät will ich nicht vorenthalten. Hier die Prinzipschaltung.

Ausreichend Expertise?

Bei den ESD-Dioden suche ich immer einen Kompromiss zwischen Sperrschichtkapazität und Pulsleistung bzw. Klemmspannung, denn mindestens Letztere klettert ja durch den Rest der Schaltung. Bourns CDSOD323 steht bei mir momentan gut im Kurs.

Mit Klemmdioden habe ich schon einen bösen Reinfall erlebt, in welchem die Digitalbetriebsspannung von ursprünglich 3,3V höherrutschte, weil die vorgelagerte OPA-Schaltung mit +/-12V Betriebsspannung übersteuerte. Mein Schaltungsfehler, klar, aber wer hat schon Zwei-/Vierquadrantennetzteile in der Schaltung?

CS3318: Rechnet man die Datenblattangaben ein wenig um, kommt man auf +9dB Dynamik gegenüber dem PGA2320. Da kommt man schon ins Grübeln.

Oh, die Müllmassenfrage dachte ich erledigt. Es ist ein Zweimassenkonzept, bei welchem die Müllmasse auf dem gut leitfähigen Gehäuse liegt oder eine ebensolche interne Montageplatte nutzt und nur die Analogmasse als Signal-Potentialreferenz dient. Signalströme in Analogmasse, Störstrome in Müllmasse, beides voneinander schön getrennt halten.
Dies ist, allgemein als Impedanzkopplung bezeichnet, bei z.B. Joachim Franz nachzulesen.

Mit Klemmdioden habe ich schon einen bösen Reinfall erlebt, in welchem die Digitalbetriebsspannung von ursprünglich 3,3V höherrutschte

nur mal so zum Spass,

man kann sich auch ein Hilfspotential per Z-Dioden schaffen,
parallel zu den ZD's Transil verbauen,
und dann per Klemmdioden darauf ableiten.

Hallo,

das kommt ganz auf die "Kräfteverhältnisse" an, sprich die Stromergiebigkeit der (Überspannungs-)Quelle und die Stromtragfähigkeit der (Z-Dioden-)Senke. Für ESD, zumindest für die HBM-Prüfung, reicht auch ein normaler 100nF als kapazitiver Spannungsteiler, aber eben nicht sinnvoll parallel zu Audioeingängen.
Weiterhin sind (bzw. sollten sein) die ESD-Dioden auf di/dt im sub-ns-Bereich gezüchtet, bei gleichzeitigen Maximalströmen mehrerer Ampere, hier kommt auch nicht mehr jede Wald- und Wiesendiode zur Klemmung in Betracht. Umgekehrt können die ESD-Dioden nicht zwangsweise ordentliche Dauerströme leiten.
Fazit für mich: ESD- und Überspannungsschutz sind funktional besser zu trennen, sofern überhaupt Anforderungen bestehen.

Für den oben beschriebenen Lapsus hätte Dein Vorschlag wohl geholfen, wenn - ja wenn - ich daran gedacht hätte.

das kommt ganz auf die "Kräfteverhältnisse" an, sprich die Stromergiebigkeit der (Überspannungs-)Quelle und die Stromtragfähigkeit der (Z-Dioden-)Senke

... und auf den strombegrenzenden Serien-Widerstand
(und/oder der Sicherung, wo ein Widerstand nicht
einsetzbar ist)

Hallo Kay,

mir sind bisher nur Halbleiter untergekommen, die bei normaler funktionaler Dimensionierung "schneller" als Sicherungen sind, bis hin zu 250A-Schweißdioden. Das läßt sich auch gut an den verschiedenen Sicherungs-Kennlinien ablesen, insbesondere, wenn man deren Toleranzen einrechnet. Wer hat denn die Schädigungen am Halbleiter durch die außergewöhnliche Belastung im Fehlerfall (bis die Sicherung kommt) untersucht, die nicht zum Totalausfall führen und deshalb oft unerkannt bleiben? Das ist z.B. von ESD-Events durchaus bekannt und mir schon untergekommen (erhöhte Stromaufnahme, latchup-Neigung, verschobene Offsets...).

Auch die selbstrückstellenden Sicherungen sind nur schwierig so dimensionierbar, dass die nachfolgende Schaltung unter allen Umständen sicher _und_ funktional nicht beeinträchtigt wird. Oft läßt man z.B. den veränderlichen Reihenwiderstand der Sicherung außer Acht oder das Rauschverhalten, das zumindest mir völlig unbekannt ist und gerade bei den Selbstrückstellern durch die Korngrenzeneffekte säuisch sein dürfte.

Egal, Du hast Recht, daß man schützen könnte, ich rede es für dieses Projekt (Audioeingang) nieder. Danke aber natürlich für die Kritik, ist gut zum Augenöffnen.

es ist eben mein Problem.

Ich wollte etwas "teuerere" LED's zur Raumbeleuchtung einsetzen und habe deshalb mal nach Schutzmechanismen gesucht.

In der Tat gibt es keinen 100%igen Schutz!
(wenn Stromsparen/Wirkungsgrad/Kosten ein Thema sind)


auch wenn's hier off topic ist:



'Schön' sind auch Überlegungen zum Schutz einer Soundkarte,
wenn man diese als (Audio-) Messgerät einsetzen will.
Was besseres, als einen zusätzlichen vor-/nachgeschalteten
Op zum Abrauchen, ist mir noch nicht eingefallen,
...
denn irgendwelche Schutzmassnahmen sollen natürlich
- nicht (garnicht) das zumessende Signal verfälschen
- genausowenig die zumesssende Quelle beschädigen.

Deshalb auch meine Frage oben zu den Transil.
Ich habe solche Dinger noch nicht parallel zu einem
Audio-/Eingang vermessen.
Wie hochohmig (linear) sind die wirklich im Nutzbereich?

Noch etwas zu den Widerständen, seriell zum sym. Kabel

CMRR
The internal thin-film resistors are precisely trimmed to achieve
a CMRR of 90 dB. Any imbalances introduced by the external
circuitry will cause a significant reduction in the overall CMRR
performance. For example, a 5 W source imbalance will result in
a CMRR of 71 dB at dc. This is also true for any reactive source
impedances that may affect the CMRR over the audio frequency
range. These error sources need to be minimized to maintain
the excellent CMRR.
...
shows the basic differential
receiver application where the SSM2143 yields a gain of 1/2.
In other words, to build this
circuit discretely, the resistors would have to be matched to
better than 0.005%!

The following table shows typical resistor accuracies and the
resulting CMRR for a differential amplifier.
% Mismatch CMRR
5% 30 dB
1% 44 dB
0.1% 64 dB
0.005% 90 dB

Entsprechend finden sich dann bei Analog oder TI keinerlei
sachdienliche Hinweise in Richtung ESD, HF-Einstreuschutz.

Wobei ich nicht einschätzen kann, wieviel CMRR man im
Hausgebrauch braucht ...

Hallo,

nun wird es ja langsam wieder interessanter.
Die di/du-Diagramme der Schutzdioden sind nicht ideal. Jeder veränderliche Querstrom nach GND führt spätestens über die Quellimpedanz zu Verzerrungen.

Stellvertretend ist das hier mal mit zwei antiseriellen BZX84C15L bei 20Vpp simuliert. Der Querstrom liegt bei etwa +/-1,5µApp (im Diagramm bei -119dB), die Harmonischen in der FFT um -190dB, also -71dB darunter. Mithin fielen an einem 100 Ohm Serienwiderstand etwa 0,8nVpp Störspannung ab (-200dB), was mir mit einigen Größenordnungen "Luft" ausreichend erscheint.



Der VV hat eine Bootstrapschaltung, die das CM-Problem etwas entschärft, indem sie die CM-Eingangsimpedanz erhöht. Näheres kann man hier lesen.
Der SSM2143 ist ein "simpler" Differenzverstärker mit recht niedriger Eingangsimpedanz, die vorliegende Schaltung ein Instrumentationsverstärker. Ob man das braucht? Keine Ahnung, kostet aber nur wirklich wenig mehr und bietet etwas subjektive Sicherheit für "schwere" Spielpartner.

Mal sehen, vielleicht wissen wir in einigen Tagen mehr über die tatsächlichen Leistungen des Prototypen.

Hi Timo,

bin schon gespannt auf die Messergebnisse.

Grüße
Stefan

Hallo zusammen,

den Sinn der Bootstrap Schaltung verstehe ich noch nicht ganz.
Ich meine, zum einen sind die +OP Eingänge doch (vermutlich) ohnehin sehr hochohmig. Zum anderen liegen weiter vorne R19/R20 direkt auf Masse, und bilden einen Nebenschluß zu den "gebootstrapten" R4 und R5.
Ich hoffe, mich klärt jemand auf :-)

Gruß
Bernhard

Hallo,
danke für den Hinweis.
R18/19 gehören final dort tatsächlich nicht mehr hin, ich nenne sie mal "Angstwiderstände". Sie kommen ursprünglich aus der Simulation.
Bitte auch das in Beitrag 15 vrlinkte Dokument lesen.

Hallo,

ein Freund führte, wie angekündigt, aufwendige Messungen des Prototyps durch.
Die Webseite ist um deren recht interessante Ergebnisse erweitert:

Hallo Timo,

das schaut doch soweit nicht verkehrt aus. Der Noisefloor wirklich sehr niedrig, die Intermodulationen sind aber auch noch ok. Ich verstehe nur die Common Mode 5Vrms Debalanced Messung nicht so recht. Was wurde da wie gemessen?

Gruss,
Stefan

Hallo Stefan,

danke!
Nicht verkehrt - ein bißchen mehr Schulterklopfen kannste schon rauslassen, vor Allem an die Messfritzen und ADI, die den netten OPA herstellten.

Persönlich war ich bei der Messung nicht zugegen. Meines Wissens speiste bei der CMR-Messung die Quelle über einen 600-Ohm-Widerstand an +IN und einen 25-Ohm-Widerstand an -IN mit 5Vrms (differentiell) den preamp. Die Messung repräsentiert also die Reaktion auf asymmetrische Quellen, wenn ich richtig liege.
Die Eingangsschaltung ist inzwischen dahingehend verbessert, siehe Abb. 26ff "Eingangsstufe Variante 2 vollsymmetrisch". Ich hoffe, das verhält sich in der Realität ähnlich simulationskonform wie bisher.

Dass der Prototyp bei IMD nicht so toll wäre, wie ich behauptete, stimmt freilich nicht, das korrigierte ich im Fazit. Man beachte, dass die preamp-Messungen weniger als 1dB hinter den Limitmessungen hervorlugen, das kann zum wesentlichen Teil auf die Verstärkung der Eingangsstufe von eben nicht 0dB, sondern etwa 0,56dB zurückzuführen sein.

Hallo Timo,

Nicht verkehrt - ein bißchen mehr Schulterklopfen kannste schon rauslassen, vor Allem an die Messfritzen und ADI, die den netten OPA herstellten

Die Schaltung scheint mit starker Gutartigkeit gesegnet

Ich schau mir die Sachen später noch Mal an, nach 13 Stunden Flug bin ich nicht mehr so in der Stimmung...

Grüsse,
Stefan

Stefan,

wenn du dann mal in Stimmung bist,

kannste vielleicht mal deinen Progammteil zur Ansteuerung der PGA's in deutscher Sprache posten

Mit 'C' kann ich nix anfangen

Hay Kay,

Mönsch, der Zug hier hat doch noch ganz offene Türen. Willste nicht gleich einen MSP430 weiterprogrammieren, tatsächlich in "C" statt nur den Hexcode runterzuladen (Gibt Stefan den Code frei?)? Wir haben schon diverse Programmteile laufen, der oben verlinkte Strömungssensor funktioniert, inklusive Ethernetanbindung.



Stefan, danke, klingt doch gleich viel besser!
Gute Erholung! 13 Stunden - klingt nach Australien...

Tiki

tatsächlich in "C" statt nur den Hexcode runterzuladen

eignetlich will ich selbst in Bascom für 'nen Atmel programmieren
...
aber in der Tat sollte ich erstmal selbst anfangen und dann den Stefan mit konkreten Fragen zuschütten