Opamp-Design für niederohmige Quellen?

Gitarren-Tonabnehmer mit niedriger Impedanz

Ich bin schrecklich verwirrt ... Ich habe mich vor einiger Zeit selbst daran versucht, einen niederohmigen Gitarren-Tonabnehmer zu bauen.

Schnelles LowZ-Pickup-Intro

Im Grunde nur zwei Schlaufen aus Aluminium mit zwei Magneten, ein Humbucker-Gitarren-Tonabnehmer mit einer einzigen Schlaufe pro Magnet.

Die drei Zungen sind die Klemmen, aber die äußeren sind so verbunden, dass es nur einen Ausgang plus Masse gibt. Die Magnetpole befinden sich oben und unten, einer davon ist um 180 Grad gedreht. Dadurch entsteht der gewünschte Humbucker-Effekt.

Der Plan

Ich habe den ganzen Kram an mein Audio-Interface angeschlossen (verbunden mit den Gnd- und Hot-Pins eines XLR mit kurzgeschlossenem Cold an Masse) und siehe da, es kommt tatsächlich Audio von diesem Ding.

Das Problem ist, dass der Ausgang super leise ist und ich die Verstärkung auf +30 dB hochdrehen muss, bevor ich etwas hören kann. Mein Plan war es, einen einfachen Operationsverstärker-Vorverstärker zu entwerfen , um das Signal so nah wie möglich an der Quelle zu verstärken.

Nun bin ich definitiv kein Elektrotechniker, aber das ist nicht mein erstes Rodeo. Also suchte ich nach der grundlegenden invertierenden Operationsverstärkerschaltung und schloss sie an ein Steckbrett an. Genauer gesagt habe ich die Schaltpläne von hier verwendet , aber modifiziert, um mir eine etwa 35-fache Verstärkung (etwa +30 dB) zu geben. Habe den Ausgang wie zuvor angeschlossen, Signal an heiß, gnd an gnd und kalt. Dies ist ein TL072 zum Testen, ich wollte das für einen extrem rauscharmen Operationsverstärker ausschalten, sobald dies funktioniert.

Operationsverstärker auf Steckbrett

(Wenn ich mich richtig erinnere, ist dies Abbildung 4 aus dem Nuts'n'Volts-Artikel, nur um Ihnen einen Eindruck von meinen Steckbrettbedingungen zu geben, ich habe gerade bemerkt, dass es nicht einmal die Ausgangsverbindung zeigt.)

Das Problem

Summen! Statt süßer Gitarrenklänge bekomme ich Brummen. Da ist definitiv kein Signal drin.

Was ich versucht habe

Zu Testzwecken habe ich ein Poti angeschlossen, um die Verstärkung zu steuern, und festgestellt, dass das Brummen bei Einheitsverstärkung verschwindet. Das Signal ist dann wieder hörbar.

Habe ein zweistufiges Design mit einer Einheitsverstärkung und einer 35-fachen Verstärkungsstufe erstellt. Immer noch brummend, kein Signal.

Ich habe die Einheitsverstärkungsbandbreite überprüft, aber bei 3 MHz für den TL072 sollte die 35-fache Verstärkung kein Problem sein.

Versuchte stattdessen einen 1:35-Transformator ... Aber Transformatoren sind magisch für mich und ich habe es nicht geschafft, etwas daraus zu machen.

Die Frage

Ich vermute, dass es die super niedrige Impedanz des Tonabnehmers selbst ist. Im Grunde ist es ein Kurzschluss gegen Masse. Aber hier versagen mir meine Elektrokenntnisse.

TL;DR: Was fehlt mir beim Entwerfen meines LowZ-Gitarren-Pickup-Vorverstärkers?

Lange Leitungen auf dem Steckbrett nehmen Rauschen auf
Vielleicht ist mein Kopf heute Morgen seitwärts gerichtet, aber auf dem Foto oben sieht die Pinbelegung für den TL072 auf dem Steckbrett falsch aus. Vielleicht haben Sie sich dort verlegt, wo Sie denken, dass Pin 1 ist ... auch Stromanschlüsse?
@ChrisKnudsen Pin 1 sollte oben links im Bild sein, die Pins sind 1OUT, 1IN-, 1IN+, Vcc-; 2IN+, 2IN-, 2OUT, Vcc+ laut Datenblatt. Stromanschlüsse -> fair genug ... Ich sollte das Bild wahrscheinlich abnehmen ... Ich habe es anscheinend einige Zeit während des Aufbaus oder nach dem Abbau gemacht.
@jsotola Einverstanden, aber es ist eher das Summen "Lege deinen Finger auf die Signalleitung". Tief und summend. Erdbrummen.
@fho - In der Tat (mein Kopf ist seitlich). Ich dachte an die 071 Pinbelegung. Ich finde besser mehr Kaffee.
Interessantes Design. Mein Vorschlag wäre, nach Vorverstärkerschaltungen zu suchen, die speziell für Bändchenmikrofone entwickelt wurden, die eine ähnlich extrem niedrige Quellimpedanz haben. Sie möchten sich den Tonabnehmer im Grunde als Stromquelle und nicht als Spannungsquelle vorstellen, daher könnte "Transimpedanzverstärker" ein nützlicher Suchbegriff sein.
Nur für den Fall, dass sich der (empfundene) schlechte Empfang dieser Frage ändert: Der Tonabnehmer direkt in ein Mischpult erzeugt ein fast brauchbares Signal. Aber mein Mischpult ist ziemlich alt und ich hatte gehofft, dass ich mit einem dedizierten Vorverstärker mit einem aktuelleren Operationsverstärker ein besseres Ergebnis erzielen könnte. Aber bisher konnte ich mit meinen TL072s keine brauchbaren Ergebnisse erzielen ... Um fair zu sein, war mir das Versorgungsminimum von +-11 V überhaupt nicht bewusst. Ich glaube, ich habe online andere Designs gesehen, die den TL07xs einer 9-V-Batterie verwendet haben. zuckt mit den Schultern
@fho - Was +/- 11 V Minimum? Seite 10 des TI-Datenblatts besagt, dass eine Differenz von 10 Volt (+/- 5) funktioniert, also reichen 9 Volt. Das Problem ist, dass Sie eine virtuelle Masse aufbauen müssen, wenn Sie eine einzelne Batterie verwenden. Und bitte, aus Liebe zum Mitleid, werde das Bild los und ersetze es durch ein Bild von dem, was du tatsächlich verwendest.
@DaveTweed Ribbon-Mikrofon oder ein Gram-Amp mit beweglicher Spule (sie sind sich ziemlich ähnlich). Wenn Sie das Opamp-Ding machen, möchten Sie ein bipolares Gerät, das für eine niedrige Quellenimpedanz ausgelegt ist (das Spannungsrauschen eines 07x wird Sie dafür umbringen), aber wirklich ein ganzer Haufen paralleler Transistoren mit niedrigem Rb ist der richtige Weg.

Antworten (2)

Abgesehen davon, dass der TL074 eine Mindeststromversorgung von 10 Volt benötigt, um einen korrekten Betrieb zu gewährleisten, stehen Sie mit dieser Idee vor einem großen Kampf. Ich würde keine Site verwenden, die empfiehlt, diesen Chip (oder den TL064) mit einer 9-Volt-Batterie zu betreiben.

Bedenken Sie, dass ein richtiger Humbucker vielleicht 1000 Umdrehungen pro Welpe hat und das bedeutet, dass Sie für eine bestimmte Saitenvibration das 1000-fache Signal im Vergleich zu einer einzelnen Umdrehung erhalten.

Dann "kämpfen" Sie, weil das grundlegende Ausgangssignal so niedrig ist, mit Brummen und Rauschen von anderen Quellen (wie der grundlegenden Verkabelung von Ihrem Meisterwerk zu den Potis und der Klinkenbuchse). Diesem Brummen/Rauschen kann das Brummbucking-Prinzip nicht entgegenwirken.

Darüber hinaus können Sie einen Operationsverstärker mit moderatem Rauschverhalten verwenden, um das Rauschen eines normalen Humbuckers in Schach zu halten, aber für Ihr Meisterwerk benötigen Sie ein Rauschverhalten, das möglicherweise 1000-mal besser ist. Ein typischer angemessener Audio-Operationsverstärker hat ein Rauschspektraldichteäquivalent von etwa 10 nV pro H z aber für Geld kann man keinen kaufen, der 1000 Mal besser ist.

Vergessen Sie diese verrückte Idee und wickeln Sie mehr Kurven und erhalten Sie mehr Signal.

Ich sollte hinzufügen, dass dies keineswegs "meine verrückte Idee" ist. Das Grunddesign wird von Firmen wie Lace (Alumitones: goo.gl/images/ZdpBhn ) vertrieben. Sie teilen die Zungen nicht in drei Teile und verwenden im Grunde eine Stromzange am gemeinsamen Teil. Es gibt auch mehrere alte Beiträge in DIY-Audioforen, in denen Leute diese Art von Tonabnehmern bauen.
Außerdem: Mein Plan war es, den Operationsverstärker auf einer kleinen Platine im Inneren des Tonabnehmers so nah wie möglich an der Quelle zu platzieren. Smd-Teile, wobei die Rückseite der Leiterplatte Kupferkontakte zu den Zungen sind.
Es ist Ihre verrückte Idee, es sei denn, Sie können nachweisen, dass es sich um ein vermarktetes Produkt/Design handelt. Der Teufel steckt im Detail; Ich habe alle Ihre Designdetails gelesen, und wenn jemand anderes dasselbe vorschlug und mir sagte, dass er Hunderte pro Jahr an nachweislich zufriedene Kunden verkaufen könnte, würde ich vermuten, dass sich jemand täuscht. Da ich weder detaillierte Designinformationen zu den derzeit auf dem Markt erhältlichen noch eine Vorstellung von der Kundenmeinung habe, kann ich nur wiederholen, dass Ihre Grundidee angesichts meiner Antwort fehlerhaft und verrückt ist.
Egal wie nah Sie Ihren Operationsverstärker platzieren, Sie können seine grundlegenden Fehler nicht außer Kraft setzen, da er zu viel Hintergrundgeräusch / Zischen erzeugt, um mehr als eine Kuriosität zu sein. Ich habe übrigens Welpen gebaut!
Andy hat Recht, Ihr Signal ist mit diesem Ansatz im Rauschen begraben. Sie könnten eine Transimpedanz-Verstärkerschaltung ausprobieren, um auf Erfolg zu hoffen. Beginnen Sie mit einem Gewinn zwischen 1000 und 10.000.
Und Lace, der ein ähnliches Produkt verkauft (mit einem Transformator zur "Verstärkung"), zählt für Sie nicht? Um Ihre Antwort nicht zu diskreditieren, ich bin hier definitiv nicht der Experte.
OK... Ich werde mein Glück mit einem Trance-Impedanz-Verstärker versuchen. 👍
@fho, du hast absolut recht, ungeachtet der unnötig theatralischen Antwort von "Andy aka". Ihr Tonabnehmer ist dem kürzlich populär gewordenen "Lace Alumitone"-Tonabnehmer sehr ähnlich, der im Grunde ein "One-Turn-Pickup" ist. Was ich in Ihrer Schaltung nicht sehe, die die Alumitone haben, ist ein Aufwärtstransformator um die Spannung zu erhöhen. Es wurde kürzlich ein Video über dieses Pickup-Design veröffentlicht, das für Sie interessant sein könnte - youtube.com/watch?v=5qMdDuUzgig . Beachten Sie, dass Dylan auf das Patent verweist, also sollten Sie sich das ansehen, um es zu bekommen die Trafospezifikation.
@MikeBattaglia, meine Antwort ist nicht theatralisch, und wenn die Idee hinter der Frage gut oder nützlich war, haben die Medien vielleicht vergessen, diese Tatsache zu melden?
Das Variieren der Windungen ändert das Spannungs-/Stromverhältnis, aber nicht die Leistung . Mehr Windungen ergeben eine höhere Spannung , aber einen geringeren Strom . Typische Audiogeräte sind Spannungssensoren, sodass mehr Spannung normalerweise "lauter" bedeutet. Aber es gibt Kompromisse. Mehr Windungen bedeuten eine höhere Eigenkapazität, was ihnen ihre charakteristische Mittenresonanz, aber weniger Höhen verleiht. Es ist vollkommen gültig, einen 1-Windungs-Spulen-Tonabnehmer zu bauen - Sie müssen ihn nur in ein Stromerfassungsgerät einspeisen ... das Sie wahrscheinlich selbst herstellen müssen.

Antwort des Ingenieurs

Die einfachste, schnellste und billigste Lösung für dieses Problem besteht darin, das zu kopieren, was Lace mit seiner Alumitone-Serie gemacht hat:

  1. kurz die "Zungen" zusammen
  2. einen Stromwandler magnetisch um die mittlere "Zunge" koppeln

Der Stromtransformator erhöht die Ausgangsspannung und die Ausgangsimpedanz, wodurch dieser Tonabnehmer besser mit vorhandener Audioausrüstung funktioniert.

Die Antwort des verrückten Wissenschaftlers

Es geht auch ohne Stromwandler, aber mit viel mehr Aufwand.

Sie wissen, dass magnetisierte Saiten einen Strom in Ihrer Spule induzieren. Sie haben jedoch Ihre Spule gebrochen , indem Sie Lücken zwischen den 3 "Zungen" aus Metall hinterlassen haben. Es funktionierte mit dem XLR-Eingang, da diese oft DC-gekoppelt und Low-Z (nach Audiostandards) sind, sodass die Impedanzfehlanpassung tolerierbar war.

Es gibt 2 Probleme mit der "gebrochenen Spule", die gelöst werden müssen:

  1. müssen die Schleife mit einer Schaltung (Low-Z-Eingang) schließen
  2. Sie sollten die mittlere Zunge erden und doppelte Schaltungen für beide äußeren Zungen verwenden, wenn Ihnen Humbucker/Gleichtakt-Rauschunterdrückung wichtig ist

Verstärkervorschläge:
Mit einem herkömmlichen Operationsverstärker können Sie möglicherweise mit so etwas wie einer Fotodioden-Verstärkerschaltung davonkommen. Möglicherweise können Sie sogar die typische invertierende Operationsverstärkerschaltung anpassen (Abb. 3 aus dem verlinkten Nutsvolts-Artikel), aber stellen Sie R auf 0,1 Ω und R- Feedback auf 5 Ω oder 10 Ω, um zu beginnen. Die anderen Werte in der Schaltung können unverändert bleiben. Dies sollte auf jeden Fall gleichstromgekoppelt sein, da sonst der Kondensator enorm sein wird - und es ist wahrscheinlich am besten, 2 9-V-Batterien in einer bipolaren Versorgung mit echter Erdung in der Mitte zu verwenden, aus Gründen der Headroom- und Operationsverstärkerstabilität.

Es kann sich jedoch lohnen, „strommessende“ Operationsverstärker wie den LM3900 oder LM13600 zu untersuchen , da ihre Beispielschaltkreise oft mit Low-Z-Quellen im Hinterkopf gebaut werden.

Zusammenfassung

Ich mag diese Low-Z-Pickup-Designs wirklich, aber Low-Z-Pickups haben nicht so viele vorhandene Designs, DIY-Anleitungen und allgemeine "Überlieferungen" wie High-Z-Pickups. Sie benötigen genügend Hintergrundwissen, um zu wissen, welche Werte geändert werden müssen und wie stark sie geändert werden sollten. Scheuen Sie sich also nicht, sich mit der Funktionsweise von Transformatoren zu befassen. Sie können den Kalkül überfliegen (oder überspringen!), aber bekommen ein Gefühl für Dinge wie: Impedanz, Induktivität, magnetische Kopplung, wo die Feldlinien fließen, und das Ohmsche Gesetz.