{"id":5438,"date":"2026-01-15T13:44:16","date_gmt":"2026-01-15T12:44:16","guid":{"rendered":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/?p=5438"},"modified":"2026-01-15T13:44:17","modified_gmt":"2026-01-15T12:44:17","slug":"pad-pro-exsb-audioverstaerker-mit-mems-mikrofon-teil-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/de.elv.com\/elvjournal\/pad-pro-exsb-audioverstaerker-mit-mems-mikrofon-teil-2\/","title":{"rendered":"PAD-PRO-EXSB-Schaltungen erkl\u00e4rt (Teil 2): Audioverst\u00e4rker mit MEMS-Mikrofon"},"content":{"rendered":"\n

PAD-PRO-EXSB Schaltungen erkl\u00e4rt – Teil 2<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Audioverst\u00e4rker mit MEMS-Mikrofon<\/h1>\n\n\n\n

Nachdem wir das PAD-PRO-Experimentierset vorgestellt haben, beginnt nun eine Serie mit Anwendungsschaltungen. Hierzu geh\u00f6ren auch detaillierte Beschreibungen der einzelnen Komponenten und deren Funktionsweise. In diesem Beitrag stellen wir einen Audioverst\u00e4rker mit einem modernen MEMS-Mikrofon vor. \u00dcber einen Ohrh\u00f6rer kann das verst\u00e4rkte Signal des Mikrofons \u201eabgeh\u00f6rt\u201c werden. Wir lernen, wie man ein MEMS-Mikrofon beschaltet und mit Operationsverst\u00e4rkern einen zweistufigen Verst\u00e4rker aufbaut.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Audioverst\u00e4rker-Beispielschaltung<\/h2>\n\n\n\n

F\u00fcr das PAD-PRO-Experimentierset k\u00f6nnen – wie bei allen Prototypenadaptern f\u00fcr Breadboards – unterschiedliche Experimentierplattformen als Basis verwendet werden. Dies sind z. B. das ELV Experimentier-\/Steckboard EXSB1<\/span> und das EXSB-Mini<\/span> sowie ein oder mehrere Steckboards mit 830 Kontakten<\/span>.<\/p>\n\n\n\n

Durch die Verwendung von Bauteilen im Prototypenadapter-(PAD)-Format werden die Schaltungen \u00fcbersichtlich und sind leicht nachzubauen. Alle Prototypenadapter sind in Breadboards steckbar und zudem mit den wichtigsten Informationen auf der Platine beschriftet.<\/p>\n\n\n\n

Wir beginnen mit der Erkl\u00e4rung der einzelnen Schaltungskomponenten, gefolgt vom Aufbau der Schaltung. In Bild 1 <\/mark>ist zur \u00dcbersicht das gesamte Schaltbild unseres Audioverst\u00e4rkers dargestellt.<\/p>\n\n\n\n

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Bild 1: Schaltbild des Audioverst\u00e4rkers mit MEMS-Mikrofon<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Komponenten der Schaltung<\/h2>\n\n\n\n

Das Mikrofon<\/h3>\n\n\n\n
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Das MEMS-Mikrofon (Bild 2)<\/mark> wurde bereits im vorhergehenden ELVjournal im Detail beschrieben. Beim Einsatz dieses Mikrofons ist zu beachten, dass die Betriebsspannungsgrenzen eingehalten werden. Die maximale Betriebsspannung betr\u00e4gt 3,6 V und darf nicht \u00fcberschritten werden. Da wir unsere Schaltung mit einer Spannung von 5 V betreiben wollen, ist ein Widerstand (R1) in die Zuleitung zur Spannungsversorgung eingef\u00fcgt, der die Spannung auf ca. 3,2 V herabsetzt.
Da wir in unserem Audioverst\u00e4rker invertierende Verst\u00e4rkerstufen nutzen, beschr\u00e4nken wir uns auf die Beschreibung dieser Variante.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Bild 2: Schaltbild und Platine des MEMS-Mikrofons<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Signalverst\u00e4rkung mit einem Operationsverst\u00e4rker<\/h3>\n\n\n\n
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Der Pegel des vom Mikrofon weitergeleiteten Audiosignals ist zu niedrig f\u00fcr eine direkte Ausgabe und muss deshalb verst\u00e4rkt werden. Wir nutzen hierf\u00fcr einen zweistufigen Operationsverst\u00e4rker. Zuerst wollen wir uns mit den Grundlagen eines Operationsverst\u00e4rkers befassen. Nat\u00fcrlich k\u00f6nnen wir nicht das gesamte Spektrum der verschiedenen Arten von Operationsverst\u00e4rkern beleuchten und beschr\u00e4nken uns daher auf die wesentlichen Elemente, die f\u00fcr das Verst\u00e4ndnis notwendig sind. Betrachten wir zun\u00e4chst das Schaltsymbol f\u00fcr einen Operationsverst\u00e4rker. Die Schaltsymbole in Bild 3<\/mark> sind nach unterschiedlichen Normen abgebildet \u2013 wir verwenden in unseren Schaltbildern die linke Darstellung.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Bild 3: Schaltsymbole f\u00fcr Operationsverst\u00e4rker<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Rechts in Bild 3 <\/mark>ist das Schaltsymbol nach der alten DIN-Norm 40900 (Teil 10) dargestellt, das auch international noch Verwendung findet. Nach der neueren Norm EN 60617 sollte das linke Symbol verwendet werden. Dieses Symbol wird vorwiegend in Deutschland und anderen Teilen Europas eingesetzt. Auch Lernmaterial f\u00fcr Schulen und Ausbildung verwenden diese neuen Symbole.<\/p>\n\n\n\n

M\u00f6chte man einen Operationsverst\u00e4rker als Signalverst\u00e4rker nutzen, kann man zwischen zwei unterschiedlichen Grundschaltungen w\u00e4hlen. Es gibt den invertierenden Verst\u00e4rker, der das Ausgangssignal um 180\u00b0 dreht, w\u00e4hrend der nicht invertierende Verst\u00e4rker keine Invertierung vornimmt.<\/p>\n\n\n\n

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In Bild 4<\/mark> ist die Grundschaltung eines invertierenden Operationsverst\u00e4rkers dargestellt, die wir uns etwas genauer anschauen wollen. Ein Operationsverst\u00e4rker (OP) hat zwei Eing\u00e4nge, einen invertierenden (-) und einen nicht invertierenden (+) Eingang. Die Differenzspannung zwischen diesen beiden Eing\u00e4ngen wird verst\u00e4rkt und liegt am Ausgang an. Allerdings ist die Leerlaufverst\u00e4rkung so hoch, dass schon kleinste Eingangsspannungen den Verst\u00e4rker \u00fcbersteuern w\u00fcrden. Deshalb wird fast immer (Ausnahme: Operationsverst\u00e4rker als Komparator) eine sogenannte Gegenkopplung verwendet, mit der sich der Verst\u00e4rkungsfaktor einstellen l\u00e4sst.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Bild 4: Grundschaltung eines invertierenden Verst\u00e4rkers<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

Wenn man folgende Annahmen ber\u00fccksichtigt, l\u00e4sst sich die Funktion eines Operationsverst\u00e4rkers einfach erkl\u00e4ren:<\/p>\n\n\n\n

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  • Die Eing\u00e4nge sind sehr hochohmig, und es kann somit kein Strom in den Operationsverst\u00e4rker flie\u00dfen.<\/li>\n\n\n\n
  • Die Leerlaufverst\u00e4rkung ist sehr hoch (Verh\u00e4ltnis Eingangs- zu Ausgangsspannung > 300000)<\/li>\n\n\n\n
  • Der OP ist (bei entsprechender R\u00fcckkopplung) bestrebt, die Spannungsdifferenz an den Eing\u00e4ngen auf 0 V zu halten.<\/li>\n<\/ul>\n\n\n\n

    Schauen wir uns Bild 4<\/mark> mit den Beispielwerten f\u00fcr R1 (1 k\u2126) und R2 (10 k\u2126) an. Nehmen wir an, dass die Eingangsspannung UIN 1 V betr\u00e4gt und die Spannung am nicht invertierenden Eingang (-) gegen\u00fcber Masse 0 V, da ja kein Strom in den OP-Eingang flie\u00dfen kann. Es muss also Strom durch den Widerstand R1 flie\u00dfen, und zwar nach dieser Formel:<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Jetzt kommt der entscheidende Punkt: Wenn kein Strom in den Operationsverst\u00e4rker flie\u00dfen kann, wohin flie\u00dft der Strom? Antwort: Der Strom flie\u00dft \u00fcber den R\u00fcckkoppelwiderstand R2 zum Ausgang des Operationsverst\u00e4rkers. Der Strom IR1 ist also identisch mit dem Strom IR2 durch den Widerstand R2. Die Spannung \u00fcber dem Widerstand R2 errechnet sich wie folgt:<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Da der linke Anschluss des Widerstands R2 (Bild 4) <\/mark>ein Potential von 0 V hat, ist somit die Spannung \u00fcber R2 identisch mit der Ausgangsspannung, allerdings in umgekehrter Polarit\u00e4t, wie man an den Spannungspfeilen erkennen kann. Wir schreiben deshalb ein \u201eMinus\u201c vor die Ausgangsspannung.<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Wir sehen nun, dass eine Spannungsverst\u00e4rkung durch unsere Schaltung stattgefunden hat, und zwar mit einem Verst\u00e4rkungsfaktor Vu, der vom Verh\u00e4ltnis von R2 zu R1 bestimmt wird.<\/p>\n\n\n\n

    Da die Ausgangsspannung eine entgegengesetzte Polarit\u00e4t zur Eingangsspannung hat, reden wir von einem invertierenden Verst\u00e4rker. Die Ausgangsspannung errechnet sich folgenderma\u00dfen:<\/p>\n\n\n\n

    Ausgangsspannung UOUT<\/sub> = Eingangsspannung x Verst\u00e4rkungsfaktor<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Wir wissen nun, wie die Grundschaltung eines Operationsverst\u00e4rkers funktioniert. Doch wie sieht nun eine praxisorientierte Schaltung f\u00fcr Wechselspannung aus?<\/p>\n\n\n\n

    Da das Ausgangssignal des Mikrofons und damit das Eingangssignal am Operationsverst\u00e4rker eine Wechselspannung darstellt, ben\u00f6tigen wir eine praxisorientierte Schaltung. Bild 5 <\/mark>zeigt einen Ausschnitt aus unserem Audioverst\u00e4rker. Wir erkennen die vorhin beschriebene Grundschaltung wieder.<\/p>\n\n\n\n

    In der Grundschaltung bzw. bei allgemeinen Beschreibungen wird immer von einer symmetrischen Spannungsversorgung, also einer positiven und negativen Spannung, ausgegangen. In der Praxis steht h\u00e4ufig jedoch nur eine Spannung zur Verf\u00fcgung. In unserem Fall soll die Verst\u00e4rkerschaltung mit 5-V-Betriebsspannung arbeiten.<\/p>\n\n\n\n

    Daf\u00fcr brauchen einen sogenannten Arbeitspunkt, auch virtuelle Masse genannt. Dieser wird mit einem Spannungsteiler realisiert. In Bild 5<\/mark> sind dies die beiden Widerst\u00e4nde R2 und R4, die eine Spannung von 2,5 V, also die H\u00e4lfte der Betriebsspannung, generieren. Zur Stabilisierung der Betriebsspannung dient der mit 10 \u00b5F relativ \u201egro\u00dfe\u201c Kondensator C3.<\/p>\n\n\n\n

    \"Bild
    Bild 5: Ausschnitt aus der Schaltung unseres Audioverst\u00e4rkers<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

    Bei Verst\u00e4rkung von Wechselspannungen m\u00fcssen die einzelnen Verst\u00e4rkerstufen mit Koppelkkondensatoren \u201egetrennt\u201c werden. Denn es soll nur die Wechselspannung verst\u00e4rkt und weitergeleitet werden. Die Koppelkondensatoren blocken die Gleichspannung (DC), sodass die Arbeitspunkte der jeweiligen Verst\u00e4rkerstufen erhalten bleiben. In unserer Schaltung sind dies C2 (interner Kondensator des MEMS-Mikrofons), C4 und C5.<\/p>\n\n\n\n

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    Die erforderliche Gr\u00f6\u00dfe der Kapazit\u00e4t richtet sich nach der unteren Grenzfrequenz des Eingangssignals, die wir \u00fcbertragen (verst\u00e4rken) wollen. Bei einem Audioverst\u00e4rker w\u00fcrde man als untere Grenzfrequenz ca. 10\u201320 Hz w\u00e4hlen. Der Koppelkondensator bildet mit dem Eingangswiderstand der folgenden Verst\u00e4rkerstufe einen Hochpass, der \u2013 wie der Name schon sagt \u2013 nur die Frequenzen oberhalb einer definierten Frequenz durchl\u00e4sst und die darunterliegenden weitgehend d\u00e4mpft. Wie man in Bild 6 <\/mark>erkennt, ist die Kennlinie bei einem einfachen Hochpass relativ abgeflacht. Die Grenzfrequenz ist allgemein bei -3 dB definiert, was einem Pegel von 70 Prozent entspricht.<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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    \"Bild
    Bild 6: Kennlinie eines einfachen Hochpasses (C\/R)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

    Die Formel hierf\u00fcr ist:<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    R = Eingangswiderstand der Verst\u00e4rkerstufe<\/p>\n\n\n\n

    C = Koppelkondensator<\/p>\n\n\n\n

    Manchmal ist es nicht so ganz einfach, den Eingangswiderstand einer Verst\u00e4rkerstufe zu ermitteln (zu berechnen). In unserer Schaltung ist es recht einfach, da der invertierende Eingang (Pin 2) vom OP wechselspannungsm\u00e4\u00dfig mit dem nicht invertierenden Eingang Pin 3 (+) gleichzusetzen ist.<\/p>\n\n\n\n

    Unsere virtuelle Masse von 2,5 V liegt wechselspannungsm\u00e4\u00dfig \u00fcber C3 an Masse. Ma\u00dfgebend f\u00fcr unseren Hochpass sind deshalb die Werte von C2 und R3. Hieraus ergibt sich eine Grenzfrequenz von:<\/p>\n\n\n\n

    \"\"<\/figure>\n\n\n\n

    Der Verst\u00e4rkungsfaktor unserer ersten Stufe errechnet sich aus dem Verh\u00e4ltnis der Widerst\u00e4nde R3 und R5. Mit den Werten 10 k\u2126 f\u00fcr R3 und 100 k\u2126 f\u00fcr R5 ergibt sich ein Verst\u00e4rkungsfaktor von 10.<\/p>\n\n\n\n

    Wenn man sich das Gesamtschaltbild in Bild 1<\/mark> anschaut, erkennt man, dass es zwei identisch aufgebaute Verst\u00e4rkerstufen gibt. Bei der zweiten Verst\u00e4rkerstufe ergibt sich durch die Widerst\u00e4nde R6 und R7 ein Verst\u00e4rkungsfaktor von 47. Um den Gesamtverst\u00e4rkungsfaktor beider Stufen zu ermitteln, k\u00f6nnen die beiden Verst\u00e4rkungsfaktoren der einzelnen Stufen multipliziert werden:<\/p>\n\n\n\n

    Vu<\/sub>= 10 \u00d7 47 = 470<\/p>\n\n\n\n

    Da kommt die Frage auf, warum nicht eine Verst\u00e4rkerstufe verwenden statt zwei hintereinandergeschaltete Stufen? Die Antwort hat mit dem Frequenzgang (Bandbreite) des Operationsverst\u00e4rkers zu tun, genauer mit dem Verst\u00e4rkungs-Bandbreite-Produkt (GBW\/Gain Bandwidth Product). Das GBW ist das Produkt aus Verst\u00e4rkungsfaktor und Grenzfrequenz. Der hier verwendetet Operationsverst\u00e4rker vom Typ TLV272 hat ein GBW von 3 MHz bei einem Verst\u00e4rkungsfaktor von 1. Wenn der Verst\u00e4rker einen Verst\u00e4rkungsfaktor von 10 haben soll, sinkt die Grenzfrequenz um den Faktor 10, also von 3 MHz auf 300 kHz. In unserem Fall w\u00fcrde ein Verst\u00e4rkungsfaktor von 470 zu einer Reduzierung der Grenzfrequenz auf 6,4 kHz (3 MHz\/470) f\u00fchren. Das wollen wir nat\u00fcrlich nicht, denn 6,4 kHz liegt ja noch im h\u00f6rbaren Bereich, den wir nutzen wollen. Aus diesem Grund teilen wir den Verst\u00e4rker in zwei hintereinandergeschaltete Verst\u00e4rkerstufen auf. Zudem stehen uns beim TLV272 ja auch zwei Operationsverst\u00e4rker in einem Geh\u00e4use zur Verf\u00fcgung.<\/p>\n\n\n\n

    Die Erkl\u00e4rung der gesamten Verst\u00e4rkerstufe ist damit abgeschlossen. Bleibt nur noch zu erw\u00e4hnen, wie wir das Audiosignal h\u00f6rbar machen. W\u00fcrde man zur Ausgabe einen Lautsprecher verwenden, k\u00e4me es wahrscheinlich zu einer akustischen R\u00fcckkopplung, die sich durch lautes Pfeifen bemerkbar macht. Diese R\u00fcckkopplung w\u00fcrde entstehen, wenn das verst\u00e4rkte und \u00fcber den Lautsprecher ausgegebene Signal vom Mikrofon wieder aufgenommen wird.<\/p>\n\n\n\n

    Sind Mikrofon und Lautsprecher r\u00e4umlich sehr nahe beieinander, schaukelt sich das gesamte Verst\u00e4rkersystem auf und es kommt zu diesem markanten Pfeifton. Um diesen Effekt zu vermeiden, verwenden wir zur Ausgabe einen Ohrh\u00f6rer.<\/p>\n\n\n\n

    Zudem besitzt unser Operationsverst\u00e4rker (TLV272) keine Endstufe, um einen Lautsprecher anzusteuern. Dennoch reicht die Leistung aus, um einen Kopfh\u00f6rer mit einer Impedanz von 32 \u2126 zu betreiben. \u00dcber einen Widerstand (R8) am Ausgang wird die Leistung zudem noch reduziert. Da der Kopfh\u00f6rer an einer Seite an Masse liegt, ben\u00f6tigen wir noch einen Koppelkondensator (C5), der die Gleichspannungsanteile (2,5 V) zwischen Ausgang U1B der zweiten Verst\u00e4rkerstufe und dem ohmschen Widerstand des Kopfh\u00f6rers trennt. Zum Anschluss des Ohrh\u00f6rers verwenden wir eine 3,5-mm-Klinkenbuchse.<\/p>\n\n\n\n

    Aufbau auf dem Breadboard<\/h2>\n\n\n\n

    In Bild 7<\/mark> ist zun\u00e4chst ein allgemeiner Verdrahtungsplan, unabh\u00e4ngig von einer Plattform, zu sehen. Unsere Audioverst\u00e4rkerschaltung kann in unterschiedlichen Aufbauvarianten realisiert werden. Dies sind die beiden Experimentierplattformen EXSB1 und EXSB-Mini sowie ein \u201enormales\u201c Steckboard. Jede dieser Varianten ist bildlich dargestellt (Bild 8 bis Bild 10)<\/mark>. Diese Fotos eignen sich auch als Vorlage f\u00fcr die Verdrahtung.<\/p>\n\n\n\n

    \"Bild
    Bild 7: Verdrahtungsplan des Audioverst\u00e4rkers<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

    Die Kontakte der Steckboards sind in der Regel nummeriert. Spalten, also von links nach rechts mit den Zahlen 1 bis 63, und Reihen mit den Buchstaben A bis F. Dies kann sich aber je nach Hersteller geringf\u00fcgig unterscheiden. So kann man die Position der Bauteile und Br\u00fccken in den Bildern 6 bis 8<\/mark> abz\u00e4hlen und auf die eigene Schaltung \u00fcbertragen. Es kommen sowohl Steckbr\u00fccken als auch Steckkabel zum Einsatz, wobei die letzte Variante (Steckboard) ganz ohne Steckkabel auskommt.<\/p>\n\n\n\n

    Beim EXSB-Mini ist zu beachten, dass sich unterhalb des Mikrofons Steckbr\u00fccken befinden. In Bild 9<\/mark> ist dieser Bereich zus\u00e4tzlich ohne best\u00fccktes Mikrofon abgebildet. Als Ausgabeeinheit kommt der beiliegende Ohrh\u00f6rer <\/mark>zum Einsatz. Dieser wird \u00fcber das Klinkenbuchsen-Modul angeschlossen. Es kann auch ein anderer Kopfh\u00f6rer verwendet werden, falls dieser \u00fcber einen 3,5-mm-Klinkenstecker verf\u00fcgt. Wie man zudem in Bild 8<\/mark> erkennt, wird das Klinkenbuchsen-Modul hier nicht ben\u00f6tigt, da dieses Board \u00fcber eine interne Klinkenbuchse verf\u00fcgt. Diese wird \u00fcber Steckkabel mit der Schaltung verbunden.<\/p>\n\n\n

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    \"Bild