Rauscharme Vorverstärker mit LM 381, LM 382 und LM 387

 

Rauscharme Vorverstärker wurden bisher meistens diskret, also mit Einzelbauelementen aufgebaut, da geeignete ICs kaum vorhanden, schwer zu bekommen oder teuer waren. Die ICs LM 381, LM 382 und LM 387 (National Semiconductor) sind speziell für diese Anwendungen konzipiert, enthalten jeweils zwei Kanäle und bieten ausgezeichnete Eigenschaften.

 

Funktionseinheiten im Signalweg

Jeder Kanal eines Stereo-Hifi-Systems besteht aus einer bestimmten Anzahl zusammengeschalteter Funktionsblöcke (siehe Bild 1). Die Ausgangssignale von Tuner, Bandmaschine, Kassettendeck oder Plattenspieler werden über den Schalter S1 ausgewählt und über Lautstärkesteller und Frequenzgangkorrekturnetzwerke dem Eingang des Leistungsverstärkers zugeführt. Zur Frequenzgangkorrektur bzw. -beeinflussung gehören natürlich auch Rausch- und Rumpelfilter.

 

Bild 1. Blockschaltbild eines Kanals einer Hifi-Anlage.

 

Normalerweise benötigt der Frequenzgangkorrekturblock Eingangssignale mit Amplituden zwischen einigen zehn und einigen hundert Millivolt. Spannungen dieser Größenordnung bieten eigentlich nur Bandmaschinen, Kassettendecks und Tuner. Die Ausgangsspannung des magnetodynamischen Tonabnehmersystems (MD) eines Plattenspielers beträgt aber nur einige Millivolt, so daß hierfür ein geeigneter Vorverstärker mit Entzerrernetzwerk eingesetzt werden muß.

ICs, die speziell für NF-Vorverstärkeranwendungen und Frequenzgangkorrekturglieder (Equalizer) entworfen wurden, sind inzwischen von mehreren Herstellern erhältlich. Diese ICs unterdrücken die Restwelligkeit der Betriebsspannung nahezu vollständig, weisen niedrige Eigenverzerrungen auf, haben eine große Bandbreite und eine sehr niedrige Rauschzahl.

 

Eine Familie ‘für alle Fälle’

Die bekanntesten Vertreter sind wohl die ICs LM 381 und LM 381A, der LM 382, der LM 387 und der LM 387A. Sie beinhalten zwei gleichartige Verstärker in einem Gehäuse. Die A-Versionen weisen noch etwas bessere Eigenschaften als die Standardversionen auf. Die Bilder 2 bis 4 zeigen die Anschlußbelegung und die Innenschaltung (jeweils 1 Verstärker), Bild 5 vermittelt eine kurze Zusammenfassung ihrer Eigenschaften.

 

Bild 2. Innenschaltung und Anschlußbelegung des LM 381/LM 381A.

 

Bild 3. Schaltung und Anschlußbelegung des LM 382.

 

Bild 4. Schaltung und Anschlußbelegung des LM 387/LM 387A.

 

Bild 5. Die wichtigsten technischen Daten der ICs.

 

Alle fünf Typen kommen mit nur einer Betriebsspannung aus. Sie verwenden die gleiche Verstärkergrundschaltung und unterscheiden sich nur in geringfügigen Einzelheiten und in der Anschlußbelegung. Sie sind intern frequenzgangkompensiert und weisen durch Entkopplungs- und Stabilisierungsmaßnahmen eine ausgezeichnete Unterdrückung der Restwelligkeit der Betriebsspannung auf. Sie sind ausgesprochene Breitbandverstärker und liefern einen großen Ausgangsspannungshub.

Die ICs unterscheiden sich in folgenden Einzelheiten:

Bei dem LM 381 und LM 381A läßt sich die Rauschzahl durch die äußere Beschaltung optimieren. Des weiteren gestatten sie eine externe Frequenzgangkompensation, durch die sie für Schmal- oder Breitbandanwendungen optimiert werden können. Die ICs sind hauptsächlich für Differenzverstärkeranwendungen gedacht, können aber in Anwendungen, bei denen es auf extrem geringes Rauschen ankommt, auch mit asymmetrischem Eingang betrieben werden.

Bei dem LM 382 ist keine externe Beschaltung zur Kompensation vorgesehen, auch Betrieb mit einem asymmetrischen Eingang ist nicht möglich. Dafür besitzt er ein eingebautes Widerstandsnetzwerk, mit dem der Anwender eine Vielzahl verschiedener Verstärkungsfaktoren und Frequenzgangcharakteristiken einstellen kann.

Der LM 387 und der LM 387A besitzen keine Anschlüsse für eine äußere Beschaltung. Betrieb mit asymmetrischem Eingang ist nicht möglich.

 

Ein Blick ins Innere des LM 381/ LM 381A

Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Grundschaltung der fünf ICs der Familie identisch. Es gibt nur geringe Unterschiede. Bild 2 vermittelt einen Eindruck über die Schaltungseinzelheiten. Die Schaltung enthält im Prinzip vier Hauptgruppen: Eine erste Verstärkerstufe (T1/T2), eine zweite Stufe (T3. . .T6), eine Ausgangsstufe (T7. . .T10) und ein Netzwerk zur Vorspannungserzeugung (T11. . .T15).

Bild 6 zeigt eine stark vereinfachte Schaltung eines kompletten Verstärkers. Die vier Hauptgruppen sind gekennzeichnet.

 

Bild 6. Vereinfachte Schaltung des LM 381 /LM 381 A.

 

Die erste Stufe des Verstärkers mit T1 und T2 wird über das interne Netzwerk zur Vorspannungserzeugung gespeist. Die Basis von T1 liegt über einen 250 kΩ-Widerstand fest an 1,2 V. Diese erste Stufe kann sowohl als Differenzverstärker als auch mit asymmetrischem Eingang arbeiten (ein Differenzverstärker erzeugt 41 % mehr Rauschspannung als ein Verstärker mit asymmetrischem Eingang).

Bei symmetrischem (Differenzverstärker-) Betrieb muß der aus T1 und T2 bestehende Verstärker „balanciert“ werden, indem - wie für T1 gezeigt - eine Vorspannung von 1,2 V über ein äußeres Netzwerk an die Basis von T2 gelegt wird. Soll der Verstärker mit asymmetrischem Eingang arbeiten, muß die Basis von T2 an null Volt liegen, der Transistor ist dann gesperrt. Dafür muß nun eine Vorspannung von 0,6 V von 1,2 V über ein äußeres Netzwerk an die Basis von T2 gelegt wird. Soll der Verstärker mit asymmetrischem Eingang arbeiten, muß die Basis von T2 an null Volt liegen, der Transistor ist dann gesperrt. Dafür muß nun eine Vorspannung von 0,6 V über ein äußeres Netzwerk an den Emitter gelegt werden. Die erste Stufe liefert im Differenzverstärkerbetrieb 80 fache, im asymmetrischen Betrieb 160 fache Verstärkung.

Die zweite Stufe besteht im wesentlichen aus T5 in Emitterschaltung und arbeitet an der Konstantstromquelle T6. T5 wird vom Ausgang des Transistors T1 über das Darlingtonpaar aus T3 und T4 (Bild 2) angesteuert. Die Spannungsverstärkung der zweiten Stufe beträgt etwa 2000. Sie ist mit C1 intern kompensiert. Die Grenzfrequenz für die Verstärkung 1 beträgt 15 MHz. Die interne Frequenzgangkompensation bewirkt stabiles Arbeiten bei Verstärkungsfaktoren größer als 10. Bei niedrigeren Verstärkungsfaktoren kann ein äußerer Kondensator zu C1 parallel geschaltet werden, um eine geeignete Kompensation zu erreichen. Die Ausgangsstufe des Verstärkers enthält einen Darlington-Emitterfolger aus T8 und T9 (Bild 2), der auf eine aktive Stromsenke mit Transistor T7 arbeitet. T10 (Bild 2) bewirkt einen Kurzschlußschutz, indem er den Ausgangsstrom auf 12 mA begrenzt.

Das Netzwerk zur Vorspannungsversorgung des Verstärkers ist für maximale Unterdrückung der Betriebsspannungsrestwelligkeit ausgelegt. Die Unterdrückung beträgt etwa 120 dB! Das Netzwerk besteht im wesentlichen aus der Konstantstromquelle mit T11...T13, die einen sehr hohen dynamischen Innenwiderstand aufweist (Bild 2). Die Konstantstromquelle wird benötigt, um in Verbindung mit der Zenerdiode ZD2 eine restwelligkeitsfreie Referenzspannung zu liefern. Mit dieser Referenzspannung werden über T14 und T15 die ersten beiden Verstärkerstufen gespeist. Außerdem wird hiervon die Vorspannung für die Basis des Transistors Q1 abgeleitet.

 

Differenzverstärkerbetrieb

Der LM 381 und der LM 381A können sowohl mit symmetrischem als auch mit asymmetrischem Eingang arbeiten. Die Betriebsart als Differenzverstärker ist für sämtliche allgemeinen Anwendungen geeignet, bei denen ein „gutes“ Rauschverhalten verlangt wird. Betrieb mit asymmetrischem Eingang ist nur dann zu verwenden, wenn man hauptsächlich auf ein extremes Signal/Rausch-Verhältnis Wert legt.

Bei Betrieb des LM 381 oder des LM 381A als Differenzverstärker muß der Eingang zunächst mit einer Vorspannung beaufschlagt werden, damit der Ausgang eine positive Ruhespannung annimmt, die von Betriebsspannungsschwankungen unabhängig ist. Diese Einstellung bewirkt der Spannungsteiler aus R1 und R2, dessen oberes Ende am Ausgang des Verstärkers liegt und an dessen Mittelpunkt der invertierende Eingang angeschlossen ist.

Einzelheiten zeigt Bild 7. Diese Schaltung bewirkt gleichzeitig die notwendige Gleichspannungsgegenkopplung. Der nichtinvertierende Eingang des ICs (Basis von T1, Bild 6) liegt intern auf etwa 1,2 V, bezogen auf null Volt. Wenn nun RI und R2 wie in Bild 7 geschaltet sind, stellt sich über die Gegenkopplung der invertierende Eingang auf den gleichen Wert (1,2 V) ein. Der Verstärkerausgang hat dabei eine Spannung, die dem Wert 1,2 V ■ (RI + R2)/R2 entspricht;  diese Spannung läßt sich durch geeignete Wahl des Spannungsteilers auf jeden beliebigen Betrag setzen. R2 sollte kleiner als 250 kΩ sein.

 

Bild 7. Vorspannungserzeugung für den LM381/LM381A bei Betrieb als Differenzverstärker.

 

Die Schaltung nach Bild 7 läßt sich zu einem nichtinvertierenden Wechselsspannungsverstärker ergänzen, indem man das Eingangssignal über einen Koppelkondensator an den nichtinvertierenden Eingang legt. Die Eingangsimpedanz dieser Schaltung beträgt etwa 250 kΩ. Zur Vermeidung starker Verzerrungen muß die effektive Eingangsspannung unter 300 mV bleiben.

Der Spannungsteiler aus R1 und R2 ist für die Gleichspannungseinstellung der Schaltung maßgebend, er bestimmt die Gleichspannungsverstärkung und die Höhe der Ausgangsgleichspannung. Weicht die gewünschte Wechselspannungsverstärkung von der durch R1/R2 gegebenen Gleichspannungsverstärkung ab, so kann man durch (teilweises) Überbrücken eines der beiden Spannungsteilerwiderstände mit einem Kondensator die Wechselspannungsverstärkung einstellen.

Bild 8 zeigt beispielsweise einen nichtinvertierenden, rauscharmen Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor 100. Hier bestimmt der Spannungsteiler aus RI und R2 die Gleichspannungsverstärkung (kleiner als 10). Die Wechselspannungsverstärkung hängt dagegen von R1 und R3 ab, sie beträgt ca.100. Bild 8 zeigt beispielsweise einen nichtinvertierenden, rauscharmen Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor 100. Hier bestimmt der Spannungsteiler aus R1 und R2 die Gleichspannungsverstärkung (kleiner als 10). Die Wechselspannungsverstärkung hängt dagegen von R1 und R3 ab, sie beträgt ca. 100.Die Technik, die gewünschte Wechselspannungsverstärkung durch Überbrücken der Widerstände mit einer Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand einzustellen, läßt sich vorteilhaft beim Entwurf frequenzabhängiger Verstärker oder Filter einsetzen.

 

Bild 8. Nichtinvertierender, rauscharmer Verstärker mit einer Wechselspannungsverstärkung V = (RI + R3)/R3.

 

In Bild 9 ist z. B. ein rauscharmer Entzerrervorverstärker für einen magnetodynamischen Tonabnehmer mit RIAA-Entzerrerkurve dargestellt.

 

Bild 9. Rauscharmer Entzerrervorstärker mit RIAA-Entzerrerkurve für MD-Tonabnehmersysteme.

 

Bild 10 zeigt einen Vorverstärker mit NAB-Entzerrung für einen Tonband-Wiedergabeverstärker.

 

Bild 10. Rauscharmer Tonbandwiedergabeverstärker mit NAB-Entzerrung.

 

Die Schaltung nach Bild 7 läßt sich mit einfachen Mitteln in einen invertierenden Wechselspannungsverstärker verwandeln, indem man den nichtinvertierenden Eingang mit einem Kondensator wechselspannungsmäßig an null Volt legt und das Eingangssignal dem invertierenden Eingang über einen verstärkungsbestimmenden Widerstand zuführt. Die Schaltung ist in Bild 11 dargestellt. In diesem Fall legen die Widerstände R2 und R3 eine Gleichspannungsverstärkung auf ca. 10 fest. Die Ruheausgangsspannung beträgt dann + 12 V. Das Verhältnis R3/R1 bestimmt die Wechselspannungsverstärkung, die in diesem Fall ebenfalls ca. 10 ist. Die Eingangsimpedanz entspricht etwa dem Betrag von R1.

 

Bild 11. Invertierender Verstärker mit  geringeren Eigen Verzerrungen («0,05 %), V = R3/R1.

 

Bild 12 zeigt den Einsatz des LM 381 (A) als Mischverstärker für vier Eingangskanäle. Der Verstärkungsfaktor ist 1. Hierbei hat jeder Eingang seinen eigenen Eingangswiderstand.

 

Bild 12. Mischverstärker für vier Eingangskanäle.

 

Betrieb mit asymmetrischem Eingang

Für extrem rauscharme Verstärker wird der LM 381 mit asymmetrischem Eingang betrieben. Bild 13 verdeutlicht die Arbeitsweise. Innerhalb der gestrichelten Linien ist eine vereinfachte Schaltung des ICs, außerhalb die zugehörige externe Beschaltung dargestellt.

 

 Bild 13. LM 381A mit äußerer Beschaltung zur Erhöhung der Kollektorstromdichte (asymmetrischer Eingang).

 

Die aus dem Differenzverstärker mit T1 und T2 bestehende erste Stufe wird über die interne Stabilisierungsschaltung mit 5,6 V gespeist. Das Kollektorsignal von T1 gelangt über einen Gleichspannungsverstärker zum Ausgang. Legt man die Basis von T2 an null Volt, arbeitet die erste Stufe mit asymmetrischem Eingang. Die Arbeitspunkteinstellung muß in diesem Fall über den Anschluß 3 (12) erfolgen.

Eine geeignete Methode besteht darin, einen Spannungsteiler R1-R2 (Bild 13) anzuschließen und diesen so zu bemessen, daß etwa 600 mV an R2 stehen, wenn die Ausgangsgleichspannung den gewünschten Wert hat. Wenn beispielsweise die Ruhegleichspannung am Ausgang + 12 V betragen soll, muß der Spannungsteiler aus R1 und R2 für 20 fache Verstärkung bemessen sein. R2 kann, falls erforderlich, mit R3-C1 überbrückt werden, um eine Wechselspannungsverstärkung einzustellen, die über der Gleichspannungsverstärkung liegt.

ln der Schaltung zur Vorspannungserzeugung liegt R2 parallel mit dem internen 10Ω-Emitterwiderstand von T1/T2 und bewirkt, daß die Kollektor- und Emitter-„Stromdichte“ des Transistors T1 etwa 15µA über dem normalen Wert liegt. Man kann nachweisen, daß das Eigenrauschen von T1 von der Kollektor-„Stromdichte“ abhängt. Das Rauschminimum liegt hei einer „Stromdichte“ von etwa 170µA. Daraus resultiert ein optimaler Wert für R2 von etwa 1,2 kΩ. Damit T1 bei diesem Strom nicht in die Sättigung fährt, muß sein interner 200 kΩ-Kollektorwiderstand mit einer äußeren Beschaltung überbrückt werden. Der Hauptanteil des Stromes fließt dann über die äußeren Arbeitswiderstände R4 und R5; mit C2 wird der Einfluß der Speisespannungswelligkeit auf das Signal verringert.

Die Schaltung nach Bild 13 eignet sich nur als nichtinvertierender Verstärker. Die typische Eingangsimpedanz beträgt 10 k Ω. Im Idealfall sollte der Innenwiderstand der steuernden Signalquelle unter 2 kΩ liegen. Als Widerstände sind Metallfilmwiderstände einzusetzen, da ihr Eigenrauschen geringer als das der Kohleschichtwiderstände ist.

In den Bildern 14 und 15 sind praktische Ausführungen derartiger Schaltungen vorgestellt. Der Verstärker nach Bild 14 weist eine 1000 fache Verstärkung auf. Bild 15 zeigt einen Entzerrervorverstärker mit RIAA-Entzerrerkurve für magnetodynamische Tonabnehmer. RV1 setzt in beiden Fällen die Ausgangsgleichspannung auf die halbe Betriebsspannung. In Bild 14 begrenzt C3 den -3-dB-Punkt der oberen Grenzfrequenz auf 10 kHz.

 

Bild 14. Vorverstärker mit 1000 facher Verstärkung und extrem geringem Rauschen.

 

Bild 15. Entzerrervorverstärker mit RIAA-Entzerrerkurve und extrem geringem Eigenrauschen.

 

Schaltungen mit dem LM 382

Die Schaltung entspricht im Prinzip der des LM 381. Hinzugefügt wurde eine aus fünf Widerständen bestehende Matrix, es fehlen aber einige Anschlüsse des LM 381.

Das IC kann deshalb nicht im asymmetrischen Betrieb arbeiten. Anschlüsse zur externen Kompensation fehlen. Der Vorteil des LM 382 ist in der einfacheren Beschaltung zur Vorspannungserzeugung zu sehen. Die Widerstandsmatrix ist optimal für 12 V Betriebsspannung ausgelegt.

Die Bilder 16 bis 19 verdeutlichen einige Anwendungsmöglichkeiten des LM 382 bei 12 V Betriebsspannung. In Bild 16 ist ein nichtinvertierender Verstärker mit Wechselspannungsverstärkungsfaktoren von 40, 55 oder 80 dB angegeben.

 

Bild 16. LM 382 als nichtinvertierender Verstärker mit fest eingestellter Verstärkung und Betrieb an 12 V.

 

Bild 17. Invertierender Verstärker, V = 40 dB.

 

Bild 18. Invertierender Spannungsfolger, V = 1.

 

Bild 19. Entzerrervorverstärker mit RIAA-Entzerrerkurve.

 

Die Schaltung nach Bild 17 arbeitet als invertierender 40-dB-Verstärker, die Schaltung nach Bild 18 zeigt einen invertierenden Spannungsfolger (V = 1). In Bild 19 ist ein Entzerrervorverstärker mit RIAA-Entzerrerkurve dargestellt.

 

Schaltungen mit dem LM 387

Die Schaltung entspricht wieder der des LM 381, es fehlen jedoch einige Anschlüsse. Das IC kann nur als Differenzverstärker arbeiten. Eine Möglichkeit zur äußeren Frequenzgangkompensation fehlt ebenfalls. Trotzdem ist das IC sehr vielseitig verwendbar. Die Bilder 20 bis 26 bringen Beispiele.

 

Bild 20. LM 387 als nichtinvertierender Wechselspannungsverstärker, V = 52 dB.

 

Bild 21. LM 387 als Entzerrervorverstärker mit RIAA-Entzerrerkurve.

 

Bild 22. LM 387 als Tonbandwiedergabeverstärker mit NAB-Entzerrung.

 

Bild 23. Aktives Frequenzgangkorrekturnetzwerk.

 

Bild 24. Aktives Rumpelfilter.

 

Bild 25. Aktives Rauschfilter.

 

Bild 26. Bandpaßfilter für den Sprachfrequenzbereich.

 

In Bild 20 ist ein nichtinvertierender Verstärker mit 52 dB Wechselspannungsverstärkung angegeben. Die Widerstände R1 und R2 bestimmen die Gleichspannungsverstärkung (und die Ausgangsgleichspannung), die Wechselspannungsverstärkung hängt von R1 und R3 ab. In Bild 21 ist die Schaltung zum Entzerrervorverstärker mit RIAA-Entzerrerkurve abgewandelt, in Bild 22 zum Tonband-Wiedergabeverstärker mit NAB-Entzerrung.

Die Bilder 23 bis 26 vermitteln die Einsatzmöglichkeiten als invertierender Verstärker in aktiven Filterschaltungen. Bild 23 zeigt ein aktives Netzwerk zur Frequenzgangkorrektur mit der Verstärkung 1 bei Mittelstellung der Potis und mit 20 dB Abschwächung oder Anhebung an den linken oder rechten Anschlägen der Potentiometer.

Das Rumpelfilter nach Bild 24 besteht aus einem aktiven Hochpaßfilter zweiten Grades mit einer Flankensteilheit von 12 dB/Oktave. Es unterdrückt Frequenzen unterhalb 50 Hz.

Bei dem Rauschfilter nach Bild 25 handelt es sich um ein aktives Tiefpaßfilter zweiten Grades mit einer Flankensteilheit von 12 dB/Oktave. Die Grenzfrequenz beträgt hier 10 kHz.

Das Bandpaßfilter nach Bild 26 ist speziell für den Sprachfrequenzgang zugeschnitten. Die Flankensteilheiten betragen wieder 12 dB/Oktave. Die Grenzfrequenzen liegen bei 300 Hz und 3 kHz.

 

Verwendungshinweise

Schaltungen mit den besprochenen ICs müssen recht sorgfältig aufgebaut werden, wenn man die Eigenschaften voll ausnutzen will. Es handelt sich immerhin um Verstärker mit sehr hoher Leerlaufverstärkung und hoher Bandbreite, so daß ein schlechtes Design oft durch munteres wildes Schwingen belohnt wird. Die meisten Probleme bilden deshalb HF-Instabilitäten und HF-Einstreuungen.

Die Instabilitäten werden fast immer durch mangelhafte hochfrequente Entkopplung der Stromversorgung hervorgerufen. Zur Vorbeugung sollten ein 100-NF-Keramik-Scheibenkondensator parallel mit einem 1-µF-Tantalkondensator unmittelbar über die Betriebsspannungsanschlüsse des ICs gelegt werden.

HF-Einstreuungen bilden ein besonderes Problem. Es tritt meistens eine Demodulation von AM-modulierten Sendern auf, so daß deren Sendungen hörbar werden (Radio Moskau soll sehr beliebt sein). Abhilfe schafft eine 10-µH-HF-Drossel in Reihe mit dem IC-Eingang; falls das nicht reicht, zusätzlich kleine Keramikkondensatoren unmittelbar an den oder die Eingänge nach null Volt legen. Bild 27 verdeutlicht dies.

 

Bild 27. Beschaltung zur Verhinderung von HF-Einstreuungen.