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 mV_eff. Tegenwoordig zijn de meeste lijningangssignalen afkomstig van digitale bronnen, met typische niveaus van 1 Veff ongebalanceerd of 2 V_eff 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.