|
Universele spanningsgestuurde versterker |
|
klik hier voor compleet overzicht |
- Gebruikt OTA als regel-element
- Stuurspanning tussen 0 V en +5 V
- Ingangsimpedantie 100 kOhm
- Symmetrische voeding, geen scheidingscondensatoren
- Slechts 23 onderdelen
INLEIDING
Een spanningsgestuurde versterker is een versterker waarvan de versterkingsfactor wordt ingesteld door het aanleggen van een
gelijkspanning op een stuuringang. In de vakliteratuur wordt een dergelijke schakeling meestal VCA genoemd, afkorting van 'Voltage
Controled Amplifier'. Het zal duidelijk zijn dat zo'n schakeling een heleboel praktische toepassingen heeft, zowel voor de hobbyist
als voor de professionele audio-elektronicus:
DE OTA ALS HART VAN DE SCHAKELING
Een spanningsgestuurde versterker kan op verschillende manieren ontworpen worden. Een van de beste is gebruik te maken
van een OTA, een 'Operational Transconductance Amplifier'. Een OTA is een speciaal soort operationele versterker, waarbij het
spanningsverschil tussen beide ingangen niet in een uitgangsspanning wordt omgezet, maar in een uitgangsstroom. De
grootte van deze stroom is, behalve van het genoemde spanningsverschil, ook nog eens afhankelijk van de
'geleidingsoverdracht' van de schakeling. Dat is een soort versterkingsfactor die bepaalt hoeveel stroom de OTA levert voor
iedere mV spanningsverschil tussen de ingangen. Het interessante is nu dat men de grootte van deze 'geleidingsoverdracht' kan
variëren door in een extra ingang, de zogenoemde IABC-ingang, een stroom te sturen.
Die afkorting 'ABC' staat voor 'Amplifier Bias Current' en het zal duidelijk zijn dat deze stuurstroom de basis kan zijn van het
regelen van de versterking van een schakeling. De werking van een OTA kan dus door een enkele, zeer eenvoudige, formule worden gedefinieerd:
IUIT = A * IABC * DeltaUIN
Hierbij staat A voor een bepaalde constante factor en Delta uiteraard voor het kleine spanningsverschil tussen de beide ingangen.
HET BLOKSCHEMA VAN DE SCHAKELING
Het blokschema van de rond een OTA ontworpen spanningsgestuurde versterker is getekend in figuur 1. De
ingangsspanning wordt aangeboden aan een buffer die zorgt voor de noodzakelijke hoge ingangsimpedantie en gaat vandaar naar de
ingang van de OTA. Deze schakeling zet de ingangsspanning om in een uitgangsstroom.
Figuur 1: Het blokschema.
Omdat er in de praktijk steeds met signaalspanningen wordt gewerkt is het noodzakelijk deze stroom om te zetten in een spanning en
vandaar dat de uitgang van de OTA wordt afgesloten met een stroom-naar-spanning omzetter. Uiteraard moet er een blok
toegevoegd worden waarmee de stuurstroom voor de OTA wordt gegenereerd. Vandaar de spanningsgestuurde stroombron, waarin de
stuurspanning van de schakeling, variërend tussen 0 V en +5 V, wordt omgezet in de stuurstroom IABC voor de OTA. De
schakeling heeft twee instelpotentiometertjes. Met de ene wordt de offset van de schakeling afgeregeld en met de andere wordt de
versterking van de volledige schakeling zo afgeregeld, dat bij het maximale stuursignaal van +5 V de versterking tussen in- en
uitgang precies gelijk is aan de eenheid (0 dB).
Omdat uit de in de vorige paragraaf beschreven formule blijkt dat de uitgangsstroom van de OTA recht evenredig is met stuurstroom
IABC, zal het wel zonder meer duidelijk zijn dat de spanningsversterking van de volledige schakeling recht evenredig
is met de grootte van de stuurspanning. Komt een stuurspanning van +5 V overeen met een versterking van exact eenmaal, dan zal een
stuurspanning van 2,5 V een spanningsversterking van 0,5 tot gevolg hebben. Dit lineaire verband tussen de stuurspanning en de
versterking van de VCA is voor een aantal toepassingen zeer nuttig!
|
Interessante elektronica links Klik hier ... Kattenschrikdraad installatie houdt katten in of uit uw tuin Klik hier ... Boeken voor de elektronicus Klik hier ... Software voor schema tekenen, print ontwerpen en simulatie Klik hier ... Goedkope digitale oscilloscopen, via USB aan te sluiten op uw PC Klik hier ... Goedkope meetapparatuur voor het testen van uw onderdelen Klik hier ... Draadloze elektronica in uw huis Klik hier ... Inbraakalarm van Marmitek en KlikAanKlikUit Klik hier ... Bespaar energie met PowerSafer |
HET PRAKTISCH SCHEMA
Het praktisch schema van de VCA is getekend in figuur 2. De eerste operationele versterker IC1 is geschakeld als buffer, heeft
dus een spanningsversterking van 1 en is noodzakelijk omdat de OTA met een signaal van maximaal 10 mV mag worden gestuurd. Vandaar de
spanningsdeler R2-R3 aan de uitgang van de buffer. Men kan zich de vraag stellen waarom er een buffer noodzakelijk is. Zonder de
buffer zou de ingangsimpedantie van de schakeling worden bepaald door de 10 kOhm van R2 en dat is voor een aantal toepassingen veel
te laag.
Figuur 2: Het praktisch schema.
Nu wordt de ingangsimpedantie vastgelegd op 100 kOhm door middel van weerstand R1 en dat is meer dan voldoende voor alle denkbare
toepassingen.
Het verzwakte ingangssignaal wordt aangeboden aan de inverterende ingang van de OTA (IC2). Daar dit onderdeel geen interne
offsetcompensatie heeft, moet deze schakeling extern aanwezig zijn. Dat gebeurt door een kleine instelbare gelijkspanning aan te
bieden aan de niet-inverterende ingang van dit IC. Door middel van instelpotentiometer R4 wordt een instelspanning tussen -15 V en
+15 V afgeleid van de voedingsspanningen van +15 V en -15 V. Nadien wordt deze spanning behoorlijk verzwakt door de
spanningsdeler R5-R6 en de resterende mV's worden aangeboden aan de niet-inverterende ingang. De stroom-naar-spanning omzetter is
gebouwd rond operationele versterker IC4. Dat is niets meer dan een inverterende versterker. De OTA heeft, als stroombron, een
zeer hoge uitgangsimpedantie en deze impedantie vormt, samen met instelpotentiometer R12 en weerstand R18, de elementen die de
versterking van de inverterende versterker bepalen.
De 180° fasedraaiing van deze trap telt zich op bij de 180° fasedraaiing van de OTA, zodat er tussen in- en uitgang
een faseverschil van 360° optreedt. Met andere woorden: in- en uitgang zijn in fase, een bijkomend voordeel van deze
schakeling.
De spanningsgestuurde stroombron is opgebouwd rond de operationele versterker IC3 en de transistor T1. De IABC-ingang van
de OTA staat op een vrij constante spanning, die 0,7 V hoger is dan de negatieve voedingsspanning. De stuurstroom IABC
vloeit vanuit de massa via weerstand R7 en transistor T1 naar de IABC-ingang. Hieruit volgt dat de grootte van de
spanningsval over R7 een maat is voor de grootte van de stuurstroom. De operationele versterker zal er nu voor zorgen dat
deze spanning UABC in absolute waarde gelijk wordt aan de stuurspanning. De weerstanden R8 en R11 vormen een spannings-
deler tussen de stuuringang en de emitterweerstand R7. Beide weerstanden zijn even groot en zij worden doorlopen door slechts
één stroom. Hun knooppunt gaat immers naar de ingang van de op-amp en deze heeft een zeer hoge ingangsimpedantie. Men kan
bijgevolg besluiten dat de spanningsvallen over beide onderdelen even groot moeten zijn.
Maar er is meer: de niet-inverterende ingang van de operationele versterker ligt via weerstand R9 aan de massa. De spanning op deze
ingang is 0 V. De op-amp zal er dus naar streven de spanning op zijn inverterende ingang ook gelijk aan 0 V te maken.
Alles op een rijtje zettend kan men dus besluiten dat er over weerstand R7 een spanning van -x V verschijnt als er aan de
stuuringang een spanning van x V wordt aangelegd. Alleen dan zal het knooppunt van R8 en R11 immers op 0 V staan!
Deze negatieve spanning over R7 heeft tot gevolg dat stuurstroom IABC in de juiste richting via transistor T1 naar de
stuuringang IABC van de OTA loopt. Als de stuurspanning 0 V is, dan zal ook de spanningsval over R7 0 V zijn en is
IABC nul. De 'geleidings-overdracht' van de OTA is ook nul en de versterking van de totale schakeling eveneens. Is de
stuurspanning gelijk aan +5 V, dan zal de -5 V over R7 een bepaalde maximale stroom in de IABC-ingang sturen. De
'geleidingsoverdracht' van de OTA is maximaal en door middel van het instellen van R12 kan men de versterking op exact 1
afregelen.
| WEERSTANDEN | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| R1 | 100 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5% | R2 | 10 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R3 | 100 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R4 | 25 kOhm | instelpotentiometer, staand |
| R5 | 470 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R6 | 100 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R7 | 39 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R8 | 470 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R9 | 470 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R10 | 47 Ohm | 1/4 W koolweerstand, 5 % |
| R11 | 470 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | R12 | 50 Ohm | instelpotentiometer, staand |
| R13 | 27 kOhm | 1/4 W koolweerstand, 5 % | - | - | - |
| CONDENSATOREN | |||||
| C1 | 100 nF | MKH | C2 | 100 nF | MKH |
| C3 | 100 nF | MKH | C4 | 100 nF | MKH |
| HALFGELEIDERS | |||||
| T1 | BC177 | universele PNP-transistor | IC1 | CA3140E | operationele versterker, DIL-8 |
| IC2 | CA3080E | OTA | IC3 | CA741 | operationele versterker, DIL-8 |
| IC4 | CA741 | operationele versterker, DIL-8 | - | - | - |
| DIVERSEN | |||||
| 4 | IC-voetje | 8 pennen | 1 | mini-moduul connector | 16-polig |
DE BOUW VAN DE SCHAKELING
De print voor deze schakeling is voorzien van een mini-moduul printconnector. De totale schakeling wordt een handig hanteerbaar geheel en
kan met één handbeweging in een grotere basisprint worden opgenomen. De bestukking van het printje volgt uit figuur 3.
Figuur 3: De componenten opstelling.
HET AFREGELEN VAN DE SCHAKELING
Het afregelen is uiterst simpel. Verbindt het schakelingetje met twee symmetrische spanningen (tussen +/-10 en +/-15 V), leg een sinus van 1 kHz,
1 Veff aan op de ingang en sluit de stuuringang aan op een instelbare gelijkspanning tussen 0 V en +5 V. Zet deze spanning op 0 V en
meet de gelijkspanning op de uitgang van de print. Met behulp van offset-instelpotentiometer R4 kan men deze op 0 V afregelen.
Zet nadien +5 V op de stuuringang. Meet met behulp van een wisselspanningsmeter de spanning op de ingang van de schakeling. Meet nadien
de wisselspanning op de uitgang en regel R12 af tot deze gelijk is aan de ingangsspanning. Varieer nu de spanning op de stuuringang in stappen van 0,1
V. De uitgangsspanning van de schakeling moet nu in dezelfde mate afnemen.
TIP'S VOOR HET TOEPASSEN VAN DE VCA
Het bouwen van een VCA is één ding, er iets mee doen een ander! Vandaar dat deze beschrijving wordt afgesloten met een paar tip's.
Het gaat dan met name hoe men de schakeling kan gebruiken in een automatische microfoon-fader en als hart van een tremolo/lesley-unit. Er worden
géén volledig uitgewerkte schema's gegeven, de manier waarop men de VCA in deze toepassingen kan inzetten wordt alleen blokschematisch
toegelicht.
AUTOMATISCHE MICROFOON-FADER
De bedoeling van een automatische microfoon-fader is dat een geluidsinstallatie die bijvoorbeeld een nummer van een CD aan het spelen is
daar automatisch mee ophoudt als men in een microfoon spreekt. Dat is natuurlijk een handige voorziening voor iedere DJ, maar er zijn ook andere
toepassingen te verzinnen, zoals bijvoorbeeld bij het inspreken van het commentaar bij een dia-reeks, waar de muziek naar de achtergrond moet
verdwijnen als het commentaar wordt gesproken.
Het algemeen bruikbare blokschema van een automatische microfoon-fader is getekend in figuur 4.
Figuur 4: Een automatische microfoon fader.
De werking van het blokschema wordt toegelicht aan de hand van de spanningsgrafieken in figuur 5.
Het microfoonsignaal wordt eerst versterkt in een speciale ruisarme voorversterker en nadien met tussenschakeling van een volumepotentiometer
(niet getekend) aangeboden aan één inverterende sommeerversterker, die als mengtrap dienst doet. De tweede ingang van deze versterker is
verbonden met het uitgangssignaal van het muziekproducerende apparaat, maar tussen de ingang van de menger en de uitgang van dat apparaat is uiteraard
de beschreven spanningsgestuurde versterker opgenomen.
Figuur 5: De spanningsvormen in de schakeling van figuur 4.
Deze schakeling moet uit de aard der zaak op de een of andere manier worden gestuurd uit het microfoonsignaal. Vandaar dat het versterkte signaal op de
uitgang van de microfoonversterker wordt aangeboden aan een comparator.
In deze schakeling wordt de spanning vergeleken met een instelbare referentie van ongeveer 100 mV. De signaalpieken in de uitgang van de
voorversterker zijn natuurlijk groter dan deze waarde en aan de uitgang van de comparator verschijnt, zoals getekend in grafiek UB, een soort
van naaldpulsvormige spanning. Er doen zich echter een paar praktische tijdprobleempjes voor en de rest van de schakeling is noodzakelijk om daar
een zo bruikbaar mogelijk compromis voor te vinden. Een stemsignaal is geheel anders van structuur dan het signaal van de meeste populaire muziek.
Terwijl in dat tweede signaal nooit een echte pause voorkomt zullen er in het stemsignaal vrij vaak korte onderbrekingen optreden. Nu mag de
schakeling uiteraard niet reageren op deze pauses! Er moet dus een vertraging worden ingebouwd, die deze onderbrekingen overbrugt. Vandaar dat
de comparator wordt afgesloten met een 'pulsverlenger' en wat deze schakeling doet volgt uit het vergelijken van de signalen UB en
UC. Op de eerste plaats vlakt de pulsverlenger de korte onderbrekingen tussen de comparatorpulsen (DeltaT) af, op de
tweede plaats zorgt deze schakeling voor een continu stuursignaal voor de VCA tussen de stemonderbrekingen DeltaT.
Nu heeft het invoeren van deze tweede vertraging echter wel het vertraagd infaden van het muzieksignaal na het wegvallen van de stem tot gevolg. De
elektronica kan immers niet van tevoren weten of een korte pause van één seconde in het spraaksignaal een adempause tussen twee woorden
is of dat deze pause het einde van de gesproken mededeling inluidt. Dit heeft tot gevolg dat het systeem 'stil' blijft voor ongeveer 1 á 2 s en
dat eerst dan het infaden van het muzieksignaal start. Dat blijkt in de praktijk best wel vervelend over te komen, men is nu eenmaal gewend aan het
Hilversum 3 systeem, waarbij de muziek ook tijdens de spraak steeds op de achtergrond aanwezig blijft en er dus nooit een echte stilte voorkomt.
Dit niet op te lossen probleem kan enigszins worden gecompenseerd door ook bij deze schakeling de verzwakking van het muzieksignaal tijdens de spraak
te beperken tot een 30 á 40 dB. Dat komt bovendien schakeltechnisch gezien erg goed uit, want het tot versterking gelijk aan 0 sturen van de VCA
zou een tamelijk gecompliceerde schakeling eisen!
Het stuursignaal UC is nog niet geschikt om rechtstreeks de stuuringang van de spanningsgestuurde versterker te voeden. De versterking
van deze schakeling is immers recht evenredig met het stuursignaal. 0 V komt overeen met een versterking gelijk aan 0 en +5 V staat voor versterking
gelijk aan 1. Het signaal UC moet dus worden geïnverteerd en dat komt goed uit, want in deze extra 'pulsvormer' kan men
instelpotentiometertjes opnemen waarmee de in- en uitregeltijden van de fader kunnen ingesteld worden. De uitgang van deze schakeling levert het
signaal UE en zoals blijkt uit de grafiek van deze spanning heeft dit signaal de juiste vorm voor het aansturen van de VCA. Zonder
microfoonsignaal is UE gelijk aan +5 V en het muzieksignaal doorloopt ongehinderd de spanningsgestuurde versterker.
Bij het verschijnen van een spraaksignaal daalt de stuurspanning met een instelbare tijdconstante tot ongeveer 300 mV (verzwakking van de VCA
ongeveer gelijk aan 30 dB), na het verdwijnen van het microfoonsignaal zal de stuurspanning voor de VCA weer stijgen naar +5 V, dit uiteraard na de
ingebouwde vertraging DeltaT.
DE VCA ALS BASIS VAN EEN TREMOLO/LESLEY-UNIT
Het tremolo-verschijnsel ontstaat door het volume van een geluidssignaal ritmisch in sterkte te variëren. Men zou het kunnen vergelijken met het
effect dat ontstaat als men de volumepotentiometer van een versterker zeer snel en continu heen en weer verdraait. Het typische tremolo-effect ontstaat
als men deze modulatie sinusoidaal uitvoert met een frequentie van rond de 5 Hz. Het tremolo-effect is een geluidsverschijnsel waar men van houdt of niet
van houdt. Voor het opwekken van speciale geluidseffecten bij bepaalde soorten van muziek is het ideaal. Erg geschikt is elektronische orgelmuziek
en het zeer progressieve genre. Ook kan men het effect op de menselijke stem toepassen, waardoor zeer vervreemdende effecten kunnen ontstaan.
Het lesley-effect is te vergelijken met tremolo. Het verschil is dat men bij lesley niet de volumepotentiometer, maar de balansknop van de versterker
zeer snel heen en weer draait. Lesley is dus een ruimtelijk effect dat tot gevolg heeft dat het geluidssignaal zeer snel ritmisch heen en weer 'vliegt'
tussen de twee luidsprekers van een stereo-installatie. Dit effect is het meest effectief als men de geluidssignalen moduleert met een frequentie van
ongeveer 10 Hz.
Het blokschema van de schakeling is getekend in figuur 6. Ook nu wordt de werking van het blokschema toegelicht aan de hand van de signaalvormen die
zijn samengevat in figuur 7.
Figuur 6: Het blokschema van de lesley/tremolo-unit.
Figuur 7: De spanningsvormen in de schakeling van figuur 6.
Een sinusoscillator, met instelbare frequentie (1 tot 10 Hz) en regelbare amplitude, levert een signaal dat symmetrisch verloopt ten opzichte van de
massa. Daar de beschreven spanningsgestuurde versterker echter een stuursignaal tussen 0 en +5 V nodig heeft, moet dit symmetrische
uitgangssignaal als het ware worden 'opgetild'. Vandaar de eerste inverterende sommeerversterker, waarin het sinussignaal wordt gemengd met
een referentiespanning van -2,5 V.
Uit de grafieken van figuur 7 kan men het resultaat van deze rekenkundige bewerking afleiden: het signaal U2 verloopt nu tussen +5 V en massa. Voor
het lesley-effect heeft men een tweede sinus nodig, die 180° in fase is gedraaid ten opzichte van het signaal U2, maar die echter ook rond een
gemiddelde waarde van +2,5 V moet schommelen. Het is dus niet voldoende U2 te inverteren, want dan zou het signaal negatief worden en dat is zeer zeker
niet de bedoeling. Vandaar de noodzaak van een tweede inverterende sommeerversterker, waar het uitgangssignaal van de eerste sommeerder wordt
gemengd met een referentiespanning van -5 V. Hierdoor verloopt het signaal U3 weer tussen de grenzen die de VCA nodig heeft, namelijk +5 V en 0 V.
Beide signalen U2 en U3 zijn de stuursignalen voor de twee VCA's. Gebruikt men tremolo, dat worden beide VCA's gestuurd uit U2. Wil men lesley, dan
volstaat het een van de VCA's te sturen uit signaal U3.
EXTRA SERVICE: DOWN-LOADEN VAN HET PRINTONTWERP
U kunt het ontwerpje van de print van deze nabouwschakeling uit onze Internet-site down-loaden. Het ontwerp werd gescand met een resolutie van 300 dpi e
n staat ter beschikking als TIF-file, LZW-compressie.
Deze file kan in ieder grafisch programma geopend worden en geprint op transparante folie. Gebruik hiervoor bij voorkeur een inkjet-printer!
Druk het ontwerpje af met de afmetingen die hieronder staan vermeld!
Nadien kunt U met dit transparant een stukje foto-gevoelige printplaat belichten.
Klik hier ... en ga terug naar het begin van deze pagina
Klik hier ... en ga terug naar de bouwbeschrijvingen van Vego
Klik hier ... en ga terug naar het hoofd-menu van de Vego-site