Eingangsbeschaltung für Analogsignale

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Autor
Eingangsbeschaltung für Analogsignale

    







BID = 516003

DonComi

Inventar



Beiträge: 8605
Wohnort: Amerika
 

  


Hallo liebe Forenkollegen,
Es geht um die Eingangsbeschaltung für die Weiterverarbeitung (Impedanzwandlung, Digitalwandlung etc.) von herkömmlichen Audiosignalen mit Linepegel. Es sind recht viele Eingänge vorhanden, daher muss dieser Schaltungsteil oft aufgebaut werden, weshalb ich zu SMD greifen werde.

---

Beschreibung der Schaltung:

D1 und D2 sind Schottkydioden, welche etwa ab 3/10V über/unter 5V bzw. -5V zu leiten beginnen.
R1 und R2 begrenzen den Strom durch diese Dioden, sie sind etwa 100Ω groß.
Die Wahl fiel auf Schottkydioden, da diese sehr schnell schalten, und zwar so schnell, dass sie die empfindlichen Bauteile vor Zerstörung durch Über- bzw. Unterspannung schützen können.
R3 und C1 bilden einen Tiefpass, um Frequenzen ab ca. 50kHz zu dämpfen.
Dazu wurde R3 mit 1kΩ dimensioniert, C1 mit 3,3nF.

Weiterhin hat R3 die Aufgabe, den Strom der Signalquelle zu begrenzen.

C2 lässt nur Wechselspannung passieren, R4 sorgt für definiertes (GND-Potential), wenn keine Quelle angeschlossen wurde. R4 ist sehr hochohmig; zwischen 2,2 und 4,7MΩ.

Das Ganze dient vorallem dem Zweck, recht empfindliche Analogbausteine zu schützen. In dem System sind einige sehr empfindliche CMOS-Bausteine vorhanden, welche weniger begeistert auf hohe Spannungen reagieren, im schlimmsten Fall mit Latchup. Weiterhin sind auch Bausteine von Analog Devices vorhanden, die mich viel Geld kosteten und dank SMD-Bauweise praktisch nicht mehr tauschbar sein werden.
Weiterhin sind sehr hochohmige JFET-OPAMPs verbaut, die ebenfalls recht empfindlich und schwer tauschbar sind.
Auch die ADCs werden nicht begeistert sein.

Zudem kommt ein Mikroprozessor samt Speicher und anderen Teilen, die hohe Störspannungen schlecht vertragen.


---
Meine Frage ist eigentlich simpel:
Hat jemand von den Anwesenden Analogspezialisten etwas an der Eingangsbeschaltung auszusetzen? Habe ich etwas wichtiges vergessen? (ich habe aktuell unter Prüfungen zu leiden, bin also nicht ganz bei der Sache... ) Sollte ich R1 und R2 vllt. verkleinern, damit die Spannung schneller abgebaut wird? Dann riskiere ich aber den Tod der Schottkydioden.
Außerdem: ich möchte keine Strombegrenzung in die Versorgungsleitung der Analogbausteine legen.

Im schlimmsten Fall gehe ich von ca. 115~V aus, da dort Audiosignale angeschlossen werden. Es soll "hotplug"-fähig sein, da die Leute, die das Gerät benutzen, sowieso den Hinweise missachten werden, während des Betriebes keine Geräte an- oder abzustecken.
Der Tiefpass ist eher zweitrangig, aber ich will eben hochfrequente Störung rausfiltern, auch wenn der Tiefpass nur erster Ordnung ist.


Ich möchte mich herzlich für Anregungen bedanken - vllt. habe ich was sehr wichtiges übersehen.
Schöne Grüße




_________________

Edit:
Rechtsschreibfehler

[ Diese Nachricht wurde geändert von: DonComi am 16 Apr 2008 19:15 ]

BID = 516004

Ltof

Inventar



Beiträge: 9331
Wohnort: Hommingberg

 

  

Ich würde R3 zwischen X1 und die Dioden setzen und R2 und R3 weg lassen.

_________________
„Schreibe nichts der Böswilligkeit zu, was durch Dummheit hinreichend erklärbar ist.“
(Hanlon’s Razor)

BID = 516006

DonComi

Inventar



Beiträge: 8605
Wohnort: Amerika

Hallo LTof,

Stimmt - macht weitaus mehr Sinn:
Ich spare zwei Widerstände. Außerdem wird so der Strom durch die Diode begrenzt, wenn es zu hohen Spannungen kommen sollte. Ansonsten begrenzt er nur die Signalspannung.



_________________

BID = 516011

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach

@Ltof: "n und R2 und R3 weg lassen. " Du meinst sicherlich R1,R2 weglassen.
Mit dem Vorschlag R3 vor den Dioden anzuordnen gehe ich kondom.
Allerdings gehört wohl auch der Koppelkondensator und sein Ableitwiderstand R4 vor die Dioden.
Der Signalfluss in der gezeigte Schaltung ist also einigermassen spiegelverkehrt.


Zitat :
D1 und D2 sind Schottkydioden, welche etwa ab 3/10V über/unter 5V bzw. -5V zu leiten beginnen.
R1 und R2 begrenzen den Strom durch diese Dioden, sie sind etwa 100Ω groß.
Die Wahl viel auf Schottkydioden, da diese sehr schnell schalten, und zwar so schnell,
Mein fetter Vetter fiel viel auf seine fette Vetternase.

Da es in Audioschaltungen gewöhnlich vor allem auf Rauscharmut ankommt, würde ich mir den Einsatz von Schottkydioden überlegen, da deren Sperrstrom um einige Größenordnungen höher liegt als bei Sperrschichtdioden und ausserdem stark temperaturabhängig ist.
Gewöhnliche Kleinsignaldioden sind auch schnell genug, insebesondere da die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit durch R3 begrenzt wird.
Der Vorteil der Schottkydioden ist die geringere Flusspannung.

Unter dem Aspekt der Rauscharmut solltest du dir auch noch mal den Einsatz von FET-Verstärkern überlegen.



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[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 16 Apr 2008 19:15 ]

BID = 516012

Ltof

Inventar



Beiträge: 9331
Wohnort: Hommingberg


Zitat :
perl hat am 16 Apr 2008 19:13 geschrieben :

@Ltof: Du meinst sicherlich R1,R2 weglassen.

Jo! Das war'n Fipptehler.

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BID = 516017

DonComi

Inventar



Beiträge: 8605
Wohnort: Amerika

Hallo perl, LTof;

Die Schottkydioden habe ich ersetzt; jetzt wird eben erst ca. 4/10V später der Stromfluss einsetzen. Das sollten die Analogbausteine noch verkraften.

Habe die Schaltung dahingehend mal abgeändert. Wobei ich mir mit dem Koppelkondesator noch nicht so sicher bin - ich dachte dort einen 1µF/max. 16V zu nutzen.

R4 dient wie gesagt dazu, dass sich der parasitäre Kondensator (Source-Drain gegen das Gate) im Analogschalter nicht unkontrolliert auflädt, wenn der Eingang unbenutzt ist.

Kann auch sein, dass ich das mal wieder übertreibe - mir ist noch nie ein Analogschalter gestorben durch Umstecken etc. Aber es ist mir zu unsauber und zu unsicher, die Komponenten waren / sind nicht billig (aber preiswert!) und wie gesagt kaum tauschbar zumal das Gerät oft umgesteckt werden wird.

Danke für die Vorschläge, die OPAMPs werde ich nochmal auch das Rauschverhalten anhand des Datenblatts prüfen. Sonst nehme ich bipolare, so eine gigantisch hohe Eingangsimpedanz wie die der FET-OPAMPs benötige ich sowieso nicht.

Achso, ganz ehrlich: Den Koppelkondesator an der Position, finde ich merkwürdig. Ich würde ihn unmittelbar nach den Dioden setzen. Aber perl meinte, dass sei sogut wie gespiegelt, daher habe ich ihn auch so eingezeichnet .




_________________

BID = 516053

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
R3 und C1 bilden einen Tiefpass, um Frequenzen ab ca. 50kHz zu dämpfen.
Dazu wurde R3 mit 1kΩ dimensioniert, C1 mit 3,3nF.
Das ist ein ziemlich hoher Kapazitätswert, entspricht ca. 35m abgeschirmtem Kabel !
Wie hoch ist denn der Innenwiderstand deiner Audioquelle ?
Bei 20 kOhm funktioniert dein Tiefpass nämlich schon bei 2,5kHz ...

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BID = 516073

DonComi

Inventar



Beiträge: 8605
Wohnort: Amerika

Moin,

Die Quelle hat typ. 10-15kΩ Impedanz. Hatte ich blöderweise im Rausche meiner Überlegungen unter den Tisch fallen lassen (Igitt!).

Gibt zwei Möglichkeiten:
Entweder berücksichtige ich die von Fall zu Fall rel. unterschiedlichen Impedanzen der Quellen oder ich schalte den Tiefpass erst hinter den Impedanzwandler meiner Schaltung.
Der 1kΩ-Widerstand bliebe, C1 würde wegfallen.

Der Elko bereitet mir weiterhin Kopfschmerzen - ich würde ihn erst nach den Dioden einsetzen.

_________________

BID = 516120

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
er Elko bereitet mir weiterhin Kopfschmerzen -
Wenn du wirklich so ausgesucht gute Teile verwendest, würde ich überhaupt keinen Elko einsetzen
....und erst recht keinen Keramikkondensator aus X7R, Y5V o.ä. hochkapazitiven Massen.


Zitat :
ich würde ihn erst nach den Dioden einsetzen.
Willst du den Kondensator schützen oder die Halbleiter ?





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BID = 516128

DonComi

Inventar



Beiträge: 8605
Wohnort: Amerika

Moin perl,

und erstmal danke!


OK, du hast vollkommen Recht, den Elko könnte ich wechseln, wenn er denn überhaupt kaputtzubekommen ist, lange dauern diese Spannungsspitzen nicht, und "hochenergetisch" sind die eh nicht (hoffe ich...).

Es bleibt also wie im letzen Schaltbild, nur dass der halbe Tiefpass in Form von C1 wegbleibt. Dem Impedanzwandler folgt dann eben dieser Tiefpass.

Ich werde wohl in den nächsten Tagen mal eine Testschaltung aufbauen, und diverse Messungen anstellen, inkl. der 115V~ kapazitiv eingekoppelten Netzfilterspannung.. , dem Verhalten bei steilflankigen Signalen (v.a. um den Tiefpass zu testen) und der Qualität was den Sound angeht, wobei die Messungen wohl eher Richtung pseudosinnvoll gehen, da das Layout auch eine Rolle spielt.

Da ich hier rollenweise X7R-Kondensatoren rumliegen habe, u.a. exakt 3nF3, dachte ich eigentlich, diese nutzen zu können. Was, außer der Toleranz von 10% spricht besonders bei X7R dagegen?

Achso, vllt. nochwas:
Klingt vielleicht so, als würde ich grade Hifi neu erfinden - ich will hier nur recht guten Sound behalten, ohne jetzt die Hifi-Maßstäbe verbessern zu wollen. Abgesehen vom Sound soll eben der Anschluss für die Bauteile sicher sein. ADCs und µP kann ich nicht sockeln, wäre auch tödlich. Daher eben die vllt. zu große Angst vor eben solchen Schäden...


_________________

BID = 516133

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Was, außer der Toleranz von 10% spricht besonders bei X7R dagegen?
Der Klirrfaktor.
Ausser einem kriminellen Temperaturkoeffizienten und hohen dielektrischen Verlusten, ist bei diese Massen nämlich die Kapazität stark von der Spannung abhängig.
Z5U oder Y5V ist noch übler als X7R.

P.S.:

Zitat :
den Elko könnte ich wechseln, wenn er denn überhaupt kaputtzubekommen
Darum geht es nicht. Die Klemmdioden gehören gehören hinter den Koppelkondensator!
Überleg dir, was bei deiner Schaltung passiert, wenn am Eingang, - aus welchen Gründen auch immer -, knapp -Uklemm anliegt, und nach einer Weile, wenn der Kondensator auf dies Spannung aufgeladen ist, die Spannung auf +Uklemm wechselt!
Deine Dioden kommen dann überhaupt noch nicht ins Spiel, aber das arme CMOS-IC ist im Eimer.

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[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am 17 Apr 2008  2:41 ]

BID = 516160

DonComi

Inventar



Beiträge: 8605
Wohnort: Amerika


Zitat :
perl hat am 17 Apr 2008 02:32 geschrieben :


Zitat :
Was, außer der Toleranz von 10% spricht besonders bei X7R dagegen?
Der Klirrfaktor.
Ausser einem kriminellen Temperaturkoeffizienten und hohen dielektrischen Verlusten, ist bei diese Massen nämlich die Kapazität stark von der Spannung abhängig.
Z5U oder Y5V ist noch übler als X7R.


OK, vielen Dank!
Dann werde ich diesen Teil nicht mit SMD-Kondensatoren machen können, habe nämlich keine hochwertigen SMD-Cs da. Werde dann wohl eher Folienkondesatoren nehmen.
Als Blockkondensatoren kann ich aber doch X7R einsetzen, oder?

Dass mit dem Elko lächtet mir jetzt auch ein, danke fürs Augenöffnen.
Leider werde ich heute diesbzgl. nicht viel tun können, habe gründlich zu lernen .


_________________

BID = 516202

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
Als Blockkondensatoren kann ich aber doch X7R einsetzen, oder?
Ja, für kaum etwas anderes sind sie zu gebrauchen. Zwei weitere miese Eigenschaften dieser Dinger vergass ich noch zu erwähnen: Mikrofonie und allmählicher Kapazitätsschwund. Letzteren kann man rücksetzen, wenn man sie mal wieder auf Löttemperatur erwärmt.

Andererseits sollte man auch auf dem Teppich bleiben.
Wenn du wirklich Audiospannungen um 1V hast, brauchst du wahrscheinlich keinen extrem rauscharmen Verstärker, wie er etwa für ein Mikrofon erforderlich ist.
Auch die X7R können als Koppelkondensatoren funktionieren, solange man dafür sorgt, dass der Abfall der Signalwechselspannung an ihnen sehr gering bleibt.
Die Mikrofonie allerdings wirst du so nicht los und die ist umso höher, je höher die anliegende Gleichspannung ist.

Die Betriebsspannung für die Klemmdioden solltest du etwas geringer wählen als die zulässige Spannung an den MOS-Bauteilen, damit deren Schutzdioden nicht zu leiten beginnen, was u.a. zu Übersprechen führen kann.
Andererseits darf die maximale Spitzenspannung des Nutzsignals diese Dioden noch nicht leitend machen. Das gäbe dann Signalverzerrungen.



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BID = 516208

cholertinu

Inventar



Beiträge: 3755
Wohnort: CH


Zitat :
perl hat am 17 Apr 2008 12:35 geschrieben :

Die Mikrofonie allerdings

Ich muss gestehen, dass ich den Begriff nicht kannte. Er ist jedoch in der deutschsprachigen Wikipedia aufgeführt:
http://de.wikipedia.org/wiki/Mikrofonie

BID = 516262

DonComi

Inventar



Beiträge: 8605
Wohnort: Amerika

OK, ich bedanke mich recht herzlich, dieses Forum ist einfach toll und das will ich nochmals betonen!

---

Ja, die Spannung der Dioden wird geringer sein, als die der Versorgung, so um die |0,6V| etwa.
Die Amplitude des Audiosignals wird nicht so hoch sein, dass die Dioden beginnen, zu leiten; wäre dies der Fall, könnte ich die Schaltung gleich entsorgen .

Die JFET-OPAMPs wollte ich nur zur Impedanzanpassung nutzen, also mit einer Verstärung von 1. Sollte eigentlich klappen.

X7R werde ich in den Analogleitungen vermeiden.

Wunderbar .

_________________


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