BK251

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Amplificatore operazionale audio ad alte prestazioni con stadio d’ingresso a componenti discreti a bassissimo rumore

L’amplificatore operazionale BK251 è un modulo con ingresso a componenti discreti, progettato specificamente per sostituire i comuni op-amp singoli integrati ed offrire le migliori prestazioni nei circuiti a basso rumore ed elevato guadagno come i preamplificatori phono per testine a bobina mobile (MC).

La combinazione di uno stadio d’ingresso a componenti discreti ed uno stadio d’uscita basato su un op-amp integrato ha permesso di unire i vantaggi di entrambe le tecnologie, ottenendo una circuitazione con elevatissime prestazioni dinamiche ed un rumore d’ingresso eccezionalmente basso, inferiore a quello di qualsiasi op-amp comunemente impiegato in ambito audio.

Il rumore d’uscita del modulo BK251 (blu) è significativamente inferiore rispetto a quello dell’op-amp LT1028 (giallo), uno degli op-amp a più basso rumore attualmente disponibili in commercio. (Condizioni: Av = 1000; Rf = 1 Ω; Bw ≈ 1,6 kHz.)

Usando transistori selezionati con prestazioni di rumore allo stato dell’arte, il modulo BK251 presenta una tensione di rumore d’ingresso di soli 0,5 nV/√Hz, con una frequenza d’angolo di rumore 1/f significativamente bassa. Inoltre, la particolare configurazione impiegata consente di ottenere una circuitazione estremamente veloce, caratterizzata da una bassissima distorsione e con ottime capacità di pilotaggio del carico.

Il modulo BK251 è stato disegnato per essere compatibile pin-to-pin coi comuni operazionali singoli in formato DIP-8 per applicazioni audio, ed è stato ottimizzato per una tensione d’alimentazione di ±15 V (può essere comunque usato con tensioni comprese tra ±12 V e ±18 V).

Progetto

Lo stadio d’ingresso dell’op-amp BK251 è costituito da una coppia differenziale polarizzata da un generatore di corrente costante, entrambi realizzati usando dei transistori bipolari con prestazioni di rumore allo stato dell’arte.

Schema semplificato dell’amplificatore operazionale BK251: uno stadio differenziale a componenti discreti a bassissimo rumore pilota un op-amp integrato ad alte prestazioni.

Lo stadio d’ingresso produce una coppia di segnali differenziali che pilotano l’op-amp d’uscita. Questa configurazione, estremamente veloce, garantisce la bassissima distorsione e le elevate capacità di pilotaggio del carico richieste nei preamplificatori audio a basso rumore che usano tipicamente reti di retroazione a bassa impedenza.

L’amplificatore operazionale BK251 include inoltre una particolare rete di compensazione in frequenza studiata per garantire la stabilità del circuito senza comprometterne le prestazioni, ed un circuito dedicato all’annullamento della corrente di polarizzazione d’ingresso (opzionale) utile alla riduzione dell’offset.

Costruzione

Il modulo BK251 è realizzato su un circuito stampato a doppia faccia delle dimensioni di 22 mm × 17 mm prodotto mediante un procedimento fotolitografico ad alta risoluzione che permette di rappresentare dettagli dell’ordine dei 50 µm.

Disegni meccanici dell’op-amp BK251. Tutte le misure sono espresse in millimetri.

Impiegando una combinazione di componenti a foro passante e a montaggio superficiale di elevatissima qualità, montati su entrambe le facce del circuito stampato, è stato possibile ridurre drasticamente la lunghezza delle connessioni, a vantaggio delle prestazioni del circuito.

Disposizione dei terminali del modulo BK251. Si notino la presenza di una tacca stampata dal lato del terminale 1, e dalla presenza del logo sul lato opposto.

La disposizione dei terminali è la stessa impiegata nei comuni op-amp integrati singoli. Questo ne permette l’inserimento negli stessi zoccoli usati per gli op-amp integrati in formato DIP da 8 pin. Una tacca ed un punto, stampati sul lato del terminale 1, indicano il verso di inserimento dell’op-amp.

Attenzione: come qualsiasi op-amp integrato, anche questo modulo deve essere inserito correttamente nello zoccolo; errori nell’inserimento possono causare danni al modulo e ai dispositivi ad esso collegati, pertanto si raccomanda di prestare la massima attenzione durante l’inserimeto del modulo. In nessun caso l’autore si assume la responsabilità di danni, diretti o indiretti, derivanti dall’uso di questo modulo.

Note applicative

L’op-amp BK251 è stato progettato per applicazioni a basso rumore, elevato guadagno e con sorgenti a bassa impedenza, che sono i principali requisiti dei preamplificatori phono ad alte prestazioni come il T-Phonum MKII, specialmente se abbinati a testine a bobina mobile.

Infatti, se da un lato le testine a bobina mobile producono segnali d’uscita considerevolmente bassi, dall’altro la loro bassa impedenza interna le rende intrinsecamente poco rumorose. Per questa ragione, l’uso di uno stadio ad elevata amplificazione e basso rumore è determinante per sfruttarne appieno le qualità e massimizzare 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.

D’altro canto, le testine a magnete mobile, che presentano un’elevata impedenza interna, risultano intrinsecamente molto più rumorose rispetto alle testine a bobina mobile, costituendo esse stesse la principale limitazione delle prestazioni di rumore ottenibili dal sistema. Tuttavia, questo viene in parte compensato dal maggior segnale d’uscita di queste testine, per cui i normali op-amp possono fornire prestazioni di rumore comunque accettabili.

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 specificamente per fornire le migliori prestazioni nei circuiti ad elevato guadagno come i preamplificatori phono.

Pertanto, per prevenire oscillazioni, è necessario che il circuito nel quale viene impiegato il BK251 abbia un guadagno superiore a 20 dB, ovvero un’amplificazione in tensione superiore a ±10. Questa è una condizione normalmente riscontrata nei preamplificatori per i quali il BK251 è stato progettato.


Autore: bsproj

Appassionato di musica e progettazione elettronica.

3 pensieri riguardo “BK251”

  1. Finalmente dopo qualche mese di utilizzo posso scrivere due righe su questi moduli. Dopo averli provato su un tphonum ultima versione con doppia alimentazione, penso di aver raggiunto la soluzione definitiva per la riproduzione analogica. Rispetto agli LT1028, sicuramente ottimi, ora ho una maggior naturalezza, un dettaglio invidiabile e una riproduzione assolutamente naturale. Usandolo (ci tengo a precisare SENZA STEPUP) con le diverse testine MC in mio possesso, il risultato è stato eccezionale, sia in termini di rumore che di qualità complessiva della riproduzione. Ottimo modulo, lo consiglio assolutamente.
  2. Ho inserito il BK251 a sostituzione del LT1028, abbinato ad una alimentazione adeguata racconta davvero un’altra storia. Veloce, trasparente, dettagliato e una scena musicale importante. Tira fuori dettagli oltre quello che uno possa immaginare. Davvero complimenti.

    Armando

  3. Usato in sostituzione dell’LT1028 sullo stadio di ingresso del mio pre phono, è riuscito a tirare fuori una quantità di dettagli MOSTRUOSA. Mai sentito un modulo a discreti suonare così bene… e penso di poter dire che li ho provati praticamente tutti… Complimenti per l’ottimo prodotto.

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