|
U kunt de versterking van deze 'Voltage Controlled Amplifier' instellen door middel van een gelijkspanning tussen 0 V en +5 V. Bij +5 V stuurspanning is de versterking gelijk aan 0 dB. Bij 0 V stuurspanning is de versterking gelijk aan nul, de uitgang levert geen signaal. |
Het werkingsprincipe van een VCA
Wat is het nut van een VCA?
Het zal duidelijk zijn dat zo'n schakeling een heleboel praktische toepassingen heeft, zowel voor de hobbyist als voor de professionele audio-elektronicus.
- Afstandsbediening van een audio-versterker:
Een voor de hand liggende toepassing is het door middel van gelijkspanningen instellen van het volume en de balans van een audioversterker. - Telefoon-'dimmer':
Een tweede handige toepassing is een drukknopje naast uw vaste kantoortelefoon, waarmee u het volume van de geluidsinstallatie op afstand kunt instellen. Het komt er op neer de VCA tussen voor- en eindversterker te schakelen en de stuuringang via een lange kabel te sturen door middel van een gelijkspanning, bijvoorbeeld afkomstig van een platte 4,5 V batterij. - Automatische microfoon-fader:
Een schakeling waarmee u een geluidssignaal automatisch wegregelt op het moment dat er in een microfoon wordt gesproken, zeer bruikbaar bij mengpanelen. - Tremolo en lesley:
Twee speciale geluidseffecten waarbij een geluidssignaal door middel van een zeer laagfrequente sinus in amplitude wordt gemoduleerd. - Automatische oversturingsregelingen:
Niet alleen bruikbaar bij eigen geluidsopnames, maar bijvoorbeeld ook voor het tegenwoordig wettelijk verplicht begrenzen van het maximale uitgangsvermogen van geluidsweergevers.
Een OTA als hart van de schakeling
U kunt een spanningsgestuurde versterker op verschillende manieren ontwerpen. Een van de beste is gebruik te maken van een OTA, een 'Operational Transconductance Amplifier'. Een OTA is een speciaal soort operationele versterker, waarbij het spanningsverschil tussen beide ingangen niet in een uitgangsspanning wordt omgezet, maar in een uitgangsstroom. De grootte van deze stroom is, behalve van het genoemde spanningsverschil, ook nog eens afhankelijk van de geleidingsoverdracht van de schakeling. Dat is een soort versterkingsfactor die bepaalt hoeveel stroom de OTA levert voor iedere mV spanningsverschil tussen de ingangen. Het interessante is nu dat u de grootte van deze geleidingsoverdracht kunt variëren door in een extra ingang, de zogenoemde IABC-ingang, een stroom te sturen.
Die afkorting 'ABC' staat voor 'Amplifier Bias Current' en het zal duidelijk zijn dat deze stuurstroom de basis kan zijn van het regelen van de versterking van een schakeling. De werking van een OTA kan dus door een enkele, zeer eenvoudige, formule worden gedefinieerd:
Iuit = A ● IABC ● ∆Uin
Hierbij staat A voor een bepaalde constante factor en ∆ uiteraard voor het kleine spanningsverschil tussen de beide ingangen.
Het blokschema van de schakeling
Het blokschema van de rond een OTA ontworpen spanningsgestuurde versterker is getekend in onderstaande figuur. De ingangsspanning wordt aangeboden aan een buffer die zorgt voor de noodzakelijke hoge ingangsimpedantie en gaat vandaar naar de ingang van de OTA. Deze schakeling zet de ingangsspanning om in een uitgangsstroom.
Omdat er in de praktijk steeds met signaalspanningen wordt gewerkt is het noodzakelijk deze stroom om te zetten in een spanning en vandaar dat de uitgang van de OTA wordt afgesloten met een stroom-naar-spanning omzetter. Uiteraard moet er een blok toegevoegd worden waarmee de stuurstroom voor de OTA wordt gegenereerd. Vandaar de spanningsgestuurde stroombron, waarin de stuurspanning van de schakeling, variërend tussen 0 V en +5 V, wordt omgezet in de stuurstroom IABC voor de OTA. De schakeling heeft twee instelpotentiometertjes. Met de ene wordt de offset van de schakeling afgeregeld en met de andere wordt de versterking van de volledige schakeling zo afgeregeld, dat bij het maximale stuursignaal van +5 V de versterking tussen in- en uitgang precies gelijk is aan de eenheid (0 dB).
 |
| Het blokschema van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
Omdat uit de in de vorige paragraaf beschreven formule blijkt dat de uitgangsstroom van de OTA recht evenredig is met stuurstroom IABC, zal het wel zonder meer duidelijk zijn dat de spanningsversterking van de volledige schakeling recht evenredig is met de grootte van de stuurspanning. Komt een stuurspanning van +5 V overeen met een versterking van exact eenmaal, dan zal een stuurspanning van 2,5 V een spanningsversterking van 0,5 tot gevolg hebben. Dit lineaire verband tussen de stuurspanning en de versterking van de VCA is voor een aantal toepassingen zeer nuttig!
Het volledig schema
De ingangsbuffer
Het praktisch schema van de VCA is getekend in onderstaande figuur. De eerste operationele versterker IC1 is geschakeld als buffer, heeft dus een spanningsversterking van 1 en is noodzakelijk omdat de OTA met een signaal van maximaal 10 mV mag worden gestuurd. Vandaar de spanningsdeler R2-R3 aan de uitgang van de buffer. U kunt zich de vraag stellen waarom er een buffer noodzakelijk is. Zonder de buffer zou de ingangsimpedantie van de schakeling worden bepaald door de 10 kΩ van R2 en dat is voor een aantal toepassingen veel te laag. Nu wordt de ingangsimpedantie vastgelegd op 100 kΩ door middel van weerstand R1 en dat is meer dan voldoende voor alle denkbare toepassingen.
De schakeling rond de OTA
Het verzwakte ingangssignaal wordt aangeboden aan de inverterende ingang van de OTA (IC2). Dit onderdeel heeft geen interne offsetcompensatie, deze moet extern aanwezig zijn. Dat gebeurt door een kleine instelbare gelijkspanning aan te bieden aan de niet-inverterende ingang van dit IC. Door middel van instelpotentiometer R4 wordt een instelspanning tussen -15 V en +15 V afgeleid van de voedingsspanningen van +15 V en -15 V. Nadien wordt deze spanning behoorlijk verzwakt door de spanningsdeler R5-R6 en de resterende mV's worden aangeboden aan de niet-inverterende ingang.
Kortom, de in het schema ingetekende waarden van 100 Ω voor R3 en R6 zijn geen fout!
 |
| Het schema van de spanningsgestuurde versterker. (© 2018 Jos Verstraten) |
Dit blok is gebouwd rond operationele versterker IC4. Dat is niets meer dan een inverterende versterker. De OTA heeft, als stroombron, een zeer hoge uitgangsimpedantie en deze impedantie vormt, samen met instelpotentiometer R12 en weerstand R13, de elementen die de versterking van de inverterende versterker bepalen. De 180° fasedraaiing van deze trap telt zich op bij de 180° fasedraaiing van de OTA, zodat er tussen in- en uitgang een faseverschil van 360° optreedt. Met andere woorden: in- en uitgang zijn in fase, een bijkomend voordeel van deze schakeling.
De spanningsgestuurde stroombron
Deze schakeling is opgebouwd rond de operationele versterker IC3 en de transistor T1. De IABC-ingang van de OTA staat op een vrij constante spanning die 0,7 V hoger is dan de negatieve voedingsspanning. De stuurstroom IABC vloeit vanuit de massa via weerstand R7 en transistor T1 naar de IABC-ingang. Hieruit volgt dat de grootte van de spanningsval over R7 een maat is voor de grootte van de stuurstroom. De operationele versterker zal er nu voor zorgen dat deze spanning UABC in absolute waarde gelijk wordt aan de stuurspanning. De weerstanden R8 en R11 vormen een spanningsdeler tussen de stuuringang en de emitterweerstand R7. Beide weerstanden zijn even groot en zij worden doorlopen door slechts één stroom. Hun knooppunt gaat immers naar de ingang van de op-amp en deze heeft een zeer hoge ingangsimpedantie. U kunt bijgevolg besluiten dat de spanningsvallen over beide onderdelen even groot moeten zijn.
Maar er is meer: de niet-inverterende ingang van de operationele versterker ligt via weerstand R9 aan de massa. De spanning op deze ingang is 0 V. De op-amp zal er dus naar streven de spanning op zijn inverterende ingang ook gelijk aan 0 V te maken.
Alles op een rijtje zettend kunt u dus besluiten dat er over weerstand R7 een spanning van -x V verschijnt als er aan de stuuringang een spanning van x V wordt aangelegd. Alleen dan zal het knooppunt van R8 en R11 immers op 0 V staan. Deze negatieve spanning over R7 heeft tot gevolg dat stuurstroom IABC in de juiste richting via transistor T1 naar de stuuringang IABC van de OTA loopt. Als de stuurspanning 0 V is, dan zal ook de spanningsval over R7 0 V zijn en is IABC nul. De geleidingsoverdracht van de OTA is ook nul en de versterking van de totale schakeling eveneens. Is de stuurspanning gelijk aan +5 V, dan zal de -5 V over R7 een bepaalde maximale stroom in de IABC-ingang sturen. De geleidingsoverdracht van de OTA is maximaal en door middel van het instellen van R12 kunt u de versterking op exact 1 afregelen.
De bouw van de schakeling
De print
De print voor deze schakeling is voorzien van een mini-module printconnector. De totale schakeling wordt een handig hanteerbaar geheel en u kunt deze met één handbeweging in een grotere basisprint opnemen. Het ontwerpje van de print en de componentenopstelling zijn voorgesteld in onderstaande twee figuren.
 |
| Het printje voor de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
Het afregelen is uiterst simpel. Verbindt het schakelingetje met twee symmetrische spanningen (tussen ±15 en ±10 V), leg een sinus van 1 kHz, 1 Veff aan op de ingang en sluit de stuuringang aan op een instelbare gelijkspanning tussen 0 V en +5 V. Zet deze spanning op 0 V en meet de gelijkspanning op de uitgang van de print. Met behulp van offset-instelpotentiometer R4 kunt u deze op 0 V afregelen.
Zet nadien +5 V op de stuuringang. Meet met behulp van een wisselspanningsmeter de spanning op de ingang van de schakeling. Meet nadien de wisselspanning op de uitgang en regel R12 af tot deze gelijk is aan de ingangsspanning. Varieer nu de spanning op de stuuringang in stappen van 0,1 V. De uitgangsspanning van de schakeling moet nu in dezelfde mate afnemen.
Peak Electronics DCA55
