Pourquoi les préamplificateurs audio alimentés par batterie ont-ils une matière?

Les configurations de capture audio portables souffrent souvent de signaux micro faibles, de sorties d'instruments à haute impédance ou de longs câbles qui dégradent la qualité du son avant que le signal ne atteigne un enregistreur ou un mélangeur. Un préamplificateur compact alimenté par batterie construit autour d'un amplificateur opérationnel de qualité résout ces problèmes sans vous attacher à une prise murale. Il fournit un gain net sur le terrain, à l'intérieur d'un pédalier de guitare, ou dans une minuscule boîte d'interface studio.

La conception d'un tel dispositif à partir de zéro nécessite plus que de simplement choisir un apprivoiseur et câblage quelques résistances. Vous devez naviguer en biais d'offre unique, sélection soigneuse des composants, gestion du bruit et mise en page des PCB, tout en gardant le tirage actuel suffisamment bas pour offrir une durée de vie pratique de la batterie. Ce guide passe par le processus de conception complet, couvrant tout, des paramètres d'opamp à l'écran de protection, afin de pouvoir construire un préamplificateur qui rivalise avec les unités commerciales en performance et les dépasse dans la portabilité.

Amplificateur opérationnel comme élément central

Un amplificateur opérationnel prend une petite tension différentielle entre ses entrées d'inversion (–) et non d'inversion (+) et la multiplie par un gain de boucle ouverte qui peut dépasser 100 dB. Les réseaux de rétroaction apprivoisent ce gain énorme à une figure précise et stable de boucle fermée. Pour l'audio, l'amplificateur doit effectuer cette tâche linéairement sur la bande de 20 Hz à 20 kHz tout en ajoutant le moins de distorsion et de bruit possible.

La configuration de l'amplificateur non inversé est le cheval de travail de la plupart des entrées de préamplificateur car il offre une impédance d'entrée élevée (réglée principalement par le propre réseau de biais d'entrée de l'amplificateur d'op) et un contrôle facile avec seulement deux résistances.

Paramètres critiques pour l'ampli optique portable

Choisir l'amplificateur opérationnel approprié signifie lire des fiches techniques en mettant l'accent sur les paramètres qui comptent pour l'audio alimenté par batterie. Ces cinq caractéristiques doivent guider votre sélection:

  • Densité sonore de tension d'entrée: Spécifiée en nV/ √Hz, généralement à 1 kHz. Des op-amps audio à faible bruit comme le [OPA2134 (8 nV/ √Hz) ou NE5532 (5 nV/ √Hz) gardent le sifflet inaudible.
  • Le courant d'alimentation par amplificateur:[ Le rapport portable exige de la frugalité. Un op-amp CMOS moderne tel que le OPA1671 ne tire que 940 μA par canal, tandis qu'un classique bipolaire NE5532 tire environ 4 mA par canal. Multipliez par le nombre de canaux et la durée de vie de votre batterie cible pour trouver le budget moyen actuel.
  • Swing de sortie rail-rail:[ Avec une seule batterie 9V, la tension d'alimentation commence à environ 9V et s'écoule vers 5,5V. Un ampère-op-sortie rail-rail peut osciller dans les millivolts des rails, maximisant ainsi la salle de tête. Les ampères-op standard peuvent cliper prématurément, gaspillant une précieuse tension de batterie.
  • Produit de largeur de bande de gaine (GBWP):[ Pour maintenir une faible distorsion à 20 kHz avec un gain de 20 dB (10×), vous avez besoin d'un GBWP au moins dix fois ce produit, environ 2 MHz. Des parties comme TL072 (3 MHz) fonctionnent, mais pour un gain plus élevé ou une largeur de bande plus large, choisissez 10 MHz ou plus.
  • Taux de chute: Les transitoires audio peuvent être rapides. Un minimum de 5 V/μs est typique pour les signaux à pleine échelle de 20 kHz, bien que même 3 V/μs peuvent suffire pour le travail au niveau de la ligne.

Pour un préampli micro alimenté par batterie, le NE5532 offre d'excellentes performances sonores mais à un courant d'alimentation plus élevé. Si vous avez besoin d'une durée de vie maximale de la batterie, une partie moderne comme l'OPA1671 est en bon équilibre. Pour un préampli guitare qui nécessite seulement quelques dB de gain, un TL072 peut être parfaitement adéquat. Pour un guide de sélection faisant autorité, se référer à des ressources comme Analog Devices=" op-amp parameter search.

Les défis de puissance et de partialité

Une batterie alcaline 9V (PP3) reste le choix le plus accessible pour les préamplis compacts. Elle fournit un 9V nominal à capacité modérée (environ 500–600 mAh). Deux cellules AA ou AAA en série donnent 3V – trop bas pour de nombreux op-amps standard – donc considérez un petit régulateur de boost ou utilisez un op-amp 3V de rail-à-rail. Un bloc Li-Ion 9V rechargeable offre une résistance interne plus faible et une durée de vie plus longue, mais est livré avec une tension légèrement plus basse (7,4V nominal).

Création d'un terrain virtuel

Comme les signaux audio sont bipolaires, l'entrée op-amp= doit être assise à un décalage continu, typiquement Vcc/2, de sorte que la sortie peut osciller à la fois positive et négative par rapport à cette référence. Un simple diviseur de résistance de Vcc au sol, contourné avec un condensateur, crée cette référence de l'alimentation moyenne. Le centre de diviseur se connecte à l'entrée non-invertante par une résistance (pour régler l'impédance d'entrée) et devient le signal de base pour le couplage AC. Assurez-vous que les résistances de diviseur sont suffisamment basses pour fournir une référence rigide mais assez élevée pour éviter de drainer la batterie—10k= à 47k=.

Utilisez un deuxième op-amp (si vous avez un autre) pour tamponner la référence Vcc/2, créant un terrain virtuel faible en impédance qui peut conduire plusieurs étapes sans interaction. Cette technique est commune dans les circuits audio à alimentation unique et est détaillée dans de nombreuses notes d'application TI.

Filtre d'alimentation électrique

Les batteries ne sont pas parfaitement sans bruit; elles peuvent produire le son en raison de processus chimiques internes, et tout circuit numérique à proximité peut injecter du bruit. Insérez un filtre passe-bas entre la batterie et les broches de puissance op-amp. Une résistance de série 10--100-, suivie d'un condensateur électrolytique 100μF-470μF en parallèle avec un condensateur céramique 0,1μF fournit un découplage efficace.

Conception du circuit Étape par étape

L'amplificateur classique, non-inverti, est l'épine dorsale de la plupart des canaux préamplificateurs. Le signal d'entrée entre par un condensateur de blocage DC, passe par une résistance à l'entrée op-amplificateur non-inverti, qui est biaisée vers Vcc/2. Les résistances de rétroaction de la sortie à l'entrée inverse et de l'entrée inverse au sol fixent le gain AC. Un deuxième condensateur de couplage à la sortie supprime le décalage DC avant de se connecter à l'étape suivante.

Réglage des gains et contrôle de la largeur de bande

Pour une configuration non inversée, gain = 1 + (Rf / Rg[), où R[f est la résistance de rétroaction et Rg est la résistance au sol (ou au sol virtuel couplé en courant alternatif). Pour éviter d'amplifier le décalage DC ou le frottement à basse fréquence, placer un condensateur en série avec Rgg au sol, créant un filtre passe-haut. La fréquence d'angle -3 dB est f = 1 / (2π × R]g × C]g]. Choisissez Cg pour maintenir le coin sous 10 à 20 Hz. De même, une petite largeur de FT[F] peut être maintenue en parallèle et en haute

Pour le gain variable, remplacer Rf ou Rg[ par un potentiomètre. Un pot de 10k="log-taper en série avec Rf permet un ajustement de gain en douceur. Pour éviter les clics ou les déplacements en courant continu, assurez-vous que l'essuie-glaces est couplée à un courant alternatif ou qu'un petit condensateur contourne la piste du pot="s au sol.

Protection des entrées et filtrage RF

Les préamplis alimentés par batterie se connectent souvent à des sources imprévisibles. Ajoutez un condensateur 100pF–220pF de l'entrée au sol après le bouchon de blocage DC pour éviter les interférences radiofréquences. Une résistance série de 1kш–10kю peut également aider, mais il interagira avec la capacité d'entrée des op-amps et le bouchon du filtre RF pour former un filtre à passe basse.

Sélection et calcul des composants

Let ès conception un préampli pratique à un canal avec un gain réglable de 1× (0 dB) à 10× (20 dB) à l'aide d'une batterie 9V.

  • Amplificateur opérationnel: OPA1671 (faible bruit, 940 μA quiescent, sortie rail-rail, taux de lissage 16V/μs).
  • Condensateurs de blocage de DC:[ Entrée: 1μF film ou NP0 céramique (pour microphonie basse) pour régler l'entrée à haute-pass avec la résistance de biais. Sortie: 10μF électrolytique avec un pontage de film 100nF pour conduire des entrées de niveau de ligne.
  • Résistance au bis (de l'entrée non inversée à Vcc/2): 100k. Combiné avec le bouchon d'entrée 1μF donne un point -3 dB à environ 1,6 Hz, bien en dessous de l'audio.
  • Réseau de gaz:[ Rg (fixé) = 1k., Cg[ (couplage AC au sol) = 47μF électrolytique + 0,1μF céramique pour un coin sous 4 Hz. R[f[ = 10k. potentiomètre + 9k. Résistance fixe en série, donnant une plage de gain de (1 + 9k/1k) = 10× à (1 + 19k/1k) = 20×, bien qu'un pot de log rende le réglage plus musical. Pour garder le gain minimum à 1, vous avez besoin d'une configuration différente avec le pot dans la jambe de terre, mais le schéma ci-dessus fonctionne bien pour un booster de guitare.
  • Vcc/2 diviseur: Deux résistances de 10k=" avec un condensateur 47μF du centre au sol.
  • Découplage de puissance:[ 100μF électrolytique et 0,1μF céramique près de l'op-amp V+ pin.

Si vous avez besoin d'un gain plus élevé (40-60 dB pour un microphone dynamique), un préamplificateur à faible bruit supplémentaire ou un op-amplificateur différent (comme le THAT1510 si vous construisez une entrée équilibrée) est nécessaire.

Réduction du bruit et mise en page des PCB

Même l'op-amp peut être vaincu par une mauvaise disposition. Les courants circulant sur un plan au sol peuvent moduler la référence du signal, injecter la hum et le buzz. Suivez ces règles pour garder votre circuit silencieux:

  • Utilisez un plan sol solide sur un PCB double face, mais gardez les chemins de retour à courant élevé (comme les prises de sortie et les piles négatives) loin des retours d'entrée sensibles.
  • Stargrounding: raccorder le sol de la prise d'entrée, gagner le sol réseau, la référence Vcc/2 et la prise de sortie du sol à un seul point au plan du sol près de l'ampli op. Cela empêche les courants de charge bruyants de développer des chutes de tension à travers le retour d'entrée sensible.
  • Les condensateurs de dérivation[ doivent être physiquement proches des goupilles de puissance de l'ampli op, avec de courtes traces au plan de sol. Utilisez une céramique 0,1μF en parallèle avec une électrolytique plus grande. Placez la céramique plus près de la goupille.
  • Gardez les traces d'entrée courtes et éloignées des nœuds à haute impédance. Si l'entrée de l'amp-op est haute impédance, il peut être nécessaire d'avoir un anneau de protection ou un blindage. Pour un tampon non inversé, l'impédance d'entrée est déterminée par la résistance au biais et le capuchon d'entrée, et non l'amp-op lui-même, de sorte que 100k--- sont gérables.
  • Utilisez des résistances à film métallique (1 % ou mieux) dans la trajectoire du signal pour un bruit trop faible.
  • Le câble à gaine[ pour l'entrée à l'intérieur de l'enceinte est obligatoire. Même quelques centimètres de fil non blindé peuvent agir comme une antenne.
  • Coutures de la voie:[ Si vous utilisez une planche à deux couches avec un plan de terre sur le fond, placez une rangée de vias autour de la zone d'entrée sensible pour réduire l'inductance du sol et améliorer le blindage.

Conception et miniaturisation des PCB

Les composants de montage en surface vous permettent de réduire un préamplificateur à la taille d'un grand timbre-poste. 0805 ou 0603 résistances et condensateurs sont faciles à résoudre à la main avec la pratique. Les app-amplis SOT-23 sont minuscules mais parfaitement maniables sous grossissement. Un PCB double face avec un plan au sol sur la couche inférieure et des traces de signal sur le dessus maintient les zones de boucle petites.

Placez le PCB de façon à ce que le connecteur d'entrée, le clip de batterie et le connecteur de sortie soient placés logiquement, minimisant les fils. Montez le potentiomètre directement sur la carte si possible. Si vous utilisez des pièces de trous pour les jacks et le pot, combinez SMD pour tout le reste pour économiser de l'espace.

Pour le design compact ultime, considérez un PCB personnalisé avec le support de batterie intégré. Une plate-forme populaire est la prise de batterie 9V avec un petit PCB qui contient le circuit entier, en installant dans une boîte en aluminium blindé pas plus grand que la batterie elle-même. Il ya beaucoup instructibles qui démontrent ce facteur de forme.

Essais et optimisation

Après la soudure, confirmez qu'il n'y a pas de short entre la puissance et le sol. Connectez une nouvelle batterie 9V à travers votre multimètre pour mesurer le tirage du courant – si elle est inférieure à la spécification de quiescent op-amps, soupçonnez une connexion défectueuse ou un diviseur Vcc/2 mal câblé. Ensuite, vérifiez la tension de référence Vcc/2 à l'entrée de non-inversion op-amps; il doit être assis à environ la moitié de la tension de la batterie (4,5V ± 0,1V).

Pour mesurer le plancher sonore, raccourcissez l'entrée (avec le condensateur d'enclenchement toujours en circuit) et observez la sortie sur un millivoltmètre ou un oscilloscope AC. Un préampli à base de NE5532 bien conçu peut atteindre un plancher de bruit de -100 dBu à 60 dB. Pour des mesures précises de THD+N, vous pouvez utiliser un analyseur audio dédié ou une carte son avec logiciel comme REW (Salle EQ Wizard), mais une portée et un générateur de signal suffisent pour la vérification de base.

Estimation de la durée de vie des batteries

Calculer la durée de vie de la batterie en divisant la capacité de la batterie (mAh) par le tirage total du courant (y compris l'ampli op, les résistances biais, le LED s'il est utilisé et tout courant de quiescent de régulateur). Par exemple, un OPA1671 tire 0,94 mA, plus 0,5 mA pour le diviseur (deux résistances 10kш de 9V donnent environ 0,9 mA, mais le diviseur est entre Vcc et sol, c'est toujours dessiner).

Pièce jointe et construction pratique

Sélectionnez une boîte moulée en aluminium pour assurer une protection efficace contre les interférences électromagnétiques. Percez des trous pour les prises d'entrée et de sortie (p. ex. neutrik ou Switchcraft), un arbre potentiomètre et un interrupteur électrique si désiré. Assurez-vous que l'enceinte se connecte au circuit sol par un fil dédié ou par les connexions au sol de la prise. Pour l'accès à la batterie, utilisez un support 9V à pression fixe avec mousse ou un clip.

Pour une unité entièrement portable, envisagez d'ajouter un clip de ceinture ou un support Velcro. Étiquetez clairement le contrôle de gain et l'entrée/sortie pour éviter la perte de signal. Une petite LED monocolore (avec une résistance de la série 10k-), peut indiquer la puissance, mais rappelez-vous son tirage courant.

Applications et extensions du monde réel

Un préampli à piles à l'ampli op brille dans plusieurs scénarios pratiques :

  • Rassembleur d'instrument passif:[ Placez-le à l'intérieur d'une guitare ou sur un pédalier pour tamponner les pick-ups à haute impédance, en conduisant de longs câbles sans perte de tonalité.
  • Préampli de microphone dynamique:[ Paire avec un op-amp à gain élevé (p. ex. NE5532 à 40 dB gain) pour alimenter un enregistreur portable ou une entrée audio de caméra. Une batterie 9V double (créant ±9V) peut donner plus de salle de tête pour les sources fortes, bien qu'elle double le nombre de batteries.
  • Phono preamp (RIAA):[ Avec des réseaux d'égalisation soignés dans la boucle de rétroaction, la même architecture de base devient un préampli de lecture de vinyle. La puissance de la batterie élimine le bourdonnement du secteur qui affecte de nombreuses étapes de phono.
  • Driver de ligne par équilibrage:[ Un deuxième op-amp peut inverser le signal pour créer une sortie équilibrée pour les équipements professionnels, tous en courant une seule batterie.
  • Émetteur micro sans fil:[ Combinez-le avec un petit module d'émetteur FM ou numérique pour une configuration d'enregistrement entièrement sans câble.

Multiples canaux et entrées équilibrées

De nombreux paquets quad op-amp (comme l'OPA4134 ou TLV6744 de faible puissance) vous permettent de construire des préamplificateurs stéréo à deux canaux sur une seule puce. Déposez la carte en demi miroirs pour garder le crosstalk bas. Si vous avez besoin d'une entrée différentielle équilibrée pour les microphones, considérez un amplificateur d'instrumentation dédié comme le INA163 qui intègre le stade différentiel et gagne le réseau, simplifiant la conception de façon spectaculaire.

Pour les égouts ultra-faibles, regardez les op-amps nanopower tels que TSV912[ (550 μA par canal) ou LPV821[ (650 nA par canal!). Bien que leurs performances sonores ne soient pas stellaires, elles peuvent être adaptées à l'amplification de niveau de ligne ou de capteur où le niveau de signal est déjà relativement élevé.

Conclusion

Un préamplificateur audio compact alimenté par batterie, construit autour d'un amplificateur opérationnel soigneusement choisi, est un projet très satisfaisant qui permet de produire un outil utilisable dans de nombreuses situations. En traitant la conception d'un seul approvisionnement comme un système – de la référence virtuelle au découplage et au blindage – vous éliminez les limites du bruit et de la tête de chambre qui souvent découragent les amateurs. La combinaison d'un op-amp à faible bruit, d'un plan de PCB réfléchi et d'un boîtier métallique robuste produit un préampli qui peut se tenir à l'écart des produits commerciaux tout en vous coûtant une fraction du prix et en vous enseignant des volumes sur l'électronique audio analogique.