Высококачественный предусилитель (вариант 2)

Автор: Род Эллиотт (Rod Elliott - ESP)

Введение

Оригинальный предусилитель (Project 02), описанный выше, в целом показал хорошие результаты, но в интересах улучшения качества и сокращения «излишеств» эта новая версия должна оправдать большинство ожиданий. Качество во многом зависит от использования высококачественных операционных усилителей, таких как Signetics NE5534 или Texas Instruments/Burr Brown OPA2134. Вы также можете использовать LM4562 или другие высококачественные операционные усилители, если это необходимо. При использовании NE5532, вы можете обнаружить небольшое постоянное напряжение на выходе, которое может вызвать некоторый шум. В этом случае можно установить электролиты емкостью 10 мкФ последовательно к переменным резисторам баланса и громкости. Полярность не важна, поскольку на конденсаторах будет меньше 20 мВ постоянного тока, а полярные электролиты будут (почти) всегда с таким низким напряжением.

Несмотря на то, что это обычное устройство с обратной связью по напряжению, существуют некоторые возможности для получения высокого качества звука. Конденсаторы в аудио тракте были сведены к минимуму. Вместо указанных полиэфирных конденсаторов можно использовать полипропиленовые, но из-за очень маленькой печатной платы они должны монтироваться вне ее. Это может представлять некоторые трудности. Должен сказать, что вы не услышите различий между полиэфиром и полипропиленом в хорошо проведенном двойном слепом тесте, несмотря на то, что можете прочитать в другом месте.

Ключевым моментом при разработке рассматривалась гибкость и простота, и ПП была разработана с учетом этих соображений. В данной схеме практически невозможно что-либо изменить, включая добавление регуляторов тембра, если вы захотите их использовать. Для еще большей гибкости вы даже можете использовать две печатные платы, хотя это редко бывает необходимо на практике.

Существует много рекомендаций по использованию переменных резисторов на входах CD и тюнера для согласования уровня с другими источниками сигнала, которые у вас есть. Здесь это не показано, но потенциометры будут использоваться точно так же, как показано на схемах исходного предусилителя.

Ниже приведена фотография завершенной печатной платы, а также некоторые спецификации моего прототипа.

Описание

Схема довольно проста, а использование ПП делает ее чрезвычайно простой в сборке. Этот проект может быть объединен с фонокорректором RIAA (Project 06) и источником питания (Project 05) для получения полного Hi-Fi предусилителя.

В представленном варианте максимальный коэффициент усиления равен 9 дБ (в 2,8 раза), что соответствует большинству современных требований. Увеличение или уменьшение усиления возможно при изменении значение резистора. При использовании 2-х полярного шестипозиционного переключателя вы получите предусилитель с достаточным количеством входов для всех источников.

Селектор входов

На рис. 1 показан селектор входов и дополнительные выходы на запись. Я рекомендую, чтобы переключатель был расположен возле задней панели предусилителя рядом с входами. Это минимизирует вероятность перекрестных помех или высокочастотных потерь из-за емкости кабеля, а также уменьшает количество экранированного.

Рисунок 1 - Селектор входов

Резисторы 4,7k (R1 L + R и R2 L + R) в каждом канале используются, чтобы вернуть уровень сигнала к исходному значению, поскольку коэффициент усиления первого каскада составляет 6 дБ. Эти буферные резисторы защищают сигнал от любого возможного ухудшения, а также обеспечивают выходной уровень на запись таким же, как у оригинала. Эти резисторы не монтируются на плате, но легко размещаются на разъемах. Естественно, нет необходимости их использовать, если вы не планируете выход на запись. В таком случае они могут быть вообще опущены.

Примечание: Если коэффициент усиления первой ступени установлен на 0 дБ, как описано ниже, тогда R1 (L + R) следует заменить перемычкой, а R2 (L + R) не устанавливать (входные и выходные соединения соединяются напрямую).

Первый каскад усиления

В первом каскаде усилителя используется одна половина операционного усилителя OPA2134 с коэффициентом усиления 6 дБ. При показанных значениях отклик составляет -3 дБ на частоте 3,4 Гц и около 0,5 дБ на частоте 10 Гц. Входное сопротивление составляет 100k - немного выше, чем «промышленный стандарт» 47k.

Сигнал с выход этого каскада переходит на каскад регулировки баланса и громкости. Опять же, потенциометры не установлены на печатной плате, чтобы не ограничивать вас применением тех же типов переменников и теми же расстояниями, что и у меня.

Рисунок 2 – Первый каскад усиления

Ранние платы включали подавление радиопомех путем добавления небольшого конденсатора между двумя входами U1 (место для этого конденсатора можно увидеть на фотографии печатной платы). Впоследствии он был устранен, так как его применение вызвало больше проблем, чем пользы - в частности, самовозбуждение операционных усилителей с некоторыми устройствами.

Несмотря на то, что резисторы 10k обеспечивают требуемое усиления, вы можете уменьшить их номинал для снижения шума, если хотите. С предлагаемыми операционными усилителями OPA2134 (или NE5532) сопротивление этих резисторов может быть снижено до 1k. Номинал резисторов R2L + R2R на входе ОУ также может быть уменьшен, но при этом снижается помехоустойчивость усилителя. Я бы не рекомендовал использовать менее 220 Ом.

Точки, обозначенные AL и BL на рисунках 1 и 3, относятся только к левому каналу. Правый канал идентичен и использует вторую половину операционного усилителя. Правый канал использует точки соединения AR и BR (не показаны на рисунках).

Регулировка баланса и громкости

На рисунке 3 показаны регуляторы баланса и громкости. Я настоятельно рекомендую сохранить контроль баланса, поскольку из личного опыта я знаю, что редко имеется возможность правильно центрировать акустический образ. Перемещение акустических систем и мебели не всегда практично и безопасно. Если вы не хотите использовать регулятор баланса, он может быть полностью исключен из схемы.

Регуляторы громкости и баланса используются с линейной характеристикой. Как правило, у них выше точность, чем у логарифмических, а характеристику можно изменить путем добавления дополнительных резисторов. Регулятор баланс практически не влияет на качество звука, поскольку он не находится в сигнальном тракте (он просто выполняет роль делителя). Относительные сопротивления двух цепей отличается в 10 раз, поэтому их взаимодействие крайне низкое.

Рисунок 3 – Регуляторы баланса и громкости

В секции управления балансом происходит потеря 3dB, а это означает, что если баланс установлен на полный левый (или правый канал), то общая мощность системы останется примерно такой же, поскольку выбранный канал увеличивается по мощности. На самом деле, всегда будет слышимое различие, но максимальные настройки баланса L-R обычно используются использоваться только для тестирования. Управление балансом имеет широкую центральную область, что делает очень точной настройку баланса системы. Это сделано преднамеренно, поскольку часто неудобно, когда небольшое изменение позиции регулятора вызывает значительное изменение относительных уровней по каналам.

Второй каскад усиления

Рисунок 4 - Второй каскад усиления

Вторая ступень усиления практически идентична первой, причем основным отличием является наличие выходных конденсаторов.

Поскольку каскады предусилителя имеют коэффициент усиления по постоянному току (в цепи обратной связи нет постоянного блокирующего конденсатора), очень важно, чтобы постоянный ток не попадал в усилитель мощности. Для этого предназначен конденсатор емкостью 2мкФ на выходе предусилителя.

Параллельное включение конденсаторов на выходе предназначено для обеспечения «раскачки» мощного усилителя с сопротивлением до 22k и около 1 дБ на частоте 10 Гц. Если предусилитель будет подключаться к электронному кроссоверу или усилителю мощности, у которых уже есть входной конденсатор, то выходные конденсаторы могут быть опущены и заменены проводной связью.

Если вам требуется больше усиления, чем показано на схеме, вы можете использовать таблицу ниже, чтобы выбрать значение для R7, оставив R8 равным 10k в каждом случае. Я предлагаю изменить только коэффициент усиления второй ступени, чтобы предотвратить возможность перегрузки (искажения) первого этапа.

Как и было предусмотрено, маловероятно, что любой нормальный линейный сигнал может искажаться на первом этапе, и этот каскад может безопасно принимать входной сигнал напряжением менее 5 В без ограничения. Это дает наилучшее соотношение сигнал / шум.

Возможно, что шум будет немного выше, если первый этап не получит усиления, но несмотря на это, сомнительно, что шум будет слышен при  использовании малошумящих операционных усилителей.

Таблица настройки усиления

Каскад 1 может иметь усиление 0 или 6 дБ (коэффициент усиления 1 или 2 соответственно). На схеме коэффициент усиления равен 6 дБ, а для уменьшения его до 0 дБ необходимо заменить R3 перемычкой и оставить R4 в каждом канале.

В таблице показаны различные коэффициенты усиления, доступные для всего предусилителя при различных значениях R7 в каждом канале, а на этапе 1 с коэффициентом усиления 0 и 6 дБ. Как правило, довольно редко нужно больше 10 дБ усиления в предусилителе. Чувствительность показывает входное напряжение, необходимое для 1В RMS на выходе при максимальной громкости.

Работа второй ступени без усиления не рекомендуется, так как она, вероятно, будет возбуждаться из-за широкой полосы пропускаемых частот используемых ОУ. Усиление 0 дБ для второго каскада вряд ли потребуется на практике.

Например, с усилителем мощности, имеющим типичную чувствительность 1,0 В RMS, усиление предусилителя 10 дБ означает, что вход 320 мВ будет обеспечивать максимальную выходную мощность на максимальной громкости. Сигналы более высокого уровня потребуют уменьшения громкости для предотвращения перегрузки усилителя мощности.

Последняя версия ПП немного отличается от приведенной выше схемы. На ней присутствуют DIP-переключатели или 0,1-дюймовые перемычки для настройки коэффициента усиления.

Предлагаемый макет

Схема на рисунке 5 является одним из возможных способов компоноски предусилителя. Поскольку он питается от наружного трансформатора, выключатель питания может быть низковольтным. Этот метод построения очень безопасен, а также удерживает трансформаторы, потенциально создающие помехи, вдали от предусилителя, обеспечивая тем самым низкий уровень шума.

Рисунок 5 - Предлагаемая внутренняя компоновка

Как показано на рисунке 5, устройство включает плату питания, фонокорректор и плату предусилителя. Детали конструкции оставляются на ваше усмотрение, так как конкретные особенности в какой-то мере будут диктовать окончательное расположение различных узлов.

Приведенная общая компоновка обеспечивает минимальное  количество внутренней проводки и должна обеспечивать создание очень тихого предусилителя с абсолютно первоклассными характеристиками. Здесь проводка не показана, но она должна соотвествовать схемам, приведенным выше.

Для максимальной защиты корпус должен быть металлическим, но если требуется деревянный корпус, оклейка его алюминиевой фольгой может дать очень хорошие результаты. Убедитесь, что фольга хорошо заземлена, а все соединения должны быть винтовыми для обеспечения постоянства электрической целостности.

Качество деталей, используемых в этом проекте, полностью зависит от конструктора. Если вы используете высококачественные детали, качество предусилителя сможет конкурировать со многими лучшими представителями.

Все резисторы - 1% металлопленочные. Операционные усилители должны быть зашунтированы керамическими конденсаторами емкостью 100 нФ. Конденсаторы в сигнальном тракте лучше использовать полиэфирные с рабочим напряжением 63 В или выше. Электролитические конденсаторы должны быть с минимальным напряжением 35В.

Фото и измеренные характеристики прототипа

После сборки тестовой платы предлагаю вам некоторые параметры, а также фотографию завершенной печатной платы.

Рисунок 6 - Завершенный проект 88

Измерения на этом предусилителе были весьма затруднительными, главным образом, потому, что шум и искажения слишком малы для точного измерения. Я даже не пытался измерить искажения, но значения, которые у меня есть, следующие:

• Полоса пропускания -  от 10 Гц до 250 кГц, -0,4 дБ
• Шум  - <0,5 мВ RMS при полном усилении (вход открыт)
• Перекрестные помехи - <-58 дБ при 100 кГц

Эти цифры были получены с помощью устройства, находящегося в непосредственной близости от люминесцентных ламп и без экранирования. После монтажа в корпусе с надлежащей проводкой (вместо зажимов!) уровень шума и перекрестные помехи будут ниже, чем указано. Перекрестные помехи измерялись на частоте 100 кГц, потому что я не мог получить точное считывание на более низких частотах.

Я использовал 680 нФ входные и выходные конденсаторы, потому что у меня закончились 1мкФх63В, а конденсаторы 1мкФх100В MKT слишком велики, чтобы вписаться в доступное пространство. Тем не менее, низкочастотный отклик оказался вполне приемлем, как и было указано выше. Уровень 3 дБ на частоте 2,3 Гц достаточен для всех обычных прослушиваний.

Оригинал статьи

Теги:

• Предусилитель
• ОУ
• Перевод