Circuits de preamplificador d'amplificador operatiu: per a micròfons, guitarres, pick-ups i buffers

En aquest post aprendrem una varietat de circuits de preamplificadors, i hi hauria d’haver un disseny adequat per a gairebé qualsevol aplicació de preamplificador d’àudio estàndard.

Com el seu propi nom indica, un preamplificador és un circuit d'àudio que s'utilitza abans que un amplificador de potència, o entre una petita font de senyal i un amplificador de potència. La feina d’un preamplificador és elevar el nivell del senyal petit fins a un nivell raonable de manera que sigui adequat per a l’amplificador de potència per amplificar-lo posteriorment en un altaveu.

Aportat per: Matrix

Preamp de micròfon

El preamplificador de micròfon que es mostra més amunt presenta un guany de tensió superior a 52dB (400 vegades) que podria adaptar-se a una dinàmica o alta impedància micròfon electret a gairebé qualsevol secció d'un equip d'àudio.

Si s’utilitza en associació amb micròfons estàndard, tal com s’esmenta aquí, es podria obtenir fàcilment una sortida d’aproximadament 1 volt RMS, tot i que un control de guany permet establir una sortida més baixa per assegurar que es podria eliminar la sobrecàrrega del circuit per la càrrega. .

La relació senyal-soroll del circuit és excel·lent i normalment supera els 70 dB respecte a una sortida d’1 V RMS (amb guany complet i descàrrega).

Com funciona

El circuit de preamplificador MIC op amplificador proposat consisteix en un parell d'etapes, que inclou IC1 com a amplificador no inversor. i IC2 com a amplificador inversor.

Tots els amplificadors són tipus disponibles normalment. El guany del bucle tancat d’IC1 es fixa al voltant de 45 vegades a través d’un circuit de retroalimentació negativa construït mitjançant la xarxa R3 i R5. La impedància d'entrada del circuit es fixa en un valor mínim de 27 k mitjançant R4, que és suficient per assegurar-se que no es produeixi una càrrega extrema del micròfon, C2 permet el bloqueig de CC a l'entrada del circuit.

El circuit també compta amb una xarxa de peces connectades amb la presa d’entrada que elimina qualsevol tipus de captació de soroll elèctric perdut i, a més, inhibeix les probables oscil·lacions causades per retroalimentacions falses. El dispositiu utilitzat per IC1 és un NESS34 o NE5534A que en realitat és un amplificador operacional de gamma alta. El NE5534A és marginalment superior al i NE5534, tot i que els dos circuits integrats ofereixen una funcionalitat excepcional amb xifres mínimes de soroll i distorsió.

C3 s’utilitza com a condensador d’acoblament a la sortida d’IC1 i VR1. VR1 actua com un control normal de guany de pot. A continuació, el senyal s’acobla a la següent etapa d’amplificació. Les resistències R6 i R9 constitueixen una xarxa de retroalimentació negativa que assegura un guany de tensió de bucle tancat de 10 a IC2. Això permet que el circuit aconsegueixi un guany de voltatge global d’uns 450.

Pel que fa a l'eficiència del soroll, el rendiment extremat no és crític aquí i, per tant, qualsevol amplificador operatiu adequat en lloc d'IC2 funcionarà. Aquí hem utilitzat un amplificador operatiu TL081CP, però, qualsevol altre tipus com el LF351 també funcionaria tan bé. Aquests tipus que són amplificadors operatius BiFET proporcionen magnituds de distorsions extremadament baixes.

Disseny de PCB

Disseny de components

Preamplificador universal amb amplificador operatiu LM382

El diagrama de circuits que es mostra a continuació mostra un preamplificador d'àudio universal bàsic que utilitza l'IC LM382, que ofereix un soroll molt baix, una distorsió baixa i un guany raonablement elevat, i aquest circuit es pot utilitzar pràcticament en totes les aplicacions normals de circuits de preamplificador d'àudio.

Com funciona

Les resistències R2 i el condensador C6 permeten l'equalització, que es pot veure entre la sortida del preamplificador i l'entrada d'inversió. A freqüències baixes, C6 inclou una impedància elevada que resulta en una freqüència de retroalimentació baixa i un guany d’alt voltatge. A freqüències més grans, la impedància de C6 disminueix lentament, proporcionant una retroalimentació negativa millorada i eliminant la resposta del circuit als 6 dB necessaris per octava.

Només s'estén fins a una freqüència al voltant de 2 kHz, perquè per sobre d'aquesta freqüència la impedància de C6 és bastant petita en comparació amb la de R2, que no té cap influència en el grau de retroalimentació o de guany de tensió del circuit.

R1 i C4 també formen part del sistema de retroalimentació. C2 és el condensador de bloqueig de CC d’entrada i C3 és un condensador de filtre de RF que ajuda a prevenir interferències de RF i problemes d’inestabilitat a causa de senyals perduts de la font a l’entrada no inversora (a la qual s’acobla el senyal d’entrada).

El LM382 té un alt nivell d’exclusió d’ondulacions de sortida, però, a causa del seu nivell de senyal d’entrada més baix i de la probabilitat que es puguin afegir fluctuacions de soroll a les línies de subministrament.

Tot i que IC1 crea una quantitat significativa de guany de tensió, d'alguna manera proporciona un nivell de sortida de 50 mV RMS, que és al voltant d'una dècima part de la tensió de la unitat que necessiten la majoria dels amplificadors d'alta definició.

Per tant, Tr1 s’incorpora en la forma d’un amplificador emissor comú amb un guany de tensió de potser 20dB. R4 permet una retroalimentació constructiva que disminueix el guany de tensió de Tr1 fins al nivell adequat, que a més proporciona un menor grau de distorsió. IC9 enllaça la sortida Tr1 amb l’atenuador VR1 per obtenir una sortida ajustable.

Resposta de freqüència

Per a senyals no filtrats, es podria aconseguir una petita quantitat de reducció de soroll, essencialment mitjançant un filtre de tall agut, i es pot obtenir una resposta de freqüència mitjana relativament suau.

El procés s’implementa mitjançant l’aplicació d’aguts aguts, però la quantitat d’augment adaptada depèn del nivell dinàmic del senyal. És més elevat en intervals de senyal baix i disminueix fins a zero com a màxim amb senyals de nivell dinàmic.

Quan s’aplica un senyal de música a l’entrada, el circuit permet un tall d’aguts que de nou s’optimitza dinàmicament, realment es produeix per tal de compensar una resposta elevada d’alçada d’aguts.

El circuit preamplificador universal té un filtre de tall superior que utilitza R7 i c8, que permet una atenuació d’uns 5 dB amb freqüències de 10 kHz. A causa d'això, les altes freqüències es poden augmentar amb una magnitud de 5 dB per a nivells de senyal elevats. Per a les entrades de senyal mitjanes, la resposta de freqüència que ofereix el disseny és plana.

Circuit de preamplificador de guitarra

La funció bàsica d’aquest circuit de preamplificador de guitarra és integrar-se amb qualsevol guitarra elèctrica estàndard i elevar els senyals de corda baixa d’entrada en uns senyals preamplificats raonablement elevats que es podrien alimentar a un amplificador de potència més gran per obtenir la sortida augmentada desitjada.

La freqüència del senyal de sortida de les captadores de guitarra tendeix a diferir molt de la captació a la captació i, tot i que algunes tenen un voltatge molt alt que pot empènyer gairebé qualsevol amplificador de potència, algunes tenen aproximadament uns 30 milivolts de tensió RMS aproximadament.

Els amplificadors construïts expressament que es poden utilitzar amb guitarres solen tenir una sensibilitat relativament alta i aquests es poden utilitzar de manera fiable per a gairebé qualsevol recollida, tot i que quan s’utilitza una guitarra amb alguna altra forma d’amplificador (com ara un amplificador d’alta definició) el volum global assolit sempre es considera insuficient.

Un remei fàcil a aquest problema és utilitzar un preamplificador com es mostra a dalt, abans d’alimentar-lo a l’amplificador de potència per augmentar l’amplitud de freqüència del senyal. La configuració bàsica esmentada aquí té un guany de tensió que realment pot variar des de la unitat a més de 26 dB (20 vegades), per tant, hauria d’adaptar-se a pràcticament totes les captures de guitarra a pràcticament tots els amplificadors de potència.

La impedància d’entrada del preamplificador ha de ser d’uns 50k i la impedància de sortida és baixa. Per tant, el circuit es podria emprar com a amplificador de memòria intermèdia bàsic amb un guany de tensió unitària per adaptar-se a la impedància de sortida bastant alta d’una captació de guitarra a un amplificador de potència que tingui una impedància d’entrada baixa si es requereix.

S'ha utilitzat un amplificador operatiu BIFET de baix soroll (IC1) solitari com a base per a la unitat, que per tant té nivells de distorsió marginals, així com una relació senyal-soroll al voltant de -70dB o superior fins i tot quan la unitat orksw amb un instrument de sortida molt baixa com una guitarra.

Com funciona

Aquest disseny és en realitat un circuit de configuració d'amplificador operacional normal que no inverteix amb R2 i R3 emprat per polaritzar l'entrada d'IC1 no inversora al voltant del 50% de la tensió d'alimentació.

Aquests també configuren la impedància d'entrada del circuit en aproximadament 50k. R1 i R4 formen la xarxa amb retroalimentació negativa, també amb R4 amb un valor mínim de 1C1, els senyals de control inversors s’acoblen directament entre si i el circuit proporciona un guany de tensió unitària.

A mesura que R4 es calibra per obtenir una major resistència, el guany de tensió de CA disminueix gradualment, però C2 introdueix un bloqueig de CC de manera que el guany de tensió de CC es mantingui variable i la sortida de l'amplificador es mantingui esbiaixada a ½ la tensió d'alimentació.

El guany de tensió de l'amplificador és aproximadament equivalent a R1 + R4, dividit per R1, donant lloc a un guany de tensió nominal nominal superior a 22 vegades amb R4 al valor més alt.

El consum de corrent del circuit és d’uns 2 miliamperis mitjançant una alimentació de 9 volts, que augmenta fins a aproximadament 2,5 miliamperis quan s’utilitza una font de 30 volts.

Una font de tensió eficaç per al dispositiu és una bateria compacta de 9 volts com un tipus PP3. Quan s’utilitza un subministrament de 9 volts, el voltatge de sortida mitjà sense retallar és d’uns 2 volts RMS, i això funciona pràcticament bé.

Detalls de la connexió del PCB de la placa de tires i diagrama de disseny dels components

Llista de peces

Amplificador de memòria intermèdia d’alta impedància

Un amplificador de memòria intermèdia també funciona com un pre-amplificador ideal per a la majoria d’aplicacions, però, juntament amb la preamplificació, també funciona com una memòria intermèdia d’alta impedància entre l’etapa d’entrada de senyal i l’etapa d’amplificador de potència. Això permet especialment utilitzar aquest tipus de preamplificadors amb senyals d’entrada de corrent extremadament baixos, que no poden permetre’s la càrrega amb altres preamplificadors de baixa impedància.

L'amplificador de memòria intermèdia que es mostra aquí té una impedància d'entrada de més de 100 M a 1 kHz, i la impedància d'entrada es pot ajustar simplement a gairebé qualsevol nivell acceptable per sota d'aquest punt. El guany de tensió del circuit és la unitat.

Com funciona

La figura anterior mostra el diagrama del circuit de l’amplificador de memòria intermèdia d’alta impedància i la unitat és essencialment només un amplificador operatiu que funciona com un amplificador sense inversió per obtenir un guany d’unitat. En acoblar la sortida d’IC1 directament a la seva entrada inversora, s’afegeix un 100% de retroalimentació negativa sobre el sistema per aconseguir el guany de tensió d’unitat necessari juntament amb una impedància d’entrada molt alta.

Dit això, el circuit de polarització, que en aquesta situació inclou de R1 a R3, deriva de la impedància d'entrada de l'amplificador de manera que el circuit global proporciona una impedància d'entrada molt menor que l'IC1 sol. La impedància d’entrada és d’uns 2,7 megahms i, per a la majoria de les aplicacions, pot ser suficient.

Tanmateix, es podria eliminar l'acció de derivació de les resistències de polarització, i aquest és l'objectiu del 'bootstrapping' del condensador C2. Connecta el senyal de sortida a la unió de les tres resistències de polarització i, per tant, qualsevol ajust de la tensió d’entrada s’equilibra mitjançant un desplaçament de tensió igual a la sortida de IC1 i a la intersecció de les tres resistències de polarització.

En el paper IC1, s’utilitza un amplificador operacional bàsic de 741 C i, com s’ha dit anteriorment, proporciona una impedància d’entrada que normalment supera els 100 megahms a 1 kHz que hauria de ser bastant adequada per a qualsevol implementació estàndard.

La major impedància d'entrada que es pot aconseguir utilitzant un amplificador operatiu per a entrades FET realment no té cap importància pràctica, de manera que hi ha alguns inconvenients amb la majoria dels sistemes d'entrada FET en aquest circuit.

Primer que tenen una propensió a oscil·lar quan l'entrada està oberta (quan l'entrada està connectada al dispositiu, les oscil·lacions s'atenuen i s'eliminen).

L’altre inconvenient és que la potència d’entrada de tants dispositius d’entrada FET és substancialment superior a la dels dispositius bipolars com el 741 IC. Mitjançant aquestes accions de derivació, la majoria de les freqüències la impedància d'entrada es redueix, mentre que a les freqüències baixes i mitjanes baixes, la impedància d'entrada és simplement més alta.

Per a aquest propòsit, és necessària una impedància d'entrada relativament baixa (com la captació que té una impedància de càrrega recomanada de molts 100 k ohm i M ohm), una forma d'aconseguir-ho és eliminar C2 i canviar les quantitats de R1 a R3 per aconseguir una impedància d'entrada desitjada.

Llista de peces

Disseny de PCB

Preamplificador Op Amp per a senyals de 2,5 mV

Aquest circuit particular de preamplificador d'amplificador operatiu és extremadament sensible i us permetrà augmentar senyals de fins a 2,5 mV a 100 mV. En realitat es deriva d’un antic concepte de preamplificador RIAA.

En dies anteriors, la sortida d’un cartutx de bobina mòbil d’un imant o d’alta tensió normalment era de 2,5 a 10 milivolts, de manera que la captació es podia equilibrar amb l’amplificador de potència (això requeriria possiblement un senyal de sortida d’un parell de centenars de milivolts RMS).

Tot i que la producció de cartutxos magnètics i de bobines mòbils augmentaria a 6 dB per octava, es podria prescindir de la necessitat de cap igualació per contrarestar-ho, ja que durant el procés de gravació s’havia d’implicar una igualació adequada.

No obstant això, encara seria necessària la igualació, ja que durant el procés de gravació s’utilitzarien un tall de greus i un augment dels aguts, a més d’ajustar, la resposta de freqüència sovint es contrarestava amb un augment de 6dB d’octava en la sortida de recollida.

Es va haver d’incloure el tall de greus per aturar les modulacions de ranures de baixa freqüència innecessàriament i el triple augment (amb un triple tall de reproducció) proporcionaria una facilitat de reducció de soroll senzilla però eficient.

La figura anterior és en realitat un gràfic de resposta de freqüència del circuit de preamplificador RIAA antic, que mostra els paràmetres necessaris per implementar amb èxit un preamplificador altament sensible com aquest.

Com funciona el circuit

En un ús real, els amplificadors d’equalització RIAA solen desviar-se una mica de la resposta perfecta, tot i que les especificacions del dispositiu no es van considerar críticament.

En realitat, tanmateix, fins i tot una xarxa d'equalització directa formada per sis conjunts de condensadors de resistència sol donar com a resultat un error màxim de no més d'un o 2 dBs, que en realitat sembla bastant correcte.

R2, R3 s’utilitzen per enllaçar aquesta tensió de distorsió amb IC1. R2. C2 filtra qualsevol distorsió o brunzit a la font d'alimentació, evitant que s'afegeixin interferències a l'alimentació de l'amplificador.

L'alt valor R3 proporciona una impedància d'entrada elevada per al circuit, però, això és transferit per R4 al nivell necessari d'aproximadament 47k.

Alguns altres pick-ups poden presentar una barrera de càrrega de 100k i, per tant, R4 s'hauria d'incrementar a 100k si la unitat s'ha d'implementar mitjançant un senyal d'entrada, tal com hem fet en els pick-up antics.

L'alta impedància d'entrada de l'amplificador permet emprar un valor de peça molt petit per a C3 sense sacrificar la resposta de greus del circuit.

És avantatjós perquè elimina un nivell significatiu de corrent de corrent dels senyals de captació d’entrada que s’encenen, tan bon punt aquest dispositiu pren el seu funcionament normal.

Una retroalimentació negativa selectiva de freqüència sobre IC1 proporciona l’ajustament necessari de la resposta de freqüència.

A les freqüències mitjanes R5 i R7 són els principals determinants del guany del circuit, però a les freqüències de freqüència inferior C6 afegeix una impedància substancial de R5 per minimitzar la retroalimentació negativa i augmentar el guany necessari.

De la mateixa manera, la impedància de C5 és petita a altes freqüències en comparació amb la impedància de R5, i l’impacte de la derivació de C5 condueix a una retroalimentació més gran i el llançament d’alta freqüència necessari.

Atès que el circuit genera un guany de tensió superior a 50 db en les freqüències d’àudio mitjanes, la sortida esdevé prou elevada per executar qualsevol amplificador de potència estàndard fins i tot quan s’utilitza amb un senyal d’entrada de només 2,5 mV RMS.

El circuit s'alimenta des de qualsevol voltatge d'entre aproximadament 9 i 30 volts, però es recomana treballar amb un potencial d'alimentació raonablement alt (aproximadament 20-30 volts) per permetre un percentatge de sobrecàrrega raonable.

Quan el circuit s'aplica amb un senyal de sortida elevat però només amb una tensió d'alimentació d'aproximadament 9 volts, és probable que es produeixi una petita sobrecàrrega com a mínim.

Llista de peces

Disseny de PCB