Introduzione ai Mixer Audio Dual-Channel per gli studi domestici

Un mixer audio a doppio canale è uno dei più utili blocchi di costruzione in qualsiasi studio domestico. Consente di combinare due sorgenti audio indipendenti, come microfoni, strumenti a livello linea o interfacce audio, in un'unica uscita che può essere alimentata in ingranaggi di registrazione, altoparlanti di base o un amplificatore per cuffie.

Principi fondamentali dell'amplificatore operativo per l'audio

Gli amplificatori operativi sono i cavalletti di lavoro dell'elaborazione audio analogica. Il loro elevato guadagno open-loop, l'elevata impedenza di ingresso e l'impedenza di uscita ridotta li rendono ideali per sommare più segnali con una minima interazione tra i canali. Quando configurati come amplificatore di somma invertente, un amplificatore op può combinare due o più tensioni di ingresso in una singola tensione di uscita che è la somma ponderata degli ingressi.

Per un mixer a doppio canale, si utilizzerà tipicamente un doppio IC op‐amp come il TL072 (ingresso JFET, basso rumore, alto tasso di slitta) o il LM358 (bipolare, prestazioni inferiori ma ampiamente disponibile). Il TL072 è preferito per la maggior parte delle applicazioni home-studio a causa della sua bassa distorsione e dell'elevata impedenza di ingresso, che impedisce il caricamento di sorgenti audio.

Parametri chiave per la selezione di amplificatori Op

  • Tasso di lavoro[[ – almeno 3 V/μs per la riproduzione pulita di 20 kHz (TL072: 13 V/μs; LM358: 0.3 V/μs).
  • Tensione di rumore di ingresso[ – sotto 10 nV/√Hz per bassi is (TL072: 18 nV/√Hz a 1 kHz; LM358: ~40 nV/√Hz).
  • L'intervallo di tensione di approvvigionamento[[ – il doppio ±5 V a ±18 V è tipico (entrambi gli IC supportano ±15 V).
  • Impedenza di ingresso[[ – 109 Ω o superiore (TL072) contro 106 Ω (LM358).

Per i progetti in questa guida, è consigliato il TL072. È possibile trovare il suo foglio di dati [da Texas Instruments[] e la scheda dati LM358 qui] per riferimento.

Progettazione del circuito: La Topologia della Rifilatura Invertente

Ogni canale audio è collegato all'ingresso invertente (−) dell'amplificatore op attraverso una resistenza di ingresso serie. L'ingresso non invertente (+) è biased a terra (o a un terreno virtuale in disegni monoforni). Un resistore di feedback collega l'uscita all'ingresso invertente. La tensione di uscita è la somma moltiplicata dei fattori di input.

Per un mixer di unità-gain (livello di uscita approssimativamente uguale a ogni singolo ingresso quando solo un canale è attivo), utilizzare valori di resistenza uguali per tutte le resistenze di input e la resistenza al feedback. Una scelta tipica è 10 kΩ per ogni canale e la resistenza al feedback. Questo rende una configurazione invertente, quindi la polarità del segnale di uscita è invertita, questo non è solitamente un problema per l'audio perché l'orecchio è lo studio di fase-insensibile e corretto in casa.

Panoramica completa dello schema

Di seguito è riportato il blocco concettuale del circuito. I valori dei componenti effettivi e i componenti di filtraggio aggiuntivi sono discussi nelle sottosezioni che seguono.

  • jack di ingresso 1 → 1 μF DC-bloccante condensatore → 10 kΩ resistore → invertimento ingresso di op amp.
  • Jack di ingresso 2 → 1 μF DC-bloccante condensatore → 10 kΩ resistore → invertimento ingresso di op amp.
  • Resistenza di feedback: 10 kΩ da uscita a invertimento di ingresso.
  • Ingresso non invertente: collegato a terra attraverso un resistore da 10 kΩ per compensazione corrente bias.
  • condensatori di decoupling dell'alimentazione elettrica: 100 μF elettrolitico + 100 nF ceramica da ogni rotaia di alimentazione a terra, posizionata vicino al CIC.
  • Jack di uscita: collegarsi direttamente all'uscita op amp (o attraverso una resistenza della serie 100 Ω per la protezione di cortocircuito).

Questo topologia di base funziona, ma per uso reale si desidera aggiungere controlli di guadagno canale (vasori di volume) e possibilmente un controllo di livello di uscita. Aggiungendo un potenziometro prima della resistenza di ingresso, si dà un semplice fader di volume, ma la resistenza del tergicristallo del vaso può cambiare l'impedenza di ingresso del nodo di riempimento, alterando la risposta di frequenza se non correttamente tamponato.

Selezione componenti e espansione del circuito

Opzioni di alimentazione

Un alimentatore da ±12 V o ±15 V fornisce una sufficiente sala per segnali audio di livello consumer (tipicamente fino a 2 Vrms). È possibile costruire un alimentatore lineare utilizzando un trasformatore centrale, un retifier a ponte e regolatori da 78x/79xxxx, o utilizzare una semplice configurazione della batteria da ±9 V con un convertitore di tensione (ad esempio, per applicazioni disacco binario portatile I76.

condensatori di accoppiamento di ingresso e uscita

Per bloccare qualsiasi offset DC dalla sorgente o dal mixer stesso (soprattutto nei disegni monoforniti), posizionare un condensatore non polarizzato in serie con ogni input. Un valore di 1 μF a 10 μF con un rating di tensione di almeno 25 V è sufficiente. I condensatori di pellicola in poliestere sono preferiti per la fedeltà audio; i condensatori elettrolitici possono essere utilizzati ma possono introdurre distorsioni se biased erratamente.

Aggiunta di controllo pan e tono

Una volta che il mixer di base di riempimento funziona, è possibile espanderlo con panning stereo. Un mixer a doppio canale può essere fatto stereo utilizzando due circuiti op-amp (uno per sinistra, uno per destra) e alimentando ogni ingresso a entrambi i canali attraverso pentole di panning.

Guida di montaggio passo passo passo

Prototipazione del banco del pane

Prima di impegnarsi a una scheda permanente, costruire il circuito su una tavola senza saldatura. Utilizzare il cablaggio corto e diretto per il percorso del segnale e mantenere i condensatori di bypass di alimentazione il più vicino possibile ai perni IC. Collegare un'onda di 1 kHz da una sorgente di prova (o un'uscita dello smartphone) a un ingresso e monitorare l'uscita con un oscilloscopio o un altoparlante alimentato.

Scheda di circuito stampata (PCB)

Per un'installazione permanente, progettare un PCB utilizzando software libero come EasyEDA o KiCad. Un mixer a doppio canale può essere installato su una piccola scheda circa 50 mm × 40 mm. Eseguire le tracce audio separatamente dalle tracce di potenza, utilizzare un piano terra per la riduzione del rumore e posizionare tutti i condensatori di decoupling entro 5 mm dei perni IC.

Contenitori e connettori

Montare il PCB in un contenitore di plastica in metallo o schermato. Le custodie in metallo forniscono una migliore schermatura RF. Utilizzare jack stereo di alta qualità 1⁄4-inch (mono per ogni canale) e un jack di uscita singolo. Aggiungi un LED di potenza con una resistenza di limite di corrente (1 kΩ) tra la rotaia di alimentazione e un LED di 3 mm.

Test, risoluzione dei problemi e ottimizzazione

Controllo di potenza iniziale e segnale

Prima di collegare qualsiasi sorgente audio, misurare le tensioni DC all'uscita op amp senza input. Dovrebbe essere all'interno di un paio di millivolt di 0 V (terra). Se si siede a una tensione di rotaia, il chip è probabile oscillazione o un ponte di saldatura esiste. Controllare la continuità del loop di feedback e che l'ingresso non-inverting è correttamente polarizzato. Inserisci un 1 kHz sine wave a -10 dBu nel canale 1 e vedere l'uscita

Risoluzione dei problemi di rumore e hum

  • 60 Hz hum[] – di solito causata da un loop di terra. Assicurare che tutte le sorgenti audio condividono lo stesso riferimento di terra.
  • La sua ad alta frequenza[] – ridurre i valori di resistenza (ad esempio, 2,2 kΩ invece di 10 kΩ) per abbassare il rumore Johnson, ma mantenere l'impedenza di ingresso abbastanza alta per evitare di caricare la vostra fonte.
  • Interferenze radio frequenza (RFI)[[]] – aggiungere piccoli condensatori (100 pF a 1 nF) da ogni ingresso a terra direttamente al jack di ingresso.

Per un'introduzione dettagliata al design del mixer op‐amp e alla risoluzione dei problemi, il Tutto su circuiti che sommano l'amplificatore tutorial[] è una risorsa eccellente.

Ottimizzazione della struttura del guadagno

I dispositivi Home-studio hanno spesso livelli di uscita variabili. Un microfono dinamico richiederebbe un preamplificatore prima del mixer, mentre un sintetizzatore o un'interfaccia audio possono guidare direttamente gli input di livello linea. Impostare il guadagno massimo del mixer in modo che una sorgente tipica -10 dBV raggiunga 0 dBV all'uscita con il piatto a rotazione dell'80%.

Applicazioni pratiche nel Home Studio

Con un mixer a doppio canale funzionante, è possibile:

  • Combina due microfoni per podcasting senza utilizzare una console di miscelazione.
  • Mescolare un segnale DI della chitarra e una linea di synth in un singolo brano per la registrazione.
  • Creare un sottomix per l'elaborazione degli effetti (ad esempio, inviare due canali della macchina del tamburo a un'unità di riverbero).
  • Costruire un submixer mono-linea che si alimenta nella vostra interfaccia audio.

Il design è facilmente scalabile a tre o quattro canali aggiungendo più resistenze di ingresso al nodo di riempimento, basta regolare la resistenza di feedback per mantenere il guadagno complessivo appropriato. Per un mixer a quattro canali, utilizzare 20 kΩ ciascuno con una resistenza di feedback 10 kΩ per mantenere il guadagno di unità per canale.

Limitazioni e disegni alternativi

Mentre il mixer di sommatura invertente è semplice, ha alcuni caveat. L'impedenza di ingresso vista da ogni sorgente è uguale alla resistenza di ingresso (10 kΩ nel nostro esempio). Alcune sorgenti audio, particolarmente passive di pickup della chitarra, possono essere caricate e perdere le alte frequenze. Se si prevede di mescolare sorgenti ad alta impedenza, aggiungere una fase di buffer JFET prima di ogni resistore di ingresso.

Un'altra alternativa è l'amplificatore di sommatura non invertente, che presenta un'impedenza di ingresso molto elevata ma introduce più rumore e richiede un controllo attento del guadagno. Per la maggior parte delle sorgenti di livello linea home-studio, la topologia invertente rimane la più pratica e ripetibile.

Simulare il vostro disegno prima di costruire

Prima di saldare, simulare il circuito utilizzando uno strumento come []]Il simulatore di circuito online di Falstad]. Inserisci lo schema con il modello TL072, aggiungi due ingressi di onda sine con frequenze diverse, ed esegui la simulazione. Vedrai la forma d'onda di uscita sumata e potrai verificare l'inversione di fase.

Conclusioni

La costruzione di un mixer audio a doppio canale con circuiti op‐amp è un progetto semplice che offre un valore immediato in uno studio di casa. Comprendendo la topologia dell'amplificatore di base, selezionando componenti appropriati (come il TL072), e seguendo buone pratiche di layout e di alimentazione-fornitura, è possibile creare un mixer pulito e a basso rumore che supera molte unità commerciali di bilancio.