NE5532 – eliminacja szumu 50 Hz w przedwzmacniaczu audio, filtrowanie, ekranowanie

Pytanie

jak zlikwidować szum 50Hz w przedwzmacniaczu na układzie scalonym ne5532

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Przydźwięk 50 Hz w układzie z NE5532 wynika prawie zawsze z pętli masy, tętnień zasilacza lub indukcji pola transformatora.
• Usuń go, stosując topologię masy „gwiazda”, mocne filtrowanie i odsprzęganie zasilania przy samym scalaku, ekranowanie kabli/obudowy oraz fizyczne oddalenie transformatora.
• Po zlokalizowaniu źródła w razie potrzeby dołóż filtr notch 50 Hz lub zasilanie bateryjne – to rozwiązuje 99 % przypadków.

Kluczowe punkty
– gwiazda masy, brak pętli
– 100 nF + 10-100 µF przy pinach 4/8 NE5532
– liniowy stabilizator ±12…15 V (LDO <10 µV/√Hz)
– ekran metalowy połączony z PE w jednym punkcie
– krótkie, skręcone lub zbalansowane przewody sygnałowe
– test z zasilaniem bateryjnym / filtr twin-T 50 Hz tylko w ostateczności

Szczegółowa analiza problemu

1. Typowe źródła przydźwięku

1.1 Tętnienia sieci w zasilaczu: \(V_{ripple}=I_{LOAD}/(2fC)\) – przy 20 mA i 1000 µF mamy ~0,2 Vpp, co NE5532 wzmocni.
1.2 Pętle mas (różnica potencjałów <10 mV wystarcza).
1.3 Indukcja EM z transformatora (pole ≈ 0,1–1 mT w odległości ≤5 cm).
1.4 Długie, wysokoomowe węzły (szczególnie wejścia) działające jak anteny.

2. Diagnostyka krok po kroku

A. Odłącz wejście, zewrzyj do masy → hum? Tak = sekcja zasilania/PCB; Nie = okablowanie.
B. Zasil układ z 2 × 9 V (baterie) → hum znika = zasilacz winny.
C. Ustaw oscyloskop w tryb „AC 50 mV/div”, sprawdź piny zasilania i masę – 50 Hz >5 mVpp oznacza złe filtrowanie.
D. Dotknij obudowy palcem – wzrost poziomu to brak ekranowania.

3. Rozwiązania sprzętowe

3.1 Filtracja zasilania
• Przy wejściu zasilacza: 4 700 µF/35 V + mostek CRC (0,22 Ω–1 Ω / 4700 µF).
• Przy NE5532: 100 nF X7R + 10 µF tantal lub low-ESR elektrolit na każde wyprowadzenie zasilania (4, 8).
• Stabilizatory: klasyczne 7815/7915 lub nowoczesne LT3042/LT3094 – szum <10 µVrms.
3.2 Topologia masy
• Płaszczyzna masy na PCB, jeden punkt „star-ground” łączący: zasilacz, wejścia, wyjścia i ekran.
• Nie łącz masy zasilacza z obudową w więcej niż jednym miejscu.
3.3 Ekranowanie i okablowanie
• Metalowa obudowa połączona z PE (ochronny) w jednym punkcie.
• Wejścia: skręcone, ekranowane lub zbalansowane (XLR) – NE5532 może pracować jako różnicowy bufor z CMRR >80 dB.
• Transformator toroidalny ≥ 10 cm od płytki, oś rdzenia prostopadle do PCB; w razie potrzeby mufa z mu-metalu.
3.4 Rozsądne wartości elementów
• Rezystory w sprzężeniu zwrotnym 1–22 kΩ; powyżej 47 kΩ rośnie impedancja wejściowa i zbieranie humu.
• Na wejściu filtru HP (jeśli dopuszczalny): \(f_c=\frac{1}{2\pi RC}\). Dla audio-HI-FI zwykle 2–5 Hz, w nietypowych aplikacjach można przesunąć powyżej 50 Hz, co całkowicie tłumi hum, ale ucina bas – decyzja projektowa.
3.5 Filtr notch 50 Hz (opcja awaryjna)
Twin-T pasywny:
\[ R = 3,3\,\text{k}\Omega,\; C = 1\,\mu\text{F}\;\Rightarrow f_0\approx50\,\text{Hz} \]
Wersja aktywna (NE5532) gwarantuje tłumienie >40 dB przy 50 Hz, Q ≈ 10.

Aktualne informacje i trendy

• LDO ultra-low-noise (LT3042/3094, TPS7A4700/3301) wypierają klasyczne 78xx, pozwalając zejść z szumem zasilania do 2–3 µV rms.
• Coraz częściej stosuje się pasywne zasilanie SMPS + liniowy „post-regulator” LDO lub super-kondensatory 1 F dla poprawy CMRR.
• W torach profesjonalnych przechodzi się na w pełni zbalansowane łańcuchy (receivery THAT1200, INA1650) – praktycznie eliminują hum przy długich kablach.
• Rozwijają się układy aktywnego niwelowania humu (np. Cedar, iZotope) w DSP – dobre w studiu, zbędne w czystym torze analogowym.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Dlaczego „gwiazda”? Bo prąd 50 Hz wraca najkrótszą drogą; wiele dróg = różnice potencjałów = napięcie na impedancji masy = hum.
• NE5532 ma CMRR typ. 90 dB przy 1 kHz, ale tylko ~60 dB przy 50 Hz – dlatego krytyczne jest wyrównanie mas i zasilania.
• Toroid vs EI: toroid ma mniejsze rozproszone pole, lecz większy prąd rozruchowy; w wersji EI transformator można ekranować stalowym kubkiem.

Aspekty etyczne i prawne

• Obowiązkowe uziemienie ochronne metalowej obudowy (PN-EN 62368-1).
• Projekt z filtrem sieciowym klasy Y/CX musi spełniać normy emisji przewodzonej (EN 55032 klasy B).
• Nieodpowiednie prowadzenie PE może stwarzać ryzyko porażenia – nigdy nie „przerywaj” przewodu ochronnego w celu likwidacji pętli mas.

Praktyczne wskazówki

1. Zacznij od zasilania – najpierw baterie, potem docelowy zasilacz.
2. Mierniki: oscyloskop, próbnik pola (pętla z drutu + wzmacniacz), multimetr TrueRMS na AC.
3. Wdrażaj zmiany pojedynczo, dokumentuj poziom humu w dBV – łatwiejsza identyfikacja skutecznego kroku.
4. Przy prototypie: płytka uniwersalna + przewody = hum; od razu zaprojektuj PCB z masą pełną.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Filtr notch pogarsza fazę w okolicach 50 Hz – dyskwalifikujące w hi-fi (utrata energii basu).
• NE5532 jest dobrym, ale już wiekowym układem; nowoczesne OPA1612/LM4562 oferują lepszy PSRR i mniejszy własny szum – wymiana bywa prostsza niż walka z humem.
• Przydźwięk może pochodzić także z pary świetlówek lub ściemniacza PWM w tym samym pomieszczeniu – czasem pomaga oddzielny obwód zasilania.

Sugestie dalszych badań

• Porównaj pasywne/aktywne topologie filtru twin-T vs. notch MFB na OPA1656.
• Sprawdź technikę „driven shield” (guard) na wejściu – skuteczna w układach EEG, może obniżyć 50 Hz w pomiarach mikrofonowych.
• Przeanalizuj wpływ impedancji masy na CMRR całego toru – dobry temat na pracę inżynierską.

Krótkie podsumowanie

Przydźwięk 50 Hz w układzie z NE5532 jest prawie zawsze efektem niedoskonałego zasilania, masy lub ekranowania. Popraw:
– filtrowanie i odsprzęganie zasilania (100 nF + 10–100 µF przy układzie, stabilizatory low-noise),
– topologię masy (gwiazda, brak pętli),
– ekranowanie kabli i obudowy oraz odległość transformatora.
Jeśli sygnał użytkowy na to pozwala, dodaj filtr HP lub notch 50 Hz; w przeciwnym razie rozważ wzmacniacz różnicowy o wysokim CMRR lub nowszy op-amp. Systematyczne testy (zasilanie bateryjne, oscyloskop) pozwolą szybko zlokalizować przyczynę i całkowicie wyeliminować hum.