Surround White Papers

Surround Joystick

Autor: Gerd Jüngling - Copyright: Alle Rechte vorbehalten
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Die Realisierung durch VCA's
Als einzige wirkliche Alternative bietet sich die Realisierung der Joystick Regelung mittels VCAs (Voltage Controlled Amplifier) an. VCAs beruhen auf dem Prinzip des Vierquadrantenmultiplizierers, bei dem eine analoge Stellgröße (Spannung oder Strom) die Verstärkung bzw. Dämpfung eines Signalweges verändern kann. Eine solche Anordnung besitzt zwei Eingänge und einen Ausgang. Der ursprüngliche Vierquadrantenmultiplizierer hat eine Ausgangsgröße (Spannung oder Strom), die dem Produkt der beiden Eingangsspannungen bzw. -ströme entspricht. VCAs für analoge Audiosignale verwenden eine Transistor-Dioden Brücke. Die Eigenschaften dieser VCAs hängen hierbei zu einem wesentlichen Teil von der Gleichheit der verwendeten Transistoren ab. Diskret aufgebaute VCAs sind zwar nicht nur theoretisch sondern auch praktisch möglich, erfordern aber einen enormen Aufwand für das Sortieren ausreichend gleicher Transistoren mit den geforderten Eigenschaften und eine hervorragende thermische Kopplung aller Bauelemente. Diese Eigenschaften lassen sich mit einem integrierten Schaltkreis erheblich einfacher realisieren, da die Problematik der thermischen Kopplung sich von allein ergibt, wenn die einzelnen Transistoren auf einem Chip realisiert sind. Die Gleichheit lässt sich durch Lasertrimmung der Wafer während des Herstellungsprozesses der Chips vonvornherein so optimieren, dass man mit diskreten Transistoren kaum zu einem gleichen Qualitätsniveau kommen kann.

Real existierende VCAs gibt es von THAT in verschiedenen Ausführungen. Diese VCAs sind der Standard in allen VCA-Applikationen für professionelle Audiosysteme. Mit VCAs lassen sich Dynamikbereiche von deutlich mehr als 120 dB realisieren. Der Control Port hat eine logarithmische Kennlinie hoher Genauigkeit und ein beherrschbares Temperaturverhalten. Die logarithmische Kennlinie ermöglicht es, mit einer linearen Steuerspannungsveränderung die Verstärkung um einen dB Betrag zu verändern. Der Regelbereich umfasst Verstärkungen von bis zu ca. 40 dB und Dämpfungen von 110 bis 120 dB. Alle Eigenschaften hängen natürlich vom Aufbau der Schaltung und der Einbindung ab. Während der Control Port eines VCAs ein Spannungseingang ist, sind die analogen Audio Ein- und Ausgänge Stromknoten. Die Umsetzung des Ausgangsstromes muss mit einem zusätzlichen Operationsverstärker hoher Qualität erfolgen. Von den Eigenschaften dieses Operationsverstärkers hängt auch das Qualitätsniveau der gesamten Schaltung ab.

Die Nachteile von VCAs liegen darin, dass durch nicht perfekte Gleichheit der integrierten Transistoren der Regelbrücke Klirrfaktor - in erster Linie der Klirrkoeffizient k2 - auftritt. Diese harmonische Verzerrung ist pegelabhängig und steigt mit größeren Pegeln an. Durch einen Abgleich lässt sich der Klirrfaktor kompensieren, sodass man von Werten in der Größenordnung von 0.01 bis 0.03 % ausgehen kann, die erst kurz vor der Clippinggrenze auf Werte von ca. 0.1 % ansteigen. Physikalisch bedingt steigt der Klirrfaktor zu höheren Frequenzen hin an. Nennenswert ist dieser Effekt allerdings erst oberhalb des Audiobereiches, sodass von hier keine Beeinträchtigung des Qualitätsniveaus von analogem Audio zu befürchten ist. Hinsichtlich Frequenzgang und Phasengang stellen VCAs keinerlei Problem dar. Mit Schließdämpfungen von deutlich über 110 dB unter Nennpegel; also mehr als 135 dB unter der Clippinggrenze, lassen sich auch Abschaltungen ohne zusätzliche Relais oder sonstige Schaltelemente realisieren. Ein Durchschlagen der Regelspannung auf den analogen Audio Pfad ist zwar vorhanden, liegt aber in Größenordnungen, die bei den im praktischen Betrieb auftretenden Regelungen nicht in Erscheinung treten. Zusätzlich lassen sich die Regelspannungen einfach integrieren, sodass keine sprunghaften Veränderungen auftreten. Damit bleibt als regelbedingte Störung lediglich eine geringfügige Rauschmodulation übrig, die dadurch zustande kommt, dass der VCA natürlich bei einer Änderung der Verstärkung bzw. Dämpfung auch sein Rauschen verändert.

Hinsichtlich der klanglichen Eigenschaften sind selbst audiophil hypersensibilisierte Hörer bei einem korrekt durchgeführten Doppelblindversuch nicht in der Lage zu bestimmen, wann das Signal den VCA durchläuft und wann nicht. Wir haben derartige Versuche mit einer großen Anzahl von Leuten immer wieder durchgeführt; das Resultat war immer gleich. Erst bei einer Vielzahl von hintereinander geschalteten VCAs werden die Nebeneffekte hörbar.

Von daher treten die Probleme, die oben bei Verwendung von MDACs aufgeführt wurden mit VCAs erst gar nicht auf. Das einzige Problem in Verbindung mit  Joysticks besteht in der Herstellung einer geeigneten Steuerspannungskennlinie aus den Ausgangsspannungsspannungen der Joystickebenen. Während der eigentliche Regelteil mit einer rein analogen Rechenschaltung noch relativ einfach zu realisieren ist, ist der Ausblendbereich kurz vor den Endstellungen hier schwieriger sauber umzusetzen. Auch dieses Problem lässt sich aber durch Vorauswahl von Bauteilen und zusätzliche Abgleichpunkte lösen. Es bleibt das Problem des gesamten Schaltungsaufwandes und der insgesamt entstehenden Kosten.

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