Почему важны аудиоусилители с батарейным питанием

Портативные установки захвата звука часто страдают от слабых микрофонных сигналов, выходов инструментов высокого давления или длинных кабельных прогонов, которые ухудшают качество звука до того, как сигнал достигает рекордера или микшера. Компактный предусилитель с батарейным питанием, построенный вокруг качественного операционного усилителя, решает эти проблемы, не привязывая вас к настенной розетке. Он обеспечивает чистый прирост в поле, внутри гитарного педалборда или в крошечной коробке интерфейса студии. Удаляя гудение сети переменного тока и освобождая вас от громоздких адаптеров питания, работа батареи также упрощает схемы заземления и уменьшает точки входа шума.

Проектирование такого устройства с нуля требует больше, чем просто выбор операционного усилителя и проводка нескольких резисторов. Вы должны ориентироваться в предвзятости одного источника питания, тщательном выборе компонентов, управлении шумом и компоновке печатной платы, сохраняя при этом ток достаточно низким, чтобы обеспечить практическое время автономной работы. Это руководство проходит через весь процесс проектирования, охватывая все, от параметров операционного усилителя до защитного экрана корпуса, чтобы вы могли построить предусилитель, который конкурирует с коммерческими единицами по производительности и превосходит их по портативности.

Операционный усилитель как ядро

Операционный усилитель принимает небольшое дифференциальное напряжение между его инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входами и умножает его на коэффициент усиления в открытом цикле, который может превышать 100 дБ. Сети обратной связи укрощают этот огромный коэффициент усиления до точной, стабильной фигуры замкнутого цикла. Для аудио, операционный усилитель должен выполнять эту задачу линейно через диапазон от 20 Гц до 20 кГц, добавляя как можно меньше искажений и шума. В отличие от усилителей мощности, преамплификаторы обрабатывают крошечные уровни сигнала - часто всего несколько милливольт от динамического микрофона или пассивного гитарного пикапа - поэтому любые дефекты в операционном усилителе становятся четко слышимыми после более поздних стадий усиления.

Конфигурация неинвертирующего усилителя является рабочей лошадкой для большинства входов преамплификатора, поскольку она обеспечивает высокое импеданс ввода (установленное в первую очередь собственной сетью смещения входа op-amp) и легкое управление усилением всего с двумя резисторами. Однако при подаче от одной батареи питания операционный усилитель должен быть смещен до половины напряжения питания, чтобы обеспечить симметричный качание сигнала, метод, который мы рассмотрим подробно позже.

Критические параметры оп-ампера для портативного аудио

Выбор правильного операционного усилителя означает чтение таблиц данных с акцентом на параметры, которые важны для аудио с батарейным питанием. Эти пять характеристик должны направлять ваш выбор:

  • Плотность шума входного напряжения: Указывается в nV/√Гц, обычно при 1 кГц. Низкошумные аудиооператоры, такие как OPA2134 (8 nV/√Гц) или NE5532 (5 nV/√Гц)) не слышны. Для предусилителей микрофона с высоким коэффициентом усиления ищите детали ниже 5 nV/√Гц.
  • Ток подачи на усилитель: Переносная передача требует экономичности. Современный оп-ампер CMOS, такой как OPA1671, потребляет только 940 мкА на канал, в то время как классический биполярный NE5532 тянет около 4 мА на канал. Умножьте на количество каналов и время автономной работы, чтобы найти средний текущий бюджет.
  • Выходное колебание рельса-рельса: При одной 9В-батарее напряжение питания начинается примерно с 9В и провисает к 5,5В при разряде. Выходной оп-ампер рельса-рельса может колебаться в милливольтах рельсов, максимизируя запас хода. Стандартные оп-ампы могут преждевременно зажиматься, теряя драгоценное напряжение батареи.
  • Продукт полосы пропускания (GBWP): Для поддержания низкого искажения при 20 кГц с коэффициентом усиления 20 дБ (10×) вам нужен GBWP, по крайней мере, в десять раз превышающий этот продукт, около 2 МГц. Такие части, как TL072 (3 МГц) работают, но для более высокого коэффициента усиления или более широкой полосы пропускания выберите 10 МГц или выше.
  • Скорость потока: Аудио-переходные сигналы могут быть быстрыми. Минимум 5 В/мкс характерен для полномасштабных сигналов 20 кГц, хотя даже 3 В/мкс может быть достаточным для работы на уровне строк. Более быстрые скорости потока уменьшают преходящее искажение интермодуляции.

Низкая мощность и низкий уровень шума часто тянут в противоположных направлениях. Для микрофонного преампа с питанием от батареи NE5532 обеспечивает отличную шумоизоляцию, но при более высоком токе питания. Если вам нужно максимальное время автономной работы, современная часть, такая как OPA1671, достигает хорошего баланса. Для гитарного преампа, который требует только нескольких дБ усиления, TL072 может быть совершенно адекватным. Для авторитетного руководства по выбору обратитесь к ресурсам, таким как Поиск параметров оп-ампера Analog Devices .

Сила и спорные вызовы

Щелочная батарея 9В (PP3) остается наиболее доступным выбором для компактных предусилителей. Она обеспечивает номинальную 9В с умеренной емкостью (около 500-600 мАч). Два ячейки AA или AAA в серии дают 3В - слишком низкий для многих стандартных операционных усилителей - поэтому рассмотрите небольшой регулятор наддува или используйте 3V-толерантный рельсовый / рельсовый операционный усилитель. Перезаряжаемый блок Li-Ion 9V обеспечивает более низкое внутреннее сопротивление и более длительный срок службы, но имеет немного более низкое напряжение (7,4 В номинально).

Создание виртуальной площадки

Поскольку звуковые сигналы биполярны, вход оп-ампа должен сидеть при постоянном смещение постоянного тока, как правило, Vcc/2, так что выход может качаться как положительно, так и отрицательно относительно этой ссылки. Простой делитель резистора от Vcc до земли, обойденный конденсатором, создает эту ссылку среднего предложения. Центр делителя соединяется с неинвертирующим входом через резистор (для установки входного импеданса) и становится сигнальным основанием для соединения переменного тока. Убедитесь, что резисторы делителя достаточно низки, чтобы обеспечить жесткую ссылку, но достаточно высоки, чтобы избежать слива батареи - значения 10 кОм до 47 кОм хорошо работают для большинства схем.

Используйте второй операционный усилитель (если у вас есть запасной) для буферизации ссылки Vcc/2, создавая «виртуальную основу» с низким уровнем сопротивления, которая может управлять несколькими этапами без взаимодействия. Этот метод распространен в аудиосхемах с одним поставкой и подробно описан во многих примечаниях приложения TI .

Фильтрация электроснабжения

Батареи не являются совершенно бесшумными; они могут производить шипение из-за внутренних химических процессов, и любая цифровая схема поблизости может вводить шум. Вставьте фильтр низкого прохода между батареей и усилителями питания. Резистор серии 10Ω-100Ω, за которым следует электролитический конденсатор 100μF-470μF параллельно с керамическим конденсатором 0,1μF, обеспечивает эффективное отсоединение. Для еще лучшего отторжения используйте линейный регулятор с низким уровнем выпадения, установленный немного ниже минимального напряжения батареи, но это добавляет количество компонентов и некоторый покоящий ток.

Дизайн схемы шаг за шагом

Классический неинвертирующий усилитель переменного тока образует основу большинства каналов преамплификатора. Входной сигнал поступает через конденсатор блокировки постоянного тока, проходит через резистор к неинвертируемому входу операционного усилителя, который смещен на Vcc/2. Откатные резисторы от выхода к инвертируемому входу и от инвертирующего входа к заземлению задают усиление переменного тока. Второй конденсатор связи на выходе удаляет смещение постоянного тока перед подключением к следующей стадии.

Настройка и контроль Bandwidth

Для неинвертирующей конфигурации, усиления = 1 + (R]f/Rg, где Rffg является резистором для заземления (или для виртуального заземления, связанного с переменным током.]gg, чтобы заземлить, поместите конденсатор последовательно с Rgg. Угловая частота -3 дБ = 1/]gggg, чтобы держать угол ниже 10-20 Гц. Аналогично, небольшой конденсатор (10pF-100pF) может ограничивать высоко

Для переменного усиления заменяйте Rf или Rg потенциометром. 10kΩ лог-таперный горшок последовательно с Rf позволяет плавно регулировать коэффициент усиления. Чтобы предотвратить щелчки или сдвиги постоянного тока, убедитесь, что стеклоочиститель горшка соединен переменным током или небольшой конденсатор обходит дорожку горшка до земли.

Защита входов и фильтрация RF

Предусилители с батарейным питанием часто соединяются с непредсказуемыми источниками. Добавить конденсатор 100pF-220pF от входа к земле после блокирующего постоянного тока колпачка для шунтирования радиочастотных помех. Также может помочь резистор серии 1kΩ-10kΩ, но он будет взаимодействовать с входной емкостью опампа и крышкой фильтра RF для формирования фильтра низкого пропуска. Для надежной защиты ESD включают зажимные диоды к рельсам питания на входе, хотя многие опампы уже имеют внутренние защитные диоды.

Выбор компонентов и расчеты

Давайте разработаем практичный одноканальный предусилитель с коэффициентом усиления от 1× (0 дБ) до 10× (20 дБ) с использованием батареи 9В.

  • Операционный усилитель: OPA1671 (низкий шум, 940 мкА покоя, выход рельса на рельсы, скорость нарезки 16В/мкс). Альтернативно, для сверхнизкого тока питания, OPA1692 (650 мкА на канал, 4,2 нВ/Гц) является звездным исполнителем.
  • Конденсаторы блокировки DC: Ввод: 1 мкФ пленки или NP0 керамики (для низкой микрофоники) для установки входного высокопроходного с резистором смещения. Выход: 10 мкФ электролитики с 100 нФ пленочного обхода для привода линейных входов.
  • Биас-резистор (от неинвертирующего входа до Vcc/2): 100 кОм. В сочетании с входным колпачком 1 мкФ дает точку -3 дБ примерно на 1,6 Гц, что значительно ниже звука.
  • Сеть усиления: Rg (фиксированная) = 1 кОм, Cg (AC-связь с землей) = 47 мкФ электролитическая + 0,1 мкФ керамика для угла ниже 4 Гц. Rf = 10 кОм потенциометр + 9 кОм фиксированный резистор последовательно, давая диапазон усиления (1 + 9к/1к) = 10× к (1 + 19к/1к) = 20×, хотя лог-пойнт сделает регулировку более музыкальной. Чтобы сохранить минимальный прирост на 1, вам понадобится другая конфигурация с горшком в ноге на земле, но вышеупомянутая схема хорошо работает для гитарного бустера.
  • Vcc/2 делитель: Два резистора 10 кОм с конденсатором 47 мкФ от центра к земле.
  • Отсоединение питания: 100 мкФ электролитической и 0,1 мкФ керамической вблизи op-amp V+ pin.

Если вам нужен более высокий коэффициент усиления (40-60 дБ для динамического микрофона), требуется дополнительная стадия предварительного усилителя с низким уровнем шума или другой операционный усилитель (например, THAT1510 , если вы создаете сбалансированный вход).

Уменьшение шума и укладка ПХБ

Даже самый тихий операционный усилитель может быть побежден плохой компоновкой.Текущие, циркулирующие на наземной плоскости, могут модулировать сигнал, впрыскивая гул и гудение. Следуйте этим правилам, чтобы ваша цепь молчала:

  • Используйте твердую наземную плоскость на двусторонней ПХД, но держите высокоточные пути возврата (например, выходные разъемы и отрицательный заряд батареи) подальше от чувствительных входных возвратов. Разделите наземную плоскость, если это необходимо, с одноточечным соединением для аудиоземли.
  • Заземление звёзд: подсоединить заземление входного гнезда, заземление сети, отсчёт Vcc/2 и заземление выходного гнезда к одной точке на плоскости земли вблизи операционного усилителя. Это предотвращает развитие шумных токов нагрузки от падения напряжения по чувствительному возврату входа.
  • Обходные конденсаторы должны быть физически близки к силовым штифтам операционного усилителя, с короткими следами к плоскости земли. Используйте керамику 0,1 мкФ параллельно с большим электролитическим материалом. Поместите керамику ближе к штифту.
  • Сохраняйте входные следы короткими и вдали от узлов высокого давления. Если входной усилитель оптического давления имеет высокое сопротивление, может потребоваться защитное кольцо или экранирование. Для неинвертирующего буфера входное сопротивление определяется резистором смещения и входным колпачком, а не самим усилителем оптического давления, поэтому 100 кОм является управляемым.
  • Используйте резисторы из металлической пленки (1% или лучше) в сигнальном пути для низкого избыточного шума.
  • Щитный кабель для ввода внутри корпуса является обязательным.Даже несколько сантиметров неэкранированного провода могут выступать в качестве антенны.
  • Сшивание по струе: Если использовать двухслойную доску с наземной плоскостью на дне, поместите ряд сквозняков вокруг чувствительной входной области для снижения индуктивности грунта и улучшения экранирования.

Дизайн PCB и миниатюризация

Компоненты поверхностного монтажа позволяют сжать предусилитель до размера большой почтовой марки. 0805 или 0603 резисторы и конденсаторы легко ручной работы с практикой. Оп-ампы SOT-23 крошечные, но отлично управляемые при увеличении. Двусторонняя ПХБ с плоскостью земли на нижнем слое и сигнальными следами сверху сохраняет петлевые участки небольшими.

Устройте ПХБ так, чтобы входной разъем, зажим батареи и выходной разъем были размещены логически, минимизируя пробеги проводов. Потенциометр вмонтирован непосредственно на плату, если это возможно. Если вы используете части сквозного отверстия для разъемов и горшка, объедините SMD для всего остального, чтобы сэкономить место.

Для окончательной компактной конструкции рассмотрите пользовательскую печатную плату с интегрированным держателем батареи. Популярной платформой является защелка батареи 9V с небольшой печатной платой, которая содержит всю цепь, устанавливающуюся внутри экранированной алюминиевой коробки не больше, чем сама батарея. Есть много обучаемых , которые демонстрируют этот форм-фактор.

Тестирование и оптимизация

После пайки подтвердите, что между питанием и землей нет шортов. Подключите свежую батарею 9 В через ваш мультиметр для измерения тока - если она ниже покоящейся спецификации операционного усилителя, заподозрите неисправное соединение или неправильно подключенный делитель Vcc/2. Далее проверьте исходное напряжение Vcc/2 на неинвертируемом входе операционного усилителя; он должен находиться примерно в половине напряжения батареи (4,5 В ± 0,1 В).

Вводим синусоидальную волну 1 кГц на пике до пика от генератора сигналов или приложения для тестирования звука смартфона на входе. При минимальном увеличении выход должен быть чистой, слегка усиленной копией. Увеличиваем коэффициент усиления и проверяем, что выход остается симметричным до отсечения. Используйте осциллограф для проверки на наличие каких-либо высокочастотных колебаний, которые могут указывать на неадекватное отсоединение или проблемы с компоновкой. Для измерения шумового пола, короткого входа (с конденсатором связи ввода, все еще находящимся в цепи) и наблюдаемого выхода на микросхеме AC милливольтметра или осциллографа. Хорошо спроектированный предусилитель на основе NE5532 может достигать уровня шума -100 дБу при 60 дБ приросте. Для точных измерений THD+N можно использовать специальный аудиоанализатор или звуковую карту с программным обеспечением, таким как REW (Room EQ Wizard), но для базовой проверки достаточно объема и генератора сигнала.

Оценка жизни батареи

Расчет времени автономной работы путем деления емкости батареи (mAh) на общий ток (включая операционный усилитель, резисторы смещения, светодиод, если используется, и любой регуляторный ток покоя). Например, OPA1671 рисует 0,94 мА, плюс 0,5 мА для делителя (два резистора 10 кОм от 9V дают около 0,9 мА, но делитель находится между Vcc и землей, поэтому он всегда рисует). щелочь 9V с емкостью 550 мАч обеспечит примерно 550 / (0,94 + 0,9) ≈ 300 часов, если не используется светодиод. Добавление 2 мА светодиода падает до 143 часов. Для более длительного срока службы используйте высокоэффективный светодиод при 0,5 мА или полностью опустить его.

Ограждение и практическое строительство

Выберите алюминиевый коробок для отвода от электромагнитных помех. Дрилл-дыры для входных и выходных разъемов (например, нейтрик или коммутатор), вал потенциометра и переключатель питания, если это необходимо. Убедитесь, что корпус соединяется с заземлением цепи через выделенный провод или через заземление разъема. Для доступа к батарее используйте защелку 9В, закрепленную пеной или зажимом. Держите сигнальные провода как можно короче внутри коробки и скручивайте силовые и наземные провода вместе, чтобы уменьшить площадь петли. Если использовать металлический ящик, подключите его крышку к земле с небольшой проводящей прокладкой или проводом через шарнир для поддержания непрерывности.

Для полностью переносного устройства рассмотрите возможность добавления зажима ремня или крепления Velcro. Нанесите на этикетку контроль усиления и вход/выход четко, чтобы избежать потери сигнала. Небольшой одноцветный светодиод (с резистором серии 10 кОм) может указывать на включение питания, но помните его текущий вывод. Если вам нужна бесшумная работа, опустите светодиод или используйте импульсный индикатор, который мигает ненадолго при включении.

Реальные приложения и расширения

Предусилитель на батарейном питании сияет в нескольких практических сценариях:

  • Пассивный усилитель инструмента: Поместите его внутри гитары или на педаль доски, чтобы буферизировать пикапы с высоким сопротивлением, приводя длинные кабели без потери тона.
  • Динамический микрофонный предусилитель: Пару с высокодоходным операционным усилителем (например, NE5532 при увеличении на 40 дБ) для подачи портативного рекордера или аудиовхода камеры. Двойной 9V источник питания (создание ±9V) может дать больше возможностей для громких источников, хотя он удваивает количество аккумуляторов.
  • Phono preamp (RIAA): При тщательном выравнивании сетей в петле обратной связи, та же базовая архитектура становится предусилителем воспроизведения винила. Мощность батареи устраняет гудение сети, которое поражает многие стадии фоно.
  • Сбалансированный драйвер линии: Второй операционный усилитель может перевернуть сигнал, чтобы создать сбалансированный выход для профессионального оборудования, все работающие от одной батареи.
  • Беспроводной микрофонный передатчик: Объедините с небольшим FM-модулем или цифровым передатчиком для полностью свободной от кабеля настройки записи.

Несколько каналов и сбалансированный вход

Многие пакеты четырехтактных усилителей (например, OPA4134 или маломощный TLV6744) позволяют создавать двухканальные стереоусилители на одном чипе. Выкладывайте плату в виде зеркальных половин, чтобы держать перекрестный ввод на низком уровне. Если вам нужен истинный сбалансированный дифференциальный вход для микрофонов, рассмотрите специальный усилитель приборов, такой как INA163 , который интегрирует дифференциальную стадию и сеть усиления, значительно упрощая дизайн.

Для сверхнизкого разряда батареи посмотрите на наносиловые операционные усилители, такие как TSV912 (550 мкА на канал) или LPV821 (650 нА на канал!), Хотя их шумопроизводительность не звездная, они могут быть пригодны для повышения уровня линии или усиления датчика, где уровень сигнала уже относительно высок.

Заключение

Компактный, приводимый в действие аккумулятором аудиоусилитель, построенный вокруг тщательно подобранного операционного усилителя, является глубоко удовлетворительным проектом, который дает инструмент, пригодный для использования в бесчисленных ситуациях. Рассматривая дизайн с одним источником питания как систему - от виртуальной ссылки на разъединение и экранирование - вы устраняете ограничения шума и заднего плана, которые часто сдерживают любителей. Сочетание малошумного оп-ампа, продуманной компоновки печатной платы и прочной металлической коробки создает предусилитель, который может держаться против коммерческих продуктов, при этом стоит долю цены и обучая вас томам об аналоговой аудиоэлектронике. С помощью руководства, предоставленного здесь, вы можете уверенно спроектировать предусилитель, который соответствует вашим конкретным требованиям к увеличению, размеру и сроку службы батареи.