Работает. Сверхмалошумящий усилитель на К538УН3 и AD797 1.0
В статье «Спецтехника. Разбор ошибок в схемах» я уже разоблачал мерзких фуфлыжников Рудометовых, Андриановых и Соколовых с их «малошумящими» усилителями на КР140УД6 с весьма посредственными шумовыми характеристиками, на К237УН1 (К2УС371), совершенно непригодной к практическому применению и абсолютно нерабочий «Чувствительный усилитель на малошумящих транзисторах».
Если вы еще не прочитали книгу Хорвица и Хилла «Искусство схемотехники», отложите эту статью и прочтите седьмую главу («Прецизионные схемы и малошумящая аппаратура», менее 100 страниц), потому что я не буду пересказывать ее материал, а все методики измерения и формулы — там.
Данные о напряжении шумов, приведенном ко входу микросхемы К538УН3, различны: по Терещукам — 2 нВ/√Гц, по Нефедову — 5 нВ/√Гц (500 Ом). Для полосы 10 кГц это означает 0.2 и 0.5 мкВ соответственно (в моих экспериментах с К538УН3 в металлическом корпусе было ближе к 0.5 мкВ). Для сравнения, у К548УН1А — 0.7 мкВ и у К548УН1Б — 1 мкВ (у Нефедова данных о ширине полосы и сопротивлении источника сигнала нет, в справочнике Новаченко — 10 кГц, 600 Ом).
Похоже, что это самая малошумящая микросхема производства СССР (напишите в комментариях, если вы знаете еще более “тихую”).
Во сколько раз К538УН3 хуже идеального усилителя без шумов?
Для целей сравнения допустим, что сопротивление источника сигнала равно 500 Ом, а полоса частот 300...3900 Гц (3.6 кГц).
Если у вашего экземпляра К538УН3 шум 2 нВ/√Гц, то это всего лишь на 22% (1.7 дБ) больше идеального усилителя без шума.
Если попадется экземпляр с 5 нВ/√Гц, то он будет шуметь в 2 раза больше (6 дБ), чем идеальный усилитель.
Самые малошумящие в мире AD797 с шумом 0.9 нВ/√Гц и JT-990C с 0.8 нВ/√Гц будут лишь на 17% лучше, чем хороший экземпляр К538УН3 с 2 нВ/√Гц.
Лучшие советские операционные усилители 140УД25 (OP-27) и 140УД26 (OP-37, у К140УД25 и К140УД26 параметры хуже) имеют такой же шум — 2.2...2.5 нВ/√Гц (см. П.Борщ, В.Семенов: Шумовые параметры операционных усилителей. РадиоХобби 1/2000, стр. 58).
Таким образом, теоретический предел малошумящей аппаратуры достигнут и вполне доступен в домашних условиях.
Некоторые несущественные ошибки
Внутренняя схема К538УН3 до предела проста и состоит, по сути, из двух каскадов с ОЭ, между которыми включен каскад с ОК. Тем не менее, Терещуки умудрились даже в этой простейшей схеме сделать ошибку (стр. 350). Правильную схему см. в справочнике Нефедова на стр. 529 и здесь:
https://web.archive.org/web/20251030065110/https://doc.platan.ru/pdf/datasheets/russia/KR538UN3A-B.pdf
Также на стр. 717 Терещуки перепечатывают схемы С. Певицкого и С. Филина из Радио 6/1984 ("Предварительные усилители на КР538УН3"). В схеме на рис. 3 в журнале Радио ошибка: сказано, что в таком включении коэффициент усиления равен 5, а на самом деле он максимален (около 300).
Путаницы добавляет еще и то, что К538УН3 выпускалась только в металлостеклянном корпусе, а КР538УН3 - в DIP-8 и в DIP-14. Номера выводов, разумеется, не совпадают. У Терещука на стр. 717 и Певицкого номера выводов проставлены для первых выпусков микросхемы в DIP-14. У Нефедова и Терещука на стр. 350 - для 8-ми выводных корпусов.
Рекомендации по конструированию
Внимание! На схемах не показана развязывающая RC цепочка по питанию (>100 Ом, 220 мкф), но она обязательно должна быть во всех схемах с большим усилением.
Все электролиты — “аудиофильские”, с минимальным уровнем шума.
Остальные конденсаторы — пленочные.
Печатная плата двусторонняя, нижняя сторона — экран.
Источник сигнала подключать проводами минимальной длины и экранировать вместе с платой.
Для начинающих: если в качестве источника питания используется блок питания, он должен быть стабилизированный.
«Допускается подключение реактивной нагрузки» (Нефедов) - выход К538УН3 можно подключать к следующей ступени усиления через экранированный кабель, обладающий, как известно, паразитной емкостью.
Чтобы увеличить коэффициент усиления (искажения возрастут), нужно добавить резистор (>10 Ом) с вывода “регулировка Ку” на землю. Чтобы уменьшить усиление (если верить Певицкому, шумы снизятся) - между выводами «регулировка Ку» и «выход» (3-100 кОм).
Я не проверял, действительно ли шумы уменьшаются при уменьшении Ку и повышении напряжения питания до 9В (что выше максимально допустимого по справочнику Нефедова), как утверждают Певицкий и Филин. Может быть, вы проведете этот эксперимент? Напишите в комментариях о результатах.
В К538УН3 содержится 0,0179 г золота. При цене 4000$ за унцию (октябрь 2025) это 2.3$. Соответственно, нормальная цена на К538УН3 в металлостеклянном корпусе должна быть где-то между ценой скупки на лом и 2.3$, но не выше этого.
КР538УН3 в пластмассовом корпусе стоит копейки, но и шумы ее могут быть хуже (не проверял).
На пути к абсолютно бесшумному усилителю
Предел малошумящего усилителя почти достигнут. В сверхмалошумящих усилителях на К538УН3 или AD797 главный источник шума — это уже не усилитель, а тепловой шум самого источника сигнала.
Но суммируя сигналы с нескольких усилителей, можно уменьшать шумы до бесконечности (вы же прочитали Главу 7?).
Так, соединение 100 усилителей даст уменьшение шума в 10 раз.
Выходы нельзя просто соединить между собой. Это приведет к короткому замыканию. Нужно использовать аналоговый сумматор на ОУ, например:
Левые выводы R10, R11, R12 (можно добавить еще сколько угодно) подключаются к выходам малошумящих усилителей.
Переменные резисторы R7, R8, R8 и все, что левее них — удаляем.
Внимание! Уменьшения шумов можно добиться только при качественной реализации этой идеи “в железе”:
- Каждый усилитель расположен рядом с микрофоном, экранирован вместе с ним в одном корпусе.
- Отдельная RC развязка по питанию каждого усилителя.
- Одинаковый коэффициент усиления каждого усилителя. Если используется AD797, то он зависит только от точности резисторов ООС и 5% достаточно. Если К538УН3 - для выравнивания коэффициента усиления его нужно ограничивать введением внешнего резистора (см. выше).
- Одинаковые микрофоны. Шунтировать каждый конденсатором 100 пф для защиты от наводок с мобильных.
- Даже хорошо заэкранированные динамические микрофоны будут ловить наводки 50 Гц, поэтому все испытания проводить вне помещений.
- Использовать ветрозащиту микрофонов.
Если используются электретные микрофоны (МКЭ-3 или от мобильных), питание на них нужно подавать через вторую развязывающую RC-цепочку. Насколько их шумы больше шума динамических микрофонов, мне не известно.
Если микрофоны будут разнесены в пространстве, получим микрофонную решетку, обладающую не только сверхнизкими шумами, но и острой направленностью!
К сожалению, уменьшение шумов путем суммирования нескольких источников сигнала я еще не проверил. Напишите в комментариях про ваши эксперименты.