Der Analogmultiplizierer
Im VCA (dt.: Spannungsgesteuerter Verstärker) wird das Audiosignal vom VCF durch die vom ADSR generierte Hüllkurve wie ein gesteuerter Lautstärkeregler geregelt. Mathematisch lässt sich dieser Vorgang auf eine Multiplikation zurückführen, weshalb die Kernkomponente des VCA aus einem Multiplizierer besteht.
Der Kern des verbauten VCAs wird durch ein Transistorpaar gebildet, welches die Steilheit g_m eines Bipolartransistors zur Multiplikation ausnutzt. Dies ist möglich, da die Ausgangsspannung die Eingangsspannung des Transistors U_BE multiplikativ mit der Steilheit verknüpft. Die folgende Abbildung zeigt eine mögliche Verschaltung, in der die Ausgangsspannung als Differenz verstärkt wird, abhängig von der Konfiguration der Widerstände R_y und R_z.
Abbildung: Grundschaltung Multiplizierer
Die Ausgangsspannung kann beschrieben werden durch
In der Umgebung von U_x ≈ 0V kann tanh(x) durch x approximiert werden durch.
Damit die Näherung in Ua erfüllt ist, müssen die Eingangssignale folgende Bedingungen erfüllen: |U_x| soll unter ≈ 10mV gehalten werden und U_y muss negativ sein. Damit diese Bedingungen erfüllt sind muss eine ursprüngliche Schaltung eines VCA im Netz gefunden entsprechend modifiziert werden. Die nun verbesserte Schaltung in folgender Abbildung wurde zum Test auf ein Steckbrett aufgebaut und durch Messungen weiter optimiert bis sie die Pegelanforderungen der Gruppen VCF (Eingang, ±1.1 V), ADSR (Eingang, 0 − 5 V) und Endstufe (Ausgang, ±1.1 V) erfüllte.
Abbildung: Finale Simulationsschaltung in LTSpice
Funktionsweise der Schaltung
Abbildung: Finales Schaltbild des VCAs in EAGLE
Die finale Schaltung wurde auf Grundlage der Simulationsschaltung entworfen. Dabei wurde die Belastbarkeit der Eingänge durch zusätzliche Operationsverstärker als Spannungsfolger beschaltet (IC3A, IC3B) verbessert. Mit dem gleichen Zweck wurden auch IC1B und IC1C an den Eingängen des Differenzverstärkers (IC1D) verbaut.
Der Audioeingang wird zunächst durch einen Impedanzwandler entlastet. Anschließend wird der Eingangspegel von ±1.1V durch den invertierenden Verstärker (IC1A) auf ±10mV gedämpft (Ux), so dass die Multiplizierfunktion des Transistors T1 erfüllt ist nach Gleichung 2.3.2.
Im Zweig des ADSR-Eingangs soll eine spannungsgesteuerte Stromquelle realisiert werden nach Gleichung 2.3.2. Die Stromquelle repräsentiert UY und ist aufgebaut in Form der Schaltung im Sektor C/D, 3/4. Für den Transistor T3 liegt der relevante Steuerbereich zwischen −12 V und −11 V, um den Strom durch den Differenzverstärker einzustellen. Die Spannung, die über den Widerstand R8 abfällt bestimmt den Strom, der am Transis- torpaar aufgeteilt wird und somit die Differenz zwischen den Zweigen des Transistorpaars erzeugt. Das Eingangssignal des ADSRs (0 − 5 V) muss deshalb entsprechend durch den Subtrahierer (IC2B) skaliert und verschoben werden. Auch der ADSR-Eingang wird durch Impedanzwandlung stabilisiert.
Die erzeugte Differenz wird ebenfalls stabilisiert und durch den Instrumentenverstärker IC1D für den Ausgang zum Anschluss an die Endstufe verstärkt. Beim Testen der finalen Platine wurde erhöhtes, hochfrequentes Rauschen im Ausgang festgestellt. Um dieses Rauschen weitgehend zu minimieren wurde im Feedback-Loop des Verstärkers IC1D, sowie vor dem nichtinvertierenden Eingang des OPVs Kondensatoren C5 und C6 mit 1 nF mit Tiefpassverhalten eingefügt.
Der Kondensator C7 wurde mit der Last (R16) als Hochpass zwischen Ausgang des IC1D und dem Audio-Ausgang verschaltet, da der Audioausgang über die Steuerspannung vom ADSR ungewollt einen Offset moduliert hat. Im Testaufbau mit der ADSR-Platine zeigte sich dies durch eine Verschiebung des Signals um die Hüllkurve.
Einmessanleitung
Das auf der Platine eingebaute Potentiometer wurde einmalig eingestellt und soll nicht verändert werden. Die optimale Einstellung des Potentiometers ist die Mittelstellung. Zur Überprüfung der Einstellung des Potentiometers kann der Widerstand zwischen den jeweiligen Kollektoren des Transistorpaars und der positiven Versorgungsspannung gemessen werden. Die Widerstandswerte über beiden Zweigen sollten identisch sein.