REVIEW

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.

Peter Baxandall

Ik heb in dit project geprobeerd om de best mogelijke voorversterker te ontwerpen. In twee van de drie trappen bleken de ideeën van Peter Baxandall te leiden tot de beste resultaten. Hij was geweldig.

Opmerking van de redactie: Naast herdrukken van artikelen uit Wireless World/Electronics World, is in de uitgave "Baxandall and Self on Audio Power" een niet eerder gepubliceerde briefwisseling tussen Peter Baxandall en Douglas Self opgenomen.

Beide waren ze actief op zoek naar de oorzaken van vervorming in high-end eindversterkers. Dit boek is gepubliceerd door Linear Audio, Linear Audio.

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.

Onderdelenlijst

Weerstanden:

  • (1% tolerantie; metaalfilm 0,25 W)
  • R1,R2,R39,R40 = 100 Ω
  • R3...R6,R41...R44,R78,R79 = 100 k
  • R7...R12,R16,R17,R21...R24,R33,R34,R45...
  • R50,R54,R55,R59...R62,R71,R72 = 1 k
  • R13,R51 = 470 Ω
  • R14,R15,R52,R53 = 430 Ω
  • R18,R35,R36,R56,R73,R74 = 22 k
  • R19,R20,R57,R58 = 20 Ω
  • R25...R28,R63...R66 = 3k3
  • R29...R32,R67...R70 = 10 Ω
  • R37,R38,R75,R76 = 47 Ω
  • R77 = 120 Ω
  • P1,P2,P3,P4 = 1 k lineair, 10%, 1 W, stereo potentiometer (bijv. Vishay Spectrol keramisch type 14920F0GJSX13102KA of Vishay Spectrol geleidend plastic type 148DXG56S102SP, RS Components bestelnr. 484-9146).

 

Condensatoren:

  • C1,C2,C10...C14,C26,C27,C35...C39 = 100
  • p/630 V, 1%, polystyreen, axiaal
  • C3,C4,C28,C29 = 47 µ/35 V, 20%, bipolair, diam. 8 mm, steek 3,5 mm (bijv. Multicomp bestelnr. NP35V476M8X11.5)
  • C5,C6,C30,C31 = 470 p/630 V, 1%, polystyreen, axiaal
  • C7,C32 = 1µ/250 V, 5%, polypropyleen, steek 15 mm
  • C8,C9,C33,C34 = 100 n/250 V, 5%, polypropyleen, steek 10 mm
  • C15,C16,C40,C41 = 220 µ/35 V, 20%, bipolair, diam. 13 mm, steek 5 mm (bijv. Multicomp bestelnr. NP35V227M13X20)
  • C17...C25,C42...C50 = 100 n/100 V, 10%, polypropyleen, steek 7,5 mm
  • C51 = 470 n/100 V, 10%, polypropyleen, steek 7,5 mm
  • C52,C53 = 100 µ/25 V, 20%, diam. 6,3 mm, steek 2,5 mm

 

Halfgeleiders:

  • IC1,IC3,IC5...IC10,IC12,IC14...IC18 = NE5532 (bijv. ON Semiconductor type NE5532ANG)
  • IC2,IC4,IC11,IC13 = LM4562 (bijv. National Semiconductor type LM4562NA/NOPB)

 

Diversen:

  • K1...K4 = 4-pens pinheader, steek 2,54 mm, met bijpassende connectoren
  • K5,K6,K7 = 2-pens pinheader, steek 2,54 mm, met bijpassende connectoren
  • JP1 = 2-pens pinheader, steek 2,54 mm, met jumper
  • K8 = 3-polige printkroonsteen, steek 5 mm
  • RE1,RE2 = relais 12V/960Ω, schakelcontacten
  • 230 VAC/3 A, DPDT (bijv. TE Connectivity/Axicom type V23105-A5003-A201)
  • Print nr. 110650-1

Figuur 3. Componentenopstelling van de door het Elektor-lab ontworpen hoofdprint van The Preamp 2012. Kant-en-klare printen zijn verkrijgbaar bij Elektor.

 

EDITORS' CHOICE