Предварительный усилитель (часть I)

В статье “Предварительный усилитель с претензией на Hi-End!” мы представили конструкцию Дугласа Селфа, которая обладала очень высокими характеристиками и богатым функционалом.

Но, судя по отзывам наших читателей, балансные входы и выходы, столь популярные в профессиональной аппаратуре, у радиолюбителей востребованы меньше. Да и регулятор тембра у аудиофилов не в почёте. Кроме того, Дуглас Селф пытался получить ультра низкие показатели шумов и искажений, используя доступную и дешёвую элементную базу. Из-за этого конструкция получилась относительно сложной.

Сегодня микросхемы нового поколения, которые обладают гораздо лучшими характеристиками, стали вполне доступны для радиолюбителей, что позволяет существенно упростить схему без ухудшения её параметров.

Представляем вам предварительный усилитель конструкции Питера Смита.

Дискретный или интегральный.

Изначально была идея сделать усилитель работающий в классе “А” на дискретных элементах, полагая что это лучший способ получить минимальные значения искажений и шумов. Однако, такая конструкция из-за большого количества элементов может оказаться сложной для повторения, да и по размерам она будет существенно больше, чем конструкции с применением операционных усилителей, а значит, будет более чувствительная к внешним шумам и помехам.

Типовые и популярные до сих пор операционные усилители NE5534 и LM833 тоже не подошли, так как на сегодняшний день их параметры не достаточно высокие.

Более современные, не дорогие и доступные ОУ серии Burr-Brown (Texas Instruments) OPA134 позволяют получить уровень искажений 0,00008% на частоте 1 кГц! Это более чем на порядок (в 25 раз) лучше параметров операционных усилителей упомянутых выше. Кстати, выходные каскады этих ОУ не работают в режиме класса А, несмотря на их отличную линейность. Документация от производителя не раскрывает секрет, как удалось достичь этих впечатляющих результатов.

Эти микросхемы и решено было использовать в конструкции.

Технические характеристики предварительного усилителя:

• Диапазон частот (абсолютно плоский) 10 Hz — 20 kHz,
• Максимальный входной сигнал………………………… 2.9V RMS (9.5V RMS на выходе)
• Входное сопротивление………………………………………………………………~90 кОм
• Выходное сопротивление……………………………………………………………..100 Ом
• Гармонические искажения…………………………………. <0.0005%
• Сигнал/шум……………………………………………… -102 dB
• Разделение каналов………………..-96 dB на частоте 1 kHz, -73 dB на частоте 10 kHz
• Проникновение между входами. .-110 dB на частоте 1 kHz, -93 dB на частоте 10 kHz

Внимание! Заявленные характеристики можно получить только при соблюдении всех рекомендаций авторов по выбору элементов, монтажу и конструктивных особенностей усилителя.

Можете сравнить характеристики этого предварительного усилителя с вариантом Дугласа Селфа.

Функционал.

Первая проблема при проектировании предварительного усилителя связана с коммутатором входов. Считается, что меньше искажений получается при использовании галетного переключателя. Но, если расположить переключатель на лицевой панели, то от входных разъёмов, установленных на задней панели усилителя, к переключателю будут идти длинные проводники, что ухудшит уровень шумов. Если переключатель расположить ближе к задней стенке усилителя, то потребуется механический удлинитель для переключения. Это усложнит конструкцию и сделает невозможным использование дистанционного управления.

Поэтому было решено в коммутаторе входов использовать качественные электро-механические реле. Если для каждого входа использовать отдельное реле, это даст минимальные перекрёстные искажения и шумы.

Мы также решили снабдить предварительный усилитель модулем усилителя для наушников. Обычно для прослушивания через наушники используют (основной) усилитель мощности. Но зачем задействовать мощный аппарат, если требуется всего несколько миллиВатт?

В нашей конструкции усилитель для наушников выполнен в виде отдельного модуля (устанавливается по желанию), а выход предварительного усилителя переключается на него с помощью реле.

Принципиальная схема

Предусилитель состоит из двух идентичных каналов. На всех схемах будет представлен левый канал. Кроме того схема разделена на две секции: коммутатор входов и непосредственно сам усилитель.

Принципиальная схема коммутатора входов:

В конструкции предусмотрено 5 входов RCA для подключения различных устройств. Они обозначены «CD», «DVD» и «TAPE» (разумеется можете обозвать их по-своему).
Шестой разъём (CON13) служит для прямой трансляции сигнала с выбранного входа. Эта функция подсмотрена в промышленных аппаратах и была актуальна в эпоху магнитной записи. Может кому-то и сегодня пригодится.

Реле коммутатора управляются транзисторами и запитаны от источника с напряжением +5В. Общий провод (земля) этого источника не связан с общим проводом источника питания самого предварительно усилителя (на схеме они имеют разные обозначения). Это сделано для снижения помех при коммутации.

Реле срабатывают при подключении базы управляющего транзистора к общему проводу. В самом простом случае для управления можно использовать галетный переключатель.

На схеме также показаны реле RLY6 и RLY7 и их цепи управления. Они служат для коммутации выходного сигнала усилителя, но об этом мы расскажем позже.

Усилительная часть

Основное усиление в схеме обеспечивается двумя сдвоенными операционными усилителями от Burr-Brown OPA2134 (IC1 и IC2).

Аудиосигнал от выбранного источника поступает на вход первого операционного усилителя (IC1a). Простой фильтр нижних частот, сформированный резистором 1,2 кОм и конденсатором 56 пФ, ослабляет радиочастоты на входе ОУ. Здесь можно использовать относительно большое значение резистора, благодаря чрезвычайно высокому (10 ТераОм) входному сопротивлению OPA2134 (входная цепь реализована на полевых транзисторах).

Усиление напряжения этого каскада составляет около 3,3 (10,5 дБ) и определяется номиналами резисторов в цепи обратной связи (4,7 кОм и 2 кОм).

Резистор  4,7 кОм совместно с конденсатором 220 пФ образуют цепь частотной коррекции для повышения устойчивости усилителя во всём диапазоне частот.

Сигнал с выхода IC1a (вывод ОУ 1) поступает через неполярный конденсатор ёмкостью 22 мкФ на регулятор громкости. Им служит переменный резистор номиналом 10 кОм.

С выхода (движка) регулятора громкости сигнал, также через неполярный конденсатор, поступает на вход второго каскада (IC1b). Благодаря применению конденсаторов устраняются неприятные шорохи и трески при регулировании громкости.

Второй операционный усилитель используется в качестве буфера с единичным усилением, что позволяет усилителю стабильно работать с любой низкоомной нагрузкой, независимо от уровня громкости.

Выход ОУ подключён к выходным разъёмам через неполярный конденсатор, резистор номиналом 100 Ом и ферритовую “бусинку”. Это позволяет сделать выход усилителя нечувствительным к ёмкости межблочного кабеля, входному импедансу усилителя мощности и защищает от радиопомех, которые через цепи обратной связи могут проникнуть на вход усилителя.

Согласование импеданса

Как уже упоминалось, второй ОУ IC1b сконфигурирован для единичного усиления, поэтому его выход (вывод 7) должен быть подключен к его инвертирующему входу (вывод 6). Тем не менее в цепи ООС показан резистор R1. Для уменьшения искажений “видимое” сопротивление по инвертирующему и неинвертирующему входам должны быть равны. Однако, к одному входу подключен регулятор громкости, сопротивление которого меняется.

Если вместо R1 установить перемычку, то уровень искажения будет всё равно очень низкий, см. графики характеристик. Если есть желание предельно минимизировать искажения, замерьте сопротивление регулятора громкости в том положении, в котором вы слушаете музыку чаще всего и именно такого номинала установите резисторы R1(R2).

Конечно, для этого сначала потребуется установить перемычки и провести несколько тестовых прослушиваний на вашем тракте и после этого… есть подозрение, что вы не захотите менять перемычки на сопротивления.

Коммутация выходных цепей

В конструкции предусмотрено переключение выхода предварительного усилителя между выходными разъёмами RCA на задней панели конструкции и клеммной колодкой (CON6), которая предназначена для подключения усилителя для наушников.

Два реле (RLY6 и RLY7) неиспользуемые выходы подключают к земле. Реле управляются с помощью контактов, расположенных внутри гнезда для наушников. Поэтому переключение происходит автоматически при подключении штекера головных телефонов.

Диод, конденсатор и резисторы включены в базовую цепь управляющего транзистора Q6 служат для задержки переключения реле, чтобы исключить неприятные щёлчки при коммутации.

Источник питания

Для получения высоких заявленных характеристик мы разработали малошумящий источник питания для предварительного усилителя.

Он обеспечивает стабилизированные выходные напряжения  ± 15 В и + 5 В для самого предварительного усилителя и дополнительных блоков. Плата блока подключена к трансформатору с выходным напряжением переменного тока ~15В (две обмотки). Диодный мост (D1-D4) и два конденсатора по 2200мкФ выпрямляют и фильтруют переменное напряжение и обеспечивают примерно ± 21 В постоянного напряжения. Регулируемые стабилизаторы LM317 и LM337 выдают на выходе ± 15 В благодаря резисторам 100 Ом и 1,1 кОм, подключенным к выводам «OUT» и «ADJ».

Мы использовали регулируемые стабилизаторы, потому что их управляющие выводы «ADJ» можно «оторвать» от земли, чтобы улучшить подавление пульсаций, что мы сделали с использованием конденсаторов 10 мкФ. Защитные диоды (D5 и D7) обеспечивают разрядный путь для конденсаторов, если выход случайно замыкается на землю.

Два диода (D6 и D8) в обратном включении защищают выход каждого плеча в случае неисправности другого.

Стабилизатор на фиксированное выходное напряжение 7805 (REG3) используется для получения напряжения + 5V. Резистор номиналом 100Ом  служит для снижения рассеиваемой мощности на микросхеме стабилизатора. Этот резистор не так важен для модуля предварительного усилителя, но существенно облегчит тепловой режим стабилизатора при подключении дополнительных блоков.

Поскольку от источника питания +5В потребляется дополнительная мощность только положительной полярности, для балансировки плеч выпрямителя в отрицательное плечо включен резистор номиналом 330Ом, который обеспечивает одинаковую скорость разряда конденсаторов фильтра при выключении.

Продолжение следует…

Удачного творчества!

Стать подготовлена по материалам журнала «Практическая электроника каждый день»
Вольный перевод статьи — Главный редактор «РадиоГазеты».