Leg doch lieber den analogen Verstärker so aus, dass er dir maximal 5V liefert. Stichwort Differenzverstärker (OPV)

Nur ein Transistor zur Verstätkung ist vielleicht gar keine so schlechte Idee. Denn dann könnte ich die Verstärkung auch mittels PWM regulieren.
Ich habe keine Ahnung wie du das meinst, aber mir klingt das eher nach Problem. Du mußt dann das PWM-Signal gut wieder rausfiltern damit es auf deiner Signalleitung nicht zu sehr hervorsticht, ganz weg kriegst du den Dreck eh nie wieder. Auch wenn das Signal nicht für eine akustische Wiedergabe genutzt wird-ich würde mir da lieber was anderes einfallen lassen. Wenn du eh schonmal dabei bist, alles schick und technisch auf höchstem Niveau zu realisieren, könnte ein richtiger DAW zum Einsatz kommen. Dem kannst du ein digitales Signal geben das analoge Ergebnis wird bestimmt besser aussehen.