[audio] Enkelt ingångssteg med variabel förstärkning

[psynoise]

OPA2134 har JFET ingångssteg vilket brukar betyda mer spänningsbrus än med bipolära transistorer. Nu tillhör OPA2134 till de få JFET operationsförstäkrarna som lågt burs men de kostar därefter. Spänningsbruset är fortfarande något högre än NE5532 dock. Distorsionen är kanske något bättre, men skulle jag vilja sänka den kan man använda sig av inverterande koppling istället och då slippa common mode-spänning på ingångarna. Detta kommer ge högre brus men lägre distorsion. Ytterligare brukar JFET operationsförstärkarna ha lägre strömbrus vilket kan vara värt att kolla på. Har man ont om plats och vill slippa kopplingskondensatorerna kan även JFET operationsförstärkare vara ett bra alternativ. Men i professionell utrustning verkar dessa lysa med sin frånvaro där NE5532 och 4580 samt på okritiska ställen TL72 är bland de populäraste. Ska man prisoptimera gäller det att använda rätt operationsförstärkare på rätt ställe och inte samma dyra lågbrusiga överallt.

[Tekko]

Har faktiskt funderat på att frångå min jakt på lägsta möjliga THD och bygga ett försteg med UA741'or i äkta oldschool anda med ett kort med volym, passiva tonkontroller och balans från en gammal 70'tals grammofonförstärkare bara för skojs skull.

[psynoise]

Prioriterar själv inte lägsta möjliga distorsion eftersom jag ser brus som ett mycket större problem. Den mesta distorsionen i ett audiosystem kommer ändå från högtalarna. Dock får man se upp med vissa typer distorsion som låter illa, medan andra låter bra .

OT:

70-tals kopplingar med operationsförstärkare 741 är riktigt svårt att få till bra. Den dåliga slew rate:n gör att man måste hålla signalamplituderna låga och komplettera med diskreta transistorer. Är själv förvånad över hur mycket som har gjorts med dessa inom audio. När NE5532 kom på 80-talet tror jag många elektronikkonstruktörer fick en riktig lättnat.

[Tekko]

Tänkte mest lägga dom som gainblock endera före eller efter kortet med tonkontrollerna då dessa är helt passiva, och inte del av återkopplingsloopen som i moderna kopplingar.

[Janne]

Hej psynoise,

Använd gärna en bra OP som t.ex NE5532 som försteg men låt inte inte förstärkningen vara 1. Då kommer efterföljande förstärkarsreg att bidraga med brus. Ställ i stället in förskärkningen på 10 eller 20.
Fråga till pern: Vad är snyggt?
Fråga till SkankFunk: varför betala 25:- för balanserad ingång?

[psynoise]

Hej Janne,

NE5532 är redan utsatt i schemat och eftersom jag själv brukar förespråka denna behövs det betydligt konstigare kopplingar för att jag skulle använda mig av något annat. Förstärkning kommer vara variabel mellan 1 och uppåt begränsat av R6. Att sätta en förstärkning på 10 eller 20 i försteget är inte alltid det bästa i en studiomiljö. Eftersom man redan har höga nivåer från diverse apparater kommer detta att begränsa hörrummet. Detta är väl större fördelen med variabel förstärkning att man både kan optimera förstärkningen från bursgolvet samt behålla hörrummet efter behov.

[pern]

Fråga till pern: Vad är snyggt?

Det är en enkel och trevlig lösning av hög kvalitet. Och man har väl sett för många exempel där folk bara använder en pot och ett motstånd för att ha den variabla förstärkningen.

[psynoise]

Egenbruset (ES=0) är nu beräknat då källimpedansen är noll.

Kod: Markera allt

% komponenter.m
R1 = 100;
R2 = 100*10^3;
R3 = 100*10^3;
R4 = 2.2*10^3;
R5 = 2*10^3;
R6 = 47;
RS = 0;
C1 = 470*10^-12;
C2 = 47*10^-6;
C3 = 470*10^-6;
C4 = 470*10^-6;
C5 = 10*10^-6;
C6 = 100*10^-9;

Kod: Markera allt

function [E] = brus(x)
%brus.m Summary of this function goes here
%   Detailed explanation goes here

komponenter;
R5a = x*R5;
R5b = (1-x)*R5;

B = 20*10^3-20;     % Bandbredd 20 Hz till 20 kHz
k = 1.380*10^-23;   % Boltzmanns konstant [J/K]
T = 298;            % Temperatur [K]

ES = 0;
eNRS = sqrt(4*k*T*RS*B);
eNR1 = sqrt(4*k*T*R1*B);
eNU1 = sqrt(B)*5*10^-9;     % NE5532 5 nV
iNU1 = sqrt(B)*0.7*10^-12;  % NE5532 0,7 pA
iNU1P = iNU1;
iNU1N = iNU1;
eNR4 = sqrt(4*k*T*R4*B);
eNR5b = sqrt(4*k*T*R5b*B);
eNR5a = sqrt(4*k*T*R5a*B);
eNR6 = sqrt(4*k*T*R6*B);

AP = 1 + R4*R5a / ((R5a+R4)*(R6+R5b))
AN = R4*R5a / ((R5a+R4)*(R6+R5b));

E = sqrt((ES*AP)^2 + (eNRS*AP)^2 + (eNR1*AP)^2 + (eNU1*AP)^2 + (iNU1P*R1*RS*AP)^2 + (iNU1N*R4*R5a/(R5a+R4))^2 + (eNR4)^2 + (eNR5a)^2 + (eNR5b*AN)^2 + (eNR6*AN)^2);

end

Ovanstående beräkningar i Matlab gav

• 1,1 µVrms = -117 dBu vid 0 dB förstärkning.
  17 µVrms = -93 dBu vid 27 dB förstärkning.

[psynoise]

Om vi antar att brusgolvet på 17 µVrms begränsar lägsta nivå som vi kan höra (vilket inte behöver vara fallet) fås dynamiken

• 20log(8,5/(17*10^-6)) = 114 dB

vid ±15 V matningsspänning där

• (15 V - 3 V) / sqrt(2) = 8,5 Vrms

Skulle man vilja förbättra detta kan man välja att använda operationsförstärkare 4580 och då höja matningsspänningen till ± 18 V, alternativt gå utanför rekommenderade värden för NE5532 och använda ±17 V som vissa Soundcraft mixerbord (Self, D. (2010) Small Signal Audio Design).

[ghu]

Att det skulle vara att gå utanför rekommenderade värden att använda +-18V som matningsspänning för NE5532 är nog ett missförstånd.
"Standard" OP har Absolute Maximum Supply Voltage +-18V och max recommended +-15V.
NE5532 har Absolute Maximum Supply Voltage +-22V och max recommended +-20V.

Om man läser Texas Instruments Datablad står det för NE5532 max recommended +-15V men det är förmodligen ett tryckfel eftersom alla andra fabrikanter har max recommended +-20V.

[psynoise]

Det stämmer ser jag, rekommenderad matningsspänning för NE5532:

• NXP: ±3 to ±20V
  Texas Instrument ±3 V to ±20 V
  Fairchild: ?
  On Semiconductor: ±3 V to ±20 V

Genom att använda ±20 V matningspänning kan man tjäna dynamik nästan gratis jämfört med ±15 V matninsspänning. Lustigt att Texas Instrument har haft detta tryckfel väldigt länge.

[ghu]

Databladen har en tendens att bli tunnare för varje år som går. Det verkar ibland som man tar ett gammalt datablad och sedan låter någon som inte är så insatt "korta ned det".

Jag bifogar Texas datablad för NE5532 från år 2004 vilket har lite olika bud!!!!
I senare datablad tror jag att någon slentrianmässigt tagit +-15V från detta datablad.

Det kan finnas ett potentiellt problem med att använda NE5532 med +-20V och det är förlusteffekten i kapseln.
Om man har otur har man ett ex som drar maximalt 16mA vilket i "tomgång" ger en förlusteffekt på: P=40V*0.016A=0,64W. DIL-kapseln har termisk resistans på 85 K/W vilket ger en temperaturhöjning på: deltaT=0,64*85=54.4K! Med belastningsresistans på 600 ohm, stor utsignal och ytmonterad kapsel blir temperaturhöjningen ännu större. Är det någon som har undersökt om detta är ett problem?

[psynoise]

Det var bra att du nämnde förlusteffekten, NE5532 med ±15 V matninsspänning och 500 Ω last brukar bli varm för audiosignaler. Har själv inte sätt någon räkna på detta tyvärr, ännu något att ta tag i för detta projekt kanske.

[psynoise]

Nya uppdateringar under Brusanalys:

För framtida förbättringar kan man leta efter vilken bruskälla som ger det största bidraget. Nedan visas termernas värden från tidigare beräkning.

• E1 = (ES*AP) = 0
  E2 = (eNRS*AP) = 0
  E3 = (eNR1*AP) = 1.8129e-07
  E4 = (eNU1*AP) = 7.0675e-07
  E5 = (iNU1P*R1*RS*AP) = 0
  E6 = (iNU1N*R4*R5a/(R5a+R4)) = 0
  E7 = (eNR4) = 8.5033e-07
  E8 = (eNR5a) = 0
  E9 = (eNR5b*AN) = 0
  E10 = (eNR6*AN) =0

Ovan ser vi att termerna E4 och E7 ger de största bidragen. E4 kan minskas med en operationsförstärkare med lägre spänningsbrus. E7 minskas endast genom att välja lägre resistans för R4.

[psynoise]

Vid ±18 V matningsspänning kan NE5532 (Texas Instrument) leverera ett spänningsving på ±16 V. Från detta antas att maximala spänningssvinget vid ±20 V matningsspänning är ±18 V. Musik kan ha en toppfaktor ner till 4 gånger [1]. För en sådan signal fås effektivvärdet

• VRMS = 18/4 Vrms= 4,5 Vrms

Med en last på R = 500 Ω fås effekten

• PUT= VRMS*IRMS = VRMS²/R = 4,5²/500 W = 41 mW

Enligt ghus beräkning är förlusteffekten vid tomgång 640 mW. Av detta antar jag att totala effektuvecklingen i operationsförstärkaren kommer vara under 640 mW + 41 mW = 681 mW. Från detta fås temperaturökningen

• deltaT=0,68*85º K = 58º K

Med en omgivningstemperatur på 25º C får operationsförstärkaren maximalt temperaturen 25º C + 58º K = 83º C. Från NE5532 (Texas Instrument) datablad utläser jag att maximala operationstemperaturen är 85º C från "Operating free-air temperature range [-40º C 85º C]. Sammanfattar ligger man farligt nära med en matningspänning på ±20 V men ändå under. Vad tycker ni andra?


[1] Crest factor http://en.wikipedia.org/wiki/Crest_factor (2011-12-18).