Чипы для аналоговой музыкальной техники: часть 1

OpAmpВозможно, для кого-то это будет открытием, но далеко не все микросхемы — цифровые. Да и приборы, которые внешне содержат пару чипов и совсем немного дискретных компонентов, могут быть истинно аналоговыми и звучать тепло и винтажно. На дискретных компонентах слишком сложно, а подчас и дорого делать сложные схемы: резонансные фильтры, прецизионные управляемые усилители и тому подобное, поэтому в любой схеме, претендующей на стабильность, эффективно использовать интегральные схемы. В этой статье описывается базовый набор микросхем, с которыми стоит ознакомиться любому, кто занимается разработкой или доработкой схемотехники для аудио, обработки и синтезаторов.

В первой части охватывается самая популярная и распространённая категория: аналоговые микросхемы: транзисторные сборки, операционные усилители и усилители проводимости.

Транзисторные сборки

Сборки отличаются от набора дискретных транзисторов тем, что транзисторы внутри одной и той же сборки идентичны по коэффициенту передачи тока и другим характеристикам, а также температурно связаны. Подобные микросхемы часто используются в качестве подобранных пар транзисторов для построения дифференциальных усилителей, токовых зеркал, экспоненциальных конвертеров  и других узлов, требующих согласованной работы двух или более транзисторов.

CA3046, CA3096 — классические транзисторные сборки, разработанные RCA, и позже перешедшие к Harris, а ещё позже к Intersil. CA3046 (DIP14) состоит из 5 npn-транзисторов, два из которых имеют общий эмиттер, а CA3096 (DIP16) состоит из 3-х npn-транзисторов и 2-х pnp-транзисторов. Эти сборки используются в VCO фирм Arp, Doepfer, а также используются в фильтрах и VCA Moog и их клонах. С 2013 года классический LP-фильтр Doepfer A-120 (Moog Ladder FIlter) производится с использованием сборок.

SSM2210 — подобранная пара транзисторов в корпусе DIP8. рекомендуется Рэем Уилсоном в его реализации VCO, но может заменяться подобранной парой обычных транзисторов 2n3904. Близкими аналогами являются LM194 и LM394.

6N137 отнесён к той же категории скорей из удобства. Это более хитрое устройство — скоростная оптопара в компактном корпусе DIP8. Чип состоит из инфракрасного светодиода и логического ключа, на базу одного из транзисторов которого диод излучает свет. Это позволяет прибору принимать цифровой сигнал в виде изменений силы тока и, не допуская утечки, передавать его дальше. Такой функционал отдалённо напоминает трансформатор, но оптопара способна работать с постоянным током (например, длительной последовательностью логических единиц), а эта конкретная модель обладает достаточно высокой скоростью переключения состояния для приёма сигнала на частоте 10 МГц. Благодаря этим свойствам, компонент используется в MIDI-входах в качестве ресивера сигнала. Скорость передачи MIDI-сигнала намного ниже (31 кбит), но обычные оптопары, основанные на паре «Диод-транзистор», слишком медлительны даже для такого потока.

Операционные усилители

Операционные усилители используются в аналоговой технике наиболее часто. Все описанные ниже модели (кроме LM386) являются современными вариациями классического операционного усилителя µA741. Операционные усилители широко используются для преобразований аналоговых сигналов, поскольку с высокой точностью могут выполнять простые арифметические операции с поступающим напряжением. Краткое объяснение: если представить сигнал в конкретный момент времени как некое напряжение i, то ОУ делает верным выражение [v]>[o=ki+a], где v — напряжение питания ОУ, o — напряжение на выходе, k — коэффициент усиления заданный внешними компонентами, а a — напряжение смещения, которое опять-таки, задано внешними компонентами. Происходит это следующим образом. ОУ стремится подать на свой выход максимально усиленную разность потенциалов на его входах. Для задания коэффициента усиления используется отрицательная обратная связь: некая часть выходного сигнала отправляется на инвертирующий вход, а ОУ стремится к такому состоянию, при котором разность потенциалов на его входах оказывается равной нулю. В цепи обратной связи может находиться фильтрующая цепочка, и тогда ОУ образует активный фильтр.

TL071 — классический одиночный операционный усилитель с полевым входом, у которого можно тонко отрегулировать напряжение смещения. TL072 и TL074 — его сдвоенная и счетверённая версии, в которых выводы Offset Null отсутствуют. У этих трёх микросхем есть близкие аналоги: версии с более высокой скоростью реакции TL08x и версии с низким энергопотреблением TL06x. Усилители разнятся по своим параметром, но наиболее подходящим для аудио-задач вариантом можно назвать TL07x

NE5532 — Распространённый в профессиональном аудио малошумный ОУ с биполярным входом. Благодаря достаточно высокому допустимому выходному току, позволяет использовать весьма низкие сопротивления в обратной связи, что положительно сказывается на шумности образуемого усилителя при весьма низкой стоимости компонента. Этот ОУ рекомендуется Дугласом Сэлфом в книге «Small Signal Audio Design».

LM324 — счетверённый ОУ с биполярным входом. Рассчитан на работу с однополярным питанием. Устаревший дизайн, к использованию не рекомендуется.

JRC4558 — старая модель сдвоенного ОУ, обладающая пониженным энергопотреблением и очень своеобразным характером звучания при насыщении, благодаря чему она является популярным компонентом гитарных перегрузов, например Ibanez Tube Screamer. В требующих точности приложениях к использованию не рекомендуется. Существуют и другие «классические» операционные усилители, использование которых в аудио-тракте может ухудшить абсолютные характеристики, но может добавить некой «винтажности» в звучание. Пример: LM358, частенько используемый в блоках питания или LM1458.

Существуют прецизионные ОУ, некоторые характеристики которых улучшены по сравнению с типовыми моделями. В некоторых случаях их применение может существенно повысить качество конечного продукта. Как популярные, можно выделить: OP275, OP470, LME49740, OPA4228, OPA2604 (а также их версии с другим количеством усилителей). Как правило, малошумные ОУ имеют меньшую скорость реакции и повышенное энергопотребление. Также некоторые ОУ требовательны к сопротивлениям входа и нагрузки, максимальному входному напряжению и другим параметрам.

LM386 — Аудио-усилитель, который по включению напоминает одиночный ОУ, но не требует обязательного использования обратной связи. Отличается предустановленным фиксированным коэффициентом усиления (20) и особым выходом, которым можно напрямую нагружать маломощные потребители: сервомоторы, наушники, маленькие громкоговорители, светодиоды и т.п. Предусмотрены выводы для изменения коэффициента усиления. Компонент встречается в составе гитарных перегрузов, но обычно он широко используется в усилителях для наушников и компьютерных акустических системах.

LM311 и LM339 — особый вид операционных усилителей: компараторы. Они работают следующим образом. Если vi+>vi+h, то vo=v₊, а если vi+<vih иначе vo=v₋. Иными словами, это аналоговый логический прибор, который сравнивает напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах и, в зависимости от результата, выдают напряжение положительного или отрицательного питания на выходе. Ситуацию равенства этих входов обычно исключают с помощью обратной связи: петли гистерезиса h. По такой схеме может работать любой ОУ, но компараторы отличаются повышенным быстродействием и могут работать при любых входных напряжениях, поэтому рекомендуются для подобных приложений.

Другие аналоговые усилители

MC1496 — это особый прибор: балансный (кольцевой) модулятор. Также известен как 4-х квадрантный умножитель. (2-х квадрантным является VCA) Работает следующим образом: На выходе образуется сигнал, который состоит из частот, являющихся суммами и разностями всех возможных пар частот, представленных на входах X и Y. Обычно микросхема применяется как компактный широкополосный аналог классической пассивной схемы на двух трансформаторах и 4-х диодах. В музыке применяется исключительно как кольцевой модулятор.

LF398 — устройство выборки-хранения (Sample&Hold). Включает в себя эквивалент двух буферов и полевого транзистора, которые в зависимости от наличия на транзисторе тока, пропускают входной сигнал на выход, либо удерживают его последнее значение во внешнем конденсаторе.

CA3080 относится к типу усилителей, которые крайне скудно описаны в России: операционный усилитель проводимости. (Operational Transconductance Amplifier) Он отличается от традиционного операционного усилителя тем, что преобразует напряжение в ток, а коэффициент усиления может управляться током с помощью специального входа. Самое популярное применение CA3080 — управляемый током «резистор», на базе которого могут быть сделаны управляемые усилители, фильтры и даже осцилляторы. Сейчас этот компонент не производится, но в продаже всё ещё можно найти весьма большие объёмы производства RCA, Harris и Intersil. Этой микросхеме посвящена целая книга Томаса Генри «Making Music With The 3080 OTA».

LM13700 — Сдвоенная, более современная модель OTA, обладающая рядом улучшений, в т.ч. буферами на выходах, избавляющими от необходимости всегда размещать после выхода ОУ в качестве преобразователя ток-напряжение. В книге «Analog Synthesizer For The 21st Century» приведена схема, в которой LM13700 используется как управляемое сопротивление в составе VCO.

В следующей части речь пойдёт о логических компонентах: микросхемах CMOS.

Добавить комментарий