Por que os pré-amplificadores de áudio alimentados por bateria importam

As configurações portáteis de captura de áudio sofrem frequentemente de sinais fracos de microfone, saídas de instrumentos de alta impedância ou longas ligações de cabo que degradam a qualidade do som antes de o sinal atingir um gravador ou misturador. Um pré-amplificador compacto e alimentado a bateria, construído em torno de um amplificador operacional de qualidade, resolve estes problemas sem o ligar a uma saída de parede. Ele fornece um ganho limpo no campo, dentro de uma placa de pedal de guitarra, ou dentro de uma pequena caixa de interface de estúdio. Ao remover a corrente AC e libertá-lo de adaptadores de energia volumosos, a operação da bateria também simplifica os esquemas de aterramento e reduz os pontos de entrada de ruído.

A concepção de um dispositivo deste tipo do zero requer mais do que apenas seleccionar um op-amp e ligar algumas resistências. Tem de navegar por um único fornecedor de energia, uma selecção cuidadosa dos componentes, gestão de ruído e disposição do PCB, mantendo o actual a um nível suficientemente baixo para proporcionar uma vida útil prática da bateria. Este guia percorre o processo de design completo, cobrindo tudo, desde parâmetros op-amp até blindagem de compartimentos, para que possa construir um pré-amplificador que rivalize com as unidades comerciais no desempenho e as exceda na portabilidade.

Amplificador operacional como núcleo

Um amplificador operacional tem uma pequena tensão diferencial entre as entradas (–) de inversão e não-inverter (+) e multiplica-a por um ganho de circuito aberto que pode exceder 100 dB. As redes de feedback domesticam esse ganho enorme até uma figura de circuito fechado precisa e estável. Para áudio, o op-amp deve executar esta tarefa linearmente através da banda de 20 Hz a 20 kHz, adicionando o mínimo de distorção e ruído possível. Ao contrário dos amplificadores de potência, os pré-amplificadores manipulam pequenos níveis de sinal – muitas vezes apenas alguns milivolts de um microfone dinâmico ou de uma captação passiva de guitarra –, de modo que quaisquer defeitos na op-amp se tornam claramente audíveis após fases posteriores de ganho.

A configuração do amplificador não-inverter é o cavalo de trabalho para a maioria das entradas pré-amplificador porque oferece alta impedância de entrada (configurada principalmente pela própria rede de viés de entrada do op-amp) e fácil controle de ganho com apenas dois resistores. Quando alimentados de uma única bateria de fornecimento, no entanto, o op-amp deve ser enviesado para metade da tensão de alimentação para permitir o balanço simétrico do sinal, uma técnica que examinaremos em detalhes mais tarde.

Parâmetros críticos de Op-Amp para áudio portátil

Escolher o amplificador operacional certo significa ler as fichas de dados com foco em parâmetros que importam para o áudio alimentado por bateria. Estas cinco características devem orientar sua seleção:

  • Densidade de ruído de tensão de entrada: Especificada em nV/ğHz, geralmente a 1 kHz. Op-amps de áudio de baixo ruído como OPA2134 (8 nV/ğHz) ou NEN5532[ (5 nV/ğHz) mantêm o assobio inaudível. Para pré-amps de microfone de alto ganho, procure por partes abaixo de 5 nV/ÑHz.
  • Corrente de fornecimento por amplificador:] A engrenagem portátil exige frugalidade. Uma op-amp CMOS moderna, como o OPA1671 desenha apenas 940 μA por canal, enquanto uma bipolar clássica NE5532 puxa cerca de 4 mA por canal. Multiplica pelo número de canais e sua vida útil da bateria alvo para encontrar o orçamento médio atual.
  • Balanço de saída do carril para o carril:] Com uma única bateria de 9V, a tensão de alimentação começa em aproximadamente 9V e desce para 5.5V à medida que ele descarrega.Um op-amp de saída do carril para o carril pode oscilar dentro de milivolts dos trilhos, maximizando a cabeceira.
  • Produto de largura de banda (GBWP): Para manter uma distorção baixa a 20 kHz com um ganho de 20 dB (10×), você precisa de um GBWP pelo menos dez vezes esse produto, cerca de 2 MHz. Partes como o TL072 (3 MHz) funcionam, mas para ganho maior ou largura de banda maior, escolha 10 MHz ou superior.
  • Taxa de adormecimento: Os transientes de áudio podem ser rápidos. Um mínimo de 5 V/μs é típico para sinais de 20 kHz em escala completa, embora até 3 V/μs possam ser suficientes para o trabalho em nível de linha. Taxas de desativação mais rápida reduzem a distorção de intermodulação transitória.

Para um pré-amplificador de microfone alimentado a bateria, o NE5532 oferece excelente desempenho de ruído, mas com uma corrente de alimentação mais elevada. Se precisar de uma vida útil máxima da bateria, uma peça moderna como a OPA1671 atinge um bom equilíbrio. Para um pré-amplificador de guitarra que só precisa de alguns dB de ganho, um TL072 pode ser perfeitamente adequado. Para um guia de selecção autorizado, consulte recursos como Pesquisa de parâmetros de op-amp do Analog Devices.

Desafios de Poder e Bianca

Uma bateria alcalina de 9V (PP3) continua a ser a escolha mais acessível para pré-ampazes compactos. Fornece um 9V nominal com capacidade moderada (cerca de 500-600 mAh). Duas células AA ou AAA em série dão 3V – muito baixo para muitos op-ampa padrão – então considere um regulador de impulso pequeno ou use um op-ampa de I/O de 3V tolerante. Um bloco recarregável de Li-Ion 9V oferece menor resistência interna e maior vida útil do ciclo, mas vem com uma tensão ligeiramente menor (7,4V nominal). O que você escolher, o circuito deve lidar com a queda de tensão ao longo do tempo.

Criar um Campo Virtual

Dado que os sinais de áudio são bipolares, a entrada do op-amp deve estar sentada num deslocamento constante de corrente contínua, tipicamente Vcc/2, de modo que a saída possa oscilar tanto positiva como negativa em relação a essa referência. Um divisor de resistência simples de Vcc para o solo, contornado com um condensador, cria esta referência de meio-fornecimento. O centro de separação liga-se à entrada não-invertida através de um resistor (para definir a impedância de entrada) e torna- se o terreno de sinal para o acoplamento AC. Certifique- se de que os resistores de divisores são suficientemente baixos para fornecer uma referência rígida, mas suficientemente alta para evitar que a bateria seja drenada — 10kÑ a 47k

Use um segundo op-amp (se você tiver um sobressalente) para tapar a referência Vcc/2, criando um “terreno virtual” de baixa impedância que pode conduzir várias etapas sem interação. Esta técnica é comum em circuitos de áudio de fonte única e é detalhada em muitas notas de aplicação TI.

Filtragem de Fonte de Energia

As baterias não são perfeitamente livres de ruído; podem produzir assobios devido a processos químicos internos, e qualquer circuito digital próximo pode injetar ruído. Insira um filtro de passagem baixa entre a bateria e os pinos de alimentação op-amp. Uma resistência da série 10ň–100文 seguida de um capacitor eletrolítico 100μF–470μF em paralelo com um capacitor cerâmico 0,1μF proporciona uma desacoplamento eficaz. Para uma rejeição ainda melhor, use um regulador linear de baixa desmancha para um pouco abaixo da tensão mínima da bateria, mas isso adiciona uma contagem de componentes e alguma corrente quiescente.

Desenho do Circuito Passo a Passo

O amplificador AC clássico não-invertido forma a espinha dorsal da maioria dos canais pré-amplificadores. O sinal de entrada entra através de um condensador de bloqueio DC, passa através de um resistor para a entrada não-invertida do op-amp, que é tendenciosa para Vcc/2. Resistências de feedback da saída para a entrada de inversão e da entrada de inversão para o solo definir o ganho AC. Um capacitor de acoplamento segundo na saída remove o deslocamento DC antes de se conectar à próxima fase.

Configuração de ganho e controle de largura de banda

Para uma configuração não-invertida, ganho = 1 + (Rf / Rg, onde R[f] é o resistor de feedback e Rg[] é o resistor ao solo (ou ao solo virtual acoplado a CA). Para evitar amplificar o deslocamento DC ou o rumble de baixa frequência, coloque um capacitor em série com Rg[g[]g. A frequência do canto é f = 1 / (2π × R]g × C[FLT]]]g[Flt][Flt]](Flt] para manter um limite de alta resolução de 10.

Para ganho variável, substitua R[f ou Rg[] por um potenciômetro. Um pote de 10k文 log-taper em série com Rf[ permite um ajuste de ganho suave. Para evitar cliques ou mudanças de DC, assegure-se que o limpador de potes seja acoplado a CA ou um pequeno capacitor contorna a faixa do pote.

Proteção de entrada e RF Filtragem

Os pré-amplificadores alimentados por bateria frequentemente se conectam a fontes imprevisíveis. Adicione um capacitor 100pF–220pF da entrada para o solo após a tampa de bloqueio DC para a interferência de frequência de rádio shunt. Uma resistência em série de 1kň–10k文 também pode ajudar, mas irá interagir com a capacitância de entrada da op-amp e a tampa de filtro RF para formar um filtro de passagem baixa. Para proteção robusta do ESD, incluem díodos de fixação para os trilhos de fornecimento na entrada, embora muitos op-amp já tenham diodos de proteção interna.

Seleção e Cálculos de Componentes

Vamos projetar um pré-amplificador de canal único prático com um ganho ajustável de 1× (0 dB) a 10× (20 dB) usando uma bateria de 9V.

  • Amplificador operacional: OPA1671 (baixo ruído, 940 μA quiescente, saída trilho-a-trilho, taxa de kill 16V/μs). Alternativamente, para corrente de alimentação ultra-baixa, o OPA1692 (650 μA por canal, 4.2 nV/ÑHz) é um performer estelar.
  • Condensadores de bloqueio de CC:] Entrada: 1μF filme ou cerâmica NP0 (para microfônicas baixas) para definir a entrada passa-alta com o resistor de viés. Saída: 10μF eletrolítico com um desvio de 100nF filme para acionamento entradas de linha-nível.
  • Bias resistor (de entrada não-invertida para Vcc/2): 100kē. Combinado com a tampa de entrada de 1μF produz um ponto -3 dB em cerca de 1,6 Hz, bem abaixo do áudio.
  • Rede de gain:] R[g[ (fixo) = 1k
  • Divisor Vcc/2: Duas resistências de 10kē com um capacitor 47μF do centro ao solo.
  • Desacoplamento de potência: Eletrólise de 100μF e cerâmica de 0,1μF perto do pino V+ da op-amp.

Se você precisar de ganho maior (40–60 dB para um microfone dinâmico), é necessário um estágio de pré-amplificador de baixo ruído adicional ou um op-amp diferente (como o THAT1510[] se você estiver construindo uma entrada equilibrada). Para projetos simples, no entanto, um único estágio com um interruptor de ganho escalonado muitas vezes é suficiente.

Redução de ruído e Disposição do PCB

Mesmo o op-amp mais silencioso pode ser derrotado por mau layout. As correntes que circulam em um plano de terra podem modular a referência do sinal, injetando zumbido e zumbido. Siga estas regras para manter o circuito em silêncio:

  • Use um plano de terra sólido em um PCB de dupla face, mas mantenha caminhos de retorno de alta corrente (como tomadas de saída e bateria negativa) longe de retornos de entrada sensíveis. Particione o plano de terra, se necessário, com uma conexão de ponto único para o solo de áudio.
  • Aterramento de estrelas[: ligar o solo do jack de entrada, ganhar o solo da rede, referência Vcc/2, e o solo do jack de saída a um único ponto no plano de terra perto do op-amp. Isto impede que correntes de carga ruidosas desenvolvam quedas de tensão através do retorno de entrada sensível.
  • Os condensadores de bypass devem estar fisicamente próximos dos pinos de potência da op-amp, com traços curtos até ao plano de terra. Use uma cerâmica 0,1μF em paralelo com um eletrolítico maior. Coloque a cerâmica mais perto do pino.
  • Mantenha os traços de entrada curtos e longe dos nós de alta impedância. Se a entrada op-amp for de alta impedância, poderá ser necessário um anel de proteção ou blindagem. Para um buffer não-invertendo, a impedância de entrada é determinada pelo resistor de viés e pela tampa de entrada, não o op-amp em si, assim 100k
  • Use resistências de filme metálico (1% ou melhor) no caminho do sinal para baixo excesso de ruído. Resistores de composição de carbono são barulhentos e devem ser evitados.
  • Cabo desbotado para a entrada dentro do compartimento é obrigatório. Até mesmo alguns centímetros de fio não protegido podem funcionar como uma antena.
  • Costura de Via: Se usar uma placa de duas camadas com um plano de terra na parte inferior, coloque uma fileira de via em torno da área de entrada sensível para reduzir a indutância do solo e melhorar a blindagem.

Desenho e Miniaturização do PCB

Componentes de montagem de superfície permitem que você encolhe um pré-amplificador para o tamanho de um selo de grande porte. 0805 ou 0603 resistores e capacitores são fáceis de soldar à mão com prática. SOT-23 op-amps são minúsculos, mas perfeitamente manejáveis sob ampliação. Um PCB de dupla face com um plano de terra na camada inferior e traços de sinal no topo mantém áreas de loop pequenas.

Organize o PCB para que o conector de entrada, clipe de bateria e conector de saída sejam colocados logicamente, minimizando as correntes de fio. Montar o potenciômetro diretamente na placa, se possível. Se você usar peças de furo para os macacos e potenciômetro, combinar SMD para tudo o mais para economizar espaço.

Para o design compacto final, considere um PCB personalizado com o suporte da bateria integrado. Uma plataforma popular é o estalo da bateria 9V com um PCB pequeno que contém todo o circuito, encaixando dentro de uma caixa de alumínio blindada não maior do que a própria bateria. Existem muitos ] instructables que demonstram este fator de forma.

Testes e otimização

Após a solda, confirme que não há shorts entre a potência e o solo. Conecte uma bateria 9V fresca através do seu multímetro para medir o desenho atual – se estiver abaixo da especificação quiescente da op-amp, suspeite de uma conexão com defeito ou divisor Vcc/2 mal-encaminhado. Em seguida, verifique a tensão de referência Vcc/2 na entrada não-invertida da op-amp; deve sentar-se em cerca de metade da tensão da bateria (4.5V ±0.1V).

Alimente uma onda de seno de 1 kHz a 100 mV pico- a- pico de pico de um gerador de sinal ou uma aplicação de teste de áudio de smartphone para a entrada. Com o ganho mínimo, a saída deverá ser uma cópia limpa e ligeiramente amplificada. Aumente o ganho e verifique se a saída permanece simétrica até ao recorte. Use um osciloscópio para verificar se existe uma oscilação de alta frequência, que poderá indicar problemas de dissociação ou disposição inadequados. Para medir o piso de ruído, diminua a entrada (com o capacitor de ligação de entrada ainda em circuito) e observe a saída num milivoltímetro ou osciloscópio de CA. Um pré- amplificador baseado em NE5532 bem desenhado pode atingir um nível de ruído de - 100 dBu a 60 dB de ganho. Para medições precisas de THD+N, você poderá usar um analisador de áudio dedicado ou uma placa de som com software como REW (Room EQ Wizard), mas um escopo e um gerador de sinal suficiente para verificação básica.

Estimação da vida da bateria

Calcular a duração da bateria dividindo a capacidade da bateria (mAh) pelo total do desenho atual (incluindo op-amp, resistências de viés, LED se usado e qualquer corrente de quiescente regulador). Por exemplo, um OPA1671 desenha 0,94 mA, mais 0,5 mA para o divisor (dois resistores de 10kē de 9V dão cerca de 0,9 mA, mas o divisor é entre Vcc e o solo, de modo que ele está sempre desenhando). Um 9V alcalino com capacidade de 550 mAh forneceria aproximadamente 550 / (0,94 + 0,9) . . Se não for usado um LED de 2 mA, reduz isso para 143 horas. Para uma vida mais longa, use um LED de alta eficiência a 0,5 mA ou omita-lo inteiramente.

Enclausura e Construção Prática

Selecione uma caixa de fundição de alumínio para proteção eficaz contra interferência eletromagnética. Furar furos para entradas e saídas (por exemplo, neutrik ou Switchcraft), um eixo potenciômetro e um interruptor de energia, se desejado. Certifique-se de que o recinto se conecta ao campo de circuito através de um fio dedicado ou através das conexões de terra do macaco. Para acesso à bateria, use um suporte de 9V snap-on fixado com espuma ou um clipe. Mantenha os fios de sinal o mais curto possível dentro da caixa, e torça a energia e fios de terra juntos para reduzir a área de loop. Se usar uma caixa de metal, conecte a tampa ao chão com uma pequena junta condutora ou um fio através da dobradiça para manter a continuidade.

Para uma unidade totalmente portátil, considere adicionar um clipe de correia ou montagem de velcro. Marque claramente o controle de ganho e entrada/saída para evitar perda de sinal. Um pequeno LED de cor única (com uma resistência de 10k

Aplicações e extensões do mundo real

Um pré-amp op-amp alimentado por bateria brilha em vários cenários práticos:

  • Booster de instrumentos passivos: Coloque-o dentro de uma guitarra ou em uma pedaleira para tamponar captadores de alta impedância, dirigindo cabos longos sem perda de tom.
  • Pré-amp de microfone dinâmico: Emparelhar com um op-amp de alto ganho (por exemplo, NE5532 a 40 dB ganho) para alimentar um gravador portátil ou entrada de áudio da câmera. Uma fonte de bateria dupla de 9V (criando ±9V) pode dar mais espaço para fontes altas, embora ele duplique a contagem de bateria.
  • Phono preamp (RIAA): Com redes de equalização cuidadosa no loop de feedback, a mesma arquitetura básica torna-se um pré-amp de reprodução de vinil. A bateria elimina o zumbido de rede que assola muitas fases de fono.
  • Driver de linha equilibrado: Um segundo op-amp pode inverter o sinal para criar uma saída equilibrada para equipamentos profissionais, todos executando uma única bateria.
  • Transmissor de microfone sem fio: Combine com um pequeno módulo de transmissor FM ou digital para uma configuração de gravação totalmente livre de cabos.

Vários canais e entrada equilibrada

Muitos pacotes de quad op-amp (como o OPA4134 ou TLV6744 de baixa potência) permitem- lhe criar pré-amplificadores estéreo de dois canais num único chip. Defina a placa como metades espelhadas para manter o crosstalk baixo. Se precisar de uma entrada diferencial equilibrada para microfones, considere um amplificador de instrumentação dedicado como o INA163[ que integra o estágio diferencial e ganhe rede, simplificando dramaticamente o design.

Para uma drenagem de bateria ultra-baixa, veja os op-amps de nanopotência como o TSV912 (550 μA por canal) ou o LPV821 (650 nA por canal!). Embora o seu desempenho de ruído não seja estelar, podem ser adequados para o impulso de nível de linha ou amplificação de sensores onde o nível de sinal já é relativamente alto.

Conclusão

Um pré-amplificador de áudio compacto e alimentado a bateria construído em torno de um amplificador operacional cuidadosamente escolhido é um projeto profundamente satisfatório que produz uma ferramenta utilizável em inúmeras situações. Ao tratar o design de uma fonte única como um sistema – desde a referência de terra virtual à dissociação e blindagem – você elimina as limitações de ruído e de cabeceira que muitas vezes detetam os hobbyistas. A combinação de um op-amp de baixo ruído, um layout de PCB pensativo e uma caixa de metal resistente produz um pré-amp que pode se manter próprio contra produtos comerciais, ao mesmo tempo que custa uma fração do preço e lhe ensina volumes sobre eletrônica de áudio analógica. Com a orientação fornecida aqui, você pode criar com confiança um pré-amp que atenda aos seus requisitos específicos de ganho, tamanho e vida útil da bateria.