Table of Contents

Понимание усилителя суммирования в аудио-смешивании

Усилитель суммирования, построенный вокруг операционного усилителя, объединяет несколько входных напряжений арифметически в один выход. При смешивании аудио это означает объединение сигналов от микрофонов, инструментов, источников на уровне строки или эффект возвращается в один составной поток. Наиболее распространенной топологией является инвертирующий суммарный усилитель , где каждый входной сигнал проходит через резистор к инвертируемому терминалу операционного усилителя, в то время как неинвертирующий терминал ссылается на землю или напряжение смещения в конструкциях с одним источником питания.

Инвертирующая конфигурация выигрывает от виртуального заземления на сводящем узле. Поскольку обратная связь оп-ампа приводит к инвертированию входа почти до нуля вольт, когда неинвертирующий вход заземлен, каждый входной канал ведет себя так, как если бы он приводил резистор к заземлению, что значительно снижает перекрестные помехи между каналами. Эта изоляция имеет решающее значение в аудиоприложениях, где нежелательное взаимодействие окрашивало бы стереоизображение или вызывало бы кровотечение. Стандартное неинвертирующее лето возможно, но не имеет виртуального заземления и требует более сложных сетей резисторов, что делает инвертированную версию предпочтительным выбором для большинства аудиомиксеров.

Схема состоит из операционного усилителя, одного входного резистора на канал и резистора обратной связи от выхода к инвертируемому входу. Выход перевернут (180° фазового сдвига) относительно каждого входа. Эта инверсия обычно несущественна в моно суммировании, потому что человеческое ухо нечувствительно к абсолютной полярности на большинстве программного материала. Если фаза имеет значение, последующая инвертирующая стадия или полностью дифференциальный выход могут восстановить исходную полярность.

Ключевым преимуществом инвертирующего лета является то, что все входные резисторы подключаются к одному и тому же виртуальному узлу заземления с низким сопротивлением. Это делает усиление канала независимым от других настроек канала - настройка резистора одного канала не влияет на усиление других каналов. В неинвертирующее лето входные резисторы взаимодействуют и требуют тщательной изоляции буферной стадии.

Математика суммирования

Поведение инвертирующего сумматорного усилителя регулируется принципом суперпозиции и законом Ома. С n входными напряжениями V1, V2, ..., Vn, применяемым через резисторы R, R2, ..., Rn, к инвертирующим входам, и резистором обратной связи Rf, выходное напряжение:

Vout = — Rf1/R1+V22+...+Vn/Rn

Когда все входные резисторы равны (R1 = R2 =... = R в), формула упрощает:

Vout = —[Rf/Rin1 + V2 + ... + Vn

Таким образом, выход представляет собой инвертированную сумму всех входов, умноженную на коэффициент усиления - Rf/R в. Для смешивания усиления единства выберите Rf в, поэтому каждый вход вносит равный вклад. Если вам нужно увеличение на 6 дБ, установите Rf = 2 R в в. Вы также можете назначить различные веса, масштабируя отдельные входные резисторы - например, гитарный канал может использовать меньший резистор для более высокого усиления, в то время как линейный синт-ввод использует больший для ослабления.

Вычисления стадии и зала зала

Стадия усиления требует тщательного внимания. Выход оп-ампера должен оставаться в пределах своего линейного диапазона, как правило, на несколько вольт меньше, чем рельсы питания. При смешивании многих сигналов суммарное напряжение может легко превышать верхнюю часть, вызывая обрезку. Рассчитайте сумму пика в худшем случае, предположив, что все входы находятся на максимальной амплитуде одновременно и умножьте на коэффициент усиления. Для практического примера: четыре входа на уровне линии при +4 дБу (1,23 В RMS, 1,74 В пик) каждый, суммируемый через усиление единства, производят пиковый выход почти 7 В. С поставкой ±15 В это оставляет большой запас. Но если вы смешиваете восемь каналов, пик может превышать 14 В, приближаясь к рельсам. Уменьшить Rf или добавить затухание ввода, чтобы сохранить выход ниже обрезки. Многие смесители включают в себя кастрюлю главного уровня после стадии суммирования для управления конечной амплитудой. Примечания от

Входное сопротивление, видимое каждым источником, является приблизительно значением его входного резистора, потому что виртуальный грунт представляет около нуля Ом. 10-КОмный входной резистор загружает источник с 10 кОм, приемлемым для большинства линейных передач, но слишком низким для некоторых пассивных пикапов. Более высокие входы импеданса (47 кОм или 100 кОм) уменьшают нагрузку, но увеличивают шум и чувствительность к паразитной емкости. Выберите баланс на основе ваших источников.

Выбор компонентов для высококачественного аудио

Аудио-сортировка требует больше, чем общий операционный усилитель и некоторые резисторы. Каждый компонент способствует шуму, искажению и частотной реакции.

Выбор Op-amp

Для чистого аудио, выберите оп-амперы с низким общим гармоническим искажением плюс шум (THD + N), низкой плотностью шума входного напряжения и адекватной скоростью потери звука. NE5532 был отраслевой рабочей лошадкой в течение десятилетий, предлагая низкий шум (5 nV / √Hz) и отличную производительность звука. Для конструкций с двойным поставкой, TL072 или его четырехдиапазонная версия TL074 обеспечивают JFET входы с ультранизким током смещения, идеально подходит, когда используются высокоценные входные резисторы. Современные устройства, такие как OPA2134 или LM4562 толкают производительность дальше, с искажением ниже 0,0001%. Всегда консультируйтесь с таблицами данных и рекомендованными сообществом аудио схемами; всесторонне

Резисторы и емкости

Металлопленочные резисторы с 1% допуском и низким температурным коэффициентом минимизируют тепловой шум и несоответствие канала к каналу. Избегайте типов углеродного состава на пути сигнала. Входные резисторы между 10 кОм и 100 кОм обеспечивают хороший баланс: более низкие значения уменьшают шум, но более сильно загружают источник; более высокие значения становятся восприимчивыми к ошибкам тока с отклонением емкости и входным смещением операционного усилителя. Для большинства источников линейного уровня 10 кОм до 47 кОм хорошо работает.

Конденсаторы блоков переменного тока блокируют смещение постоянного тока, что может нарушить виртуальную землю или вызвать царапающий шум потенциометра. Поместите конденсатор связи последовательно с каждым входом перед его резистором и другой конденсатор на выходе. Значения около 10 мкФ для линейного уровня и 22 мкФ для более низких путей импеданса типичны. Используйте качественные электролитики или биполярные типы. Для долгого срока службы и низкой утечки пленочные конденсаторы (металлизированный полипропилен) превосходны, но больше. Для поддержания низкочастотного отклика выберите конденсатор так, чтобы угловая частота со следующим сопротивлением была ниже 20 Гц. Кепка 10 мкФ в нагрузку 10 кОм дает точку -3 дБ примерно на 1,6 Гц, значительно ниже аудиодиапазона. Для сверхплавкого отклика некоторые дизайнеры используют 47 мкФ или даже 100 мкФ, хотя более крупные электролитики могут иметь более высокую индуктивность и СОЭ.

Регулирование электроснабжения

Чистая мощность постоянного тока имеет важное значение. Двухкратный источник питания ±15 В или ±12 В обеспечивает щедрый запас хода. Используйте регулируемые линейные источники с адекватной фильтрацией и размещайте 0,1 мкФ керамические конденсаторы непосредственно через штифты питания операционного усилителя для разъединения высокочастотного шума. Для однократной работы подачи (например, 9 В аккумулятор или адаптер +12 В), смещайте неинвертирующий вход на половину напряжения питания с делителем напряжения (10 кОм резисторов) и большим обводным конденсатором (10 мкФ до 100 мкФ) на землю, превращая одиночный рельс в псевдодвойной источник питания. Сеть смещения должна представлять чистый AC грунт; рекомендуется электролитический 100 мкФ параллельно с 0,1 мкФ керамикой.

Частотный отклик и соображения пропускной способности

Частотная реакция суммирующего усилителя формируется продуктом усиления полосы пропускания op-amp (GBW) и усилением замкнутого цикла. Для усиления единства полоса пропускания распространяется на GBW op-amp. Для более высоких коэффициентов усиления полоса пропускания соответственно уменьшается. Аудиоприложения требуют плоского отклика от 20 Гц до 20 кГц, поэтому достаточно любого оп-ампа с GBW выше 1 МГц. Большинство аудиоопамп превышают 3 МГц, оставляя достаточный запас.

Беглая емкость на результирующем узле (контакт 2 оп-ампа) может вызвать высокочастотное сворачивание или нестабильность. Эта емкость взаимодействует с резистором обратной связи для создания полюса. Если этот полюс попадает в звуковую полосу, он добавляет эффект фильтра низкого прохода. Чтобы минимизировать бродячую емкость, держать узлы суммирования короткими и использовать наземную плоскость под. Некоторые конструкции добавляют небольшой конденсатор (10-100 pF) параллельно с Rf, чтобы скатиться с коэффициентом усиления выше 100 кГц, предотвращая колебания без звукового эффекта.

Скорость разряда также важна для переходного отклика. Минимальная скорость разряда 0,5 В/мкс является адекватной для линейного уровня звука, но более высокие скорости (например, 13 В/мкс для NE5532) сохраняют искажение низким на высоких частотах. Быстрые операционные усилители требуют тщательной компоновки, чтобы избежать паразитических колебаний; всегда размещают разъемные конденсаторы физически близко к штифтам питания. LM4562, со скоростью разряда 20 В/мкс, требует особенно плотной компоновки.

Проектирование схемы для аудио-миксинга

Давайте разработаем практический четырехканальный моно-суммирующий смеситель, работающий на двух ± 15 В. Схема: каждый вход имеет свой собственный конденсатор AC-соединения (C) в , последовательный входной резистор (R]1...R4, и необязательный потенциометр для управления уровнем. Все они соединяются на инвертируемом входном узле, который также соединяется с резистором обратной связи Rf, идущим на выход операционного усилителя. Неинвертирующий вход подключается непосредственно к земле. Выход проходит через другой конденсатор связи C и небольшой резистор (100 Ω) для изоляции емкости кабеля.

Добавление индивидуальных уровней контроля

Вместо фиксированных резисторов вставьте логарифмический потенциометр (10 кОм до 100 кОм аудиоконденсатора) между конденсатором связи и резистором суммирования, причем стеклоочиститель идет к резистора суммирования и терминала CCW на землю. Это ослабляет сигнал перед суммированием. Для чистого тонального отклика значение резистора суммирования должно составлять не менее 10 кОм, чтобы избежать чрезмерной загрузки горшка. Многие классические конструкции смесителя используют 10 кОм потенциометра, питающего резистор суммирования 10 кОм, давая разумное входное импеданс около 10 кОм при полном затухании.

Прибыль и мастер-том

Общий прирост лета устанавливается Rf/R в. Чтобы восстановить ослабление, введенное пассивным смешиванием или уровнями, вам может потребоваться некоторый прирост макияжа. Например, если каждый вход обычно составляет около -10 дБВ и вы ожидаете выход 0 дБВ, выберите Rf = 2 R в в в в в в в в в в в в в в в[[FLT:

Осуществление одного предложения

Если вы должны работать от одной батареи 9 В, смещения неинвертирующего входа в V CC /2 с двумя равными резисторами (например, 10 кОм). Поместите большой конденсатор обхода (10 мкФ до 100 мкФ) от точки смещения к земле, чтобы обеспечить чистый заземление переменного тока. Все конденсаторы связи по-прежнему необходимы, потому что схема теперь работает на смещение постоянного тока V CC /2. Выход также будет смещен на V CC /2, поэтому выходной конденсатор связи удаляет это смещение перед подключением к внешнему оборудованию. Выходной качель оп-ампа уменьшается на напряжение смещения; с 9 В питание, максимальный чистый выход составляет всего несколько вольт пик-пик. Для лучшего запаса хода, используйте более высокий одиночный источник питания (12 В до 24 В), когда это возможно. Также рассмотрите

Конфигурации усилителей подвода итогов

Помимо основного многовходного лета, аудиосистемы часто требуют специализированных методов суммирования.

Дифференциальное суммирование для сбалансированных линий

Профессиональное аудиооборудование использует сбалансированные (дифференциальные) сигналы для отбрасывания шума. Усилитель суммирования дифференциала может суммировать сбалансированные сигналы напрямую. Каждый сбалансированный вход (+ и -) подается через идентичные резисторы на две стадии операционного усилителя или полностью дифференциальный усилитель IC, такой как серия THAT 1200. Этот подход устраняет шум наземного контура и сохраняет отказ в обычном режиме. Для более глубокого понимания обратитесь к статье Аналоговых устройств о дифференциальном суммировании .

Активное панорамирование и стерео-самминг

Одно монолето может быть продублировано для левого и правого каналов, создавая стереомиксер. Для реализации панорамирования каждый вход разделен через двойной бандаж или специальный пан-труб, который посылает больше сигнала на левую шину или правую шину при сохранении постоянной мощности. Усилители суммирования затем обрабатывают кумулятивные сигналы. Пан-закон (-3 дБ, -4,5 дБ или -6 дБ) часто встроен в сеть резисторов или путем взвешивания суммирующих входов. Паннинг с постоянной мощностью использует комбинацию значений резистора и op-amp лето, чтобы сохранить воспринимаемую постоянную громкость при движении сигнала по стереополю. Типичная схема использует двойной 10 кОм горшок с суммирующими резисторами 22 кОм и 33 кОм для приближения закона -3 дБ.

Виртуальные автобусы для смешивания Земли

Большие аналоговые смесительные консоли полагаются на шину «виртуальной земли» или «тока суммирования». Каждая полоса канала доставляет ток через высокопроизводительный резистор к центральному инвертируемому оп-ампу с очень низким входным импедансом. Поскольку сумматорный узел удерживается на виртуальной земле, сотни каналов могут быть смешаны с незначительным перекрестным помехом. Принцип такой же, как наше простое лето, масштабируется с высококачественными компонентами и малошумными оп-амперами, такими как NE5534 или дискретные конструкции. В таких автобусах каждый ресистентор канала часто составляет 47 кОм или 100 кОм, и резистор обратной связи выбран для обеспечения комфортного рабочего уровня.

Усилитель подведения итогов с этапом Make-Up Gain

Некоторые конструкции отделяют сеть резисторов суммирования от оп-ампа, обеспечивающего усиление. Например, сеть пассивных резисторов смешивает сигналы в один узел, который затем подает неинвертирующий или инвертирующий этап усиления. Это изолирует вклад шума в оп-ампе и может обеспечить чрезвычайно высокую производительность в головном офисе, как видно в пассивных комбинаторах суммирования, популярных в мастеринг-студиях. Пассивная сеть имеет потерю, пропорциональную количеству входов, которые восстанавливает стадия макияжа. Пассивная сеть с 16 входами обычно теряет около 24 дБ, требуя увеличения макияжа на 24 дБ, чтобы вернуть уровень к единству.

Практическое строительство и испытания

Создание вашего суммарного усилителя требует тщательной компоновки и методического тестирования.

Ассамблея

Начните с паяльной плиты для прототипирования, затем перейдите на ПХД для постоянных сборок. Держите сводящий узел максимально компактным — короткие следы уменьшают бродячую емкость, которая может вызвать высокочастотный скат. Используйте наземную плоскость или заземление звезд для предотвращения заземления. Поместите разъемные конденсаторы (0,1 мкФ керамики параллельно с 10 мкФ электролитиком) как можно ближе физически к каждому штифту питания оп-ампера. Для нескольких оп-амперов дайте каждой упаковке свое собственное локальное разъединение. Если использовать четырехфакторный оп-ампер, такой как TL074, разъедините около силовых рельсов устройства.

Поставка электроэнергии и заземление

Подключите все основания сигнала к исходной точке суммирующего узла (неинвертирующей поверхности входа). Держите землю источника питания отдельной, соединяясь в одной точке («звезда»), чтобы избежать гула. Щитные аудиокабели несут входы, при этом экран заземлен только на конце смесителя, чтобы предотвратить заземление. Для несбалансированных входов используйте экранированный кабель с одним проводником; для сбалансированных входов используйте витую пару с щитом. Прикрепите щит к земле шасси на входном гнезде, а не к сигнальному грунту внутри цепи.

Испытание

Применять известный тестовый тон (1 кГц синусоидальная волна при 0 дБу) к каждому входу последовательно и проверять, что выход показывает ожидаемую суммарную амплитуду, отсутствие обрезки и отсутствие добавленного искажения. Используйте осциллограф для проверки колебаний, особенно с высокоширотными операционными усилителями. Если схема колеблется, добавьте небольшой конденсатор обратной связи (10 pF до 100 pF) параллельно с Rf, чтобы откатить высокочастотный прирост. Слушайте выход с наушниками или монитором — обратите внимание на шумовое покрытие и любой гул. Если гул сохраняется, проверьте заземление и попробуйте поднять щит на одном конце несбалансированных входных кабелей. Измерьте частотную реакцию с помощью генератора развертки для обеспечения плоскости от 20 Гц до 20 кГц в пределах ±0,5 дБ. Простой тест: введите синус 20 Гц и сравните его амплитуду с эталоном 1

Приложения и реальные случаи использования

Усилитель суммирования повсюду в аудио. Гитарные педалирующие доски используют этапы суммирования для смешивания чистых и эффектных сигналов. Контроллеры монитора DIY объединяют миксы кий и микрофоны обратной связи. Консоли широковещательной передачи объединяют десятки микрофонов, проигрывателей компакт-дисков и телефонных линий. В студии аналоговые комбинаторы суммирования вновь приобрели популярность для добавления «характера» в миксы DAW, где цифровые стебли отправляются в коробку, которая суммирует их через высокопроизводительные оп-ампы и трансформаторы.

Также можно использовать усилитель суммирования в качестве простого активного микшера для предусилителя домашнего кинотеатра, объединяющего стерео входы с телевизора, потокового устройства и предусилителя поворотного стола. Принципы проектирования остаются неизменными; меняется только количество входов и желаемый уровень вывода. Для многодорожечной записи усилитель суммирования может объединять выходы из многоканального аудиоинтерфейса в стереомастера, позволяя аналоговое «подведение итогов» перед повторной оцифровкой.

Другое распространенное применение — в активных кроссоверных сетях, где суммирующие усилители объединяют выходы фильтра для создания суммированных или разностных сигналов для подводов сабвуфера или обработки посередине.Универсальность op-amp Summer делает его фундаментальным инструментом в любом инструменте аудиоэлектроники.

Устранение общих проблем

Даже хорошо продуманное лето может показать проблемы. Вот наиболее частые и их исправления:

  • Чрезмерный шумовой пол:] Проверьте, чтобы входные резисторы не были чрезмерно высокими. 100 кОм резисторов генерируют больше шума Джонсона, чем 10 кОм. Замените углеродные резисторы металлической пленкой. Убедитесь, что операционный усилитель имеет тип с низким уровнем шума, как NE5532. Проверьте, что источник питания чистый и хорошо фильтрован. Иногда добавление конденсатора 10 пФ через резистор обратной связи снижает широкополосный шум, ограничивая полосу пропускания.
  • Переползание с несколькими сигналами: Уменьшить Rf, чтобы снизить общий коэффициент усиления, или вставить аттенюаторы на входы. Проверить рельсы питания достаточно высоки. Для конструкций с двойным подачей ±15 В рельсы обеспечивают около 20 В пиковый запас; одноподводные схемы имеют меньше. Используйте мастер-увлажнитель после лета, чтобы контролировать конечный уровень, не затрагивая запас хода.
  • Чума или гудения:] Звёздно-заземляющие входные разъемы, использование экранированного кабеля и обеспечение того, чтобы консоль для смешивания имела общую точку заземления. Иногда добавление изолятора заземления решает проблему. Проверка заземления между смесителем и другим оборудованием. Если использовать несбалансированные соединения, добавьте последовательно резистор 100 Ом с каждым экраном на приемном конце.
  • Высокочастотный выкат: Беглая емкость на суммирующем узле образует фильтр низкого прохода. Понижает резистор обратной связи (например, от 100 кОм до 10 кОм) при масштабировании входных резисторов соответственно для поддержания усиления или добавляет небольшой компенсационный конденсатор, как описано. Также убедитесь, что пропускная способность операционного усилителя адекватна для настройки усиления.
  • Неинвертирующие проблемы смещения входа в конструкциях с одним источником питания: Проверить напряжение смещения ровно в половину подачи и обеспечить, чтобы обводной конденсатор был достаточно большим, чтобы поглощать токи переменного тока без ряби. Если напряжение смещения дрейфует, выход будет иметь смещение постоянного тока, которое можно услышать как удар при подключении цепи. Используйте 1% резисторный делитель и 100 мкФ конденсатор для стабильности.
  • Колебание на высоких частотах: Это может происходить при быстрых операционных усилителях, когда компоновка имеет чрезмерную индуктивность или емкость. Добавьте небольшой конденсатор обратной связи (как упоминалось), используйте наземную плоскость и сохраните сводящий узел физически маленьким. Также проверьте, что разъединяющие конденсаторы размещаются непосредственно у штифтов питания и имеют короткие зацепки.

При систематической отладке и четком понимании основных принципов можно решить практически любую проблему суммирования аудио.

Заключительные мысли

Проектирование усилителя суммирования для смешивания аудио является полезным сочетанием теории аналоговых схем и реальной звуковой инженерии. Овладев инвертирующей топологией суммирования, выбрав компоненты с низким уровнем шума и уделяя пристальное внимание созданию постановки и заземления, вы можете создавать пользовательские смесители, которые конкурируют с коммерческими единицами. Гибкость лета операционных усилителей позволяет адаптировать импеданс ввода, коэффициент усиления и количество каналов к вашим точным требованиям - будь то компактная двухканальная схема смешивания или сложное студийное устройство суммирования.

С фундаментом, заложенным здесь, плюс несколько экспериментов на доске, вы будете хорошо оснащены для создания чистых, прозрачных аудио-лет, которые будут служить вашим музыкальным и производственным потребностям в течение многих лет. Для дальнейшего чтения изучите заметки приложений от производителей полупроводников и обширные ресурсы аудио-сообщества DIY, такие как сайт ESP Рода Эллиотта , который предлагает практические конструкции микшера и руководства по устранению неполадок.