Por qué Preamplificadores de audio de pilas importan

Los ajustes de captura de audio portátiles suelen sufrir de señales de micrófono débiles, salidas de instrumentos de alto impacto o largas tiradas de cable que degradan la calidad del sonido antes de que la señal llegue a un grabador o mezclador. Un preamplificador compacto y accionado por baterías construido alrededor de un amplificador operativo de calidad resuelve estos problemas sin atarle a un outpl de pared.

Diseñar un dispositivo de tal tipo desde cero requiere más que simplemente recoger una op-amp y cablear algunos resistors. Debe navegar por un solo-supply biasing, selección de componentes cuidadosa, gestión de ruidos y diseño PCB, todo mientras mantiene el sorteo actual lo suficientemente bajo como para ofrecer vida útil de batería. Esta guía camina a través del proceso de diseño completo, cubriendo todo desde parámetros de op-amp hasta encierrar blindaje, por lo que puede construir un preampoductor que supere su rivalidad

Amplificador operativo como núcleo

Un amplificador operativo toma un pequeño voltaje diferencial entre sus entradas invertir (–) y no invertir (+) y lo multiplica por una ganancia abierta que puede superar 100 dB. Las redes de retroalimentación toman ese enorme aumento de una figura precisa y estable de cierre cerrado. Para el audio, el op-amp debe realizar esta tarea de forma lineal a través de la banda de 20 Hz a 20 kHz y añadir un pequeño distorsión

La configuración amplificadora no invertido es el caballo de trabajo para la mayoría de los insumos preamplificadores porque ofrece un alto impedancia de entrada (según la red de sesgos de entrada de la op-amp) y un control de ganancia fácil con sólo dos resistores. Cuando se alimenta de una sola batería de suministro, sin embargo, el op-amp debe ser parcial a la mitad del voltaje de suministro para permitir un oscilación de señal simétrica, una técnica que examinaremos más adelante.

Parámetros críticos de O-Amp para audio portátil

Elegir el amplificador operativo adecuado significa leer hojas de datos con un enfoque en parámetros que importan para el audio accionado por baterías. Estas cinco características deben guiar su selección:

  • ] Densidad de ruido de tensión de entrada: Especificada en nV/√Hz, generalmente a 1 kHz. Opciones de audio de baja altura como las OPA2134 (8 nV/√Hz) o NE5532 [para su mirada
  • ]Profundidad de corriente por amplificador:] El engranaje portátil exige la frugalidad. Un moderno op-amp CMOS como el OPA1671 dibuja sólo 940 μA por canal, mientras que un bipolar clásico ]NE5532 por canal de generación.
  • ]Grupo de salida de la vía a la espiral: Con una sola batería de 9V, el voltaje de suministro comienza aproximadamente a 9V y se eleva hacia 5.5V mientras se descarga. Un dispositivo de salida de la vía ferroviaria puede oscilar dentro de los milivolts de los raíles, maximizando el cuarto de cabeza.
  • ] Producto ancho de banda de ganancia (GBWP): Para mantener una baja distorsión a 20 kHz con una ganancia de 20 dB (10×), necesita un GBWP al menos diez veces ese producto, alrededor de 2 MHz. Partes como el TL072 (3 MHz) trabajo más grande, pero para mayor
  • ]Tipo de flujo: Los transientes de audio pueden ser rápidos. Un mínimo 5 V/μs es típico para señales de 20 kHz a gran escala, aunque incluso 3 V/μs pueden bastar para el trabajo de nivel de línea. Las tasas de flujo más rápida reducen la distorsión de intermodulación transitoria.

Bajo poder y bajo ruido a menudo tiran en direcciones opuestas. Para una preamplificación de micrófono propulsado por batería, el NE5532 ofrece un excelente rendimiento de ruido pero a una corriente de suministro más alta. Si necesita una máxima duración de la batería, una parte moderna como el OPA1671 golpea un buen equilibrio. Para una preamplificación de guitarra que sólo necesita un poco de dB de ganancia, un TL072 puede ser perfectamente adecuado.

Desafíos de poder y de apago

Una batería alcalina de 9V (PP3) sigue siendo la opción más accesible para los preamplificadores compactos. Proporciona un 9V nominal con capacidad moderada (alrededor de 500–600 mAh). Dos células AA o AAA en serie dan 3V-demasiado bajo para muchas op-amps estándar, así que considera un pequeño regulador de impulso o utilizar un bloque de 3V de carga I/O de alta tensión.

Creación de un terreno virtual

Como las señales de audio son bipolar, la entrada de op-amp debe sentarse en un offset DC constante, normalmente Vcc/2, para que la salida pueda oscilar tanto positiva como negativa respecto a esa referencia. Un simple separador de resistencia de Vcc a tierra, superado con un condensador, crea esta referencia de mediana velocidad. El centro de dividedor se conecta a la entrada de no inversión suficiente a través de un referencia de entrada impance

Utilice una segunda op-amp (si tiene un repuesto) para amortiguar la referencia Vcc/2, creando un “tierra virtual” de bajo impacto que puede conducir múltiples etapas sin interacción. Esta técnica es común en circuitos de audio de sola dosis y se detalla en muchas TI notas de aplicación].

Filtro de fuente de alimentación

Las baterías no son perfectamente libres de ruido; pueden producir sus procesos químicos internos, y cualquier circuito digital cercano puede inyectar ruido. Insertar un filtro de baja velocidad entre la batería y los pines de potencia de op-amp. Un resistor de serie 10Ω–100Ω seguido de un condensador electrol de 100μF–470μF en paralelo con un condensador de cerámica de 0,1μF proporciona un descodificador eficaz.

Diseño de circuito paso a paso

El amplificador clásico sin invertir AC-coupled forma la columna vertebral de los canales más preamplificadores. La señal de entrada entra a través de un condensador de bloqueo DC, pasa a través de un resistor a la entrada no invertida de op-amp, que se bifurca a Vcc/2. Retrocede resistencias de salida a la entrada invertir y de la entrada al suelo establecer el siguiente capacitor de Acoplamiento.

Ajuste de la ganancia y control de ancho de banda

[LT] [FLT] [FLT] [4]] [4]] [FLT] [4]]] [FLT] [4]] [FLT] [4]]] [4]]] [F.

Para la ganancia variable, sustitúyase Rf] o Rg con un potenciómetro. Una olla de 10kΩ con Rf permite un ajuste de ganancia suave. Para evitar clics o cambios de DC, asegura que el limpiaparaduras de o el limpiaparador de la o el tubo de la o el tubo es AC

Protección de entrada y filtrado RF

Los preamplificadores a batería se conectan a fuentes impredecibles. Agrega un condensador de 100pF–220pF de entrada a tierra después de la tapa de bloqueo de DC para la interferencia de frecuencia de radio. Un resistor de serie de 1kΩ–10kΩ también puede ayudar, pero interactuará con la capacitancia de entrada de la op-amp y la tapa de filtro RF para formar un diodo de entrada de baja presión.

Selección y cálculos de componentes

Diseñamos un práctico preamplificador de un solo canal con una ganancia ajustable de 1× (0 dB) a 10× (20 dB) utilizando una batería 9V.

  • Amplificador operativo: OPA1671 (bajo ruido, 940 μA quiescente, salida de ferrocarril a carril, 16V/μs velocidad de rocío). Alternativamente, para la corriente de suministro ultra-bajo, el OPA1692 (650 μA por canal, 4.2V
  • capacitores de bloqueo de CD: Entrada: 1μF de película o cerámica NP0 (para microfonía baja) para establecer alta entrada con el resistor de sesgo. Salida: 10μF electrolítica con un bypass de película 100nF para conducir entradas de nivel de línea.
  • Resistente de Bias (desde entrada no invertida a Vcc/2): 100kΩ. Combinado con la tapa de entrada 1μF, se obtiene un punto -3 dB en aproximadamente 1,6 Hz, muy por debajo del audio.
  • Red de gain: Rg] (fixed) = 1kΩ, Cg (AC-coupling to ground) = 47μF cerámica electrolítica + 0.1μF para un ángulo inferior a 4 Hz. R[FLT]
  • Vcc/2 divider: Dos resistencias de 10kΩ con un condensador de 47μF de centro a tierra.
  • Decoupling de potencia: Cerámica electrolítica de 100μF y 0.1μF cerca del pin de op-amp V+.

Si necesita un aumento mayor (40–60 dB para un micrófono dinámico), se requiere una etapa adicional de preparación de baja altura o una opción diferente (como THAT1510 si está construyendo una entrada equilibrada). Para proyectos simples, sin embargo, una sola etapa con un interruptor de ganancia paso a menudo basta.

Reducción de ruido y diseño PCB

Incluso el op-amp más silencioso puede ser derrotado por la mala disposición. Corrientes circulando en un plano de tierra puede modular la referencia de la señal, inyectando hum y zumbido. Siga estas reglas para mantener su circuito silencio:

  • Usa un plano sólido de tierra] en un PCB doble, pero mantén las vías de retorno de alta corriente (como gatos de salida y batería negativo) lejos de las entradas sensibles. Partición del plano de tierra si es necesario, con una conexión de un solo punto para el campo de audio.
  • Arrastre de inicio: conectar el terreno de entrada, ganar terreno de red, referencia Vcc/2 y salida del jack a un solo punto en el plano de tierra cerca de la op-amp. Esto evita que las corrientes de carga ruidosas desarrollen caídas de tensión a través de la sensible retorno de entrada.
  • Los condensadores de bypass deben estar físicamente cerca de los pines de potencia op-amp, con breves trazas al plano de tierra. Utilice una cerámica de 0.1μF en paralelo con un electrolítico más grande. Coloque la cerámica más cerca del pin.
  • Mantén los rastros de entrada cortos] y lejos de los nodos de alta impedancia. Si la entrada op-amp es de alto impacto, se puede necesitar un anillo de guardia o blindaje. Para un búfer no invertido, la impedancia de entrada es determinada por el resistor de sesgo y la tapa de entrada, no el op-amp en sí, por lo que 100kΩ es manejable.
  • Use resistentes a la película metálica (1% o mejor) en la vía de señal para el ruido de baja sobrecarga. Los resistores de la composición del carbono son ruidosos y deben evitarse.
  • Cable blindado] para la entrada dentro del recinto es obligatorio. Incluso unos pocos centímetros de alambre sin escaneo pueden actuar como una antena.
  • Via costura: Si se utiliza una tabla de dos capas con un plano en el fondo, coloque una hilera de vias alrededor del área de entrada sensible para reducir la inductancia del suelo y mejorar el blindaje.

PCB Diseño y Miniaturización

Los componentes de montaje superficial permiten reducir un preamplificador al tamaño de un sello de correo grande. Los resistores y condensadores de 0805 o 0603 son fáciles de combinar con la práctica. Los op-amps SOT-23 son pequeños pero perfectamente manejables bajo la magnificación. Un PCB de doble cara con un plano de tierra en la capa inferior y los rastros de señal en la parte superior mantiene pequeñas áreas de bucle.

Arregle el PCB para que el conector de entrada, el clip de batería y el conector de salida se coloquen lógicamente, minimizando las tiradas de alambre. Monte el potenciómetro directamente en el tablero si es posible. Si utiliza partes de agujeros para los gatos y la olla, combine SMD para todo lo demás para guardar espacio.

Para el diseño compacto final, considere un PCB personalizado con el soporte de batería integrado. Una plataforma popular es el snap de batería 9V con un pequeño PCB que contiene todo el circuito, encajando dentro de una caja de aluminio blindado no más grande que la batería misma. Hay muchos instructables] que demuestran este factor de forma.

Pruebas y optimización

Después de la soldadura, confirme que no hay cortos entre la potencia y el suelo. Conecte una batería 9V fresca a través de su multimímetro para medir el sorteo actual, si está debajo de la especificación quiescente de op-amp, sospeche una conexión defectuosa o divider Vcc/2 malicioso. A continuación, consulte el voltaje de referencia Vcc/2 en la entrada de invertido de la op-amp; debe sentarse a cerca de la mitad del voltaje de la batería (4.5V ±0.

El sistema de sonido de la tarjeta de crédito y el sistema de sonido de la tarjeta de sonido de la tarjeta de crédito, que permite un uso de la señal de alta calidad de la unidad de sonido de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de la unidad de alta frecuencia.

Estimación de la vida de la batería

Calcular la vida de la batería dividiendo la capacidad de la batería (mAh) por el sorteo total de corriente (incluyendo opac, resistencias de sesgo, LED si se utiliza, y cualquier corriente quiescente regulador). Por ejemplo, un OPA1671 dibuja 0.94 mA, más 0.5 mA para el divider (dos resistores de 10kΩ de 9V dan alrededor de 0.9 mA, pero el divider es entre Vcc y tierra por lo que siempre es de 9 m

Construcción práctica y de recinto

Seleccione una caja de fundición de aluminio para un blindaje eficaz contra interferencia electromagnética. Agujeros de perforación para conectores de entrada y salida (por ejemplo, neutrik o Switchcraft), un eje potenciómetro, y un interruptor de potencia si es deseado. Asegúrese de que el cierre se conecta al suelo de circuito a través de un cable dedicado o a través de las conexiones de tierra de gato.

Para una unidad totalmente portátil, considere agregar un clip de cinturón o un montaje de velcro. Etiquete el control de ganancia y entrada/salida claramente para evitar la pérdida de señal. Un pequeño LED de un solo color (con una resistencia de serie 10kΩ) puede indicar el power-on, pero recuerde su cajón actual. Si necesita operación silenciosa, omitir el LED o utilizar un indicador de pulso que parpadea brevemente cuando se encendió.

Aplicaciones y extensiones en el mundo real

Un preamplificador de o-amp con batería brilla en varios escenarios prácticos:

  • Acelerador de instrumentos pasivos: Ponlo dentro de una guitarra o en un pedal para amortiguar las pastillas de alta potencia, conduciendo cables largos sin pérdida de tono.
  • Premado de micrófono dinamico: Pare con una op-amp de alta ganancia (por ejemplo, NE5532 a 40 dB de ganancia) para alimentar un grabador portátil o una entrada de audio de cámara. Un suministro de batería de 9V dual (crear ±9V) puede dar más espacio para fuentes fuertes, aunque duplica el número de batería.
  • Phono preamp (RIAA): Con redes de ecualización cuidadosas en el bucle de retroalimentación, la misma arquitectura básica se convierte en un preamplificador de reproducción de vinilo.
  • Conductor de línea desgarrado: Un segundo op-amp puede invertir la señal para crear una salida equilibrada para el equipo profesional, todo corriendo de una sola batería.
  • Transmisor inalámbrico de micrófono: Combina con un pequeño módulo de transmisor FM o digital para una configuración de grabación completamente sin cables.

Múltiples canales y entrada equilibrada

Muchos paquetes de op-amp de quad (como el OPA4134 o TLV6744 de baja potencia) le permiten construir preamplificadores estéreo de dos canales en un solo chip. Colocar la tabla como mitades reflejadas para mantener el cruce bajo. Si necesita una verdadera entrada diferencial equilibrada para los micrófonos, considere un amplificador de instrumentación dedicado como el INA163 [FLT.

Para el drenaje de baterías ultra-bajo, mire las opacidades de nanopoder como el TSV912 (550 μA por canal) o el LPV821] (650 nA por canal!). Mientras que su rendimiento de ruido no es estelar, pueden ser adecuados para el impulso de nivel de línea o sensor un amplificador

Conclusión

Un preamplificador de audio compacto y alimentado por baterías construido alrededor de un amplificador operativo cuidadosamente elegido es un proyecto muy satisfactorio que produce una herramienta usable en innumerables situaciones. Al tratar el diseño de un solo-suplemento como un sistema, desde la referencia de tierra virtual a la decodificación y blindaje, usted elimina el ruido y las limitaciones de la cabeza que a menudo disuaden a los hobbyists.