Az itt látható kapcsolási rajzok egyszerűsített vázlatok a működés elméleti magyarázatára, nem biztos hogy ebben az állapotban a gyakorlatban is használhatóak.
• Impedanciaillesztés
Először nézzünk meg néhány alapfogalmat:
Termikus zaj és zajszám
Részletes wiki leírás: termikus zaj és zajszám
témakörben (sajnos jó magyar leírást nem találtam róluk). Matematikus-fizikus megközelítés, csak erős idegzetűeknek. :-)
A termikus zaj lényege, hogy minden elektromos ellenállás a hőmérskélet függvényében zajt termel. A hangtechnikában azért foglalkoznak ezzel ritkán, mert általában olyan
alacsony szinten van, hogy elhanyagolható. Nem így van ez pl. az MC fejerősítők esetében, a részletesebb számítások lejjebb láthatóak. Megjegyzendő, hogy transzformátor alkalmazása esetén is
számításba kell venni.
A termikus zaj számítható (lásd pl. itt). Hangfrekvenciás áramkörökben célszerű 15-20 kHz sávszélességre számolni.
Ebből kiderül, hogy pl. egy 40Ω belső ellenállású eszköz 20 °C hőmérsékleten kb 0.1 µV (mikrovolt) effektív zajfeszültséget termel. Az "eszköz" bármi lehet aminek ellenállása van (mikrofon, hangszedő, transzformátor, kábel, stb).
Ez a jel bekerül az erősítő bemenetére, és mivel a zaj a továbbiakban csak nőni tud, meghatározza az elérhető zajszint alsó határát.
Elméleti fizikai érdekesség, hogy minden ellenállás (értéktől függetlenül) szobahőmérsékleten, a hangfrekvenciás sávban számolva kb
2.6*10-16W zajteljesítményt ad. Ebből is kiszámolható a zaj feszültsége vagy árama.
A zajszám egy olyan tényező, ami megmutatja, hogy mennyit romlik a zaj két pont között - ez egyben azt is jelenti, hogy biztosan 0dB fölötti értéke kell legyen. Jelen esetben az erősítő bemenetére pl. a hangszedő jele kerül
(ahol a zajt a termikus zaj határozza meg), a kimenetén pedig az erősítő által hozzáadott zaj is megjelenik. A két jel/zaj viszony aránya a a zajszám. Nem szokás a hangtechnikában használni (annál inkább
a rádiótechnikában), mert pl. egy zenehallgatónak nem mond semmit. Annál inkább a fejlesztőnek: ebből látszik, hogy mennyire közelítettük meg az elméleti határokat, vagyis érdemes-e tovább tökéletesíteni.
Minél közelebb kerülünk ugyanis a mágikus 0dB határhoz, annál többe kerül a további fejlesztés - valahol abba kell hagyni.
A jel/zaj viszony
Ez már egy "zeneibb", kézzelfoghatóbb mérőszám. Megadja, hogy milyen dinamikai tartományt tudunk átvinni az adott csatornán: a maximális jelszint és a zaj aránya.
Ez az amit végül optimalizálni kell, az előző paraméterek csak a fejlesztés részleteit segíthetik.
A generátorimpedancia függvényében más és más kapcsolástechnikát célszerű alkalmazni ha optimalizálni szeretnénk. Az alábbi lista elemei között nem lehet éles határvonalat húzni, a választás sok szempont alapján történik.
Különlegesen nagy impedancia esetén biztosan a térvezérlésű eszközök (FET, elektroncső) adják a legkisebb zajt. Ez azért van, mert a bemeneti áramuk egészen kicsi (általában elhanyagolható), ezért sok nagyságrenddel kisebb
áramzajt produkálnak mint a bipoláris tranzisztorok. Tehát nagyobb feszültségzaj esetén is igen jó zajszámot érhetünk el magas impedanciák esetén.
Közepes impedancia felé haladva egyre inkább szóba jöhet a bipoláris tranzisztor, aminek a feszültségzaja kisebb lehet a térvezérlésű eszközökénél, de áramzajjal is kell számolnunk. Az impedancia csökkenésével az
áramzaj jelentősége csökken.
Alacsony impedancia esetén a bipoláris tranzisztorok kisebb zajt eredményezhetnek. Egészen alacsony impedanciára a
szilícium-germánium tranzisztorok (sajnos a cikk elég
szűkszavú és magyar fordítást nem találtam) adhatnak még jobb eredményt.
Nézzünk meg egy általános ábrát a zaj számításához:
Az ábrán jól látható, hogy a térvezérelt eszközök feszültségzaja nagy generátorimpedanciák esetén igen jó eredményt adhat (jól megközelíthető a 0dB elméleti határ), míg a bipoláris tranzisztorok áramzaja nagy impedanciák esetén
jelentősen rontja a helyzetet. Bipoláris tranzisztorok általában kis impedanciák esetén lényegesen jobb eredményt adhatnak. A gyakorlatban elég nagy átfedés van a kettő között.
Most nézzük meg a bipoláris tranzisztor zajmodelljét:
Bipoláris tranzisztor zajmodellje
Az ábrán látható jelölések magyarázata:
Rb': Belső bázis-hozzávezetési ellenállás Vnb: Az Rb' termikus zajfeszültsége Inb: A bázisáram zajkomponense Inc: A kollektoráram zajkomponense
Vg: Hasznos bemeneti feszültség Rg: Generátor belső ellenállása Vng: Generátor termikus zajfeszültsége (Rg miatt) C: Bemeneti csatolókondenzátor R2, R3: Visszacsatoló hálózat
Szaggatott vonallal jelölve a fenti trazisztormodell
Piros vonal: Inb útvonala (lásd a szövegben)
Megjegyzés: az egyenáramú munkapontbeállítás nincs feltüntetve.
Nézzük meg a lehetséges zajforrásokat:
1) Vng (generátor termikus zaja):
Mivel ezt a generátor (jelforrás) termeli, nincs mit tenni vele (lásd a termikus zaj leírását). Szeretnénk az erősítő zaját
olyan alacsony szinten tartani, hogy lehetőleg ez határozza meg a kimeneti zaj szintjét - legalábbis igyekszünk megközelíteni ezt a célt.
Példának itt egy kis számítás:
MC hangszedő (pl. Ortofon MC10):
Kimeneti feszültség: 0.1mV
Belső ellenállás: 3Ω
Ebből kiszámítható a saját termikus zaja (a képletet lásd itt)
Termikus zajfeszültség: 28nV (nanovolt, RMS)
A két feszültség hányadosából kiszámítható a jel/zaj viszony: 20log(0.1mV/28nV) = 71dB
Általános MM hangszedő:
Kimeneti feszültség: 5mV
Belső ellenállás: 450Ω
Termikus zajfeszültség: 341nV (nanovolt, RMS)
Saját jel/zaj viszony: 20log(5mV/341nV) = 83dB
Fontos, hogy ez a jelforrás saját zaja, tehát az erősítő (vagy transzformátor) kimenetén ennél csak rosszabb eredményt kaphatunk.
2) Vnb (tranzisztor termikus zaja):
Ezt a zajt a tranzisztor belső bázis-hozzávezetési ellenállása okozza. Mivel az ellenállás értékét ritkán adják meg, nehéz megfelelő típust keresni.
Általában, ha nincs megadva, akkor mondhatjuk, hogy MC előfokozatnak az a típus nem jó. Ha megtaláljuk a leírásban (rbb', vagy Bulk Resistance néven) akkor törekedjünk arra, hogy lehetőleg kisebb legyen, mint a generátor belső
ellenállása. (pl. MAT02 esetén ez 0.5Ω, ez biztosan jó.)
Néhány javaslat: 2SD786, 2SB737, MAT02, MAT12, MAT14, SSM2212.
Másik kiválasztási szempont lehet, hogy extrém magas határfrekvenciájú, kiszajú előerősítő tranzisztort keresünk - lehet hogy ilyent könnyebb
beszerezni, és biztosan olcsóbb is. Az első amit kipróbáltam, az a BFW16A
típus volt. Sajnos az adatlapja szűkszavú, de elsőre jó volt. Az áramerősítési tényezője elég alacsony, ezért inkább extrém kicsi impedanciákra jó (pl.
Ortofon MC10-hez). Mostanában próbálkoztam BFP193 és BFU768 típusokkal, ezek már egészen kiválóak. Persze, a nagy határfrekvencia átok is egyben: az
áramkört mikrohullámú szempontok szerint kell tervezni, hiába csak hangfrekvenciás.
A saját próbálkozásaim szerint a legjobbnak a MAT02 vagy az SSM2212 tűnnek: alacsony zaj, könnyű szerelhetőség (nincs mikrohullámú gerjedés), jó
hangminőség jellemzi.
Ha MM/MI előerősítőt készítünk, akkor ez a zajtípus általában nem kritikus.
3) Inc (tranzisztor kollektoráram zaja):
4) Inb (tranzisztor bázisáram zaja):
• Áramköri megoldások
Célszerűnek tartom úgy tervezni az áramköröket, hogy lehetőleg ne legyenek érzékenyek a kívülről (például másik tápegység felől, mobil telefonról, stb) érkező zavarokra.
Nézzük meg például egy általánosan használt megoldás egyszerűsített rajzát:
A rajzon pirossal bejelöltem a táp felől érkező zavaró jelek útját. Látható, hogy gyakorlatilag akadálytalanul átjut a jel a kimenetre - mivel a kollektorellenállás jóval kisebb szokott lenni a tranzisztor (ami lehet
FET vagy cső is) kimeneti impedanciájánál (Zo=1/h22e - az elméleti részleteket
lásd a h-paraméter modell leírásában).
Ennek ellenére ez a kapcsolás eléggé általánosan használt, talán az egyszerűsége miatt. A zaj kiküszöbölése érdekében általában a tápegységet optimalizálják (pl. telepes, akkus táplálást használnak), ami jó lehet, de
az áramkörön belül is megpróbálhatjuk kiküszöbölni a zajt.
Nézzük meg a következő rajzot:
Bal oldalon látható a lényeg: a kimeneti jelet nem a földhöz, hanem a táphoz képest vezetjük ki. Ezt nem szokás pont így alkalmazni, mert a kimenet általában nem köthető a tápra, de elméleti magyarázatra jó.
Jobb oldalon egy lehetséges alkalmazás egyszerűsített rajza látható, ötletadónak.
Ebben az esetben a táp felől érkező zavart Rc/(Rc+Zo) osztja le.
Mivel Zo jóval nagyobb szokott lenni mint Rc, ezért az osztási arány jelentős. Ritkán alkalmazott, mégis hatékony megoldás.
Megjegyzendő, hogy a bázis felé menő hasonló zavarral külön kell foglalkozni.
További lehetőség a szimmetrikus jelátvitel használata. A stúdiótechnikában ez régóta általános, több szempont szerint is célszerűnek látszik. Most nem az eszközök közötti jelátvitelről van szó (bár ott is jó módszer
- lásd lejjebb), hanem a belső működésről.
Nézzük ezt a rajzot:
A bemenet maradt aszimmetrikus (most nem azt optimalizáljuk), de a kimenetről szimmetrikus jelet veszünk le.
Ebben az esetben is érvényes az előbb említett Rc/(Rc+Zo) leosztás,
de ráadásul a két kollektor (ami persze lehet drain vagy anód is) közötti jelet vezetjük ki. Miért jobb ez? A kettő között jelentkező zavaró jel most csak a két osztási arány különbsége (ami a gyakorlatban a
Zo, illetve h22e különbségéből adódik), ami nyilván további jelentős zavarcsökkenést jelent. Feltételezzük persze,
hogy a következő fokozat közös módusú elnyomási tényezője (CMRR) elég jó.
Megjegyzendő még, hogy a fentebb említett, báziskör felől érkező zavaró jel útja itt megszűnt, ami további zajcsökkenést eredményezhet.
Az Analog Devices kínálatában található tranzisztorpárok kiválóan alkalmasak erre a feladatra.
Eddig a félvezetők és ellenállások által keltett zajjal foglalkoztam. A zaj eredhet kívülről is, ez következik most.
• Kiszajú tápegység
Az előzőekben említett kapcsolástechnikai megoldáskon kívül, mint triviális megoldás, a tápegység zajának csökkentése is célszerű. Itt nem említek kapcsolásokat, erre van létező megoldás elegendő.
Meglévő erősítők feljavítására is alkalmas lehet, ha nem akarunk belenyúlni. Persze a legjobb eredményt akkor érjük el, ha az összes megoldást kombináljuk.
• Árnyékolás
Külső, kapacitív vagy induktív zavarok csökkentésére egy lehetséges módszer az árnyékolás.
Kapacitív eredetű zavarok ellen egy vékony földelt vezető réteg (pl. rézfólia) tökéletesen megfelel. Főleg nagyimpedanciás pontok védelmére szolgál, ugyanis az impedancia növekedésével a kapacitív csatolású zavarok jelentősége nő.
Induktív eredetű zavarokat nehezbb árnyékolni. Nagy frekvenciákon itt is jó lehet a rézfólia, de a frekvencia csökkenésével a vastagságát növelni kell. A hangfrekvenciás tartományban inkább mágneses árnyékolást célszerű alkalmazni,
valamilyen jó mágneses vezetőből (pl. permalloy). Kis jelszinteknél célszerű ezen kívül a vezetékhurkok méreteit minimalizálni, valamint az induktivitások méretezésére odafigyelni (vagy inkább nem használni őket).
• Földhurok
A Földhurok (sajnos jó magyar leírást megint nem találtam) egy gyakori és bosszantó probléma a hangátvitelben.
Általában 50 illetve 60 Hz brummot produkál, az okok részletei az említett linken megtalálhatók.
Nem akartam itt megismételni a fenti linken már tárgyalt eseteket, de elég furcsa dolgokat találtam a lehetséges megoldások részleteit illetően, amiről inkább leírom a véleményemet. Ehhez hasonlóakat
máshol is látni, remélem hasznos lehet amit itt említek.
Tehát a következő javaslatokat láttam a neten:
A földhurok megszakítása #1: vágjuk el az árnyékolást (hibás megoldás)
Földhurok megszüntetése az árnyékolás elvágásával
Egyszerű és olcsó megoldás, ha elvágjuk az árnyékolást az ábrán látható módon. Ezzel a földhurok tényleg megszűnik, de hát a mi problémánk nem a földhurok létezése, hanem a zaj megjelenése.
Márpedig ezzel a zajt maximális mértékűre emeltük, mivel a hurokban generált zajfeszültség teljes egészében a megszakítási ponton jelentkezik, ami pedig a mi hasznos jelünkhöz adódik hozzá.
Tehát csak annyit értünk el, hogy a hurokban nem folyik áram.
A földhurok megszakítása #2: tegyünk soros ellenállást a földvezetékbe (hibás megoldás)
Földhurok megszüntetése soros ellenállással
Nagyon hasonlít az előző megoldáshoz (lásd ott), az ellenállás (mivel jóval nagyobb a hurok teljes ellenállásánál) nem csökkenti a zajt jelentősen, tehát magas zajszintre számíthatunk itt is.
Cut the ground line #3: vágjuk el a földelést (életveszélyes megoldás)
Földhurok megszüntetése a földvezeték elvágásával
Ennek a "megoldásnak" az életveszélyes jellegét a neten is mindenfelé megemlítik, de mégis elterjedt, mert ez tényleg képes a zajt csökkenteni (ellentétben az előző két esettel). Csakhogy nem mindegy
hogy milyen áron - olcsó, de veszélyes megoldás. Ráadásul, nagyobb frekvenciákon (pl. kapcsolóüzemű tápegységek kapacitív zavarai ellen) ez sem hatásos, sőt, akár ronthat is a helyzeten, mert az ilyen
tápegységek éppen a földvezetéken szokták söntölni a zavarokat.
Szóval, ez a megoldás a leginkább ellenjavallt az összes közül.
Szeretném ismét kihangsúlyozni, hogy ezek a megoldások, amik a földvezeték vagy az árnyékolás bármiféle megszakításával járnak, elvileg is hibásak.
Lássuk a tényleg működő megoldásokat:
Plusz földvezeték alkalmazása
Using additional ground wire
Plusz földvezeték párhuzamosan a meglévő kábellel (az árnyékoló vezetékkel). Ez a megoldás csökkenti a földvezeték ellenállását,
ezzel csökkentve a két oldal közötti zajfeszültséget is. Ez sem mondható tökéletes megoldásnak, mert csak csökkenteni tudja
a zajt, megszüntetni nem.
A transzformátor igazán jó megoldás a földhurok és az általa okozott zaj megszüntetésére.
Annyiban mégis meggondolandó, hogy nem olcsó megoldás, és a trafó méretezése sem egyértelmű - különös
tekintettel arra, hogy a ki- és bemeneteket nem mindig úgy tervezik, hogy képesek legyenek trafót
meghajtani illetve fogadni. Szóval, ha beillesztünk egy ilyen trafót, még problémánk lehet a
frekvenciamenettel és/vagy a torzítással.
Szerintem (is) a szimmetrikus jelátvitel (a magyar verzió eléggé hiányos) a legjobb megoldás földhurok ellen. A stúdiótechnikában általánosan használják. A lényeg egyszerű: itt a földvezeték nem
része a jelátvitelnek, tehát zavar sem jöhet be rajta keresztül. Ráadásul a csatlakozók garantálják hogy először a földvezeték érintkezik, a jelvezetékek csak utána, így
nem kell aggódnom hogy esetleg kiesik a hangszóróm membránja ha menet közben bedugok egy kábelt.
Ezért használom szívesen az általam készített eszközökön: egyszerűbb, jobb, és olcsóbb is mint utólag bíbelődni mindenféle félmegoldással.
Az igazán profi megoldás kombinálja ezt egy transzformátoros leválasztással, így a két oldal földfüggetlen is lesz, ami a legjobb zavarvédettséget adja. Persze a trafó
méretezése és elkészítése itt sem egyszerű feladat.
• Rádiófrekvenciás zavarok elhárítása
Az elektronikus berendezések, mivel tartalmaznak nemlineáris elemeket, képesek a rádiófrekvenciás jeleket demodulálni. Ez különbözőképpen bár,
de igaz a bipoláris, FET, illetve csöves készülékekre is.
Sajnos megint csak angol nyelvű leírást találtam, de ez
legalább elég részletes.
Valamilyen műsorsugárzás (főleg a helyi adók), de CB rádió, vagy bármilyen eszköz ami rádiófrekvenciás jeleket ad ki, zavarhatja a
hangrendszerünket. Időnként olyan eszközök is tehetnek ilyent, amiről először nem is gondolnánk: pl. szénkefés villanymotorok (kávédaráló), stb.
Az is előfordulhat, hogy valamilyen egzotikus rádióadás jelentkezik be, de ez már elég szerencsétlen eset (pl. gerjedés az adó frekvenciáján).
Manapság a leggyakoribb ilyen zajforrás a mobiltelefon, mert elég nagy teljesítményre képes (kb 2W, impulzusüzemben), és ráadásul közel is kerülhet
a kényes eszközökhöz. Ezért tartom fontosnak, hogy már az elektronika tervezésénél gondoljunk ennek a megelőzésére - erre mutatnék lentebb néhány példát.
A jobb oldali hangminta egy mobiltelefon zavaró jele, ami a lemezjátszóm hangkarjától 2cm távolságra van. Egy pincében lett rögzítve, ami azért lényeges,
mert kicsi a térerő, és ezért a telefon teljes gőzzel ad (tehát kb 2W). A jelszint +40dB erősítést kapott, hogy jól hallható legyen, emiatt az előerősítő
zaja is hallható (összehasonlítási alapnak jó). Köszönhetően a zajmegelőzésnek, kb 30cm távolság felett a telefon által okozott zaj elvész az előerősítő
zajában (ami itt -73dB szinten van).
Mobiltelefon által okozott zaj
Triviális megoldás a bemenetre kerülő nemkívánatos nagyfrekvenciás jelek kiszűrése. Szerencsére, mivel jól kilógnak a hangfrekvenciás
sávból, ez általában egyszerű szűrővel lehetséges.
Nézzük meg a védekezés lehetőségeit:
Szűrés aszimmetrikus jelátvitel esetén
Aszimmetrikus bemenet szűrése
Aszimmetrikus bemenet esetén együtt érkezik a hasznos és a zavaró jel, ezért frekvencia alapján, aluláteresztő szűrővel
lehet őket szétválasztani. A bemeneti impedancia követelményei határt szabnak: itt például egy MM bemeneti fokozat
látható, amihez 47kΩ az előírás. Ehhez adódik egy optimális párhuzamos kapacitás (aminek a méretezése egy külön
oldalon található) és a soros ellenállás megengedett értéke. Ez nagyjából behatárolja a lehetőségeket, persze lehetne
itt is LRC szűrőt alkalmazni a továbbfejlesztéshez. Ez a megoldás kb. 4MHz törésponti frekvenciát ad, ami például a
mobiltelefonok zavarszűréséhez (900MHz vagy fölötte) elegendő lehet.
Szűrés szimmetrikus jelátvitel esetén
Szimmetrikus bemenet szűrése
Szimmetrikus jelátvitel alkalmazása itt is sokat segíthet. Főleg azért, mert a hasznos jel differenciális módban érkezik, a
nemkívánatos zavaró jelek nagy része pedig közös módban. Ez lehetőséget ad nem csak szűrésre (mint aszimmetrikus módban,
lásd fentebb), hanem technológiailag szétválasztani őket. Az ábrán látható, bifilárisan tekercselt induktivitás
(ami tulajdonképpen egy transzformátor), közös módban akár százszor nagyobb induktivitást képviselhet mint
differenciálisan. Ez jóval hatékonyabb (és/vagy egyszerűbb) szűrést tesz lehetővé, mert pont a zaj útjában nagyobb
az impedancia, ráadásul a következő fokozat is a differenciális jelre érzékenyebb.
Tehát a zaj szempontjából ez a megoldás mindenképpen előnyös.
Nagyfrekvenciás félvezetők alkalmazása
Nagyfrekvenciás félvezetők alkalmazása általában kerülendő (gerjedési lehetőségek miatt), és semmiképpen nem a zavarelhárítás miatt
alkalmazzuk őket. Egyéb okokból (ami az MC fejerősítő leírásában reészletezett) szükségessé válhat az alkalmazásuk, és itt
igyekszem leírni az általuk vett vagy okozott zavarok elhárításának lehetőségeit.
