Печатная плата предусилителя

Если говорить о печатной плате предусилителя, многие сразу думают о топологии для микросхем типа NE5532 или OPA2134, мол, развел дорожки по типовой схеме — и готово. Но здесь кроется первый и главный подводный камень: сама по себе ПП — не просто носитель для пайки компонентов, это активный элемент цепи, влияющий на шумы, наводки и, в конечном счете, на звук или точность сигнала. Часто вижу, как коллеги, особенно начинающие, уделяют массу времени выбору операционника или резисторов, а разводку делают по остаточному принципу, что потом выливается в гул, фон или нестабильность усиления. Сам на этом обжигался не раз.

Земля — это не просто полигон

Пожалуй, самый болезненный урок — организация земли. В первых своих проектах я делал сплошной полигон на одном слое, считая это панацеей от помех. И сталкивался с парадоксом: вроде бы и разведено аккуратно, а предусилитель на высоких коэффициентах усиления начинал самовозбуждаться или ловил наводки от трансформатора блока питания. Оказалось, что сплошная земля для аналогового печатная плата предусилителя малого сигнала — не всегда благо. Токи от выходного каскада могли протекать через те же участки полигона, что и входные цепи, создавая паразитную обратную связь.

Пришлось перейти на звездообразную топологию земли, с отдельными проводниками для входной, выходной и питающей частей, сходящимися в одной точке около разъема питания. Это не догма, иногда эффективнее раздельные аналоговая и цифровая земли с единственной точкой соединения, особенно если на плате есть АЦП или контроллер. Но для чисто аналогового предусилителя звезда часто работает надежнее. Ключевое — моделировать пути протекания токов в голове еще на этапе компоновки.

Здесь же стоит упомянуть и о decoupling-конденсаторах. Ставить их как можно ближе к выводам питания ОУ — это азбука. Но на одной из плат для лампового предусилителя (да, там тоже есть своя ПП для цепей накала и анодного напряжения) я поставил керамические 100нФ и электролитический 10мкФ параллельно, как советуют. Но фон оставался. Помогло добавление последовательно с цепью питания дросселя на ферритовой бусине прямо перед конденсаторами. Иногда даташит не рассказывает всего.

Материал платы и паразитная емкость

FR-4 — это стандарт, но для высокоомных входных цепей (скажем, фонокорректора или микрофонного предусилителя) его диэлектрическая проницаемость и тангенс потерь могут вносить свои коррективы. Паразитная емкость между дорожкой и земляным слоем — вещь реальная. Однажды заказал плату на более дешевом материале с высоким Dk, и входная емкость вместе с длинными дорожками поднялась с расчетных 15 пФ до ощутимых 40-50 пФ. Для схемы с JFET-транзистором на входе это убило верхние частоты.

При работе над одним коммерческим проектом, связанным с измерительной аппаратурой, мы перешли на материал с низкими потерями, типа Rogers, но это удорожание в разы. Для большинства аудиопредусилителей хватает качественного FR-4 от проверенного производителя. Кстати, о производителях. Когда нужны не просто прототипы, а серия с гарантированными параметрами, начинаешь ценить стабильность. Вот, например, коллеги по цеху иногда обращаются в ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии. Они, как я слышал, с 2018 года развивают именно комплексные решения для электронных схем, контролируя несколько предприятий по цепочке. Для нас это значит меньшие риски с качеством базовых материалов и соблюдением топологических норм, особенно при мелкосерийном производстве. Их сайт — apexpcb-cn.ru — можно глянуть для оценки возможностей.

Толщина фольги — еще один нюанс. Для силовых цепей предусилителя (стабилизаторы) лучше 70 мкм, а для тонких сигнальных дорожек — 35 мкм. Но если заказывать у стороннего производителя, надо четко все специфицировать, иначе сделают по умолчанию, а это не всегда то, что нужно.

Трассировка входных цепей: сантиметры решают

Вход — святое место. Дорожки от разъема до неинвертирующего входа ОУ должны быть максимально короткими. Я всегда стараюсь разместить входной разъем и первый каскад усиления на краю платы, максимально близко друг к другу. Если используется переключатель входов, то его контакты — потенциальный источник наводок. Здесь помогает экранирование или размещение всей коммутации после первого каскада с высоким коэффициентом усиления, что менее критично к помехам.

Один раз пришлось переделывать макет из-за того, что параллельно входной дорожке на расстоянии 2 мм проходила дорожка от индикатора LED. На высоких уровнях усиления это давало едва уловимый, но раздражающий цифровой шум. Пришлось разводить их на разных слоях, разделяя земляным полигоном. Иногда помогает банальное увеличение расстояния или создание защитного (guard) контура из земли вокруг чувствительной трассы.

И да, экранированный кабель на входе — это обязательно, но его оплетку надо правильно припаять к земле на самом краю платы, в точке с наименьшим потенциалом помех. Нельзя просто кидать ее на общий полигон где попало.

Вопросы питания и развязки

Стабилизаторы питания — это отдельная тема, но их расположение на печатная плата предусилителя часто недооценивают. Ставить LM317/LM337 или аналогичные низкошумящие LDO в углу платы, далеко от мощных выходных каскадов — правильно. Но важно также, чтобы цепи обратной связи стабилизаторов не проходили через области с сильными магнитными полями (рядом с дросселями или трансформатором, если он на плате).

Для особо критичных к шуму предусилителей, например, для конденсаторных микрофонов, иногда применяют двухстадийную стабилизацию: общий стабилизатор на несколько каналов, а затем локальные малошумящие LDO для каждого ОУ. Это увеличивает площадь платы и стоимость, но снижает взаимное влияние каналов. На одном проекте мы даже экспериментировали с отдельными миниатюрными трансформаторами и выпрямителями для каждого канала, но это уже из области экзотики и оправдано лишь в студийном хай-энде.

Развязка по питанию для каждой микросхемы — обязательно. Но кроме керамических конденсаторов, параллельно иногда ставят пленочные, типа 100нФ полипропиленовых, для подавления ВЧ-шумов. На слух разница может быть спорной, но на осциллографе видно уменьшение всплесков на шинах.

Монтаж и пайка: где теория встречается с практикой

Даже идеально разведенная плата может быть загублена на этапе монтажа. Использование активного флюса, который плохо смывается, для печатная плата предусилителя — преступление. Остатки флюса между контактами высокоомных резисторов могут создавать утечки и нестабильность. Я всегда настаиваю на использовании безотмывочного или легкоотмываемого флюса с последующей очисткой изопропиловым спиртом, особенно в области входных цепей.

Еще один момент — механический. Предусилители часто ставят в металлический корпус для экранирования. Крепление платы на стойках должно быть надежным, без вибраций. Однажды столкнулся с микрофонным эффектом — плата, плохо закрепленная, работала как мембрана, улавливая механические вибрации от трансформатора, что преобразовывалось в низкочастотный гул. Помогли силиконовые демпферы под стойки.

И последнее — тестирование. Нельзя проверить плату просто на стенде под нагрузкой. Нужно поместить ее в конечный корпус, со всеми подключенными кабелями, и слушать/мерять. Только так можно поймать те наводки и проблемы, которые не проявляются в идеальных лабораторных условиях. Часто именно на этом этапе возвращаешься к чертежам, чтобы подвинуть какой-нибудь разъем или добавить еще один экранирующий барьер. Это цикл, который и отличает работающее устройство от просто собранной платы.