[audio] Enkelt ingångssteg med variabel förstärkning

[psynoise]

Konstruktionsprojekt över ingångssteg med variabel förstärkning anpassad till studiomixerbord.

Specifikationer

• Ingångssignaltyp: Obalanserad med linjenivå.
  Förstärkning:
  Positiv matningsspänning: 3 V till 20 V (ingen hänsyn till förlusteffekt).
  Negativ matningsspänning: -3 V till -20 V (ingen hänsyn till förlusteffekt).
  Inspänning:
  Utspänning:
  Ingångsimpedans:
  Utgångsimpedans:
  Frekvenssvar:
  Egenbrus:
  • 1,1 µVrms = -117 dBu vid 0 dB förstärkning.
    17 µVrms = -93 dBu vid 27 dB förstärkning.

Systembeskrivning

schema-0.1.png

Resistorn R1 och kondensatorn C1 utgör ett lågpassfilter för dämpning av radiofrekvenser. C2 blockerar likspänning från inkopplad utrustning där R2 laddar ur eventuell laddning från C2. R3 kopplar likström till operationsförstärkaren U1. Potentiometern R5 bestämmer växelspänningsförstärkningen med R4 och R6 där R4 kopplar likström till U1. C3 med C4 förhindrar likström genom R5. C5 avkopplar inkommande matningsspänning och C6 avkopplar matningspänning vid U1.


Växelspänningsförstärkning

forstarkare-ac_modell.png

ekv01.png

Spänningen på de två ingångarna antas vara samma. Kirchhoffs strömlag ger

ekv02.png

Lågpassfilter

rf-filter.png

rf-filter-ekv.png

Frekvenssvar

Ska beräknas i simuleringsprogram.


Brusanalys

brus.png

För okorrelerade bruskällor fås

ekv03.png

där

ekv04.png

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.

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.

Pågående arbete

Beräkning av brytfrekvens för lågpassfilter.
Beräkning av frekvenssvar i Qucs.
Utreda förlust effekt för NE5532.


Referenser

Self, D. (2010) Small Signal Audio Design. Focal Press.
Texas Instrument NE5532


Relaterade trådar

Mixerbordskomponenter (Wiki)
Litteraturförteckning för mixerbordskonstruktion

[pern]

Snyggt

Själv är jag dock inte så förtjust i att ha pottar i återkopplingen utan föredrar att ha dem innan OPn. Men det är fördelar och nackdelar med båda sätten.

[zealotry]

Kan du förklara lite kort hur brusanalys fungerar, eller kanske visa mig någon trevlig sida med information. En snabb googling gav inte så mkt..

[psynoise]

Finns en del utrett i tråden Brus i operationsförstärkarkopplingar

http://elektronikforumet.com/forum/view ... =2&t=52042

dock är innehållet ostrukturerat och beräkningarna kortfattade. Men kort kan jag förklara. NE5532 och många andra operationsförstärkare har specificerat i databladet en ekvivalent spänningsbruskälla på ingången här betecknad eNU1. Ekvivalenta brusströmmar på ingångarna brukar också finnas specificerade här betecknade iNU1P och iNU1N för de båda ingångarna. Egentligen behöver inte själva bruset uppkomma i ingångssteget för operationsförstärkare utan nämnda bruskällor är endast ekvivalenta med de mätningarna som halvledartillverkaren har gjort. Varje resistans (men inte reaktans) ger upphov till termisktbrus. Dessa bruskällor markeras med eNRx. För att beräkna det totala bruset använder jag mig av enkel kretsanalys och beräknar utspänningen från en bruskälla i taget. Eftersom bruskällorna inte antas vara korrelerade gör man en approximation att det totala bruset summeras ihop genom rms-addition (y² = a² + b² + c² +...). Följande kapitel har jag för mig förklarar det hela ganska bra

Carter, B. (2001) Op Amp Noise Theory and Applications. I Op Amps For Everyone, red. Mancini, R. 10-1 till 10-24. Dallas, Texas: Texas Instrument.

Annars kan du även kolla in fler alternativ i tråden Litteraturförteckning för mixerbordskonstruktion

http://elektronikforumet.com/forum/view ... 10&t=51772

[psynoise]

Snyggt

Tack, jag gillar att göra det ordentligt så att det blir enklare att använda kopplingen senare i större projekt.

Själv är jag dock inte så förtjust i att ha pottar i återkopplingen utan föredrar att ha dem innan OPn. Men det är fördelar och nackdelar med båda sätten.

Exakt, detta kan man diskutera i det oändliga, dock gäller det som vanligt att kompromissa. I bästa världar vill man aldrig dämpa signalen för att sedan förstärka den. Hela problemställningen brukar man kalla för förstärkningsdistributionproblemet och handlar om var man ska förstärka och dämpa i en signalkedja. Genom att ha en förstärkare direkt på ingången blir förstärkningsdistributionproblemet enklare genom att vi kan höja signalnivån till arbetsnivå och på så sätt komma högre från brusgolvet. Allt handler om hur man får ut högsta möjliga dynamik.

[psynoise]

zealotry:

Nedanstående modeller använde jag mig av för att förenkla kretsanalysberäkningarna.

brus-a.png

brus-b1.png

brus-b2.png

brus-b3.png

brus-b4.png

[pern]

Din lösning på återkopplingen är nog den snyggaste jag sett och löser faktiskt de flesta problemen man annars brukar ha med att koppla på detta sättet.

Det enda problemet jag ser ur mitt perspektiv är att 470uF kondingar kan vara ganska stora, så ett lägre värde hadde varit att föredra.

Men helt klart så "lånar" jag kanske konceptet i framtiden

Vad är förstärkningen i steget ?

[psynoise]

Principen kommer från boken Small Signal Audio Design av Doulgas Self. Har egentligen kombinerat två kretslösningar. Huvuddelen är ifrån High-input-impedance buffer på sidan 294 kombinerat med vanligt lågpassfilter på ingången. Kapacitanserna från C3 och C4 påverkar nedre gränsfrekvensen för kopplingen. Hur det ligger till mer exakt ska jag utreda senare.

[psynoise]

Vad är förstärkningen i steget ?

Har endast haft som mål att man ska kunna reglera mellan en och tio gångar. Dock borde jag snart fastslå komponentvärdena för att kunna få lite data till specifikationen.

[pern]

Principen kommer från boken Small Signal Audio Design av Doulgas Self.

Missade det när jag läste den. Men ser nu att den finns där. Men helt klart är det en snygg design.

[SkunkFunk]

Obalanserat brukar ju mest användas för stereosignaler och då måste man ju hitta en 2,2k revlog stereo-pot, vilket vi som byggt ssl 9k-preampar vet inte är alltför enkelt. Annars är ju kopplingen verkligen ett skolexempel på en obalanserad ingång med extra allt! Det enda jag kanske saknar är några ohms serieresistans, en 100µ-konding och typ 100k pulldown-motstånd vid utgången, men det behövs ju egentligen bara om det ska sitta i en större mixer och kopplas direkt genom en brytare

470 µF är väl inte särskilt farligt. En panasonic fm på 10v kostar 3,64 kr på farnell, 2,04 kr vid 500 st och då har man en riktigt bra konding.

[psynoise]

Håller inte med att obalanserad används mest för stereosignaler. De flesta synthar av olika slag brukar ha obalanserade utgångar. Använder man stereosignal får man använda sig av två ingångssteg. Obalans mellan de två stereokanalerna får man sedan rätta till med panorering. Det är precis på detta sätt som de flesta studios brukar lösa det vad jag har sätt. Stereomixerbord är fortfarande ovanligt i musikstudios trots vi lever på 2010-talet .

Då förstärkaren ska ha en gångs förstärkning för likspänning tyckte jag det var onödigt med en kopplingskondensator efter. Dock brukar många förstärkarkopplingar ha lika stor likspänningsförstärkning som växelspänningsförstärkning och då kan man få problem med offsetspänning för operationsförstärkaren.

EDIT:

Glömde kommentera potentiometern R5. Denna ska vara linjär då förstärkningen även påverkas av R4. Dock tänker jag inte eftersöka den bästa reglagekurvan då detta endast är en förstärkningsinställning.

[SkunkFunk]

Fast har man obalanserad utsignal är det ju vanligast att man kör den genom en linebox in till en balanserad ingång, eller genom en adapter (synd att få ljudtekniker inte vet att detta kommer ge pin 1-problem). Kan du ge något exempel på studioutrustning med obalanserade ingångar? Mig veterligen är det mest bara 2-track inputs på allround-mixrar som är obalanserade om man inte räknar med "hobbyutrustning". Finns en del bord med stereoingångar, typ ssl 4000 och många pa-bord, men ja, på de flesta bord brukar man ju få ta dubbel mono

Edit: Aah, såklart, borde sett att potten var "bendad" redan. Du kanske kan sänka bend-motståndet till 1k för att få lite finare kurva och lägre brus. 1k | 2,2k + 27r blir 734,5 Ohm som lägsta impedans, det borde en 5532 kunna driva utan problem, såvida lasten senare håller hög ingångsimpedans.

[psynoise]

I min egen studio har jag Roland M-160 line mixer som endast har obalanserade ingångar. Dessutom kommer ett balanserad ingångssteg få högre brusgolv med samma komponenter.

[SkunkFunk]

Touché!