Sumator dwóch źródeł audio

Kiedy na jedno wejście trzeba podać sygnał z więcej niż jednego źródła, należy sygnały z tych źródeł poddać operacji sumowania. W teorii to nie jest nic trudnego – spójrzmy na rysunek 1 – wystarczą dwa rezystory. Ale praktyka dowodzi inaczej. Po pierwsze, te źródła mogą mieć różną (najczęściej większą od zera) impedancję wyjściową. Ulegnie ona zsumowaniu z rezystancją opornika ograniczającego prąd wyjściowy danego źródła i spowoduje, że będzie ono brane z mniejszą wagą, tj. w wynikowym sygnale jego udział będzie mniejszy. O ile mniejszy? Tego najczęściej nie wiemy, zwłaszcza kiedy impedancja zależy od częstotliwości. Druga rzecz: impedancja wyjściowa tego tworu wynosi R/2, co w wielu przypadkach może być przyczyną silnego tłumienia już zsumowanego sygnału.

Jednak wystarczy obudować ten prosty twór trzema wtórnikami napięciowymi oraz paroma innymi elementami, aby uzyskać układ o parametrach znacznie lepszych od tego z rysunku 1.

Rysunek 1. Bardzo prosty sumator napięć

Budowa i działanie

Schemat ideowy omawianego układu znajduje się na rysunku 2. Jest na nim w sumie sześć wzmacniaczy operacyjnych, zamkniętych w trzech układach typu TL082. Te tanie i popularne kostki o bardzo przyzwoitych parametrach mogą z powodzeniem znaleźć zastosowanie w dziedzinie audio. Jak pokażą pomiary, nadają się do tego zastosowania wręcz doskonale.

Rysunek 2. Schemat ideowy układu sumatora

Napięcie zasilające jest filtrowane przez osiem kondensatorów: dwa elektrolityczne i sześć ceramicznych, zlokalizowanych tuż przy wyprowadzeniach wzmacniaczy operacyjnych. Dwa rezystory – R1 i R2 – tworzą z tymi kondensatorami filtry dolnoprzepustowe, redukując amplitudę przenikających do układu zakłóceń. Zwłaszcza należy mieć na uwadze niepożądane składowe pochodzące od zasilaczy impulsowych, których częstotliwość wynosi często wiele dziesiątek kiloherców a które w kolumnach głośnikowych objawiają się ciągłym, irytującym szumem.

Rezystory R3…R6 o rezystancji 1 MΩ polaryzują wejścia wzmacniaczy operacyjnych, stanowiąc przy tym bardzo małe obciążenie dla źródeł sygnału. Ponieważ układy typu TL082 mają obwody wejściowe z tranzystorami FET, nie trzeba przejmować się problemem wyrównywania rezystancji widzianej przez wejścia wzmacniaczy operacyjnych, gdyż prąd przez nie pobierany jest rzędu nanoamperów, a rezystancja wejściowa wynosi wiele gigaomów.

Zadaniem rezystorów R7…R10 jest ochrona delikatnych bramek tranzystorów FET przed uszkodzeniem, jakie mogłyby wywołać impulsy napięcia przekraczającego dopuszczalny zakres. Ich źródłem mogą być silne zakłócenia elektromagnetyczne lub wyładowania elektrostatyczne. Te rezystory wytracają na sobie część mocy, ograniczając jednocześnie prąd płynący przez wejścia wzmacniaczy operacyjnych.

Układy US1 i US2 pełnią funkcję wejściowych wtórników napięciowych. Ich impedancja wyjściowa jest bliska zeru, więc doskonale imitują źródła napięciowe z rysunku 1. Rezystory R11 i R12 oraz R13 i R14 są odpowiedzialne za sumowanie sygnałów z dwóch źródeł.

Polecam, aby ich tolerancja wynosiła 1% (lub mniej), by sumowanie odbywało się w stosunku 1:1.

Za rezystorami sumującymi znalazły się wtórniki napięciowe. Łatwo obliczyć, że bez nich impedancja wyjściowa układu wynosiłaby 5 kΩ. Rezystory R17 i R18 nadają pewną, aczkolwiek niewielką, rezystancję wyjściową, aby układ mógł pracować poprawnie na przykład z długimi przewodami prowadzącymi sygnał wyjściowy. Praktyka dowodzi, że bez nich wzmacniacze operacyjne niekiedy reagują wzbudzeniem na obciążenie o charakterze silnie pojemnościowym, a takim niewątpliwie jest długi przewód ekranowany.

Rezystory R15 i R16 stanowią wstępne obciążenie dla stopni wyjściowych wzmacniaczy operacyjnych US3A i US3B, czyniąc ich pracę bardziej liniową. Tutaj również praktyka dowodzi, że taki zabieg zmniejsza ilość słyszalnych zniekształceń (w porównaniu z brakiem jakiegokolwiek obciążenia), a jest bardzo prosty i niedrogi w realizacji.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na dwustronnej płytce drukowanej o wymiarach 56×50 mm. Jej schemat pokazuje rysunek 3. W odległości 3 mm od krawędzi płytki znalazły się cztery otwory montażowe, każdy o średnicy 3,2 mm. Montaż proponuję rozpocząć od elementów w obudowach przystosowanych do montażu powierzchniowego (SMD). Dopiero potem warto przejść do złączy i kondensatorów elektrolitycznych, aby nie utrudnić sobie dostępu do niewielkich padów SMD ich uprzednim wlutowaniem w płytkę. Układ jest gotowy do działania pod warunkiem poprawnego montażu, nie wymaga jakichkolwiek czynności uruchomieniowych.

Rysunek 3. Schemat płytki PCB

Do złącza J1 należy podłączyć zasilanie – dobrze filtrowane, najlepiej stabilizowane dla zmniejszenia amplitudy tętnień – o wartości ±15 V (symetryczne). Można użyć niższych napięć, ale należy liczyć się z mniejszą amplitudą niezniekształconego sygnału, jaki może ten układ przenosić. Za rozsądne minimum proponuję przyjąć ±9 V Pobór prądu przez układ nie zależy od napięcia zasilającego. W przedziale ±9 V…±15 V wynosił on około 11 mA, przy braku zarówno wysterowania, jak i obciążenia. Linia napięcia dodatniego i ujemnego jest obciążana w takim samym stopniu.

Złącza J2 i J3 służą do podania dwóch sygnałów wejściowych, które pojawia się jako suma w kanale 1 na wyjściu, którym jest złącze J6. Z kolei sygnały ze złączy J4 i J5 zostaną zsumowane jako wyjściowy kanał 2. Wszystkie zaciski GND na płytce są połączone ze sobą polem miedzi na spodniej stronie płytki – służy ono jako ekran dla zakłóceń elektromagnetycznych.

Impedancja wejściowa układu wynosi około 1 MΩ, zaś wyjściowa około 33 Ω. Układ przenosi sygnały o częstotliwościach od 0 Hz, czyli od składowej stałej, aż do około 2,5 MHz, czyli wykraczające daleko poza pasmo akustyczne. Pomiar przeprowadzono sygnałem sinusoidalnym o amplitudzie 500 mV przy zasilaniu ±15 V, a jako kryterium granicy pasma przenoszenia przyjęto spadek o 3 dB (0,707 wartości amplitudy sygnału o niskiej częstotliwości).

Maksymalna amplituda niezniekształconego sygnału na wyjściu zależy od napięcia zasilającego. Przy ±9 V, braku obciążenia na wyjściu (dokładniej, jest nim sonda oscyloskopu: 10 MΩ) i sygnale sinusoidalnym o częstotliwości 1 kHz charakterystyczne spłaszczanie wierzchołków sygnału zaczyna się od amplitudy 6,5 V sygnału wejściowego. Dla zasilania ±15 V ten próg jest wyższy i wynosi 12 V.

Każde ze źródeł jest wprowadzane do sygnału ze stałym współczynnikiem równym 0,5. To oznacza, że podanie na jedno wejście sygnału sinusoidalnego o amplitudzie 2 V i zwarcie do masy drugiego wejścia spowoduje pojawienie się na wyjściu sygnału o amplitudzie 1 V.

Rysunek 4. Przebiegi napięć wejściowego sygnału sinusoidalnego (niebieski) oraz wyjściowego, po zsumowaniu z sygnałem prostokątnym (żółty)

Przykładowy efekt działania tego układu można zobaczyć na rysunku 4. Na jedno wejście podano sygnał sinusoidalny o amplitudzie 500 mV i częstotliwości 1 kHz, a na drugie sygnał prostokątny (bez składowej stałej) o wypełnieniu 50% i identycznej amplitudzie oraz częstotliwości. Uzyskana suma ma wartość międzyszczytową 500 mV i składa się z obu sygnałów wziętych w identycznych stosunkach.

Michał Kurzela, EP