Kapitola 9: Návrh vstupního zesilovače Vstupní zesilovač musí zpracovat celý dynamický rozsah mikrofonu s přijatelným zkreslením a nízkým ekvivalentním šumovým odporem. To s sebou nese určité specifické problémy. Hodnota vlastního šumu dobře navrženého mikrofonu se pohybuje v rozsahu od 12 do 25 db. Hodnoty nejvyšších tlaků, snímaných mikrofonem, se pohybují kolem 120 db a hodnoty běžně dosahované při snímání např. řeči jsou 75 db. Předpokládejme, že by normální zesilovač dodával výstupní linkové napětí 200 mv při tlaku 75 db. Při tlaku 120 db bude však jeho výstupní napětí 36 V. Takové napětí však nezpracuje žádný kodek.většinou se problém řeší volbou útlumu před zesilovačem, případně snížením zisku zesilovače. Takové řešení však není optimální z hlediska odstupu signálu od šumu. Dnes, kdy se běžně zpracovávají akustické informace v rozlišeních 32 bitů, to je dokonce mrhání kapacitou následných zařízení. Problémy jsou i při následném zpracování neoptimálně nahraného signálu. Nadbytečný šum ztěžuje kompresi signálu v tzv. bezšumových kodecích (AAC, ogg), neboť způsobuje artefakty vnímané jako granulační šum. Příkladem klasického mikrofonního zesilovače této koncepce, který má současně zajímavě vyřešeno tlumení mikrofonního transformátoru, je vstupní jednotka V476 firmy Georg Neumann. Vidíme, že zesilovač dovoluje měnit zisk v rozsahu 0-70 db. Takovýto zesilovač využívá vstupní transformátor, jenž má dvě funkce: Vytváří symetrický vstup a napěťový zisk. Pokud bychom se chtěli vstupního transformátoru zbavit, můžeme. Musíme však ztrátu jeho zisku kompenzovat nižším vstupním šumovým odporem následujícího zesilovače a současně použít symetrické zapojení, které není šumově výhodné. Abychom mohli snížit vstupní šumový odpor, musíme zvýšit proud tekoucí prvním stupněm.
Pozoruhodný příklad dvoustupňového beztransformátorového vstupního zesilovače /14/ je na dalším obrázku (Na obrázku je tisková chyba. Z R3 má vycházet další vodič symetrického vstupu.) Topologie tohoto zesilovače umožňuje, aby první stupeň pracoval s poměrně vysokým proudem. Druhý stupeň, pracující jako rozkmitový stupeň se společnou bází, bude potom zpracovávat jen úsek proudu prvního stupně. Protože není možné zkonstruovat klasickou technikou druhý stupeň zesilovače s dynamickým rozsahem stupně prvního, je důležitá technika, kterou by bylo možně vliv druhého stupně na omezení dynamiky celého zesilovače obejít. Tato technika se nazývá Gain-Staging. V poněkud vyspělejší podobě ji využila firma Neumann pro konstrukci kondenzátorového mikrofonu s vestavěným A/D převodníkem/13/ :
Firma Neumann uvažovala o použití kondenzátorového mikrofonu. Šlo tedy o zesilovač napětí, u kterého není vstupní napěťový šum dominantním návrhovým parametrem. U páskového mikrofonu je však konstrukce prvního stupně dána jeho šumovými vlastnostmi, které musí být (pokud je to možné) pod úrovní šumu vstupního transformátoru. Proto byl zvolen jednoduchý stupeň s tranzistorem JFET, který pracuje při nasyceném proudu drainu. Tento jednostupňový předzesilovač je umístěn bezprostředně v mikrofonu a chová se jako proudový zdroj. Následující zesilovač proto musí být transrezistanční. Celkové schéma zesilovače CA2a uvádím na obrázku na následující straně. Při konstrukci zesilovače byly důsledně využívány OTA-C integrátory na pozici DC serv. Jejich výhodnou vlastností je, že nezasahují svým šumem do signálové cesty. První stupeň je napájen pomocí tlumivky. To umožňuje použít nízké napájecí napětí. Pokud bychom chtěli tlumivku nahradit rezistorem tak, aby šumový proud, který tento rezistor do obvodu vnese, byl srovnatelný se šumovým proudem dalších obvodových prvků, musela by být jeho hodnota alespoň 10 kiloohmů. Při proudu drainu 10 ma (nutného pro nízký vstupní šumový odpor) by napájecí napětí muselo dosahovat minimálně 100 V. Tlumivka o indukčnosti 10 H má impedanci 10 kiloohmů na kmitočtu 160 Hz. Pod tímto kmitočtem bude šum zapojení sice stoupat se směrnicí 6 db/oct, avšak to je pro akustické použití přijatelně díky menší citlivosti sluchu na těchto kmitočtech. Napájení prvního stupně je dále vyhlazeno pomocí virtuální baterie. Ta je vytvořena jako sériový stabilizátor se zpětnou vazbou pomocí dalšího OTA-C integrátoru. Aby vlastnosti referenčního zdroje nezhoršovaly parametry vyhlazovacího obvodu, bylo použito pro referenci nelineárního můstku utvořeného z LED diod * a rezistorů. Ziskový stupeň je zapojen jako transrezistanční zesilovač s operačním zesilovačem NE5534. Pro vytvoření stejnosměrné složky výstupního napětí je zde použito DC servo s transkonduktančním zesilovačem CA3080. Cesta signálu za transrezistančním zesilovačem se rozdvojuje. Pro nízké úrovně je použit další sledovač s OTA-C DC servem, vysoké úrovně zpracovává dvojice proudových zrcadel, která pracuje ve třídě B. Následuje převodník proudu na napětí (rezistor) a oddělovací obvod v podobě sledovače. Navrhovaný zesilovač byl nazván CA2a. Byl zhotoven ve dvou exemplářích na deskách s plošnými spoji v rámci výuky předmětu KEO na katedře elektrotechnologie ČVUT v Praze. Jeho starší prototyp (CA2) byl použit pro veškerá šumová měření. Od zde popsané modifikace se liší nepoužitím DC serva ve výstupním zesilovači a jednodušší konstrukcí virtuální baterie. Současně byl navrhnut zesilovač (CA3), který nepoužívá v signálové cestě žádný operační zesilovač. Protože klíčová součástka (transkonduktanční zesilovač OPA660) byla výrobcem zaslána jako vzorek v SMD pouzdru, byla navržena deska s plošnými spoji bez jakýchkoliv ověřovacích zapojení, a to opět v předmětu katedry elektrotechnologie (KRP). Protože funkčnost CA3 nebyla ještě prakticky ověřena, neuvádím podklady pro tento zesilovač do diplomové práce. *) LED dioda má oproti normální diodě menší šum. Je to dáno technologickou náročností a tím i vyšší čistotou výroby.