Summierverstärker

Der Summierverstärker addiert mehrere Spannungen, jede mit ihrem eigenen Gewicht, und liefert die Summe an einem einzigen Ausgang. Er ist ein invertierender Verstärker mit mehreren Eingangswiderständen. Weil sich alle Eingänge an einem Punkt treffen, der fest auf einer konstanten Spannung liegt, stören sie sich nicht gegenseitig.

Das berühmteste Beispiel ist das Mischpult: Mehrere Mikrofone und Instrumente landen auf einem Kanal. Dieselbe Schaltung verschiebt Messsignale um einen Offset, bildet einfache Digital-Analog-Wandler und setzt in Synthesizern Steuerspannungen zusammen. Hier baust du einen Mischer für drei Line-Signale an einer einzigen 12-V-Versorgung.

Schaltplan

• IC1A, ½ TL072: Doppel-OPV mit JFET-Eingängen, 3 MHz GBW und 13 V/µs Slew-Rate. Rauscharm genug für Audio, läuft an 12 V.
• R1 bis R3, 22 kΩ: die Eingangswiderstände. Jeder wandelt die Spannung seines Kanals in einen Strom um.
• R4, 22 kΩ: der Rückkopplungswiderstand. Durch ihn fließt die Summe aller Eingangsströme.
• C1 bis C3, 1 µF: Koppelkondensatoren. Sie lassen das Wechselsignal durch und halten Gleichspannung der Quellen fern.
• C4, 100 pF: begrenzt die Bandbreite und unterdrückt Schwingneigung.
• R5, R6, C6: erzeugen 6 V, die halbe Versorgung, als Ruhelage für den Ausgang.
• C5, 10 µF: trennt die 6 V Gleichspannung vom Ausgang. Der Pluspol zeigt zum OPV.

So funktioniert die Schaltung

Der OPV hält seinen Minus-Eingang auf der Spannung des Plus-Eingangs, hier 6 V. Für Wechselsignale ist dieser Punkt eine virtuelle Masse: Er bewegt sich nicht. Jede Eingangsspannung treibt deshalb einen Strom u_n / R_n in den Knoten, unabhängig davon, was an den anderen Eingängen passiert. Nach der Knotenregel müssen alle Ströme gemeinsam durch R4 abfließen:

Sind alle Widerstände gleich, bleibt die reine Summe mit umgekehrtem Vorzeichen: u_a = −(u₁ + u₂ + u₃). Jeder Kanal hat sein eigenes Gewicht R₄ / R_n. Einen lauteren Kanal schwächst du ab, indem du seinen Eingangswiderstand vergrößerst.

Dass sich die Kanäle nicht beeinflussen, liegt an der virtuellen Masse. Ohne OPV, mit drei Widerständen auf einen gemeinsamen Punkt, würde jede Quelle die anderen belasten: Bei drei Kanälen käme von jedem nur ein Drittel an, und zöge man einen Stecker ab, würden die übrigen Kanäle lauter. Hier bleibt der Knoten fest, und jede Quelle sieht nur ihre 22 kΩ.

Für Gleichspannung sind C1 bis C3 offen. Dann arbeitet der OPV als Spannungsfolger und sein Ausgang bleibt genau auf 6 V.

Dimensionierung

1. Gewicht der Kanäle. Alle drei Quellen liefern Line-Pegel, 0,775 V effektiv oder 1,1 V Spitze. Sie sollen gleich laut erscheinen, also Verstärkung 1: R₁ = R₂ = R₃ = R₄. Den Wert legt der Eingangswiderstand fest. 22 kΩ belasten eine Line-Quelle kaum und liegen im günstigen Bereich zwischen 10 und 100 kΩ.

2. Ruhelage. R5 und R6 teilen 12 V auf 6 V. Gleiche Werte von 47 kΩ ziehen 0,13 mA. C6 glättet Brumm und Rauschen aus der Versorgung: Der Teiler hat einen Innenwiderstand von 23,5 kΩ, mit 10 µF ergibt das eine Grenzfrequenz von 1 / (2π · 23,5 kΩ · 10 µF) ≈ 0,7 Hz.

3. Koppelkondensatoren. C1 bildet mit R1 einen Hochpass. Mit 1 µF:

Am Ausgang treibt C5 eine Last von 10 kΩ, das ergibt 1,6 Hz. Beides liegt weit unter dem Hörbereich ab 20 Hz.

4. Obere Grenzfrequenz. C4 parallel zu R4:

5. Bandbreite des OPVs. Für die Bandbreite zählt die Rauschverstärkung. Sie ergibt sich aus R4 und der Parallelschaltung aller Eingangswiderstände:

Der TL072 schafft damit 3 MHz / 4 = 750 kHz, weit über den 72 kHz von C4. Jeder zusätzliche Kanal erhöht die Rauschverstärkung, auch wenn an ihm gerade nichts anliegt.

6. Aussteuerung. Der TL072 kommt typisch bis etwa 1,5 V an die Versorgungsschienen heran, garantiert sind an 12 V nur rund 3 V Abstand. Um 6 V herum bleiben also sicher ±3 V, typisch ±4,5 V.

Bauteilliste

Varianten

Lautstärke je Kanal. Ein Potentiometer von 10 kΩ (logarithmisch) vor jedem Koppelkondensator regelt den Kanal. Sein Innenwiderstand addiert sich zum Eingangswiderstand: In Mittelstellung sind es bis zu 2,5 kΩ, die Verstärkung sinkt dann um rund 10 %.

Zweiter Inverter. Stört die Phasenumkehr, etwa wenn das gemischte Signal mit einem Original zusammentrifft, hängt ein zweiter invertierender Verstärker mit Verstärkung −1 dahinter. Der zweite Kanal des TL072 bietet sich an.

Offset addieren. Statt eines Audiosignals speist ein Eingang eine feste Gleichspannung ein. So verschiebst du ein Messsignal in den Bereich eines ADCs. Die dafür nötige Rechnung mit Referenz am Plus-Eingang steht beim invertierenden Verstärker.

Gewichtete Bits. Mit Eingangswiderständen von R, 2R, 4R und 8R an vier digitalen Ausgängen entsteht ein einfacher 4-Bit-DAC. Mehr Bits verlangen sehr genaue Widerstände; dann ist das R-2R-Netzwerk die bessere Wahl (siehe AD- und DA-Wandler). Für einen einzelnen Kanal genügt oft auch ein gefilterter PWM-DAC.

Ohne Vorzeichen. Soll die Summe nicht invertiert werden, gibt es einen nichtinvertierenden Addierer mit Widerständen am Plus-Eingang. Dort beeinflussen sich die Eingänge aber gegenseitig. Für Differenzen gibt es den Subtrahierer.

Typische Fehler

• Ausgang klebt an einer Schiene: Die Ruhelage fehlt oder C6 ist verpolt. Miss die Spannung am Plus-Eingang; sie muss 6 V betragen.
• Brummen auf allen Kanälen: Offene Eingänge wirken als Antenne. Schließe unbenutzte Kanäle mit einem Widerstand nach Masse ab oder schalte sie mit einem Schaltklinkenstecker kurz. Auch ein fehlender Kondensator an der Ruhelage lässt den Brumm der Versorgung durch.
• Verzerrungen bei lauten Passagen: Die Summe der Amplituden übersteigt den Aussteuerbereich. Mit dem Oszilloskop siehst du abgeschnittene Spitzen. R4 verkleinern.
• Kanäle sprechen über: Der Minus-Eingang ist nicht mehr virtuelle Masse, weil der OPV am Anschlag hängt oder zu langsam ist. Bei richtiger Aussteuerung tritt das nicht auf.
• Leises Pfeifen oder Schwingen: Lange Leitungen zum Summenknoten bringen Kapazität an den Minus-Eingang. C4 einbauen und den Knoten auf der Platine kurz halten. Mehr dazu in Operationsverstärker in der Praxis.

Selbsttest