Konzol Blog (Hifi és ilyesmi)

Az ideális áramforrás olyan eszköz, amelyen állandó áram folyik, függetlenül attól, hogy mekkora a rajta a feszültségesés. Természetesen nem létezik ideális áramforrás, ezért ez a cikk több, egyre bonyolultabb az ideálishoz közelítő alternatívát ismertet. Ha áramgenerátor kapcsol a műveleti erősítő kimenetére a visszacsatoló hurkon belül, a műveleti erősítőt folyamatosan "küzdeni" fog az áramforrással. A műveleti erősítőnek legalább annyi áramot kell szolgáltatnia, amennyit az áramgenerátor igényel, hogy a kimenetét az műveleti erősítő bemenetei által meghatározott feszültségre kényszerítse. Ha ez nem így lenne, az áramforrás a műveleti erősítő kimenetét a V- feszültségre húzná. Ez az áramforrás elleni folyamatos küzdelem a műveleti erősítő kimeneti fokozatát folyamatosan bekapcsolva tartja, állandó árammal. Voilá, A osztályú beállítás. Az ok, amiért az áramforrást a negatív tápfeszültséghez (V-) kapcsoljuk, az az, hogy így a műveleti erősítőben lévő NPN tranzisztorokat kényszerítjük arra, hogy aktívak maradjanak a PNP tranzisztorok helyett, ami akkor történne, ha az áramgenerátor a pozitív tápfeszültségre (V+-) csatlakozna. Mind a két megoldás működik, de általában a PNP tranzisztorok paraméterei nem olyan jók, mint az NPN tranzisztoroké, ezért inkább az NPN-ekre bízzuk a feladatot. Az áramforrás árama attól függ, hogy milyen a műveleti erősítő terhelése. Az ökölszabály az, hogy ahhoz, hogy a műveleti erősítő az A osztályban maradjon, mindig több áramot kell leadnia, mint amennyit a terhelés önmagában igényel. Pédául a várt maximális jelszint 3 V effektív értékű, és a műveleti erősítő egy Elantec EL2001-el puffereljük, amelynek minimális bemeneti impedanciája 1 MΩ . A csúcsfeszültség 4,2 V (1,414 × 3 V eff.), tehát a maximális áram a műveleti erősítő kimenete és a puffer között 4,2 µA , ami egyúttal az áramforrás áramának minimális értéke is. Nem szerencsés az áram értékét minimálisra csökkenteni. Az alsó határokon a tranzisztorok nemlineárisak, és hát ezzel a trükkel a nemlinearitásoktól igyekszünk megszabadulni. Ezért egy pufferelt műveleti erősítős áramkörben általában legalább 0,5 mA-es előfeszítő áramok mérhetők, de akár 5 mA is előfordulhat. Az alkalmazandó áram a műveleti erősítőtől és a jel jellemzőitől függ. Kísérletezni kell, az optimális érték meghatározásához. Ismételten hangsúlyozni kell, hogy a fenti példában számoltak csak pufferelt műveleti erősítős áramkörökre érvényesek. Ha a műveleti erősítő alacsony impedanciájú terhelést hajt meg, akkor magasabb előfeszítő áramot kell használni. Tegyük föl, hogy az műveleti erősítő közvetlenül egy 32 Ω-os fejhallgatót hajt. A legnagyobb hangerőhöz tartozó jelszint körülbelül 0,5V eff lesz az ilyen fejhallgatóknál, azaz a csúcsfeszültség 0,7V , tehát a csúcs áramfelvétel körülbelül 22mA . Ezért az A osztályú előfeszítő áramnak nagyobbnak kell lennie 22mA- nél , hogy a chip folyamatosan A osztályban maradjon. Ebből a példából úgy tűnhet, hogy minél magasabb a terhelő áram, az eredmény annál jobb, de et nem feltétlenül van így. A műveleti erősítő adatlapja megadja a maximáis kimenő áramot. Ha a műveleti erősítő legfeljebb 40 mA leadására képes a 22mA-es előfeszítő áram hatására az erősítő valószínűleg rosszabb teljesítményt fog nyújtani lesz, mint előfeszítés nélkül. Ekkora áram valószínűleg aktiválná az műveleti erősítő áramkorlátozó áramkörét, egyúttal jelentősen megemeli a chip működési hőmérsékletét. A dolog lényege az, hogy az A osztályú működéshez, olyan műveleti erősítőre van szükség, amely lényegesen több áramot képes leadni, mint amennyi a terhelés meghajtásához feltétlenül szükséges.

 

 

A következő módszerek mindegyikénél a teszt az áramerősség mérése volt, miközben a készülék tápfeszültségét 5V-ról 15V-ra változtatták . Ez 10 V-os csúcstól-csúcsig váltóáramú jelet szimulál ( 3,5 V effektív érték) ± 10 V tápfeszültség tartomány között . Kevés fejhallgató igényel ekkora feszültséget a nagy hangerőhöz, de ekkora feszültségigény néha előfordul. Gyakorlati nézőpontból sem indokolatlanul magas a feszültség. Minden valamirevaló műveleti erősítő képes ekkora feszültséget leadni, ha legalább ±9V tápfeszültséget kap. Végül a nagy tesztfeszültség segít megkülönböztetni az alábbiakban tesztelt különféle előfeszítési módszereket. Korábban már teszteltem alacsonyabb feszültségen, és a legjobb módszerek szinte megkülönböztethetetlenekké válnak kisebb feszültségkülönbségeken a tesztberendezésemmel. Az áramokat három ponton mértem: 5V , 10V és 15V . Ezután megadom az áramingadozást 10V -tól 5V- ig és 10V- tól 15V- ig . Ez plusz/mínusz százalékos eltérést ad a közép értéktől, ami egy hangfrekvenciás erősítőben megegyezik a jel földelésével, az az erősítő „nyugalmi” állapotával. Nem lehet nem észrevenni, hogy ennél a mérési módszernél módszernél a negatív kivezérelhetőség a rosszabb. Ennek az az oka, hogy a legtöbb áramgenerátor jobban működik, ahogy a feszültség nő rajta.

 

 

Ohm törvénye szerint I = V / R. Mivel R állandó ellenállás esetén, ha V - ebben az esetben az ellenálláson lévő feszültségesés - szintén állandó, akkor az ellenálláson (I) átmenő áram állandó. Tegyük fel, hogy a műveleti erősítőt ±12 V-os tápfeszültségről jár. Ha nincs kimeneti jel, a feszültség 12 V lesz az műveleti erősítő kimenete és a V- között. Ha a műveleti erősítő kimenete és V- közé egy 10 kΩ-os ellenállást kapcsolunk, akkor azon 1,2 mA áram fog folyni, miközben az műveleti erősítő kimenete 0 marad. Két probléma van, ha egy egyszerű ellenállást áramforrásként próbálunk kezelni. Először is, az áram csak akkor állandó, ha a műveleti erősítő kimeneti jelszintje is állandó. Ha a műveleti erősítő felerősít egy zenei jelet, az előfeszítő áram csak a zene szüneteiben lesz állandó, de az előfeszítést azért van, hogy javítsa a zene hallható részeinek visszaadását:). Ez nem azt jelenti, hogy az ellenállásos előfeszítés haszontalan, csak azt, hogy az előfeszítő áram a kimeneti jel szintjével változik, ami nem optimális. 3,5V effektív értékű kimeneti jelszintnél egy 10 kΩ-os ellenálláson keresztül az áram erősságe ±50%-kal változik! Akkumulátoros tápegységet használva, az áramingadozás még rosszabb lesz, ahogy az akkumulátorok feszültsége csökken. A másik probléma ezzel a módszerrel az, hogy minél nagyobb az műveleti erősítőt terhelő impedancia, annál jobb az műveleti erősítő dinamikus teljesítménye. Ez az egyik oka annak, hogy a pufferek javítják a műveleti erősítők jobb teljesítményét. Megaohm nagyságrend impedanciával terhelik a műveleti erősítő kimenetét. Ha a kilohmos nagyságrendű ellenállást használunk az műveleti erősítő kimenetének előfeszítésére, ez a puffer nyújtotta az előny elvész.

 

 

Nem nehéz megoldani egyik gondot sem. Egy egyszerű N-csatornás JFET a fenti kapcsolási rajz szerint használva elég jó áramforrás. A JFET-eknek van egy I_DSS nevű tulajdonságuk , amely a Current (I) a Drain to Source at Saturation rövidítése. Az N-csatornás JFET akkor telítődik, ha a kapu és a forrás feszültsége 0V (a két kivezetést egyszerűen össze kell kötni). A JFET I_DSS egy véletlenszerű érték, amely egy az eszközre jellemző tartományba esik, és amely a JFET adatlapján megtalálható. Ez a tartomány a gyártási szórás eredménye, és szinte minden egyes alkatrész példánynak más-más értékű I_DSS-e lesz valahol ezen a tartományon belül. Az alkatrészek különböző gyártási sorozatai általában a tartomány különböző részeibe esnek. Ahogy növeli az ellenállást a kapu (gate) és a forrás (source) között, a köztük lévő feszültség nő, így a JFET-en áthaladó áram csökken. Ezt a tulajdonság használható a JFET-en átfolyó áram beállítására az I_DSS nagy szórása ellenére. Bónuszként egy forrásellenállás hozzáadása általában növeli az áramforrás egészének stabilitását. A forrásellenállás nélküli JFET-en átfolyó áram -3,0/+1,6%-kal változott a tesztemben. Hozzáadva egy 470 Ω-os forrásellenállást, a variancia körülbelül ±1,5%-ra csökken ugyanabban a mérési összeállításban. Az egyszerű ellenállás helyett a JFET használatának másik előnye, hogy a JFET bemeneti impedanciája a MegOhmos tartományban van, így az műveleti erősítő közel ideális terhelést lát. Valamikor réges-régen több félvezetőgyártó elkészítette ennek az áramkörnek egy tokozott változatát, amelyet Current Regulating Diode-nak vagy CRD-nek neveztek. Jellemzően DO-35-ös tokba csomagolták, mint egy kis jelű dióda, bár volt tranzisztor szerű tokozású is. Az előnye az volt, hogy becsomagolták és trimmelték/válogatták, így nem kellett saját JFET válogatást/beállítást végezni. Következésképpen a CRD-k meglehetősen drága alkatrészek voltak. A digitális elektronika térnyerése és az analóg elektronika viszonylagos visszaszorulása miatt manapság ezt az eszközosztályt meglehetősen nehéz megtalálni a forgalmazóknál. Kár. Két új probléma merül fel egyetlen JFET áramforrásként való használatával kapcsolatban. (Vagy a CRD-k, ami azt illeti.) A JFET-ek kis bemeneti kapacitással rendelkeznek. Ez a kapacitás kicsi, a picoFarád nagyságrendű, de szeretjük elkerülni a kósza kapacitásokat a jelútban, ha lehetséges. Egy 100 Ω- tól 1 kΩ- ig terjedő ellenállás a műveleti erősítő kimenetén sorosan az áramgenerátorral segít elszigetelni az műveleti erősítő kimenetét ettől a kapacitástól. Egy egyszerű JFET-es áramgenerátor még mindig nagyobb szórással rendelkezik, mint szeretnénk. Tudunk jobban csinálni.

 

 

Ha egy második JFET-et kapcsolunk a műveleti erősítő kimenete és a fentiek szerint konfigurált JFET közé, akkor kaszkód elrendezést kapunk. (Lásd a fenti elvi vázlaton.) A JFET kaszkód nagyon érdekesen működik. A Q1 meglehetősen stabil áramforrást jelent a Q2 számára, ami azt jelenti, hogy a Q2 hajlamos egy meglehetősen stabil feszültséget csatolni az műveleti erősítő kimenetéről a Q1-re. Ezzel szemben a Q1 most stabilabb feszültséget lát, mint ha egyenesen a műveleti erősítő kimenetére lenne csatlakoztatva, így a rajta átfolyó áram nem változik annyira, ami segít a Q2-nek az állandó feszültségszint tartásában. Így mindegyik JFET segít fenntartani a másik JFET munkapontját, ami a bemeneti feszültség ingadozása ellenére közel állandó áramot jelent a kaszkódon keresztül. Tesztjeim során a megfelelően konfigurált kaszkód áramingadozása nagyjából a ±0,5%-os tartományban volt. Ez alig néhány tíz mikroampernyi áramkülönbség a 2N5484-eknél! A kaszkód konfiguráció figyelemre méltó jellemzője, hogy alacsonyabb az árama rendelkezik, mintha a Q1 önmagában állna. Ez az alkalmazástól függően előnyt vagy bosszantó hátrányt is jelenthet. Az R_s nélkül, a Q2-nek magasabb I_DSS-űnek kell lennie, mint a Q1-nek. Ha a Q2 I_DSS értéke kisebb, mint Q1-é, akkor Q1 nagyobb áramot próbál átengedni, mint amennyit a Q2 I_DSS értéke megenged; A Q2 ezért telítődik, és nem tudja megfelelően ellátni a feladatát. Ami még rosszabb, ez azt jelenti, hogy a Q1 nem telítődhet. Egyik JFET sem segíti a másikat ebben a helyzetben, így a kombináció teljesítménye nagyjából megegyezik az egyetlen JFET-tes áramgenerátorral (-2,4%/+1,5% a tesztemben), csak így több alkatrészt használszva kapjuk ugyanazt a teljesítményt. A leegyszerűbb módja annak, hogy a Q2 áramkorlátja magasabb legyen, mint a Q1, ha két különböző típusú JFET-et használ, amelyek I_DSS tartományai nem fedik át egymást. Például egy 2N5486-ot a Q2-hez és egy 2N5484-et a Q1-hez. A nehezebb út az, hogy azonos típusú JFET-eket és lemérjük mindegyik I_DSS- ét, kis csoportokba rendezve JFET-eket, a hasonló mért I_DSS szerint. Ezután kiválaszthatók a Q1/Q2 párok úgy, hogy a Q2 a nagyobb áramú, míg Q1 egy kisebb áramú csoportból származzon. A pontos értékek nem igazán számítanak, amíg a Q2 I_DSS értéke magasabb, mint a Q1-é. Az R_s ellenállás használatával, megúszható a magasabb I_DSS Q2-et, mert egyszerűen olyan R_s értéket kell választani, amely a Q1 áramát a Q2 legalacsonyabb I_DSS értéke alá állítja be. Például 2N5484-et használva. Ezeknek a JFET-eknek az I_DSS tartománya 1-5 mA , választhatja az R_s-t úgy, hogy egy 5 mA I_DSS példány áramát 1 mA alá állítjuk, így a Q1 árama még a legszélsőségesebb helyzetben is alacsonyabb lenne, mint a Q2 I_DSS-je. A nagy hátrány az, hogy ez a teljes kaszkód áramát olyan kicsire kell beállítani, hogy az használhatatlanul alacsony lesz. Ennek megkerüléséhez a szokásosnál magasabb I_DSS-vel rendelkező JFET sorozatot kell használni. Q1-et vagy a Q2-t nem helyettesíthető CRD-vel abban a reményben, hogy és a kaszkódhoz hasonló teljesítményt kapunk, de a a kaszkódhoz a FET mind a három kivezetésére szükség van . A legközelebbi megoldás ugyanaz, mint egy az JFET R_s ellenállással – ugyanaz a topológia, ugyanaz a teljesítmény, de sokkal magasabb alkatrészköltséggel.

 

 

Hogyan válogassuk a JFET-eket az I_DSS-t szerint. Én úgy csinálom, hogy veszek egy forrasztás nélkül használható próbatáblát (más néven plugboard), két sorban áthidaló jumperrel. Ezután bedugom a JFET-et az alaplapba úgy, hogy a jumper összekösse a gate és a forrás kivezetéseket. Ezután egy kb. 9 V-os táp negatív oldalát a jumperre csatlakoztatom, majd egy milliampermérő negatív vezetékét a JFET drainjére, végül a milliamper mérő pozitív vezetékét a pozitív tápvezetékre csatlakoztatom. A JFET ebben a bellításba a saját I_DSS áramának megfelelően telítődik, és az leolvasható a milliampermérőn. A használható eredmény érdekében a milliampermérőnek legalább 1 mA felbontásúnak kell lennie, de a 0,1 mA-es , vagy jobb felbontás a tökéletes. Azt javaslom, hogy ehhez a méréshez áramkorlátozással rendelkező tápegységet használjon, mert nagyon könnyen rövidre zárható a milliampermérő a tápegységen a mérőcsúcsok egyszerű megcsúszásakor. A több amperes tápegység egy pillanat alatt kiolvasztja a műszer olvadó biztosítóját. (ha nincs biztosíték, akkor tönkretemehet a műszert!) A DMM biztosítékok drágák és nehezen beszerezhetők, így nem szerencsés ha ilyesmi történik. Miután elkészült a mérőkör tranzisztorok tesztelésére, azt javaslom, hogy teszteljen egyszerre egy egész zacskót, és valahogy rendezze őket. Így csak egyszer kell végigmérni a tesztet, majd később gyorsan kiválaszthatóak a megfelelő Q1/Q2 párok. A tranzisztorok rendezettségének egyik módja az, hogy egy szalagra helyezi őket, a tranzisztorok fejére hajtva, hasonlóan ahhoz, ahogy egyes ellenállások és diódák csomagolva vannak. A maszkolószalag jól használható erre. Egy másik lehetőség, hogy szerezzünk be egy kis horgászfelszerelés-dobozt, és használjunk minden rekeszt egy kis I_DSS tartományon belüli alkatrészek tárolására; a sok kis rekesszel rendelkező fajta működik a legjobban.

Segíthet a probléma jobb megértésében, az alábbi bejegyzés az Audio Asylumról: Műveleti erősítők A osztályú működés? – írta: Jon Risch A JFET cascode működésének alternatív magyarázatát lásd a The Art of Electronics 2/e 3.06 szakaszában. A kaszkód működésének másik magyarázata olvasható a Siliconix AN103 alkalmazási megjegyzéseiben The FET Constant-Current Source/Limiter. Ebben a dokumentumban különösen fontos, hogy összefüggéseket ad meg az R_s értékének meghatározásához, a kívánt áram és a JFET I_DSS értéke alapján.