Операционник: Повторитель напряжения на ОУ. Принцип работы

Содержание

Простой аудио усилитель на операционном усилителе LM833

   Это схема простого аудио усилителя на основе операционного усилителя LM833. Она относится к разряду тех схем, которые можно собрать за час "на коленке". Однако, несмотря на свою простоту, схема вполне работоспособна и при должном качестве сборки может найти применение в качестве усилителя для наушников или предусилителя электрогитары. Или, на худой конец, вашего первого собранного устройства.

Рис. 1. Схема простого аудио усилителя на LM833.

   Усилитель работает от девяти вольтовой батарейки типа "крона". Основу усилителя составляет сдвоенный операционный аудио усилитель общего назначения - LM833. Задействованная часть микросхемы включена по схеме неинвертирующего усилителя, незадействованная - по схеме повторителя, то есть по сути "заглушена". Полоса пропускания схемы приблизительно от 0.5 Гц до 16 кГц. Коэффициент усиления от 1 до 100 в зависимости от значения переменного резистора. Номиналы всех компонентов понятны из схемы. 

   Операционный усилитель имеет однополярное питание 9 В. Идеальный операционный усилитель может давать на выходе напряжение в диапазоне от 0 до напряжения питания. В реальности так могут вести себя только операционные усилители типа Rail-to-rail, а операционные усилители общего назначения работают в диапазоне от минимального до максимального напряжения насыщения, которое обычно меньше напряжения питания на ~1 - 2 В. Для того чтобы усилить входной сигнал по максимуму и без искажений, мы должны сместить его в середину диапазона выходного напряжения оу - приблизительно в точку 4 В. Тогда выходному сигналу будет где "развернуться". 

Рис. 1. Усиление входного сигнала (красный) без смещения. Выходной сигнал (синий) "обрезается снизу".

Рис. 2. Слишком большое смещение. Выходной сигнал "обрезается сверху". Можно уменьшить усиление, тогда сигнал не будет искажаться.

Рис. 3. Оптимальное смещение и усиление. Сигнал не искажается.

   Схему смещения составляют компоненты R1, R4 и С3. Резисторы R1 и R4 образуют делитель напряжения, благодаря которому на неинвертирующем выводе операционного усилителя присутствует постоянное напряжение чуть меньше половины питания, а конденсатор C3 отсекает постоянную составляющую входного сигнала. Если вы посмотрите осциллографом напряжение в точке A, то увидите, что входной сигнал колеблется на "подставке" в 4 В. Это как раз то, что нам нужно. 

   Помимо смещения компоненты R1, R4 и С3 выполняют роль пассивного RC фильтра низкой частоты. Частота среза этого фильтра будет определяться формулой

f = 1/(2*Pi*R*C), [Гц]

   С - это емкость входного разделительно конденсатора C3, а R - это суммарное сопротивлении параллельно соединенных резисторов R1 и R4. Почему параллельных? Потому что для переменного сигнала источник питания представляет собой "закоротку". То есть он его как бы не "видит".
   Операционный усилитель имеет высокое входное сопротивление. Резисторы R1 и R4 будут уменьшать это сопротивление (потому что для переменного входного сигнала они включены параллельно входному сопротивлению усилителя) и, по сути, определять его значение.
   Для того чтобы не "загробить" входной аудио сигнал (по амплитуде и частоте), номиналы резисторов и конденсатора нужно взять достаточно большими - сотни кОм и единицы мкФ. Для номиналов указанных в схеме, частота среза фильтра составит ~0.6 Гц.


   Самая простая схема усилителя напряжения на оу - это схема неинвертирующего усилителя (на рисунке ниже она выделена серой рамкой). Для усиления входного сигнала мы можем использовать ее. Коэффициент усиления такой схемы равен отношению двух резисторов в цепи обратной связи. 

   Uout/Uin = 1 + R5/R6

Рис. 4 Схема неинвертирующего усилителя на оу.

   Однако, если мы подадим наш смещенный сигнал на вход обычного неинвертирующего усилителя, операционный усилитель даже при небольшом усилении "уйдет" в насыщение (то есть на выходе будет максимальное напряжение).
   Чтобы этого избежать, нужно "заставить" его усиливать только переменный сигнал. Этого можно добиться, если добавить в схему конденсатор - C7. По постоянному сигналу эта схема будет представлять собой повторитель (потому что конденсатор для постоянного сигнала равносилен обрыву), а по переменному неинвертирующий усилитель.

   Как можно догадаться, данный конденсатор будет оказывать влияние на полосу пропускания нашей схемы. А если точнее, то конденсатор C7 и резистор R6 образуют низкочастотный фильтр с частотой среза:

   F = 1/(2*Pi*R6 * C7) , [Гц]

   Емкость конденсатора C7 нужно взять достаточно большой (десятки мкФ), чтобы частота среза этого НЧ фильтра была маленькой (доли Гц).

   Схема неинвертирующего усилителя будет усиливать все частоты, которые пропускает операционный усилитель, и в том числе высокочастотный шум. Для аудио усилителя это нам совершенно не нужно. Чтобы ограничить полосу пропускания усилителя со стороны высоких частот, параллельно резистору R5 добавлен конденсатор C5. На низких частотах он не оказывает влияния на коэффициент усиления схемы, а на высоких, когда его сопротивление становится сравнимым с R5, коэффициент усиления схемы уменьшается. Конденсатор C5 вместе с резистором R5 образуют ВЧ фильтр, частота среза которого определяется формулой:

   F = 1/(2*Pi*R5* C5) , [Гц]

   Большой номинал этого конденсатора придаст звуку более басовое звучание (за счет подавления высоких частот), но может значительно уменьшить коэффициент усиления схемы. Поиграв с номиналом этого конденсатора, можно подобрать приемлимое частотное звучание усилителя.

   На выходе операционного усилителя мы получим усиленный входной сигнал на "подставке" 4 В. В отсутствии входного сигнала на выходе усилителя будет просто напряжение 4 В (потому что для постоянного сигнала схема будет работать как повторитель, а на входе у нас 4 В). Если подключить наушники напрямую к выходу, то в отсутствии входного сигнала через них потечет ток. Это нам совершенно не нужно, поэтому на выходе усилителя стоит разделительный конденсатор C4, который "отсекает" постоянную составляющую.

   Также на выходе усилителя стоит ВЧ фильтр на элементах R2 и C6. Во-первых R2 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае замыкания выхода на землю, а во-вторых фильтр корректирует выходной сигнал, то есть дополнительно "обрезает" высокие частоты.

   И последнее - это конденсаторы в цепи питания операционного усилителя (C1, C2). Это особенно актуально при запитывании схемы от сетевого адаптера.

   Конечно, это схема не является эталоном аудио звучания, и, возможно, не оправдает ваши ожидания по качеству звука. Однако, она позволяет начинающему электронщику познакомиться с основами и получить при этом конкретный практический результат. Такой опыт запоминается куда лучше, чем простое чтение учебника и зубрежка формул.
   В одном материале всего не объяснишь (да и всего я не знаю), но я постарался коснуться основных моментов схемы. С ними можно поэкспериментировать и посмотреть, как будет вести себя усилитель.

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта - chipenable.ru

   Аналоговый компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. На один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой -  сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.  



   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

 

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

 

   где Uout – напряжение на выходе операционного усилителя, Uin1 – напряжение на неинвертирующем входе, Uin2 – напряжение на инвертирующем входе, G – коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.

 

   В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя (G) обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель - LM358. Его коэффициент усиления равен приблизительно 100000.

   Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.   

 

 По приведенной выше формуле рассчитаем выходное напряжение операционного усилителя для двух случаев.

 

1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = 1 мВ * 100000 = 100 В 

 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = -1 мВ * 100000 = -100 В

 

   Это в теории, на практике выходное напряжение операционного усилителя естественно не может выйти за пределы питающих напряжений. Реальное выходное напряжение операционного усилителя в этих случаях будет равно его положительному +Usat или отрицательному напряжению насыщения –Usat (saturation - насыщение). 

   У большинства операционных усилителей, включая и LM358, положительное и отрицательное  напряжение насыщения при однополярном питании равно  Vcc – (1. .2) и 0 Вольт соответственно, где Vcc – это напряжение питания. Также существуют операционные усилители, у которых выходное напряжение насыщения практически равно напряжению питания (rail-to-rail усилители).  Да, и не забудь, что на выходное напряжение усилителя оказывает влияние нагрузка. Низкоомная нагрузка на выходе усилителя будет уменьшать его выходное напряжение.

 

С учетом выше сказанного:

 

1) Uout = ~Vcc  – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В

2)Uout = ~0 В

 

   То есть пока входной сигнал меньше опорного - на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю. 

 

   Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.  

 

   Компаратор можно использовать для обработки сигналов датчиков. Например, на компараторе можно построить простой датчик освещенности. 

 

 

 

   К сожалению, такая схема компаратора обладает существенным недостатком. При подаче на вход усилителя зашумленного сигнала, на выходе будут наблюдаться многократные переключения напряжения. Если выход операционного усилителя управляет электромагнитным реле, такое поведение схемы вызовет подгорание контактов реле.  


   Для устранения этих колебаний в схему добавляют управляемую положительную обратную связь.

 

   Триггер Шмитта – это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы. 

 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 

Разберемся, как она работает. 

   Операционный усилитель у нас запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания.  На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Резисторы R1 и R2 имеют номиналы 25 кОм и 10 кОм соответственно. 

   Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя и  мы можем рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения.

 

1) Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В

 

2) Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В

 

   Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля. Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит. Как только сигнал превысит порог в  1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению  насыщения. Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 

    Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения. И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова «переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения. Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.. 

     На графике ниже ты можешь видеть, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.

 

 

   Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

 

  Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории. 

   Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса.

 

 

 

Где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог  

 

Uht = +Usat*R2/(R2+R1)

Uht = -Usat*R2/(R2+R1)

 

 

 Еще одно свойство триггера Шмитта, возникающее вследствие положительной обратной связи – это увеличение скорость переключения выходного напряжения, по сравнению с простым компаратором. Как только выходное напряжение операционного усилителя начинает меняться, положительная обратная связь увеличивает разностное напряжение  (Uin1 – Uin2) и еще больше изменяет выходное напряжение, что в свою очередь еще больше увеличивает разностное. 

 

   Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.

   Теперь о недостатках схемы.

   Пороговые значения триггера Шмитта задаются с помощью делителя напряжения, и они симметричны относительно «нуля питания». Именно поэтому в схеме используется двуполярный источник питания. Хотелось бы иметь возможность запитывать схему от однополярного источника и задавать несимметричные пороговые напряжения.  

   О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

как работает, схема на ОУ, цифровые и аналоговые компараторы

При разработке электронных схем зачастую надо сравнить уровень двух напряжений. Для этого используется такое устройство, как компаратор. Название узла восходит к латинскому comparare, или, скорее, к английскому to compare – сравнивать.

Что такое компаратор напряжения

Компаратором в общем случае называется устройство, имеющее два входа для подачи сравниваемых величин (напряжений) и выход для результата сравнения. Компаратор имеет два входа для подачи сравниваемых параметров – прямой и инверсный. На выходе устанавливается логическая единица при превышении напряжения прямого входа над инверсным и ноль – если наоборот. Если при положительной разности между инверсным и прямым входом устанавливается единица, а в противоположной ситуации – ноль, то такой компаратор называется инвертирующим.

Принцип работы компаратора

Компаратор удобно строить на операционном усилителе (ОУ). Для этого непосредственно используются его свойства:

  • усиление разности сигнала между прямым и инвертирующим входом;
  • бесконечный (на практике – от 10000 и выше) коэффициент усиления.

Работу ОУ в качестве компаратора можно рассмотреть при такой схеме включения:

Пусть имеется ОУ с коэффициентом усиления 10000, напряжение питания двуполярное, + 5 В и минус 5 В. Делителем на инвертирующем входе установлен опорный уровень ровно 0 вольт, на прямом входе с движка потенциометра снимается минус 5 вольт. Операционный усилитель должен усилить разницу в 10000 раз, теоретически на выходе должно появиться напряжение минус 50000 вольт. Но такого напряжения операционнику взять негде, и он создает максимум возможного – напряжение питания, минус 5 вольт.

Если начать поднимать напряжение на прямом входе, ОУ будет стараться выставить разность напряжений между входами, умноженную на 10000. Это ему удастся, когда входное напряжение приблизится к нулю и станет равным примерно минус 0,0005 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения на положительном входе, выходное будет подниматься до нуля и выше, и при напряжении +0,0005 вольт станет равным +5 В и дальше не поднимется – некуда. Таким образом, при прохождении входным напряжением уровня нуля (точнее, минус 0,0005 вольт — + 0,0005) произойдет скачок выходного напряжения от минус 5 вольт до +5 вольт. Иными словами, пока напряжение на прямом входе ниже, чем на инвертирующем, на выходе компаратора устанавливается ноль. Если выше – единица.

Интерес представляет участок разности уровня на входах от минус 0,0005 вольт до + 0,0005. В теории при его прохождении произойдет плавный подъём от отрицательного напряжения питания до положительного. На практике этот диапазон очень узок, и из-за наводок, помех, нестабильности напряжения питания и т.д. при примерном равенстве напряжений на входах будет происходить хаотичное срабатывание компаратора в обе стороны. Чем ниже коэффициент усиления ОУ, тем это окно нестабильности шире. Если компаратор управляет исполнительным механизмом, то это вызовет его срабатывание в такт (щелканье реле, хлопанье клапана и т.п.), что может привести к его механической поломке или перегреву.

Чтобы этого избежать, создается неглубокая положительная обратная связь включением резистора, указанного штриховой линией. Это создает небольшой гистерезис, смещая пороги переключения при прохождении напряжения вверх и вниз относительно опорного. Например, вверх компаратор будет переключаться при 0,1 вольт, а вниз – ровно при нуле (зависит от глубины обратной связи). Это исключит окно нестабильности. Номинал этого резистора может быть от нескольких сотен килоом до нескольких мегаом. Чем ниже сопротивление, тем больше разница между порогами.

Также имеются специализированные микросхемы компараторов. Например, LM393. В таких микросхемах имеется быстродействующий операционный усилитель (или несколько), может быть установлен встроенный делитель, создающий опорное напряжение. Ещё одно отличие таких компараторов от устройств, построенных на ОУ общего применения – многим из них требуются однополярный источник питания. Большинству операционников нужно двуполярное напряжение. Выбор типа микросхемы производится при разработке устройства.

Особенности цифровых компараторов

Компараторы применяются и в цифровой технике, хотя это звучит, на первый взгляд, парадоксально. Ведь здесь имеется всего два уровня напряжения – единица и ноль. И сравнивать их бессмысленно. Зато можно сравнить два двоичных числа, в которые можно преобразовать и любые аналоговые величины (включая напряжение).

Пусть имеется два двоичных слова одинаковой длины в битах:

X=X3X2X1X0 и Y=Y3Y2Y1Y.

Они считаются равными по значению, если все биты поразрядно равны:

1101=1101 => X=Y.

Если же хотя бы один бит отличается, то числа неравны. Большее число определяется поразрядным сравнением начиная со старшего бита:

  • 1101>101 – здесь первый бит X больше первого бита Y, и X>Y;
  • 1101>101 – первые биты равны, но второй бит у X больше и X>Y;
  • 111<1110 – у Y третий бит больше, и большее значение у младшего разряда X не имеет значения, X<Y.

Реализацию такого сравнения можно построить на логических микросхемах базовых элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, но проще применить готовые изделия. Например, 4063 (КМОП), 7485 (ТТЛ), отечественная К564ИП2 и другие серии микросхем. Они представляют собой 2-8 разрядные компараторы с соответствующим количеством входов данных и управляющих входов. Выходов у цифровых компараторов в большинстве случаев 3:

  • больше;
  • меньше;
  • равно.

В отличие от аналоговых устройств, у двоичных компараторов равенство на входах не является нежелательной ситуацией и её не стараются избегать.

Такое устройство несложно построить и программным способом с помощью функций Булевой алгебры. Иной вариант – многие микроконтроллеры имеют «на борту» аналоговые компараторы с отдельными внешними выводами, выдающие на внутреннюю схему уже готовый результат сравнения двух величин в виде 0 или 1. Так экономится ресурс небольших вычислительных систем.

Где применяется компаратор напряжения

Сфера применения компаратора широка. На нём, например, можно построить пороговое реле. Для этого нужен датчик, преобразующий любую величину в напряжение. Такой величиной могут быть:

  • уровень освещенности;
  • уровень шума;
  • уровень жидкости в сосуде или резервуаре;
  • любые другие величины.

Потенциометром можно устанавливать уровень срабатывания компаратора. Выходной сигнал через ключ выдается на индикатор или исполнительный механизм.

Если увеличить гистерезис, то компаратор может работать в качестве триггера Шмитта. При подаче на вход медленно изменяющегося напряжения, на выходе получится дискретный сигнал с крутыми фронтами.

Два элемента могут быть соединены в двупороговый компаратор, или компаратор окна.

Здесь пороговое напряжение задается раздельно для каждого компаратора – для верхнего на прямом входе, для нижнего на инверсном. Свободные входы объединены, на них подается измеряемое напряжение. Выходы соединены по схеме «монтажное ИЛИ». При выходе напряжения за установленный верхний или нижний предел, один из компараторов выдает на выходе высокий уровень.

Из нескольких элементов собирается многоуровневый компаратор, который можно использовать, как линейный индикатор напряжения, или величину, которая преобразована в напряжение. Для четырех уровней схема будет такая:

В этой схеме на вход каждого элемента подается своё опорное напряжение. Инвертирующие входы соединены вместе, на них приходит измеряемый сигнал. При достижении уровня срабатывания загорается соответствующий светодиод. Если излучающие элементы расположить в линейку, получится световая полоса, длина которой изменяется в соответствии с уровнем поданного напряжения.

Эта же схема может применяться в качества аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Он преобразует входное напряжение в соответствующий двоичный код. Чем больше элементов входит в АЦП, тем больше разрядность, тем точнее преобразование. На практике кодом-линейкой пользоваться неудобно, и он преобразовывается в привычный код с помощью шифратора. Шифратор можно построить на логических элементах, воспользоваться готовой микросхемой или применить ПЗУ с соответствующей прошивкой.

Сфера применения компараторов в профессиональной и любительской схемотехнике разнообразна. Грамотное применение этих элементов позволяет решать широкий круг задач.

Низковольтный rail-to-rail операционный усилитель LM7301, 10шт за $0. 95.

— мне всегда казалось, что ОУ мне не хватает, особенно низковольтных, особенно сравнительно быстродействующих. А когда год назад я узнал о существовании rail-to-rail усилителей то я понял, что для счастья мне решительно не достает именно их.
Тех, которые могут иметь размах выходного напряжения от почти нуля – (в случае однополярного питания) до плюсовой шины, в том же случае.

внимание

, после нажатия на ЭТУ ссылку запустится скачивание справочного листка к микросхеме.

Паяли ли вы когда ни будь корпус SOT23? Час назад, я тоже.
Заранее, вместе с микросхемами, я заказывал переходники на DIP8, — в моих планах нет намерения переходить на совсем уж мелочь, я решил обойтись малой кровью.
Итак, зацените сравнительный размер этой крохи. 2мм на 3мм.

И купленные к ним переходники на привычный DIP8. Выглядят ободряюще вменяемыми, но тоже, не особо большими — 13мм на 12мм.

Я не обладатель ни спец.оборудования(даже минимального уровня), ни каких-то особенных навыков, и потому, я был в больших сомнениях на счет того, получится ли у меня из этой затеи что-либо вообще.
Не сказать что я не готовился к битве заранее, и потому интересовался, а как народ справляется с подобными работами, ведь не один я такой.

Нашел, метод называется «волна припоя», это меня ободрило как факт, что такое в принципе возможно.

Если перевести контакты корпуса 5pinSOT23 на DIP8, то получается некоторое облегчение. По спецификации DIP8 выводы 4, 5 и 8 не используются, а это означало, что у меня будет место для маневра. Когда я это понял, я взялся за паяльник.

Что я для себя открыл – все контакты на плате-переходнике я зачищал до блеска твердым ученическим ластиком, — это на второй плате. На первой нет — о чем несколько пожалел.
Контактные штырьки, которые было необходимо впаивать в монтажные отверстия платы я зачищал круглым надфилем, и так-же, на второй плате. На первой, решил пройтись на «авось»- получалось так себе.

Вначале, я конечно напартачил и вместо игнорирования контакта 4, проигнорировал контакт 1. При чем, два раза, иттвм. Нащелкал фоток, нафотошопил, а потом (перекурив), присмотрелся еще раз и ба..!
Надо или ВСЁ(переставлять и саму микросхему и четвертый штырек на место первого) переделывать, или выкидывать и браться за новенькие. Жаба победила – переделал оба раза.

Почистив старой зубной щеткой смоченной в уайт-спирите плату, я взялся за лупу, исправил непропай и вот что (в конце концов) получилось на просвет.
Уже получившийся готовый модуль, я вколол в тот же ученический ластик, оказалось очень удобно.

Видно что:
— контакты 1 и 2 соответствуют посадочным местам;
— контакт 3 микросхемы спарен с контактами 3 и 4 на переходнике, но;
— но, контактый штырек 4 я не впаивал – проблема решена;
— контакт 4 микросхемы соответствует контакту 6 переходника, но;
— но хотя и спарен с контактом 5 на переходнике — штырька я не впаивал =)
— тоже самое с контактом 5 микросхемы, что соответствует контакту 7 на переходнике.

Я, конечно, пытался лепить припой легкими касаниями жала, и даже, пользовался зажимом для бумаги в качестве теплоотвода, но однако, возник конечно вопрос, а что с самими микросхемами?
Не извлекая модуль из резинки, я подключил +5V согласно схеме, и замерил ток холостого хода, — 2ма. Хм… вообще-то, многовато если руководствоваться справочным листком.

Но а поскольку ОУ сравнительно высокочастотный, я предположил что он самовозбудился.
Я видел на схемах, что в случае неполного использования сдвоенных или счетверенных ОУ, свободные усилители (для минимизации холостого потребления тока от источника) переводят в режим повторителя, перевел я и LM7301.

Замкнув выход на инвертирующий вход по схеме буфера я сразу увидел, что ток упал до 0.5ма. Живой-живой!

Моё спец.оборудование.

Пластиковый штангенциркуль пришел сегодня — то что нужно. Измерять дырочки и странные отверстьица с его помощью, мне как раз.
total:
Всё у меня получилось. Ура!

p.c.
Наверное, на днях, я припаяю все оставшиеся 8 микросхем. Но если первые две, я напаивал вначале сами микросхемы, а уже после штырьки, то теперь, сделаю наоборот – вначале штырьки, за тем, заготовку вколю в резинку и с удобствами, примажу микрушку =)
— переходники брал тут.
— штангенциркуль вот.
p.c.с.
что-то зачесалось мне еще по одному десятку rail-to-rail ОУ, правда, в корпусе DIP8, но кажется, перечешется. или… =)

аудиопроектов с операционными усилителями

аудиопроектов с операционными усилителями
Elliott Sound Products Аудиоразработки с операционными усилителями

© 2000 - Род Эллиотт (ESP)
Обновлено янв.2021 г.

верхний
Указатель статей
Основной указатель

Содержание
Введение

Сегодня существует несколько конструкций звуковых частот, в которых не используются операционные усилители (операционные усилители или просто операционные усилители). На протяжении многих лет плохой операционный усилитель подвергался сильной критике, в основном с ложными заявлениями о «слышимости», искажениях и других так называемых дефектах. Есть даже люди, которые будут сравнивать басовые характеристики операционных усилителей, что является безумием (IMO) - все они отлично работают с постоянным током, и ни у одного не будет обнаружено недостатка в низкочастотных характеристиках (то есть без потери (или усиления) басов от любой операционный усилитель с таким же резистором обратной связи и конденсатором связи).

Обратите внимание, что хотя термин «звук» используется в этой серии статей, он не обязательно означает звук в традиционном смысле.Бесчисленные промышленные процессы работают в одном и том же частотном диапазоне, поэтому, когда вы видите термин «аудио», он обычно означает «звуковая частота» - и охватывает диапазон от постоянного тока до, возможно, 30-40 кГц или около того.

Некоторые из наиболее простых операционных усилителей имеют ограничения, которые в некоторых случаях делают их менее желательными, но большинство из них не имеют себе равных по линейности, а общие показатели гармонических искажений составляют всего 0,00003%. Это может быть важно для промышленных процессов, а также для Hi-Fi, потому что очень высокая линейность также означает потенциал для очень высокой точности.Даже самые простые типы все еще находят свое применение в простых низкоскоростных схемах управления и других нетребовательных приложениях.

Операционный усилитель был впервые использован в 1930-х годах в качестве основы для аналоговых компьютеров, и во время Второй мировой войны для создания систем точного прицеливания было много разработок. Поскольку в то время интегральные схемы были неизвестны (это было до изобретения транзистора), самые ранние версии были сделаны с использованием ламп. Основная идея состоит в том, чтобы иметь усилитель с дифференциальными входами, благодаря Алану Блюмлейну, который запатентовал схему, которую мы теперь называем «длиннохвостой парой» в 1936 году.Конечной целью была схема, работа которой контролируется только внешними компонентами обратной связи. Изменяя схему обратной связи, можно было выполнять различные «операции». Как правило, эти первые операционные усилители могли складывать и вычитать, и это важные функции по сей день (даже в аудио). Одним из первых коммерческих операционных усилителей был K2-W компании George A Philbrick Researches (GAP / R), в котором использовались пара ламп 12AX7, дифференциальный входной каскад и выход катодного повторителя. Для получения дополнительной информации о ранней истории операционных усилителей см. Ссылки.

С появлением микросхем и технологий массового производства операционные усилители стали очень популярными и остаются таковыми - со значительным оправданием.

В этой статье основное внимание будет уделено звуковым (включая Hi-Fi) приложениям, но есть некоторые конфигурации, которые настолько замечательны, что я не могу устоять перед искушением включить их. По большей части, любая из показанных конфигураций может использовать самый простой (и дешевый) операционный усилитель, который вы можете получить (особенно для тестирования), если только чрезвычайно широкая полоса пропускания или низкий уровень шума не являются первостепенными соображениями. Для любой из тестовых схем это не проблема.

Я также предлагаю вам создать Совет по проектированию и тестированию операционных усилителей (Проект 41), который идеально подходит для экспериментатора. Большинство показанных схем могут быть построены с использованием этой тестовой платы и будут работать безупречно, хотя будут ограничения в отношении полосы пропускания и шума из-за двойных операционных усилителей LM1458, рекомендованных для этого проекта. Эта рекомендация неслучайна - если используются быстрые операционные усилители, многие схемы будут колебаться из-за длинных дорожек (и проводов) от входов и выходов.


1 - Основные формулы

Чтобы разобраться в этой статье, вам необходимо знать закон Ома и его производные. Закон Ома является фундаментальным для электроники, и, приложив немного больше усилий, можно вывести большинство других формул, основанных на сопротивлении. Закон Ома гласит, что потенциал в 1 вольт через сопротивление в 1 Ом вызывает протекание тока в 1 ампер. Это выражается как:

R = V / I ... где R - сопротивление, V - напряжение, I - ток, или...
I = V / R ... или ...
V = I × R

Позже мы также будем использовать формулы для индуктивного реактивного сопротивления и емкостного реактивного сопротивления, а также для расчета частотной характеристики и конструкции некоторых фильтров. Они будут представлены по мере необходимости. Многие люди «напуганы» электроникой, потому что считают, что математические знания высокого уровня необходимы, но для базовых схем это совсем не так. Во всех случаях я стараюсь сводить формулы к минимуму, необходимому для хорошего понимания.На сайте ESP не показаны подробные и сложные математические функции, если они не являются абсолютно необходимыми для понимания происходящего.

Вы увидите ссылки на «мгновенный уровень« x »вольт переменного тока». В любой момент времени у переменного напряжения есть мгновенное напряжение - это напряжение, которое присутствует в данный момент, и для анализа может рассматриваться как постоянное. Это справедливо только в том случае, если мы рассматриваем этот уровень «постоянного тока» как переходный процесс, поскольку многие схемы вообще не работают до постоянного тока (многие другие работают, но это не относится к делу).


2 - Основные правила операционных усилителей

Много лет назад я преподавал электронику и в целях объяснения разработал то, что назвал «Основные правила операционных усилителей». Есть два правила, и хотя реальная жизнь никогда не похожа на теорию (я мог бы заполнить страницу подходящими примерами, но воздержусь), они очень точно описывают работу всех схем операционных усилителей:

# 1 Операционный усилитель будет пытаться подать на оба входа точно такое же напряжение (через цепь отрицательной обратной связи)
# 2 Если он не может этого сделать, выход примет полярность самого положительного входа

Излишне говорить, что это требует пояснений.Итак, давайте посмотрим на Правило №1.

# 1 Операционный усилитель попытается сделать оба входа одинаковым напряжением

Когда операционный усилитель работает в линейном режиме (что является большей частью для аудио и большинства других схем усиления), цепь отрицательной обратной связи вызовет появление напряжения на инвертирующем входе (-вход), то есть ( почти ) точно соответствует тому, что присутствует на неинвертирующем входе (+ in). Любое изменение напряжения на клеммах или отражается изменением выходного сигнала, которое вызывает протекание большего или меньшего тока в цепи обратной связи для восстановления равновесия.Для отрицательной обратной связи между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом должно быть сопротивление. Обычно от инвертирующего входа подключается второй резистор для установки коэффициента усиления схемы. Этот резистор может подключаться к земле, «искусственному заземлению» или использоваться в качестве входа.

Если вам это непонятно, см. Дальнейшие пояснения ниже - но помните Правило 1 st ! Хотя это звучит упрощенно, на самом деле он настолько хорошо описывает линейную работу, что вам редко придется беспокоиться (по крайней мере, во время анализа схемы) незначительными отклонениями, которые неизбежно возникают из-за ограниченного усиления, входного напряжения смещения и т.Это важно, но они не помогают понять, чего пытается достичь устройство.

# 2 Если Правило # 1 не может быть выполнено, выход примет полярность самого положительного входа

Существует множество схем, в которых операционные усилители используются в нелинейном режиме, и это также может произойти, если выход не может достаточно быстро изменять свое напряжение (это называется ограничением скорости нарастания). В этих случаях, если клемма + in будет наиболее положительной, то выходной сигнал будет иметь положительное значение (на максимально возможной скорости, также известной как скорость нарастания).Если клемма -in более положительная, выходной сигнал будет отрицательным.

Это состояние обычно является результатом отсутствия (отрицательной) обратной связи и может включать или не включать положительную обратную связь , когда выход операционного усилителя подключен (через резистор) к неинвертирующему входному выводу . Положительная обратная связь не является обязательным требованием для Правила № 2, это совершенно необязательно, в зависимости от того, чего хочет достичь дизайнер.

Практически нет схемы операционного усилителя, которую вы не смогли бы понять, когда эти Правила прочно утвердятся в вашем сознании.Даже схемы, в которых странным образом используются внешние транзисторы, будут подчиняться Правилам. Операционный усилитель, который не работает так, как указано выше, используется за пределами своих нормальных рабочих параметров, и результаты будут непредсказуемыми и почти всегда неудовлетворительными.

Часто объясняется, что операционный усилитель реагирует только на разницу между двумя входами, а не на их общее напряжение (синфазное напряжение - это любое напряжение, которое появляется на обоих входах , когда цепь находится в равновесии).Хотя по сути это правда, это не дает абсолютной ясности «Правил» и не помогает общему пониманию. Возможность игнорировать общее напряжение называется коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) и будет рассмотрена позже в этой статье.


3 - Важная информация об операционных усилителях

Прежде чем мы рассмотрим сами схемы, нам нужно взглянуть на некоторые параметры, с которыми вы столкнетесь, как подавать питание и обходить шины питания и так далее. Есть много параметров, которые вы увидите в таблицах данных, и они будут рассмотрены более подробно чуть позже.Нет смысла делать это сейчас, поскольку важность будет потеряна, пока вы не узнаете больше о самом операционном усилителе.


3.1 - Конфигурации Операционные усилители

бывают разных конфигураций, но наиболее распространенными являются:

Одиночный - один операционный усилитель в 8-контактном корпусе DIL (Dual In Line) или SOP (небольшой контур (SMD))
Dual - Два отдельных операционных усилителя, использующих только выводы источника питания - обычно в 8-контактном DIL или SOP (может также включать SIP - однорядный корпус и 14-выводные корпуса)
Quad - Четыре отдельных операционных усилителя, опять же с общим источником питания - чаще всего в 14-выводном DIL или SOP

Удивительно, но почти все операционные усилители используют одни и те же распиновки, и они были созданы много лет назад почтенным µA741 для одиночных операционных усилителей, а подобные двойные операционные усилители LM1458 подготовили почву для других последующих. Многие квадроциклы также используют одинаковые распиновки, и это позволяет людям очень долго менять операционные усилители на «лучшие». Для упаковки SMD (устройства для поверхностного монтажа) используются различные термины, включая SOP, SOIC, MSOP и другие. Доступные стили и размеры доступны в таблице данных для операционного усилителя, который вы хотите использовать.

Однако - не рассчитывайте на полную стандартизацию! Есть некоторые вариации, и хотя они встречаются редко, они все же существуют. Я не буду касаться каких-либо различных устройств - будут показаны только общие версии распиновки.


Рисунок 1 - Распиновка общих операционных усилителей

На рисунке 1 показаны стандартные соединения для одиночных, сдвоенных и четырехъядерных операционных усилителей, но имейте в виду, что оставшиеся контакты на обычных одиночных устройствах могут иногда использоваться не так, как показано. Чаще всего доступны дополнительные соединения:

  • Offset Null - используется для настройки усилителя, чтобы гарантировать, что входные транзисторы идеально сбалансированы, так что при отсутствии входного сигнала на выходе будет нулевое напряжение. Это важно для схем усилителя постоянного тока.
  • Компенсация
  • - Некоторые одиночные операционные усилители не имеют встроенных конденсаторов частотной компенсации, и вместо этого они подключаются извне. Это позволяет дизайнеру больше свободы, а высокочастотные характеристики операционного усилителя могут быть оптимизированы для достижения проектных целей.

Иногда вы можете увидеть, что эти соединения используются нетрадиционными способами. Это может быть для получения большей пропускной способности, чем обычно доступно, или, возможно, просто для того, чтобы дизайнер мог показать, насколько он умен.В любом случае, я не буду углубляться в эти аспекты процесса проектирования. Некоторые операционные усилители имеют компенсацию определенного минимального усиления. Например, NE5534 (одиночный операционный усилитель) стабилен с коэффициентом усиления три (10 дБ) или более без добавления компенсационного конденсатора. Если требуемый коэффициент усиления меньше трех, требуется внешняя компенсация для предотвращения колебаний.


3.2 - Применение питания

Ни одна (активная) цепь не работает без питания, поэтому это должно быть первым шагом.Большинство операционных усилителей работают с максимальным напряжением 36 В между клеммами питания. Поскольку это абсолютный максимум, работа при более низком напряжении является общим правилом, и наиболее распространенным является использование от ± 12 В до ± 15 В для питания схемы. Некоторые операционные усилители рассчитаны на более высокое напряжение, а другие - на меньшее, поэтому проконсультируйтесь со спецификациями производителя. Есть также много новых устройств, которые рассчитаны на работу 5 В (или ± 2,5 В), и они умрут при работе от любого напряжения, превышающего установленное абсолютное максимальное напряжение.

Двойной источник питания не требуется, но он упрощает конструкцию и рекомендуется для большинства приложений. Преимущество двойного питания состоит в том, что все входы и выходы имеют заземление. Это может устранить большое количество конденсаторов из сложной конструкции и является наиболее распространенным способом питания большинства схем операционных усилителей. Обратите внимание, что с коммерческой точки зрения устранение (или сокращение) конденсаторов выполняется по экономическим причинам, а не из-за большого желания «упростить» тракт прохождения сигнала или устранить «злые» конденсаторы.

Поскольку распиновка почти всегда одинакова, в большинстве случаев будет применим рисунок 1, но, как я уже сказал ранее, «Не рассчитывайте на это!». В случае сомнений получите спецификацию у производителя. Если нет сомнений, все равно получите спецификацию.

Коэффициент отклонения блока питания
Коэффициент подавления помех от источника питания (PSRR) операционного усилителя является мерой уровня шума источника питания, который попадает в выходной сигнал. В большинстве листов спецификаций приведены условия испытаний для этого измерения, и к ним следует обращаться, если предполагается необычная конструкция.Чаще всего на это можно не обращать внимания.

В обход
Хотя большинство операционных усилителей имеют очень хороший PSRR, это не может компенсировать индуктивность проводов (или дорожек) источника питания, и это может привести к серьезным нарушениям работы используемого операционного усилителя. Всегда рекомендуется обходить источник питания конденсаторами - особое внимание следует уделять высокоскоростным операционным усилителям. В шунтировании всегда должны использоваться конденсаторы с хорошими высокочастотными характеристиками, и многослойная (также известная как монолитная) керамика является лучшей в этом отношении.Обычно в конструкциях используются электролитические конденсаторы, которые сами по себе обходятся конденсаторами малой емкости (100 нФ). Это гарантирует, что вся индуктивность трассы должным образом «нейтрализуется», и помогает предотвратить колебания. Когда это происходит с высокоскоростным операционным усилителем, он обычно находится в диапазоне МГц, и его может быть чрезвычайно трудно увидеть на основных осциллографах.

Верным признаком колебаний является необъяснимое искажение, которое таинственным образом исчезает (или появляется), когда вы касаетесь операционного усилителя или компонента в непосредственной близости от него.


Рисунок 2 - Обход источников питания операционных усилителей

Даже с операционными усилителями HS электролитические конденсаторы (обычно) не требуются для каждого устройства (обычно нужны только на каждой плате), но настоятельно рекомендуется использовать керамические байпасные колпачки между выводами питания каждого устройства. На рисунке 2 показан распространенный метод обхода источников питания для схем операционного усилителя («A»), но есть и другие. В некоторых случаях источники питания могут быть соединены не с землей (заземлением), а только друг с другом. Это имеет то преимущество, что шум питания не попадает в систему заземления («B»).Подход, который я обычно использую при проектировании печатных плат, показан на «C», с парой электродов в точке, где постоянный ток подключен к печатной плате, и байпасным колпачком между источниками питания каждого операционного усилителя (или корпуса операционного усилителя).

Заявления о том, что обход источника питания портит звук (мусор), или что керамические колпачки никогда не должны использоваться в аудио, даже для обхода (больше мусора), и даже что конденсаторы высокой емкости (> 1 мкФ) замедляют звук (без ограничения) чушь). Эти заявления часто делаются мошенниками и шарлатанами, а затем их поддерживают невольные любители и другие люди, которые не знают достаточно, чтобы провести подробный анализ. Подобные утверждения следует полностью игнорировать - они фактически не имеют под собой никаких оснований, и действительно, в каждом случае обычно верно обратное.

Обратите внимание, что одного обхода недостаточно для обеспечения стабильности при любых условиях. Плохая компоновка печатной платы также может создать проблемы, и часто необходимо принять дополнительные меры предосторожности с компоновкой, чтобы избежать проблем, которые может быть чрезвычайно трудно отследить. Это вдвойне верно для неопытных дизайнеров, которые не знают общих «факторов риска».Вы узнаете, что у вас есть проблема с разводкой или обходом, если медленный операционный усилитель работает нормально, но более быстрый операционный усилитель колеблется или вызывает сильный звон при переходных сигналах (включая прямоугольные волны). Распространенной ошибкой является отсутствие выходного резистора (обычно 100 Ом) для изоляции выхода операционного усилителя от емкостных нагрузок, таких как коаксиальные кабели (включая стандартные межсоединения RCA).


3,3 - Неиспользуемые операционные усилители

Бывают случаи, когда вы используете сдвоенный операционный усилитель, но нужна только одна секция, или четырехъядерный, но только три.Хотя неиспользуемый операционный усилитель можно оставить отключенным, это не считается хорошей практикой проектирования. В некоторых случаях (хотя я этого не видел) вполне возможно, что «плавающий» (т. Е. Отключенный) операционный усилитель может вызвать неправильное поведение схемы, поэтому его следует подключить, чтобы не создавать проблем.

Проще всего просто присоединиться к неиспользуемый выход на его инвертирующий вход и подключить неинвертирующий вход для опорного напряжения. В зависимости от вашей схемы, это может быть земля (земля) или опорное напряжение, это обычно половина напряжения питания.Например, если вы используете только «первый» операционников из двойных, работающего от источника 9В, вы будете иметь опорное напряжение + 4.5V. Просто соедините контакты 6 и 7 и подключите контакт 5 к источнику питания +4,5 В.

Он подключает неиспользуемый операционный усилитель в качестве буфера единичного усиления, поэтому он работает в нормальном диапазоне и не может делать ничего плохого.


3.4 - Идеальный операционный усилитель

Идеальный операционный усилитель имеет бесконечно высокое входное сопротивление и, следовательно, не требует тока смещения. Он также способен к бесконечному усилению без обратной связи, поэтому между двумя входами нет ошибок (т.е.е. Правила 1 и 2 действуют во всех случаях). Идеальный операционный усилитель также имеет неограниченную полосу пропускания, отсутствие внутренней задержки и выходное сопротивление нулевого сопротивления. Он способен подавать столько тока, сколько может потреблять нагрузка, без снижения напряжения. Идеального операционного усилителя не существует.

Хотя идеальный операционный усилитель не существует, он является общей моделью почти для всех схем операционного усилителя, и на практике встречается мало ошибок в результате проектирования идеального и фактического использования реального (неидеального) устройства. Допуск даже самых лучших резисторов в конечном итоге ограничит точность любой схемы операционного усилителя на низких частотах (где коэффициент усиления самый высокий). Это не означает , что любой операционный усилитель можно использовать в любой схеме - ожидается, что разработчик сможет определить оптимальное устройство для этой задачи.

Особое внимание следует уделять любой схеме операционного усилителя, которая работает с очень высоким (или низким) импедансом (входным или выходным). Любой операционный усилитель будет работать без внешней нагрузки, но большинство из них не может обеспечить оптимальную производительность при низком импедансе (600 Ом или меньше).Высокие входные импедансы обычно требуют операционных усилителей на полевых транзисторах, чтобы минимизировать шум и смещение постоянного тока, вызванное входным резистором смещения. Вы также должны быть осторожны с величиной усиления, ожидаемой от одного каскада, потому что операционный усилитель может «исчерпать» усиление на высоких частотах. Есть много соображений по поводу специализированных схем, но для большинства аудиоприложений требуется только низкий уровень искажений (не все операционные усилители одинаковы!) И, как правило, низкий уровень шума. Требования также зависят от уровня сигнала - например, использование «обычного» операционного усилителя для фонокорректора с подвижной катушкой будет разочарованием!

Хотя в большинстве схем выходной сигнал операционного усилителя показан относительно общей системы (обычно земля / земля), сам операционный усилитель не имеет внутреннего эталона - эталон задает конструкция, а не - операционный усилитель.На этапе проектирования одна из задач дизайнера - настроить ссылку, которая представляет собой просто соединение, общее как для ввода, так и для вывода. Это должно быть только в пределах, установленных блоками питания и самим устройством. При использовании (скажем) ± 15 В, общим обычно является ноль вольт (земля). В зависимости от конструкции, это может быть другое напряжение - операционному усилителю все равно, пока он используется в технических характеристиках.

Основные практические ограничения реальных операционных усилителей следующие:

  • Входное сопротивление - Обычно от одного до нескольких сотен МОм.Входы на полевых транзисторах используются для входов с очень высоким импедансом (1 ТОм не редкость).
  • Усиление - 100-150 дБ от постоянного тока до нескольких герц нормально, затем спад на 6 дБ / октаву (20 дБ / декада), у некоторых усиление больше на более высоких частотах ¹
  • Синфазное входное напряжение - обычно ограничивается напряжением питания, но может быть на 0,6 В больше (или меньше для отрицательного размаха) с некоторыми ИС
  • Полоса пропускания - операционные усилители с допустимым пределом высоких частот 1 МГц при единичном усилении теперь распространены, а некоторые расширяются намного дальше (100 МГц или более)
  • Выходной ток - наиболее распространенные операционные усилители ограничены выходным током примерно до 20 мА, хотя некоторые могут обеспечить больше (например, до 50 мА)
  • Скорость нарастания - насколько быстро может изменяться выход в В / мкс. Диапазон от 0,5 В / мкс до 20 В / мкс (некоторые из них быстрее, но их также сложнее использовать)
  • Дифференциальное входное напряжение - большинство операционных усилителей допускают дифференциальные входы вплоть до напряжений питания, но некоторые имеют диодную защиту и ограничены до ± 600 мВ
¹ Это особенно важно, когда высокочастотная компенсация является внешней и / или операционный усилитель рассчитан на минимальное усиление. (это означает, что устройство нельзя использовать в качестве повторителя напряжения с единичным усилением)

Есть и другие параметры, такие как входное напряжение смещения и ток, но мы пока не будем касаться этих параметров.Силовые операционные усилители (усилители мощности IC) могут быть рассчитаны на ток до 10 А, но это выходит за рамки этого раздела статьи. Они не квалифицируются как «настоящие» операционные усилители, но ведут себя очень схожим образом и имеют аналогичные требования и / или ограничения по входу и выходу (в зависимости от выходной мощности).

В большинстве случаев предполагается использование идеальных операционных усилителей, но все они предназначены для правильной работы с реальными устройствами. На практике разница между идеальным операционным усилителем и реальным усилителем настолько мала, что ее можно игнорировать, но с одним важным исключением - пропускной способностью.Это единственная область, в которой большинство операционных усилителей демонстрируют свои ограничения, но при правильном понимании довольно легко поддерживать более чем адекватную частотную характеристику даже от базовых операционных усилителей.

Входное синфазное напряжение может быть важным в некоторых приложениях. В идеале операционный усилитель реагирует только на разницу напряжений между его входами. Теоретически при условии, что это не изменится, фактическое напряжение между двумя входами и общим (линия нулевого напряжения) может быть где угодно в пределах указанного диапазона без изменения выходного напряжения .Другими словами, входы могут принимать любое напряжение между отрицательным и положительным питанием, и на выходе (почти) не будет никаких изменений.

В реальном (в отличие от идеального) операционном усилителе произойдут некоторые изменения, и это определяется как коэффициент подавления синфазного сигнала. Операционный усилитель с CMRR 100 дБ (нередко) гарантирует, что изменение выходного напряжения будет на 100 дБ меньше, чем изменение входного напряжения (применительно к , обоим входам одновременно, ). Любая разница между входами обычно усиливается.CMRR зависит от коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи, поэтому обычно он хуже на высоких частотах. Высокое синфазное напряжение может отрицательно сказаться на характеристиках искажения, но редко до такой степени, что становится слышимым.

Хотя правило № 1 гласит, что операционный усилитель будет пытаться подать на оба входа одинаковое напряжение, это может применяться только в том случае, если коэффициент усиления операционного усилителя бесконечен. Если операционный усилитель имеет коэффициент усиления 100 дБ (в 100 000 раз), то разница входного напряжения будет составлять 1/100 000 выходного напряжения. Если на выходе 1 В (для схемы с единичным усилением), разница между входами будет 10 мкВ.Хотя это вполне реально, но в 99% распространенных приложений на это можно не обращать внимания. Правило №1 остается в силе, если вы не пытаетесь заставить операционный усилитель делать что-то «интересное».


4 - Основные схемы операционных усилителей

В следующем сборнике показаны наиболее распространенные конфигурации усилителей. Они задуманы как линейные усилители, поскольку в них практически отсутствуют искажения (разумеется, в пределах возможностей самого операционного усилителя).

По мере нашего прогресса большинство этих оригинальных схем мы будем видеть снова и снова, поскольку они являются самой основой построения звуковой схемы с использованием операционных усилителей.

Во всех случаях предполагается двойной источник питания, и это не показано на схемах. Это отчасти для ясности, поскольку дополнительная схема затрудняет понимание схем, а отчасти потому, что в любом случае принято не показывать все подключения питания. Мы все знаем, что они должны быть там, поэтому нет смысла снова и снова показывать очевидное. Точно так же не показаны байпасные конденсаторы и другие вспомогательные компоненты - только основной операционный усилитель и связанные с ним компоненты.

Вы также увидите ссылку на «мгновенное значение формы сигнала переменного тока». Это похоже на снимок, и мы просто останавливаем время, пока анализируем работу схемы. В любой точке сигнала переменного тока он может иметь только одно значение напряжения и тока, , независимо от сложности источника сигнала. Синусоида ничем не отличается от любого другого сигнала - при условии, что его амплитуда и частота находятся в пределах возможностей операционного усилителя .


4.1 - Неинвертирующий усилитель

Самая распространенная из всех конфигураций - неинвертирующий усилитель. Поэтому я буду использовать это как отправную точку, потому что это также самый простой для понимания. На рисунке 3 показан полностью обычный неинвертирующий усилитель напряжения на операционном усилителе.


Рисунок 3 - Неинвертирующий операционный усилитель

Рин являются входным резистором, и необходимы, потому что операционные усилители потребности опорного напряжения на входе. В этом случае опорным напряжением является шина нулевого напряжения (земля).Входное сопротивление равно значению Rin параллельно входному сопротивлению операционного усилителя. Как правило, последнее можно игнорировать, потому что оно очень высокое.

Коэффициент усиления (Av - усиление, напряжение) устанавливается соотношением R1 и R2 и равен:

Av = (R1 + R2) / R2 (или R1 / R2 + 1)
Коэффициент усиления этого каскада не может быть меньше единицы, независимо от номиналов используемых резисторов. Как показано на диаграмме, усиление составляет 11 раз, поэтому вход 100 мВ станет выходом 1,1 В.Чтобы пересмотреть Правило № 1, очевидно, что если 100 мВ (мгновенный переменный или постоянный ток) появляется на + in, усилитель должен иметь 1,1 В на выходе, поскольку делитель напряжения R1 / R2 будет гарантировать, что 100 мВ также появится на - в. Это получается из простой формулы делителя напряжения, которая до странности знакома ...
Vd = (R1 + R2) / R2 (или R1 / R2 + 1)

Это будет справедливо для любого усиления и любого выхода в пределах возможностей источника питания и конструкции операционного усилителя. Сигнал на частоте 10 МГц не будет соответствовать правилу, поскольку операционный усилитель почти наверняка не сможет усилить такую ​​высокую частоту.Входное напряжение 10 В с коэффициентом усиления 11 также нарушит правило, поскольку операционный усилитель имеет только ± 15 В питания, а выходное напряжение не может превышать напряжение питания. Точно так же нагрузка 8 Ом нарушит правило, поскольку операционный усилитель не может обеспечить ток, необходимый для управления такой нагрузкой.

Чтобы увидеть, как операционный усилитель ведет себя в этих ненормальных условиях, я предлагаю построить схему и запустить тесты, если у вас есть доступ к осциллографу. Изучите как входы, так и выходы, поскольку входы, безусловно, наиболее интересны, когда операционный усилитель нарушает правила.


4.2 - Инвертирующий усилитель

Когда-то все усилители инвертировали. Одиночный вентильный или транзисторный каскад (кроме буферного каскада с катодом или эмиттерным повторителем) всегда инвертирует сигнал, и именно так и должно быть (см. Основы работы усилителя - Как работают усилители).

С появлением операционных усилителей все это изменилось, и инвертирующий усилитель стал совсем другим, чем простые дискретные конструкции. Коэффициент усиления снова устанавливается парой резисторов, но вывод + in заземляется либо напрямую, либо через резистор.Эта конфигурация также называется каскадом виртуального заземления (или виртуального заземления) и широко используется в микшерных консолях и многих других схемах обработки сигналов.

При использовании в этом режиме есть как преимущества, так и недостатки. Преимущество состоит в том, что на входах нет синфазного сигнала, потому что два входа будут иметь (близкое к) нулевое напряжение. Все операционные усилители имеют некоторые дополнительные искажения из-за высоких синфазных напряжений, и хотя это редко является реальной проблемой, они могут снизить производительность, если вам нужны сверхнизкие искажения. Недостатком является то, что схема имеет более высокое «усиление шума», чем эквивалентный неинвертирующий каскад. Для буфера с единичным усилением шум будет вдвое больше, чем у неинвертирующего каскада. Уровень шума равен R2 / R1 +1. Инвертирующие каскады никогда не следует использовать в схемах со сверхмалым шумом.


Рисунок 4 - Инвертирующий усилитель

Так как + in заземлен, а Правило № 1 гласит, что оба входа должны быть одинаковыми, -in будет также иметь потенциал земли (т. Е. Ноль вольт).Предположим, что на входе 100 мВ постоянного тока. Выходной сигнал будет при -1 В постоянного тока, усиление -10 (минус указывает только на то, что он инвертирующий, а не на то, что схема имеет «отрицательное усиление», которое на самом деле является потерей).

Входной импеданс равен значению R1, а коэффициент усиления по напряжению равен R2 / R1 или 10, как показано. Обратите внимание, что эта конфигурация допускает отрицательное усиление (убыток). Если R1 больше, чем R2 (скажем, 20k), тогда усиление равно R2 / R1, как и раньше, то есть теперь -0,5.

Чтобы убедиться, что уравнение усиления работает, посмотрите на вход 100 мВ (снова мгновенный переменный или постоянный ток).Входной ток будет 100 мВ / 1 кОм (по закону Ома), то есть 100 мкА. Ток через резистор обратной связи должен быть точно равным и противоположным, чтобы гарантировать нулевое напряжение на клемме -in (чтобы мы не нарушали Правило №1). Как это бывает, -1V / 10k дает нам -100µA, токи нейтрализуются, и требования удовлетворяются, поскольку выход отрицательный.

Как и раньше с неинвертирующим усилителем, ограничения операционного усилителя и его источника питания могут привести к нарушению правила №1, но теперь усилитель больше не работает в линейном режиме, и правило №2 вступает во владение.Наблюдение за клеммой -in покажет искаженную форму волны, когда операционный усилитель больше не может работать в линейном режиме.


Рисунок 4A - Инвертирующий усилитель с Т-образной обратной связью

На рис. 4A показана альтернативная инвертирующая схема. Использование R3 и R4 означает, что можно использовать более высокий входной импеданс, но с несколько сниженным штрафом за шум из-за (очень) высокого сопротивления в цепи обратной связи. Показанная схема имеет коэффициент усиления 11,2, и если бы использовалась схема на Рисунке 4, входной резистор (R1) должен был бы быть 10 кОм, а резистор обратной связи (R2) тогда был бы 112 кОм (усиление R2 / R1).Резистор обратной связи высокого сопротивления создает шум (подробности см. В разделе «Шум в усилителях звука»). При использовании показанной схемы снижаются номиналы резисторов, а также их вклад в шум.

Прирост посчитать немного сложнее. На самом деле это всего лишь простая формула, которую можно достаточно легко восстановить из ее составных частей, если вы увидите (и поймете) отношения. Предположим, что входное напряжение 1 В (пиковое или постоянное), и обратите внимание, что R2 эффективно параллелен с R4 (вход операционного усилителя имеет нулевое напряжение).Если R1 равно R2, коэффициент усиления . ..

Av = R3 / (R4 || R2) + 1, где Av - коэффициент усиления по напряжению, а '||' означает «параллельно с»
Av = 2,2k / (220 || 10k) + 1
Av = 2,2k / 215,3 + 1 = 11,2 (11,2183, если вы хотите быть точным)

Мы знаем, что инвертирующий вход операционного усилителя должен иметь нулевое напряжение для линейной работы, поэтому напряжение на выходе операционного усилителя должно обеспечивать ровно 1 В в центре «Т» (R2, R3 и R4). Следовательно, на выходе должно быть -11.2 В, чтобы получить -1 В в этой точке, поэтому напряжение на инвертирующем входе составляет 1 В + -1 В = 0 В. Хотя эта схема немного более запутанная, чем просто использование резистора обратной связи 112 кОм, она действительно обеспечивает достойное снижение шума. Это становится более важным при дальнейшем увеличении входного импеданса и / или усиления. Вы ничего не можете сделать для увеличения входного импеданса, кроме увеличения значений R1 и R2.

Более утомительно вычислять усиление, если R1 и R2 не равны, но это можно сделать, и я оставляю читателю самим это выяснить. В общем, обычно нет веских причин для изменения этих сопротивлений, потому что большая часть усиления обычно устанавливается с помощью R3 и R4. Если необходим инвертор с высоким входным импедансом, лучше использовать неинвертирующий буфер перед инвертирующим каскадом, чтобы можно было минимизировать все значения сопротивления.

При использовании способа, показанного на рис. 4A, собственный шум операционного усилителя усиливается на 12,2, а операционный усилитель на всегда на шумнее при использовании в инвертирующих конфигурациях, чем для неинвертирующей схемы с таким же усилением.


4.3 - Инвертирующие и неинвертирующие буферы

Очень распространенное применение операционных усилителей - это буферный каскад, который (для неинвертирующей конфигурации) может иметь чрезвычайно высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс. Как и во всех схемах операционных усилителей, выходное сопротивление может быть очень низким (обычно <10 Ом), но допустимый выходной ток не позволяет схеме управлять таким импедансом более 20 мА или около того, что типично для большинства операционных усилителей. Это ограничит выходное напряжение (до ограничения) максимумом +/- 160 мВ, или около 113 мВ RMS на 8 Ом.Искажения будут неприемлемо высокими, и конечный результат не заслуживает дальнейшего рассмотрения.


Рисунок 5 - A) Инвертирующий и B) Неинвертирующий буфер

Во многих случаях неинвертирующий буфер можно заменить эмиттером или истоковым повторителем, но производительность далеко не так хороша. Входное сопротивление ниже, выходное сопротивление выше, а коэффициент усиления не совсем единица. Кроме того, имеется больше искажений и меньшая мощность выходного сигнала, а также более высокий ток покоя.

Инвертирующий буфер более удобен, чем что-либо еще, и представляет собой обычный инвертирующий усилитель с единичным усилением. Входное сопротивление такое же, как у R1, и очень высокие значения невозможны без чрезмерного шума цепи. Инвертирующий буфер также страдает от повышенного «шумового усиления» (усиление собственного внутреннего шума ИС). Это связано с тем, что сигнал имеет единичное усиление, а входной шум IC имеет усиление 2. Фактически, все каскады инвертирующих операционных усилителей имеют шумовое усиление, равное усилению по напряжению плюс один.Например, инвертирующий каскад с коэффициентом усиления 10 имеет коэффициент усиления шума 11. Шум - это отдельная тема, которая подробно обсуждается в статье «Шум в усилителях звука».


4.4 - Смещение постоянного тока

Когда любой операционный усилитель используется для усиления постоянного тока, будет некоторое смещение постоянного тока. В цепях переменного тока это легко устранить, если использовать конденсаторы на входе, выходе или и то, и другое. Величина смещения постоянного тока зависит от многих факторов, но присутствует (почти) во всех устройствах. Единственным исключением являются типы со стабилизацией прерыванием, в которых используется внутреннее переключение для устранения любой составляющей постоянного тока, не связанной с входным напряжением.Это специализированные операционные усилители, и они здесь не рассматриваются.

Распространено утверждение, что неинвертирующий вход должен иметь резистор (либо на землю, либо на сигнал постоянного тока с низким сопротивлением, требующий усиления). К сожалению, многие люди будут утверждать (и они обычно ошибаются), что резистор должен иметь то же значение, что и резистор обратной связи (то есть от выхода до инвертирующего входа). На самом деле сопротивление должно быть рассчитано с использованием информации из таблицы данных операционного усилителя для тока смещения, но вы можете получить приблизительное значение, используя то же значение, что и входной резистор .Однако это все еще не настоящий ответ - на конечный результат влияет множество факторов.

Оптимальное значение можно найти эмпирически (экспериментируя на верстаке) или расчетным путем, последнее является наиболее трудным. Некоторые операционные усилители имеют контакты, предназначенные для подключения к подстроечному узлу смещения постоянного тока, и хотя это определенно работает (или возможность не будет предоставлена), это то, что необходимо отрегулировать при построении схемы. В качестве приблизительного ориентира очень , резистор «компенсации» смещения постоянного тока будет (близок) к значению резистора обратной связи и резистора относительно земли , включенного параллельно . Например, на рис. 5A неинвертирующий вход должен быть подключен к земле через резистор 5 кОм. Обычно (но не всегда) в нем имеется параллельный конденсатор для предотвращения избыточного шума, а конденсатор должен иметь реактивное сопротивление менее 5 кОм на самой низкой интересующей частоте (только для схемы на Рисунке 5A).

Операционные усилители с входом

JFET имеют здесь определенное преимущество. Входной ток близок к нулю - операционный усилитель TL07x имеет входной ток смещения 65 пА (типичный), что становится проблемой только при сопротивлении более 10 МОм (постоянное напряжение на 10 МОм всего 650 мкВ).Для сравнения: NE5532 с входным резистором 10 МОм может вызвать появление 2 В на резисторе (типичный входной ток смещения 200 нА). Смещение постоянного тока, создаваемое входным током смещения, в значительной степени не имеет значения для операционных усилителей JFET (и, возможно, CMOS), если все значения резисторов не являются исключительно высокими. Однако это может быть , а не для некоторых конфигураций, и измерения необходимы.

Я не собираюсь подробно описывать проблемы или углубляться в математику.Если требуется очень низкое смещение постоянного тока, вам придется выбрать операционный усилитель для данной задачи и либо поэкспериментировать, либо самостоятельно рассчитать оптимальные значения резисторов. Во многих примечаниях к приложениям это описывается почти мучительно подробно, и я не буду этого делать здесь. Достаточно сказать, что это важно, если вы усиливаете постоянный ток (обычно в измерительных приложениях), но для аудио это почти не имеет значения, потому что составляющая постоянного тока легко удаляется с помощью конденсатора.


5 - Некоторые интересные вариации основных схем

Пришло время взглянуть на некоторые из множества вариаций основных схем, рассмотренных выше.Невозможно охватить все различные схемы, которые были созданы с использованием операционных усилителей, поскольку их так много, что я мог бы легко получить самую длинную в мире веб-страницу. Я сомневаюсь, что это понравилось бы большинству из вас.

Я расскажу только о наиболее распространенных или наиболее интересных, так как это позволит лучше понять, насколько на самом деле универсальны эти строительные блоки. Все следующие схемы будут работать - они не теоретические, а реальные, и все они могут быть выполнены на плате для тестирования операционных усилителей.


5.1 - Усилители высокого сопротивления

Неинвертирующий буфер использовался очень интересными способами. Например, стандартный недорогой операционный усилитель TL071 имеет входной ток смещения около 65 пА и заявленное входное сопротивление 10 12 Ом. Чтобы представить это в перспективе - если предположить, что у нас есть способ подавать ток смещения, не влияя на входное сопротивление - входное сопротивление может достигать 1000000000000 Ом. То есть 1 Ом (1 Тера-Ом равен 1000 Гиг-Ом).На практике мы полностью не сможем добиться этого, поскольку сопротивление изоляции печатной платы не соответствует этой цифре, а малейшее загрязнение резко снизит импеданс.

На самом деле, мы можем легко рассчитывать, что сможем получить входное сопротивление 100 МОм или более (у меня есть проект для испытательного усилителя на 1 ГОм), но необходимо соблюдать осторожность, поскольку с резисторами высокого номинала возникает дополнительный шум. Поскольку шум в резисторе пропорционален напряжению на резисторе и его сопротивлению, легко увидеть, как простая схема может стать настоящим генератором шума.На рисунке 6 показаны схема и макет печатной платы усилителя с очень высоким импедансом.


Рисунок 6 - Усилитель высокого сопротивления

Резистор смещения подключается к выходу, что позволяет снизить сопротивление при сохранении чрезвычайно высокого входного импеданса. Такая схема может быть использована для конденсаторного микрофона (например), который обычно будет иметь такую ​​маленькую емкость, что любая нагрузка снизит низкочастотные характеристики до неприемлемой степени.Можно увидеть охранную дорожку вокруг входа и конца R1. Что такое сторожевой путь? Читайте дальше ....

Чтобы сопротивление печатной платы не создавало проблемы, входная секция может быть «ограждена» секцией дорожки, подключенной обратно к выходу. Таким же образом работают начальная загрузка и защита. Защитная дорожка работает, поддерживая напряжение от источника с низким импедансом вокруг входной цепи, равное напряжению на входе. Если они имеют одинаковое напряжение, ток утечки не будет протекать.На самом деле все не так просто.

Предположим, что операционный усилитель имеет усиление 100 дБ на частоте 1 кГц (наша тестовая частота). Это равняется 100000 - немного стесняется бесконечности! Поскольку операционный усилитель имеет конечное усиление, буфер «единичного усиления» фактически будет иметь коэффициент усиления 0,99999, а не 1, как мы предполагали. Эта ошибка снижает способность операционного усилителя оптимально настроить схему, поэтому входное сопротивление 100 кОм будет эффективно увеличено только до 10 ГОм.

Но подождите . .. как это вообще увеличивает эффективное сопротивление? Это очень просто.Предположим, что на усилитель подается мгновенное переменное напряжение 1 вольт. Обычно это вызывает ток 10 мкА в резисторе 100 кОм на Рисунке 6. Поскольку в результате самонастройки напряжение на стыке R1 и R2 (Рисунок 6B) составляет 0,99999 В, на самом деле существует только 1 - 0,99999 = 10 мкВ. резистор. Входной ток теперь составляет 10 мкВ / 100 кОм = 100 пА (1 пикоампер - 10 E-12 A). Теперь мы можем рассчитать эквивалентное сопротивление как R = 1V / 100pA = 10G Ом. Он будет падать с увеличением частоты, когда операционный усилитель начнет терять усиление.

О да, термин «бутстрап» происходит от маловероятного изображения человека, «поднимающегося с пола на собственных шнурках». Как вы могли догадаться, этот термин несколько устарел, но никогда не было никаких попыток его изменить (слава богу). Он призван показать, что невозможное можно сделать, но на самом деле это не невозможно, и это просто очень умный пример нестандартного мышления.

Схема самонастройки не может использоваться на постоянном токе, поскольку для ее работы требуется конденсатор.Это не такое уж большое ограничение, как может показаться на первый взгляд, поскольку DC совершенно не слышно. Однако для некоторых приложений требуется высокое сопротивление по постоянному току, а затем очень высокое сопротивление. необходимы значения (например, мой тестовый предусилитель на 1 ГБ).

Многие распространенные преобразователи используют емкость в качестве механизма. Конденсаторные (то есть конденсаторные) микрофоны являются наиболее распространенным примером, но есть и многие другие. Обычно они питаются от высокого напряжения (50-200 В) через резистор очень высокого номинала.Можно было бы ожидать шума, но обычно они намного тише, чем ожидалось. На самом деле это легко объяснить ...

Емкость может быть только небольшой, но сопротивление резистора настолько велико (обычно 10 МОм или более), что сам преобразователь действует как конденсатор фильтра. Например, даже конденсатор 100 пФ является отличным фильтром нижних частот при питании с импедансом 100 МОм, имеющим верхнюю частоту -3 дБ, равную 16 Гц. Любой шум эффективно отфильтровывается емкостью преобразователя.Помните также, что на резисторе не должно быть напряжения, поскольку это означает, что что-то потребляет ток (неприемлемо для емкостного преобразователя).

Однако следует понимать, что схема начальной загрузки может иметь некоторые непредвиденные последствия. Составная схема включает в себя емкость используемого датчика, и если она изменится (например, при использовании другого датчика или более длинного кабеля), схема может либо отключиться раньше, чем ожидалось, либо показать ярко выраженный пик отклика на некоторой низкой частоте, которая определена. компонентами обратной связи.Схема начальной загрузки является обратной связью и по умолчанию создает фильтр верхних частот, который может иметь очень высокую добротность.

Это тема, достойная отдельной статьи, и, выполнив множество тестов именно с такой схемой, я слишком хорошо знаю, что это может создать проблемы.


5.2 - Имитация индуктивности

Эта трасса должна быть одной из самых классических на все времена. Хотя это также можно сделать с одним транзистором (включая JFET или MOSFET), производительность версии с операционным усилителем настолько лучше, что альтернативу действительно не стоит рассматривать.

Катушки индуктивности всегда были проблемой в электронике, так как они по своей природе относительно большие и состоят из катушки с проволокой, как правило, улавливают гул сети, а также другие шумы в электромагнитном спектре. Идея моделирования катушки индуктивности с использованием операционного усилителя возникла давно. Изобретателем был голландский инженер по имени Бернар Теллеген, которому мы все в большом долгу за то, что это такая полезная схема. См. Википедию для получения дополнительной информации.


Рисунок 7 - Имитация индуктора

Схема намного меньше реальной катушки индуктивности (по крайней мере, для больших значений) и не страдает от наводок. У него ограниченная добротность (добротность), но в аудиосистеме редко требуются схемы с очень высокой добротностью, так что это не проблема. Он также варьируется в умеренно широком диапазоне, что очень сложно с «подлинными» изделиями с проволочной намоткой. R2, параллельный «цепи» индуктора, редко отображается на диаграммах «эквивалентности», но если вы хотите получить точное представление, его необходимо включить. Смоделированные и реальные катушки индуктивности работают одинаково, если включено параллельное сопротивление.

Итак, как это работает?

Идея очень проста, но работать с ней труднее. По сути, в схеме используется конденсатор, который «меняет направление» его работы, образуя «индуктор». Существенный характер индуктора заключается в том, что он сопротивляется любому изменению его тока, поэтому, если к индуктивности приложено постоянное напряжение, ток будет медленно расти, а напряжение будет падать, пока внутреннее сопротивление не станет значительным.

Катушка индуктивности также лучше пропускает низкие частоты, чем высокие, в отличие от конденсатора. Идеальный (снова это слово) индуктор имеет нулевое сопротивление, поэтому он будет пропускать постоянный ток без ограничений, но будет иметь бесконечно высокий импеданс на бесконечной частоте. Обычно считается, что эти ограничения выходят за пределы звукового диапазона.

Чтобы понять, как работает схема, помните, что выход операционного усилителя (почти) точно такой же, как и неинвертирующий вход. Представьте, что на вход внезапно через резистор R1 подается постоянное напряжение 1 В. Операционный усилитель проигнорирует внезапную нагрузку, потому что изменение связано напрямую со входом через C1.Операционный усилитель будет иметь высокий импеданс. Так же, как индуктор.

С течением времени C1 заряжается через R2, напряжение на R2 падает, операционный усилитель воспринимает входной сигнал все меньше и меньше и начинает потреблять ток от входа через R1. Это продолжается, когда конденсатор приближается к полной зарядке, а входной сигнал операционного усилителя близок к нулю, поэтому выходное напряжение также близко к нулю вольт.

В конце концов, резистор R1 становится единственным ограничивающим фактором для протекания тока, и это проявляется как последовательное сопротивление внутри индуктора, точно так же, как сопротивление провода в реальной катушке индуктивности.Это последовательное сопротивление ограничивает доступную добротность как моделируемой, так и реальной катушки индуктивности, с основным различием в величине - реальные катушки индуктивности обычно имеют меньшее сопротивление, чем моделируемая разновидность, но с высокими значениями индуктивности, часто необходимыми для звука, это может быть неверно.

Индуктивность измеряется в Генри, и для моделируемой катушки индуктивности равна ....

L = R1 × R2 × C1

Более точная версия формулы (из-за Зигфрида Линквица) показана ниже, но обычно ошибка простой версии будет очень низкой с типичными значениями - соотношение 100: 1 обычно будет самым низким из используемых, это будет иметь ошибку всего 1%.Допуск компонентов будет иметь больший эффект, но для полноты, вот точная версия . ..

L = C1 × R1 × (R2 - R1)

... так что для показанной схемы это 1 Генри. Это большая индуктивность, и она была бы очень дорогой и громоздкой, если бы была сделана обычным способом. Реальная индуктивность будет иметь меньшее сопротивление и более высокую добротность, но потребуется большой железный сердечник, чтобы выдерживать даже небольшое количество постоянного тока, а индуктивность будет меняться в зависимости от того, сколько постоянного тока присутствует.Имитация катушки индуктивности ограничена допустимым током операционного усилителя, поэтому может выдерживать ток до +/- 20 мА без изменения производительности.

Имитация катушки индуктивности имеет некоторые ограничения ...

  • Первое (и самое неприятное) это то, что один конец индуктора заземлен. Хотя смоделированные индукторы были сделаны плавающими (могут быть подключены в как хотите), они дорогие и редкие. К счастью, стандартная версия вполне подходит для многих аудиоприложений, так что это не так уж и здорово. бремя.
  • Смоделированная катушка индуктивности не может быть изготовлена ​​с высокой добротностью, так как значение R1 не может быть достаточно низким, чтобы обеспечить добротность более 10. Это связано с тем, что ограничения операционного усилителя - для R1 обычно указывается минимальное значение 100 Ом, хотя иногда используются более низкие значения. Это представляет собой последовательное сопротивление (эквивалентно сопротивлению провода в реальной катушке индуктивности).
  • Существует также активное сопротивление, подключенное параллельно моделируемой катушки индуктивности, равное значению R1 + R2.Хотя это можно измерить, это не так. вообще помеха для практического проектирования схем.
  • Хотя смоделированная катушка индуктивности во многом похожа на настоящую, в ней нет такого же накопителя энергии, и она не может реагировать как настоящая рана. катушка индуктивности. Когда входное напряжение внезапно снимается с реальной катушки индуктивности, коллапс магнитного поля вызывает большой импульс напряжения противоположной полярность - это не происходит должным образом с моделируемой катушкой индуктивности, поскольку в ней отсутствует магнитное поле. Смоделированная катушка индуктивности все еще будет пытаться, но обратная ЭДС ограничена размахом напряжения операционного усилителя, поэтому импульс обратного хода ограничен этим значением.

На рисунке 8 показаны два простых ЖК-фильтра. В одном из них используется реальный дроссель, а в нижней цепи - смоделированный дроссель. Оба они представляют собой последовательные резонансные цепи и настроены на одинаковую частоту (159 Гц). Контрольный уровень (в верхней части графика) равен 0 дБ, и ни одна из схем не демонстрирует каких-либо заметных потерь за пределами полосы заграждения.


Рисунок 8 - Фильтры LC, реальные и имитированные

Производительность этих двух устройств практически идентична, и график отклика показывает отклик обоих. «Rw» - это сопротивление обмотки катушки, которое эквивалентно R1 в цепи гиратора. Смоделированная катушка индуктивности может иметь немного более мелкую выемку, примерно 37 дБ вместо 40 дБ. Частота рассчитывается от . ..

f = 1 / (2 × π × √ (L × C)) Гц

Последовательный резонансный контур имеет минимальный импеданс при резонансе и в показанной конфигурации будет действовать как режекторный фильтр, уменьшая уровень на резонансной частоте.Из-за относительно низкой добротности выемка не очень резкая, но смоделированная катушка индуктивности является важным строительным блоком для эквалайзеров и дисплеев спектра и довольно часто встречается в аудио.

Обратите внимание, что на стыке Cin и катушки индуктивности напряжение выше входного. Это нормальное поведение для последовательного резонансного контура. Это также происходит с имитацией катушки индуктивности, но амплитуда ограничена напряжением питания операционного усилителя. Настоящая катушка индуктивности не имеет такого ограничения, и при наличии достаточного входного тока могут генерироваться чрезвычайно высокие напряжения.


5.3 - Полнопроходной фильтр

Пропускной фильтр - один из самых странных. Он отлично передает все частоты, без какого-либо ослабления в пределах возможностей используемого операционного усилителя. Все, что он делает, это изменяет фазу сигнала, и эта схема используется во всем, от схем фазовой коррекции для сабвуферов до педалей гитарных эффектов. Иногда он также используется в качестве аналоговой задержки, но подходит только для очень коротких задержек (обычно менее 1 мс). Это универсальный и полезный строительный блок, схема которого показана на рисунке 9.


Рисунок 9 - Полнопроходной фильтр

Показанная схема будет иметь фазовый сдвиг 90 градусов на частоте 159 Гц. На постоянном токе фазовый сдвиг составляет 180 °, а на высоких частотах - 360 ° (обратите внимание, что фазовый сдвиг на 360 ° равен , почти то же, что и 0 ° - есть небольшая разница для переходных сигналов, поэтому их можно считать идентичными. только для условий установившегося сигнала). Сдвиг фазы относительно центральной частоты совершенно не слышен, но если вместо R2 заменить потенциометр, фаза может качаться вперед и назад. Это слышно, и путем каскадирования ряда этих схем можно создать педали эффектов «фазер» или вибрато (частотная модуляция). Один из последних описан на страницах моих проектов.

Входной сигнал эффективно подается на оба входа операционных усилителей, но всегда есть небольшая разность фаз, за ​​исключением постоянного тока или бесконечной частоты. Значение C1 и R2 определяет частоту, при которой происходит сдвиг на 90 ° (или 270 °), а частота определяется по формуле ...

fo = 1 / (2 × π × R2 × C1)... где fo - частота сдвига фазы на 90 °

Быстрый анализ покажет, как это работает. Предположим, что вход постоянного тока составляет 1 В; при постоянном токе колпачок не действует, поэтому схема работает как инвертирующий буфер. Таким образом, выходной сигнал составляет -1 В, поэтому имеется фазовый сдвиг на 180 °. На высоких частотах реактивное сопротивление C1 незначительно, и полный входной сигнал подается на клемму + in операционного усилителя. Помня Правило № 1, выход операционного усилителя будет таким, что оба входа будут иметь одинаковое напряжение, и для этого выход должен быть равен входу на высоких частотах.

На промежуточных частотах комбинация C1 и R2 вместе с R1 и R3 гарантирует, что выходная амплитуда останется постоянной, но фаза изменится. Относительное положение C1 и R2 можно поменять местами, что изменит характеристики схемы.


5.4 - Генератор фазового сдвига

В жизни есть много вещей, которые я не понимаю, но одна из самых простых - это генератор фазового сдвига, реализованный с использованием операционного усилителя. Не поймите меня неправильно - схему я прекрасно понимаю.Бит, который я не понимаю, - это почему (до сравнительно недавнего времени) я никогда не видел опубликованной этой схемы - нигде ???

В период своего расцвета схема генератора с фазовым сдвигом использовалась почти везде, где требовался простой генератор синусоидальной волны, и я видел, как он был выполнен с клапанами, транзисторами и даже полевыми транзисторами. Обратите внимание, что при использовании одного транзистора, клапана или полевого транзистора положения резисторов и конденсаторов меняются местами (т. Е. Колпачки включены последовательно, а резисторы соединены с землей).То, что я видел , а не , пока я не разработал его, было генератором фазового сдвига, использующим операционный усилитель и конфигурацию, показанную ниже. Как выяснилось, хотя я этого не видел, видел мой верный (де-факто) редактор в Великобритании. Эта статья была впервые опубликована в 2000 году, и с тех пор показанная схема была опубликована на многих веб-страницах, но факт остается фактом, что еще в 2000 году в Интернете не было никаких признаков этого.

С тех пор я видел его в ряде публикаций, в том числе в книге Джона Линсли-Гуда «Искусство линейной электроники».JLH также предоставляет уравнение для расчета частоты ...

f o = √6 / (2 × π × C × R)) где R - сопротивление (R1 = R2 = R3), а C - емкость (C1 = C2 = C3)

Коэффициент усиления контура должен составлять 29,25 дБ согласно Линсли-Худу, и, не имея дополнительной информации, я должен предположить, что формула применима только в том случае, если все резисторы и конденсаторы равны, а коэффициент усиления будет минимальным, необходимым для колебания цепи. У любого операционного усилителя будет достаточное усиление для частот как минимум до нескольких кГц.


Рисунок 10 - Генератор фазового сдвига

Стабильность частоты этой схемы довольно хорошая, но, как и у всех генераторов с фазовым сдвигом, амплитуда изменяется при изменении частоты. Для изменения частоты можно изменять любой резистор, а использование потенциометра позволяет непрерывно изменять его в диапазоне 5: 1 (или больше, если вы экспериментируете со значениями компонентов).

Это прекрасный пример того, что операционный усилитель не может подчиняться Правилу №1, и его работа полностью регулируется Правилом №2.Схема намеренно нестабильна, и операционный усилитель всегда пытается догнать, но безуспешно. Если бы было иначе, схема перестала бы колебаться.

Частота - это корова, чтобы определить, используются ли разные значения для R или C, и хотя я считаю, что - это формула , очевидно, это очень утомительный процесс (я сам не видел этого). Схема, показанная выше, будет работать с частотой около 360 Гц с выходным синусоидальным напряжением около 125 мВ (с питанием ± 5 В) - хотя формула JLH указывает, что она должна колебаться на частоте 390 Гц.Если вы действительно хотите узнать , вам придется его построить. Изменение номинала любого резистора или конденсатора изменит искажение, частоту и амплитуду. Прямоугольная волна на выходе близка к полному напряжению питания (ограниченному выходной цепью операционного усилителя). При питании ± 5 В, как показано выше, амплитуда прямоугольной волны составляет около ± 3,5 В при использовании операционного усилителя TL071.

Синусоида, показанная на осциллограмме, получена от терминала «Sine», а прямоугольная волна - с выхода операционного усилителя («Sqr»).Цепочка резисторов и колпачков действует как схема фазового сдвига, и колебания происходят на той частоте, где есть точный сдвиг на 180 градусов, преобразовывая отрицательную обратную связь в положительную. Схема стабильна на постоянном токе, поскольку имеет отрицательную обратную связь через цепочку резисторов.

Давайте посмотрим, как это работает. Помните Правило №2? Теперь посмотрим на сигнал на инвертирующем входе. Как видите, выход принимает полярность наиболее положительного входа, поэтому, когда клемма -in положительная, выход отрицательный.Через некоторое время, зависящее от сопротивления и емкости, напряжение на клемме -in упадет до нуля вольт и, в конечном итоге, станет отрицательным - выход сразу станет положительным, и цикл будет повторяться. Как и все схемы фильтров, схема резистор / конденсатор (R / C) вводит временную задержку, и именно она (плюс сформированный простой фильтр нижних частот) создает синусоиду с искажением около 2%. Отнюдь не замечательно, но вполне достаточно для ряда простых приложений.

Синусоидальный выходной сигнал имеет относительно высокий импеданс и перед использованием должен быть буферизован операционным усилителем. Любая нагрузка изменит как амплитуду, так и частоту.


5.5 - триггерный осциллятор Шмитта

Генератор триггера Шмитта, также известный как автономный мультивибратор, является гораздо более традиционным с точки зрения конструкции операционных усилителей. Как и генератор с фазовым сдвигом (на самом деле, как и все генераторы), это по своей природе нестабильная схема. Также, как и в предыдущем примере, эта схема не может подчиняться Правилу №1 (поскольку это сделает ее стабильной), поэтому вместо этого следует Правило №2.


Рисунок 11 - Триггерный осциллятор Шмитта

Эта схема очень распространена там, где требуется генератор, но, как показано, выдает треугольную форму волны с довольно высоким содержанием гармоник. Выходной сигнал операционного усилителя - прямоугольная волна. Обратите внимание на использование положительной обратной связи через R2 и R3. Это конкретное соединение создает триггер Шмитта, полезную, но довольно непостижимую схему для новичка. Хотя это простая схема, понимания того, как она работает, нет.

Предположим, что напряжение питания составляет ± 5 В, и мы будем использовать потери в выходном каскаде операционного усилителя, как показано на рисунке 11.Мы начнем с того момента, когда на выходе операционного усилителя будет + 3,5 В. На клемме + in будет 1,75 В, поскольку между выходом и землей есть делитель напряжения. Таким образом, C1 будет заряжаться до положительного напряжения до тех пор, пока напряжение не станет немного выше 1,75 В. Так как должно соблюдаться Правило № 2, вход -ve теперь более положительный, поэтому выход будет отрицательным. Теперь крышка должна разрядить свое положительное напряжение и начать зарядку до отрицательного напряжения. Если отрицательное напряжение меньше (больше отрицательного) -1.75 В, выходной сигнал будет положительным, и цикл будет повторяться. Выходной прямоугольный сигнал составляет ± 3,5 В, а треугольный сигнал - ± 1,75 В.

По крайней мере, можно определить частоту этого генератора, а она примерно равна ....

Х = R3 / (R2 + R3)
f o = 1 / (2 × R1 × C1 × ln ((1 + X) / (1 - X))

Для приведенного выше примера (после того, как было отмечено, что ln - это натуральный логарифм (основание «e»), а не основание 10), частота равна. ..

X = 100 тыс. / 200 тыс. = 0,5
f o = 1 / (2 × 100k × 10nF × ln (1,5 / 0,5))
f o = 1 / (0,002 × ln (3))
f o = 455 Гц

Выходной сигнал треугольной волны имеет относительно высокий импеданс и должен быть буферизован операционным усилителем, прежде чем использовать его для чего-либо. Любая нагрузка изменит частоту, но не амплитуду (это фиксируется делителем напряжения R2 и R3). Если нагрузка слишком велика, осциллятор остановится. В остальном это надежный недорогой генератор, простой в сборке и подходящий везде, где требуется прямоугольная волна (или буферизованная треугольная волна).Он будет нормально работать от одного источника питания, но вам понадобятся два резистора R3 , каждый из которых удваивает значение, которое вы обычно используете. Один подключен к источнику питания + ve, а другой - к земле, при этом центральный отвод подключен к неинвертирующему (+ ve) входу операционного усилителя и R2. Резисторы образуют делитель напряжения с номинальным центральным напряжением 1/2 напряжения питания.

Время нарастания и спада на выходе прямоугольной волны настолько велико, насколько это позволяет операционный усилитель. Если операционный усилитель имеет низкую скорость нарастания (например, µA741) и у вас есть размах размаха 6 В, время нарастания и спада прямоугольной волны будет около 8 мкс.Генератор, построенный на таком медленном операционном усилителе, можно будет использовать до 4 кГц. TL071 или аналогичный будет вполне доволен до 30 кГц и более. Однако это не точная схема, и она не подходит, если вам нужна очень стабильная частота.


Приложение к части 1 (паразитная емкость)

Одна вещь, которая не описана выше, - это потенциальная чувствительность инвертирующего входа к паразитной емкости. Даже небольшое количество может создать проблемы на высоких частотах. Само собой разумеется, что все дорожки на печатной плате, которые подключаются к инвертирующему входу, должны быть как можно короче. Если он используется в качестве точки суммирования (например, в смесителе), то суммирующие резисторы должны находиться рядом с операционным усилителем. Эта проблема усугубляется при использовании высокоскоростных операционных усилителей, и, если ее не решить, в крайних случаях могут возникнуть колебания.


Рисунок A1 - Компенсация входной емкости

Одним из способов решения любых проблем, связанных с емкостью, является использование конденсатора параллельно с резистором обратной связи (C comp ), как показано выше. Значение определяется емкостью на входе, коэффициентом усиления схемы, номиналами резисторов и обычно является неизвестной величиной.Все дорожки на печатной плате имеют некоторую емкость, и ее влияние увеличивается, если на печатной плате есть заземляющий слой. В большинстве случаев будет легче получить подходящую емкость обратной связи экспериментальным путем, потому что обычно бывает сложно или невозможно измерить ее напрямую.

Например, если показанная схема имеет паразитную емкость 100 пФ (чего на самом деле довольно сложно достичь). Компенсационный конденсатор должен быть около 15 пФ, чтобы предотвратить повышение частоты и нестабильность потенциала.Если один из входов удален (или оставлен плавающим), значение C comp должно быть больше - около 18 пФ. Любая паразитная емкость на инвертирующем входе вызовет проблемы независимо от топологии схемы. Выше показан инвертирующий каскад, но он так же важен для неинвертирующего каскада с (например) переключаемыми резисторами для управления усилением.

К счастью, это редко является проблемой, с которой кто-либо сталкивается, потому что разумная практика компоновки гарантирует, что паразитная емкость будет низкой, и очень редко можно увидеть какой-либо высокочастотный звон с прямоугольным входом, который является верным признаком потенциальной нестабильности.При показанном довольно преувеличенном значении паразитной емкости C нестабильность практически гарантирована, но, к счастью, паразитная емкость выше нескольких пФ редко встречается. Обычно это приводит к возникновению проблем за пределами верхней АЧХ операционного усилителя.

Например, даже при использовании «идеального» операционного усилителя 22 пФ C , паразитный приведет к увеличению выходной мощности на 3 дБ при частоте чуть менее 2,9 МГц - очень немногие операционные усилители имеют полезный коэффициент усиления на такой высокой частоте, поэтому это не проблема. Однако, если вы изучите схему Project 88, вы увидите, что если первый каскад усиления установлен на усиление 0 дБ, резистор обратной связи заменяется перемычкой.Тогда паразитная емкость не влияет на отклик. Также есть предупреждение, чтобы убедиться, что хотя бы один переключатель усиления включен, чтобы минимизировать влияние паразитной емкости.

Хотя вы не будете часто сталкиваться с этой конкретной проблемой, вам необходимо знать об этом. Кажущаяся «незначительной» ошибка со следами печатной платы может вызвать проблемы. Если вы не подозреваете о возможности возникновения нежелательных высокочастотных проблем (которые могут включать в себя колебания с очень быстрыми операционными усилителями), то вы не знаете, что искать.


Приложение 2 - Эквивалентная схема µA741

Чтобы дать вам представление о сложности операционного усилителя, на следующем рисунке показана (примерно) эквивалентная схема для известного Fairchild µA741. Это был первый дизайн с внутренней компенсацией, выпущенный в 1968 году. Он быстро стал бестселлером и был проще в использовании, чем все, что было до него. ΜA741, возможно, является наиболее широко используемым операционным усилителем всех времен, и, несмотря на свой возраст, он все еще доступен по сей день.Показанная схема была упрощена, и в сети есть несколько версий, большинство из которых очень похожи на показанные.

При первом выпуске наиболее распространенным корпусом была металлическая банка (корпус TO-99), а также керамический 14-контактный корпус DIL для военных спецификаций. Я впервые начал использовать их (металлические банки!) Примерно в 1972 году или около того, и в то время они были на удивление дорогими. Однако, чтобы получить ту же производительность от дискретной схемы, необходимо использовать гораздо больше деталей, и в конечном итоге будет стоить примерно столько же, сколько и ИС (особенно с учетом времени сборки).


Рисунок A2 - Эквивалентная схема µA741

Широко используются зеркала тока, а количество резисторов сведено к минимуму. Это связано с тем, что резисторы - неэффективный способ использования кремния, а их значения трудно контролировать с какой-либо точностью. Поскольку схема «эквивалентна», она отличается от той, что представлена ​​в некоторых таблицах данных. Некоторые вещи, которые работают в ИС, не работают с отдельными частями, и наоборот. Входной каскад - это предполагаемая дифференциальная пара, но для входных транзисторов используются эмиттерные повторители, чтобы уменьшить ток смещения и увеличить эффективное входное сопротивление.Остальная часть схемы обеспечивает усиление по напряжению и, наконец, выходной каскад с защитой от короткого замыкания.

Что отличает µA741 от предыдущих операционных усилителей, так это компенсационный конденсатор. Все предыдущие операционные усилители использовали внешнюю компенсацию, и создание стабильного операционного усилителя с единичным усилением без внешней компенсации сделало его незаменимым для бесчисленных приложений. Базовая архитектура также используется во многих других конструкциях, в первую очередь в модели 1458 - по сути, двойной µA741.

В 1970-е годы было трудно найти схему, в которой не использовал бы хотя бы один мкА741, часто с дополнительными дискретными частями для увеличения выходного тока или уменьшения входного шума.Даже фонокорректоры (с дискретным входом для снижения шума) использовали µA741 - не совсем идеально, но в целом лучше, чем полностью дискретные конструкции, которые были до него. Доступно довольно много веб-страниц, на которых подробно описывается µA741, поэтому, если вы хотите узнать больше, выполните поиск в Интернете.

Веб-сайт

One даже предлагает комплект для создания собственной полностью дискретной версии µA741 - поскольку я не связан с продавцом, я не собираюсь указывать здесь URL-адрес, но его легко найти.Изучение схемы (особенно с помощью моделирования) поучительно, и схема, показанная выше, моделируется очень хорошо. Искажения выше, чем у модели µA741 симулятора, но в остальном производительность очень похожа. Практически невозможно построить схему ИС из дискретных частей и получить идентичную производительность, потому что компоненты в ИС оптимизированы (и очень хорошо согласованы там, где это необходимо). С дискретными частями это сделать не так просто, поэтому производительность пострадает. Тем не менее, это поучительно и помогает понять, как работают операционные усилители на интегральных схемах.


Часть 2 Часть 3


Список литературы

При составлении этой статьи я использовал различные ссылки, большинство из которых основано на моих собственных накопленных знаниях. Некоторые из этих накопленных знаний напрямую связаны со следующими публикациями:

National Semiconductor Linear Applications (I и II), опубликовано National Semiconductor
National Semiconductor Audio Handbook, опубликовано National Semiconductor
IC Op-Amp Cookbook - Walter G Jung (1974), опубликовано Howard W. Sams & Co., Inc. ISBN 0-672-20969-1
Листы технических данных от National Semiconductor, Texas Instruments, Burr-Brown, Analog Devices, Philips и многих других.
Philbrick Archive - много информации об очень ранних ламповых операционных усилителях, а также более поздних транзисторных версиях. Отличное чтение!

Рекомендуемая литература

AN166 - Базовая теория обратной связи, Примечание по применению Philips Semiconductors, декабрь 1988 г. (см. Примечание 1)
Операционные усилители для всех - Рон Манчини, главный редактор Texas Instruments, сентябрь 2001 г.

Примечание 1: ошибок в этом документе, и я добавил примечания в формате PDF, объясняющие, что не так в каждом месте.



Указатель статей
Основной указатель
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2000. Воспроизведение или повторная публикация любыми способами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки.Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана и авторские права © Род Эллиотт, 25 апреля 2000 г. / Обновлено 3 мая - добавлена ​​дополнительная информация / июнь 2017 г. - дополнительная информация, незначительное переформатирование. / Октябрь 2019 - включены схема и текст µA741.


Смещение операционных усилителей в класс A

Введение

«Класс A» относится к настройке усилителя таким образом, чтобы его устройства вывода остаются включенными все время. Это снижает тепловую вариации и устраняет искажения кроссовера, что делает чип работать лучше.Чтобы подключить операционный усилитель к классу A, вы просто подключаете ток источник с выхода операционного усилителя на одну из шин питания. Все остальное - детали. Эта статья посвящена этим деталям.

Если вы хотите испытать эти идеи на реальной схеме, вы можете оставить существующее смещение класса A схему из PIMETA v2, и поставить эти цепи через позиции Q3 от коллектора до эмиттера. (Видеть схема PIMETA v2.) то есть эти уникальные части каждой описанной здесь схемы смещения входят в место символа постоянного тока на схеме справа.

Эта статья в некотором роде является историей смещения класса A в предшественники PIMETA v2: META 42, МЯТ, ППА v1, PPA v2 и PIMETA v1. Тем не менее, эти техники применимы ко многим другим типам схем операционных усилителей.

Теория

Идеальным источником тока является любое устройство, пропускающее постоянную величина тока независимо от того, какое падение напряжения на нем. Естественно, идеального источника тока не существует, поэтому этот статья опишет несколько альтернатив возрастающей сложности и близость к идеалу.Большинство этих вариантов могут быть реализованы на печатную плату PIMETA, и все они могут быть выполнены на PPA, поэтому в тексте будет ссылка на расположение деталей на этих платах.

Когда вы помещаете источник тока на выход операционного усилителя внутри петля обратной связи, она заставляет операционный усилитель постоянно «бороться» с Источник тока. Чип должен выдавать не меньше тока, чем источник тока требует, чтобы на его выходе было напряжение Требуются входы операционного усилителя.В противном случае текущий источник вытащил бы выход операционного усилителя на V-. Эта постоянная борьба с течением источник держит выходной каскад операционного усилителя постоянно включенным, с постоянным током. Вуаля, предвзятость класса А.

Причина, по которой мы подключаем источник тока к V-, заключается в том, что он заставляет NPN-транзисторы в операционном усилителе должны оставаться активными вместо PNP, как если бы мы подключились к V +. Это работает в любом случае, но в целом транзисторы PNP ведут себя не так хорошо, как NPN, поэтому мы лучше заставим NPN делать работу.

Текущий уровень, который должен пройти текущий источник, зависит от на какой нагрузке работает операционный усилитель. Простое правило для этого: держите операционный усилитель в классе A, он должен пропускать больше тока все времени, чем нагрузка примет сама по себе. Представьте себе, что максимум ожидаемый уровень сигнала составляет 3 В среднеквадратического значения, и мы буферизуем операционный усилитель с Elantec EL2001, который имеет минимальное входное сопротивление 1 МОм. Пиковое напряжение составляет 4,2 В (1,414 × 3 В среднекв.), Поэтому максимальный уровень тока между выходом операционного усилителя и буфер равен 4.2 мкА, что также является минимальным значением для Источник тока.

Однако мы не хотим делать текущее исходное значение минимальным. В нижних пределах транзисторы нелинейны, и мы пытаюсь избавиться от нелинейностей с помощью этого твика. Следовательно, в буферная схема операционного усилителя, вы обычно видите смещение не менее 0,5 мА, а иногда до 5 мА. Сумма, которую вы должны использовать, зависит от об операционном усилителе и характеристиках сигнала; Вы должны будете экспериментируйте, если хотите найти оптимальное значение.

Здесь я должен повторить, что эти цифры относятся только к буферные схемы на операционных усилителях. Если операционный усилитель управляет нагрузкой с низким сопротивлением, вам придется использовать более высокий уровень смещения. Представьте себе, что операционный усилитель прямое управление наушниками 32 Ом. Самый громкий уровень сигнала будет вероятно, будет около 0,5 В среднеквадратического значения для таких наушников, что означает, что пиковое напряжение составляет 0,7 В, поэтому пиковое потребление тока составляет около 22 мА. Следовательно, ваша систематическая ошибка класса A должна быть выше, чем 22 мА, чтобы микросхема всегда работала в классе А.

Из этого обсуждения может показаться, что чем выше уровень смещения, лучше. Не так. Обязательно взгляните на свой операционный усилитель. лист данных, чтобы узнать его характеристики выходного тока. Если операционный усилитель способен выдавать максимум 40 мА, при этом 22 мА источник тока на выходе операционного усилителя, скорее всего, сделает микросхему работать хуже, чем без смещения. На этом уровне вы вероятно активация схемы ограничения тока операционного усилителя, и вы повышаете рабочую температуру чипа значительно.Мораль этой истории в том, что вам нужен операционный усилитель. способен подавать на нагрузку значительно больший ток, чем строго требуется, если вы хотите добавить в него настройку смещения.

Метод испытаний

Для всех следующих методов испытание заключалось в измерении силы тока. при изменении напряжения на приборе от 5 до 15 В. Это имитирует размах сигнала переменного тока 10 В (3,5 В среднеквадратического значения). в диапазоне питания ± 10 В. Немногие наушники требуют этого большое напряжение, чтобы звучать громко, но такое напряжение это не совсем что-то неслыханное.Это тоже не необоснованно высокий значение напряжения с практической точки зрения: любой приличный операционный усилитель может выдать такое большое напряжение при питании ± 9 В или выше. Наконец, высокое испытательное напряжение помогает различать различные смещения методы, которые я тестирую ниже. Раньше я тестировал более низкое напряжение, и лучшие методы становятся почти неразличимыми при более низком напряжении дифференциалы с моим испытательным оборудованием.

Я измерил уровень тока в трех точках: 5 В, 10 В, и 15 В. Затем я даю изменение тока от 10 В до до 5 В и от 10 В до 15 В.Это дает плюс / минус процентное отклонение от центрального напряжения, которое в аудиоусилителе быть таким же, как заземление сигнала - точка «покоя» для усилитель. Вы заметите, что в большинстве этих методов отрицательные колебания хуже. Это связано с тем, что в большинстве текущих выпусков регулирование улучшается по мере увеличения напряжения на нем.

Метод 1: Резистор

Закон Ома гласит, что I = V ÷ R. Поскольку R постоянно с резистором, если V - падение напряжения на резисторе, в в этом случае - тоже постоянный, тогда ток через резистор (I) постоянный.

Допустим, вы питаете операционный усилитель от Питание ± 12 В. При отсутствии выходного сигнала расстояние будет 12 В между выходом операционного усилителя и V-. Если вы положите резистор 10 кОм от выхода операционного усилителя к V-, вы получить 1,2 мА потребляемого тока, в то время как выход операционного усилителя остается на 0.

Попытка рассматривать простой резистор как Источник тока. Во-первых, он будет давать только постоянный уровень тока, пока выходной сигнал операционного усилителя остается постоянным.Если операционный усилитель усиливая музыкальный сигнал, уровень смещения будет постоянным только во время тихие части, но есть уклон, чтобы улучшить слышимые части. Это не означает, что смещение резистора бесполезно, просто уровень смещения будет изменяться в зависимости от уровня выходного сигнала, что является неоптимальным. С нашим сигналом 3,5 В (среднекв.) На резисторе 10 кОм ток уровень будет отличаться на ± 50%! Если вы используете аккумулятор питания, изменение тока будет ухудшаться по мере того, как батареи вольтаж.

Вторая проблема этого метода заключается в том, что чем выше сопротивление нагрузки операционного усилителя, тем лучше динамические характеристики операционный усилитель.Это одна из причин, по которой буферы помогают операционным усилителям работать лучше: они представляют собой импеданс операционного усилителя в диапазоне мегом. Используя резистор в диапазоне килоом, чтобы смещать выход операционного усилителя сводит на нет это преимущество.

Метод второй: Одинокий JFET

Исправить обе эти проблемы несложно. Простой N-канал JFET, настроенный, как на схеме справа, является довольно хорошим током источник.

У

JFET есть свойство IDSS, которое расшифровывается как Current (I). от стока к источнику при насыщении.N-канальный JFET насыщается, когда Напряжение затвор-исток равно 0 В, чего можно просто добиться связывая их вместе. IDSS JFET - это случайное значение, которое падает в пределах определенного диапазона, который вы можете найти в JFET техническая спецификация. Этот диапазон является результатом производственных вариаций, и каждый часть будет иметь стабильное значение где-то в этом диапазоне. Также, разные партии деталей будут иметь тенденцию попадать в разные части спектр.

По мере увеличения сопротивления между затвором и истоком падение напряжения между ними увеличивается, поэтому ток через JFET падает.Вы можно использовать это свойство для настройки тока через JFET, несмотря на дикие вариации в IDSS. В качестве бонуса добавление исходного резистора имеет тенденцию повысить стабильность источника тока в целом.

Ток через одиночный полевой транзистор без резистора источника изменяется на -3,0 / + 1,6% в моем тесте. Если вы добавите резистор источника 470 Ом, в той же ситуации дисперсия снижается примерно до ± 1,5%. Другой Преимущество использования JFET вместо простого резистора заключается в том, что вход импеданс JFET находится в диапазоне мегом, поэтому операционный усилитель все еще видит почти идеальная нагрузка.

Давным-давно несколько производителей полупроводников сделали инкапсулированная версия этой схемы, называемая регулирующим диодом тока, или CRD. Обычно он был упакован в корпус DO-35, как небольшой сигнал. диод, хотя упаковка транзисторного типа также была доступна. В преимущества заключались в том, что они упаковали его для вас и подрезали, так что вы не нужно было делать собственное объединение JFET. Следовательно, CRD были довольно дорогие комплектующие. Между этим и развитием цифровых технологий электроники и относительного упадка аналоговой электроники, этот класс устройство сейчас довольно сложно найти у дистрибьюторов.Жалко.

Есть две новые проблемы с использованием одиночных JFET в качестве текущих источников. (Или CRD, если на то пошло.)

  1. JFET имеют небольшую входную емкость. Эта емкость способна в диапазоне пикофарад, но вы не хотите заблудиться емкость на пути прохождения сигнала вообще, если вы можете помочь. Помещение Сопротивление резистора от 100 Ом до 1 кОм на линии от Выход операционного усилителя поможет изолировать выход операционного усилителя от это емкость. (Это назначение R10 в PIMETA v1 и PPA.)

  2. Простой источник тока на полевом транзисторе все еще имеет большую дисперсию, чем мы хотеть. Мы можем лучше.

Метод третий: каскад JFET

Если вы поместите второй JFET между выходом операционного усилителя и JFET настроенный, как указано выше, у вас есть конфигурация "каскода". (См. схема справа.) Каскод JFET имеет очень интересное взаимодействие. Q1 представляет собой довольно стабильное смещение тока для Q2, что означает, что Q2 будет иметь тенденцию пропускать довольно стабильный уровень напряжения от операционного усилителя. вывод через Q1.И наоборот, Q1 теперь видит более стабильное напряжение, чем это было бы, если бы он был подключен прямо к выходу операционного усилителя, поэтому ток, протекающий через него, меняется не так сильно, что помогает Q2 поддерживать стабильный уровень напряжения. Таким образом, каждый JFET действует как помогают поддерживать стабильность в другом JFET, что приводит к почти постоянному уровень тока через каскод, несмотря на изменение входного напряжения. В моем тесты, текущая вариация для правильно настроенного каскода была примерно в диапазоне ± 0,5%. Это всего несколько десятков микроампер разница тока для 2N5484s!

Примечательной особенностью конфигурации каскода является то, что он будет иметь меньшее потребление тока, чем у одного Q1.Это может быть преимуществом или раздражение, в зависимости от вашего приложения.

Если вы не используете Rs, Q2 должен иметь более высокий IDSS, чем Q1. Если IDSS во втором квартале ниже, чем в первом, в первом квартале будет допущено больше ток, превышающий значение IDSS Q2; Q2 будет следовательно, насыщает, и, следовательно, он не может выполнять свою работу должным образом. Хуже, это означает, что Q1 не может насыщать . Ни JFET не помогает другое в этой ситуации, поэтому комбинация имеет примерно такое же производительность как одиночный JFET (-2,4% / + 1.5% в моем тесте) только сейчас вы используете больше деталей для достижения такого уровня производительности.

Простой способ убедиться, что ваш Q2 имеет более высокий предел тока, чем ваш Q1 - использовать два разных типа JFET, чьи указанные IDSS диапазоны не пересекаются. Вы можете использовать 2N5486 для Q2 и 2N5484 для Q1, например. Более сложный способ - купить много JFET одного типа. и протестируйте IDSS каждого из них, отсортировав их на небольшие группы JFET-транзисторов. с аналогичными измеренными значениями IDSS. Затем вы выбираете пары Q1 / Q2 так, чтобы Q2 исходит от одной из сильноточных групп, а Q1 исходит от слаботочная группа.Точные значения не имеют большого значения, просто пока Q2 выше по стоимости, чем Q1.

Теперь, если вы добавите резистор Rs, вы можете уйти с высокий IDSS Q1, потому что вы можете просто выбрать значение Rs так, чтобы оно заставляет общее потребление тока Q1 ниже самого низкого значения IDSS что Q2 мог иметь. Например, предположим, что вы использовали 2N5484. поскольку диапазон IDSS для этих JFET составляет от 1 до 5 мА, вы можете выбрать Rs таким образом, чтобы он опустил 5 мА Q1 ниже 1 мА, так что даже в самой экстремальной ситуации текущее потребление в первом квартале будет ниже, чем у Q2.Основным недостатком является то, что это может привести к общий ток, потребляемый через каскод, слишком мал, чтобы быть полезно. Вам придется использовать серию JFET с более высоким IDSS, чем вы обычно используете, чтобы обойти это.

Вы могли подумать, что можете заменить Q1 или Q2 на CRD и получить производительность аналогична каскоду, но вам действительно нужны все три ноги JFET доступны для настройки каскода. Как можно ближе come означает то же самое, что и одиночный JFET с резистором Rs - та же топология, та же производительность, но с гораздо более высокими деталями Стоимость.

Тестирование IDSS JFET

Может быть не очевидно, как тестировать IDSS из схем выше. Я делаю это, устанавливая макетную плату без пайки (также известную как plugboard) перемычкой через два ряда. Затем я подключаю JFET к плату так, чтобы перемычка соединяла выводы затвора и истока. После, я подключите отрицательную сторону источника питания & приблизительно 9 В к перемычкой, затем подключите отрицательный провод миллиамперметра к Сток JFET и, наконец, положительный вывод миллиамперметра к положительный провод питания.JFET насыщается на своем уровне IDSS в этом ситуации, и это текущее значение отображается на миллиамперметре.

Для получения приемлемых результатов этого теста ваш миллиамперметр должен иметь разрешение не менее 1 мА, а 0,1 мА или лучше идеально. Я рекомендую вам использовать для этого теста источник питания с ограничением тока. потому что миллиамперметр очень легко замкнуть через питание с простой накладкой зонда; если ваш блок питания способен выдавать больше ампер, чем может выдержать ваш счетчик, вы взорвете предохранитель в счетчике.(Или, если он не слит, вы можете уничтожить метр!) Предохранители цифрового мультиметра дороги, и их трудно найти, поэтому хочу, чтобы это случилось, поверьте мне.

После того, как вы настроили макетную плату для тестирования транзисторов, я рекомендую вам протестировать сразу целую сумку и держать их отсортированными как-то. Таким образом, вам нужно будет пройти тест только один раз, а затем может быстро подобрать пары Q1 / Q2. Один из способов сохранить ваши транзисторы отсортированные - положить их на полоску изоленты, загнутую через головы транзисторы, как и некоторые резисторы и диоды.Для этого хорошо подойдет малярная лента. Другой способ - получить небольшой ящик для рыболовных снастей и используйте каждое отделение для хранения деталей в пределах небольшого диапазона IDSS; вид с большим количеством маленьких отделений работает лучше всего.

Другие ресурсы

Для другого объяснения этих проблем, которое может помочь вашему понимание, см. следующий пост на Audio Asylum:

Op Усилители работают, класс A? - Джон Риш

Для альтернативного объяснения действия каскода JFET см. Раздел 3.06 в Искусство электроники 2 / е.

Еще одно объяснение каскода находится в примечании к приложению Siliconix. AN103, "" Источник / ограничитель постоянного тока на полевом транзисторе ". Особое значение в этот документ состоит в том, что он дает уравнения для определения надлежащего Rs значение с учетом желаемого текущего уровня и значения IDSS Q1 JFET, который вы используете.

Авторские права на эту статью принадлежат © 2002-2016 Уоррен Янг, все права защищены.

Opamp Nedir ve Nasıl alışır? | Opamp Dersleri

Opamp nedir ve nerelerde kullanılır ? Opamplar nasıl çalışır? Opamp devreleri nedir ve nasıl hazırlanır? Opampın prensipleri nedir? Bu ve benzeri sorulara yanıt aradığımız Opamp Nedir adlı yazımızla karşınızdayız.

Başlayalım.

OPAMP GİRİŞ

Opamplar, neredeyse ideal DC kuvvetlendirmesi için gerekli tüm özelliklere sahip lineer cihazlardır ve bu nedenle sinyal koşullandırma, filterleme veya toplama, çıkarma, entegrasyon ve farklılaşma gibi matematiksel işlemleri gerçekleştirmek için yaygın olarak kullanılanlardır.

Bir İşlemsel Yükselteç veya kısaca op-amp, temel olarak, çıkış ve giriş terminalleri arasındaki dirençler ve kapasitörler gibi harici geri besleme bileşenleri ile kullanılmak üzere tasarlanmış bir voltaj yükseltme aygıtıdır.

Bu geri besleme bileşenleri, yükselticinin sonuçtaki işlevini veya «çalışmasını» Belirler ve farklı geri besleme yapılandırmaları sayesinde, yükselticinin dirençli, kapasitif veya her ikisi de, yükselticinin «İşlemsel Yükselteç» adını ortaya çıkaran çeşitli farklı işlemler gerçekleştirebilmesi mümkündür.

Opamp, temel olarak iki yüksek empedans girişi içeren üç terminalli bir cihazdır.Girişlerden biri negatif veya «экси» ишарети ile işaretlenmiş Ters Giriş, (-) olarak adlandırılır.Diğer giriş, pozitif veya «Artı» işaretiyle (+) işaretlenmiş, tersinir olmayan giriş olarak adlandırılır.

Üçüncü bir terminal, hem voltaj hem de akım besleyen ve kaynaklayabilen işlemsel kuvvetlendirici çıkış portunu temsil eder.

Doğrusal Bir işlemsel yükselticide, çıkış sinyali, yükseltici kazancının (А) giriş sinyalinin değeri Ile çarpılması olarak bilinen amplifikasyon faktörüdür ве бу giriş ве çıkış sinyallerinin doğasına bağlı olarak dört Farklı operasyonel yükselteç Kazanci sınıflandırması olabilir.

Герилим - Герилим «гириш» ве Герилим «Çıkış»

Akım - Akım «giriş» ве Akım «çıkış»

İletkenlik - Gerilim «giriş» ве Akım «çıkış»

Direnç - Akım «giriş» ve Gerilim «şü yükselticileri olduğundan, bu bölümdeki öğreticileri yalnızca gerilim yükselticileriyle sınırlayacağız (Vin ve Vout).

Bir İşlemsel Yükselteçten gelen çıkış voltajı sinyali, iki айры гиришине уйгуланан синиаллер арасындаки фартыр.Башка бир дейшле, бир op-amp çıkış sinyali, bir Operasyonel Amplifikatörün giriş aşaması olarak aslında resimde de gösterildiği gibi bir diferansiyel ampifikatör olduğu için iki giriş sinyali arasındaki farktır.

Diferansiyel Yükselteç

Resimdeki devre, V1 ve V2 olarak işaretlenmiş iki girişi olan genelleştirilmiş bir diferansiyel ampifikatör formunu gösterir.İki özdeş transistör TR1 ve TR2, ее ikisi de yayıcıları birbirine bağlıyken aynı çalışma noktasında biastadırlar ве Re direnci vasıtasıyla Vee geri gönderilir.

Devre, sürekli bir besleme sağlayan bir çift besleme + Vcc ve -Vee’den çalışır.Çıkışta görünen gerilim, yükselticinin Vout’u, iki taban girişi birbirleriyle anti-fazdayken iki giriş sinyali arasındaki farktır.

Böylece transistörün ileri eğilimi TR1 artarken, transistör TR2’nin ileri eğilimi azalır ve bunun tersi de geçerlidir.Daha sonra iki transistör mükemmel şekilde eşleşirse, ortak yayıcı dirençten akan akım Re сабит калир.

Giriş sinyali gibi, çıkış sinyali de dengelidir ve kolektör герилимлеринин zıt yönlerde (анти-фаз) veya aynı yönde (фаз-ичинде) döndüğünden, iki kolektör arasında alınan çıkış voltaj sinyalinin olduğu varsayılır; mükemmel dengeli bir devre, iki kolektör gerilimi arasındaki sıfır farktır.

Bu, giriş sıfır olduğunda, çıktının Ortak Çalışma Modu olarak bilinir.

İşlemsel Yükselteçler aynı zamanda ortak bir toprak terminaline atıfta bulunulan düşük empedanslı bir çıkışa (ek bir diferansiyel çıkışa sahip olanlara ramen) sahiptir ve eğer hem tersine hem de tersine aynı sinyal uygulanırsa ortak mod sinyallerini görmezden gelmelidir ki ters çevirmeyen girişlerde, çıkışta herhangi bir değişiklik olmamalıdır.

Ancak, gerçek yükselticilerde her zaman bir miktar değişiklik vardır ve ortak mod giriş gerilimindeki değişime bağlı olarak değişimin çıkış gerilimine oranına kısaca denRmetran Oranına kısaca denRmetran Mod denRmetak

Operasyonel Amplifikatörler kendi başlarına çok yüksek bir açık döngü DC kazancına sahiptir ve bazı Negatif Geribildirim formlarını uygulayarak yalnızca kullanılan geri kıı

«Açık döngü» teriminin, ampifikatörün çevresinde kullanılan geri bildirim bileşeni olmadığı anlamına gelir, böylece geri besleme yolu veya döngü açıktır.

Operasyonel bir ampifikatör, genellikle ortak potansiyellerine değil, genellikle «Diferansiyel Giriş Voltajı» оларак билинен iki giriş terminalindeki voltajlar arasındaki farka yanıt verir.Даха сонра ее iki terminale aynı voltaj potansiyeli uygulanırsa, sonuçtaki çıkış sıfır olur.

Bir İşlemsel Yükselteç kazancı, genellikle Açık Döngü Diferansiyel Kazancı olarak bilinir ve sembolü (Ao) verilir.

Операционный усилитель Parametre ve İdealleştirilmiş Karakteristik

Açık evrim Kazancı, (Avo)

Sonsuz - İşlemsel bir yükselticinin ana işlevi giriş sinyalini yükseltmek ve ne kadar çok açık döngü kazancı olursa o kadar iyidir.Açık döngü kazancı, op-ampın pozitif veya negatif geri besleme olmadan kazancıdır ve böyle bir yükselteç için kazanç sonsuz olacaktır ancak tipik gerçek değerler yaklaşık 20.000 ila 200.000 arasındadır.

Giriş empedansı, (ZIN)

Sonsuz - Giriş empedansı, giriş voltajının giriş akımına oranıdır ve kaynak kaynağından yükselticilerin giriş devresine akan akımı önlemek için sonsuz olduğu varsayılır (IIN = 0). Герчек op-amp’larda birkaç Пико-Амперден Биркач-Ампер Кадар Гириш Качак Акымлары Вардыр.

ıkış empedansı, (ZOUT)

Sıfır - İdeal işlemsel kuvvetlendiricinin çıkış empedansının, yüke gerektiği kadar akım sağlayabilmesi için dahili dirençsiz mükemmel bir iç voltaj kaynağı olarak işlev gösterdiği sıfır olarak kabul Эдилир.Bu iç direnç, yük ile seri olarak etkilidir ve böylece yük için mevcut çıkış gerilimini azaltır.Gerçek op-ampar 100-20kΩ aralığında çıkış empedanslarına sahiptir.

Bant Genişliği, (BW)

Sonsuz - İdeal bir işlemsel yükselticinin sonsuz frekans тепкиси вардыр ве херханги бир фреканс синьялини округ Колумбия и юксек АС frekanslarına yükseltebilir, bu nedenle sonsuz bir bant genişliğine sahip olduğu varsayılır.Gerçek op-amp’larda, bant genişliği, Amplifikatörlerin kazancı ve birlik olduğu frekansa eşit olan Gain-Bandwidth ürünü (GB) ile sınırlıdır.

Офсет Герилими, (VIO)

Sıfır - Tersinir ve tersinir olmayan girişler arasındaki voltaj farkı sıfır olduğunda, aynı veya her iki giriş topraklandığında ampifikatör çıkışı sıfır olacaktır.

Герчек op-amp’lar bir miktar çıkış ofset voltajına sahiptir.

Yukarıdaki bu «idealize edilmiş» özelliklerden, giriş Direncinin sonsuz olduğunu görebiliriz, bu nedenle hiçbir giriş terminaline («Акым куралы») хичбир аким акмаз ве диферансиел гириш офсет вольтаджынин сифир («Voltaj kuralı») olduğunu görürüz.

Операционный усилитель Devrelerinin analizi ve tasarımı ile ilgili olarak Operasyonel Amplifikatörün çalışmalarını anlamamızaardımcı olacakları için bu iki özelliği hatırlamak önemlidir.

Bununla birlikte, yaygın olarak temin edilebilen uA741 гиби Герчек Ишлемсел Юксельтечлер, örnein sonsuz bir kazanca veya bant genişliğine сахип дэгилдир, анчак кендизин баглы херханги бир харичи гери беслеме синяли олмадан ве типик оларак бир гери besleme sinyali olmadan yükseltici çıkış yükseltmesi olarak tanımlanan tipik bir «Açık Döngü Kazancına» сахиптир.

İşlemsel yükselteç DC’de yaklaşık 100dB’dir (sıfır Hz) .Bu çıkış kazancı, frekans yaklaşık 1MHz’de «Birlik Kazanç» veya 1’e düştüğünde dorusal olarak azalır ve bu, resimdeki açık döngü kazanç yanıtı eğrisinde gösterilir.

Açık Çevrim Frekans Tepkisi ЭГРИСИ

Бу frekans Yanit eğrisinden, frekansa Karsi kazancının ürününün, EGRI boyunca herhangi Bir noktada Сабит olduğunu görebiliriz.Ayrıca, Бирлик Kazanci (0 дБ) frekansının, yükselticinin Kazanci, EGRI boyunca herhangi Bir noktada belirlemesidir.

Bu sabit genellikle Kazanç Bant Genişliği Ürünü veya GBP оларак билинир.

Bu nedenle:

GBP = Kazanç x Bant Genişliği = A x BW

Örneğin, 100kHz’deki yükselticinin kazancı üzerindeki grafikten 20dB veya 10 olarak verilmiştir, ardından kazanç bant genişliği ürünü şu şekilde hesaplanmaktadır:

GBP = A x BW = 10 x 100000 Гц = 1000000.

Benzer şekilde, işlemsel yükselteçler 1 кГц = 60 дБ veya 1000’de kazanır, bu nedenle GBP aşağıdaki gibidir:

GBP = A x BW = 1000 x 1000 Гц = 1000000.Айнысы !.

İşlemsel yükselticinin Gerilim Kazanımı (AV), aşağıdaki formülü kullanarak bulunabilir:

Voltaj Kazancı (A) = Vout / Vin

ve Desibel cinsinden (дБ) şöyle verilir:

20log (A) ya da 20log (Vout / Vin)

Bir İşlemsel Yükselteç Bant Genişliği

İşlemsel yükselteçlerin bant genişliği, yükselticinin voltaj kazancının% 70,7 veya -3dB’nin (0dB’nin maksimum olduğu) aşağıda olduğu gibi Максимум çıkış değerinin üzerinde olduğu frekans aralığıdır.

Бурада 40 дБ hattını örnek olarak kullandık.

Frekans tepkisi eğrisinden gelen V3 aşağı noktasının% -3,7 veya% 70.7’si 37dB olarak verilmiştir.Ana GBP eğrisi ile kesişinceye kadar bir çizgiyi geçmek, bize yaklaşık 12 ila 15kHz’de 10kHz çizgisinin hemen üzerinde бир frekans noktası verir.

imdi, bu özel durumda 1MHz olan ampifikatörün GBP’sini zaten bildiğimiz için bunu daha doğru hesaplayabiliriz.

Орненьский операционный усилитель №1.

20 log (A) formülünü kullanarak, ampifikatörün bant genişliğini şu şekilde hesaplayabiliriz:

37 = 20 log (A) bu nedenle, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70.8

GBP ÷ A = Bant genişliği, bu nedenle 1,000,000 ÷ 70,8 = 14,124 Гц veya 14 кГц

Ardından, ampifikatörün 40dB’lik bir kazançtaki bant genişliği, grafikten daha önce tahmin edildiği gibi 14kHz olarak verilir.

Орненьский операционный усилитель №2.

İşlemsel yükselticinin kazancı, yukarıdaki frekans yanıtı eğrisinde 20dB’yi söylemek için yarıya düşürülürse, -3dB noktası şimdi 17dB olacaktır. 2) xR

fcV ya da I =% 70.2) x 1]

P = 0.5V ya da 0.5I (yarı güç)

Opamp Özet:

Operasyonel kuvvetlendiricilerin, yanıtını ve özelliklerini контроль этмек ичин бир вейа даха фазла харичи герибилдирим агы куланан чок yüksek kazanımlı бир DC диферансиел kuvvetlendirici olduğunu biliyoruz.

Harici dirençleri veya kapasitörleri op-amp’e, Ters evirme, Ters evirme, Gerilim İzleyici, Toplama, Diferansiyel, Entegratör ve Diferansiyel tip ampifikatörler gibi temel «yapı Bloğu» devreleri oluşturmak için çeşitli şekillerde bağlayabiliriz.

«İdeal» veya mükemmel bir işlemsel yükselteç, sonsuz açık döngü kazancı AO, sonsuz giriş direnci RIN, sıfır çıkış direnci ROUT, 0 ila ∞ sonsuz bant genişliği ve sıfır ofset (çıkış sıfır olduğunda sıfırdır) гиби belirli özelliklere sahip girişi sıfır bir cihazdır.

Standart konfigürasyonda veya dahili Birleşimli FET transistörlerinde standart çift kutuplu, hassas, yüksek hızlı, düşük gürültülü, yüksek voltajlı vb. Olası tüm uygulamalara uyacak çok sayıda işlemsel yükselteç IC’si vardır.

İşlemsel yükselteçler, tek bir cihazda tek, çift veya dört op-amp’li IC (интегральная схема) paketlerinde mevcuttur.Temel elektronik kitlerde ve projelerde tüm işlemsel yükselteçlandir kullanındıkı

OPAMP NEDİR SONUÇ:

Bugün Opamp Nedir adlı yazımızla karşınızdaydık.Umuyorum faydalı bilgiler edinmişsinizdir.

Гистерезис операционного усилителя - расчеты и соображения дизайна

В большинстве схем автоматического зарядного устройства в этом блоге вы могли видеть операционный усилитель с функцией гистерезиса, включенной для некоторых важных функций.В следующей статье объясняется значение и методы проектирования функции гистерезиса в схемах операционных усилителей.

Чтобы точно узнать, что такое гистерезис, вы можете обратиться к этой статье, в которой гистерезис объясняется на примере реле.

Принцип работы

На рисунке 2 показана стандартная конструкция компаратора без использования гистерезиса. Эта схема работает с использованием делителя напряжения (Rx и Ry) для установления минимального порогового напряжения.

Компаратор оценит и сравнит входной сигнал или напряжение (Vln) с установленным пороговым напряжением (Vth).

Входное питающее напряжение компаратора, которое необходимо сравнивать, подключено к инвертирующему входу, в результате выход будет иметь инвертированную полярность.

Каждый раз, когда Vin> Vth, выход должен приближаться к отрицательному питанию (GND или низкий логический уровень для показанной схемы). и когда Vln

Это простое решение позволяет вам решить, превышает ли реальный сигнал, например, температуру, заданный решающий пороговый предел.

Даже в этом случае использование этого метода может вызвать затруднения. Помехи входному сигналу подачи потенциально могут вызвать переключение входа выше и ниже установленного порога, вызывая противоречивые или колеблющиеся выходные результаты.

Компаратор без гистерезиса

На рисунке 3 показан выходной отклик компаратора без гистерезиса с изменяющейся структурой входного напряжения.

Когда напряжение входного сигнала достигает установленного предела (по сети делителя напряжения) (Vth = 2,5 В), оно регулируется как выше, так и ниже минимального порога в ряде случаев.

В результате выход тоже колеблется в соответствии с входом. В реальных схемах этот нестабильный выход может легко вызвать неблагоприятные проблемы.

В качестве иллюстрации представьте, что входной сигнал - это температурный параметр, а выходной отклик - это критически важное приложение, основанное на температуре, которое, случается, интерпретируется микроконтроллером.

Колебательный отклик выходного сигнала может не передавать достоверную информацию микроконтроллеру и может приводить к «сбивающим с толку» результатам для микроконтроллера на критических пороговых уровнях.

Кроме того, представьте, что выход компаратора необходим для работы двигателя или клапана. Это непостоянное переключение во время пороговых пределов может привести к многократному включению / выключению клапана или двигателя в критических пороговых ситуациях.

Но «крутое» решение посредством небольшого изменения схемы компаратора позволяет вам включают гистерезис, который, в свою очередь, полностью устраняет нестабильный выходной сигнал во время переключения пороговых значений.

Гистерезис использует несколько отдельных пределов порогового напряжения, чтобы избежать флуктуирующих переходов, как показано в обсуждаемой схеме.

Подача входного сигнала должна превышать верхний порог (VH) для переключения низкого выходного сигнала или ниже нижнего установленного порогового значения (VL) для переключения на высокий выход.

Компаратор с гистерезисом

На рисунке 4 показан гистерезис компаратора. Резистор Rh фиксирует пороговый уровень гистерезиса.

Каждый раз, когда на выходе высокий логический уровень (5 В), Rh остается параллельно с Rx. Это подталкивает дополнительный ток к Ry, повышая пороговое предельное напряжение (VH) до 2,7 В. Входной сигнал, вероятно, должен быть выше VH = 2,7 В, чтобы выходной сигнал сместился до низкого логического уровня (0 В).

Пока на выходе низкий логический уровень (0 В), Rh устанавливается параллельно Ry. Это снижает ток Ry, снижая пороговое напряжение до 2,3 В. Входной сигнал должен быть ниже VL = 2,3 В, чтобы установить на выходе высокий логический уровень (5 В).

Выход компаратора с изменяющимся входом

На рисунке 5 показан выход компаратора с гистерезисом и колеблющимся входным напряжением. Предполагается, что уровень входного сигнала переместится за верхний предел порога (VH = 2,7 В), чтобы выход операционного усилителя упал до низкого логического уровня (0 В).

Кроме того, уровень входного сигнала должен опускаться ниже нижнего порога, чтобы выход операционного усилителя плавно поднялся до высокого логического уровня (5 В).

Помехой в этом примере можно пренебречь, и поэтому им можно пренебречь благодаря гистерезису.

Но, сказав это, в случаях, когда уровни входного сигнала были выше расчетного диапазона гистерезиса (2,7–2,3 В), это могло привести к генерации дополнительных флуктуирующих переходных характеристик выходного сигнала.

Чтобы исправить это, настройку диапазона гистерезиса необходимо расширить в достаточной степени, чтобы устранить индуцированные помехи в данной конкретной модели схемы.

Раздел 2.1 предоставляет вам решение для определения компонентов для установки пороговых значений в соответствии с выбранными вами требованиями приложения

Лучшие цены на оригинальные операционные усилители - Отличные предложения на оригинальные операционные усилители от мировых оригинальных продавцов операционных усилителей

Отличные новости !!! В поисках оригинальных операционных усилителей вы обратились по адресу.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот первоклассный оригинальный операционный усилитель в кратчайшие сроки станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что купили оригинальный операционный усилитель на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в оригинале операционных усилителей и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress - отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококлассную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.А если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово - просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны - и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести opamp original по самой выгодной цене.

Мы всегда в курсе последних технологий, новейших тенденций и самых обсуждаемых лейблов.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

Разработка операционного усилителя для наушников. - Мемориал HeadWize

Поскольку несколько милливатт разогреют наушники до полной громкости, отличный усилитель для наушников может быть относительно простым. Тем не менее, есть множество причин для экспериментов с более сложными топологиями, такими как повышение производительности и возможность включения настраиваемых параметров.Конечно, некоторые домашние мастера любят пробовать разные схемы просто для удовольствия. Основным недостатком сложных схем является их сложность. На поиск и покупку запчастей у мастера могут уйти месяцы, не говоря уже о времени на сборку и устранение неполадок в проекте.

Операционные усилители на интегральных схемах сложны и просты. Они могут содержать сотни компонентов на кристалле, но их относительно легко настроить. Для домашних мастеров, которым не хватает времени и терпения (и мало кто может позволить себе роскошь и того, и другого), операционные усилители - удобный выход в мир сложной конструкции.Знатоки звука критиковали операционные усилители как одну из основных причин «среднего качества» звука, но, если честно, они прячутся повсюду - даже под прикрытием престижного высококачественного оборудования. Операционные усилители не все одинаковы. Создание усилителя для наушников с хорошим звуком - это вопрос тщательного выбора и проектирования.

В этой статье обсуждается несколько схем усилителя для наушников на базе операционных усилителей, включая предложения по выбору операционных усилителей, входной связи и фильтрации, сильноточных выходных каскадах и вариантах источников питания.Нет никаких рекомендаций для конкретных марок или моделей операционных усилителей. Для любителей ламповых ламп есть также введение в дизайн с ламповыми усилителями. Ламповые усилители-блоки (усилители с обратной связью по переменному току и ламповые операционные усилители) не так компактны, как их кремниевые собратья, и при этом они не измеряют, но они предлагают гладкий ламповый звук с простой конфигурацией обратной связи.

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДОГО СОСТОЯНИЯ

Целые книги посвящены интерпретации спецификаций операционных усилителей. Вот несколько рекомендаций по выбору операционных усилителей при разработке усилителей для наушников.Операционные усилители приближаются к «идеалу» с каждым последующим поколением. Современные устройства имеют внутреннюю компенсацию для стабильности, имеют высокие скорости нарастания напряжения, а также значения шума и искажения на пороге измерения. Есть даже операционные усилители, которые работают от источника питания 1 В. Для портативных устройств в первую очередь следует учитывать требования к источнику питания. Большинство современных операционных усилителей работают с напряжением всего ± 4 В, но низкое напряжение может ухудшить производительность. Ознакомьтесь со спецификациями производителя V CC , чтобы убедиться, что действительно рекомендуется работа при низком напряжении.Наиболее распространенные напряжения питания аккумуляторной батареи: ± 1,5 В, ± 3 В, ± 4,5 В и ± 9 В. Еще одна возможность - одиночные поставки. Также имейте в виду, что ток холостого хода для всего усилителя также должен быть низким - около 10 мА или меньше для хорошего времени автономной работы. Для получения дополнительной информации см. Раздел о вариантах питания от аккумулятора ниже.

Характеристики операционных усилителей

- ненадежный показатель качества звука. Пока числа ниже пороговых значений слышимости, характеристики, которые на порядок лучше средних, не обязательно приведут к лучшему звучанию.Независимо от типа (биполярный или полевой транзистор) современные операционные усилители очень хорошо себя чувствуют на испытательном стенде. Показатели общих гармонических искажений настолько низки (обычно менее 0,1%), что их перестали перечислять в таблицах данных. Ищите характеристики шума, указанные как «плотность шума» в единицах нВ / Ö (Гц), 25 или меньше, скорость нарастания 5 мкВ / с или более и «широкую» полосу пропускания единичного усиления 3 МГц и выше.


Рисунок 1a

При рассмотрении спецификации коэффициента усиления и полосы пропускания операционного усилителя с биполярным входом также исследуйте полосу пропускания без обратной связи.Ширина полосы пропускания определяет величину усиления слабого сигнала на любой частоте и является произведением ширины полосы без обратной связи и усиления без обратной связи. Большинство операционных усилителей имеют высокое усиление без обратной связи (100 дБ или более) и относительно узкую полосу пропускания без обратной связи (100 Гц или меньше). В многокаскадной системе с общей обратной связью, если операционный усилитель имеет биполярный входной каскад и узкую полосу пропускания разомкнутого контура, он может проявлять динамические фазовые сдвиги и другие нелинейности отклика с высокими уровнями и высокочастотными входными сигналами.

Чтобы уменьшить этот тип искажений, выберите операционный усилитель с биполярным входом и широкой полосой пропускания без обратной связи (в диапазоне кГц) или используйте операционный усилитель с полевым транзистором.Входные каскады на полевых транзисторах более линейны и поэтому менее подвержены искажениям такого типа. Наконец, полосу пропускания без обратной связи входного каскада с усилением по напряжению можно эффективно расширить с помощью локальной обратной связи (см. Раздел о выходных каскадах ниже).

Также обратите внимание на стабильность единичного усиления и низкое напряжение смещения. Операционные усилители с внутренней компенсацией с меньшей вероятностью будут колебаться на высоких частотах и ​​избавят разработчика от необходимости добавлять внешнюю компенсацию (однако, в любом случае, проверить выход усилителя на осциллографе никогда не помешает.) Идеальный операционный усилитель имеет нулевой выход постоянного тока на холостом ходу, так что связь по постоянному току может выполняться без подстройки. Реальные операционные усилители имеют небольшое выходное напряжение на холостом ходу. Если за операционным усилителем не следует каскад усиления, допускается смещение 15 мВ или меньше в режиме ожидания. Операционные усилители с полевым транзистором известны своим низким напряжением смещения.

Есть ли слышимые различия между операционными усилителями с похожими или идентичными характеристиками? Некоторые слушатели могут различать продукты, но не все. Поскольку современные операционные усилители имеют внутреннюю компенсацию и, как правило, заменяют друг друга, построение схем с разъемами для микросхем или на прототипной плате сначала позволяет мастеру-мастеру по желанию прослушивать различные операционные усилители.Существует множество теорий относительно того, почему операционные усилители могут иметь звуковые сигнатуры, несмотря на результаты звездных испытаний, которые предполагают нейтральный звук. Много лет назад виновниками считались искажения IM, DIM, TIM и т. Д. Два последних курса исследований по этой теме были посвящены влиянию гармонической структуры шума операционного усилителя и ошибкам на входе операционного усилителя.


Рисунок 1b

Первый курс исследований утверждает, что большие искажения в аудиосигналах на самом деле являются шумом, который может быть слишком низким для измерения, но все же слышен.Человеческий слух очень чувствителен к гармоникам высокого порядка, создаваемым высоким коэффициентом отрицательной обратной связи. Шумовые структуры с преобладанием гармоник четного порядка кажутся менее резкими. Системы операционных усилителей с плохой гармонической структурой могут иметь улучшенные характеристики, если системы спроектированы таким образом, что гармоники подавляются или согласовываются с продуктами других каскадов системы. На рис. 1b показан спектр шума обычного операционного усилителя с биполярным входом. Производители обычно не включают такой анализ в таблицы данных.Поскольку эти тесты должны проводиться с использованием сложного оборудования, которое может измерять уровень шума на 140 дБ или более ниже уровня сигнала, большинству домашних мастеров придется полагаться на другие опубликованные источники для этого типа данных.

Существует три типа ошибок входа операционного усилителя, которые потенциально влияют на качество звука: сопротивление источника, источник питания и тепловые ошибки из-за выходной нагрузки операционного усилителя. Ошибки импеданса источника возникают, когда на каждом из двух входов операционного усилителя имеются неравные импедансы источника, которые взаимодействуют с внутренними емкостями операционного усилителя, создавая гармонические искажения четного порядка.Это ошибка синфазного типа, поэтому она применима только тогда, когда операционный усилитель работает в неинвертирующей конфигурации. Операционные усилители с JFET-входом имеют внутренний конденсатор на каждом из входов и, вероятно, будут демонстрировать более высокие уровни искажения импеданса источника, чем типы с биполярным входом.

Ошибки импеданса источника можно измерить путем сравнения уровней искажения, когда полное сопротивление цепи обратной связи (R f || R) отличается от импеданса источника входного сигнала R s и когда они одинаковы. Выбор операционных усилителей с низкой внутренней емкостью или балансировка импедансов источников минимизируют эту форму искажений.Последний метод обсуждается в разделе о настройке операционных усилителей для усиления напряжения ниже.


Рисунок 1c

Ошибки источника питания возникают, когда шум от источника питания смешивается с входным сигналом. Спецификация PSR (отказ от источника питания) - это мера того, насколько хорошо операционный усилитель способен блокировать шум источника питания, и значения 100 дБ или более являются общими. PSR будет варьироваться в зависимости от частоты, но спецификация обычно касается только поведения постоянного тока. Вместо этого поищите график в таблицах PSR по диапазону звуковых частот.В дополнение к выбору операционных усилителей с высоким PSR в широком звуковом диапазоне, ошибки источника питания могут быть уменьшены за счет использования источников питания, которые строго регулируются и обходятся.


Рисунок 1d

Усилители для наушников на базе операционных усилителей

могут быть подвержены тепловым ошибкам из-за выходной нагрузки операционных усилителей. Рассеивание мощности в операционном усилителе при возбуждении нагрузок с низким импедансом может повысить температуру устройства и вызвать изменения входного напряжения смещения, что поставит под угрозу линейность.В двух- и четырехканальных ИС тепловые условия одного операционного усилителя могут влиять на все остальные в корпусе, поскольку схемы операционных усилителей имеют общую подложку («перекрестные помехи, связанные с рассеянием мощности»).

Температурные погрешности можно измерить путем сравнения выходных искажений операционного усилителя под нагрузкой и без нагрузки. На рисунке 1d показано влияние тепловой нагрузки одного буфера на другой в ИС с двойным буфером (схема системы аналогична рисунку 5d). На канал A подается сигнал развертки частоты; канал B не используется.Когда буфер A управляет нагрузкой 25 Ом (в отличие от работы без нагрузки), он вызывает более сильный сигнал ошибки, связанной с температурой, на входе буфера B.

Когда сдвоенные (или четырехкратные) буферы IC используются в схемах с входным каскадом усиления напряжения, как показано на рисунке 5d, эти тепловые ошибки можно исправить с помощью глобальной обратной связи. И наоборот, буферизация операционного усилителя входного каскада может уменьшить тепловые ошибки во входном каскаде, изолировав рассеивание мощности на выходных каскадах. (Для получения дополнительной информации о буферизации см. Раздел о выходных каскадах ниже.) В целом, использование одиночных операционных усилителей вместо двойных или квадроциклов предотвратит перекрестные искажения рассеиваемой мощности. Прецизионные малошумящие операционные усилители имеют наименьшие тепловые ошибки.

ТРУБНЫЕ ОПУ

В отличие от конструкции транзисторного усилителя, конструкция лампового усилителя больше зависит от электрических характеристик самих ламп. Ламповые операционные усилители пытаются привнести в ламповый звук простоту и более высокие характеристики конструкции усилителя. В аудиоприложениях они могут стремиться к той же высокой производительности, что и их твердотельные собратья, и иметь дополнительное преимущество в виде гармоник искажения четного порядка.Интерес к этим устройствам возродился после публикации в последние годы нескольких схем блока усилителя, от базовых усилителей с обратной связью переменного тока до гибридов ламповых МОП-транзисторов - все они настраиваются с помощью знакомой схемы обратной связи операционных усилителей.

Ламповые операционные усилители, которые не были широко распространены во времена расцвета стеклянной аудиосистемы, сегодня найти очень сложно. Следующие схемы развивают концепцию лампового усилителя с возрастающей сложностью. Все они имеют ограниченный выходной ток и могут потребовать выходной буферный каскад для комфортного управления наушниками (см. Раздел о выходных каскадах ниже).Чтобы отрегулировать усиление любого из этих усилителей, просто добавьте резистор обратной связи от выхода к инвертирующему входу и входной резистор - так же, как и с твердотельными операционными усилителями. Некоторые из этих усилительных блоков могут предпочесть более высокие значения сопротивления, чем типичные для твердотельных операционных усилителей, поэтому сопротивления усиления образца включены. Хорошая идея - сконструировать несколько из них одновременно, чтобы иметь удобный запас для экспериментов.


Рисунок 2

«Каскад 1 + 1» Эрика Барбура представляет собой усилитель с обратной связью по переменному току (рис. 2), состоящий из общего каскада усиления катода и выходного каскада катодного повторителя.Этот блок усилителя имеет единственный инвертирующий вход и ограниченное усиление разомкнутого контура, но полностью подходит в качестве входного каскада усилителя для наушников. Показатели разомкнутого контура не впечатляют: G ~ -50, F h ~ 30 кГц, THD> 2%, R на выходе ~ 2 кОм. При настройке на усиление замкнутого контура -10 (R f = 100 кОм, R на = 10 кОм) ситуация резко меняется: F h > 100 кГц, Rout ~ 500 Ом и THD падает ниже 0,4 %. Поскольку 12AX7 - двойной триод, в этой конструкции используется только 1 лампа на канал.12AU7 также могут быть заменены, но коэффициент усиления разомкнутого контура будет ниже. Пуристы могут захотеть добавить инвертирующий выходной каскад для правильной выходной фазы.


Рисунок 3

Схема

Фреда Форселла (рис. 3) имеет дифференциальный входной каскад настоящего операционного усилителя с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMRR) и выходной каскад мю-повторителя (смещенный на 12 мА). Коэффициент усиления разомкнутого контура составляет около 510 (30 с первого каскада, 17 со второго). При настройке на коэффициент усиления с обратной связью 18 производительность приближается к характеристикам твердотельных операционных усилителей: THD <0.1%, R на выходе = 8 Ом, F h > 400 кГц и отношение сигнал / шум = -86 дБ. Несмотря на низкий выходной импеданс, полное сопротивление нагрузки должно составлять 3 кОм или больше, чтобы избежать повышенных искажений. При настройке этого операционного усилителя на коэффициент усиления менее 18, Forssell рекомендует использовать входную лампу с более низким мю, такую ​​как 12AU7A, для более низкого усиления разомкнутого контура, так что требуется меньше обратной связи.


Рисунок 4

Оба усилителя Barbour и Forssell используют источники высокого напряжения, и ни один из них не связан по постоянному току.Гибридная конструкция Эрно Борбели (рис. 4) имеет низковольтную и связь по постоянному току. В каскаде дифференциального входа используется один двойной триод ECC86 / 6GM8 с максимальным анодным напряжением 25 В (хорошей заменой является 6DJ8 / ECC88). Токовое зеркало Q1 и диоды постоянного тока (D1A и D1B) увеличивают CMRR и улучшают линейность. Выходной каскад представляет собой P-канальный полевой МОП-транзистор, сконфигурированный как усилитель с общим источником с Q3 в качестве источника тока (ток смещения составляет 10 мА и может регулироваться изменением R s ).R p настроен на 0 выходное напряжение.

C2 обеспечивает фазовую компенсацию, и если операционный усилитель настроен на усиление менее 6 дБ, для стабильности необходимо добавить сеть нижних частот R15-C5 (для G = 6 дБ, C5 = 100 пФ; для G = единица, C5 = 330 пФ). Характеристики разомкнутого контура гибрида Borbely превосходны, особенно для лампового ОУ: G ~ 53 дБ, F h ~ 90 кГц и THD <1%. Когда установлено усиление 10 (R f = 10 кОм, R при = 1,1 кОм), характеристики снова превосходны: F h > 700 кГц, THD <0.1%, а выходное сопротивление - 50 Ом. Для максимального выходного напряжения (15 В) рекомендуется высокое сопротивление нагрузки (10 кОм).

НАСТРОЙКА OPAMPS ДЛЯ УСИЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ


Рисунок 5

Операционные усилители

обычно используются в качестве каскадов усиления напряжения. Базовые схемы усиления по напряжению показаны на рисунках 5a, 5b. Входное сопротивление - это величина входного резистора. Выходное сопротивление Z - зависит от конкретного операционного усилителя, но обычно уменьшается с уменьшением усиления (характеристики выходного сопротивления см. В таблице данных операционного усилителя).Если операционный усилитель будет управлять наушниками напрямую, выходное сопротивление должно быть менее 1/10 импеданса наушников во всем звуковом спектре. При выборе между инвертирующим или неинвертирующим каскадом необходимо иметь в виду, что вклад операционного усилителя должен приводить к правильной фазе на выходе усилителя. Как показывает опыт, неинвертирующие конфигурации имеют более низкий уровень шума, более высокий входной импеданс и более широкую полосу пропускания, но могут иметь определенные конструктивные ограничения (см. Спецификации производителя).

Усилители для наушников

обычно питаются от выходов предусилителя или портативных стереосистем, которые имеют большое усиление по напряжению (вместо этого им не хватает текущей возможности для чистого управления наушниками). Если усилитель для наушников имеет каскад усиления по напряжению, коэффициент усиления обычно устанавливается в пределах от 2 до 10. Некоторые операционные усилители звучат чище при более низких коэффициентах усиления. Резистор обратной связи R f , вероятно, должен быть меньше 1 МОм для оптимальной стабильности (проверьте спецификации производителя на предмет других проблем проектирования сети обратной связи), а более низкие импедансы сети обратной связи (R f || R в ) приводят к более низкому шуму.


Рисунок 5c

Современные операционные усилители прекрасно справляются с базовыми конфигурациями, но есть множество конструктивных изменений, которые могут улучшить производительность. Одна такая оптимизация уменьшает ошибки входного импеданса источника в операционных усилителях с полевым транзистором, которые обсуждались выше в разделе о выборе операционных усилителей. Напомним, что ошибки входного импеданса источника влияют только на конфигурации неинвертирующего усиления и вызваны неравными импедансами источника на входах + и - операционных усилителей. Неинвертирующий усилитель на рисунке 5с уравновешивает импедансы источника, выбирая R s = R f || R.В усилителе для наушников R s , вероятно, будет переменным в виде регулятора громкости, поэтому значение от 2K до 3K является приблизительным.


Рисунок 5d

В многокаскадной системе операционных усилителей (например, каскад усиления напряжения, за которым следует буфер тока - см. Раздел о выходных каскадах для получения дополнительной информации), если операционный усилитель входного каскада имеет биполярный входной каскад и узкую полосу пропускания разомкнутого контура, он может проявлять нелинейность при подаче сигналов высокого уровня и высокой частоты.Система на рисунке 5d имеет операционный усилитель входного каскада, ширина полосы разомкнутого контура которого эффективно расширена за счет локальной обратной связи. Общее усиление системы составляет 5, но местное усиление входного каскада составляет около 100 для эффективной полосы пропускания без обратной связи 100 кГц. Расширение полосы пропускания должно выходить далеко за пределы звукового диапазона.


Рисунок 6

Если операционный усилитель настроен на коэффициент усиления 1 (R = R f ), он становится повторителем напряжения. Большинство полупроводниковых операционных усилителей также будут работать как неинвертирующие повторители с прямым проводом вместо резистора обратной связи (рис. 6).Неинвертирующие повторители напряжения обладают входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением. Входное сопротивление инвертирующего повторителя - это сопротивление входного резистора. Последователи напряжения часто используются в качестве буферов, которые могут управлять наушниками, но операционные усилители с усилением напряжения имеют скромные токи. Сильноточный буферный операционный усилитель специально разработан для подачи большого тока - идеально подходит для управления наушниками. Для получения дополнительной информации см. Раздел о выходных каскадах ниже

.

Обработка симметричных входов


Рисунок 7

Аудиооборудование

Pro может иметь симметричные входы и выходы, в которых земля отделена от земли сигнала для более эффективного экранирования шума.Таким образом, каждый канал имеет всего 3 соединения: сигнальное, сигнальное заземление и заземление. Схема на рисунке 7 преобразует сбалансированный вход в несимметричный сигнал с единичным усилением (входные резисторы разделены для реализации ВЧ фильтра - см. Ниже). Резисторы должны быть согласованы с точностью до 0,1%, иначе CMRR ухудшится (например, CMRR 80 дБ может упасть до 60 дБ из-за несоответствия входного резистора). Преобразователь также может быть сконфигурирован с усилением, определяемым отношением R к / R, но сохранение всех R на одном и том же значении упрощает согласование массива резисторов.

Связь по переменному току и входные ВЧ фильтры

Ограничение полосы пропускания входного сигнала может блокировать напряжение постоянного тока или отфильтровывать радиочастотный шум. Защита от постоянного тока не требуется, если источник звука уже имеет выход постоянного тока 0, но некоторые дизайнеры предпочитают дополнительную страховку. При значениях 1 мкФ и 100K входной фильтр верхних частот на рисунке 5a имеет угловую частоту около 1,6 Гц и минимально влияет на низкие частоты или общее качество звука - если используются высококачественные детали (например, пленочные конденсаторы и металлическая пленка). резисторы).Вместо резистора можно использовать потенциометр звуковой конусности, который служит регулятором громкости.

Если сигнал имеет радиочастотный шум, его можно очистить с помощью фильтра нижних частот на входах. Сеть нижних частот на рисунке 7a имеет угловую частоту около 200 кГц. Альтернативная радиочастотная сеть показана на рисунке 7b. Частоты выше угловой частоты смешиваются вместе, так что они компенсируются CMRR операционного усилителя. Как и в случае с массивом резисторов, РЧ-конденсаторы также должны быть согласованы как можно точнее.Также используйте экранированный кабель при подключении входов, чтобы еще больше снизить шум.


Рисунок 8

Фильтры нижних и верхних частот могут быть подключены каскадом на входе при условии, что значения резисторов каждого фильтра отличаются по крайней мере в 10 раз. Кроме того, полное сопротивление входной цепи будет влиять на полное сопротивление входного каскада, поэтому необходимо учитывать при выборе значений сопротивления фильтра. Эти полосовые фильтры могут быть альтернативно включены в контур обратной связи.Схема на рисунке 8 имеет приблизительную полосу пропускания от 2 Гц до 150 кГц. Некоторые аудиофилы могут слышать искажения от конденсаторов на пути прохождения сигнала. Как и в случае с искажениями на операционных усилителях, конденсаторные искажения слышны не всем. Прежде чем отказываться от преимуществ, прослушайте усилитель на макетной плате с конденсаторами и без них.

ВЫХОДНАЯ СТУПЕНЬ

Операционные усилители с усилением по напряжению могут выдавать достаточно тока, чтобы напрямую управлять некоторыми наушниками (проверьте спецификации производителя).Например, автор построил карманный усилитель для наушников (показанный выше) с операционными усилителями Burr-Brown OPA132 в неинвертирующей конфигурации, как показано на рисунке 5. У усилителя нет проблем с достижением громкости, разделяющей уши, с большинством наушников. Для получения дополнительной информации об этом проекте см. Карманный усилитель для наушников. Современные динамические наушники будут воспроизводить громко всего на несколько милливатт (см. Требования к питанию наушников).

Однако, если операционный усилитель не имеет достаточной мощности по току или если он подвержен ошибкам загрузки выходного сигнала (информацию об ошибках загрузки выходного сигнала см. Выше в разделе о выборе операционных усилителей), он должен быть увеличен выходным каскадом.В этом разделе рассматриваются твердотельные и ламповые повторители класса A, симметричные эмиттерные повторители класса AB и буферные операционные усилители (которые представляют собой не что иное, как сложные эмиттерные повторители) в качестве выходных каскадов. Для входных каскадов ламповых усилителей обсуждается вопрос подключения ламп к твердотельным выходным каскадам. Примечание: повторители класса A и сильноточные буферы, описанные ниже, также являются отличными автономными усилителями для наушников, где усиление напряжения не требуется.

Последователь полевого МОП-транзистора класса A


Рисунок 9

Purists высоко оценивает усилители класса A, способные воспроизводить аудиосигналы с максимальной точностью, потому что колебания выходного напряжения находятся под контролем одного транзистора или лампы.Усилители класса A неэффективны, потребляют на 400% больше мощности, чем они вырабатывают, но вновь обрели популярность благодаря своей простой топологии (особенно несимметричным усилителям класса A). В то время как усилители громкоговорителей класса A нагреваются до температуры, достаточной для обогрева комнаты, поклонники наушников могут не беспокоиться об этом, поскольку для наушников требуется очень мало энергии.

Истоковый повторитель MOSFET на рисунке 9a является несимметричным выходным каскадом класса A. Последователи MOSFET (и их биполярные собратья, эмиттерные повторители) представляют собой усилители тока, которые имеют неинвертирующее единичное (или немного меньше единицы) усиление.Делитель напряжения смещает МОП-транзистор. Потенциал смещения Rp регулирует выходное напряжение до 0 В для связи по постоянному току (см. Драйвер наушников класса A Грега Секереса для конструкции со связью по переменному току). Входной разделительный конденсатор блокирует входящий постоянный ток и изолирует цепь смещения полевого МОП-транзистора. Rs устанавливает ток смещения полевого МОП-транзистора I D . Тогда Rs = V / I D .

МОП-транзистор может быть любым силовым МОП-транзистором, если номинальные значения напряжения и тока соответствуют требованиям. МОП-транзисторы обладают характеристиками «мягкой» перегрузки электронных ламп и предпочтительнее в этом типе применения, чем биполярные.Резистор затвора помогает стабилизировать полевой МОП-транзистор. В спецификации V DS должно быть как минимум вдвое больше напряжения холостого хода. Если полевой МОП-транзистор находится в режиме ожидания при 1/2 от общего напряжения питания, то V DS должно быть не меньше значения общего напряжения питания. Rs - силовой резистор. Начиная с тока холостого хода Id около 100 мА и -V = -12 В, тогда R S = 12 / .1 = 120 Ом. Номинальная мощность резистора должна быть намного больше, чем 12 * 0,1 = 1,8 Вт (по крайней мере 3,6 Вт для безопасности). Также убедитесь, что полевой МОП-транзистор имеет теплоотвод для рассеивания аналогичной мощности.

Усилитель на рисунке 9b (по PRR) добавляет каскад усиления операционного усилителя. В конструкции используется способность операционного усилителя служить источником напряжения. Как только Id устанавливается с помощью Rs, затвор MOSFET получает необходимое напряжение смещения непосредственно с выхода операционного усилителя без смещения цепи. (Спецификации устройства MOSFET будут иметь график зависимости напряжения затвора V G от тока холостого хода I D .) Сеть обратной связи (резисторы 5 кОм и 1 кОм) устанавливает общее усиление на 5 и автоматически обнуляет выходное напряжение до 0 В для постоянного тока. связь.Этот конденсатор 20 пФ снижает частотную характеристику выше 100 кГц, чтобы предотвратить колебания. При Rs = 100 Ом ток холостого хода полевого МОП-транзистора I D составляет 120 мА.

Вместо резистора для R S точный источник тока улучшит линейность. Источники тока обычно делаются на транзисторах, но в приведенной выше версии используется плавающий стабилизатор LM117 / 317, которому требуется только один резистор для регулировки выходного тока с 10 мА до 1,5 А. Разность напряжений между V на входе и V на выходе (что составляет 1.25V внутреннее опорное напряжение) должно находиться в диапазоне от 7 до 15В. При более высоких дифференциалах выходной ток начинает падать из-за внутренней защиты безопасной зоны, и в этом случае более одного источника тока можно подключать параллельно для более высокой выходной мощности. Хотя выходной конденсатор не требуется, он помогает устранить любую нестабильность. Опять же, рекомендуется радиатор.

Катодный повторитель со связью по переменному току


Рисунок 10

С точки зрения дизайна, лампы менее предпочтительны в качестве выходных каскадов, потому что выходное сопротивление выше, чем обычно достигается с помощью транзисторов.Тем не менее, существует множество отличных усилителей для наушников с ламповыми выходами. Связанный по переменному току катодный повторитель на рисунке 10 (из проекта усилителя для наушников Андреа Чуффоли) обеспечивает относительно низкое выходное сопротивление около 33 Ом за счет параллельного включения двух секций двойного триода. Катодный резистор имеет ответвления для обеспечения самосмещения. Каждая секция смещена на 26 мА или 52 мА.

Выходной импеданс однотрубного катодного повторителя рассчитывается по следующей формуле: Z out = R k / (1 + G m R k ), где G m - крутизна лампы, а R k - полное сопротивление катодных резисторов.Поэтому при создании катодного повторителя выбирайте лампы с высокой крутизной, чтобы получить наименьшее выходное сопротивление.

Симметричные эмиттерные повторители классов B и AB


Рисунок 11

Высокое энергопотребление усилителей класса A делает их непрактичными в усилителях для наушников с батарейным питанием. В схемах усилителя тока на рисунке 11 есть дополнительные устройства вывода, каждое из которых воспроизводит половину аудиосигнала. Эти схемы более эффективны, поскольку ток холостого хода может быть очень низким или даже 0 мА.Схема на рисунке 11a представляет собой усилитель класса B с выключенными Q1 и Q2 при выключенном состоянии на холостом ходу. Когда звуковой сигнал положительный, Q1 проводит; когда он отрицательный, Q2 проводит. Однако оба транзистора проводят ток только тогда, когда сигнал превышает напряжение прямого смещения, которое составляет около 0,7 В. Следовательно, оба транзистора остаются выключенными, когда аудиосигнал находится в пределах ± 0,7 В, что приводит к искажению кроссовера на выходе. Поскольку наушники работают с низким выходным напряжением, этот тип искажений особенно заметен в усилителе для наушников.

Схема на рисунке 11b улучшает характеристики, позволяя каскаду операционного усилителя подавать ток до тех пор, пока падение напряжения на R не станет достаточно большим для прямого смещения обоих транзисторов. Однако эта конструкция страдает от колебания выходного сопротивления. Выходной каскад на рисунке 11c решает обе проблемы, поскольку оба транзистора работают при очень низких токах холостого хода. Падение напряжения на двух диодах смещает Q1 и Q2 в прямом направлении; резисторы эмиттера определяют ток холостого хода - около 0,6 мА при этих значениях.Выходной каскад работает в классе A на низких уровнях - до тех пор, пока нагрузка не потребляет больше тока или напряжения, чем может обеспечить один из транзисторов. При работе от батареи выходной каскад часто смещен в диапазоне 1-10 мА, что означает компромисс между качеством звука и временем автономной работы. Минимальный ток холостого хода лучше всего определяется путем отслеживания выходного синусоидального сигнала на осциллографе, регулируя смещение до тех пор, пока не исчезнут кроссоверные искажения. Усилители с питанием от переменного тока могут использовать преимущества расширенного класса А за счет увеличения тока смещения.В усилителе для наушников Earle Eaton используется разновидность этой конструкции. Усилитель для наушников Шелдона Стокса имеет выходной каскад MOSFET класса AB.

Сильноточные буферы


Рисунок 12

Сильноточные буферы - это в основном выходные каскады на кристалле. Поскольку они являются специализированными продуктами и предназначены для использования в определенных приложениях, буферы оптимизированы, чтобы они особенно хорошо справлялись с одной работой. В целом, эти микросхемы обладают фантастическими характеристиками: сотни скоростей нарастания напряжения, низкие искажения и, конечно же, возможность работы с большими токами.Для усилителя наушников буфера, который может выдавать 100 мА, вероятно, более чем достаточно, но дополнительный ток не повредит, если требования к источнику питания соответствуют целям производителя. На рис. 12а показан операционный усилитель с усилением по напряжению с удвоенной токовой нагрузкой с помощью идентичного операционного усилителя, сконфигурированного как повторитель напряжения. Резисторы балансировки нагрузки (R c ) имеют сопротивление около 50 Ом. Выходное сопротивление этой цепи будет R c || R c || (R + R f ), но импеданс, видимый наушниками, намного меньше - уменьшен за счет эффекта обратной связи на выходах комбинированных R c s: Z out = R out / количество отзывов.

На рисунках 12b и 12c показаны операционные усилители с усилением по напряжению, дополненные буферами тока - 12b имеет буфер вне контура обратной связи, а 12c имеет буферы внутри. Общий выигрыш для обеих версий одинаков, но версия с глобальной обратной связью может работать с большей линейностью. Однако некоторые разработчики утверждают, что эти буферы уже очень линейны, а глобальная обратная связь может внести нестабильность в систему. Обе конфигурации работают. Если схема на рисунке 12c подключена только для локальной обратной связи, например, на рисунке 12b, тогда резисторы балансировки нагрузки могут быть всего 1 Ом для более низкого выходного сопротивления.При использовании двух- или четырехбуферных микросхем глобальная обратная связь может помочь исправить ошибки нагрузки на выходе (дополнительные сведения об ошибках нагрузки на выходе см. В разделах о выборе операционных усилителей и настройке каскадов усиления напряжения на операционных усилителях).

Примечание. Выходные каскады класса A можно аналогичным образом исключить из контура обратной связи, но каскады класса AB должны быть включены, поскольку они более склонны к нелинейной работе.

В случае, когда одиночный буфер не обеспечивает достаточного тока или имеет слишком высокий выходной импеданс, возможно параллельное соединение выходных буферов.Рисунок 12c увеличивает вдвое допустимый выходной ток и вдвое снижает выходное сопротивление за счет параллельного включения 2 выходных буферов. Суммирующие выходные резисторы R c (обычно 50 Ом) обеспечивают равный вклад всех буферов в выходной сигнал. Опять же, поскольку обратная связь берется после R c s, выходное сопротивление, воспринимаемое наушниками, составляет менее 1 Ом. В усилителе для наушников PHONES-01 Бен Дункан заменяет выходные резисторы ферритовыми шариками и лампами накаливания (см. Ниже), мотивируя это тем, что любое неравномерное совместное использование частот, скорее всего, будет в радиочастотном диапазоне.Бусины также помогают блокировать RF. Опять же, контур обратной связи может быть размещен до или после параллельных буферов.

Сопряжение ламп с твердотельными выходными каскадами

При соединении ламп с полупроводниковыми выходными каскадами более высокие рабочие напряжения ламп создают две потенциальные проблемы. Во-первых, может потребоваться «понижать» источник питания, а во-вторых, ламповые схемы могут излучать переходные процессы высокого напряжения, которые могут повредить твердотельные компоненты. Решения: используйте высоковольтные операционные усилители и буферы и / или ограничьте напряжение, поступающее на твердотельные входы.С высоковольтным полевым МОП-транзистором описанный выше повторитель источника класса А будет хорошо взаимодействовать с ламповыми каскадами усиления, поскольку лампы и полевые МОП-транзисторы имеют схожие звуковые характеристики. Усилитель MOSFET имеет стабилитрон от повреждений при перенапряжении. Есть и высоковольтные биполярные устройства, но они встречаются реже. Apex Microtechnologies и Burr Brown - два производителя высоковольтных операционных усилителей и буферов. Многие из них хорошо подходят для аудиоприложений, а некоторые микросхемы могут работать с источниками питания до ± 600 В.


Рисунок 13

Выходные каскады высокого напряжения также могут иметь ограничения входного напряжения, которые могут нарушить лампы. Ниже приведены две схемы защиты от перенапряжения, которые можно использовать с любым твердотельным выходным каскадом. Рисунок 13a - это предложение Эрика Барбура. При подаче переходных процессов высокого напряжения стабилитрон ограничивает вход до максимального значения ± 15 В. На рисунке 13b показана схема защиты, которую Грег Секерес использует в своем драйвере наушников MOSFET. Здесь переходные процессы, превышающие напряжения источника питания, будут смещать кремниевые диоды в прямом направлении и выводиться из системы.Входной резистор устанавливает минимальное сопротивление нагрузки на выходе лампы.

Ограничение выходного тока


Рисунок 14

Когда штекер наушников вставляется или вынимается из гнезда, возникает вероятность того, что выходы усилителя будут закорочены, хотя бы ненадолго. Без ограничения тока такое короткое замыкание может привести к сгоранию операционных усилителей и / или транзисторов выходного каскада. Вместо того, чтобы прибегать к сложным схемам измерения тока, на рисунке 14 показаны два общих ограничивающих механизма, которые защищают от повреждения при коротком замыкании: токоограничивающие резисторы и лампы накаливания.Токоограничивающие резисторы устанавливают минимальную нагрузку, которую может видеть усилитель - обычно 100 Ом, 1/2 Вт. Выходные резисторы уменьшат выходную мощность и увеличат выходное сопротивление усилителя, но это не повлияет на большинство наушников. Другой вариант - разместить токоограничивающие резисторы внутри контура обратной связи (рис. 12) так, чтобы эффективное выходное сопротивление усилителя было минимальным из-за обратной связи. См. Раздел Часто задаваемые вопросы о наушниках для получения дополнительной информации о влиянии выходного сопротивления усилителя на звук в наушниках.

Вместо токоограничивающего резистора лампа накаливания имеет преимущество в очень низком сопротивлении, когда нить накала холодная. Нити накаливания лампы имеют положительный температурный коэффициент. По мере того как увеличивающийся ток нагревает нить накала, сопротивление также увеличивается, тем самым уменьшая выходной ток. Выбирайте лампы с характеристиками напряжения и тока, аналогичными выходному каскаду. Лампы накаливания когда-то широко использовались для защиты громкоговорителей от перегрузки. Идея снова появилась в виде ограничения мощности для усилителей для наушников в проекте усилителя для наушников Бена Дункана PHONES-01.

УРАВНЕНИЕ


Рисунок 15

Проектирование ступени эквалайзера - это отдельная тема (см. «Проектирование карманного эквалайзера для наушников»). Выравнивание может быть реализовано в отдельных схемных блоках - в виде активных каскадов или пассивных сетей - чтобы гарантировать их полное отключение без ущерба для качества основного каскада усиления. Но есть случаи, когда эквализация настолько важна и необходима для использования усилителя, что сеть фильтров эквалайзера включается в контур обратной связи основного каскада усиления для удобства и экономии.Например, усилители для наушников для практики гитары почти всегда требуют усиления низких частот.

На рисунке 15 показана схема обратной связи по усилению низких частот, разработанная Т. Гисбертсом, которая при включении дает усиление на 10 дБ при частоте 50 Гц. В сети стоит стеллажный эквалайзер. Когда усиление отключено, R1-C1 и R2-R3-C2 образуют полосу пропускания с пороговыми частотами около 20 Гц и 30 кГц. Коэффициент усиления усилителя определяется соотношением (R2 || R3) / R1 и составляет приблизительно 4 с указанными значениями. При включенном усилении R3-C3 создают полку басов с пороговой частотой около 500 Гц.Спад в низкочастотной характеристике ниже 50 Гц вызван ослаблением входного фильтра верхних частот.

АКУСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ


Рисунок 16

Звук наушников страдает эффектом «супер-стерео», вызванным изоляцией каждого аудиоканала до одного уха. Акустические симуляторы изменяют стереосигнал электронным способом для создания более естественного звукового поля в наушниках. Они могут быть реализованы с помощью цифровых или аналоговых фильтров (также называемых фильтрами перекрестной подачи).В то время как цифровые и активные аналоговые симуляторы имеют встроенный усилитель для наушников, пассивные симуляторы представляют собой RC-цепи, которые формируют и задерживают перекрестную подачу. Пассивные сети чувствительны к импедансам источника и нагрузки, которые могут влиять на частотную характеристику сетей. (Примеры пассивных акустических симуляторов см. В библиотеке проектов HeadWize. Для получения дополнительной информации о цифровых и активных сетевых симуляторах см. Технологии для представления объемного звука в наушниках.)

В зависимости от входного и выходного импедансов пассивного симулятора, он может появляться на входе или выходе усилителя наушников (рисунки 16a, 16b), но изоляция сети между двумя каскадами усилителя часто дает наилучшие характеристики (рисунок 16c). ). С двумя изолирующими каскадами сеть может быть уверена в том, что она будет видеть низкий входной импеданс источника и высокий выходной импеданс нагрузки, так что частотная характеристика сети остается постоянной. Оба каскада могут быть блоками усиления по напряжению и / или буферами с единичным усилением, в зависимости от требований приложения.

Однако с усилителями с батарейным питанием, которые могут работать с операционными усилителями при более низких напряжениях, предпочтительный способ создания усилителя для наушников с акустической симуляцией состоит в том, чтобы сделать второй каскад блоком усиления напряжения, чтобы компенсировать любые вносимые потери в сети, поскольку а также обеспечить общий выигрыш по напряжению. Если блок усиления по напряжению не выводит достаточный ток для управления наушниками, добавьте сильноточный буфер с единичным усилением после блока усиления по напряжению.

При использовании нескольких каскадов усиления операционного усилителя обязательно проверьте напряжение холостого хода на выходе последнего каскада.Если оно больше нескольких милливольт, напряжения смещения постоянного тока операционных усилителей должны быть отрегулированы - либо путем подстройки смещений постоянного тока, либо путем добавления конденсаторов между ступенями и на выходе для смещения блоков, либо путем выбора резисторов обратной связи для минимизации смещений (см. следующий раздел).

РЕГУЛИРОВКА СМЕЩЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА В МНОГОКАДАННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ.


Рисунок 17

В одноступенчатых усилителях напряжение смещения постоянного тока операционного усилителя составляет всего несколько миллиампер и редко является проблемой.В многокаскадных усилителях смещения постоянного тока могут усиливаться последовательными каскадами, пока напряжение холостого хода на выходе последнего каскада не достигнет нескольких вольт, хотя общий коэффициент усиления системы может быть не очень высоким. Ян Мейер испытал эту ситуацию при сборке и тестировании усилителя для наушников:

Ссылаясь на рисунок 17a, неинвертированный вход операционного усилителя, подключенного как повторитель напряжения, требует небольшого входного тока смещения (i +), который, поскольку он протекает через резистор R1, генерирует ненулевое напряжение V + = (i +) * R1 на входе.Типичные значения для i +: от 1 до 2 мкА (LM6171 / LM6181 / LTC1206) для биполярного входа или от 1 до 50 пА (OPA627 / OPA604) для усилителей с полевым входом. При R1, равном 100 кОм, V + (и, следовательно, Vout) может иметь значения до 200 милливольт!

На рисунке 17b добавлен контур обратной связи, который усиливает V + в раз (R3 + R2) / R2. Усилитель для наушников нередко имеет коэффициент усиления около 5. Это, однако, также усиливает V + для Vout до 1000 мВ, что может повредить наушники, особенно наушники с низким импедансом.К счастью, инвертированный вход также генерирует ток смещения (i-), который генерирует постоянное напряжение (V-) на инвертированном выводе и, таким образом, противодействует эффектам V +. Эффективное сопротивление заземления, воспринимаемое инвертированным входом, представляет собой значение параллельных резисторов R2 и R3, равное (R2R3) / (R2 + R3). Чтобы устранить смещение выходного напряжения, создаваемое i +, входное напряжение V- должно быть равно V +:

(i +) R1 = (i -) * (R2R3) / (R2 + R3) Чтобы выбрать значения для R2 и R3, сначала взгляните на спецификации операционного усилителя для i + и i-.Обратите внимание, что они не обязательно должны иметь одинаковое значение. Например, LTC1206 имеет значение i + 2 мкА, тогда как i- увеличивается до 10 мкА! Путем правильного выбора номиналов резистора смещение можно значительно уменьшить. С усилителем для наушников, сделанным на основе операционного усилителя LM6171 и имеющим R1 = 47 кОм, R2 = 56 кОм, R3 = 300 кОм, один канал показывает очень хорошее смещение всего 20 мВ. Другой канал упал до трудноизмеримых 0,2 мВ! Тот факт, что каналы не были равны, просто связан с производственными вариациями в операционных усилителях одного и того же типа.

Проблема с входным каскадом. Если входной потенциометр напрямую подключен к операционному усилителю, значение R1 теперь изменяется вместе с регулятором громкости, и точное соответствие сопротивлений невозможно. Возможное решение показано на рисунке 17c. Сопротивление потенциометра больше не влияет на сопротивление операционного усилителя постоянному току. В качестве альтернативы, если усилитель наушников имеет второй каскад, входной каскад может быть отделен от второго каскада, как показано на рисунке 17d.Если выход первой ступени напрямую связан с входом второй ступени, эффективное значение R1 равно нулю, и сопоставление не может быть выполнено. Однако вы можете просто поставить резистор между выходом и входом.

Последнее предупреждение: если усилитель наушников также будет предварительным усилителем, любое смещение постоянного тока на выходе будет усилено усилителем мощности и будет подаваться в громкоговоритель с низким сопротивлением. В этой ситуации смещение на несколько милливольт может повредить громкоговоритель. Чтобы предотвратить повреждение громкоговорителей или усилителя мощности, всегда используйте конденсаторы (достойного качества) на выходе предусилителя.

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ НАУШНИКОВ


Рисунок 18a

Многодорожечная запись позволяет музыкантам записывать песни слоями. Дорожки могут быть добавлены или наложены. Музыканты могут находиться далеко друг от друга или играть в разное время, чтобы изолировать свое исполнение для максимальной гибкости при редактировании. Мониторинг через наушники - самый распространенный способ для музыкантов услышать друг друга в таких условиях, и усилитель-распределитель наушников играет центральную роль в этой функции.

Усилители-распределители для наушников

могут управлять несколькими парами наушников через один набор входов. Несмотря на то, что довольно легко построить один из усилителя мощности с лестницей выходных резисторов (инструкции см. В разделе часто задаваемых вопросов по наушникам), есть преимущества для управления каждым наушником от его собственного усилителя, например, больший контроль над усилением. Первый каскад базового усилителя-распределителя, показанного на рисунке 18a, представляет собой повторитель напряжения, который обеспечивает буферизацию импеданса и инверсию сигнала для правильной фазы на выходе наушников.Буфер питает любое количество блоков усилителей для наушников с собственными регуляторами громкости.


Рисунок 18b

По мере того, как все больше музыкантов требуют индивидуальных миксов, коммерческие усилители-распределители начали добавлять функции микшера. На рисунке 18b показано, как преобразовать каскад входного буфера основного усилителя-распределителя в каскад смесителя. Входные буферы (A1 и A2 для левого и правого каналов) теперь имеют ряд суммирующих резисторов 100 кОм, по одному резистору для каждого стерео или моно входа.Регуляторы уровня для стерео и моно входов представляют собой наборы потенциометров баланса громкости и панорамирования. Чтобы переместить характеристику баланса или панорамирования ближе к концам вращения горшка, уменьшите значение Ri.


Рисунок 18c

Полнофункциональный усилитель-распределитель для наушников будет иметь ограничители и, возможно, каскады выравнивания для каждого выхода на наушники. Сеть акустической симуляции, эквалайзер и / или ограничитель могут быть размещены между блоками буфера и усилителя наушников (информацию о лимитерах см. В разделе «Разработка ограничителя для усилителей для наушников», а для схем эквалайзера - «Разработка карманного эквалайзера для наушников»).Чтобы увеличить управляемость блока усилителя, добавьте выходной каскад с буфером тока (после любых активных каскадов эквалайзера).

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Блоки питания переменного тока


Рисунок 19

Регулировать или не регулировать, ответ зависит от схемы. Современные операционные усилители имеют превосходные коэффициенты отклонения от источника питания (PSRR) и меньше подвержены колебаниям напряжения, чем более старые продукты, но дискретные выходные каскады могут быть более уязвимыми.Поскольку усилители для наушников потребляют очень мало энергии, а трехконтактные регуляторы дешевы, не помешает наличие регулируемого источника питания. На рис. 19 показано двойное питание с плавающими регуляторами LM150 / LM133, настроенными на медленный запуск, чтобы минимизировать удары при включении. Задержка составляет R * C = 8900 * 1000 E-6 = 9 секунд. Также проверьте схемы блоков питания в статьях HeadWize Projects или в технических описаниях регуляторов. В любом случае каждый операционный усилитель должен быть отделен от источника питания керамическим конденсатором 0,1 мкФ и, возможно, электролитическим 10 мкФ, подключенным от контактов источника питания к земле (см. Рисунок 14e ниже).


Рисунок 20

В ламповых схемах

часто не используются регулируемые источники питания, но там, где рекомендуется, это обычно единственный регулируемый источник высокого напряжения для каскада усиления и / или регулируемый источник низкого напряжения для ламповых нагревателей. Например, ламповый операционный усилитель Forssell требует регулируемого источника питания + 350 В для выходного каскада (не менее 30 мА для двух операционных усилителей) и регулируемого источника питания 6 В для нагревателей, чтобы минимизировать шум. Плавающие регуляторы, такие как LM150, могут выдавать сотни вольт, пока дифференциальное напряжение на входе / выходе остается в пределах спецификации (и не забудьте установить диодную защиту регулятора).На рисунке 20 показан простой стабилизатор высокого напряжения на основе стабилитрона. Если выходное напряжение повышается, потенциал на V GS уменьшается, и полевой МОП-транзистор снижает выходной ток. Если выходное напряжение падает, то V GS увеличивается, а выходной ток увеличивается. Указанный IRF420 имеет V DS на 450 В и I D на 2 А постоянного тока и должен быть установлен на радиаторе. Стабилитрон может быть любой серией стабилитронов мощностью 5 Вт (для схемы Форселла), общая сумма которых составляет около 350 В.

Расходные материалы для батарей


Рисунок 21

Есть операционные усилители, которые будут работать на одиночном 1.Ячейка 5В. Такие микромощные операционные усилители могут работать с очень эффективными наушниками с низким сопротивлением. С другими наушниками неспособность операционных усилителей с микромощностью создавать более высокие напряжения на нагрузке ограничивает громкость. Один из способов получить более высокое напряжение от батарей - это соединить батареи последовательно. Другой - повысить напряжение аккумулятора с помощью преобразователя постоянного тока в постоянный (до нескольких вольт или даже нескольких сотен вольт в случае портативных электростатических наушников). Преобразователи постоянного тока в постоянный, также называемые импульсными регуляторами, творит чудеса, изменяя постоянное напряжение на переменное с помощью генератора, который питает повышающий трансформатор или емкостной / индуктивный резервуар для создания напряжения, а затем преобразуется обратно. к постоянному току при более высоком напряжении.Как и любой источник питания переменного тока, источник постоянного тока должен иметь хорошую фильтрующую сеть на выходе, чтобы минимизировать шум источника питания.

Операционные усилители

могут работать от одного источника, но предназначены для работы с двумя источниками. Усилители для наушников с выходами с прямой связью должны получать питание от двух источников. Если в корпусе усилителя есть место, рекомендуется использовать отдельные батареи для положительного и отрицательного источников питания (рис. 21b). Если операционный усилитель может работать от источника питания ± 3 В или менее, одиночная батарея на 9 В может быть преобразована в двойную, как показано на рисунке 21a.Делитель напряжения создает виртуальную землю в центральном переходе и потребляет менее 1 мА. на холостом ходу. Выходные электролитические конденсаторы уменьшают сопротивление источника питания на высоких частотах и ​​действуют как резервуар энергии для имитации двух отдельных источников питания.

Эта версия практически заземленного источника питания лучше всего работает с усилителями, потребляющими более низкий ток холостого хода, поскольку конденсаторы должны иметь возможность быстро «заряжаться». Начните с конденсаторов емкостью 100 мкФ. С помощью осциллографа или мультиметра проверьте источник питания на предмет любого звонка или колебаний, когда усилитель громко управляет наушниками.Увеличьте емкость или уменьшите значения резистора делителя напряжения для компенсации (уменьшение значений сопротивления делителя напряжения приведет к увеличению тока холостого хода). Самый важный тест - это тест на слушание. Несмотря на колебания напряжения питания, усилитель может работать без видимых помех. Для простого источника питания переменного тока подключите эту схему к адаптеру с регулируемым выходом 12 В (Radio Shack продает такой), чтобы получить стабилизированное напряжение ± 6 В (рисунок 21c). Независимо от используемого варианта источника питания, отключение операционных усилителей от источника питания (рисунок 21d) улучшит стабильность.


Рисунок 22

Тем не менее, могут быть случаи, когда виртуально заземленный двойной источник питания имеет тенденцию «смещаться», когда резисторный делитель напряжения не может поддерживать виртуальное заземление на уровне 1/2 В постоянного тока. Такие случаи могут возникать, когда операционный усилитель потребляет слишком большой ток или входной сигнал (например, эквалайзер с высоким усилением) толкает операционный усилитель к сильному ограничению, и источник питания не может восстановить. Есть несколько недорогой коммерческая ссылки напряжения, что может выводить стабильные 1/2 Vcc независимо от нагрузки.На рис. 22 показан практически заземленный двойной источник питания, реализованный с опорным напряжением Texas Instruments TLE2426 и одной батареей 9 В (TLE2426 отлично подходит также с двумя батареями 9 В для стабильного двойного источника питания 9 В). Перед тем как выбрать источник опорного напряжения, проверьте спецификации, чтобы увидеть, если он имеет достаточный потенциал тока для нагрузки.

Приложение

11/11/98: Расширенное обсуждение использования операционных усилителей для прямого управления наушниками без выходного каскада.Также обновлены цифры 21c, 21d - значения резистора делителя напряжения снижены до 5 кОм, на основе экспериментов.

13.11.98: Добавлено изображение и описание карманного усилителя для наушников.

10.05.1999: Добавлены следующие новые разделы: Эквализация, Акустическое моделирование, Регулировка смещения постоянного тока операционных усилителей. Также небольшие исправления в других разделах.

19.07.1999: Добавлен раздел по усилителям-распределителям для наушников.

20.07.99: Обновлен раздел, посвященный усилителям-распределителям для наушников.

24.07.99: Обновлен раздел, посвященный усилителям-распределителям для наушников.

1/3/00: Обновлены следующие разделы: Выбор твердотельных операционных усилителей, настройка операционных усилителей для усиления напряжения, выходной каскад.

1/24/00: Исправленные входные соединения обратного операционного усилителя на рисунках 18a и 18b. Также исправлен расчет Rs для драйвера MOSFET на рисунке 9.

10.04.2004: Измененный рисунок 16c и соответствующее описание.

10.12.07: Исправленный рисунок 9a.Добавлен рисунок 9b и соответствующее описание. Спасибо PRR за схему.

Ссылки:
___, Справочник по проектированию электронных схем , 1971.
___, National Semiconductor Audio / Radio Handbook (1986).
___, «Приложения для регулируемого ИС регулятора мощности», National Semiconductor, январь 1997 г.
___, «Примечания по применению BUF634», Burr-Brown, 1993.
___, «Примечания по применению LF353», Texas Instruments, 1993.
___ , «Рекомендации по применению NE5532», Philips Semiconductor, апрель 1996 г.
___, «Схема микшера MLM82», Rane Corporation, май 1998 г.
___, «Примечания по применению LM150», National Semiconductor, май 1998 г.
___, «Лист данных LM358», National Semiconductor, сентябрь 1999 г.
___, «LM6171» Datasheet, National Semiconductor, май 1998 г.
Бэнкс, Морган, «AB-051 Удвоение выходного тока на нагрузку с помощью операционного усилителя звука OPA2604», Burr-Brown, 1993.
Барбур, Эрик, «Вакуумные ламповые усилители обратной связи переменного тока. «Гласс Аудио», 2/92.
Барбур, Эрик, «Каскадный усилитель 1 + 1», Glass Audio, 6/92.
Borbely, Erno, «Низковольтный линейный усилитель на ламповых МОП-транзисторах», 1/98, стр. 1.
Даннер, Дензил Г., «Праймер для ламповых цепей: справочник», Glass Audio, 3/92, стр. 20.
Дункан, Бен, «Насколько чист ваш операционный усилитель», Electronics World + Wireless World, январь 1993 г., стр. 42.
Дункан, Бен, «Phone Home», Hi-Fi News and Record Review, май 1997 г., стр. 68.
Duval, Bernard, «IRF150 Hybrid Amp», LED, Winter 1996.
Fox, Harry, Master OpAmp Application Handbook , 1978.
Forssell, Fred, «A Vacuum Tube Op Amp», Glass Audio, 1 / 95, стр.1.
Гисбертс, Т., «Усилитель для наушников для гитаристов», Elektor Electronics, 11/96, с. 32.
Хоровиц П. и Хилл В. Искусство электроники (1989).
Jung, W., Audio IC OpAmp Applications (1988).
Юнг, В., «Композитный линейный драйвер с низким уровнем искажений», Electronic Design, 24.06.96, стр. 78.
Юнг У., Сведение к минимуму входных ошибок, Электронный дизайн, 14.12.98.
Юнг, В., Реализация высокой производительности: ограничения полосы пропускания, электронный дизайн, 1/12/98.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *