Beim Aufbau von hochwertigen Audioverstärkern ist es oft erforderlich kleinste Wechselspannungssignale zu messen.

Der hier vorgestellte rauscharme Messverstärker verstärkt Wechselspannungen im Audiobereich und bildet eine Gleichspannung, die dem Effektivwert der Ausgangswechselspannung entspricht (Effektivwert- Gleichrichter).

Anwendungsbeispiele:

1. Messung des Verstärkerrauschens und Bestimmung des Signal/Rauschabstandes:
Die Rauschspannung am Ausgang einer Leistungsendstufe, deren Spannungspegel z.B. bei 100 µVeff liegt, soll gemessen und auf einem Oszilloskop dargestellt werden.
Spannungen dieser Größenordnung kann ein gewöhnliches Oszilloskop nicht brauchbar darstellen. Mit diesem Messverstärker kann die Rauschspannung der Leistungsendstufe (rauscharm!) um den Faktor 1000 verstärkt werden und somit auf dem Oszilloskop dargestellt werden. Sie liegt dann bei 100 mVeff.
Der Effektivwert-Gleichrichter gibt einen Wert von 100 mVdc aus. Dies entspricht dem Effektivwert der 1000-fach verstärkten Rauschspannung. Die Nennausgangsspannung der Endstufe beträgt 40 Veff (200 W an 8 Ohm).
Signal/Rauschabstand: 20 * log (40 V / (100 mV / 1000)) = 112 dB

2. Beurteilung des Sternpunktes des Netzteils der Leistungsendstufe:
Bei hochwertigen Verstärkern ist es erforderlich, die Bezugspotenziale von Netzteil, Leistungsstufe und Lautsprecher punktförmig zusammenzuführen (Sternpunkt). Wie gut das im praktischen Fall gelingt, kann man nachmessen. Man sieht sich das Ausgangssignal der Leistungsstufe (ohne Ansteuerung) 100-fach verstärkt auf dem Oszilloskop an.
Erkennt man neben dem Rauschen ein 100 Hz-Netzbrummen, so ist der richtige Sternpunkt noch nicht gefunden. Sieht man kein Netzbrummen, sondern nur das Rauschen, ist der Sternpunkt optimal.

3. Beurteilung der Leistungsverteilung einer aktiven Frequenzweiche:
Eine aktive 2-Weg-Frequenzweiche trennt das Audiosignal bei z.B. 3 kHz.
Wie teilt sich die Leistung zwischen Tiefton- und Hochtonkanal bezogen auf ein bestimmtes Musiksignal auf?
Es wird ein Musiksignal gebildet, das einen bestimmten Musikstil repräsentiert, und sich nach 1 ... 2 s wiederholt (WAV-Datei, Loop) und dieses auf die Frequenzweiche gegeben. Mit dieser Methode kann man die Leistungsverteilung genauer bestimmen als mit rosa Rauschen, das auch eine ähnliche Energieverteilung hat, wie generell “Musik”.
Mit dem Messverstärker kann man nun die Effektivwerte der beiden Signalausgänge messen. Über die Verstärkung der Endstufen und die Lautsprecherimpedanz kann man die beiden effektiven Lautsprecherleistungen ermitteln.
 

Aufbau:
Die Schaltung besteht aus drei kaskadierten Verstärkerstufen mit einer Verstärkung von jeweils 10, wobei die erste Stufe zwischen 1 und 10 umschaltbar ist.
Als Operationsverstärker kommen hier die rausch- und verzerrungsarmen Audioverstärker OPA2134 von Burr-Brown zum Einsatz. Den Verstärkerstufen folgt ein RMS zu DC Converter (Effektivwert-Gleichrichter), der mit einem AD536A von Analog Devices aufgebaut wurde.
Das ganze Gerät findet in einem kleinen, geschirmten Blechgehäuse seinen Platz.

Stromversorgung:
Die Versorgungsspannung von ±15 V kommt von einem externen, geregelten Netzteil.
Sie gelangt über eine 6-polige Mini-DIN-Buchse in die Schaltung wo sie zunächst einmal gut gesiebt wird.
Die Stromaufnahme des gesamten Verstärkers liegt bei 20 mA.

Filter:
Jede Verstärkerstufe ist mit RC-Filtern versehen, die ungewollte Signalanteile herausfiltern. Die Hochpassfilter sind mit einer Grenzfrequenz von 0,72 Hz bemessen und unterdrücken sehr tiefe Frequenzen. Die Tiefpassfilter besitzen jeweils eine Grenzfrequeunz von 590 kHz und filtern sehr hohe Frequenzanteile aus dem Messsignal heraus. Durch das Kaskadieren der vielen Filterstufen erhält der Verstärker ein sehr steilflankiges Filter das Signale unter 20 Hz und über 20 kHz herausfiltert.
Der Koppelkondensator des Eingangsfilters besitzt eine Spannungsfestigkeit von 100 Volt. Somit kann auch die Brummspannung eines Netzteils gemessen werden.

Verstärkungseinstellung:
Als Einstellelemente wurden hier “Jumper” mit dem gewöhnlichen Raster von 2,54 mm gewählt. Das reicht für eine brauchbare Bedienbarkeit völlig aus, da man dieses Gerät ja nicht so häufig umschalten wird, wie ein Digitalmultimeter. Weiter bieten die Jumper noch einige Vorteile: Sie sind preiswert verfügbar, die Signalwege bleiben kurz, die Leiterplatte und das Gehäuse bleiben klein.

Funktion:
Das Messsignal gelangt über die BNC-Eingangsbuchse “AC-IN” und das Eingangsfilter auf die erste Verstärkerstufe.
Mit J2 wird gewählt, ob die Gesamtverstärkung “1” oder “größer als 1” sein soll.
Mit J1 wird gewählt, ob die Gesamtverstärkung “1 oder 10” oder “größer als 10” sein soll.
Mit J3 wird gewählt, ob die Gesamtverstärkung “100” oder “ungleich 100” sein soll.
Mit J4 wird gewählt, ob die Gesamtverstärkung “1000” oder “kleiner als 1000” sein soll.

Für jede Verstärkungseinstellung müssen alle vier Jumper korrekt gesetzt werden.
Das verstärkte Messsignal kann der BNC-Buchse “AC-OUT” entnommen werden.
Weiter gelangt das verstärkte Messsignal auf den Effektivwert-Gleichrichter. An der Buchse “DC-OUT” steht eine Gleichspannung zur Verfügung, die dem Effektivwert des verstärkten Wechselspannungssignals entspricht. Also: 1 Veff an der Buchse “AC-OUT” ergeben 1 Vdc an der Buchse “DC-OUT”.

Offset-Abgleich:
Der Offset-Abgleich wir bei einer Verstärkung von 1 und kurzgeschlossenem Eingang durchgeführt. Die DC-Ausgangsspannung wird auf 0,000 mV abgeglichen. Der Abgleich dauert einige Minuten, da die Integrationszeit des Gleichrichters sehr hoch ist.

Tipps:
Die Widerstände im Signalpfad sollten 1 %ig oder ausgemessen sein.
SMD-Chip-Widerstände kann man gut parallel schalten.
2 kOhm = 2,2 kOhm || 22 kOhm.
50 Ohm = 100 Ohm || 100 Ohm.

Auf der Unterseite der Leiterplatte kann man sehen, dass eine ganze Reihe von Signalen mit Fädeldrähten verbunden wurde. Natürlich hätte man diese Signale auch mit ins Layout nehmen können, das hätte aber bei einem nur 2-lagigen Layout Nachteile gehabt. Bei empfindlichen Analogschaltungen ziehe ich es vor, die Masseflächen möglichst massiv auf beiden Lagen auszuführen und an mehreren Punkten durchzukontaktieren. Ein paar niederohmige Signale über Fädeldrähte zu führen, ist elektrisch kein Problem.