przedwzmacniacz niskoszumny.pdf

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

Sierpień 2000

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...20Ω. 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.)

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

Sierpień 2000

Elektronika dla Wszystkich

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. 1,21kΩ,

1,33kΩ 1,47kΩ czy 1,05kΩ. Podobnie jest

z rezystorem R9 (825Ω...1,54kΩ) czy rezy−

Tamb = 25 o C

Tranzystor

SSM−2210

SSM2220

Maksymalny prąd kolektora

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

Wzmocnienie prądowe przy Ic=1mA

typ 605 min 300

typ 165 min 80

Wzmocnienie prądowe przy Ic=10 µ 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 4,64kΩ. 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

podobne. Chętni mogą zamówić SSM−2210

oddzielnie.

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 10µA jeszcze 120. Bardzo mała rezy−

stancja rozproszona bazy gwarantuje logaryt−

miczną zależność napięcia od prądu w zakre−

sie co najmniej do 1mA.

Wykaz elementów

Rezystory

R1,R2 . . . . . . . . . . . . . . . .1,21k Ω 1% metalizowany

R3,R4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 Ω metalizowany

R5−R8 . . . . . . . . . . . . . . . .3,01k Ω 1% metalizowany

R9,R10 . . . . . . . . . . . . . . . . .1k Ω 1% metalizowany

R11,R12 . . . . . . . . . . . . .10...22 Ω 1% metalizowany

R13,R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . .1,5k Ω metalizowany

R15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24k Ω

PR1,PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 Ω helitrim

Kondensatory

C1,C2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47µF/25V

C4,C3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .tantalowe 47µF/16V

C5,C6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100nF ceramiczny

C7,C8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1nF ceramiczny

C9,C10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10nF foliowy

C11,C12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .nie montować

Półprzewodniki

D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .LED zielona 3mm

D2−D9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1N4148

Q1,Q2 . . . . . . . . . . . . . . . .* SSM2210 (patrz uwaga)

T1,T2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .BC548

U1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .NE5532

U2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78L12

U3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79L12

Pozostałe

L1,L2 . . . . . . . . . . . . . . . . .dławik 33 µ H (15...68 µ 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

Sierpień 2000

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

Sierpień 2000

Elektronika dla Wszystkich

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: