Elektrogitarren als Signalquelle

Die passiven Tonabnehmer der Gitarren brauchen einen Eingang am Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz. Das bedeutet, die Gitarre muss an einen sehr hohen Eingangswiderstand vom Verstärker arbeiten. Wenn dieser Widerstand nämlich niedrig wäre, würde dies dazu führen, dass mehr Strom an Spulen fließt, was dazu führen würde, dass

• der Spannungspegel sinkt und
• das Signal  verzerrt wird.

Die aktiven Tonabnehmer hingegen (dieser Begriff wird benutzt für die Gitarren die auch eine aktive Vorverstärkungs- und EQ-Elektronik für die Tonabnehmer haben) könnten auch an niedrigen Eingangsimpedanzen arbeiten. (wie z.B. ein aktives Gerät wie MP3-Player, Handy etc. auch) Das bedeutet, sie können mehr Strom an den Verbraucher (also in dem Fall der Verstärkereingang) speisen. Denn der niedrige Ströme können auch Geräusche verursachen (was zwar bei einem einzigen Metallschichtwiderstand am Eingang vernachlässigbar ist). Die aktiven Tonabnehmer haben zudem den Vorteil, dass das Signal auf dem Kabel etwas weniger gestört wird. Aber auch dieser Vorteil ist nicht wirklich von Bedeutung, da es immer noch ein asymmetrisches Signal ist und asymmetrische Übertraung allgemeine keine gute Idee ist, auf langen Kabeln analoge Signale zu übertragen. Denn viel mehr Geräuschunterdrückung könnte man mit der sofortigen Symmetrierung des Signals (am Besten schon in der aktiven Elektronik der Gitarre) erreichen. Solche Gitarren sind aber aus historischen Gründen immer noch nicht verbreitet. Hingegen ist der Einsatz von einer separaten DI-Box üblich.

DI Boxen (Direct-Injection Boxen)

Die Problematik, dass die Gitarrensignale an langen Kabeln von der Gitarre bis zum Verstärker rapide an der Qualität verlieren, ist nicht neu. Zwar ist der Qualitätsverlust an kurzen Kabeln hinnehmbar; aber an großen Konzerten, wo auch viel Störquellen sind, und lange Kabeln braucht, ist eine Lösung notwendig. Diese lautet heutzutage immer noch die DI-Box. Diese ist nichts anderes als ein Symmetrierer. Dabei wird die Gitarre mit einem so kurzen Kabel wie möglich an eine DI-Box angeschlossen, Diese symmetriert das Gitarrensignal, am Besten auch aktiv, dass die Ausgangsimpedanz gleich mit erhöht wird. Dann wird das Signal viel immuner gegen Störungen und kann als symmetrisches Signal über viel längere Kabel übertragen werden. An dem Zielgerät (üblicherweise ein Mischpult) mit symmetrischem Eingang wird das Signal dann weiterverarbeitet/verstärkt.

Heute gibt es drei verbreitete Ansätze für die Umsetzung einer Vorverstärkerschaltung.

1. Integrierte Schaltungen(IC) von Operationsverstärkern (Opamp)
2. Diskrete Schaltungen mit Transistoren
3. Diskrete Schaltungen mit Röhren

Und jetzt vergessen Sie, was Sie bisher für Mythen gehört haben: Die beste Möglichkeit für die Umsetzung eines Vorverstärkers ist eine Schaltung mit Operationsverstärker-ICs. Diese haben ein Signal-Noise-Ratio (SNR) von jenseits von 100dB, sind billig, leicht umzusetzen, haben bauartbedingt viel weniger Geräusch und Fehlerquellen, gut abgeschirmt, benötigen kaum externe Komponenten etc. Es gibt Opamps , die extra für die Audiosignale optimiert sind, die man direkt einsetzen kann, z.B. u.A. von Burr-Brown-Serie von Texas Instruments.

Man kann natürlich eine Verstärkungsvorstufe mit Transistoren diskret bauen. Jedoch braucht man dafür um die hundert Bauteile und v. a. sehr viel Know-How. Ein guter Opamp besitzt u. a. auch viele Schutzmechanismen für Operationsfehler etc.

Bei den Gitarrenverstärkern sind die diskreten Röhrenvorstufen immer noch sehr beliebt und teuer bezahlt. Einige von den Anwendern würden Einspruch erheben und sagen, dass die Röhrenverstärker viel „besser klingen“. Das mag ja durchaus sein. Das liegt daran, dass die Röhren das Signal auch angenehm verzerren. Jedoch geht es um eine reine „Vorverstärkung“ ohne Änderung von Signaleigenschaften. In dieser Stufe ist noch keine Signalveränderung vorgenommen werden und nichts anders klingen. Es muss lediglich der Spannungspegel  und Impedanz für die nächsten Stufen angepasst werden.  Für diese Aufgabe ist eine gut gedesignte Opamp-basierte Schaltung deutlich überlegen.

Vorverstärkerschaltung mit Operationsverstärkern

Im folgenden wird die Vorverstärkerschaltung von Flex 500 erläutert. Er besteht aus

• einer opamp-basierten Verstärkungsstufe mit einstellbarem Pegel (Gain-Einstellung)
• Aktiv/Passiv Schalter
• einem 2-stufigen, steilen (12dB/Dekade) aktiven Hochpassfilter
• einem optional zuschaltbaren Tiefpassfilter für hohe Frequenzen ab 8kHz

Hier sieht man, dass die Gitarre an einen sehr hohen Widerstand mit arbeitet. Danach wird die Impedanz vom Signal mit dem Opamp U_Inp1A angepasst und 11-fach verstärkt (Passive Gitarre). Mit dem Aktiv/Passiv-Schalter SW1 wird in die Rückkopplungsschleife zusätzlich der Widerstand R_I3 zugeschaltet, der den effektiven Widerstand der Rückkopplung von auf senkt. Die Verstärkung sinkt dadurch also auf das 6-fache (aktive Gitarre).

Der Kondensator C_INP_MIL1 sorgt für die Millerkompensation und dass die hochfrequenten Schwingungen/Oszillationen gedämpft werden. Dadurch wird der Opamp stabil.

Die Versorgung des Vorverstärkers erfolgt mit +-15V symmetrischer Spannung. Das heißt, man braucht das Wechselsignal nicht in einen positiven Bereich verschieben (Aliasing). Das erhöht die Qualität des Signals. Zur Stabilisierung der Versorgungspannung an den Eingängen vom Opamp werden zwei Kondensatoren als Vorspeicher und Glätter (C_Inp1 und C_Inp2) gelegt. 100nF Kondensatoren sind für diesen Zweck vollkommen ausreichend.

Am Ende der Schaltung wird die Spannung mit einem einstellbarem Spannungsteiler, der an einen Potentiometer gelegt ist, mit beliebigem Pegel an den Hochpassfilter weitergegeben. Dieses ist ein Butterworth-Filter, das die Frequenzen unter 10Hz , also praktisch den Gleichstrom, herausfiltert.

Für die Dimensionierung der Filterkomponenten können zahlreiche Fachquellen oder Simulationssoftware wie Webench Filter Designer von TI verwendet werden.

Dann geht es weiter zum nächsten Butterworth-Tiefpassstufe, die ab um 13kHz herausfiltert. Diese Stufe ist zuschaltbar.

 

KiCAD-Schaltung und PCB-Design herunterladen