Konzol Blog (Hifi és ilyesmi)

A legegyszerűbb módja a probléma megoldásának, hogy egyszerűen két elemet/akkumulátort használunk a kettős tápfeszültség előállítására.

Ezzel az áramkörrel az a gond, hogy ha az egyik elem/akkumulátor gyorsabban merül, mint a másik, és ha nagyjából 1V fölé nő az eltérés a két feszforrás feszültség közt akkor az erősítő kimenete nagyon "elbillen". A nullpont egyenfeszültség eltolódása túl nagy lesz. (Ezt több különböző műveleti erősítővel teszteltem. Létezhetnek olyan áramkörök, amelyeknél ez nem okoz gondot.) Az elemek több okból is egyenlőtlenül merülhetnek le. Különböző időben, helyen vásárolt elemeket közül véletlenszerűen alkalmazott párok - egy régebbi és egy új -, újratölthető akkukkal előfordulhat hogy egy vagy több cella haldoklik. Szerencse kérdése az egész. Igazság szerint, mielőtt ez a hiba bekövetkezne, lesznek figyelmeztető jelek. Az erősítő elkezd rosszul szólni. Valószínűleg már jóval hamarabb hallhatóan torzítani kezd az elégtelen tápfeszültség miatt, és az is előfordulhat, hogy nem tud elegendő áramot leadni az elemek/akkumulátorok lemerülése miatt. A legvalószínűbb hogy akkor jön elő ez a gond, ha sokáig bekapcsolva marad használaton kívül a fejhallgató erősítő. Avagy: aludtál már el fejhallgatóval a fejeden? Egy bekapcsolva marad fejhallgató erősítő kimenetére jutó egyen feszültség jó eséllyel károsítja a fejhallgatót. Nézzük meg milyen más virtuális földelés megoldások léteznek az egyetlen feszültségből kettős tápfeszültség kérdés megoldására.

A CMoy zseberősítő tápegysége egy ellenállásosztóval megvalósított "virtuális föld"

A két 4,7 kΩ-os ellenállás „virtuális földet” hoz létre. Tegyük fel, hogy ezen az áramkörön 12 V van. Az ellenállások egy 0,5×-es rezisztív osztót alkotnak. Az osztó felezőpontjában 6 V van . Az osztó osztáspontja és a tápegység negatív oldala között -6V-ot , a míg a föld és a tápegység pozitív oldala közt pedig +6V-ot lehet mérni. Voilá, két egyenlő, de ellentétes feszültség egyetlen forrás feszültségből! Sajnos ez az egyszerű konfiguráció hajlamos aszimmetrikussá válni. A jelenség megértéséhez vizsgáljuk meg ezt a kapcsolást - ez a CMoy néven ismert zseb fejhallgató erősítő - egyenáramú nézőpontból:

Az 1 mV-os akkumulátor (V_os ) az műveleti erősítő bemeneti offset feszültségét szimulálja. Ez egy ésszerű érték egy OPA132 esetében, bár a gyakorlatban chipenként változik. Ez 1 mV-ot kényszerít az R3-ra. Mivel a műveleti erősítő a bemenetinek feszültségét mindig egyformára próbálja hozni , így 10 mV-ot kényszerít az R4-re. Azaz 11 mV egyenfeszültséget kerül a terhelésre. A 32Ω terhelésen (ami például lehet egy Grado SR-60 fejhallgató) ez a DC feszültség 0,34 mA áramot hoz létre. Ez az áram csak a tápfeszültség osztójából származhat, amely a két ellenállás párhuzamos eredőjével helyettesíthatő. Az Ohm-törvény azt mondja, hogy ha az áramerősség 0,34 mA, az ellenállás pedig 2,35 kΩ (két 4,7 kΩ-os ellenállás párhuzamosan), akkor az osztó felezőpontjában lévő feszültség ~0,8V-tal el lesz tolódva az ideális felezőponttól. Ebben a konkrét helyzetben egy 9 V-os akkumulátorral táplálva az erősítőt körülbelül +3,7 V és -5,3 V állna be az áramkör az ideális ±4,5 V helyett . A különböző műveleti erősítők, fejhallgatók és ellenállás értékek eltérő feszültség eltolódást eredményeznek. Ezért a legjobb, ha egyszerűen belátjuk, hogy ez az eltolás jelentős lesz alacsony impedanciájú terheléseknél, és a terhelési impedancia csökkenésével nőni fog, ahelyett, hogy kiszámítanánk az eltolást és megpróbálnánk valahogy ellensúlyozni.

Egy olyan áramkörben, mint a CMoy zseb erősítő, az aszimmetrikus tápfeszültség felosztás önmagában nem árt a hangnak. A bemenet és a kimenet ugyanarra a földelési pontra csatlakozik, így az eltolás nem okoz elektromos kompatibilitási gondot. Ha ez így van, akkor jogos a kérdés, hogy miért kell aggódni emiatt? A legtöbb műveleti erősítőt nem lehet a tápfeszültségekig kivezérelni. Az OPA132-ot például körülbelül 3V-tal alacsonyabb feszültségig lehet kivezérelni, mit a tápfeszültség olyan viszonylag alacsony terhelésnél mint amilyen egy fejhallgató. Tegyük fel, hogy 9 V-os akkumulátort használunk, és terhelés alatt a virtuális föld áramkörünk aszimmetrikus lesz +4 V-ra és -5 V-ra állnak be a tápfeszültségek. Tételezzük föl azt is, hogy a kimeneti jel csúcsértéke 1V - ez a földhöz képes mérendő. Adjuk hozzá a műveleti erősítőre jellemző 3 V-ot, és máris elértók a V+ tápfeszt... A vágás határán vagyunk. Mivel a tápegységünk egy akkumulátor, a feszültsége idővel csökkenni fog, ezért nagyon kevés hasznos üzemidőt kapunk, mivel nagyon hamar elkezdi vágni a kimenő jelet.

A probléma megoldásának egyik gyors és piszkos módja a tápfeszültség egyszerű növelése. Ehhez azonban nagyobb, drágább tápegységre van szükség, ha hálózati tápegységről üzemel, illetve több elemre/akkura. A megoldásának másik módja a virtuális föld osztó ellenállásainak csökkentése. Ezzel az a gond, hogy növeli az osztó által felvett áramot. Itt persze föllép egy kiegyenlítő hatás: ha az akkumulátorból felvett többlet áram elég nagy, az eltüntetheti az alacsonyabb akkumulátorfeszültségből származó üzemidő növekedést. ( a vágás alacsonyabb tápfeszültségnél következne be a jobb szimmetria miatt ) A cikkben szereplő további áramkörök többsége teljesen más megoldást használ: puffereli a virtuális földet. Ezekkel a megoldásokkal a feszültségosztó látszólag nagyon alacsony impedanciájú - csökken rajta aszimmetrikus áram okozta feszültség esés-, miközben kevés áramot vesz fel és a virtuális földpontot szépen középen tartja terhelés alatt is. Az extra alkatrészek gyorsan megtérülnek azáltal, hogy lehetővé teszik a kisebb tápegység használatát, illetve növelik az akkumulátor üzemidejét.

 

Az első rajz az egyszerű 3 lábú tokozású áramkör alkalmazási példája, a második pedig a zajcsökkentő lábbal rendelkező 8 kivezetéses változatok kapcsolását. Utóbbi teljesítménye valamivel jobb. Megfigyelhető, hogy csak egy kondenzátor van az akkumulátoron, eltérően az egyszerű ellenállásosztós megvalósítástól amelyben kondenzátorok csatlakoznak a "tápsinek" és a virtuális földpont közé.. Az ellenállásosztó áramkörben két kondenzátor feltétlenül szükséges az áramkör megfelelő működéséhez!. A későbbiekben szót ejtek majd arról, hogy milyen előnyökkel és hátrányokkal jár a két kimeneti kondenzátor használata egy aktív virtuális földet képező áramkörben. Egyelőre tegyük fel, hogy jobb, ha csak egy van az aktív „sínelosztó” előtt. A TLE2426 legnagyobb hátránya, hogy a körülményektől függően csak 20-40 mA áramot tud kezelni. Ha a terhelés ennél többet igényel akkor a TLE2426 alapú tápegység aszimmetrikussá válik. Nagyobb terhelés esetén szóba jöhet egy buffer alapú tápegység:

Ez hasonló a TLE2426-on belüli áramkörhöz. A buffert kiegészítve két ellenállásból készült nagyobb kimeneti áramot kaphatunk. Az osztó ellenállásai sokkal nagyobb értékűek mint az egyszerű CMoy tápegységben. A buffer hozzáadásával nincs szükség kis értékű osztó ellenállásokra, hogy alacsonyan tartsuk a földpont eltolódását. Mivel az ellenállásértékek nagyok, az áramkör nyugalmi áramát a buffer nyugalmi árama határozza meg. Az osztó áramfelvétele elhanyagolható. A nagy ellenállásértékek mindaddig működnek, amíg az áramfelvétel szimmetrikus, mint egy egyszerű fejhallgató erősítőben. Ha aszimmetrikus a terhelés, akkor az osztó is előbb-utóbb aszimmetrikussá válik. Ebben az esetben a buffer kicserélhető egy TLE2426-ra. A TLE2426 másik előnye az ellenállásokkal szemben, hogy kevesebb helyet foglal, és nem kell válogatni az ellenállásokat a nagyobb pontosság érdekében. Ilyen puffer alapú áramkörrel készült a virtuális föld pl. a META42 erősítőben. Abban - META42- Burr-Brown BUF634-et használtam. A DIP-8-as tokozású 150 mA-ig, a nagyobb fém tokozású változat pedig 250 mA-ig terhelhető megfelelő hűtéssel. Sok más nyílt hurkú buffer található a piacon, amelyek hasonló teljesítményt nyújtanak ebben az áramkörben. Hátránya az egyszerű TLE2426-hoz képest, hogy bonyolultabb, többe kerül, nagyobb a kimeneti impedanciája és nagyobb a nyugalmi áramfelvétele (~1,5 mA vs. ~0,3 mA). Ha a TLE2426 nem beszerezhető, vagy nem szeretne postán rendelni, egy a fentinél jobb helyettesítő áramkör

Ebben egy olcsó általános műveleti erősítő – akár még μA741-is - bufferként működik, hasonlóan mint az előző áramkörben. A fő különbség az, hogy kisebb a kimenő árama, mint a bufferé, de a nyílt hurkú bufferrel ellentétben visszacsatolása van, így alacsony a kimeneti impedanciája. Az alacsony kimeneti impedanciának számos előnye van. A fejhallgató erősítőben a legnagyobb előnye a kisebb áthallás. Az 1 kΩ-os ellenállás a visszacsatoló hurokban opcionális. Célja, hogy a műveleti erősítő stabil maradjon nagy kapacitív terhelések esetén is, mint például az az áramkörökben előforduló hidegítő - tápfeszt átblokkoló -kondenzátorok . Olcsó általános célú műveleti erősítő használatakor, ez az áramkör semmivel sem jobb teljesítményű mint a TLE2426, és több helyet foglal el a NYÁK lapon, szóval csak akkor van létjogosultsága ha a TLE2426 nem beszerezhető. Jobb műveleti erősítő használatával jobb teljesítmény érhető el TLE2426-nál. A fő jellemzők, amit a műveleti erősítőnél keresni kell, a nagy kimeneti áram. Az átlagosnál nagyobb kimeneti árammal rendelkező műveleti erősítők például: LMH6642 és az AD817. A legnagyobb kimeneti áramú műveleti erősítők általában áram visszacsatolásúak (CFB). Ezek valamivel nagyobb odafigyelést igényelnek az alkalmazás során, mint a szokásos feszültség visszacsatolású (VFB) típusok. Az alábbi áramkör 250 mA-t képes leadni:

A C2 a kompenzáló kondenzátor, az R3 pedig azért van, hogy egy kicsit csökkentse a tápáramot. Ha 250 mA-nél is többre van szükség, az LT1206 nagy testvére, az LT1210 használható nagyon hasonló áramkörben. Más gyártók is gyártanak hasonló nagy áramú CFB chipeket, amelyek itt is működhetnek, de tanulmányozni kell az adatlapjukat, olvassa el az adatlapjukat. a CFB műveleti erősítők általában nem működnek egy meglévő áramkörben változtatás nélkül. Egy másik lehetőség az, hogy puffert készítünk általános diszkrét komponensekből. Ez az egyszerű áramkör Sijosae miniatürizálási gurutól származik:

A tranzisztorok bármilyen komplementer kis jelű tranzisztorpárok lehetnek. Megfelelő alternatívák pl a PN2222A és a PN2907A. A diódák általános kis jelű típusok. Az 1N914 tökéletes alternatíva. Ez az áramkör jobb teljesítményt nyújt, mint egy egyszerű ellenállás osztós virtuális földel, és az alkatrészek költsége alacsonyabb, mint bármely más, itt említett áramköré. A bufferelt virtuális földelő áramkörök közül azonban ez a legkevésbé pontos.

 

 

A fenti pufferelt virtuális földelő áramkörökben a két fő probléma közül legalább az egyik jelen van. A TLE2426 és VFB műveleti erősítő alapú áramkörök meglehetősen alacsony kimeneti áramerősséggel rendelkeznek. A többi áramkör nagyobb áramot tud leadni, de a legtöbbnél nincs visszacsatolás, így a kimeneti impedanciájuk viszonylag magas. Ez olyan gondokat okozhat, mint például a nagy áthallás a fejhallgató erősítőnkben. Egyszerű áramkörök esetén a fenti CFB áramkör a legjobb kompromisszum a nagy kimeneti áram, az alacsony kimeneti impedancia és az egyszerűség között. Ha az egyszerűség nem cél, továbbra is használhatja a VFB műveleti erősítőket bufferrel kombinálva:

Ha egy buffer a műveleti erősítő visszacsatoló hurkán belül helyezkedik el , akkor a buffer nagyobb áramerősségét és a visszacsatolás által biztosított nagy pontosságot kapjuk eredményként. A buffer és a műveleti erősítő közötti ellenállás értékét hangolni kell az áramkörben. Gerjedésgátló szerepe van, szükség esetén értékét akár 1 kΩ-ig növelni kell. A C kompenzáló kondenzátort is meg kell növelni, ha stabilitási gondok lépnek föl bár jó eséllyel nem lesz szükség 100pF-nál sokkal nagyobbra Az ellenállásosztó lecserélhető egy TLE2426-ra, hogy kihasználja a fent leírt előnyöket. Innen már csak egy kis lépés a PIMETA és PPA erősítőkben használt "föld csatorna" koncepció:

A "föld csatorna" koncepció akkor működik a legjobban, ha sok kis földáram van és egy nagy. Egy fejhallgató erősítőben az áramkörben több ellenállás csatlakozik a földpontra, de gyakorlatilag az összes áram közól egyedül a fejhallgató földbe visszatérő árama változik dinamikusan. A bufferelt műveleti erősítő kezeli a nagy áramokat (OGND), a TLE2426 pedig beállítja a nagy meghajtó bemenetét és kezeli az összes kis áramot (VGND). Hangfrekvenciás erősítőkben lehetőleg ugyanazt a műveleti erősítőt és buffert használom a virtuális földben, mint a hangfrekvenciás jelet kezelő áramkörökben. Például, ha a bemenő jelet AD8610 műveleti erősítő és HA3-5002 buffer dolgozza föl, akkor lehetőleg ugyanezeket az alkatrészeket használom a virtuális föld létrehozásához is. Ez biztosítja a legszimmetrikusabb teljesítményt, mivel a virtuális föld meghajtó áramköre és a fejhallgató meghajtó áramköre gyakorlatilag egy a terhelésen keresztül összekapcsolódó híd áramkör.

 

 

Fentebb azt mondtam, hogy amikor aktív osztóra váltunk, érdemes komolyan megfontolni, hogy a puffer kondenzátorokat az elosztó elé helyezzük. A cikk elején bemutatott ellenállás osztó kondenzátorainak az a célja az, hogy csökkentsék a passzív osztó impedanciáját. A passzív osztó nem tud túl nagy áramot leadni, ezért szükségünk van a kondenzátorokra. Az ellenállások itt csak a virtuális föld DC szintjét tartják fenn. Egy ideális virtuális földel áramkör végtelen áram leadására lenne képes, így nem jelentene előnyt, ha kondenzátor kerül a kimenetére. Sőt, káros is lehet. Egy aktív virtuális föld áramkörnek van egy bizonyos „sávszélessége”, azaz csak bizonyos frekvenciatartományban működik hatékonyan. A kimeneti kondenzátorok csökkentik a szükséges sávszélességet, a frekvencia növekedésével a kondenzátorok egyre nagyobb mértékben lesznek "felelősek" a működésért. Ha a kondenzátorok elég nagyok, akkor a virtuális föld áramkör sávszélessége teljesen lényegtelen lesz. Azaz csak a virtuális föld egyen potenciáljának fenntartására szolgál. A kimeneti kondenzátor jó dolog, ha a feszültség osztónak alacsony a kimeneti árama. Ez a helyzet például a MINT erősítőnél. A TLE2426 kimeneti árama 20 és 40 mA között van, az üzemi körülményektől függően. Amikor az áramkorlátozása működésbe lép, a kimenete a negatív tápfeszültségre kerül, ami teljesen eltolja a virtuális földpontot. Ezt az üzemállapotot lehetőleg el kell kerülni. A fejhallgató nagy terhelése a gyakorlatban meghaladhatja a 20 mA-t, így a TLE2426 kimenetén lévő kondenzátorok azok amik lehetővé teszik az IC használatát. Bár a TLE2426-nak nem szól bele a hangfrekvenciákba, még mindig előnyösebb a használata az egyszerű ellenállás osztónál. Először is, a kimeneti impedanciája sokkal kisebb, így a fentebb leírt virtuális föld eltolüdás nem jön létre. Másodszor, kisebb üzemi áramot igényel, mint a CMoy rezisztív osztója. Egy másik lehetséges probléma a virtuális földelosztó kimenetén lévő kondenzátorok nagy kapacitása. Egyes áramkörök nagyon stabilak ebben a helyzetben. Nincs sávszélesség és nincs erősítés, ezért nincs gerjedés. A legtöbb áramkör azonban nem a kapacitív terhelések meghajtására készült, kapacitív terhelés esetén kevésbé stabilak. A használni kívánt IC-k adatlapjai tartalmazzák a tervezéshez,kiválasztáshoz szükséges információkat. Amennyiben az adatlap külön nem emeli ki, hogy nagy kapacitív terhelést tud meghajtani, jobb elkerülni a virtuális föld áramkörökben való használatát. Nem szabad megfeledkezni a táplált áramkörben lévő hidegítő kondenzátorokról amelyek tápfesz és virtuális föld közé csatlakoznak. Sok olyan chip van, amelyek instabillá válik nanofarados szintűnél nagyobb kapacitív terhelésnél, és a hidegítő kondenzátorok beleszámítanak ebbe... Gyakorlatban kísérletezni kell az áramkörökkel, hogy kiderüljön egy adott chip képes-e megbirkózni a kapacitív terheléssel. Van még egy probléma azzal, ha a virtuális föld áramkör kimenetére kondenzátort teszünk. Pazaroljuk a kapacitást. Egy virtuális föld áramkör kimenetén lévő két kondenzátor sorba kapcsolódik, így eredő kapacitásuk a felére csökken. Ezenkívül egy kondenzátor szükséges az sínosztó elé, de kettő utána. Ez azt jelenti, hogy a kondenzátor az osztó elé helyezve négyszer olyan hatékony. Kétszer akkora effektív kapacitás helyezhető elfele akkora NYÁK-on, vagy négyszer akkora kapacitás ugyanakkor NYÁK felületen.