Ultraniskoszumny przedwzmacniacz audio z tranzystorami SSM2210.pdf
(
254 KB
)
Pobierz
141566869 UNPDF
Projekty AVT
Ultraniskoszumny
przedwzmacniacz
audio
z tranzystorami
SSM
−
2210
2408
Wielu Czytelników EdW żywo interesuje się
wszelkimi układami audio wysokiej jako−
ści. Do tej pory zostały zaprezentowane
liczne moduły tego typu. Zaproponowano
użycie w nich różnych układów scalonych,
począwszy od NE5532, NE542 (UL1322),
SSM2016 aż do SSM2017. Niniejszy projekt
przedstawia jeszcze jedno bardzo interesu−
jące rozwiązanie, zawierające specjalne
ultraniskoszumne tranzystory. Kto nie zde−
cyduje się na zakup specjalnych tranzysto−
rów, wykona wersję uproszczoną, stosując
powszechnie dostępne, niskoszumne tran−
zystory m.cz.
story w stopniu wejściowym oraz wzmac−
niacz operacyjny. Znacznie rzadziej spotyka
się przedwzmacniacze składające się wyłącz−
nie z tranzystorów.
Uproszczony układ “tranzystorowo−ope−
racyjny” pokazany jest na
rysunku 1a
. Po−
nieważ tranzystory PNP szumią odrobinę
mniej, spotyka się również konfigurację
z
rysunku 1b
. W takich układach można
stosować pary dowolnych tranzystorów ni−
skoszumnych, jednak w praktyce stosowa−
no tu znane od lat znakomite tranzystory
firmy PMI (obecnie wchodzi w skład Ana−
log Devices) z rodziny MAT. Rodzina za−
wiera pary (MAT−01...MAT−03) i czwórkę
(MAT−04). Najmniej szumiące tranzystory
MAT−02 (NPN) i MAT−03 (PNP) mają gę−
stość szumów napięciowych 1nV/
Hz
. Obe−
cnie tranzystory te zostały zastąpione jeszcze
lepszymi, o oznaczeniach SSM−2210 (NPN)
i SSM−2220 (PNP), których gęstość szumów
wynosi odpowiednio 0,8nV/
Hz
i 0,7nV/
Hz
.
Problem szumów w układach tranzystoro−
wych jest dość złożony. W konkretnym ukła−
dzie szumy zależą nie tylko od typu tranzy−
stora, ale także od jego prądu kolektora oraz
od rezystancji źródła sygnału. Przeciętny
hobbysta nie zaprojektuje optymalnego ukła−
du bez znajomości wielu szczegółowych pa−
rametrów. Niemniej jednak podane informa−
cje wskazują, że wymienione tranzystory
SSM−2210 i SSM−2220 umożliwiają zbudo−
wanie wzmacniacza o szumach jeszcze
mniejszych niż słynny już układ scalony
SSM−2017 (0,9...1nV/
Hz
).
Wspomniane tranzystory pozwalają zbu−
dować nawet przedwzmacniacze o szumach
poniżej 0,5nV/
Hz
, co jest niewykonalne
z użyciem jakiegokolwiek dostępnego dziś
układu scalonego. Sposób na zmniejszenie
szumów jest bardzo prosty: należy równole−
gle połączyć kilka par tranzystorów. Ideę po−
kazuje w uproszczeniu
rysunek 2
. Przy za−
stosowaniu dwóch par tranzystorów szumy
zmniejszą się o
2
, czyli 1,41, a przy trzech
parach − o
3
, czyli 1,73. Teoretycznie przy
użyciu trzech elementów SSM−2220 o szu−
mach 0,7nV/
Hz
uzyskany szum wyniósłby
tylko 0,4nV/
Hz
. W rzeczywistości szum
mógłby być nieco większy z kilku przyczyn.
Od wielu lat znana jest opinia, że najmniej
szumiące przedwzmacniacze zbudowane są
przy użyciu tranzystorów, a nie układów sca−
lonych. W takim poglądzie jest dużo prawdy,
choć trzeba przyznać, iż obecnie różnica mię−
dzy najlepszymi wzmacniaczami tranzysto−
rowymi i scalonymi jest znacznie mniejsza
niż przed laty.
Nie ulega jednak wątpliwości, że elek−
tronik interesujący się układami audio po−
winien wykonać przynajmniej jeden tran−
zystorowy przedwzmacniacz wysokiej kla−
sy. Dobrą okazją ku temu będzie niniejszy
projekt i dodatkowe informacje zawarte
w artykule.
Na początku należy przypomnieć, że
o całkowitych szumach układu decydują je−
dynie szumy stopnia wejściowego. Jakość
dalszych stopni nie ma praktycznie żadnego
wpływu na poziom szumów, a jedynie wpły−
wa na inne parametry, takie jak zawartość
zniekształceń czy szybkość. W literaturze
najczęściej można spotkać przykłady
przedwzmacniaczy zawierających specjalnie
selekcjonowane, ultraniskoszumne tranzy−
Rys. 1 Układy podstawowe
Elektronika dla Wszystkich
13
Projekty AVT
Trzeba tu wyraźnie zaznaczyć, że zalety
takich skrajnie niskoszumnych wzmacniaczy
dadzą się odczuć dopiero przy małej rezy−
stancji źródła sygnału. Przy większych rezy−
stancjach szumy własne źródła (np. mikrofo−
nu) okażą się większe niż szumy
przedwzmacniacza. Dlatego układy zbudo−
wane według rysunku 2 warto budować je−
dynie wtedy, gdy źródło sygnału ma rezy−
stancję rzędu 10...20
Opis układu
Schemat ideowy proponowanego układu
pokazany jest na
rysunku 3
. Moduł jest zasi−
lany napięciem symetrycznym. W zasadzie
można nie stosować stabilizatorów U2, U3
i podać napięcie zasilające bezpośrednio na
punkty P, O, N. Jednak w przypadku nisko−
szumnych układów warto stabilizować i fil−
trować napięcie zasilające, dlatego nie należy
rezygnować ze stabilizacji. Napięcie zasilają−
ce, podawane na punkty R, O, S, powinno
wynosić ±14...±25V.
Moduł zawiera dwa identyczne tory
wzmocnienia oraz obwody zasilające. Klu−
czowymi elementami w każdym torze jest
para tranzystorów SSM−2210 oraz popu−
larny wzmacniacz operacyjny NE5532.
Działanie układu zostanie omówione
w oparciu o tor z elementami Q1, U1A.
Układ ma wejście niesymetryczne. Ele−
menty L1, C7 tworzą filtr, zapobiegający
przenikaniu do układu zakłóceń o często−
tliwościach radiowych. Rezystor R1 okre−
śla rezystancję wejściową układu. Diody
D2...D5 zabezpieczają przed pojawieniem
się na wejściu dużych sygnałów, na przy−
kład zakłóceń impulsowych, które w skraj−
nych przypadkach mogłyby uszkodzić lub
pogorszyć parametry tranzystorów wej−
ściowych Q1.
Para różnicowa Q1A, Q1B zasilana jest ze
źródła prądowego zawierającego elementy
T1, R13 oraz diodę D1. Prąd każdego z tran−
zystorów Q wynosi około 0,5mA. Obciąże−
niem są rezystory R5, R7. Helitrim PR1
umożliwia symetryzację całego układu. Ele−
menty R3, C9 stanową obwód kompensacji
częstotliwościowej. Bez nich układ mający
ogromne wzmocnienie mógłby się wzbudzać.
Symetryczny sygnał z kolektorów tranzy−
storów Q1 jest podawany na wejścia wzmac−
niacza operacyjnego NE5532. Ten układ,
przeznaczony do zastosowań audio, zapew−
nia wystarczajacą szybkość i niewielkie znie−
kształcenia.
Sygnał z wyjścia podawany jest na bazę
Q1B przez dzielnik R9, R11 ustalający
wzmocnienie przedwzmacniacza. Przewi−
dziano także miejsce na dodatkowy konden−
sator C11, który w wersji podstawowej nie
będzie stosowany. Mógłby być potrzebny
w przypadku modyfikacji układu lub zasto−
sowania innych elementów. Stosując C11 na−
leży pamiętać, że stała czasowa R9C11 wy−
znacza górną częstotliwość graniczną.
Działanie układu jest w sumie bardzo pro−
ste: tranzystory Q1 i układ U1A tworzą “su−
perwzmacniacz operacyjny”, pracujący
w konfiguracji nieodwracającej, którego wy−
padkowe wzmocnienie wyznacza dzielnik
R9, R11.
Jak wspomniano wcześniej, właściwości
szumowe przedwzmacniacza określa przede
wszystkim para tranzystorów wejściowych.
Specjalne tranzystory SSM teoretycznie
umożliwiają obniżenie szumów do teoretycz−
nej granicy szumów cieplnych źródła sygna−
łu. W rzeczywistości ze względu na szumy
użytych rezystorów i niedoskonałe tłumienie
tętnień zasilania wypadkowe szumy będą tro−
chę większe.
Budując układ trzeba zwrócić szczególną
uwagę na potencjalne źródła szumów. Wła−
śnie dlatego w układzie przewidziano lokalne
Rys. 2 Wersja wzbogacona
Rys. 3 Schemat ideowy
*
*
*) W wersji podstawowej nie występuje
14
Elektronika dla Wszystkich
. Tymczasem typowy
mikrofon dynamiczny dobrej klasy ma
rezystancję 200Ω . Przy takiej rezystancji
i wynikających z niej szumach całkowicie
wystarczy układ według rysunku 1, ponie−
waż i tak szumy własne mikrofonu będą
większe niż szumy przedwzmacniacza. (Oso−
by, które są zainteresowane szczegółami, po−
winny z pomocą miniankiety “zamówić” ar−
tykuł(−y) na temat szumów.)
Projekty AVT
stabilizatory U2, U3. Filtrowanie i stabilizo−
wanie znacznie zredukuje przenikanie szu−
mów z szyn zasilania na wyjście. Kto chciał−
by, może jeszcze bardziej stabilizować napię−
cie, używając lepszych stabilizatorów
LM317L (dodając po dwa rezystory ustalają−
ce napięcie).
Wpływ na szumy mieć będą także rezy−
story. Jak podano w wykazie elementów,
większość rezystorów to precyzyjne, 1−
procentowe rezystory metalizowane. Nie
znaczy to, że najważniejsza jest wartość re−
zystancji i tolerancja. W rzeczywistości to−
lerancja nie ma znaczenia, i na przykład
w roli R1 zamiast rezystora o wartości
1,2kΩ (nie ma takiej wartości w szeregu
E96) można zastosować jakikolwiek
o zbliżonym nominale, np. 1,21k
Tamb = 25
o
C
Tranzystor
SSM−2210
SSM2220
Maksymalny prąd kolektora
20mA
20mA
Dopuszczalne napięcie UCB
40V
36V
Dopuszczalne napięcie UCE
40V
36V
Różnica napięć między tranzystorami
40V
36V
Maksymalna moc strat (Tamb < 70
°
C)
500mW
Rezystancja termiczna Rthja
110K/W − DIP
Zakres temperatur pracy
−40...+85
°
C
−40...+85
°
C
Wzmocnienie prądowe przy Ic=1mA
typ 605 min 300
typ 165 min 80
Wzmocnienie prądowe przy Ic=10
A
typ 550 min 200
typ 120 min 60
Rozrzut wzmocnienia pary tranzystorów
typ. 0,5% max 5%
typ. 0,5% max 6%
Napięcie niezrównoważenia
typ10
µ
V max 200
µ
V typ 40
µ
V max 200
µ
V
Prąd zerowy kolektora
typ 25pA max 500pA typ 50pA max 400pA
Rezystancja baza−emiter
typ 0,3Ω
max 1,6Ω
typ. 0,3Ω
,
storami R5, R7, które mogą mieć wartość
większą, nawet 4,64k
podobne. Chętni mogą zamówić SSM−2210
oddzielnie.
1,33k
1,47k
czy 1,05k
. Podobnie jest
. Ważne jest tylko
to, by były to dobrej jakości rezystory me−
talizowane, których szumy są niewiele
większe od teoretycznej granicy wyzna−
czonej przez szum termiczny. Zastosowa−
nie popularnych rezystorów węglowych
może radykalnie pogorszyć właściwości
szumowe układu.
Także R3, R11, R13 powinny być rezysto−
rami metalizowanymi.
Niektóre źródła zalecają stosowanie
w układach ultraniskoszumnych kondensato−
rów tantalowych w miejsce zwykłych elek−
trolitów. W opisywanym układzie dotyczy to
tylko kondensatorów C3, C4.
Zapewne wielu Czytelników zdecyduje
się na nabycie rewelacyjnych, ale i dość dro−
gich tranzystorów SSM. Inni będą chcieli
sprawdzić właściwości tego układu, zawiera−
jącego popularne niskoszumne tranzystory,
dostępne w każdym sklepie. Nic nie stoi na
przeszkodzie, by zamiast scalonej pary tran−
zystorów SSM−2210 zastosować parę zwy−
kłych tranzystorów typu BC413, BC414,
BC109, BC239, BC549, BC550, itd. Dobrze
byłoby dobrać pary tranzystorów o w miarę
jednakowych parametrach, choćby mierząc
współczynnik wzmocnienia za pomocą mul−
timetru. Nie jest to konieczne i można zasto−
sować jakiekolwiek dwa niskoszumne tran−
zystory NPN, licząc się z pogorszeniem para−
metrów.
Ponieważ tranzystory SSM−2210 bardzo
zwiększyłyby cenę zestawu, nie ma ich w ki−
cie AVT−2408. Kit zawiera popularne nisko−
szumne tranzystory BC414, BC549 lub
z rezystorem R9 (825Ω
...1,54kΩ
) czy rezy−
Tranzystory
Pary tranzystorów SSM−22X0 znakomi−
cie nadają się nie tylko do przedwzmacnia−
czy audio, ale także do budowy różnego ro−
dzaju wzmacniaczy pomiarowych, źródeł
prądowych, zwierciadeł prądowych oraz
układów logarytmujących. Ponieważ wielu
Czytelników zechce zastosować znakomite
pary tranzystorów SSM−22X0 w takich apli−
kacjach, poniżej podane są podstawowe in−
formacje o tych podzespołach.
Rysunek 4
pokazuje układ wyprowadzeń elementów
SSM−2210 i SSM−2220. Warto również wie−
dzieć, że układ SSM−2210 jest odpowiedni−
kiem LM394.
Podstawowe dane tranzystorów podane są
w tabeli.
Karty katalogowe, dostępne m. in. w In−
ternecie na stronie Analog Devices
(www.analog.com), zawierają szereg dal−
szych informacji, w tym wiele wykresów.
Mniej zaawansowani nie muszą wgłębiać
się w tajniki wszystkich parametrów. Naj−
ważniejsze jest, że oba tranzystory są niemal
identyczne, nawet tak “kapryśny” parametr,
jak współczynnik wzmocnienia prądowego
ma praktycznie jednakową wartość. Tranzy−
story NPN mają dużą wartość współczynnika
wzmocnienia prądowego: aż 600 przy 1mA,
a przy 10
Wykaz elementów
1% mettalliizowany
R3,,R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
ΩΩ
mettalliizowany
R5−R8 . . . . . . . . . . . . . . . .3,,01k
ΩΩ
1% mettalliizowany
R9,,R10 . . . . . . . . . . . . . . . . .1k
1% mettalliizowany
1% mettalliizowany
R13,,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,,5k
ΩΩ
mettalliizowany
R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24k
ΩΩ
PR1,,PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100
helliittriim
Kondensatory
C1,,C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47µF/25V
C4,,C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ttanttallowe 47µF/16V
C5,,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiiczny
C7,,C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1nF ceramiiczny
C9,,C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10nF folliiowy
C11,,C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .niie monttować
Półprzewodniki
D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED ziiellona 3mm
D2−D9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148
Q1,,Q2 . . . . . . . . . . . . . . . .* SSM2210 (pattrz uwaga)
T1,,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548
U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .NE5532
U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78L12
U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79L12
A jeszcze 120. Bardzo mała rezy−
stancja rozproszona bazy gwarantuje logaryt−
miczną zależność napięcia od prądu w zakre−
sie co najmniej do 1mA.
Pozostałe
L1,,L2 . . . . . . . . . . . . . . . . .dłławiik 33
H (15......68
H)
Uwaga!
W zestawie AVT−2408 zamiast tranzystorów SSM−
2210 występują cztery tranzystory niskoszumne
(BC413, BC414, BC109, BC549, BC550). Tranzystory
SSM−2210 można zamówić oddzielnie w Dziale Han−
dlowym AVT lub u dystrybutora Analog Devices.
Montaż i uruchomienie
Moduł wzmacniacza można zmontować
na płytce drukowanej, pokazanej na
rysunku
5
. Montaż jest klasyczny i nie powinien spra−
wić trudności także mniej zaawansowanym.
Nabywcy kitu AVT−2408 w miejsce Q1, Q2
wlutują klasyczne tranzystory. Dla wygody
poszczególne punkty oznaczono literami C,
B, E. Zamiast na stałe lutować tranzystory,
można zastosować podstawki, które przyda−
dzą się podczas eksperymentów z różnymi
Komplet podzespołów z płytką jest
dostępny w sieci handlowej AVT jako
kit szkolny AVT−2408
Rys. 4
Elektronika dla Wszystkich
15
Rezystory
R1,,R2 . . . . . . . . . . . . . . . .1,,21k
R11,,R12 . . . . . . . . . . . . .10......22
Projekty AVT
tranzystorami oraz umożliwią szybką wy−
mianę tranzystorów na układ SSM−2210.
Po zmontowaniu całości, a przed włożeniem
Q1, Q2 warto sprawdzić, czy napięcie zasilają−
ce wynosi ±12V. Po skompletowaniu układu
wzmacniacz jest gotowy do pracy. Jedyną regu−
lacją jest ustawienie na wyjściach (punkty B, D)
za pomocą PR1 i PR2 napięcia stałego równego
zeru (z dokładnością do kilkunastu miliwoltów).
Układ zmontowany ze sprawnych ele−
mentów będzie od razu działał poprawnie.
czony dla bardziej zaawansowanych elektroni−
ków, którzy potrafią go dobrze zagospodarować.
Jak wspomniano, zalety układu dadzą o sobie
znać jedynie w przypadku współpracy ze
źródłem o rezystancji wewnętrznej poniżej 1k
Ω
.
Można zamienić rezystory metalizowane
na zwykłe, węglowe, zasilić układ napięciem
niestabilizowanym i sprawdzić, jak zmieni
się poziom szumów.
Warto także sprawdzić, na ile szumy zale−
żą od prądu pracy tranzystorów. W tym celu
można zmieniać wartość R13, R14 w szero−
kich granicach 150Ω ...15kΩ . Może się oka−
zać, że przy zwiększeniu prądu tranzystora do
1...2mA szumy jeszcze trochę się zmniejszą.
Przy takich eksperymentach ostatecznym
wskaźnikiem będzie głośnik i ucho. Nie ma
sensu próba pomiaru napięcia szumów na
wyjściu przedwzmacniacza czy wzmacnia−
cza zwykłym miernikiem. Miernik nie tylko
nie zmierzy wszystkich składowych z pasma
akustycznego, ale także nie uwzględni cha−
rakterystyki fizjologicznej ucha. Do takich
pomiarów potrzebny byłby psofometr.
Wyniki takich eksperymentów mogą być
i najprawdopodobniej będą zaskakujące.
Tym bardziej warto je przeprowadzić, by bli−
żej poznać problem szumów i pozbyć się fał−
szywych wyobrażeń.
Możliwości zmian
Zaprezentowany układ daje znakomitą
okazję do eksperymentów. Można na przykład
na „własne uszy“ sprawdzić wpływ
rezystancji źródła. Do wyjścia opisanego
przedwzmacniacza na−
leży dołączyć jakiś
czuły wzmacniacz mo−
cy i głośnik, a następ−
nie sprawdzać, jak
zmieniają się szumy
w głośniku. Najpierw
dla pewności należy
sprawdzić szumy wła−
sne i przydźwięk
wzmacniacza mocy
przy zwarciu jego wejścia. Następnie należy
sprawdzić szumy własne przedwzmacniacza
przy zwarciu wejścia. Potem należy roze−
wrzeć wejście i sprawdzić, o ile wzrośnie
szum (wskutek obecności rezystancji R1, R2).
A jaki będzie po dołączeniu źródła sygnału?
Rys. 5 Schemat montażowy
Stopień trudności projektu (dwie gwiazdki)
absolutnie nie jest związany z montażem.
Zmontować i uruchomić układ może każdy.
Dwie gwiazdki wskazują, że moduł jest przezna−
Piotr Górecki
Zbigniew Orłowski
REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA · REKLAMA
A
L
A
R
M
Y
S
A
M
O
C
H
O
D
O
W
E
F
II
I
I
M
Y
Z OFERTY AVT
C
A
S
S
II
I
I
N
II
I
I
PODSTAWKII POD LUTOWNIICE
PODSTAWKA SL−100
CENA 12,00 zł
GĄBKA ZAPASOWA
CENA 2,95 zł
PODSTAWKA 100−2S
CENA 20,49 zł
W
i
ięce
j
j
i
in
f
fo
r
rmac
j
j
i
i
uzyskasz
Do podanych cen należy doliczyć
22% VAT
w
Dz
i
ia
l
le
hand
l
lowym
AVT
Podstawki i gąbki
można nabyć
za zaliczeniem pocztowym
lub w sklepach firmowych AVT,
bliższe informacje
na stronach z ofertą.
Te
l
l
.
.
/
/
f
faks
:
:
(
(022
)
)
835
66
88
Alarmy można nabyć za zaliczeniem pocztowym
lub w sklepach firmowych AVT. Bliższe informacje na stronach z ofertą.
16
Elektronika dla Wszystkich
R
Plik z chomika:
sq6iyv
Inne pliki z tego folderu:
Amplifier Digital Power 200W.pdf
(9645 KB)
Aktywny filtr RC (RADIO 6-71).jpg
(2268 KB)
5 channel equalizer by BC548.jpg
(68 KB)
Aktywna kolumna subniskotonowa.pdf
(2202 KB)
60W Mosfet Audio Amplifier.pdf
(204 KB)
Inne foldery tego chomika:
Hybrydowe
Lampowe
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin