The Preamp 2012 Deel 1: Inleiding en hoofdprint

Audioliefhebbers opgelet! Deze maand starten we met de beschrijving van een hoogwaardige audiovoorversterker voor zelfbouw. In dit en de volgende artikelen beschrijven we hoe een laagohmig ontwerp en het gebruik van meerdere opamps parallel kunnen zorgen voor een aanzienlijke ruisreductie in analoge schakelingen. Het resultaat is een voorversterker van topklasse, niet alleen qua geluidskwaliteit, maar ook wat betreft de prijs/prestatie-verhouding.

Gepubliceerd in Elektor nummer 582 - April 2012. Zie de Zelfbouw Special voor meer artikelen, en zie ook deze toelichting op de onlinegang van de Elektor publicaties. Deel 2 van dit verhaal vind je inmiddels hier.

Het is lang geleden dat ik een ontwerp voor een voorversterker heb gepubliceerd; dat was de Precision Preamp in 1996. Natuurlijk heeft de technologie niet stil gestaan. Destijds was het standaard ingangsniveau maar 150 mVeff. Tegenwoordig zijn de meeste lijningangssignalen afkomstig van digitale bronnen, met typische niveaus van 1 Veff ongebalanceerd of 2 Veff gebalanceerd en dat vereist een heel nieuw ontwerp, vooral bij de MM/MC-phono-ingang. Het ontwerp van de hier beschreven voorversterker laat zien hoe heel lage ruisniveaus kunnen worden bereikt in analoge schakelingen, zonder gebruik te maken van exotische componenten.

Oorspronkelijk was het de bedoeling om alleen 5532-opamps te gebruiken, net als in onze 5532-OpAmplifier , maar tijdens het ontwerpen werd duidelijk dat we door het toevoegen van een paar LM4562’s (die tegenwoordig een stuk goedkoper zijn dan vroeger) de vervorming sterk kon worden verminderd, omdat de LM4562 lagere belastingen aan kan. Verder heeft de voorversterker een veelzijdige MC/MM-ingangstrap voor draaitafels met een schakelbare versterkingsfactor, die geschikt is voor vrijwel elk element. Deze is voorzien van een innovatieve niveauindicator die meer informatie levert dan een simpele aan/uit-indicatie met een LED en de behoefte aan een bargraph-display wegneemt.

Het blokschema van de voorversterker is weergegeven in figuur 1. De schakeling is verdeeld over verschillende printen die we afzonderlijk zullen bespreken. Deze maand beginnen we met de ingangsversterker, de toonregeling, de volumeregeling en de uitgangstrap.

Drie soorten ruis

Er zijn drie hoofdoorzaken van ruis in analoge schakelingen: Thermische ruis (Johnson- ruis) van weerstanden en stroom- en spanningsruis van halfgeleiders.

Elke weerstand (ook weerstanden die deel uit maken van andere componenten, zoals de inwendige weerstand van de basis van een bipolaire transistor) genereert thermische ruis. Het ruisniveau is afhankelijk van de weerstandswaarde en de absolute temperatuur. Aan de omgevingstemperatuur is meestal weinig te doen, maar de weerstand kiezen we zelf. Thermische ruis kan daarom worden geminimaliseerd door het hele ontwerp laagohmig uit te voeren.

In de vroege jaren 70 werden in audioschakelingen meestal potentiometers van 25 kΩ of 50 kΩ gebruikt en ook de andere componenten hadden evenredig hoge impedanties, voornamelijk omdat de met discrete transistoren opgebouwde opamps niet in staat waren om veel stroom te leveren. Met de introductie (en dalende kostprijs) van de (NE)5532 werd het mogelijk om te ontwerpen voor lagere impedanties en konden potmeters van 10 kΩ worden ingezet. Dat lijkt misschien niet erg ambitieus, omdat een 5532 immers geschikt is om een impedantie van 800 Ω aan te sturen zonder dat de vervorming toeneemt, maar de waarde van de potmeter geeft niet altijd een goed beeld van bijvoorbeeld de ingangsimpedantie van de schakeling als geheel. Niet veel mensen weten dat de ingangsimpedantie van een standaard Baxandall-toonregeling met twee 10-kΩ-potmeters soms kan teruglopen tot minder dan 1 kΩ. Er is een slimme manier om dit probleem te omzeilen: Gescheiden aansturing van de bass- en treble-regelaars. Daarover later meer. Vaste weerstanden zijn verkrijgbaar in vrijwel elke waarde, maar voor potmeters is er veel minder keus. De kleinste praktische waarde van stereo potmeters is 1 kΩ.  

Stroomruis ontstaat bij de ingangen van opamps. Deze verandert alleen in spanningsruis als de stroom door een impedantie loopt, dus het effect wordt gereduceerd als lage impedanties worden gebruikt. De laagohmige potmeters zorgen er ook voor dat de offset-stromen van de opamp minder spanningsval veroorzaken en daardoor ontstaat minder ruis als de loper wordt verdraaid.

Figuur 1. Opzet van The Preamp 2012. Hoewel de functies hier als individuele blokken zijn weergegeven, zijn meerdere blokken samengevoegd op de printen. Bijvoorbeeld de vier blokken aan de rechterkant, die worden besproken in dit artikel: lijningang, toonregeling, volumeregeling en summetrische uitgang.

Het derde type ruis is spanningsruis. Deze ruis heeft al de vorm van een spanning. Het is equivalent aan een ruisspanningsgenerator in serie met de ingangen van de opamp. Ontwerpen voor een lage impedantie helpt daar niet tegen. Op het eerste gezicht lijkt de enige oplossing om deze ruis te minimaliseren het gebruik van een zo ruisarm mogelijke opamp. Er bestaan opamps die stiller zijn dan de 5532 of de LM4562, maar die zijn duur en ze hebben een grote stroomruis. Een typisch voorbeeld is de AD797 die ook nog als nadeel heeft dat er geen typen verkrijgbaar zijn met meerdere opamps in een behuizing, waardoor de kosten nog verder oplopen.

Figuur 2. Het schema van de hoofdprint wordt overheerst door NE5332- en LM4562-opamps. Let op de ongebruikelijke lage weerstandswaarden van de gebruikte potentiometers.

Betere aanpak

Een betere aanpak is om de uitgangssignalen van meerdere goedkope opamps te sommeren, of beter gezegd te middelen. Als twee opamps parallel geschakeld worden, blijft de versterking hetzelfde. Het signaal van beide uitgangen wordt gemiddeld door de uitgangen via twee kleine weerstanden met elkaar te verbinden. Het gemiddelde signaal is dan beschikbaar op het knooppunt van deze twee weerstanden. De twee ruisbronnen zijn ongecorreleerd en dus heffen ze elkaar ten dele op. Het ruisniveau wordt daardoor 3 dB (een factor √2) gereduceerd. Beide uitgangssignalen zijn vrijwel aan elkaar gelijk, dus er loopt maar weinig stroom van de ene opamp naar de andere. Daardoor wordt de vervormingsfactor niet in gevaar gebracht. De twee weerstanden zijn heel klein (typisch 10 Ω), dus hun thermische ruis is verwaarloosbaar. Deze strategie kan worden uitgebreid door vier opamps te gebruiken voor een ruisvermindering van 6 dB, acht opamps voor 9 dB enzovoort. Natuurlijk zijn er grenzen aan deze aanpak. Meerdere opamps parallel zijn ook heel nuttig voor het aansturen van lage impedanties, dus de twee technieken zijn goed te combineren. De 5532-OpAmplifier ging met deze techniek tot het uiterste. De aanpak met meerdere opamps wordt onhandig als er te veel componenten nodig zijn voor de terugkoppeling.

Om twee opamps te gebruiken in een standaard Baxandall-toonregeling zouden viervoudige potmeters nodig zijn voor stereo en ook het aantal weerstanden en condensatoren zou verdubbelen. Dit zou het effect van alle ruisbronnen in de schakeling reduceren met √2, dus een mooie verbetering opleveren van 3 dB, maar het is toch geen aantrekkelijke aanpak. Als alternatief kunnen we ook de impedantie van het Baxandall-netwerk halveren door de potmeter- en weerstandswaarden te halveren en de condensatorwaarden te verdubbelen. Als we dat doen, halveert wel het effect van de stroomruis van de opamp en wordt thermische ruis gereduceerd met wortel twee, maar de spanningsruis van de opamp wordt niet beinvloed, terwijl die juist vaak het grootste effect heeft.

Lijningang en balansregeling

Bij de ingang is gekozen voor een symmetrische ingangstrap met een over een beperkt bereik regelbare versterking voor de balansfunctie. De maximale versterking bedraagt +3,7 dB en de minimale versterking –6,1 dB, wat ruim voldoende is voor een effectieve balansregeling. De versterking met de balansregelaar in het midden is +0,2 dB. In het schema in figuur 2 zien we (voor het linker kanaal) IC2A als symmetrische versterker; dit is een LM4562 met een lage spanningsruis, die probleemloos laagohmige belastingen kan aansturen. De weerstanden er omheen zijn ook laagohmig gedimensioneerd om de ruis te reduceren. Daarom zijn aan de ingang de buffers IC1A/B (met versterking 1x) opgenomen, die zorgen voor een hoge ingangsimpedantie van 50 kΩ om de CMRR te verbeteren. Let op de EMC-filters R1/C1 en R2/C2 aan de ingang. De versterking wordt bepaald door de 1-kΩ-potmeter P1A, de negatieve terugkoppeling naar IC2A loopt via twee parallelle buffers IC3A/B (ook met 1x versterking), zodat variaties in de uitgangsimpedantie van het gedeelte voor de versterkingsregeling de CMRR niet verslechteren.

De dubbele buffers reduceren de ruis en zorgen ook voor een grotere uitgangsstroom. In deze trap is het combineren van de bufferuitgangen eenvoudig, omdat de terugkoppelweerstand gewoon in tweeen kan worden gesplitst: R8 en R9. Daarom moeten ook R11 en R12 parallel geschakeld worden om exact de juiste weerstandswaarde te krijgen en dus de CMRR te behouden. De ruis aan de uitgang van deze trap is heel gering: –109 dBu met de balansregelaar in het midden, –106 dBu bij maximale versterking en –116 dBu bij minimale versterking (Alle waarden 22 Hz...22 kHz).

De toonregeling

Het is niet gemakkelijk te zien, maar dit is (bijna) een conventionele Baxandall-toonregeling. Ook hier zijn potmeters van 1 kΩ gebruikt, dus zijn ook grote condensatoren nodig om de kantelpunten vast te leggen: C7 van 1 μF bepaalt het beginpunt van de basregeling en C8/C9 van 100 nF bepalen het inzetpunt van de hogetonenregeling. De versterking/verzwakking is voor allebei maximaal +/- 10 dB. Deze sectie heeft een lage ingangsimpedantie, vooral bij het versterken van een frequentiegebied. Daarom worden de bass- en treble-gedeeltes van het netwerk afzonderlijk aangestuurd. Het treble- netwerk C9-P3B-C8 wordt rechtstreeks aangestuurd door IC2A van de voorgaande trap, terwijl het bass-netwerk R15-C7-P2BR14 apart wordt aangestuurd door de extra buffer IC2B, de andere helft van de LM4562 in de ingangstrap. We noemen dit een splitdrive Baxandall-schakeling.

Het treble-netwerk is opgebouwd met twee condensatoren. Het voordeel ten opzichte van een uitvoering met een condensator is dat de treble-potmeter bij lage frequenties ontkoppeld wordt van de schakeling, wat de belasting vermindert.

De belangrijkste opamp in de toonregeling is IC4A, die de treble-terugkoppeling direct aanstuurt. Buffer IC4B stuurt de bass-terugkoppeling aan. Het is aan te raden polypropyleen condensatoren te gebruiken; die zijn vrij van vervorming, polyestercondensatoren zijn namelijk flink niet-lineair. Helaas zijn ze ook groter en duurder, maar het verschil is de moeite waard.

De toonregeling alleen produceert slechts –113 dBu ruis aan de uitgang met de potmeters in de middenstand. Met relais RE1 en RE2 kan de toonregeling worden overbrugd. Dan wordt de actieve volumetrap rechtstreeks aangestuurd door IC2A. R18 en R58 zijn toegevoegd om schakelklikken te voorkomen als de relais omschakelen. Om de overspraak te beperken heeft elk kanaal zijn eigen relais. Een extra voordeel is dat twee contacten parallel geschakeld kunnen worden, dat voorkomt vervorming en vergroot de levensduur.

Actieve volumeregeling

De volumeregeling is een actief Baxandalltype, wat de ruis bij lage volumes beperkt en ook zorgt voor een quasi-logaritmische karakteristiek bij gebruik van een lineaire potmeter (die een veel betere gelijkloop heeft dan een logaritmisch exemplaar). De maximale versterking is +16 dB, in de middenstand is de versterking 0 dB. De ingangsimpedantie van de volumeregeling, die werkt met 1-kΩ-potmeter P4A, is het laagst bij grote uitgangsniveaus. Daarom is ook hier de aansturing van de trap gesplitst: Buffer IC9B levert de helft van het vermogen. De weerstanden R19 en R20 zorgen dat de belasting goed verdeeld wordt tussen IC4A en IC9B.

Een conventionele Baxandall-volumeregeling zoals in Precision Preamplifier 96, door Douglas Self. (Wireless World juli/augustus & september 1996) maakt gebruik van een enkele buffer en een inverterende versterker, zoals IC5A en IC5B. Hier zijn vier van deze schakelingen parallel geschakeld om de ruis te reduceren en om voldoende vermogen te leveren om de 1 kΩ volumepotmeter aan te sturen. De viervoudige opzet reduceert de ruis met 6 dB. De shuntversterkers hebben geen common-mode-spanning op hun ingangen en dus geen CM-vervorming, en de buffers verwerken minder dan een derde van de uitgangsspanning, dus de vervorming is zeer beperkt. Het verbeterde uitgangsvermogen zorgt er voor dat hier geen LM4562’s nodig zijn. Dat zou wat kostbaar worden, als we er veel zouden gebruiken. De vier weerstanden van 10 Ω (R29...R32) zorgen voor het uitmiddelen van de vier uitgangssignalen.

Symmetrie

Bij een continu sinusvormig signaal aan de uitgang (ca. 10 Veff), wordt de volumepotmeter merkbaar warm door de laagohmige configuratie. Dat lijkt misschien verontrustend, maar de warmte-ontwikkeling ligt wel binnen de specificaties van deze potmeter. Bij muzieksignalen gebeurt dat niet. De ruisbijdrage van de actieve volumesectie is –101 dBu bij maximale versterking en –109 dBu bij 0 dB versterking. Bij kleine versterkingsfactoren rond –20 dB (die het meest gebruikt worden) is de ruis ca. –115 dBu. Behoorlijk stil.

De ruisbijdragen van alle trappen zijn afzonderlijk vermeld ter illustratie van de ruisreductietechnieken. In een complete voorversterker worden deze ruissignalen bij elkaar opgeteld, hoewel dat erg afhankelijk is van de instellingen van de regelaars.

Symmetrische uitgangstrap

De symmetrische uitgang bestaat eenvoudig uit een inverterende buffer IC9A die het tegenfase-signaal genereert. Het uitgangssignaal van de symmetrische uitgang is dus tweemaal zo groot als dat van de asymmetrische uitgang, zoals gebruikelijk.

De opbouw

De hele schakeling is opgebouwd met normale bedrade componenten. Er is een print ontwikkeld in het Elektorlab, die verkrijgbaar is via [3]. De componentenopstelling is te zien in figuur 3. Het verdient aanbeveling om de print in een montagehouder te bevestigen voor het plaatsen van de componenten. Monteer eerst de lage componenten en daarna de hogere.

Figuur 4. Het prototype van de hoofdprint, perfect opgebouwd door het Elektro-lab.

Figuur 4 toont hoe het eindresultaat er uit zou moeten zien. Succes is gegarandeerd als de print zo netjes wordt opgebouwd als op de foto.
Vergeet niet JP1 te plaatsen voor het doorverbinden van de massa. Op de MC/MDkaart is ook zo’n jumper aanwezig. Zo kan proefondervindelijk worden vastgesteld welke massaverbinding het best werkt. Als de hele schakeling is bedraad, worden een of beide jumpers geplaatst.

Let bij de axiale polystyreen condensatoren op bij het buigen van de aansluitingen. Hun grootte is niet gestandaardiseerd.
Voor de potentiometers kunnen plastic types van Vishay Spectrol worden gebruikt in plaats van keramische. Toen dit artikel werd geschreven, was de levertijd van de keramische types bij Farnell 93 werkdagen!

In het volgende artikel bespreken we de uitgebreide MC/MM-voorversterkerprint.