Amplificatore operazionale BK151

Op-amp con stadio d’ingresso a componenti discreti a bassissimo rumore per applicazioni audio

Il BK151 è un amplificatore operazionale singolo progettato specificatamente per fornire le migliori prestazioni nei circuiti audio a basso rumore ed elevato guadagno come i preamplificatori phono per testine magnetiche. Impiegando uno stadio d’ingresso a componenti discreti ed uno stadio d’uscita basato su un op-amp integrato, è stato possibile unire i vantaggi di entrambe le tecnologie, ottenendo una circuitazione estremamente veloce, a bassissima distorsione e caratterizzata da un rumore d’ingresso eccezionalmente basso.

L’amplificatore operazionale BK151 usato nello stadio d’ingresso del T-Phonum MKII configurato per l’uso in modalità MC.

Impiegando transistori selezionati tra quelli a minor rumore disponibili in commercio, è stato possibile ottenere un rumore d’ingresso di soli 0,5 nV/√Hz con una bassissima frequenza d’angolo di rumore 1/f, permettendo di ottenere prestazioni sensibilmente superiori a quelle degli op-amp integrati a bassissimo rumore per uso audio.

Rumore all’uscita dell’op-amp LT1028 (1) e BK151 (2). (Condizioni: Av = 1000; Rf = 1 Ω; Bw 1,6 kHz.)

Il circuito presenta la stessa disposizione dei terminali dei comuni op-amp singoli in formato DIP a 8 pin.

Progetto

Il circuito è costituito da uno stadio d’ingresso differenziale realizzato con dei transistori bipolari selezionati tra quelli a più basso rumore attualmente disponibili in commercio. La coppia differenziale è polarizzata da una sorgente di corrente costante a basso rumore. L’elevata corrente di polarizzazione, unitamente alla tipologia di transistore impiegata, permettono di ottenere un rumore d’ingresso eccezionalmente basso.

Schema a blocchi del BK151. Lo stadio d’ingresso a componenti discreti produce un segnale differenziale che pilota l’op-amp integrato d’uscita.

La coppia differenziale è caricata da uno specchio di corrente progettato per fornire una bassa corrente di rumore, che permette di migliorare la reiezione dei disturbi di modo comune, inclusi quelli provenienti dall’alimentazione.

Lo stadio d’ingresso produce una coppia di segnali differenziali che pilotano l’op-amp d’uscita. Questo permette di ottenere una circuitazione estremamente veloce e caratterizzata da una bassisima distorsione.

Costruzione

L’intero circuito è stato realizzato su una scheda delle dimensioni di 22 mm per 17 mm. Il circuito stampato è stato prodotto mediante un procedimento fotolitografico ad alta risoluzione che permette di rappresentare dettagli dell’ordine dei 100 µm.

Per ottenere le migliori prestazioni, la scheda del BK151 comprende sia componenti a foro passante che a montaggio superficiale.

Il circuito impiega sia componenti a foro passante che a montaggio superficiale. Questo ha reso la procedura di assemblaggio notevolmente complicata, ma ha permesso l’impiego di componenti di elevata qualità ed una notevole riduzione delle lunghezze delle connessioni, migliorando le prestazioni generali del circuito.

La disposizione dei terminali è la stessa impiegata nei comuni op-amp integrati. Questo ne permette l’inserimento negli stessi zoccoli usati per gli op-amp singoli in formato DIP da 8 pin.

Disposizione dei terminali.

Il terminale 1 è indicato dalla presenza di una tacca stampata nel lato superiore e si trova in prossimità del logo.

Disegni meccanici (tutte le misure sono espresse in millimetri).

Note applicative

Il BK151 è stato progettato per applicazioni a basso rumore, elevato guadagno e con sorgenti a bassa impedenza, che sono i principali requisiti dei preamplificatori phono a basso rumore per testine magnetiche.

L’elevata impedenza d’uscita delle testine a magnete mobile costituisce la principale limitazione del rapporto segnale/rumore del sistema. Tuttavia, grazie alla loro elevata tensione d’uscita, queste testine permettono comunque di ottenere un rapporto segnale/rumore sostanzialmente elevato.

Al contrario, le testine a bobina mobile che sono caratterizzate da una resistenza interna notevolmente inferiore, risultano intrinsecamente molto meno rumorose. D’altro canto, il loro segnale d’uscita è considerevolmente basso, e questo ne rende complicata l’amplificazione. In questo caso, l’uso di uno stadio d’ingresso a bassissimo rumore permette di migliorare enormemente il rapporto segnale/rumore del sistema.

L’uso di una configurazione circuitale veloce permette inoltre di ottenere una risposta in frequenza estesa anche ad elevati guadagni ed una bassa distorsione in tutta la banda audio.

Note sulla stabilità

La compensazione in frequenza del circuito, necessaria a garantirne la stabilità, ha richiesto numerosi calcoli, simulazioni e misure che tengono conto degli specifici componenti impiegati. La rete di compensazione è stata progettata per fornire le migliori prestazioni nei circuiti ad elevato guadagno.

Per prevenire oscillazioni, quindi, è necessario che il circuito d’impiego abbia un guadagno superiore a 20 dB, ovvero un’amplificazione in tensione superiore a ±10. Pertanto, il circuito non può essere configurato come inseguitore di tensione.

Note sull’offset

Per via del suo progetto a basso rumore, la coppia differenziale d’ingresso presenta una corrente di polarizzazione d’ingresso di circa 10 µA. Se gli ingressi dell’op-amp vengono lasciati disconnessi (o connessi ad un’elevata resistenza), questo determina, con ogni probabilità, la comparsa di una notevole tensione di offset all’uscita.

Per il corretto funzionamento, quindi, è importante che sia la sorgente che la rete di retroazione siano a bassa impedenza o, quantomeno, abbiano impedenze sostanzialmente simili tra loro. Questo si verifica normalmente nei preamplificatori RIAA a basso rumore e con le normali testine magnetiche caratterizzate da una bassa resistenza interna.

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Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

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