Электрификация

Справочник домашнего мастера

Схема предусилителя для усилителя

Простой высококачественный Hi-Fi предусилитель

Род Элиотт (Rod Elliott — ESP)

Схем предусилителей существует множество, а при условии соблюдения несколько простых мер предосторожности и использовании современных операционных усилителей они очень просты в разработке и обеспечивают высокую производительность. Обращаюсь к тем, для кого ОУ «под запретом»: Пожалуйста, пропустите этот раздел, но ТОЛЬКО после прочтения следующих двух абзацев.

Несмотря на то, что в аудиофильских кругах операционные усилители считаются чем-то плохим, необходимо помнить о том, что звук от инструмента музыканта до ушей слушателя проходит через где-то от 10 до 100 операционных усилителей – в микшере (как правило, более одного раза), во внешних устройствах эффектов, в устройстве записи (аналоговом или цифровом), и, наконец, в самом проигрывателе компакт-дисков. Многие из них не так хороши, как те, которые используются в этой конструкции.

Это не означает, что хороший ламповый предусилитель не будет звучать лучше (или, возможно, просто по-другому), но не стоит также верить мифам о плохом «микросхемном звуке», которые весьма популярны. Это мнение тех, кто использовал и ламповые предусилители, и предусилители на ОУ моей конструкции.

Описание

Предусилитель имеет опциональные регуляторы тембра и баланса, которые могут не включаться при желании. Селектор входов может быть расширен, если это необходимо, чтобы обеспечить больше источников сигнала.

Регулятор тембра построен на пассивных элементах управления, но не включает традиционную схему с обратной связью Баксандала. Он обеспечивает регулировку в пределах ±6 дБ на максимуме, что может показаться недостаточным (большинство регуляторов тембра предлагают от 12 до 20 дБ), но в действительности, этого, как правило, вполне достаточно для тех корректировок, какие обычно необходимы.

Примечание: Регулятор тембра был немного изменен с момента оригинальной публикации этой схемы. В регуляторе ВЧ в идеале должен использоваться конденсатор 1 нФ (10 нФ был использован ранее). В приведенной схеме обеспечивается регулировка ±3 дБ на частотах 6 кГц и 55 Гц в крайних положениях потенциометров. Если изменение тембра слишком незначительно, увеличение емкости конденсаторов в цепях регулировки низких и высоких частот (100 нФ и 1 нФ соответственно) понизит частоту, и наоборот. В случае использования небольших акустических систем в цепи регулятора низких частот лучше использовать конденсатор 47 нФ.

В схеме предусмотрен опциональный выход на запись. Его можно исключить, если он не нужен. Излишне говорить, что может быть использовано любое устройство записи, и оно не обязательно должно быть магнитофоном.

Селектор входов и коммутация цепей


Рис. 1. Селектор входов и коммутация цепей

Каких-либо особенностей в конструкции здесь нет, но при монтаже следует соблюдать осторожность, чтобы гарантировать, что провода левого и правого каналов разделены везде, где это возможно, чтобы предотвратить перекрестные помехи. В качестве селектора входов рекомендуется использовать поворотный переключатель с удлиненным валом. Это позволит разместить все входы и переключатель в пределах одной секции и надежно их экранировать.

Регуляторы входного сигнала для CD и DVD входов позволяют сбалансировать уровни с другими источниками. Проведя небольшое количество экспериментов необходимо обеспечить возможность переключаться с одного входа на другой с сохранением уровня громкости.

Разъемы «Tape Out» подключены к выходам первого каскада усиления, поэтому для компенсации прироста уровня сигнала (6 дБ) добавлен аттенюатор. Он также обеспечивает полезную буферизацию на входе усилителя от любых паразитных сигналов, которые могут возникнуть, когда подключено устройство записи.

Входной буфер и регулировка тембра


Рис. 2. Входной буфер и регулировка тембра

На схеме показан только левый канал. Правый канал идентичен, и использует вторую половину ОУ NE5532. Обратите внимание, как подключается питание к ОУ:


+V — Pin 8, –V — Pin 4
При неправильном подключении операционные усилители выйдут из строя!

Входной каскад имеет коэффициент усиления 2 (6 дБ) и выполняет роль буфера для темброблока. Буферный каскад на выходе темброблока также имеет 2-хкратное усиление, чтобы компенсировать потери на стадии регулировки тембра (6 дБ). Таким образом, общее усиление после регуляторов тембра составляет 4 (для тех частот, которые усилены до максимума). С учетом стандартного сигнала 2 В RMS с проигрывателя компакт-дисков, выход составит 8 В RMS или пик амплитуды 11,3 В (при условии, что регулятор уровня входного сигнала на максимуме).

Чтобы предотвратить срез сигнала на пиках, напряжения питания ОУ должно быть не ниже ± 15 В. Уровень сигнала других источников будет значительно ниже 2 В RMS проигрывателя компакт-дисков. Поэтому исключается все вероятные возможности клиппинга.

Обратите внимание, что регуляторы тембра в центральном положении обеспечивают практически ровную АЧХ. Любое отклонение будет вызвано, скорее всего, механическими, а не электрическими причинами.

При переключении S2 все элементы темброблока и выходной буфер исключаются из цепи.

Баланс, громкость, выходной каскад усиления


Рис. 3. Баланс, громкость, выходной каскад усиления

Выходной каскад обеспечивает основную часть усиления (12,6 дБ), и включает в себя регуляторы громкости и баланса. Регулятор баланса вносит ослабление 2,3 дБ в центральном положении и имеет полулогарифмическую характеристику. Поэтому в районе центрального положения движка легко обеспечивается точный контроль. Когда элемент управления поворачивается в крайнее положение, противоположный канал получает 1 дБ сигнала. Использование ступенчатой ​​регулировки усиления может снизить уровень шума

Если ваш усилитель имеет необычно высокую чувствительность, необходимо увеличить значение R19. Усиление этого каскада определяется по формуле:

Ку = 20log((R18 + R17) / R17) — 2,3 дБ (2,3 дБ теряется в управлении балансом)

Общий коэффициент усиления системы со всеми элементами управления (кроме регуляторов тембра) на максимуме составляет 18,5 дБ, поэтому 230 мВ будет выводить усилитель с чувствительностью входа 2 В на полную мощность.

Если требуется большее усиление (что весьма маловероятно), то это может быть реализовано за счет снижения номинала R17 в оконечном выходном каскаде (в настоящее время 22 кОм). Если, например, нужен общий коэффициент усиления 24 дБ, то значение R17 должно быть уменьшено до 12 кОм. При этом собственный шум повышается пропорционально увеличению коэффициента усиления.

Для работы с усилителями мощности обычной чувствительности (с усилением 27 дБ) общий коэффициент усиления предусилителя в 10 дБ достаточен для большинства источников. Это значение может быть достигнуто путем увеличения R17 до 82 кОм, так что общее усиление будет

6 дБ + 7 дБ – 2,3 дБ = 10,7 дБ

По желанию значения R17 и R18 могут быть разделены на 10 (до 10 кОм и 2,2 кОм, как показано на схеме). Это может уменьшить шум за счет более низких импедансов. Я не измерял уровни шума в обеих конфигурациях, но они будут очень низкими в любом случае.

Все потенциометры использованы с линейной характеристикой.

Каждый ОУ должен быть зашунтирован электролитическими конденсаторами 10 мкФ х 25 В от каждого плеча питания на землю и конденсаторами емкостью 100 нФ между выводами питания (см. рис. 4). Последние должны располагаться как можно ближе к выводам питания ОУ, расположение электролитов 10 мкФ не критично. Отказ от шунтирования приведет к возникновению высокочастотных колебаний, которые значительно исказят звучание предусилителя.


Рис. 4. Схема шунтирования ОУ по питанию

Указанные ОУ весьма распространены, и их не составит труда найти. Несомненно, есть и лучшие устройства, но общее качество NE5532, используемых в этой конструкции, должно удовлетворить самых взыскательных слушателей. Эти устройства имеют внутренний стабилизатор, и не требуется никакой внешней стабилизации.

Обратите внимание, что все операционные усилители (за исключением буфера тона) работают с усилением по постоянному току. Это приводит к появлению на выходах ОУ постоянного напряжения в пределах нескольких милливольт. Для устранения этого потребовалось бы использование электролитических конденсаторов на пути прохождения сигнала, чего хотелось избежать.

Использование выходного конденсатора емкостью 2,2 мкФ предотвратить попадание постоянного напряжения в последующие устройства. Категорически не рекомендуется удалять эти конденсаторы, т.к. постоянное напряжение (даже в небольших количествах) передавать в усилитель не допускается! Параллельное включение двух конденсаторов 2,2 мкФ обеспечивает сигнал на уровне -3 дБ при частоте до 5 Гц и нагрузке 10 кОм. Это должно быть приемлемым для большинства усилителей

100 Ом резистор на выходе предназначен для предотвращения каких-либо колебаний ОУ при подключении к коаксиальному кабелю.

Источник питания и рекомендации по конструкции

В качестве подходящего источника питания целесообразно использование внешнего трансформатора, чтобы исключить любую возможность наводок, особенно если используется фонокорректор.

Подходящий источник питания представлен в проекте 05 (см. Project 05). В этом случае используется трансформатор, обеспечивающий 16 В переменного напряжения, а выпрямление, фильтрация и стабилизация смонтированы в пределах шасси предусилителя.

Если же вы хотите включить трансформатор в шасси, используйте трансформатор тороидального типа (20 ВА более чем достаточно), чтобы снизить магнитные поля до минимума.

При подключения к электросети будьте внимательны и соблюдайте меры предосторожности, сетевое напряжение опасно для жизни! В этом случае используйте стандартный разъем питания типа IEC. Для подключения к источнику переменного напряжения 12 В рекомендую использовать разъемы XLR. Они значительно более надежны, чем трубчатые разъемы питания и никогда не выпадают. Соединения XLR описаны на странице проекта источника питания

В качестве входных и выходных разъемов рекомендую использовать позолоченные типа RCA. Резисторы лучше использовать 1% металлопленочные. Они имеют гораздо более низкий уровень шума, чем углеродистые.

Оригинал статьи

Теги:

  • Hi-Fi
  • Предусилитель
  • Перевод

Предварительный усилитель Hi-Fi на NE5532 своими руками


Приветствую, Самоделкины!
После проведения замеров усилителей звука на микросхемах TPA3116, автор YouTube канала «Radio-Lab» заметил, что некоторые усилители при подключении, например, к телефону или bluetooth модулю играют не в полную мощность, по замерам это видно.

Это касается и других усилителей. Связано это с тем, что некоторые усилители имеют невысокую чувствительность по входу. В итоге телефон или врезной модуль просто не могут раскачать такие усилители имея недостаточно мощный уровень выходного сигнала. Если усилитель нужно раскачать на полную, как вариант используют предварительные усилители или сокращенно предусилители. Предусилитель повышает уровень аудиосигнала от источника и потом уже усиленный сигнал идет на основной усилитель, и основной усилитель звука уже может играть в полную силу. По принципу работы очень похоже на слуховой аппарат, но для усилителя.
На некоторых моделях усилителей такой проблемы нет, на плате уже с завода есть встроенный предусилитель или он вообще не нужен.

Если вы уверены, что усилитель играет тихо именно потому, что слабый входной сигнал, то предусилитель можно докупить или собрать самому как отдельную плату и подключить проводами к основному усилителю звука.
В этой статье речь пойдет о том, как самостоятельно своими руками собрать предусилитель. Схема с однополярным питанием была найдена в интернете, хотя разных много.

Характеристики следующие:

Схема подключения такая:

Необходимые детали:

Для данного проекта автор изготовил печатную плату. Плата получилась компактной, для будущего предусилителя в самый раз.

На радиорынке были куплены необходимые радиодетали (можно заказать из Китая, но там их продают в основном пачками, да и ждать довольно-таки долго).
За усиление будет отвечать популярный сдвоенный операционный усилитель NE5532.
Сборку автор решил начать с установки постоянных резисторов. Чтобы не напутать с номиналами, он использует тестер радиодеталей. Для этого необходимо установить резистор в тестер и спустя буквально секунду тестер показал номинал 1кОм.
Ножки резистора загибаем так, чтобы установить деталь вертикально.
Затем ставим резистор на свое место и фиксируем паяльником. Далее припаиваем вторую ножку и потом запаиваем остальные 3 резистора номиналом 1кОм на свои места. После этого припаиваем 4 резистора по 220кОм и один на 100кОм.

Из обрезков ножек делаем перемычку и ставим ее на свое место. Далее устанавливаем на свои места конденсаторы, многослойный и дисковые. По ключу устанавливаем микросхему.
Подстроечных резисторов 2, каждый на свой канал, их места по бокам платы.
Электролитические конденсаторы нужно устанавливать обязательно соблюдая полярность. Устанавливаем их на плату в соответствии со схемой.
И вот, все необходимые детали установлены. Можно сказать, что предусилитель собран.
Напряжение питания от 6 до 16В, но в данном случае автор планирует его питать напряжением 24В, как и усилитель. Это уже для предусилителя много и нужно использовать понижающий стабилизатор. При питании от импульсного преобразователя были шумы, потому автор решил использовать линейный стабилизатор на 12В L7812.
В соответствии с распиновкой запаиваем стабилизатор на плату, а также припаиваем провода питания.
Теперь предусилитель собран. Вот такая небольшая плата получилось.
Плата стерео, на 2 канала. Для проверки на входы и выходы припаиваем экранированные провода чтобы не было помех. Посредине общий провод, рядом по бокам входы и ближе к краям выходы.
Для проверки автор запитал усилитель от аккумулятора, а сигнал будет видно на осциллографе. Источником синусоиды будет телефон. Подключаем осциллограф сначала на выход телефона. Максимально уровень выходного сигнала с телефона составил примерно 0,5В. Вот такая картина на максимальной громкости.
Теперь подключаем осциллограф на выход предусилителя. Питание предусилителя есть и проверяем его работоспособность. Под ее синусы поднимаем громкость и можно увидеть, что на выходе синус тоже есть и его уровень в разы больше, чем было с телефона. Это уже примерно 2В.
Уже можно сказать, что собранный предварительный усилитель работает и усиливает. Если входного сигнала много, то есть клиппинг.
Затем подключаем на второй канал.
И тут тоже синусоида есть. Также попробуем изменить частоту. Все работает, на плате есть две подстройки уровня, что позволяет настроить необходимый уровень усиления.
Сама синусоида без искажений, по предварительному усилителю все хорошо. Теперь давайте попробуем подключить его к усилителю. Как тестовый автор взял усилитель на 2-ух микросхемах TPA3116 и блок питания на 24 вольта для него.
На выходе почти 24В. В качестве нагрузки будет вот такой проволочный резистор на 4Ом.
На него подключен осциллограф чтобы видеть форму сигнала на выходе усилителя. Чтобы показать разницу сначала подадим сигнал напрямую с телефона, затем поднимаем громкость и напряжение на выходе усилителя получилось примерно 10В.
В пересчете на мощность, это примерно 25Вт. Вот на такую мощность данный телефон может раскачать этот усилитель при нагрузке в 4 Ома. А теперь все то же самое, но уже с предварительным усилителем, включенным между телефоном и усилителем. Все подключаем и поднимаем громкость.
Можно увидеть, что теперь сигнал на выходе усилителя уже выше, и это примерно 14,5В. В пересчете на мощность, это примерно 53Вт, что уже вдвое выше чем было. Если громкость поднять сильно, то уже наблюдается клиппинг.
Все расчеты примерные, но суть думаю понятна. Теперь этот усилитель на TPA3116 в паре с предусилителем может отдать максимальную мощность. А также предусилитель можно питать напрямую от усилителя. Для этого соблюдая полярность, подключаем провода питания предусилителя параллельно на провода питания усилителя.
Понижающий стабилизатор едва теплый. Запитали, теперь поднимаем громкость.
Все тоже самое, только от одного питания. Посторонних шумов нет, все хорошо. Собранный предварительный усилитель работает отлично. Его можно использовать и с другими усилителями, TPA3116 был взят автором для примера. Если чувствительность входа усилителя недостаточная, то одним из решений может быть установка предварительного усилителя. Но опять же нужно понимать, что может у вас усилитель слабый и установка предусилителя в этом случае проблему не решит, вы просто загоните свой усилитель в клиппинг, будут просто большие искажения и все. А так все работает, можете собирать и повторять. Плата универсальна и подойдет для многих усилителей звука. Этот предварительный усилитель один из многих, есть и другие. Полезные ссылки будут в описании под видеороликом автора (ссылка ИСТОЧНИК).
Благодарю за внимание. До новых встреч!
Видео:

Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. .

Предварительный усилитель с претензией на Hi-End! (часть I)

Douglas Self (Дуглас Селф), вольный перевод статьи: главный редактор «РадиоГазеты»

Современные цифровые источники звука (CD-проигрыватели, ЦАПы и т.п.) имеют очень низкий уровень шумов. Гораздо ниже, чем винил или магнитная лента. Из-за этого требования к шумам последующего усилительного тракта на сегодняшний день стали гораздо выше, чем в эпоху аналогового звука. В свете этих требований при разработке описанного ниже предварительного усилителя в первую очередь ставилась задача получения качественного звучания при ультранизком уровне шумов без применения экзотических или дорогостоящих компонентов.

В большинстве каскадов автор применил свои любимые операционные усилители NE5532, но в некоторых узлах используются LM4562, так как в последнее время они стали доступнее и позволяют получить гораздо меньшие искажения при работе на низкоомную нагрузку.

Что за меломан ( и уж тем более аудиофил) без винила? Именно для них предусилитель оснащен двумя фонкорректорами под разные типы звукоснимателей. Кроме того, конструкция имеет регулятор тембра, наглядный индикатор уровня и симметричные выходы, что сегодня стало практически стандартом для высококачественной аудио-аппаратуры.

Структурная схема предусилителя показана на рисунке:

Увеличение по клику

Все модули собраны на отдельных печатных платах, что упрощает их размещение в корпусе и облегчает коммутацию.
В этой части цикла статей приводится описание схемы непосредственно усилителя с регуляторами громкости, баланса и тембра, а также организации симметричного выхода.

Принципиальная схема модуля предварительного усиления:

Увеличение по клику

Все сопротивления (не только резисторы, но и сопротивления активных компонентов, например сопротивление базы транзистора) генерируют шумы, уровень которых зависит от величины сопротивления и температуры. Так как повлиять на температуру в помещении прослушивания довольно сложно, то единственный способ уменьшить шумы сопротивлений — это уменьшать величину самого сопротивления. Отсюда вытекает главная особенность представленной схемы — использование низкоомных резисторов на всём пути звукового сигнала.

Если для постоянных резисторов выбор низкоомных номиналов не представляет проблем, то для переменных резисторов (для регуляторов громкости, баланса и тембра) номинальный ряд существенно ограничен. Обычно в этих цепях можно увидеть переменные резисторы на 47кОм, 22кОм, в лучшем случае 10 кОм. В данной конструкции Дуглас Селф применил переменные резисторы на 1кОм — это, пожалуй, минимальный номинал из доступных среди переменных резисторов.

Кстати, вот характеристики, которых удалось достичь:

(Измерения проводились при напряжении питания 17В, при отключенных регуляторах тембра, с использованием симметричных входов и выходов)

Использование низкоомных резисторов также позволяет снизить смещение операционных усилителей входными токами, что также снижает шум, вызванный колебаниями токов ОУ.

Для снижения шумов активных компонентов в схеме использовано параллельное соединение каскадов. Конечно, можно было бы использовать современные малошумящие ОУ типа AD797. Но это будет значительно дороже и сложнее (так как в одном корпусе содержится только один ОУ). Обращаю внимание, что речь идёт не о параллельном соединении микросхем (когда их напаивают этажеркой друг на друга), а о параллельном соединении усилительных каскадов. Только в этом случае шумы усилительных элементов будут некоррелируемые, за счёт чего общий уровень шума уменьшается на 3дБ при запараллеливании 2-х каскадов. При параллельном соединении 4-х каскадах шум уменьшается на 6дБ, т.е. в два раза.

Если запараллелить 8 каскадов, то шум уменьшится на 9 дБ, но для такого выигрыша затраты получаются неоправдано высоки.

Из-за применения низкоомных резисторов в регуляторе тембра номиналы конденсаторов получились гораздо больше привычных. Но сегодня это не является проблемой для современной элементной базы.

Линейный вход и регулятор баланса.

Для снижения шумов и помех непосредственно на входе усилителя установлен фильтр R1C1 и R2C2 . Буферные каскады IC1A и IC1B обеспечивают входное сопротивление порядка 50кОм и улучшают подавление синфазных помех. Непосредственно усилительный каскад собран на LM4562 (IC2A), коэффициент усиления которого регулируется потенциометром P1A. Этот же потенциометр в правом канале включен «противофазно» левому, за счет чего получается регулировка баланса. Обратная связь в каскаде реализована через два параллельных буфера IC3A и IC3b, за счёт чего достигается неизменность коэффициента усиления каскада независимо от изменения нагрузки. Кроме того, такое решение снижает уровень шума и обеспечивает низкое выходное сопротивление.

Типовая реализация регулятора баланса обычно негативно влияет на сцену и «виртуальное» расположение инструментов, из-за чего довольно редко встречается в Hi-End аппаратуре. Решение данного узла, предложенное Дугласом Селфом, не имеет этого недостатка.

Уровень шума этой части предусилителя составляет всего -109 дБ в среднем положении регулятора баланса, -106 дБ при максимальном и -116 дБ при минимальном положениях регулятора (в полосе частот 22 Гц до 22 кГц).

Регулятор тембра.

Несмотря на то, что выглядит регулятор несколько необычно, тем не менее здесь применена классическая схема регулятора тембра Баксандалла. Как отмечалось выше из-за низких номиналов переменных сопротивлений номиналы конденсаторов получаются существенно больше «типовых» значений.

Конденсатор С7 (1 мкФ) определяет нижнюю частоту регулировки тембра, а конденсаторы C8 и C9 имеют значение 100 нФ и определяют частоту регулировки тембра на ВЧ. При желании глубину регулировки тембра можно увеличить до ± 10 дБ. За счет элементов IC4 исключено взаимное влияние цепей НЧ и ВЧ при регулировании тембров.

Не смотря на большие габариты и высокую стоимость, для этой части схемы настоятельно рекомендуется применение полипропиленовых конденсаторов.

Уровень шума регулятора тембра составляет всего -113 дБ в среднем положении регуляторов.

Реле RE1 служит для отключения регулятора тембра, если в нём нет необходимости. В этом случае сигнал снимается с выхода IC2A и поступает напрямую на вход IC9B в обход регулятора тембра. Чтобы избежать щелчков при коммутации служит резистор R18. Для снижения перекрестных помех коммутация в каждом канале осуществляется отдельным реле. В этом случае контактные группы реле можно запараллелить, что снизит сопротивление контактов и дополнительно повысит надёжность этой части схемы.

Активный регулятор громкости.

Регулятор громкости также реализован по идее Питера Баксандалла, что во-первых позволило получить сверхнизкий уровень шума (особенно на малых громкостях), а во-вторых получить логарифмическую характеристику регулирования при использовании потенциометров с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота. Максимальное усиление составляет +16 дБ, при этом точка 0 дБ получается в среднем положении потенциометра.

Четыре соединённых параллельно усилителя, как отмечалось выше, служат для снижения уровня шума на 6 дБ. Уровень собственных шумов такого регулятора составляет -101 дБ при максимальном усилении и -109 дБ при усилении 0 дБ. На практике регулятор громкости обычно устанавливается в положении -20 дБ, тогда уровень шума составит -115 дБ, который существенно ниже порога слышимости.

Чтобы вы могли оценить качество каждого каскада для них были приведены собственные уровни шумов. Результирующий уровень шума данного предусилителя, как нетрудно догадаться, будет несколько варьироваться в зависимости от положения потенциометров.

Симметричный выход реализован за счёт фазоинвертора на ОУ IC9A и имеет двойную амплитуду сигнала по сравнению с несимметричным. Впрочем, это нормально для профессиональной аудиотехники.

Конструкция и настройка.

Размещение элементов усилителя на плате:

Увеличение по клику

При сборке сначала запаиваются резисторы, а затем остальные компоненты.
Джампер JP1 предназначен для подбора оптимального подключения земли винил-корректора (есть аналогичные джамперы на платах MC / MD). Не забудьте их подключить. Место подключение подбирается экспериментально после сборки конструкции в корпусе.

Фото собранной платы:

Увеличение по клику

Данный блок настройки не требует.
Частотные характеристики усилителя и регулятора тембра:

Увеличение по клику

Список элементов:

Продолжение следует…

Статья подготовлена по материалам журнала «Электор» (Германия)

Удачного творчества!

Главный редактор «РадиоГазеты»

KOMITART — развлекательно-познавательный портал

Схема нормирующего предусилителя для УМЗЧ на TL072.
Схема нормирующего предусилителя для УМЗЧ на TL072
Обычно усилителям мощности звуковых частот на входе требуется сигнал порядка 0,5…1,5 Вольта, и стандартного линейного выхода в 250 мВ, как правило, не хватает. В этом случае перед усилителем мощности ставятся нормирующие предусилители.
В этой статье мы рассмотрим один из вариантов такого предварительного нормирующего усилителя, схема реализована на микросхеме TL072.
Нормирующий предусилитель на TL072_принципиальная схема
Уровень входного сигнала – 0,2 Вольта.
Уровень выходного сигнала – 0,8 Вольт.
Коэффициент усиления данной схемы можно изменить путем подбора номиналов резисторов в цепях обратной связи (R7 и R8).
Для левого и правого каналов по выходу стоит спаренный переменный резистор R11, его функция регулировка громкости. Номинал переменного резистора может лежать в диапазоне от 10 до 50 кОм с обратно логарифмической характеристикой. То есть, если будете применять импортный резистор, значит он должен принадлежать к группе “А”, например, маркировка “А10К”. Если резистор отечественного производства, значит он должен быть группы “В”.
Схема нормирующего предусилителя запитана от обычного параметрического двухполярного источника, к которому подводится напряжение, которым питается непосредственно сам концевой усилитель мощности. В данном случае микросхема TL072 работает при напряжении питания 12…13 Вольт, что обусловлено напряжением стабилизации стабилитрона КС213Б. Вместо него можно поставить и другие стабилитроны, например, Д814Г или Д814Д.
Если у вас напряжение питание усилителя мощности отличное от 2х35 Вольт, пересчитайте номиналы резисторов R12…R15.
На одном из сайтов предлагалась формула:
R12+R14 = R13+R15 = (Uпит.умзч — Uстаб) / 7
То есть, напряжение питания усилителя мощности минус напряжение стабилизации стабилитрона, и полученное значение разделить на 7. При этом результат получится в килоОмах, который можно округлить до ближайшего стандартного значения номинала резистора.
Но все же мы считаем лучше воспользоваться стандартной упрощенной формулой расчета параметрического стабилизатора:
R1 = (Uвход — Uстаб) / Iстаб
В данном случае результат получится в Омах.
В данной схеме микросхему TL072 можно заменить другими операционными усилителями, например, NE5532,NE5534, или OPA2134.
Входные емкости С1 и С2 лучше поставить пленочные, С3 и С4 – керамика. Электролитические емкости в стабилизаторе необходимо поставить на рабочее напряжение 50 Вольт, лучше путь имеют небольшой запас.
На следующем изображении показана печатная плата нормирующего усилителя на микросхеме TL072:
Печатная плата нормирующего усилителя на TL072
Печатную плату в формате LAY и принципиальную схему нормирующего предусилителя вы можете скачать по прямой ссылке с нашего сайта. Тип файла для скачивания – RAR, размер файла – 0,05 Mb.

Малошумящий High-End предусилитель натранзисторах

В. П. Матюшкин, г. Дрогобыч

Предлагаемая автором конструкция ПУ используется в составе звуковоспроизводящего комплекса вместе с УМЗЧ, описанным в статье “Сверхлинейный УМЗЧ класса High-End на транзисторах”.

Сравниваются особенности спектра нелинейных искажений в усилителях с различной частотой среза АЧХ. Показано, что устройства на операционных усилителях обогащают звуковой сигнал высшими гармониками, поэтому их применение в аудиокомплексах особо высокого качества нежелательно. Представлена конструкция малошумящего высоколинейного предварительного усилителя с большой частотой среза и блоками регулировок громкости и тембра.

При использовании пассивных регуляторов тембра (РТ) и достаточной чувствительности УМЗЧ назначением предварительного усилителя ЗЧ (ПУЗЧ) остается компенсация вносимого РТ ослабления усиливаемого сигнала и согласования входных и выходных сопротивлений различных звеньев тракта между собой. Эта функция принадлежит линейным малошумящим каскадам усиления с высоким (десятки-сотни кОм) входным и низким (не более 600 Ом) выходным сопротивлением. Такие значения необходимы, чтобы не вносились погрешности в характеристики регулирования РТ и регулятора громкости (РГ) и не оказывалось влияние на характеристики источников сигнала.

Известные автору конструкции ПУЗЧ не удовлетворяют возросшим к ним требованиям. Если ранее при воспроизведении граммофонной или магнитофонной записи было вполне достаточно, чтобы относительный уровень шума ПУЗЧ был около -80…-85 дБ, что не хуже, чем у источников сигнала, то при прослушивании компакт-дисков, когда “мертвая тишина” в паузах наполняется досадным шипением, такой шум уже становится назойливой помехой. Оставляют желать лучшего и другие параметры, особенно у ПУЗЧ, выполненных с использованием операционных усилителей (ОУ).

Низкая (десятки-сотни герц) собственная частота среза ОУ fc обусловливает не самую лучшую переходную характеристику, определяющую верность передачи фронта импульсных сигналов. Такая fc заставляет считаться с возможностью возникновения динамических искажений, а также приводит к уменьшению глубины ООС с ростом частоты, т.е. к росту нелинейных искажений (НИ). Ухудшение подавления искажений сигнала начинается в ОУ, охваченном ООС, с частоты его среза to и происходит приблизительно прямо пропорционально частоте. Например, если fc<500 Гц и при усилении сигнала с частотой fA=1 кГц получен уровень второй гармоники (на частоте 2 кГц) 0,001%, то при усилении равного по амплитуде сигнала с частотой fB=8 кГц уровень второй гармоники (на частоте 16 кГц) будет примерно в fB/fA=8 раз больше, что дает уже не такие благополучные искажения (0,008%). Однако это еще только полбеды.

Еще хуже то, что вместе с этим изменяется соотношение между гармониками одного и того же сигнала в пользу гармоник более высокого порядка. Это касается НИ, генерируемых теми каскадами ОУ (прежде всего, выходными, из-за значительности их вклада в общий уровень НИ), которые следуют за каскадом, формирующим излом АЧХ на частоте fc. Искажения этих каскадов и будем иметь в виду далее (в первых каскадах ОУ процессы имеют свои особенности).

На рис.1 показаны частотные зависимости отношения коэффициента НИ по гармонике n>2 Qn к коэффициенту НИ по второй гармонике Q2, приведенных к такому же отношению для ОУ без ООС Qn/Q2. Прямая 1 соответствует ОУ без ООС, прямая 2 – ОУ с замкнутой петлей ООС. Прямая 1 соответствует также усилителю, имеющему высокую частоту среза fc’>>20 кГц, причем безразлично, включена ООС или нет. Как видно, УЗЧ на ОУ обогащает спектр НИ гармониками высших порядков. Наблюдаемую реально картину сглаживает лишь то, что исходные (без ООС) амплитуды гармоник сами обычно уменьшаются с ростом их номера n, поэтому регистрируемые при измерениях продукты искажений зависят не так сильно от частоты. Понятно, что картина, аналогичная рис.1, имеет место и для компонентов интермодуляционных искажений различных порядков.

Как известно, качество звучания зависит не только от амплитуд гармоник различного порядка, но и от соотношения между ними: желательно, чтобы с ростом номера гармоники ее амплитуда достаточно быстро убывала, в противном случае звучание становится жестким, приобретает неприятный металлический оттенок. Из рис.1 видно, что УЗЧ на ОУ действует в прямо противоположном направлении, причем практически во всем звуковом диапазоне, исключая лишь самые низкие частоты (и это касается, конечно, не только ПУЗЧ, но и усилителей мощности). И если регулятор тембра НЧ, поднимая АЧХ тракта на частотах, ниже 1 кГц, в какой-то степени восстанавливает соотношение между гармониками в диапазоне наклона участка своей АЧХ, то подъем высоких частот регулятором тембра ВЧ еще более усугубляет нарушение соотношения между ними на частотах более 1 кГц.

Таким образом, пресловутое “транзисторное звучание” начинает зарождаться еще в ПУЗЧ, выполненных на ОУ. Поэтому увлечение такими схемами, несмотря на все удобства и упрощения при использовании ОУ, идет в ущерб качеству звуковоспроизведения. И нет ничего удивительного в том, что они звучат хуже ламповых усилителей, имеющих, как правило, достаточно высокую fc (что возможно благодаря относительно неглубокой ООС) и к тому же благоприятный спектр генерируемых лампами гармоник (не выше пятого порядка).

Для получения благоприятного спектра НИ транзисторный усилитель до охвата ООС должен иметь частоту среза fc’>20 кГц (рис.2, кривая 1). Это требование удачно согласуется и с условием отсутствия динамических искажений. Любопытной вместе с этим выглядит возможность дополнительного улучшения спектра гармоник и приближения его характера к ламповому путем специфической коррекции, заключающейся в подъеме исходной (без ООС) АЧХ с ростом частоты в звуковом диапазоне или хотя бы на некотором его участке (рис.2, ломаная 3). Кривая 2 соответствует случаю 2 рис.1. Благодаря уменьшению относительной доли ВЧ компонентов в НИ, это позволило бы получить спектр искажений на рис.1, кривая 3, что должно, по-видимому, делать звучание более мягким. Однако этот вопрос требует еще своего изучения.

Особенно заметными недостатки известных ПУЗЧ становятся при совместной работе с современными высококачественными УМЗЧ, например .

При разработке предлагаемого ПУЗЧ учтены перечисленные соображения, вместе с этим желательно достичь максимальной простоты схемы.

Параметры усилителя (рис.3):

  • Частота среза fc 300 кГц
  • Коэффициент интермодуляционных НИ при 11вых < 5 В и Rh > 1 кОм в диапазоне 0,02-20 кГц < 0,001 %
  • Номинальное Iвх 0,25 В
  • Максимальное I вых 9В
  • Уровень шума (R^0) -103 дБ
  • Взвешенное значение -109 дБА
  • Выходное сопротивление < 0,1Ом
  • Фазовый угол при f=0,1 …200 кГц < 0,1°
  • Минимальное сопротивление нагрузки R 300 Ом

Усилитель выполнен по симметричной схеме на комплементарных парах транзисторов, такая структура значительно повышает его исходную линейность еще до охвата ООС. Все транзисторы, включая выходные, работают в режиме класса “А”, причем коллекторный ток покоя VT7, VT8 около 10 мА и позволяет им сохранять этот режим при сопротивлениях нагрузки Rh не менее 300 Ом.

Несмотря на то, что VT5 и VT6 включены по схеме с общим эмиттером, их передаточные характеристики достаточно линеаризированы значительными сопротивлениями в эмиттерных цепях (R15, R16).

Уровень НИ оказался настолько мал, что решено было не применять предусматривавшиеся петли ЕПОС , которые значительно усложнили бы схему.

Входной каскад с целью получения низкого уровня шума выполнен на полевых транзисторах с р-п-переходом. Входное сопротивление усилителя, равное около 350 кОм, определяется только сопротивлениями резисторов R3, R6 (при этом следует не забыть о соответствующем изменении емкостей С1, С2, чтобы постоянные времени ФВЧ R3C1 и R6C2 оставались прежними). Делители напряжения R1R2 и R4R5R7 задают рабочие точки VT1 и VT2, резистор R4 служит для начальной установки нулевого напряжения на выходе усилителя и после настройки его можно заменить постоянным резистором нужного сопротивления, причем значение постоянной составляющей на выходе усилителя не столь критично и может находиться в пределах ±200 мВ.

Для получения большого коэффициента усиления входного каскада и малого шума применена динамическая нагрузка на полевых транзисторах VT3, VT4. Поскольку оба плеча входного каскада (VT1-VT3 и VT2-VT4) в конечном итоге работают на общую нагрузку, это дает выигрыш в уровне шума 3 дБ. В результате шум усилителя оказался примерно втрое (на 10 дБ) меньше, чем у усилителей, входной каскад которых выполнен на ОУ К157УД2.

Сигнал ООС с выхода подается в точку соединения R13R14. Коэффициент передачи цепи ООС определяется цепочками R10R13C3 и R11R1404 вместе с регулятором усиления R12, которым устанавливают коэффициент усиления устройства в пределах 2-5. При желании диапазон регулировки усиления можно расширить уменьшением R10 и R11.

Конденсаторы С5-С7 корректируют АЧХ усилителя с целью получения наилучшей переходной характеристики, но его работоспособность сохраняется и без них, однако фронт прямоугольного импульса в их отсутствие приобретает небольшой выброс, а на “полке” появляется рябь.

Резисторы R19, R20 предохраняют VT7, VT8 от перегрузки при коротком замыкании на выходе.

Режимы усилителя по постоянному току стабилизированы как местной (R13, R14, R8, R9, R15, R16), так и глубокой (около 66 дБ) общей ООС, благодаря чему температурные колебания и дрейф параметров элементов мало сказываются на его работе.

Полевые транзисторы следует подобрать в пары по начальному току стока. У транзисторов VT1, VT2 он должен быть около 0,8-1,8 мА, у VT3, VT4 – не менее 5-6 мА. VT1 можно взять с индексами Б, А, VT2 – с индексами И, Е, Ж, К, VT3, VT4 – с индексами Д, Г, Е, КТ3107 – с индексами Б или И, КТ3102 – соответственно А или Б, В, Д, VT5-VT8 можно не подбирать

Питание усилителя – от любого стабилизированного двуполярного источника напряжения ±15 В.

Налаживание собранного из исправных деталей усилителя несложно. Подбором R8 и R9 устанавливают указанные на схеме напряжения на стоках VT1 и VT2 (12± 0,5 В), а подбором R17, R18 – напряжения на эмиттерах VT7, VT8 (0,8-1,2 В). Параллельно этому подстройкой R4 устанавливают близким к нулю выходное напряжение.

Если же нужные режимы транзисторов сразу установить не удается, следует вначале наладить отдельно входной каскад. Для этого выход усилителя соединяют с общим проводом (чтобы отключить общую ООС) и отключают базы VT5 и VT6 от стоков VT1 и VT2, закорачивая затем эти базы со своими эмиттерами. После этого добиваются во входном каскаде режимов, как указано выше. Если это удается, то восстанавливают соединения схемы и окончательно подбирают R17,R18 и R4.

Схема регулятора громкости и тембра с использованием показанного на рис.3 усилителя представлена на рис.4, где А1, А2 – два таких усилителя; ФРТ – физиологический регулятор тембра ; ТКРГ -тонкомпенсированный регулятор громкости, выход которого подключается к УМЗЧ. Инфразвуковые частоты срезаются в каждом из усилителей А1 и А2 как на входе (ФВЧ R1-R3C1 и R4-R5-R6-C2, рис.3), так и в цепи ООС (R10-R13-C3 и R11-R14-C4), что дает в итоге ФВЧ 4-го порядка (а вместе с входным ФВЧ УМЗЧ – 5-го порядка), этого достаточно для эффективного подавления низкочастотных помех с частотой меньше 20 Гц, таких, например, как от коробленных грампластинок.

В обходе ФРТ нет острой необходимости, так как его органами регулировки легко получить строго горизонтальную АЧХ. Однако эту функцию несложно осуществить, как показано на рис.4, с помощью переключателя S1 и делителя R1R2.

В качестве R12 (рис.3) использован сдвоенный переменный резистор, “половинки” которого включают в разные каналы стереотракта. В каскадах А1 они включены “синфазно” (сопротивление реостата R12 в обоих каналах изменяется в одну сторону при перемещении движка регулятора) и выполняют роль дополнительного регулятора уровня, повышая тем самым перегрузочную способность ПУЗЧ до 26 дБ и обеспечивая согласование АЧХ ТКРГ с уровнем сигнала. В каскадах А2 они включены “противофазно” (сопротивление R12 в одном канале увеличивается, в другом уменьшается) и играют роль регулятора стереобаланса.

На рис.5 изображена принципиальная схема ТКРГ, выполненного на сдвоенном переменном резисторе с двумя отводами типа СП3-30В. Часто в схемах ТКРГ применяется подключение цепей частотной коррекции к движку потенциометра. Движущиеся контакты движка не могут быть идеальными, и при регулировании громкости их сопротивления изменяются от почти нулевого до весьма заметного, особенно после продолжительной эксплуатации. В простом (не тонкомпенсированном) регуляторе это почти не ощущается, особенно если последующий каскад имеет достаточно большое входное сопротивление, и может проявляться незначительными шорохами при регулировании.

В ТКРГ с подключением цепей коррекции к движку дела обстоят значительно хуже, АЧХ при ухудшениях контакта может искажаться очень сильно и становиться полностью неприемлемой, временами оглушая слушателя резким звуком неестественной окраски. Искажениями АЧХ страдают и ТКРГ, цепи коррекции которых подключают как к отводам, так и к движку. В таких ТКРГ даже при идеальном постоянном контакте движка хорошо заметны на слух раздражающие изменения АЧХ при проходе движка мимо отвода.

Предлагаемый ТКРГ лишен этих недостатков, так как в нем к движку потенциометра цепи частотной коррекции не подключаются. Его АЧХ представлены на рис.6. Они являются хорошим приближением к требуемым, благодаря детальной проработке частотно-зависимых звеньев.

В схеме ТКРГ (и в ФРТ) нельзя использовать электролитические конденсаторы, так как постоянная составляющая напряжения на их обкладках при работе данных схем равна нулю. Следует использовать те же типы неэлектролитических конденсаторов, какие указаны в схеме усилителя. Описанный предварительный усилитель и блок регулировки громкости и тембра при работе вместе с УМЗЧ , укомплектованым хорошими акустическими системами, обеспечивают превосходное звучание.

Быстрый, малошумящий, термостабильный усилитель на полевом транзисторе

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2015

Shyam Sunder Tiwari

EDN

Хотя полевые транзисторы с p-n переходом и являются отличными устройствами для недорогих усилителей с высокоимпедансными входами, использование их в подобных схемах затрудняется значительным температурным дрейфом крутизны (Рисунок 1). Проблему можно смягчить, установив ток стока в рабочую точку с нулевым дрейфом во всем диапазоне температур от –55 °C до 125 °C.

Рисунок 1. Температурная зависимость крутизны для полевых
транзисторов J310 и J309 (ON Semiconductor).

Для описываемой схемы (Рисунок 2) были испытаны различные полевые транзисторы с p-n переходом: Sony 2SK152-2, Interfet IFN152 и Siliconix/Vishay/ ON Semiconductor J309, любой из которых имеет большое усиление и малый ток утечки порядка 100 пА. С этими полевыми транзисторами можно сделать усилитель, имеющий входное сопротивление от 1 МОм до 1 ГОм. Схема хорошо работает до частот, превышающих 100 МГц.

Рисунок 2. Быстродействующий усилитель с полевым транзистором,
имеющий высокостабильное усиление и высокое входное
сопротивление в очень широком диапазоне температур.

Одним из достоинств предлагаемой схемы является широкий диапазон рабочих температур (–55 °C … 125 °C) используемого полевого транзистора. Микросхема IC1 не нуждается в специальных условиях и может работать при комнатной температуре, подключенная к транзистору через несколько футов коаксиального кабеля с фторопластовой изоляцией. Таким образом, полевой транзистор может быть смонтирован в охлаждаемом объеме и иметь минимальный уровень шумов, что и было главной целью разработки.

Входной сигнал подается на затвор полевого транзистора Q1, соединенный с «землей» резистором R3, сопротивление которого можно уменьшить, если сигнал поступает от источника тока.

Потенциал истока транзистора смещается инвертирующим преобразователем ток-напряжение, основанным на микросхеме IC1. Опорное напряжение VREF, для большинства полевых транзисторов равное 0 … 3 В, управляет напряжением затвор-исток (VGS) в режиме покоя, позволяя выставить ток стока в среднюю точку области нулевого дрейфа крутизны. Одновременно этим обеспечивается большой динамический диапазон для входного сигнала. Регулируя VREF, мы можем установить ток рабочей точки Q1 равным 7…10 мА, что будет близко к точке нулевого дрейфа. Рабочий ток необходимо тщательно изучать и индивидуально подбирать для каждого типа транзисторов. Например, для тысячи испытанных транзисторов 2SK152-2 этот ток составил 7.5 ±1 мА.

В качестве IC1 должен использоваться широкополосный усилитель с обратной связью по току. Хорошо показали себя выпускаемые Analog Devices усилители AD812 при напряжении питания от ±12 В до ±15 В и AD8009 при напряжении питания ±5 В. Сопротивление резистора обратной связи R2 можно выбирать из диапазона 500 Ом … 5 кОм. Включенный параллельно с ним конденсатор C1 емкостью 100 пФ подавляет генерацию и выбросы напряжения. Не забывайте, что выходное напряжение усилителя смещено из-за смещения входного каскада, поэтому лучше всего использовать схему для усиления переменных или импульсных сигналов. При правильном сочетании R2 и C1 можно получить время нарастания от 10 нс до 100 нс. Усилители с обратной связью по току работают в интервале коэффициентов усиления от 2 до 10, которые задаются резистором R2. При более высоких коэффициентах усиления в схеме начинается генерация.

С помощью резистора R1 организована контрольная точка, предназначенная для измерения тока, протекающего через полевой транзистор. Кроме того, она является источником сигнала с выходным сопротивлением 50 Ом, который можно напрямую подключать к осциллографу. Оба выходных сигнала инвертированы относительно входного и имеют типичный размах ±100 мВ. Для работы с сигналами, имеющими постоянную составляющую, перед затвором следует включить конденсатор емкостью от 1 нФ до 10 нФ.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх