Der Lautmacher - ein NF-Clipper

Modernere Funkgeräte, wie etwa der IC-7200 von Icom, scheinen keinen wirklich starken Kompressor mehr zu besitzen. Dies konnte ich nach dem letzten Contest bei einem guten Freund feststellen: der 1.2kW-Endstufe konnten mit maximal aufgedrehten Kompressor im Schnitt nur 500 Watt abgewrungen werden. Auf Dauerstrich-Betriebsarten (z.B. RTTY) umgestellt konnte die Endstufe wesentlich mehr Leistung auf die Antenne bringen.

Es muss also die durchschnittliche Leistung erhöht werden, und zwar mit einem externen Clipper. Da mir gerade durch eine Tauschaktion (Festplatte gegen Mike) ein ordentliches Mikrofon in die Hände gefallen ist, welches keinen Vorverstärker besitzt, war das Bastelprojekt also klar: Vorverstärker und Clipper.

Shure-444

Clipper-Platine

Beim Mikrofon handelt es sich um ein Shure 444: dieses besitzt eine dynamische Kapsel, welche vom Frequenzgang her auf Funkkommunikation optimiert wurde. Laut Datenblatt besitzt es eine Bandpassfunktion mit einem 3dB-Low-CutOff etwa 300Hz und einen Hi-Cutoff von etwa 5000Hz. Frequenzen bei 3kHz werden stark angehoben. Die Filterung klappt so gut, dass kein Nahsprecheffekt auftritt und eine weiterer Bandpassfilter gespart werden kann.

Der Mikrofonverstärker

Die gefordete Last-Impedanz des Mikrofons ist für eine dynamische Kapsel allerdings eine Ansage: 100kOhm und der mittlere Spannungspegel beträgt etwa 2mV (spre. Mit diesen Anforderungen hab ich zunächst versucht, nur mit Opamps einen Mikrofonverstärker aufzubauen, allerdings waren die Ergebnisse nicht wirklich befriedigend. Irgendwann kam mir dann die Idee, die Eingangsstufe mit einen JFET (BF245A) zu realisieren. Das hat den Vorteil, dass die Eingangsstufe extrem hochohmig aufgebaut werden kann. Dahinter sitzt ein Dual-OpAmp, welcher zunächst als Impedanzwandler und dann in einer weiteren Stufe als invertierender Verstärker arbeitet.

R3 ist ein 100kOhm-Potentiometer und ein 10k-Widerstand in Reihe. Mit dem Poti wird der Arbeitspunkt und damit auch die Verstärkung der Eingangsstufe festgelegt. Fast die komplette Spannungsverstärkung wird vom JFET übernommen. Allerdings ist der Ausgang der JFET-Stufe ebenfalls sehr hochohmig, weshalb nun ein OpAmp vom Typ TL082 als Impedanzwandler hinterher geschaltet wurde. Es reicht sogar eine unipolare Spannungsversorgung, da durch den Gleichspannungsanteil vom JFET-Verstärker dafür gesorgt wird, dass das Signal hier nicht abgeschnitten wird. Hinter dem Impedanzwandler folgt dann noch ein invertierender Verstärker, welcher den Signalpegel nochmals verfünffacht. Es kann auch ein anderer OpAmp als der TL082 für die Schaltung verwendet werden, allerdings muss es wegen den Eingangswiderstand ein Typ mit JFET-Eingang sein (Eingangswiderstand beim TL082: 1000GOhm). Möchte man den Mikrofonverstärker ohne Clipper betreiben, so muss am Ausgang von U2 (OUT) noch ein Koppelkondensator geschaltet werden, da ansonsten noch ein Gleichspannungsanteil vorhanden ist. Der Ausgangspegel beträgt bis zu 5Vss und ist sehr rausch- und verzerrungsarm sofern man R3 (am besten mit einem Oszilloskop) so eingestellt hat, dass es beim Sprechen in das Mikrofon gerade noch nicht klippt. Es ist auch möglich, den Verstärker ohne Modifikation an Elektret-Mikrofonen zu Betreiben, für Kondensator-Mikrofone muss allerdings vor dem ersten Koppelkondensator noch für die nötige Vorspannung gesorgt werden.

Der NF-Clipper

Die prinzipielle Idee des Clippers mit OpAmp als Logarithmierer habe ich vor längerer Zeit mal in einer CQ-DL aus den 70er Jahren gelesen, allerdings besitze ich eine relativ große Sammlung an CQ-DLs so dass ich nicht mehr weiß, in welcher das war. Also wurde zunächst mit LTSpice eine Logarithmierschaltung mit einem OpAmp aufgebaut und dahinter ein Sallen-Key-Tiefpass, welcher Frequenzen über 3kHz wirkungsvoll begrenzt. Für die Berechnung von Sallen-Key-Filtern kann ich das Excerpt "Active Filter Design Techniques" von Texas Instrument empfehlen, von dort stammt auch die Dimensionierung für den Tiefpass.

Wenn die Schaltung gemeinsam mit dem von mir vorgeschlagenen Vorverstärker eingesetzt wird, kann auf den Spannungsteiler (R10,R11,C4) verzichtet werden und stattdessen der Spannungsteiler vom invertierenden Verstärkers (nichtinvertierender Eingang) am TL082 mitbenutzt werden. Da der Logarithmierer in beide Richtungen arbeiten soll, also bei positiver und auch bei negativer Spannung, werden zwei Dioden benötigt. R1 bestimmt den logarithmierten Pegel, je größer der Wert, desto weicher wird der Einsatz. Der Wert sollte zwischen 4.7k und 220k liegen, es kann aber auch ein Poti mit entsprechenden Vorwiderstand eingesetzt werden, damit lässt sich dann Experimentieren.

Als OpAmps kommen bei mir zwei NE5534A zum Einsatz, diese sind einigermaßen rauscharm. Theoretisch könnte auch nochmals ein TL082 zum Einsatz kommen, allerdings wäre mir das mit dem DualOpAmp für den Logarithmierer und den Filter auf der Lochraster-Platine zu dicht gepackt. Wer sich die Schaltung auf einer Leiterplatte ätzt, der könnte hier auch einen TL084 (QuadOpAmp, 2xTL082) einsetzen, dann wird nur noch ein IC benötigt. Um den Ausgangspegel korrekt einzustellen, ist es noch notwendig, hinter dem letzten Koppelkondensator ein 50k-Potentiometer gegen Masse zu schalten, da nicht jedes Gerät den Pegel von 1Vss mag.

Resultat

Die komplette Schaltung wurde so aufgebaut, dass es noch möglich ist, zwischen Mikrofonverstärker alleine und Verstärker mit Clipper zu wählen. Wer genau hinsieht, entdeckt auf der rechten Seite dafür einen kleinen Schalter. Das dient in erster Linie dazu, damit ich den Verstärker ohne Clipper direkt am Oszilloskop nachmessen kann, schliesslich soll dieser nicht klippen.

Testhalber wurde die historische Phrase „Das Pferd frisst keinen Gurkensalat“ einmal mit Clipper und einmal ohne Clipper aufgenommen, hier ist das Ergebnis: