Преобразователь тока в напряжение
Преобразователь тока в напряжение (или сокращенно I-U преобразователь) — это схемное решение, позволяющее преобразовывать выходной токовый сигнал источника в напряжение.
Так же его называют усилитель — преобразователь сопротивления. Такое название в технической литературе было дано за то, что простейший преобразователь тока в напряжение — это резистор.
Вся магия преобразования происходит по закону дедушки Ома. Ток iвх протекая через резистор R вызывает на нем падение напряжение Uвых. Величина этого напряжения прямо пропорциональна произведению сопротивления резистора и входного тока. Пожалуй формулой все звучит даже проще:
Uвых = R × iвх
Основной недостаток использования одного резистора состоит в его ненулевом сопротивлении. Это обстоятельство становится серьезной проблемой, когда источник не в состоянии обеспечить необходимый уровень напряжения на резисторе. Результатом буду просадки напряжения на выходе.
Еще больше сопротивление сказывается на работе преобразователя, если у источника тока малый выходной рабочий диапазон. К таким источникам относится, например, фотодиод. Его выходной ток составляет единицы мкА.
В случае же ЦАПа, особенно высококачественного, использование резистора для преобразования предпочтительнее. Почему и зачем читайте в статье Резистор для ЦАП с токовым выходом. Это обусловлено некоторыми фазовыми проблемами схем, которые будут рассмотрены. К счастью для нас, источникам вроде фотодиода фазовые искажения безразличны.
И снова рад приветствовать аудиторию всеми любимого музыкального раздела!
Сегодня хотелось бы поговорить о новом классе устройств в теме CarAudio – усилителей с процессором на борту. Казалось бы, еще вчера, мысли о таком оборудовании вызывали лишь улыбку. Сегодня, к счастью, удалось подержать в руках, опробовать на стенде и в реальных условиях представителей сего класса.Речь пойдет о двух процессорных усилителях, выпускаемых под брендом RDING
:
class
Мощность 4×80Вт (4Ом)
.
Мощность 4×100Вт (4Ом)
Часть первая. Внутреннее пространство.
Автор Юренин А.Б.Итак, хотелось бы сказать несколько слов о технической начинке устройства. До сей поры, тема относительно бюджетных усилителей со встроенным DSP на рынке российского car audio была представлена слабо, мне известна лишь пара-тройка брендов, по-сути, предлагающих под своим именем одну и ту же конструкцию от крупного ОЕМ поставщика.
Тем интереснее понять, а что же внутри, и стоит ли устройство запрашиваемых денег, пусть даже относительно и небольших? Что же нам показывает вскрытие пациента?
Функционально аппарат состоит из 2х полностью независимых блоков — собственно усилителя (1/2/4 канального, в зависимости от модели усилителя) и блока цифровой обработки сигнала (т.н DSP
процессора, соответственно 1, 2 или 4х канального). Блоки полностью энергонезависимы, плата модуля
DSP
оснащена собственным блоком питания и расположена максимально близко к входным сигнальным клеммам, беря на себя полностью все функции типового модуля аналоговых фильтров).
Аналоговый сигнал проходит процедуру оцифровки с помощью чипов АЦП и далее, уже в цифровом виде поступает на СБИС, осуществляющие обработку (непосредственно модуль DSP). Настройки модуля хранятся в энергонезависимом ПЗУ (чип памяти hynix,
слева от DSP модуля на фото). Управление настройками DSP и запись режимов в память устройства производится по шине USB с помощью компьютера (необходимый софт и драйвера для ОС winows 32bit доступны для скачивания), или с помощью специального программатора (покупается отдельно). Последнее устройство, возможно, даже более удобно в условиях поточной работы инсталляционного центра. Оно практично и существенно менее дорого, в сравнении со стоимостью ПК. После обработки цифровой сигнал преобразуется в аналоговую форму с помощью ЦАП типа дельта-сигма, достаточно серьезных по уровню качества, без особых скидок на бюджетность реализации. В этой роли используется продукция известнейшей американской компании
Burr-Brown
(АЦП:
PCM1802
, ЦАП:
PCM1789
по чипу на каждую пару каналов) Опорный генератор работы модуля DSP и АЦП/ЦАП тактируется кварцевым генератором с сеткой, привязанной к 48кГц (
512хFs
) Далее, уже аналоговые сигналы поступают на основную плату усилителя мощности, имеющего типовую схемотехнику. БП имеет достаточную энерговооруженность (это касается и выбора силовых ключей, и емкостей подпора цепей питания) Выходные каскады
УМ
решены на комплементарных парах транзисторов
2SC5198/2SA1941
производства авторитетной японской компании
Toshiba
. Запас мощности позволяет без проблем получить до 70Вт неискаженного сигнала на канал, что соответствует заявке производителя. В результате, подытожив, могу сказать, что устройство по исполнению откровенно
не
произвело впечатления бюджетного устройства.Более того, качество изготовления плат на высоте, трассировка и организация питания модулей ЦАП/АЦП решена технически грамотно, все питающие цепи имеют керамические шунты непосредственно около потребителей, для подпора используются алюминиевые электролитические и танталовые емкости общего применения, с широким температурным диапазоном.
Выбор активных комплектующих также не может заслужить одобрения.
Посмотрим, на что устройство, в принципе, способно и как покажет себя в «полевых условиях».
Схема преобразователя ток-напряжение на ОУ
Схема преобразователя тока в напряжение, совсем не нова, но проверенна и безотказна. В общем виде она выглядит следующим образом:
Ток сигнала iвх втекает в инвертирующий вход. Поскольку входной ток идеального ОУ равен нулю, то весь входящий ток поступает на резистор R цепи обратной связи. Этот ток создает на резисторе падение напряжения по закону все того же Ома.
Как результат ОУ будет стараться поддерживать на сопротивлении нагрузки RН напряжение, пропорциональное величине входного тока. Коэффициент усиления схемы в, таком случае, имеет размерность сопротивления. Что еще раз объясняет советское название усилитель-преобразователь сопротивления:
K = Uвых ÷ iвх = R
Преобразователь для заземленного источника
Рассмотрим несколько схем преобразователя тока в напряжение на ОУ, подходящие для любого случая. Начнем со схемы преобразователя для фотодиода.
Направление протекания тока показано стрелкой, и для данного случая величина выходного напряжения составит:
Uвых = − iвх × R
Знак минус появляется из-за выбранного направления протекания тока фотодиода. (Указано стрелкой на схеме выше)
На этой схеме так же показан дополнительный резистор в 1 МОм, с неинвертирующего(+) входа ОУ на землю. Схема останется работоспособной и без этого резистора, а вход операционного усилителя в таком случае заземляется напрямую.
Однако имея резистор в 1 МОм в цепи обратной связи, на каждый 1 мкА входного тока на выходе будет создан 1 Вольт напряжения. При таком коэффициенте усиления (миллион раз) резистор желателен из-за неидеальности операционных усилителей.
Преобразователь тока в напряжение используют и с источниками сигнала, подключенными к шине питания. Такая схема часто применяется с элементами вроде фототранзисторов. Фототранзистор потребляет (пропускает) ток, под действием внешнего источника света, положительной шины питания.
Дрейф нуля УПТ
Особенностью многокаскадных УПТ, не использующих модулятор на входе и демодулятор на выходе — это УПТ типа М-ДМ, является непосредственная связь между каскадами, то есть между каскадами не включаются разделительные конденсаторы или трансформаторы, не пропускающие сигналы с низкими частотами, в частности, сигналы постоянного тока. Для таких УПТ характерен «дрейф нуля» — медленное систематическое или медленное хаотическое изменение выходного сигнала при неизменном входном сигнале.
Количественно дрейф нуля принято выражать приведённым ко входу усилителя, то есть дрейфу выходного сигнала делённому на коэффициент усиления усилителя. Часто указывается дрейф от влияющего фактора, например, от температуры, в этом случае приведённый ко входу дрейф относят к единице измерения влияющего фактора, например, мкВ/ (температурный дрейф), мкВ/сутки (временной дрейф) и т. д.
Дрейф нуля принципиально неустраним в УПТ с непосредственными связями, разными мерами можно только его уменьшить. Причинами, вызывающими дрейф нуля являются:
- Изменения температуры (температурный дрейф) и влажности окружающей среды.
- Нестабильности источников питания.
- Старение электронных компонентов, вызывающее изменение их электрических параметров.
- Низкочастотные собственные шумы усилителя.
Для снижения дрейфа нуля стремятся исключить влияние внешних факторов — герметизацией, термостатированием, использования стабильного питания, применения искусственно состаренных компонентов и др. Наиболее весомый вклад в дрейф обычно температурный.
Основной вклад в дрейф нуля вносит входной каскад, вклад последующих каскадов в дрейф нуля обычно мал. Для снижения дрейфа входного каскада часто применяют дифференциальные (балансные) входные каскады. Дифференциальное включение активных компонентов позволяет существенно снизить влияние температуры и других влияющих на дрейф факторов, так как при равенстве величины и знака изменения параметров активных компонентов в дифференциальной схеме уход параметров взаимно компенсируется, так как влияют на выходной сигнал с разными знаками и в идеале — равными по модулю.
Температурный дрейф современных прецизионных УПТ с непосредственными связями, например прецизионных операционных усилителей порядка единиц — десятков мкВ/К.
Очень эффективный способ борьбы с дрейфом нуля является применение УПТ построенных по схеме модулятор — усилитель переменного сигнала — демодулятор сокращенно называемые УПТ типа МДМ или М-ДМ.
Преобразователь тока в напряжение для незаземленного источника
Такой преобразователь отличается наличием второго токочувствительного резистора в цепи прохождения сигнального тока, который заземлен. Схема симметричного преобразователя ток-напряжение это подобие дифференциального усилителя.
В следствии падения напряжения так же и на заземленном резисторе, потенциал входа ОУ падает ниже потенциала земли, а на выходе устанавливается напряжение:
Uвых = −2 × iвх × R
Симметричный преобразователь тока в напряжение — пример операционной схемы, которой необходим незаземленный (плавающий) источник сигнала. Таким источником может послужить все тот же фотодиод. При этом фотодиод может быть вынесен за пределы платы. Для еще большей минимизации помех, желательно использовать экранированный кабель, экран которого должен быть соединен с землей.
