Einleitung

Ein  Kompressor ist ein Effektgerät aus der Tontechnik, das die Dynamik eines Audiosignals bearbeitet. Zuerst wird ein Schwellenwert, dem sogenannten „Threshold“, festgelegt. Überschreitet der Pegel des Eingangssignals diesen Wert, so wird der Pegel reduziert. Mithilfe des Ratios wird der Grad der Komprimierung bestimmt.

Ein Beispiel: Bei einem Ratio von 2:1 darf bei einer Verstärkung von 2 dB des Ausgangssignal nur um 1 dB ansteigen. Nachdem das Signal gedämpft wurde, muss der Gesamtpegel wieder angehoben werden. Diese Anhebung wird als Make-Up Gain bezeichnet.

Der Kompressor soll auf diese Weise funktionieren: Das wichtigste Bauteil ist der VCA, der als spannungsgesteuerter Verstärker dient. Der VCA lässt nur das Signal durch, wenn der Pegel unterhalb des Threshold liegt. Bei einem Pegel über dem Threshold wird es entsprechend gedämpft. Für den Vergleich muss der Effektivwert des Eingangssignals in Betracht gezogen werden, dies wird mit der RMS-Schaltung ermittelt. Ist die Steuerspannung 0, so leitet das VCA ohne SIgnalveränderungen. Die Threshold-Schaltung soll demnach dafür sorgen, dass die Steuerspannung gleich 0 ist wenn die Ausgangsspannung des RMSunter der Threshold-Spannung ist. Liegt es darüber, so soll die RMS-Spannung an die Ratio-Schaltung weitergeleitet werden. Das Signal wird dann vom VCA im Ratio gedämpft. Die Ausgangsspannung der Ratio-Schaltung ist die Steuerspannung des VCA. Anschließend wird der Gesamtpegel des Signals mit einem Verstärkers mit einstellbarem Gain wieder angehoben.

Schaltungsentwurf

Vor dem Entwurf wurde überlegt, wie der Kompressor aufgebaut und funktionieren sollte. Anbei sieht man das Blockschaltbild zum Kompressor.

Wir benötigen den Effektivwert des Eingangssignals um die Steuerspannung für den VCA zu bestimmen. Diesen bestimmen wir mit einem True-RMS-Detector , die Schaltung dafür haben wir aus dem Tietze-Schenk. Die Spannung aus dem RMS-Detector soll dann mittels zweier Stellgrößen (Threshold und Ratio) noch entsprechend modifiziert werden um das gewünschte Kompressionsverhältnis einzustellen. Das Einstellen des Threshold realisieren wir mit einem Digitalpotentiometer über das eine Spannung am Eingang eines  Komparators gesteuert wird. Am anderen Eingang liegt die RMS-Spannung, am Ausgang liegt das Gate eines nMOS-FET vom Typ xy. Am Drain liegt die Ausgangsspannung des RMS-Detectors. Dieser nMOS-FET führt die RMS-Spannung nur dann über die Source-Drain-Strecke durch einen Kondensator (zur Spannungsglättung) an die Ratio-Schaltung weiter, wenn der Pegel über dem Schwellenwert liegt. Ist dies nicht der Fall gibt der Komparator eine negative Spannung aus und diese wird über eine Diode an Masse geleitet, dann liegen am nMOS-FET 0V an. Der VCA leitet das Signal in diesem Fall 1:1 weiter. Zur Einstellung des Ratio nutzen wir ein Digitalpotentiometer, über das wir die anliegende Spannung im entsprechenden Verhältnis teilen. Diese Spannung wird nun als Steuerspannung an den VCA angelegt. Wird die Spannung voll an den VCA gegeben ist die Dämpfung maximal. Der Verstärkungsfaktor des Make-Up Gain wird über ein Digitalpotentiometer gesteuert. Das Make-Up Gain realisieren wir mit OPVs, eine genaue Schaltung steht noch nicht fest. Alle verwendeten Digitalpotentiometer haben 50kOhm und sind vom Typ xy. Als VCA verwenden wir einen THAT2181, dieser hat zwei Steuerspannungseingänge, e_c- und e_c+, der VCA verstärkt wenn an e_c- eine negative Spannung anliegt und dämpft wenn eine negative Spannung anliegt. Bei e_c+ ist dies genau umgekehrt. Wir verwenden jedoch nur positive Spannungen an e_c-. Der Verstärkungsfaktor des VCA  verhält sich exponentiell zur Steuerspannung am e_c–Eingang.

Simulation

Für den Schaltungstest wurde mithilfe von LTSpice simuliert. Im Folgenden sieht man die Schaltung mit der Simulation.

Aus dem Eingangssignal erzeugte die Schaltung eine leicht oszillierende, jederzeit positive Spannung, d.h. eine um den Wert von etwa 350 mV oszillierende Spannung mit einer Amplitude von etwa 150-200 mV. Gemäß des Zusammenhangs von Amplitude eines sinusoiden Signales mit seinem Effektivwert über den Faktor Wurzel 2 entspricht das auch völlig dem, was wir von der Schaltung gefordert haben. Die Oszillation rührt daher, dass der RMS-Wert real für jeden Zeitpunkt berechnet wird.

Layout

Nun wurde die Schaltung mittels EAGLE gelayoutet und sieht folgendermaßen aus:

Es mussten noch je zwei 5er-DIP-Schalter eingeplant werden, um die Reihenfolge der Effekte im Gesamtkonstrukt mit diesen im Bus noch nachträglich variabel zu halten. Zum Anderen war es nötig, einen Steckplatz für die Platine des Digitalpotentiometers vorzusehen. Dazu hatten wir von Gruppe 3 (Interface) eine Vorlage bekommen, die uns Aufschluss über die Abmaße der Steckverbindungen geben sollte, sodass wir die „female pin headers“ an den entsprechend richtigen Platz setzten.

Ferner war es nötig, Jumper für den Wechsel vom Betrieb mit analogen auf den Betrieb mit den digitalen Potentiometern zu ermöglichen.

Wegen der späteren Verbauung der Platine in einem 19“-Rack gab es die Vorgabe die Höhe der Bauteile auf der Platine auf 4cm zu begrenzen. Die Kapazitäten in unserer Schaltung sind mit maximal 10muF gering, entsprechend war auch hier die stehende Verarbeitung dieser auf der Platine kein Problem.

Für die Steckplätze des VCAs und der 2 TL074 (jeweils 4 Operationsverstärker in einem 14-Pin-DIL-Gehäuse) haben wir Sockel vorgesehen, damit ein späterer Austausch dieser Bauteile kein erneutes Löten erfordert. Insbesondere da diese Halbleiterbauteile sehr hitzeempfindlich sind, umgingen wir damit die Gefahr einer Zerstörung dieser beim Löten.

Zusätzlich war bei diesen Bauteilen außerdem noch darauf zu achten, dass die Kontaktierung auf dem „bottom layer“ erfolgt, da ein Anlöten auf dem „top layer“ erfahrungsgemäß schwer sein könnte.