Spis treści:
- 1 Operationsverstärker - Aufbau und Funktionsprinzip
- 2 Operationsverstärker - Grundannahmen für einen idealen Verstärker
- 3 Stromversorgung für den Operationsverstärker
- 4 Die wichtigsten elektrischen Parameter des NE5532 Operationsverstärkers
- 5 Anwendungen des NE5532
- 6 Gitarrenvorverstärker mit NE5532-basiertem Puffer
Operationsverstärker sind ein wesentlicher Bestandteil der meisten analogen Elektronikschaltungen, insbesondere im Falle von Audioschaltungen. Ein beliebter Chip in dieser Kategorie ist der NE5532. In diesem Artikel werden wir uns diesen IC im Detail ansehen.
Operationsverstärker - Aufbau und Funktionsprinzip
Der integrierte Schaltkreis NE5322 wurde in den 1970er Jahren von der Signetics Corporation entwickelt. Dieser Chip wird sowohl im Durchsteckgehäuse (DIP8) als auch im Oberflächengehäuse (SOIC8) hergestellt. In der Struktur des NE5322 ICs wurden zwei Operationsverstärker untergebracht. Der Operationsverstärker ist eine der wichtigsten Komponenten in der analogen Elektronik, und sein Anwendungsbereich ist überwältigend. Manchmal wird ein Operationsverstärker wegen seiner Bezeichnung in Schaltplänen auch als ‘magisches Dreieck’ bezeichnet. Der Name ‘Operationsverstärker’ rührt daher, dass dieser integrierte Schaltkreis für eine Vielzahl von mathematischen Operationen ausgelegt ist – die Art und Weise, wie die externen Komponenten konfiguriert sind, wobei der Schwerpunkt auf Widerständen und Kondensatoren liegt, bestimmt, ob der Operationsverstärker Addition, Subtraktion, Verstärkung, Logarithmierung, Integration, Differenzierung oder jede andere Art von Operation ausführt. Einfach ausgedrückt, verstärkt ein Operationsverstärker die Differenz von Spannungen, die an seinem invertierenden und nicht-invertierenden Eingang anliegen.
Operationsverstärker - Grundannahmen für einen idealen Verstärker
Bei der Analyse von Schaltungen mit Operationsverstärkern müssen mehrere Annahmen getroffen werden. Es wird angenommen, dass die Eingänge eines Operationsverstärkers eine unendlich hohe Eingangsimpedanz haben und daher keinen Strom ziehen – in realen Operationsverstärkern liegt der Strom, der durch die Eingänge gezogen wird, in der Größenordnung von Nano- oder Pico-Ampere. Ein idealer Operationsverstärker hat eine unendliche Open-Loop-Gleichstromverstärkung – in realen Systemen beträgt dieser Wert 106 oder sogar 109 – die Begrenzung liegt hier im Bereich der Hilfsspannung. Darüber hinaus arbeitet der Operationsverstärker so, dass er versucht, die Spannungsdifferenz an seinen Eingängen auszugleichen. Das Fehlen einer Rückkopplung zwischen dem Ausgang und einem der Eingänge würde dazu führen, dass der Verstärker schnell in einen Cut-Off- oder Sättigungszustand gerät, d.h. wir würden am Ausgang eine Spannung nahe der Masse bzw. der Versorgungsspannungsschiene erhalten (wenn die Versorgung asymmetrisch in Bezug auf die Masse ist).
Daher ist es notwendig, externe Elemente einzubinden, um sicherzustellen, dass der Verstärker durch Rückkopplung stabilisiert wird. Denken Sie daran, dass die Verwendung von Operationsverstärkern mit Spannungskomparatoren trotz gleicher Bezeichnung auf den Schaltplänen keine gute Idee ist und zu Fehlfunktionen in der Zielschaltung führen kann.
Stromversorgung für den Operationsverstärker
Ein wichtiger Faktor, auf den Sie beim Entwurf einer Schaltung mit einem Operationsverstärker achten müssen, ist dessen Stromversorgung. Hier müssen wir auf den Bereich der maximalen und minimalen Spannungen der Signale achten, die unser Verstärker “verarbeiten” soll. Wenn wir z.B. ein Sinussignal in den Eingang des Verstärkers einspeisen wollen, das eine negative und eine positive Hälfte und einen Zwischenscheitelwert von 24V hat, dann müssen wir den Operationsverstärker mit einer symmetrischen Spannung von 2x13V versorgen, um eine Headroom-Reserve zu behalten. Dies ist auf die Spannungsabfälle an den Ausgangstransistoren in der Verstärkerstruktur zurückzuführen.
Und was ist, wenn wir nur eine Single-Ended-Versorgung zur Verfügung haben? Kein Problem – es reicht aus, eine Spannung in Höhe der halben Versorgungsspannung an den nicht-invertierenden Eingang anzulegen, um das Signal um eine Gleichstromkomponente leicht über das Massepotential zu verschieben. In den nächsten Schritten wird es notwendig sein, einen Kondensator hinzuzufügen, um die Gleichstromkomponente aus dem Signal zu entfernen (dies ist ein schädliches Phänomen, insbesondere bei magnetoelektrischen Lautsprechern). Wenn der Wert des Signals, der vom Versorgungsspannungsbereich des Verstärkers unterstützt wird, überschritten wird, kann der Verstärker übersteuert werden – dann treten am Ausgang des Schaltkreises Verzerrungen in Form von Clipping der Signalspitzen auf – ob dies ein erwünschtes Phänomen ist oder nicht, hängt ganz von der Absicht des Entwicklers ab.
Die wichtigsten elektrischen Parameter des NE5532 Operationsverstärkers
- Äquivalente Eingangsrauschspannung: 5 nV/√ Hz bei 1 kHz
- Einheit Verstärkungsbandbreite: 10 MHz
- Ko-Signal-Dämpfungskoeffizient: 100 dB
- DC-Verstärkung: 100 V/mV
- Peak Ausgangsspannung Variation: 32 V mit VCC± = ±18 V und RL = 600 Ω
- Spannungsanstiegsrate: 9 V/μs
- Versorgungsspannungsbereich: ±3 V bis ±20 V
Anwendungen des NE5532
- Audio-Verstärker
- Systeme zur Klangregelung
- Grafische Equalizer
Gitarrenvorverstärker mit NE5532-basiertem Puffer
Die Hauptkomponente des vorgestellten Gitarrenvorverstärkers ist ein NE5532 Operationsverstärker. Der Vorverstärker arbeitet mit einem Lautstärkeregler und zwei DPDT-Ein/Aus-Schaltern. Ein Schalter wird verwendet, um den Schaltungsmodus zu ändern, d.h. zwischen Puffer- (fast keine Verstärkungserhöhung) und Verstärkermodus zu wechseln. Mit dem anderen Schalter schalten Sie den Lautstärkeregler ein und aus. Im Buffer-Modus können Sie mit dem Lautstärkeregler nur das Signal reduzieren. Im Verstärkermodus können Sie damit die Verstärkung manipulieren.
Diese Art der Umschaltung ermöglicht es, die Verstärkungsstufe mit einem einzigen Klick von niedrig auf hoch zu schalten. Außerdem können Sie damit die Lautstärke Ihrer Gitarre absenken, ohne dass der Frequenzgang verloren geht. Dies ist sehr nützlich, wenn Sie einen sauberen Sound von einem Röhrenverstärker erhalten möchten. Wenn das Potentiometer auf 50 % eingestellt ist, wird die Lautstärke der Gitarre im Buffer-Modus auf etwa 50 % reduziert, wodurch ein klarer, heller Ton erzielt wird, ohne dass die Röhre übersteuert wird. Im Amp-Modus, wenn das Pedal umgeschaltet wird, beträgt die Verstärkung etwa 50% des Maximums. Wenn Sie das Pedal vom Buffer-Modus in den Amp-Modus schalten, erhalten Sie die maximale Verstärkung.
Die Schaltung ist recht einfach und kann auf einer Universal-Leiterplatte (PCB) realisiert werden.
Liste der Komponenten:
- NE5532 Operationsverstärker
- Potentiometer: logarithmisch, empfohlene Werte 100k-200k (bis zu einem gewissen Grad funktioniert jeder Wert)
- Schalter: 2x DPDT on-on
- Elektrolytkondensatoren: C1, C3, C5: 10 uF
- Feste Folienkondensatoren: C2: 100nF, C4: 560pF
- Widerstände:
- R1, R2: 100k
- R3: 1M
- R4: 1k
- R5: 10k ( Verstärkung = 11), oder 20k (Verstärkung = 21), oder ein höherer Wert, sogar bis zu 39k – mit höheren Werten kann experimentiert werden, um eine höhere Verstärkung und einen intensiveren Overdrive zu erreichen, aber dies kann zu unerwünschten Verzerrungseffekten führen.
- R6: 250R
