In questo post impareremo una varietà di circuiti preamplificatori e qui dovrebbe esserci un layout appropriato per quasi tutte le applicazioni standard di preamplificatore audio.

Come suggerisce il nome stesso, un preamplificatore è un circuito audio che viene utilizzato prima di un amplificatore di potenza, o tra una piccola sorgente di segnale e un amplificatore di potenza. Il compito di un preamplificatore è quello di aumentare il livello del piccolo segnale a un livello ragionevole in modo che diventi adatto per l'amplificatore di potenza per un'ulteriore amplificazione in un altoparlante.

Contributo di: Matrix

Preamplificatore microfonico

Il preamplificatore microfonico mostrato sopra presenta un guadagno di tensione di oltre 52 dB (400 volte) che potrebbe adattarsi a una dinamica ad alta impedenza o microfono a elettrete a quasi tutte le sezioni di un dispositivo audio.

Se impiegato in associazione con microfoni standard come menzionato qui, si potrebbe facilmente ottenere un'uscita di circa 1 volt RMS, sebbene un controllo del guadagno consenta di impostare un'uscita inferiore per garantire che il sovraccarico del circuito da parte del carico possa essere eliminato .

Il rapporto segnale / rumore del circuito è eccezionale e normalmente è superiore a 70 dB rispetto a un'uscita di 1 V RMS (con guadagno completo e senza carico).

Come funziona

Il circuito preamplificatore MIC dell'amplificatore operazionale proposto è costituito da un paio di stadi, che include IC1 come amplificatore non invertente. e IC2 come amplificatore invertente.

Ciascun amplificatore è di tipo comunemente disponibile. Il guadagno ad anello chiuso di IC1 è fissato a circa 45 volte attraverso un circuito di feedback negativo costruito utilizzando la rete R3 e R5. L'impedenza di ingresso del circuito è fissata ad un valore minimo di 27k tramite R4, che è sufficiente per assicurarsi che non avvenga un carico estremo del microfono, C2 abilita il blocco DC all'ingresso del circuito.

Il circuito ha anche una rete di parti collegate con il jack di ingresso che rimuove qualsiasi tipo di captazione di rumore elettrico vagante e inibisce inoltre la probabile oscillazione causata da feedback spuri. Il dispositivo impiegato per IC1 è un NESS34 o NE5534A che è in realtà un amplificatore operazionale di fascia alta. Il NE5534A è leggermente superiore all'i NE5534 sebbene i due circuiti integrati forniscano funzionalità eccezionali utilizzando valori minimi di rumore e distorsione.

C3 viene utilizzato come condensatore di accoppiamento sull'uscita di IC1 e VR1. VR1 si comporta come un normale pot gain control. Successivamente, il segnale viene accoppiato al successivo stadio di amplificazione. I resistori R6 e R9 costituiscono una rete di feedback negativo che garantisce un guadagno di tensione ad anello chiuso di 10 a IC2. Ciò consente al circuito di ottenere un guadagno di tensione complessivo di circa 450.

Per quanto riguarda l'efficienza del rumore, le prestazioni estremamente elevate non sono critiche qui, e quindi qualsiasi amplificatore operazionale adatto al posto di IC2 funzionerà. Qui abbiamo usato un amplificatore operazionale TL081CP, tuttavia, anche qualsiasi altro tipo come l'LF351 funzionerebbe altrettanto bene. Essendo questi tipi di amplificatori operazionali BiFET, le distorsioni sono estremamente basse.

Progettazione PCB

Layout dei componenti

Preamplificatore universale che utilizza l'amplificatore operazionale LM382

Lo schema del circuito seguente mostra un preamplificatore audio universale di base che utilizza l'IC LM382, che offre un rumore molto basso, una bassa distorsione e un guadagno ragionevolmente alto, e questo circuito può essere utilizzato praticamente per tutte le normali applicazioni del circuito del preamplificatore audio.

Come funziona

Le resistenze R2 e il condensatore C6 abilitano l'equalizzazione, visibile tra l'uscita del preamplificatore e l'ingresso invertente. A basse frequenze C6 include un'elevata impedenza con conseguente bassa frequenza di retroazione e guadagno di alta tensione. A frequenze maggiori l'impedenza di C6 diminuisce lentamente, fornendo un feedback negativo migliorato e attenuando la risposta del circuito alla necessaria 6dB per ottava.

“cos'è un interruttore spdt? ”

Si estende solo fino a una frequenza di circa 2kHz, perché al di sopra di essa l'impedenza di C6 è piuttosto piccola rispetto a quella di R2, che non ha alcuna influenza sul grado di feedback del circuito o sul guadagno di tensione.

Anche R1 e C4 fanno parte del sistema di feedback. C2 è il condensatore di blocco CC in ingresso e C3 è un condensatore con filtro RF che aiuta a prevenire problemi di interferenza RF e instabilità dovuti a segnali vaganti dalla sorgente all'ingresso non invertente (a cui è accoppiato il segnale di ingresso).

L'LM382 ha un alto livello di esclusione del ripple in uscita, tuttavia a causa del suo livello di segnale di ingresso inferiore e della probabilità che le fluttuazioni di rumore possano essere aggiunte alle linee di alimentazione.

Anche se IC1 crea una quantità significativa di guadagno di tensione, in qualche modo fornisce da qualche parte tra il livello di uscita RMS di 50 mV, che è circa un decimo della tensione di pilotaggio richiesta dalla maggior parte degli amplificatori hi-fr.

Pertanto Tr1 è incorporato nella forma di un comune amplificatore emettitore con un guadagno di tensione di forse 20dB. R4 consente un feedback costruttivo che riduce il guadagno di tensione di Tr1 al giusto livello, che fornisce inoltre un grado inferiore di distorsione. IC9 collega l'uscita Tr1 all'attenuatore VR1 per ottenere un'uscita regolabile.

Risposta in frequenza

Per segnali non filtrati, è possibile ottenere una piccola quantità di riduzione del rumore, essenzialmente utilizzando un filtro di taglio degli acuti, e si può ottenere una risposta in frequenza media relativamente regolare.

Il processo viene implementato applicando un aumento degli alti, tuttavia la quantità di aumento adattato dipende dal livello dinamico del segnale. È più alto durante gli intervalli di segnale basso e diminuisce fino a zero al massimo con segnali di livello dinamico.

Quando un segnale musicale viene applicato all'ingresso, il circuito abilita un taglio degli acuti che viene ottimizzato dinamicamente, questo in realtà si verifica per compensare una risposta di aumento degli acuti alti.

Il circuito del preamplificatore universale ha un filtro top cut che utilizza R7 e c8, che consente un'attenuazione di circa 5 dB con frequenze di 10 kHz. A causa di ciò, le alte frequenze possono essere aumentate di un'ampiezza di 5 dB per livelli di segnale elevati. Per gli ingressi di segnale medio, la risposta in frequenza offerta dal design è semplicemente piatta.

Circuito preamplificatore per chitarra

La funzione di base di questo circuito preamplificatore per chitarra è di integrarsi con qualsiasi chitarra elettrica standard e aumentare i suoi segnali di stringa di ingresso bassi in segnali preamplificati ragionevolmente alti che potrebbero essere quindi inviati a un amplificatore di potenza più grande per l'uscita potenziata desiderata

La frequenza del segnale di uscita dai pick-up per chitarra tende a differire notevolmente da pick-up a pick-up, e sebbene alcuni abbiano una tensione molto alta che può spingere quasi tutti gli amplificatori di potenza, alcuni hanno appena circa 30 millivolt di tensione RMS o giù di lì.

Gli amplificatori costruiti espressamente che possono essere usati con le chitarre di solito hanno una sensibilità relativamente alta e questi potrebbero essere usati in modo affidabile per quasi tutti i pick-up, tuttavia quando si usa una chitarra con qualche altra forma di amplificatore (come un amplificatore hi-fl) il il volume complessivo ottenuto è sempre considerato insufficiente.

Un facile rimedio a questo problema è usare un preamplificatore come mostrato sopra, prima di alimentarlo all'amplificatore di potenza per aumentare l'ampiezza della frequenza del segnale. La configurazione di base qui menzionata ha un guadagno di tensione che potrebbe davvero variare da unità a più di 26dB (20 volte), quindi dovrebbe adattarsi praticamente a ogni pick-up per chitarra praticamente a ogni amplificatore di potenza.

L'impedenza di ingresso del preamplificatore dovrebbe essere di circa 50k e l'impedenza di uscita è bassa. Pertanto il circuito potrebbe essere impiegato come un amplificatore buffer di base con guadagno di tensione unitario per adattarsi all'impedenza di uscita piuttosto elevata di un pick-up per chitarra a un amplificatore di potenza avente una bassa impedenza di ingresso, se necessario.

Come base per l'unità è stato utilizzato un amplificatore operazionale BIFET solitario a basso rumore (IC1), che quindi ha livelli di distorsione marginali e un rapporto segnale-rumore di circa -70dB o superiore anche quando l'unità è dotata di un strumento a bassissimo rendimento come una chitarra.

Come funziona

Questo progetto è in realtà un normale circuito di configurazione non invertente dell'amplificatore operazionale con R2 e R3 impiegati per polarizzare l'ingresso IC1 non invertente a circa il 50% della tensione di alimentazione.

Anche questi impostano l'impedenza di ingresso del circuito a circa 50k. R1 e R4 formano la rete con feedback negativo, anche con R4 al valore minimo 1C1 i segnali di controllo invertenti sono direttamente accoppiati tra loro e il circuito fornisce un guadagno di tensione dell'unità.

Poiché R4 è calibrato per una maggiore resistenza, il guadagno della tensione CA diminuisce gradualmente, tuttavia C2 introduce il blocco CC in modo tale che il guadagno della tensione CC rimanga variabile e l'uscita dell'amplificatore rimanga polarizzata a ½ della tensione di alimentazione.

Il guadagno di tensione dell'amplificatore è approssimativamente equivalente a R1 + R4, diviso per R1, risultando in un guadagno di tensione complessivo nominale forse superiore a 22 volte con R4 al valore più alto.

Il consumo di corrente del circuito è di circa 2 milliampere attraverso un'alimentazione a 9 volt, che aumenta a circa 2,5 milliampere quando viene utilizzata un'alimentazione a 30 volt.

Una tensione di alimentazione efficace per il dispositivo è una batteria compatta da 9 volt come un tipo PP3. Quando viene utilizzata un'alimentazione a 9 volt, la tensione di uscita media non tagliata è di circa 2 volt RMS, e questo funziona abbastanza bene.

Schema di collegamento dei componenti e dei dettagli del collegamento della scheda a strisce

Elenco delle parti

Amplificatore tampone ad alta impedenza

Un amplificatore buffer funziona anche come un preamplificatore ideale per la maggior parte delle applicazioni, tuttavia insieme alla preamplificazione funziona anche come un buffer ad alta impedenza tra lo stadio di ingresso del segnale e lo stadio dell'amplificatore di potenza. Ciò consente in particolare di utilizzare questi tipi di preamplificatori con segnali di ingresso a corrente estremamente bassa, che non possono permettersi il caricamento con altri preamplificatori di tipo a bassa impedenza.

L'amplificatore buffer qui illustrato ha un'impedenza di ingresso normalmente superiore a 100 M a 1 kHz, e l'impedenza di ingresso potrebbe essere semplicemente regolata a qualsiasi livello accettabile al di sotto di quel punto. Il guadagno di tensione del circuito è l'unità.

Come funziona

La figura sopra mostra lo schema circuitale dell'amplificatore buffer ad alta impedenza e l'unità è essenzialmente solo un amplificatore operante funzionante come amplificatore non invertente per guadagno unitario. Accoppiando l'uscita di IC1 direttamente al suo ingresso invertente, viene aggiunto un feedback negativo al 100% sul sistema per ottenere il guadagno di tensione dell'unità necessario insieme a un'impedenza di ingresso molto elevata.

Detto questo, il circuito di polarizzazione, che in questa situazione include da R1 a R3, devia l'impedenza di ingresso dell'amplificatore in modo che il circuito nel suo complesso fornisca un'impedenza di ingresso molto più piccola del solo IC1. L'impedenza di ingresso è di circa 2,7 megaohm e per la maggior parte delle applicazioni può essere sufficiente.

Tuttavia, l'azione di smistamento dei resistori di polarizzazione potrebbe essere rimossa e questo è l'obiettivo del 'bootstrap' del condensatore C2. Collega il segnale di uscita alla giunzione dei tre resistori di polarizzazione, quindi qualsiasi regolazione della tensione di ingresso è bilanciata da uno spostamento di tensione uguale all'uscita di IC1 e all'intersezione dei tre resistori di polarizzazione.

Nel ruolo IC1, viene impiegato un amplificatore operazionale 741 C di base e, come affermato in precedenza, questo fornisce un'impedenza di ingresso solitamente superiore a 100 megaohm a 1 kHz che dovrebbe essere abbastanza adeguata per qualsiasi implementazione standard.

La maggiore impedenza di ingresso che può essere ottenuta utilizzando un amplificatore operatorio per ingressi FET non ha davvero alcuna importanza pratica, quindi ci sono alcuni inconvenienti con la maggior parte dei sistemi di ingresso FET in questo circuito.

Innanzitutto che hanno effettivamente una propensione ad oscillare quando l'ingresso è aperto (quando l'ingresso è collegato al dispositivo, le oscillazioni vengono attenuate ed eliminate).

L'altro inconveniente è che la potenza di ingresso di così tanti dispositivi di ingresso FET è sostanzialmente superiore a quella dei dispositivi bipolari come il 741 IC. Attraverso queste azioni di smistamento, alla maggior parte delle frequenze l'impedenza di ingresso è ora ridotta mentre alle frequenze basse e medie, l'impedenza di ingresso è semplicemente più alta.

A tale scopo, è necessaria un'impedenza di ingresso relativamente bassa (come il pickup che ha un'impedenza di carica consigliata di molti 100 k ohm e M ohm), un modo per ottenere ciò è eliminare C2 e modificare le quantità da R1 a R3 per ottenere un'impedenza di ingresso desiderata.

Elenco delle parti

Layout PCB

Preamplificatore operazionale per segnali da 2,5 mV

Questo particolare circuito del preamplificatore operazionale è estremamente sensibile e ti consentirà di aumentare i segnali da 2,5 mV a 100 mV. In realtà è derivato da un vecchio concetto di preamplificatore RIAA.

In passato, l'uscita di una cartuccia a bobina mobile di un magnete o di un alto voltaggio era tipicamente da 2,5 a 10 millivolt, in modo che il pickup potesse essere bilanciato con l'amplificatore di potenza (questo potrebbe richiedere un segnale di uscita di un paio di centinaia di millivolt RMS).

Sebbene l'uscita delle cartucce magnetiche ea bobina mobile aumenterebbe a 6dB per ottava, potrebbe fare a meno di alcuna equalizzazione per contrastare questo dato che durante il processo di registrazione doveva essere coinvolta un'equalizzazione adeguata.

Tuttavia, l'equalizzazione sarebbe ancora necessaria perché durante il processo di registrazione verrebbero utilizzati il taglio dei bassi e l'aumento degli alti, oltre alla regolazione, la risposta in frequenza spesso contrastata con un aumento di ottava di 6dB nell'uscita del pick-up.

Il taglio dei bassi doveva essere incluso per fermare inutilmente le modulazioni del groove a bassa frequenza e il triplo boost (con triplo taglio in riproduzione) avrebbe fornito una funzione di riduzione del rumore semplice ma efficiente.

La figura sopra è in realtà un tipico grafico della risposta in frequenza del vecchio circuito preamplificatore RIAA che mostra i parametri necessari richiesti per implementare con successo un preamplificatore altamente sensibile come questo.

Come funziona il circuito

Nell'uso reale, gli amplificatori di equalizzazione RIAA in genere deviano leggermente dalla risposta perfetta, sebbene le specifiche del dispositivo non siano state considerate criticamente.

In realtà, tuttavia, anche una semplice rete di equalizzazione composta da sei gruppi di condensatori di resistenza tipicamente si traduce in un errore massimo di non più di uno o 2 dB, il che in realtà sembra abbastanza OK.

R2, R3 utilizzati per collegare questa tensione di distorsione a IC1. R2. C2 filtra qualsiasi distorsione o ronzio sull'alimentatore, impedendo che l'interferenza venga aggiunta all'alimentazione dell'amplificatore.

L'alto valore R3 fornisce un'alta impedenza di ingresso per il circuito, tuttavia, questa viene trasferita da R4 al livello necessario di circa 47k.

Alcuni altri pick-up possono presentare una barriera di carico di 100k e quindi R4 dovrebbe essere aumentato a 100k se l'unità deve essere implementata attraverso un segnale di ingresso come nei vecchi pick-up.

L'elevata impedenza di ingresso dell'amplificatore consente di utilizzare un valore di parte molto piccolo per C3 senza sacrificare la risposta dei bassi del circuito.

È vantaggioso perché elimina un livello significativo di sovracorrente dall'accensione dei segnali di pick-up in ingresso, non appena questo dispositivo assume il suo normale processo di funzionamento.

“segnale analogico e segnale digitale ”

Un feedback negativo selettivo in frequenza su IC1 fornisce la necessaria regolazione della risposta in frequenza.

Alle frequenze medie R5 e R7 sono le principali determinanti del guadagno del circuito, ma alle frequenze più basse C6 aggiunge un'impedenza sostanziale di R5 per ridurre al minimo il feedback negativo e aumentare il guadagno richiesto.

Allo stesso modo, l'impedenza di C5 è piccola alle alte frequenze rispetto all'impedenza di R5 e l'impatto dello shunt di C5 porta a un maggiore feedback e al necessario roll-off delle alte frequenze.

Poiché il circuito genera un guadagno di tensioni di oltre 50 dB nelle frequenze audio medie, l'uscita diventa sufficientemente alta per far funzionare qualsiasi amplificatore di potenza standard anche quando viene utilizzato con un segnale di ingresso di soli 2,5 mV RMS.

Il circuito è alimentato da qualsiasi tensione compresa tra circa 9 e 30 volt, ma si consiglia di lavorare con un potenziale di alimentazione ragionevolmente alto (circa 20-30 volt) per consentire una ragionevole percentuale di sovraccarico.

Quando il circuito viene applicato con un segnale di uscita alto ma con solo una tensione di alimentazione di circa 9 volt, è probabile che si verifichi un piccolo sovraccarico al minimo.