Схема предварительного усилителя — современные аудиосистемы, несмотря на высокую степень оцифровки, иногда не требуют поддержки со стороны аналоговых систем. Примером может служить дефицит усиления, вызванный слишком низкой амплитудой сигнала, поступающего от цифро-аналогового преобразователя. Описанная здесь схема может решить эту проблему.
Сборка миниатюрного предварительного усилителя
Описанная схема представляет собой двухканальный неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления по напряжению около 4,3 В/В (12,7 дБ). Схема предварительного усилителя отличается высоким входным импедансом, и низким выходным сопротивлением.
Предварительный усилитель имеет широкую полосу пропускание и плавные Амплитудно-частотные характеристики в полосе пропускания. Он рассчитан на питание от одного напряжения, то есть, несимметричен. Изменить коэффициент усиления схемы можно путем замены двух резисторов.
Как работает схема предварительного усилителя?
Принципиальная схема предусилителя представлена на рисунке 1. Активным элементом является двойной быстродействующий операционный усилитель с входами на полевых транзисторах, это хорошо известный и популярный ОУ TL082. Благодаря использованию на входах полевых транзисторов можно не беспокоиться о необходимости компенсации входных поляризующих токов. Низкая цена также является весомым преимуществом.
Принципиальная схема предварительного усилителя звука
Оба операционных усилителя были настроены одинаково: как неинвертирующие усилители с коэффициентом усиления 4,3 В/В (G = 1 + 3,3 кОм/1 кОм), поскольку такая схема характеризуется высоким входным сопротивлением и сохранением фазы входного сигнала по отношению к выходному сигналу в широком диапазоне частот, что важно в аудиоустройствах.
Неинвертирующие входы усилителей поляризованы напряжением, равным половине напряжения питания, что является классической реализацией так называемого искусственного заземления. При этом, операционный усилитель «кажется» питается симметричным напряжением.
Для деления этого напряжения используются два резистора R11 и R12, которые вместе с конденсатором C11 образуют своего рода фильтр нижних частот с частотой среза около 4 Гц. Это немного снижает проникновение в сигнал нежелательной составляющей 50 Гц (или 60 Гц), которая может исходить от источника питания.
Верхняя граничная частота работы схемы устанавливается на уровне около 480 кГц, в основном с помощью конденсаторов 100 пФ. Благодаря этому схема не искажает фазу сигнала во всей полосе пропускания.
Определение нижней рабочей частоты сложнее, потому что она ограничена тремя контурами.
- На входе: полярные конденсаторы C1/C5 и резисторы R2/R7, который устанавливает предельную частоту отсечки значительно ниже 1 Гц.
- В цепи обратной связи: конденсатор C3/C7 и резистор R3/R8, который устанавливает частоту среза примерно на 7 Гц.
- На выходе: конденсаторы C4/C8 и резисторы R5/R10, что дает частоту среза примерно 2 Гц. Если следующий каскад существенно нагружает выход схемы, эта частота может оказаться выше.
Таким образом, можно сделать вывод, что вторая цепь доминирует, а результирующая нижняя граничная частота схемы ниже предела, необходимого для Hi-Fi систем (которая составляет 20 Гц в соответствии с DIN 45500).
Отключение компонента постоянного тока на входе и выходе означает, что вам не нужно беспокоиться о его влиянии на следующий сегмент звукового тракта, а также на саму схему предварительного усилителя.
Сборка и ввод в эксплуатацию
Образец схемы собран на односторонней печатной плате размером 43×30 мм, которая представлена на рисунке 2. Монтажные отверстия расположены в 3 мм от края платы.
Печатная плата предварительного усилителя
Предлагаю начать сборку с пайки SMD-компонентов, то есть резисторов, керамических конденсаторов и интегральной схемы US1. Далее следует одна тонкая проволочная перемычка, которую нужно продеть через соответствующие отверстия. Наконец, остаются разъемы ARK и электролитические конденсаторы. Печатную плату с компонентами можно увидеть на фото ниже.
Верх платы
Низ платы
Правильно собранная схема начинает работать сразу после подключения питания к клеммам GND и VCC, а значения напряжения питания, могут варьироваться от 9 В до примерно 30 В. Это напряжение не нужно стабилизировать, но оно обязательно должно быть хорошо отфильтровано от помех. Ток потребления зависит от напряжения:
- при 9В — 4мА,
- при 15В — 5мА,
- при 24 В — 6,5 мА.
Величина напряжения питания влияет на максимальную амплитуду выходного напряжения. Выход микросхемы TL082 не достигает потенциалов цепи питания и должен иметь определенный запас для получения линейной работы. Таким образом, на частоте 1 кГц максимальная амплитуда синусоидального выходного сигнала, при которой отсутствуют видимые искажения, составляет:
- при 9В — 2,5В
- при 15В — 5В
- при 24В — 9В
На рисунке 3 показан график зависимости амплитуды от частоты: ku[dB] = f(f). Это было сделано при напряжении питания 15 В и амплитуде входного напряжения 100 мВ. Оранжевая линия отмечает условный конец полосы пропускания, то есть значение на 3 дБ ниже максимального, которое составляло около 13,2 дБ.
Амплитудная характеристика как функция частоты
Из этого графика видно, что нижняя частота среза составляет около 7 Гц, верхняя частота среза — около 300 кГц, а полоса пропускания плавная в диапазоне от около 30 Гц до около 100 кГц.
Коэффициент усиления схемы можно изменить, заменив резисторы R4 и R9 на резисторы с другим сопротивлением. Полученный коэффициент усиление напряжения будет равен ku[V/V] = 1+ Rx/1kΩ, где Rx — новое значение сопротивления R4/R9.
Вместо стандартной микросхемы TL082 можно использовать малошумящую версию TL072 или другой аналогичный сдвоенный операционный усилитель с лучшими параметрами.
