Low Noise HiFi Preamp

Untuk membuat preamp dengan noise rendah tentunya kita perlu menggunakan komponen yang menghasilkan noise rendah juga. Noise tidak hanya berasal dari OpAmp, tapi resistor juga menghasilkan noise, namanya thermal noise atau Johnson noise. Semakin tinggi nilai resistor semakin tinggi noisenya, semakin panas resistor semakin tinggi juga noisenya.

Maka selain menggunakan OpAmp noise rendah, kita juga perlu menggunakan resistor yang nilainya serendah mungkin namun tanpa membebani OpAmp yang digunakan, karena kalau OpAmp terlalu terbebani ya distorsi naik. Untuk noise karena temperatur sepertinya bukan masalah karena untuk bagian sinyal rendah, semua resistor di sana tak akan panas.

Resistor yang Berpengaruh terhadap Noise

Resistor yang noisenya berpengaruh (terhadap sinyal) adalah R2, R4, R5, dan R6. Untuk R2 dan R6 mereka dilalui langsung oleh sinyal, sedangkan untuk R4 dan R5 mereka juga dilalui oleh (cerminan) sinyal.
* Saya mengibaratkan negative-feedback sebagai cerminan sinyal karena di situ merupakan referensi untuk penguatan tegangan sinyal (sinyal output : sinyal input) jadi menurut saya hal itu bisa disebut sebagai ceminan sinyal.

R1, R3, dan R7 walaupun nilainya tinggi, namun mereka tidak terlalu berpengaruh terhadap noise (pada sinyal). Mungkin karena mereka tidak dilalui oleh sinyal dan juga terhubung dengan Gnd. Khusus untuk R3, resistor ini adalah resistor bias untuk input OpAmp, jika noise arus (current noise) dari opamp tinggi dan nilai R3 juga tinggi, maka efek R3 dan noise arus(dari opamp) akan signifikan [I×R=V].

Memilih Resistor

Untuk memilih nilai resistor yang sesuai, paling tidak kita harus tahu voltage noise dari OpAmp yang digunakan. Sehingga jangan sampai noise dari resistor terlalu dominan terhadap noise dari OpAmp. Untuk itu silakan lihat grafik Noise vs Resistor berikut.

Misalnya untuk OpAmp kita menggunakan NE5532, dengan voltage noise 5nV/√Hz, maka paling tidak kita gunakan resistor dengan nilai yang setara (atau lebih rendah) dari itu. Jika dilihat dari grafik, untuk noise 5nV/√Hz ada di sekitar 1k7. Jadi kita gunakan resistor (untuk R2, R4, R5, R6) dengan nilai tertinggi yang noisenya setara atau lebih rendah dari itu.

Untuk R2 di sana berfungsi sebagai Low Pass Filter terhadap C1. Sekaligus sebagai impedance matching(pada freq sangat tinggi) terhadap impedance kabel RCA(biasanya 75Ω), karena pada freq tinggi C2 akan terlihat sebagai short dan bagian sumber akan melihat input impedance adalah ~R2 (75Ω).

Untuk R4 dan R5 nilainya sebaiknya tidak terlalu rendah. Kalau terlalu rendah, OpAmp bisa terlalu terbebani dan bisa membuat distorsi naik. Untuk menentukan nilai R4 dan R5 kita perlu memperhatikan berapa kira-kira ayunan tegangan output maksimum dan berapa arus maksimum yang dapat dikeluarkan oleh OpAmp [R=V/I]. Silahkan cek datasheet OpAmp yang ingin Anda gunakan dan lihat grafik THD vs Load untuk mempertimbangkan nilai R4 & R5 terhadap THD. Umumnya OpAmp menampilkan grafik THD dengan beban terendah 600Ω ~ 2k. Disini saya gunakan 1k untuk R4, noisenya sekitar 4nV/√Hz. R5 untuk menentukan voltage gain, disini saya gunakan gain 4x (12dB), maka nilai R5 adalah 330Ω. [Gv=R4/R5+1]

Outpu noise dari OpAmp juga bergantung dari penguatan tegangan. Jadi, apabila input noise OpAmp adalah 5nV/√Hz, dan penguatan tegangannya adalah 4x, maka output noisenya adalah 5nV/√Hz ×4 = 20nV/√Hz. Untuk itu sebaiknya hindari penggunaan penguatan tegangan yang berlebihan.

Untuk R6 berfungsi sebagai isolator dari beban kapasitif (seperti kabel yang terlalu panjang) supaya OpAmp tetap stabil. Untuk R6 sendiri nilai optimalnya adalah 50~100Ω. Namun R6 juga menjadi output impedance, maka jika mempertimbangkan impedance matching (pada freq tinggi), saya gunakan nilai 75Ω.

Untuk R1, R3, dan R7 tidak terlalu berpengaruh terhadap noise (pada sinyal), tapi juga jangan menggunakan yang nilainya terlalu tinggi. Paling tidak gunakan 220k ke bawah.

Catatan & Tips

R1, R2 dan C1 sebaiknya (seharusnya) dipasang sedekat mungkin dengan konektor input. Atau langsung disolder ke konektor input saja, supaya efektif. Maka itu Anda melihat simbol "kabel" pada skema.

Jika ingin menambahkan potensio Volume, tambahkanlah di antara C1 dan C2, supaya tidak mengganggu R2. Dan saya sarankan gunakan nilai potensio yang nilainya rendah supaya noisenya juga rendah. Tapi jika terlalu rendah juga sepertinya akan terlalu membebani perangkat sumber. Disini kita harus berkompromi. Saya rasa potensio 5k~10k masih cukup optimal, tidak terlalu rendah sampai membebani sumber tapi juga noisenya tidak terlalu tinggi. Contoh, jika menggunakan pot 10k noise maksimumnya sekitar 13nV/√Hz, jika menggunakan pot 100k noise maksimumnya sekitar 40nV/√Hz, berbeda lumayan jauh!
Lagipula, jika potensio sudah di bukaan setengah (50%) misalnya, tahanan yang dilalui sinyal juga tinggal separuh, jadi noise dari potensio juga lebih rendah.
Silakan cek juga artikel saya tentang Volume Control.

Power Suppy

Tentunya kita juga memerlukan suplai yang rendah noise, ada beberapa pilihan tergantung kerumitan rangkaiannya, silahkan Anda pilih :

1. Regulator tegangan moteda Finesse (Bagus)

2. LM317/337 optimum (Medium)

3. L7815/7915 + RC filter (Lumayan)

Perakitan

Semua optimalisasi tadi akan sia-sia jika Anda merakit dengan asal-asalan. Berikut beberapa tips agar noise (& EMI) dari luar rangkian tidak mudah masuk (secara induksi).

• Untuk layout PCB, gunakan ground plane (ataupun ground fill) untuk melingungi jalur sinyal lemah.

• Gunakan resistor jenis metal film.

• Jangan memasang kabel sinyal lemah sejajar dengan kabel daya. Jika pun perlu bersinggungan, posisikan supaya saling-silang, jangan sejajar.

• Gunakan Star Grounding.

• Posisikan sirkuit preamp sejauh mungkin dari trafo.

• Gunakan trafo toroid ataupun trafo C-core. Jika harus menggunakan trafo EI, coba selubungi trafo EI dengan pelat seng (Zinc) untuk sedikit membantu meredam EMI dari trafo. Pelat dari bahan tembaga/aluminium tidak akan mempan dan pelat baja terlalu keras/lebih mahal.

• Anda bisa coba menambahkan ferrite choke/clamp pada kabel sinyal (dan daya) untuk membantu menekan noise, misal noise dari SMPS atau dari transmisi radio.