In diesem Projekt wird ein einfacher Phono-Vorverstärker entwickelt. Dazu soll ausschließlich der Operationsverstärker NE5532 Verwendung finden. Wegen seinem geringen Rauschen und seiner hohen Linearität ist der NE5532 im Bereich der Audio-Elektronik weit verbreitet. Grundsätzlich besteht der Verstärker aus folgenden Baugruppen:
- Spannungsversorgung
- Input Buffer
- RIAA-Filter und Spannungsverstärker
- Output Buffer
Spannungsversorgung
Ein Operationsverstärker braucht im allgemeinen eine positive Vcc und eine negative Vdd Versorgungsspannung. Allerdings soll zum Betrieb ein einfaches 12V-Netzteil zur Anwendung kommen. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten:
Zum einen kann man die Operationsverärkerschaltung entsprechend auf die Hälfte der Versorgungsspannung ”biasen”. Dies macht vor allem bei hohen Leistungen Sinn. Da bei einem Vorverstärker die Leistungen jedoch gering sind kann eine andere Methode Anwendung finden. Für ein einfacheres Schaltungsdesign lässt sich eine ”Rail-Split” Design zur Erzeugung einer künstlichen Masse verwenden. Die Wiederstände R3 und R4 bilden einen Spannungsteiler und erzeugen das Potential V_Netzteil/2. Dieses Potential wird von zwei Operationsverstärkern gebuffert. Um einen höheren Ausgangsstrom zu ermöglichen werden die Transitoren Q1 und Q2 als komplementäres NPN/PNP Paar eingesetzt. Das Potential Vdd/2 wird in dieser Schaltung als GND verwendet.
Input buffer
Der Input Buffer soll eine hochohmige Eingangs-Impedanz für den Verstärker liefern und zudem den Tonabnehmer von der restlichen Schaltung entkoppeln. Dadurch wird vermieden dass es zu sog. ”loading-effects” also zu Verzerrungen durch Belastung des Tonabnehmersystems kommt. Der Verstärker soll mit ”Moving-Magnet”-Tonabnehmer arbeiten. Deshalb ist seine Eingangsimpedanz auf 47kΩ festgelegt. Die Eingangskapazität liegt bei: 470pF.
Der Widerstand R2 = 47kΩ und der Kondensator C12 = 470pF bilden die Eingangsimpedanz. Das Eingangssignal wird dann durch zwei Operationsverstärker U2.1 und U2.2 gebuffert. Die Widerstände R7 und R8 begrenzen den Ausgangsstrom der Operationsverstärker. Der Widerstand R10 und der Kondensator C3 dienen als Tiefpassfilter und filtern entsprechend hochfrequente Anteile heraus.
RIAA-Filter und Spannungsverstärker
Die Filterstufe übernimmt hier zwei wesentliche Funktionen. Zum einen verstärkt sie die Ausgangsspannung des Input Buffer und zum anderen gleicht sie den Frequenzgang des Tonabnehmers an.
Spannungsverstärkung
Die Ausgangsspannung eines ”Moving-Magnet”- Tonabnehmers liegt bei 2.5mV(@1kHz), wa ̈hrend die Eingangsspannung eines ”normalen” Line-Einganges bei 150 − 200mV (@1kHz) festgelegt ist. Der Vorverstärker hat also eine Linearverstärkung vom Faktor 60 ≈ 35, 6dB(@1kHz).
RIAA-Entzerrung
Tiefe Frequenzen im Audiosignal haben die meiste Energie. Das hat zur Folge, dass tiefe Frequenzen größere Auslenkungen innerhalb der Plattenrille bedingen, also mehr Raum auf der Schallplatte benötigen und damit die Spielzeit verkürzen.
Da im tieffrequenten Bereich das Rauschen und die Abtastgeräusche nicht so kritisch sind hat man sich entschieden, die Dynamik des Audiosignals zu reduzieren, um damit eine längere Spielzeit zu ermöglichen.
In der Praxis werden dabei die Höhen um maximal +20dB angehoben und die Bässe um maximal −20dB abgesenkt. Vor dem eigentlichen Schneiden der Schallplatte wird das Signal durch einen speziellen Filter mit dieser Schneidkennlinie angepasst.
Output Buffer
Das verstärkte und entzerrte Signal aus der Filterstufe wird durch zwei Operationsverstärker noch einmal gebuffert. Der Ausgangsbuffer entspricht Schaltungstechnisch dem Input Buffer. Um einen unerwnschten DC-Anteil im Ausgangssignal des Verärkers zu vermeiden, entkoppelt der Kondensator C11 das Signal AC.
Simulation:
Vor dem Platinen-Layout wurde die Schaltung in LT-spice simuliert. Es wurden exakte Modelle geplanten Bauteile verwendet. Um die Funktionalität der RIAA-Entzerrung zu bestätigen wurde die Schaltung mit einem AC-Sweep von 0Hz − 30kHz untersucht. An den Simulationsergebnissen lässt sich erkennen das der Verstärker wie gewünscht arbeitet.
Platinen-Layout
Das Schaltungsdesign wurde auf einer 4-Layer Platine gelayoutet. Hierbei wurde auf einen möglichst großen Abstand zwischen dem Rechten und Linken Kanal geachtet, um übersprechen zu vermeiden.
