По сравнению с усилителями, собранными на дискретных полупроводниковых элементах, операционные и инструментальные усилители (ОУ и ИУ) предоставляют разработчику большие удобства. Опубликовано огромное количество остроумных, полезных и привлекательных схем. Но очень часто схема, смонтированная поспешно, без учета некоторых основных требований, не работает как положено. В этой статье рассмотрено несколько наиболее характерных ошибок в применении этих устройств и предложены практические решения.
- Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току
- HI-FI усилитель мощности на TDA2030A с двухполярным питанием | РадиоДом
- Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП
- Возможности TDA2030 (от усилителя до блока питания)
- Корректная подача опорного напряжения в ИУ
- Питание усилителя
- Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием
- Рекомендации по включению «Быстрых» операционных усилителей
Отсутствует цепь для отвода тока смещения при связи по переменному току
Одна из наиболее распространенных ошибок при применении связи по переменному току в схемах с операционными или инструментальными усилителями — это отсутствие цепи постоянного тока для стекания тока смещения. На рис. 1 включение последовательно с неинвертирующим входом (+) ОУ конденсатора для связи по переменному току является простым способом не пропустить постоянную составляющую, имеющуюся во входном напряжении (VIN). Это особенно полезно для схем с большим усилением, где даже небольшое постоянное напряжение на входе может ограничить динамический диапазон или вызвать насыщение выхода. Однако емкостная связь на высокоомном входе приведет к неприятностям, если не обеспечить цепь постоянному току, текущему в неинвертирующий вход или из него.
Рис. 1. Неработоспособная схема на ОУ со связью по переменному току
В такой схеме входные токи смещения будут течь через разделительный конденсатор, заряжая его, пока синфазное напряжение на входе не достигнет максимально допустимого значения или пока выход не достигнет предельного напряжения. В зависимости от направления входного тока смещения конденсатор будет заряжаться или до положительного, или до отрицательного напряжения питания. Напряжение смещения усиливается коэффициентом усиления при замкнутой ОС по постоянному току.
Этот процесс может занять длительное время. Например, усилитель с полевыми транзисторами на входе с током смещения 1 пА с конденсатором развязки 0,1 мкФ будет заряжаться со скоростью I/C 10–12/10–7 = 10 мкВ/с или 600 мкВ в минуту. Если коэффициент усиления равен 100, выходное напряжение будет меняться на 0,06 В в минуту. Таким образом, испытания в лаборатории (с помощью осциллографа с входом по переменному току) могут не выявить эту проблему, и схема будет работоспособна в течение нескольких часов. Разумеется, очень важно не допустить подобной проблемы.
На рис. 2 показано решение этой весьма распространенной задачи. Для обеспечения цепи протекания тока смещения здесь вход ОУ соединен с «землей» с помощью резистора. Для минимизации входных напряжений смещения, вызванных токами смещения, которые отслеживают друг друга в биполярных ОУ, сопротивление резистора R1 выбирают равным сопротивлению параллельно включенных R2 и R3.
Рис. 2. Правильный подход к обеспечению связи по переменному току входа ОУ при работе с двухполярным питанием
Однако отметим, что данный резистор будет всегда привносить в схему некоторый шум, так что должен быть компромисс между входным импедансом схемы, требуемой емкостью входного развязывающего конденсатора, и тепловым шумом, добавляемым резистором. Типичные значения сопротивления резистора лежат в диапазоне от 100 кОм до 1 МОм.
Аналогичная проблема может иметь место и в схеме с инструментальным усилителем. На рис. 3 показана схема с ИУ с двумя разделительными конденсаторами, не обеспечивающая цепь для протекания входного тока смещения. Эта проблема обычна для инструментальных усилителей, работающих как в схеме с двухполярным питанием (рис. 3a), так и в схеме с одним источником питания (рис. 3б).
Рис. 3. Примеры неработоспособных схем со связью по переменному току на ИУ: а) двухполярный источник питания; б) однополярный источник питания
Подобная проблема может возникнуть и при трансформаторной связи, как на рис. 4, если нет цепи для постоянного тока на «землю» на стороне вторичной обмотки трансформатора.
Рис. 4. Неработоспособная схема с трансформаторной связью на ИУ
Простые решения этих проблем показаны на рис. 5 и 6. Здесь между каждым входом и «землей» добавлены высокоомные резисторы RA и RB. Это простое и практичное решение для схем на ИУ с двухполярным питанием.
Рис. 5. Высокоомный резистор между каждым входом и общим проводом необходим для пути возврата тока смещения на «землю»: a) двухполярное питание; б) однополярное питание
Рис. 6. Правильный способ трансформаторной связи со входами ИУ
Эти резисторы обеспечивают путь для стекания входного тока смещения на «землю». В схеме с двухполярным источником питания (рис. 5a) теперь оба входа связаны по постоянному току с «землей». В схеме с однополярным питанием на рис. 5б оба входа соединены или с «землей» (при VCM, подключенной к «земле»), или с напряжением смещения, обычно равным половине максимального размаха входного напряжения.
Точно такой принцип может быть использован для входов с трансформаторной связью (рис. 6), за исключением случая, когда обмотка трансформатора имеет среднюю точку. Средняя точка трансформатора может быть соединена с «землей» или с VCM.
В этих схемах погрешность в виде небольшого напряжения смещения нуля возникает из-за несовпадения номиналов входных резисторов или несовпадения входных токов смещения. Для минимизации таких погрешностей между двумя резисторами можно подключить третий резистор с величиной сопротивления около 1/10 сопротивления этих двух (но больше, чем дифференциальное сопротивление источника), таким образом шунтируя эти резисторы.
HI-FI усилитель мощности на TDA2030A с двухполярным питанием | РадиоДом
| Предлагаемая на рисунке TDA2030A схема усилителя мощности, с давних пор пользуется большой популярностью у людей занимающихся построением звуковой аппаратуры. Обладая небольшими габаритами и отличными HI-FI характеристиками, микросхема способна работать с нагрузкой сопротивлением от 4 до 8 Ом, и обеспечить мощность выходного сигнала до 18 Ватт. Питание усилителя может быть однополярным, но в этом случае, при включении, происходит громкий щелчок в акустической системе из-за переходных процессов, такой вариант мы рассматривать не будем. Схема имеющая двухполярное питание, лишена этого недостатка, запуск усилителя на TDA2030A происходит абсолютно бесшумно и не требует развязки выходных цепей с помощью разделительного конденсатора большой ёмкости.
|
radiohome.ru
Подача опорного напряжения на ОУ, ИУ и АЦП
На рис. 7 приведена схема с однополярным питанием, в которой напряжение на несимметричный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) подается с инструментального усилителя. Опорное напряжение усилителя обеспечивает напряжение смещения, соответствующее нулевому дифференциальному входному напряжению, а опорное напряжение АЦП обеспечивает коэффициент масштабирования. Для снижения внеполосного шума между выходом ИУ и входом АЦП часто применяется простой сглаживающий RC-фильтр нижних частот. Разработчики часто соблазняются простыми решениями — например, для подачи опорного напряжения на ИУ и АЦП применяют резистивные делители вместо низкоомного источника. Для некоторых ИУ это может послужить причиной появления погрешности.
Рис. 7. Типичная схема подачи сигнала с ИУ на АЦП с однополярным питанием
Возможности TDA2030 (от усилителя до блока питания)
Микросхема усилителя НЧ TDA2030A фирмы ST Microelectronics пользуется заслуженной популярностью среди радиолюбителей. Она обладает высокими электрическими характеристиками и низкой стоимостью, что позволяет при минимальных затратах собирать на ней высококачественные УНЧ мощностью до 18 Вт. Однако не все знают о ее “скрытых достоинствах”: оказывается, на этой ИМС можно собрать ряд других полезных устройств. Микросхема TDA2030A представляет собой 18 Вт Hi-Fi усилитель мощности класса АВ или драйвер для УНЧ мощностью до 35 Вт (с мощными внешними транзисторами). Она обеспечивает большой выходной ток, имеет малые гармонические и интермодуляционные искажения, широкую полосу частот усиливаемого сигнала, очень малый уровень собственных шумов, встроенную защиту от короткого замыкания выхода, автоматическую систему ограничения рассеиваемой мощности, удерживающую рабочую точку выходных транзисторов ИМС в безопасной области. Встроенная термозащита обеспечивает выключение ИМС при нагреве кристалла выше 145°С. Микросхема выполнена в корпусе Pentawatt и имеет 5 выводов. Вначале вкратце рассмотрим несколько схем стандартного применения ИМС – усилителей НЧ. Типовая схема включения TDA2030A показана на рис.1.
Микросхема включена по схеме неинвертирующего усилителя. Коэффициент усиления определяется соотношением сопротивлений резисторов R2 и R3, образующих цепь ООС. Вычисляется он по формуле Gv=1+R3/R2 и может быть легко изменен подбором сопротивления одного из резисторов. Обычно это делают с помощью резистора R2. Как видно из формулы, уменьшение сопротивления этого резистора вызовет увеличение коэффициента усиления (чувствительности) УНЧ. Емкость конденсатора С2 выбирают исходя из того, чтобы его емкостное сопротивление Хс=1 /2?fС на низшей рабочей частоте было меньше R2 по крайней мере в 5 раз. В данном случае на частоте 40 Гц Хс2=1/6,28*40*47*10-6=85 Ом. Входное сопротивление определяется резистором R1. В качестве VD1, VD2 можно применить любые кремниевые диоды с током IПР0,5… 1 А и UОБР более 100 В, например КД209, КД226, 1N4007. Схема включения ИМС в случае использования однополярного источника питания показана на рис.2.
Делитель R1R2 и резистор R3 образуют цепь смещения для получения на выходе ИМС (вывод 4) напряжения, равного половине питающего. Это необходимо для симметричного усиления обеих полуволн входного сигнала. Параметры этой схемы при Vs=+36 В соответствуют параметрам схемы, показанной на рис.1, при питании от источника ±18 В. Пример использования микросхемы в качестве драйвера для УНЧ с мощными внешними транзисторами показан на рис.3.
При Vs=±18 В на нагрузке 4 Ом усилитель развивает мощность 35 Вт. В цепи питания ИМС включены резисторы R3 и R4, падение напряжения на которых является открывающим для транзисторов VT1 и VT2 соответственно. При малой выходной мощности (входном напряжении) ток, потребляемый ИМС, невелик, и падения напряжения на резисторах R3 и R4 недостаточно для открывания транзисторов VT1 и VT2. Работают внутренние транзисторы микросхемы. По мере роста входного напряжения увеличивается выходная мощность и потребляемый ИМС ток. При достижении им величины 0,3…0,4 А падение напряжения на резисторах R3 и R4 составит 0,45…0,6 В. Начнут открываться транзисторы VT1 и VT2, при этом они окажутся включенными параллельно внутренним транзисторам ИМС. Возрастет ток, отдаваемый в нагрузку, и соответственно увеличится выходная мощность. В качестве VT1 и VT2 можно применить любую пару комплементарных транзисторов соответствующей мощности, например КТ818, КТ819. Мостовая схема включения ИМС показана на рис.4.
Сигнал с выхода ИМС DA1 подается через делитель R6R8 на инвертирующий вход DA2, что обеспечивает работу микросхем в противофазе. При этом возрастает напряжение на нагрузке, и, как следствие, увеличивается выходная мощность. При Vs=±16 В на нагрузке 4 Ом выходная мощность достигает 32 Вт. Для любителей двух-, трехполосных УНЧ данная ИМС – идеальный вариант, ведь непосредственно на ней можно собирать активные ФНЧ и ФВЧ. Схема трехполосного УНЧ показана на рис.5.
Низкочастотный канал (НЧ) выполнен по схеме с мощными выходными транзисторами. На входе ИМС DA1 включен ФНЧ R3C4, R4C5, причем первое звено ФНЧ R3C4 включено в цепь ООС усилителя. Такое схемное решение позволяет простыми средствами (без увеличения числа звеньев) получать достаточно высокую крутизну спада АЧХ фильтра. Среднечастотный (СЧ) и высокочастотный (ВЧ) каналы усилителя собраны по типовой схеме на ИМС DA2 и DA3 соответственно. На входе СЧ канала включены ФВЧ C12R13, C13R14 и ФНЧ R11C14, R12C15, которые вместе обеспечивают полосу пропускания 300…5000 Гц. Фильтр ВЧ канала собран на элементах C20R19, C21R20. Частоту среза каждого звена ФНЧ или ФВЧ можно вычислить по формуле fСР=160/RC, где частота f выражена в герцах, R – в килоомах, С – в микрофарадах. Приведенные примеры не исчерпывают возможностей применения ИMC TDA2030A в качестве усилителей НЧ. Так, например, вместо двухполярного питания микросхемы (рис.3,4) можно использовать однополярное питание. Для этого минус источника питания следует заземлить, на неинвертирующий (вывод 1) вход подать смещение, как показано на рис.2 (элементы R1-R3 и С2). Наконец, на выходе ИМС между выводом 4 и нагрузкой необходимо включить электролитический конденсатор, а блокировочные конденсаторы по цепи -Vs из схемы исключить.
Рассмотрим другие возможные варианты использования этой микросхемы. ИМС TDA2030A представляет собой не что иное, как операционный усилитель с мощным выходным каскадом и весьма неплохими характеристиками. Основываясь на этом, были спроектированы и опробованы несколько схем нестандартного ее включения. Часть схем была опробована “в живую”, на макетной плате, часть – смоделирована в программе Electronic Workbench.
Мощный повторитель сигнала:
Сигнал на выходе устройства рис.6 повторяет по форме и амплитуде входной, но имеет большую мощность, т.е. схема может работать на низкоомную нагрузку. Повторитель может быть использован, например, для умощнения источников питания, увеличения выходной мощности низкочастотных генераторов (чтобы можно было непосредственно испытывать головки громкоговорителей или акустические системы). Полоса рабочих частот повторителя линейна от постоянного тока до 0,5… 1 МГц, что более чем достаточно для генератора НЧ.
Умощнение источников питания:
Микросхема включена как повторитель сигнала, выходное напряжение (вывод 4) равно входному (вывод 1), а выходной ток может достигать значения 3,5 А. Благодаря встроенной защите схема не боится коротких замыканий в нагрузке. Стабильность выходного напряжения определяется стабильностью опорного, т.е. стабилитрона VD1 рис.7 и интегрального стабилизатора DA1 рис.8. Естественно, по схемам, показанным на рис.7 и рис.8, можно собрать стабилизаторы и на другое напряжение, нужно лишь учитывать, что суммарная (полная) мощность, рассеиваемая микросхемой, не должна превышать 20 Вт. Например, нужно построить стабилизатор на 12 В и ток 3 А. В наличии есть готовый источник питания (трансформатор, выпрямитель и фильтрующий конденсатор), который выдает U
ИП= 22 В при необходимом токе нагрузки. Тогда на микросхеме происходит падение напряжения UИМС= UИП – UВЫХ = 22 В -12 В = 10В, и при токе нагрузки 3 А рассеиваемая мощность достигнет величины РРАС= UИМС*IН = 10В*3А = 30 Вт, что превышает максимально допустимое значение для TDA2030A. Максимально допустимое падение напряжения на ИМС может быть рассчитано по формуле: UИМС= РРАС.МАХ / IН.
В нашем примере UИМС= 20 Вт / 3 А = 6,6 В, следовательно максимальное напряжение выпрямителя должно составлять UИП = UВЫХ+UИМС = 12В + 6,6 В =18,6 В. В трансформаторе количество витков вторичной обмотки придется уменьшить. Сопротивление балластного резистора R1 в схеме, показанной на рис.7, можно посчитать по формуле: R1 = ( UИП – UСТ)/IСТ, где UСТ и IСТ – соответственно напряжение и ток стабилизации стабилитрона. Пределы тока стабилизации можно узнать из справочника, на практике для маломощных стабилитронов его выбирают в пределах 7…15 мА (обычно 10 мА). Если ток в вышеприведенной формуле выразить в миллиамперах, то величину сопротивления получим в килоомах.
Простой лабораторный блок питания:
Электрическая схема блока питания показана на рис.9. Изменяя напряжение на входе ИМС с помощью потенциометра R1, получают плавно регулируемое выходное напряжение. Максимальный ток, отдаваемый микросхемой, зависит от выходного напряжения и ограничен все той же максимальной рассеиваемой мощностью на ИМС. Рассчитать его можно по формуле:
IМАХ = РРАС.МАХ / UИМС
Например, если на выходе выставлено напряжение UВЫХ = 6 В, на микросхеме происходит падение напряжения UИМС = UИП – UВЫХ = 36 В – 6 В = 30 В, следовательно, максимальный ток составит IМАХ = 20 Вт / 30 В = 0,66 А. При UВЫХ = 30 В максимальный ток может достигать максимума в 3,5 А, так как падение напряжения на ИМС незначительно (6 В).
Стабилизированный лабораторный блок питания:
Электрическая схема блока питания показана на рис.10. Источник стабилизированного опорного напряжения – микросхема DA1 – питается от параметрического стабилизатора на 15 В, собранного на стабилитроне VD1 и резисторе R1. Если ИМС DA1 питать непосредственно от источника +36 В, она может выйти из строя (максимальное входное напряжение для ИМС 7805 составляет 35 В). ИМС DA2 включена по схеме неинвертирующего усилителя, коэффициент усиления которого определяется как 1+R4/R2 и равен 6. Следовательно, выходное напряжение при регулировке потенциометром R3 может принимать значение практически от нуля до 5 В * 6=30 В. Что касается максимального выходного тока, для этой схемы справедливо все вышесказанное для простого лабораторного блока питания (рис.9). Если предполагается меньшее регулируемое выходное напряжение (например, от 0 до 20 В при UИП = 24 В), элементы VD1, С1 из схемы можно исключить, а вместо R1 установить перемычку. При необходимости максимальное выходное напряжение можно изменить подбором сопротивления резистора R2 или R4.
Регулируемый источник тока:
Электрическая схема стабилизатора показана на рис.11. На инвертирующем входе ИМС DA2 (вывод 2), благодаря наличию ООС через сопротивление нагрузки, поддерживается напряжение UBX. Под действием этого напряжения через нагрузку протекает ток IН = UBX / R4. Как видно из формулы, ток нагрузки не зависит от сопротивления нагрузки (разумеется, до определенных пределов, обусловленных конечным напряжением питания ИМС). Следовательно, изменяя UBX от нуля до 5 В с помощью потенциометра R1, при фиксированном значении сопротивления R4=10 Ом, можно регулировать ток через нагрузку в пределах 0…0,5 А. Данное устройство может быть использовано для зарядки аккумуляторов и гальванических элементов. Зарядный ток стабилен на протяжении всего цикла зарядки и не зависит от степени разряженности аккумулятора или от нестабильности питающей сети. Максимальный зарядный ток, выставляемый с помощью потенциометра R1, можно изменить, увеличивая или уменьшая сопротивление резистора R4. Например, при R4=20 Ом он имеет значение 250 мА, а при R4=2 Ом достигает 2,5 А (см. формулу выше). Для данной схемы справедливы ограничения по максимальному выходному току, как для схем стабилизаторов напряжения. Еще одно применение мощного стабилизатора тока – измерение малых сопротивлений с помощью вольтметра по линейной шкале. Действительно, если выставить значение тока, например, 1 А, то, подключив к схеме резистор сопротивлением 3 Ом, по закону Ома получим падение напряжения на нем U=l*R=l А*3 Ом=3 В, а подключив, скажем, резистор сопротивлением 7,5 Ом, получим падение напряжения 7,5 В. Конечно, на таком токе можно измерять только мощные низкоомные резисторы (3 В на 1 А – это 3 Вт, 7,5 В*1 А=7,5 Вт), однако можно уменьшить измеряемый ток и использовать вольтметр с меньшим пределом измерения.
Мощный генератор прямоугольных импульсов:
Схемы мощного генератора прямоугольных импульсов показаны на рис.12 (с двухполярным питанием) и рис.13 (с однополярным питанием). Схемы могут быть использованы, например, в устройствах охранной сигнализации. Микросхема включена как триггер Шмитта, а вся схема представляет собой классический релаксационный RC-генератор. Рассмотрим работу схемы, показанной на рис. 12. Допустим, в момент включения питания выходной сигнал ИМС переходит на уровень положительного насыщения (UВЫХ = +UИП). Конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R3 с постоянной времени Cl R3. Когда напряжение на С1 достигнет половины напряжения положительного источника питания (+UИП/2), ИМС DA1 переключится в состояние отрицательного насыщения (UВЫХ = -UИП). Конденсатор С1 начнет разряжаться через резистор R3 с той же постоянной времени Cl R3 до напряжения (-UИП / 2), когда ИМС снова переключится в состояние положительного насыщения. Цикл будет повторяться с периодом 2,2C1R3, независимо от напряжения источника питания. Частоту следования импульсов можно посчитать по формуле:
f=l/2,2*R3Cl.
Если сопротивление выразить в килоомах, а емкость в микрофарадах, то частоту получим в килогерцах.
Мощный низкочастотный генератор синусоидальных колебаний:
Электрическая схема мощного низкочастотного генератора синусоидальных колебаний показана на рис.14. Генератор собран по схеме моста Вина, образованного элементами DA1 и С1, R2, С2, R4, обеспечивающими необходимый фазовый сдвиг в цепи ПОС. Коэффициент усиления по напряжению ИМС при одинаковых значениях Cl, C2 и R2, R4 должен быть точно равен 3. При меньшем значении Ку колебания затухают, при большем – резко возрастают искажения выходного сигнала. Коэффициент усиления по напряжению определяется сопротивлением нитей накала ламп ELI, EL2 и резисторов Rl, R3 и равен Ky = R3 / Rl + REL1,2. Лампы ELI, EL2 работают в качестве элементов с переменным сопротивлением в цепи ООС. При увеличении выходного напряжения сопротивление нитей накала ламп за счет нагревания увеличивается, что вызывает уменьшение коэффициента усиления DA1. Таким образом, стабилизируется амплитуда выходного сигнала генератора, и сводятся к минимуму искажения формы синусоидального сигнала. Минимума искажений при максимально возможной амплитуде выходного сигнала добиваются с помощью подстроечного резистора R1. Для исключения влияния нагрузки на частоту и амплитуду выходного сигнала на выходе генератора включена цепь R5C3, Частота генерируемых колебаний может быть определена по формуле:
f=1/2piRC.
Генератор может быть использован, например, при ремонте и проверке головок громкоговорителей или акустических систем.
В заключение необходимо отметить, что микросхему нужно установить на радиатор с площадью охлаждаемой поверхности не менее 200 см2. При разводке проводников печатной платы для усилителей НЧ необходимо проследить, чтобы “земляные” шины для входного сигнала, а также источника питания и выходного сигнала подводились с разных сторон (проводники к этим клеммам не должны быть продолжением друг друга, а соединяться вместе в виде “звезды”). Это необходимо для минимизации фона переменного тока и устранения возможного самовозбуждения усилителя при выходной мощности, близкой к максимальной.
По материалам из журнала “Радіоаматор”
ldsound.ru
Корректная подача опорного напряжения в ИУ
Часто полагают, что вход для подачи опорного напряжения высокоомный (поскольку это вход). Так, разработчики могут соблазниться подключить высокоомный источник, например резистивный делитель, к выводу ИУ для опорного напряжения. С некоторыми типами инструментальных усилителей это может привести к значительным погрешностям (рис. 8).
Рис. 8. Неправильное использование простого делителя напряжения для непосредственной подачи опорного напряжения в инструментальный усилитель из трех ОУ
Например, в конструкции популярного ИУ применено три ОУ, соединенных, как показано выше. Общий коэффициент усиления равен:
где R2/R1 = R4/R3.
Коэффициент передачи для входа опорного напряжения равен единице (при подаче напряжения от источника с низким импедансом). Однако в рассматриваемом случае вывод опорного напряжения ИУ подключен к простому делителю напряжения на резисторах. Это приводит к разбалансу схемы вычитания и нарушает коэффициент деления делителя напряжения. В свою очередь, это снижает коэффициент подавления синфазного сигнала в ИУ и точность его коэффициента усиления. Однако если бы внутренний резистор R4 был нам доступен, то при снижении его сопротивления на величину, равную параллельному соединению двух резисторов делителя напряжения (здесь 50 кОм), схема вела бы себя так, будто к изначальному сопротивлению резистора R4 подключен низкоомный источник, равный (в данном примере) половине напряжения питания, и точность схемы вычитания была бы сохранена.
Этот подход невозможен, если ИУ — интегральная схема в закрытом корпусе. Еще одна проблема заключается в том, что температурные коэффициенты сопротивления (ТКС) внешних резисторов делителя отличаются от ТКС резистора R4 и других резисторов схемы вычитания. И, наконец, такой подход не позволяет регулировать значение опорного напряжения. Если, с другой стороны, попытаться использовать в делителе напряжения низкоомные резисторы, чтобы влияние их добавленного сопротивления было бы пренебрежимо малым, то ток потребления от источника питания и рассеиваемая мощность схемы увеличатся. В любом случае, такой метод «грубой силы» не приносит успеха.
На рис. 9 показано лучшее решение — применение буфера на ОУ с малым потреблением энергии между делителем напряжения и входом опорного напряжения ИУ. Это ликвидирует необходимость подбора сопротивления и проблему резисторов с разными ТКС, а также дает возможность легко регулировать опорное напряжение.
Рис. 9. Подача опорного напряжения на ИУ с низкоимпедансного выхода ОУ
Питание усилителя
Для начала стоит понять важность этого вопроса поскольку он напрямую связан с надежностью и долговечностью работы звука в вашей машине. Очень многие, купив усилитель, тут же принимаются его ставить и подключать не задумываясь о том, что собственно говоря усилитель это достаточно серьезный потребитель энергии, потребление которого даже в дешевых моделях сопоставимо с потреблением энергии всей борт сетью авто и система питания авто в общем-то не рассчитывалась на такие нагрузки.
Кроме того мало кто вникает в суть работы автоусилителя. В частности в работу блока питания большинства усилителей. Если говорить обобщенными простыми словами то блок питания усилителя повышает напряжение для получения высокой мощности на выходе. при этом грубо говоря он преобразует потребляемый ток в выходное напряжение.
Для примера возьмем упрощенный теоретический идеальный блок питания кпд у которого 100%. Для большинства усилителей считается комфортным напряжение порядка 13-14в. Допустим наш блок питания потребив 14в и 16 ампер отдаст 30в и 7.3 ампер при расчете на 4х омную нагрузку. При этом выходная мощность блока составит 225 ватт.
Теперь если входное напряжение упадет на 1 вольт и составит 13в то на выходе блока питания будет 27.86в, а выходная мощность составит уже 194вт. То есть с 1 вольта мы потеряли 30 ватт на выходе. То есть просто заглушив машину мы потеряем 60 ватт.
А с просадкой до 10в на ударах баса мы уже потеряем 120 ватт то есть больше чем ВДВОЕ упадет мощность! А теперь давайте учтем все потери и кпд компонентов усилителя и то, что усилки питаются двуполярным питанием да еще и прикинем не такой дохлый пример как взяли мы а мощности более серьезной то станет понятно что потери мощности будут просто катастрофическими!
А с потерей мощности полезут клип, перегруз и остальные неприятные явления. Теперь нам точно понятно что питание это наше все!
Рассмотрим 2 варианта.
1) У вас еще не установлена аппаратура и вы только собираетесь ставить систему. В первую очередь стоит узнать какой генератор стоит в авто, какой ток он способен дать и на каких оборотах он выходит на свою норму. После этого стоит пересчитать холостые и близкие к ним обороты движка с учетом передаточного числа шкивов (это можно посчитать померяв диаметры шкивов).
Для работы с повседневной музыкой нужен тот генератор который даст достаточный ток для музыки, зарядки аккума и работы бортсети на оборотах близких к холостым. Тут тоже стоит понять что на заведенной машине музыка основную мощность потребляет с генератора. Если нет просадок генератора то потребление с аккума минимум.
Если вы не собираетесь делать дискотеку, то будет достаточно хорошего обычного аккума. Если дискотека нужна, то выносливый аккум большей емкости просто необходим. После этого подлежат замене силовые провода от генератора до аккумулятора, от массы движка до массы кузова (желательно прям от болтов крепления генератора) и от минуса аккума до массы кузова сечением таким же как и пойдет сила на музыку.
После этого необходимо согласно таблицам подбора сечения проводов выбрать параметры силового провода и приобрести его.
Силовой провод нужно тащить прямо от плюсовой клеммы аккумулятора (в случае отдельного минуса собственно от минусовой).
При этом обойдя стороной силовики дешевых фирм. Тут стоит опять обратиться к обобщенному грубому примеру. Сопротивление провода и просадки в проводе возникающие на резко возрастающем потреблении тока зависят от 3х величин. от длины провода, от сечения провода и от проводимости металлов которые используются в проводе. То есть если допустим взять какой-нибудь провод мистери с обмедненным аллюминием и толковый медный провод такого же сечения проводимость которого будет к примеру вдвое выше, то чтоб добиться такой же проводимости как у толкового медного вам придется либо вдвое укоротить ваш мистери или увеличить его сечение вдвое.
Что сами понимаете как минимум не практично. В тоже время если удастся укоротить вдвое силовой провод, то вполне хватит и провода вдвое меньшего сечения. При этом его проводимость не изменится относительно длинного. Из-за этого часто ставят фронтовый усь под панелью. По этому если и применяете дешевые провода то их сечение должно значительно превышать оптимал для этой нагрузки и их длина должна быть минимальным.
Опережаю возражения всякого рода «спецов» электриков из сервиса которые смеются утверждая что провода таких сечений и нах не нужны ибо и 4 квадрата легко пропустят такую нагрузку. Беда в том что дядьки эти в своей работой никогда не сталкиваются с динамической нагрузкой с такими требованиями к скорости нарастания тока. Стартер и тот огромные токи хавает лишь на срыве и работает кратковременно. Да и длина стартерного провода очень не велика.
Большое сечение нам нужно не из-за физически допустимых пределов а из-за минимизации падения напряжения в проводе при раскачке усилителя! С этим определились. Теперь подумаем нужен ли вам отдельный минус от аккумулятора или достаточно будет минуса с кузова. Тут строгих рекомендаций нет. Единственное что можно сказать: отдельный минус это всегда хорошо. Он уменьшает влияние аппаратуры на борт сеть и питание усилителей с ним более стабильно. Хотя при небольших мощностях отдельный минус не обязателен. Кузов вполне справится.Достаточно лишь обеспечить надежный контакт зачистив до блеска место присоединения массы на кузов.
Также еще стоит упомянуть что минусовой провод должен быть таким же сечением что и +. От дистрибьютора можно разводить до усилителей питание более тонкими короткими проводами, но сохранение сечения после дистрибьютора для сабового усилителя считается хорошим тоном и лишним точно не будет. После этого необходимо уделить внимание всякого рода клеммам, дистрибьюторам питания и контактам.
Все клеммы и соединения от выхода генератора до портов усилителя должны быть максимально надежны и чисты. НИКАКИХ скруток, стыков, сопливых спаек и накидок на болты. Все контактные поверхности должны быть зачищены до блеска, а все клеммы для болтовых соединений должны быть надежно обжаты. На плохих контактах можно потерять до усилка больше вольта! который пойдет на нагрев и окисление этих самых соединений. При организации силового провода стоит тщательнейшим образом убедиться что нет оголенных поверхностей, что провод нигде не зажат и нет опасности что его перетрет.
В идеале стоит плюсовую силу уложить в автомобильную гофру. Лишняя безопасность не помешает. Отдельно стоит уделить внимание защиты силового провода: предохранителю или автомату.
Эти устройства должны стоять как можно ближе к аккумулятору, провод от них до клеммы должен быть максимально защищен.Номинал предохранителя рекомендуется выбирать согласно сумме всех предохранителей нагрузки.
При этом рекомендуется выбирать силовой чуть меньше получившейся суммы. Само собой разумеется, что держатель предохранителя должен стоять так, чтобы вы его не задевали при обслуживании двигла и чтоб на него не попадала влага. Только после организации всего вышеизложенного можно приступать к установке усилка. И именно по этому толковая установка усилителя невозможна за 1 вечер как это делают многие.
2) Второй случай если у вас уже стоит музыка которую вы поставили за 1 вечер. Тут очень желательно проверить все что вы установили. Проверить все достаточно просто. Но проверять стоит после того как пробежитесь по пункту выше. Нужны только вольтметр на 20 вольт и песня злых негров. Заводим машину, включаем трек на повтор и делаем громкость на максимум как обычно слушаем. Ну и начинаем мереть напряжение и просадки его на ударах баса. Меряем поочередно. На клемме генератора относительно корпуса двигателя, на клемме генератора относительно кузова машины, на клемме генератора относительно минусовой клемм аккума. Напряжение на клеммах аккума, напряжение после каждого соединения относительно клеммы минуса аккума и в последнюю очередь на клеммах усилителя. Нормальным считается питание на клеммах генератора 13.5-14.2в. при этом падение на ударах баса должно быть не ниже 13в. напряжение не должно отличаться на клемме гены независимо относительно чего вы его меряете (кузов, двиг, минус аккума).
При окончательной промерке на клемме усилка на малой громкости напряжение должно быть практически равно напряжению на клемме генератора а на максимальной раскачке просадка на усилителе должна быть не больше 1 вольта относительно просадок на клемме генератора.
При этом в идеале напряжение на клеммах усилка не должно падать ниже 13-13.5в. Если просадки большие, то постепенным промериванием вы определите какой участник цепи дает эту просадку и затем уже станет понятно как этого избежать. Также станет ясно нужен ли отдельный минусовой провод.
Следует четко понимать что система с неграмотным питанием в лучшем случае будет работать не качественно, размазанно и крайне не эффективно в плане мощности, в худшем будет мешать бортсети и возникнет опасность спалить тот или иной компонент системы.
В общем кормите усилки правильно, ставьте аппаратуру грамотно и главное НИКОГДА не торопитесь с установкой. Чем сильнее вы спешите тем больше шансов сотворить вместо толкового звука даже из дорогих компонентов колхоз который кроме улыбки и критики ничего не вызовет. И отстойный звук которого вам придется оправдывать стандартными фразами: «мне и так хватает» «мне на соревнования не ездить» и т. д. Звук это такая штука которую нужно либо делать толково либо не делать вообще. И этот факт никак не зависит от сложности системы и уровня ее компонентов.
Развязывание напряжения питания схем на ОУ с однополярным питанием
Чтобы работать с положительными и отрицательными полуволнами переменного сигнала, схемам на ОУ с однополярным питанием требуется синфазное смещение входа. При использовании для реализации такого смещения шины питания, для сохранения значения КОНИП требуется соответствующее развязывание.
Обычной и неправильной практикой для смещения неинвертирующего входа на уровень VS/2 является применение резистивного делителя 100/100 кОм с развязывающим конденсатором емкостью 0,1 мкФ. При таких номиналах элементов развязывание напряжения источника питания недостаточно, так как частота полюса составляет всего 32 Гц. Часто возникает нестабильность схемы (низкочастотная генерация типа «шум мотора»), особенно при работе на индуктивную нагрузку.
На рис. 12 (неинвертирующая схема) и рис. 13 (инвертирующая схема) показаны улучшенные схемы для получения развязанного напряжения смещения VS/2. В обеих схемах смещение подведено к неинвертирующему входу, обратная связь приводит инвертирующий вход к той же величине смещения, и единичный коэффициент усиления на постоянном токе смещает оба входа на одинаковое напряжение. Развязывающий конденсатор C1 понижает коэффициент усиления ниже частоты BW3 до единицы.
Рис. 12. Неинвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен 1+R2/R1
Рис. 13. Инвертирующий усилитель с однополярным питанием с правильным развязыванием источника питания. Коэффициент усиления на средних частотах равен – R2/R1
При использовании делителя 100/100 кОм хорошим эмпирическим правилом является применение конденсатора C2 с емкостью не менее 10 мкФ для получения спада на –3 дБ на частоте 0,3 Гц. Значение емкости 100 мкФ (полюс на частоте 0,03 Гц) достаточно практически для всех схем.
Рекомендации по включению «Быстрых» операционных усилителей
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВКЛЮЧЕНИЮ «БЫСТРЫХ» ОУ
В данной статье приводятся достаточно простые рекомендации по включению высокоскоростных операционных усилителей и дизайну печатных плат для них. Источниками этих рекомендаций послужили как статьи ведущих мировых производителей ОУ (Analog Devices, Texas Instruments, Linear Technology), так и собственный опыт в разработке высокочастотных устройств.
Достижение оптимальных характеристик
высокочастотных операционных усилителей требует внимательного отношения к паразитным составляющим печатной платы и к выбору внешних компонентов. Далее приводятся рекомендации по достижению оптимальных характеристик устройств на таких ОУ.
а) Минимизация паразитной емкости между землей (общим проводом) и любым из сигнальных проводников. Паразитная емкость на выходе и инвертирующем входе может привести к нестабильной работе (самовозбуждению), на неинвертирующем входе -к нежелательному сужению частотного диапазона. Чтобы уменьшить нежелательную емкость, в полигоне земли (или в полигоне питания) должно быть вскрыто окно вокруг входных и выходных сигнальных выводов. Во всех остальных местах полигоны земли и питания крайне желательно делать без разрывов.
б) Минимизация расстояния (<5 мм) от выводов питания до высокочастотных конденсаторов развязки. Подходящие полигоны земли и питания не должны располагаться в непосредственной близости от сигнальных входных и выходных выводов.
Необходимо избегать узких проводников питания и земли, чтобы свести к минимуму паразитные индуктивности между выводами и развязывающими конденсаторами. Проводники питания всегда должны быть шунтированы конденсаторами развязки. Развязывающие конденсаторы большой емкости (от 2,2 мкФ до 6,8 мкФ) эффективны на низких частотах и также должны подключаться к подходящим проводникам питания. Они могут быть размещены несколько дальше, чем высокочастотные конденсаторы, и могут быть использованы для нескольких располагающихся недалеко друг от друга усилителей.
в) Тщательные отбор и расстановка внешних компонентов позволят в полной мере использовать высокочастотные характеристики усилителей.
Резисторы должны иметь очень низкое реактивное сопротивлением. В этом смысле, лучше работают резисторы для поверхностного монтажа. К тому же их применение позволят уменьшить габаритные разметы платы.
Металлопленочные и углеродные выводные резисторы также могут обеспечить достаточно хорошие результаты на высоких частотах. В этом случае их выводы должны быть как можно более короткими.
Никогда не следует использовать резисторы проволочные типа для высокочастотных применений.
Поскольку выход и инвертирующий вход наиболее чувствительны к паразитной емкости, всегда следует
располагать резистор обратной связи и
последовательный выходной резистор (если таковые имеются) по возможности ближе к выходному выводу.
Другие компоненты схемы, например, согласующий резистор у неинвертирующего входа также должен располагаться рядом с усилителем. Где позволен двухсторонний монтаж компонентов, резистор обратной связи лучше располагать непосредственно под корпусом усилителя на другой стороне платы между выходным и инвертирующим выводами.
Даже при низкой паразитной емкости внешних резисторов, чрезмерно высокие значения сопротивлений могут создавать значительные постоянные времени, ухудшающие частотные характеристики. Хорошие металлопленочные резисторы и резисторы для поверхностного монтажа имеют примерно 0,2 пФ паразитной емкости. Для сопротивлений >1,5 кОм, эта емкость может добавить полюс и/или ноль на частоте ниже 500 МГц. Поэтому следует использовать достаточно низкоомные резисторы, значения сопротивлений которых выбираются исходя из нагрузочной способности усилителей. Хорошей отправной точкой для проектирования будет являться значение параллельно соединенных резисторов обратной связи не более 200 Ом. К тому же, это автоматически приведет к уменьшению собственного шума резистора и позволит свести к минимуму влияние паразитных емкостей.
г) Подключения к другим широкополосным устройствам на печатной плате должны выполняться короткими прямыми проводниками или посредством согласованных линий передачи. Такие короткие соединения должны рассматриваться как емкостные нагрузки.
При использовании достаточно широких проводников (до 2,5 мм) желательно использовать полигоны земли и питания вокруг них со вскрытыми областями.
Необходимо помнить, что согласующее сопротивление представляет собой комбинацию параллельно включенных внешнего согласующего резистора и входного сопротивления приемного устройства. Если затухание в 6 дБ является неприемлемым, длинный проводник может быть согласован только на приемном конце. Однако это не дает такого хорошего результата, как полное согласование (и на передающем, и на приемном концах).
Если входное сопротивление приемного устройства является низким, то возникнет ослабление сигнала за счет делителя напряжения, образованного из-за ненулевого выходного сопротивления передающего устройства.
д) Установка высокоскоростных операционных усилителей в кроватки не рекомендуется. Такая установка приводит к увеличению длины выводов и, как следствие, к увеличению паразитных емкостей, что может привести к недостижимости хороших результатов. Быстрые ОУ необходимо монтировать непосредственно на печатную плату.
