Table of Contents

Введение в двухканальные аудиомиксеры для домашних студий

Двухканальный аудиомиксер является одним из самых полезных строительных блоков в любой домашней студии. Он позволяет объединить два независимых аудиоисточника, таких как микрофоны, линейные инструменты или аудиоинтерфейсы, в один выход, который может быть подан в записывающее оборудование, динамики с питанием или усилитель наушников. В то время как коммерческие микшеры предлагают множество функций, создание собственного с операционными усилителями (op amps) дает вам полный контроль над сигнальным путем, качеством компонентов и конечным аудиохарактером. Это руководство обеспечивает всеобъемлющий, готовый к производству подход к проектированию и созданию двухканального микшера с использованием базовых схем оп-ампера, от теоретических основ до практической сборки и тестирования.

Основы операционного усилителя для аудио

Оперативные усилители — рабочие лошадки аналоговой обработки звука. Их высокий коэффициент усиления в открытом цикле, высокое импеданс ввода и низкое импеданс вывода делают их идеальными для суммирования множества сигналов с минимальным взаимодействием между каналами. При конфигурировании в качестве инвертирующего суммарного усилителя усилитель операции может объединять два или более входных напряжений в одно выходное напряжение, которое является взвешенной суммой входов. Прирост для каждого канала устанавливается соотношением резистора обратной связи к резистору ввода, что позволяет независимо управлять уровнем при сохранении узла суммирования низкого шума.

Для двухканального микшера обычно используется двухканальный ИС, такой как TL072 (вход JFET, низкий шум, высокая скорость потери тяги) или LM358 (биполярная, низкая производительность, но широко доступная). TL072 является предпочтительным для большинства домашних приложений из-за его низкого искажения и высокого импеданса ввода, что предотвращает загрузку аудиоисточников. LM358 может работать для сигналов линейного уровня, если стоимость является ограничением, но его более высокий шум и ограниченная полоса пропускания могут стать заметными с вокальным или высокочастотным контентом.

Ключевые параметры для выбора Op Amp

  • Скорость потока — не менее 3 В/мкс для чистого воспроизведения 20 кГц (TL072: 13 В/мкс; LM358: 0,3 В/мкс).
  • Входное шумовое напряжение — ниже 10 нВ/Гц для низкого шипения (TL072: 18 нВ/Гц при 1 кГц; LM358: ~40 нВ/Гц).
  • Диапазон напряжения подачи — типично двойное ±5 В до ±18 В (оба ИС поддерживают ±15 В).
  • Входное импеданс — 109 Ω или выше (TL072) против 106 Ω (LM358).

В этом руководстве рекомендуется использовать TL072. Вы можете найти его таблицу данных от Texas Instruments и таблицу данных LM358 здесь для справки.

Дизайн схемы: инвертирующая подводящая топология

Классический двухканальный смеситель использует конфигурацию инвертирующего сумматора. Каждый аудиоканал входа соединен с инвертирующим входом (−) усилителя операционального действия через последовательный входной резистор. Неинвертирующий вход (+) смещен на землю (или на виртуальный грунт в конструкциях с одним подачей). Резистор обратной связи соединяет выход с инвертирующим входом. Выходное напряжение представляет собой отрицательную сумму входных напряжений, умноженную на коэффициент усиления, установленный резисторными соотношениями.

Для смесителя с единичным набором (уровень выхода, примерно равный каждому отдельному входу, когда активен только один канал), используйте равные значения резистора для всех входных резисторов и резистора обратной связи. Типичный выбор составляет 10 кОм для каждого канала и резистора обратной связи. Это дает инвертированную конфигурацию, поэтому полярность выходного сигнала инвертируется - это обычно не проблема для аудио, потому что ухо нечувствительно к фазе, и в домашней студии вы можете исправить полярность на интерфейсе записи, если это необходимо. Если вам требуется неинвертирующий выход, вы можете добавить вторую инвертированную буферную стадию или использовать неинвертированную сводящую топологию (которая имеет разные характеристики импеданса).

Полный схематический обзор

Ниже приводится концептуальный блок схемы. Актуальные значения компонентов и дополнительные компоненты фильтрации обсуждаются в последующих подразделах.

  • Вводный разъем 1 → 1 мкФ конденсатора DC-блокировки → 10 кОм резистор → инвертирующий вход операционного усилителя.
  • Вводный разъем 2 → 1 мкФ конденсатора DC-блокировки → 10 кОм резистор → инвертирующий вход операционного усилителя.
  • Резистор обратной связи: 10 кОм от вывода к инвертируемому входу.
  • Неинвертирующий вход: подключен к земле через резистор 10 кОм для компенсации тока смещения.
  • Конденсаторы отсоединения питания: 100 мкФ электролитический + 100 нФ керамический от каждого рельса питания к земле, размещенные близко к ИС.
  • Выходное гнездо: подключайтесь непосредственно к выходу усилителя op (или через резистор серии 100 Ω для защиты короткого замыкания).

Эта базовая топология работает, но для реального использования вы захотите добавить элементы управления усилением канала (объемные горшки) и, возможно, управление уровнем вывода. Добавление потенциометра до входного резистора дает вам простой объемный бликер, но сопротивление стеклоочистителя горшка может изменить входное сопротивление результирующего узла, изменяя частотную реакцию, если не правильно буферизовано. Более надежный метод заключается в том, чтобы поместить потенциометр после буферной стадии, но для простого двухканального смесителя логарифмический (аудио-таперный) потенциометр в качестве переменного резистора последовательно с входным резистором хорошо работает для большинства источников домашней студии. Альтернативно, вы можете использовать горшок 100 кОм с резистором серии 10 кОм для снижения эффектов загрузки.

Выбор компонентов и расширение схемы

Варианты энергоснабжения

Оп-ампер требует симметричного двойного питания для лучшей производительности. Подача ±12 В или ±15 В обеспечивает достаточный запас для аудиосигналов потребительского уровня (обычно до 2 Врмс). Вы можете построить линейный источник питания с использованием центрального трансформатора, выпрямителя моста и регуляторов 78xx / 79xx или использовать простую настройку батареи ±9 В с инвертором напряжения (например, ICL7660) для портативных приложений. Для чистого аудио используйте регулируемый источник с электролитическими и 100 нФ керамическими разъемными конденсаторами на каждой рельсе непосредственно у штифтов операционного усилителя.

Входные и выходные соединительные емкости

Для блокирования любого смещения постоянного тока от источника или от самого смесителя (особенно в конструкциях с одним источником питания) помещают последовательно неполяризованный конденсатор с каждым входом. Достаточно значения от 1 мкФ до 10 мкФ с рейтингом напряжения не менее 25 В. Конденсаторы пленки Polyester предпочтительны для точности звука; электролитические конденсаторы могут использоваться, но могут вводить искажение, если они неправильно смещены. На выходе электролитический конденсатор 10 мкФ (с положительной стороной к выходу усилителя оптического тока при использовании одного питания) блокирует смещение постоянного тока от достижения следующего устройства.

Добавление Pan и Tone Controls

После того, как базовый суммирующий миксер работает, его можно расширить стереопаннингом. Двухканальный миксер можно сделать стерео, используя две схемы op-amp (одна для левого, одна для правого) и подавая каждый вход в оба канала через панорамные горшки. Простое управление пана использует двухгранный потенциометр, проводимый в качестве перекрестного фадера между левым и правым сводящими узлами. Для управления тоном можно вставить пассивный фильтр полки Baxandall между входом и резистором суммирования или использовать активную стадию фильтра. Для домашней студии простой однополюсный низкочастотный фильтр (5 кОм резистор + 10 нФ конденсатор) на каждом входе может укрощать шипение, в то время как фильтр высокого прохода (100 нФ конденсатор последовательно с входом) может блокировать грохот.

Шаг за шагом Руководство по сборке

Прототипирование Breadboard

Перед тем как совершить переход на постоянную плату, постройте схему на безпайковой плите. Используйте короткую прямую проводку для сигнального пути и держите конденсаторы обхода источника питания как можно ближе к штифтам ИС. Подключите синусоидальную волну 1 кГц от тестового источника (или выхода смартфона) к одному входу и контролируйте выход с помощью осциллографа или динамика с питанием. Отрегулируйте усиление напряжения путем замены резисторов обратной связи и наблюдайте за формой волны для обрезания или искажения. Это этап для эксперимента с различными значениями резистора, чтобы установить желаемый максимальный коэффициент усиления (например, 2× для повышения уровня линии).

Изготовление печатной платы (PCB)

Для постоянной сборки, проектировать ПХБ с использованием свободного программного обеспечения, как EasyEDA или KiCad. Двухканальный микшер может быть выложен на небольшой плате около 50 мм × 40 мм. Запуск аудио трассы отдельно от силовых трасс, использовать наземную плоскость для снижения шума, и разместить все разъединяющие конденсаторы в пределах 5 мм от IC контактов. Заказать ПХБ от службы прототипирования; простая двухслойная плата с ENIG отделка хорошо для аудио. Альтернативой является перфборд с точки-точка пайка, которая работает хорошо, но может потребовать тщательной свинцовой повязки, чтобы избежать колебаний.

Соединители и разъемы

Включить ПХД в металлический или экранированный пластиковый корпус. Металлические корпуса обеспечивают лучшее РЧ экранирование. Используйте высококачественные 1⁄4-дюймовые стереоразъемы (моно для каждого канала) и один выходной разъем. Добавьте силовой светодиод с токоограничивающим резистором (1 кОм) между рельсом питания и 3-мм светодиодом. Нанесите на переднюю панель: «CH 1 Volume», «CH 2 Volume» и «Master Level», если вы включаете выходной горшок. Для входных разъемов используйте изолированные разъемы для предотвращения заземления; одноточное заземление от корпуса до заземления цепи (при входе питания) уменьшает гул.

Тестирование, устранение неполадок и оптимизация

Начальная проверка Power-On и сигнала

Перед подключением любых аудиоисточников измеряйте напряжения постоянного тока на выходе усилителя без ввода. Оно должно находиться в пределах нескольких милливольт 0 В (земля). Если оно находится при напряжении рельса, то чип, скорее всего, колеблется или существует паяльный мост. Проверяйте непрерывность петли обратной связи и то, что неинвертирующий вход правильно смещен. Вставьте синусоидальную волну 1 кГц при -10 дБу в канал 1 и измерьте выход: следует увидеть инвертированную синусоидальную волну примерно той же амплитуды (при использовании усиления 10 кОм/10 кОм). Если происходит искажение, уменьшите уровень ввода или увеличьте напряжение питания.

Шум и устранение неполадок

  • 60 Гц гул — обычно вызванный заземлением. Убедитесь, что все аудиоисточники имеют один и тот же заземление. Используйте переключатель заземления на выходе, если это необходимо.
  • Высокочастотный шип — уменьшайте значения резистора (например, 2,2 кОм вместо 10 кОм) для снижения шума Джонсона, но сохраняйте входное сопротивление достаточно высоким, чтобы избежать загрузки источника.
  • Радиочастотные помехи (RFI) — добавлять небольшие конденсаторы (100 pF к 1 nF) с каждого входа на землю непосредственно на входном разъеме. Используйте проводку скрученной парой для питания.

Для подробного введения в конструкцию микшера op-amp и устранения неполадок учебник Все о схемах, суммирующих усилитель , является отличным ресурсом.

Оптимизация структуры прибыли

Устройства домашней студии часто имеют различные уровни вывода. Динамический микрофон потребует предварительного усилителя перед микшером, в то время как синтезатор или аудиоинтерфейс могут напрямую управлять входами на уровне линии. Установите максимальный коэффициент усиления микшера так, чтобы типичный источник -10 дБВ достигал 0 дБВ на выходе с горшком при 80 % вращении. Используйте мультиметр для измерения напряжения переменного тока: для 0 дБВ (1 Врм) выйдите, установите резистор обратной связи до 15 кОм с 10 кОм входными резисторами для усиления 1,5×. Этот дополнительный запасной блок предотвращает обрезание, когда оба канала полностью активны.

Практические приложения в домашней студии

С помощью работающего двухканального смесителя вы можете:

  • Совместите два микрофона для подкастов без использования микширующей консоли.
  • Смешайте гитарный сигнал DI и синтетическую линию в одну дорожку для записи.
  • Создайте субмикс для обработки эффектов (например, отправьте два канала драм-машины в реверберационный блок).
  • Создайте монолинейный субмиксер, который подается в ваш аудиоинтерфейс.

Конструкция легко масштабируется до трех или четырех каналов, добавляя больше входных резисторов к суммирующему узлу - просто отрегулируйте резистор обратной связи, чтобы сохранить общий коэффициент усиления. Для четырехканального смесителя используйте 20 кОм каждый с резистором обратной связи 10 кОм для поддержания коэффициента усиления единства на канал.

Ограничения и альтернативные проекты

В то время как инвертирующий суммирующий микшер прост, он имеет несколько оговорок. Входное сопротивление, видимое каждым источником, равно входному резистору (10 кОм в нашем примере). Некоторые аудиоисточники, особенно пассивные гитарные пикапы, могут загружаться вниз и терять высокие частоты. Если вы планируете смешивать источники высокого давления, добавьте буферную стадию JFET перед каждым входным резистором. Сам TL072 имеет очень высокое входное сопротивление, но резистор в серии с источником все еще формирует нагрузку.

Другой альтернативой является неинвертирующий сумматорный усилитель, который представляет собой очень высокое входное сопротивление, но вносит больше шума и требует тщательного контроля усиления. Для большинства источников линейного уровня домашней студии инвертирующая топология остается наиболее практичной и повторяемой.

Моделирование дизайна перед строительством

Перед пайкой имитируйте схему с помощью инструмента, такого как онлайн-симулятор схем Falstad . Введите схему с моделью TL072, добавьте два входа синусоидальной волны с различными частотами и запустите моделирование. Вы увидите суммарную выходную форму волны и сможете проверить инверсию фазы. Это мощный способ проверить значения компонентов и наблюдать за вырезкой перед выполнением физической сборки.

Заключение

Создание двухканального аудиомиксера с цепями op-amp - это простой проект, который обеспечивает непосредственную ценность в домашней студии. Понимая базовую топологию усилителя суммирования, выбирая соответствующие компоненты (такие как TL072) и следуя хорошей компоновке и практике энергоснабжения, вы можете создать чистый, малошумный микшер, который превосходит многие бюджетные коммерческие единицы. Навыки, которые вы развиваете - чтение таблиц данных, прототипирование и устранение неполадок - переносятся на более продвинутые проекты, такие как параметрические эквалайзеры, компрессоры и многоканальные сводящие коробки. С расширенным руководством по дизайну в этой статье, вы хорошо оснащены для перехода от концепции к готовому, готовому к производству микшеру, который отвечает вашим конкретным потребностям студии.