Як використовувати операційний підсилювач як єдине джерело живлення
Ласкаво просимо до Зробіть свої гітарні ефекти! Якщо ви тут новачок, можливо, ви захочете прочитати мою книгу про те, як клонувати свою першу педаль ефекту, натисніть тут, щоб завантажити книгу безкоштовно! 🙂
Ласкаво просимо назад, щоб зробити свої гітарні ефекти! Оскільки ви тут не вперше, ви, мабуть, захочете прочитати мою книгу, яка пояснює, як клонувати свою першу педаль ефекту, натисніть тут, щоб завантажити книгу безкоштовно! 🙂
Операційний підсилювач, який ми вже обговорювали (особливо для дизайну педалі підсилення гітари) є важливим компонентом в ланцюгах наших гітарних педалей, так само, як транзистор. Зазвичай він призначений для роботи у вигляді подвійного (або біполярного, або збалансованого) джерела живлення, наприклад + 9В та -9В. Тому для заряду акумулятора потрібно було б добре працювати, використовуючи дві батареї 9 В.
Однак, і ви, принаймні, помітили це на останніх педалях ефектів, для цього потрібен лише один акумулятор 9 В. Тому ми говоримо про єдине живлення на підсилювачі. Як це можливо ?
Ідея полягає в тому, щоб подати напругу зміщення до звукового сигналу через мост дільника напруги. Але ця досить проста система призведе до значного паразитного шуму без додавання певних компонентів.
У цій статті я поясню концепцію постачання операційних підсилювачів з одним джерелом живлення. Це схема, виявлена в педалі спотворення RAT.
Раніше для того, щоб представити поняття, ми коротко побачимо, якою є структура підсилювача в цілому. Потім, щоб оновити наші ідеї щодо операційних підсилювачів, ми побачимо два вузли підсилювача в симетричному блоці живлення. .
Нарешті ми побачимо монтаж операційного підсилювача проста їжа а також запобіжні заходи, які слід вжити при виборі компонентів для зменшення звукового шуму, що генерується ними. Ця частина значною мірою натхнена посиланням [1].
1 Загальна структура схеми підсилення
На наступному малюнку я показав принцип роботи підсилювача (який може включати транзистор або операційний підсилювач). Ця цифра натхнена посиланням [2]. Ідея проста, ми хочемо посилений вхідний сигнал на виході. Щоб це стало можливим, вузол оснащений джерелом живлення Напруга постійного струму. Це дає необхідну потужність підсилювачу до поляризувати компонента в робочій точці.
Вхідні та вихідні сигнали є змінними, тобто вони залежать від часу. Звичайно, ми хочемо посилити сигнал змінного струму, а не сигнал постійного струму, що дозволяє поляризувати активні компоненти.
Підсилювач називається лінійним, якщо сигнал s (t) пропорційний e (t), тобто якщо коефіцієнт підсилення постійний, незалежно від частоти. В іншому випадку відбувається зміна вхідного сигналу на виході, що призводить до спотворення сигналу.
У випадку операційного підсилювача потужність, як правило, подається через біполярне джерело живлення, здатний генерувати + V і -V щодо 0V, як видно на наступній схемі:
Перед переходом на операційний підсилювач проста їжа, що полягає у заміні -V на 0V на схемі вище, спочатку розглянемо основи двох підсилювальних збірок операційного підсилювача з подвійним живленням.
2 Реверсивне та нереверсивне кріплення операційного підсилювача
2.1 Опис двох збірок
Тут нас цікавить випадок між виходом операційного підсилювача та входом інвертора є петля зворотного зв'язку резистором з іменем R2 на наступній схемі. Цей цикл дає можливість контролювати значення коефіцієнта підсилення за рахунок зовнішніх компонентів, як ми побачимо у формулах. Ми також відзначаємо наявність другого резистора R1, підключеного до R2.
Зверніть увагу, що в інших збірках, таких як компаратори, цикл зворотного зв'язку виконується на неінвертуючий вхід, що призводить до іншої поведінки операційного підсилювача.
Різниця між неінвертуючим та інвертуючим кріпленням здійснюється на рівні вхідного сигналу, залежно від того, підключений він до неінвертуючого входу або інвертуючого входу. Нарешті, ми це бачимо операційний підсилювач поляризований двома генераторами напруги, один при + 9В на його позитивному терміналі, а інший при -9В на його негативному терміналі.
2.2 Порівняння двох типів підсилювача в зборі
То чому існують ці два типи установок, інверторні та неінверторні? Дивлячись на вираження виграшів двох зборів, ми виявимо відмінності. Дійсно, ми можемо підрахувати, що в неінвертуючому випадку коефіцієнт підсилення G, визначений Vs (t)/Ve (t), становить:
А в інвертуючому випадку виграш вартий:
Ми бачимо, що просте додавання двох резисторів дає нам контроль над коефіцієнтом підсилення операційного підсилювача. І відмінності такі:
- інверторний вузол дозволяє отримати коефіцієнт підсилення більший або менший 1. Давайте на мить ігноруємо знак мінус. Якщо ми маємо, наприклад, R2 = 10 кОм і R1 = 1 кОм, G = 10k/1k = 10. З іншого боку, якщо R2 = 1 кОм і R1 = 10 кОм, G = 1k/10k = 0,1. У першому випадку ми маємо підсилювач, у другому - аттенюатор. У випадку неінвертуючого вузла неможливо послабити, оскільки коефіцієнт підсилення завжди буде більшим за 1. Принаймні ми можемо мати коефіцієнт підсилення 1, тобто сигнал, ні посилений, ні ослаблений (ця збірка існує, вона називається послідовною збіркою і використовується для адаптації імпедансу або буферів).
- Знак мінус у значенні коефіцієнта підсилення схеми інвертора означає, що вихідний сигнал на 180 ° не відповідає фазі. Це може бути важливо залежно від того, що ви хочете зробити.
- Вхідний опір неінвертуючого вузла дуже великий, оскільки він відповідає вхідному опіру операційного підсилювача. З іншого боку, для інверторного блоку він падає через наявність R1 між сигналом і входом операційного підсилювача.
Тепер давайте подивимося, як розробити єдиний підсилювач з підсилювачем.
3 Одинарний підсилювач потужності
Минув якийсь час з того часу, як я шукав інформацію про просте джерело живлення, і нещодавно я знайшов чудову статтю, яка описує проблеми із шумом та тремтінням, з якими ви можете зіткнутися, та способи їх усунення [1]. Ця третя частина цієї статті значною мірою спирається на неї, а також на посилання [3].
3.1 нереверсивний вузол в одній подачі
Почнемо з того, що розглянемо неінвертуючу збірку з одним подаванням:
Схема трохи складніша, але не набагато! Зверніть увагу, що зараз у нас є два конденсатори CIN, COUT, C1 і Cd. Останній використовується для фільтрації шуму джерела живлення, це роз’єднувальний конденсатор. За мить я повернусь до справи CIN і COUT ... Найголовніше - це побачити Операційний підсилювач тепер підключений між +9 В і землею, тобто 0 В.
3.2 Принцип дії
Коли операційний підсилювач живиться від +9 В до -9 В, операційний підсилювач видає напругу змінного струму з центром 0 В, яка може бути не більше +/- 9 В (операційний підсилювач може видавати більше, ніж те, що він отримує).
Наприклад, якщо на вході ми маємо +/- 10 мВ і якщо у нас є коефіцієнт посилення 10, вибравши R1 і R2, на виході ми матимемо +/- 100 мВ, все з центром в 0 В.
Візьмемо приклад наступного малюнка:
Чорним кольором ми бачимо вхідний сигнал з амплітудою 10 мВ. А червоним кольором - вихідний сигнал з амплітудою 100 мВ. Це відповідає вхідному сигналу, помноженому на 10 (значення, вибране для цього прикладу).
Дві синусоїди розташовані навколо горизонтальної осі (абсциси). Операційний підсилювач працює близько 0 В, оскільки він живиться з позитивною та негативною напругою.
Тепер, якщо ви подаєте операційний підсилювач лише позитивним з іншим заземленням (0 В), операційний підсилювач не зможе посилити негативні сигнали.
Тоді фокус полягає в переміщенні потенціалу вхідного сигналу між 0 В і 9 В посередині. Таким чином вихід також доводиться до 4,5 В, і він може посилити негативну напівхвилю. Ось що я представив на цьому малюнку:
Два сигнали мають однакову амплітуду (10 мВ та 100 мВ). З іншого боку, вони коливаються близько 4,5 В.
Отже, цей метод дає змогу за допомогою однієї батареї 9 В посилити сигнал за допомогою операційного підсилювача. З іншого боку, ми виходимо на вихід з максимальною амплітудою 4,5 В замість 9 В у подвійному живленні. Це означає, що операційний підсилювач буде насичуватися для нижчих вхідних напруг.
Роль Ра та Рб
А для переміщення вхідного сигналу до 4,5 В ми використовуємо резистори Ra і Rb, які утворюють так званий міст дільника напруги. Над Ra напруга становить 9 В, нижче Rb - 0 В. А в середині воно коштує від 0 до 9 В, що залежить від Ra та Rb.
Інтуїтивно ми можемо зрозуміти, що якщо Ra = Rb, цей потенціал буде дорівнювати половині 9 В або 4,5 В. На практиці ми будемо робити це, використовуючи достатньо великі резистори, щоб не перекачувати занадто багато струму на батарею. Зазвичай ми приймаємо значення від кількох десятків комів до ста комів.
Сін і Кут ?
Отже, на вході операційного підсилювача ми маємо 4,5 В, а на виході теж. Але ми повинні позбутися цієї постійної напруги на виході педалі. Щоб його заблокувати, ми використаємо на ланцюзі конденсатор, що називається Cout. Таким чином, на виході залишається лише посилений сигнал змінного струму, тож 100 мВ у нашому прикладі, але сконцентровані навколо 0 В. Роль Сіна однакова, він блокує постійну напругу 4,5 В, яку ми створили з того, що поставляється перед складанням (він роз'єднує операційний підсилювач).
І С1 ?
С1 дозволяє не підсилювати низькі частоти. Дійсно, конденсатор не пропускає низьких частот, отже, все відбувається, коли вони бачили резистор R1 нескінченного опору. Таким чином, коефіцієнт підсилення G на низькій частоті такий, що G = 1.
Стільки про принцип, простий в теорії: ми піднімаємо вхідну напругу постійної напруги, яка становить половину від напруги живлення, що дозволяє сигналу змінного струму коливатися між максимальними значеннями 0 В і 9 В приблизно 4,5 В.
3.3 Проблеми, пов’язані з цим методом
Однак, роблячи це, тобто використовуючи міст дільника напруги, ми підключаємо блок живлення і вхід операційного підсилювача, що не є чудовим, оскільки ми будемо генерувати значний шум в аудіосигналі. Дійсно, будь-який генератор напруги не є досконалим і може демонструвати коливання напруги з часом. Підключивши його до звукового сигналу через дільник напруги Ra-Rb, ці зміни напруги (загальномодний шум і відмова напруги живлення) будуть посилюватися і спричиняти небажані гудіння і гудіння на виході ... не дуже.
Для боротьби з цим шумом допоможе додавання роз'єднувального конденсатора Cd, а також регульоване джерело живлення та заземлення в конструкції друкованої плати (це також стосується подвійного джерела живлення).
3.4 Роз'єднання мережі поляризації електроживлення
Але рішення на рівні схеми полягає в тому, щоб від'єднати схему зміщення (міст дільника напруги Ra-Rb) від джерела напруги. Це можливо, додавши конденсатор і резистор, названі C2 і RIN на наступному малюнку:
Конденсатор С2 - роз'єднувальний конденсатор, який відновлює відторгнення напруги живлення. RIN збільшує вхідний опір підсилювача. Струм, що протікає в RIN, дуже низький, тому напруга на інших клемах RIN дуже близько до 4,5 В. Цей опір може становити 100 кОм або 1 МОм.
3.5 Перемикання кріплення в одній подачі
Ви також можете зробити те саме з інверторним вузлом. Отримана збірка простіша:
Ми бачимо, що більше немає потреби в RIN або CIN, замінених на R1 і C1.
Висновок
Ми бачили, що поляризаційна мережа, що складається з моста дільника напруги (Ra та Rb), дозволяє використовувати підсилювач як єдине джерело живлення. Однак слід подбати про роз'єднання цієї мережі за допомогою інших компонентів, щоб обмежити шум, викликаний цим методом.
Якщо вам потрібна ілюстрація того, як використовувати неінвертуючий вузол в одному блоці живлення, ви можете подивитися схему RAT.
Цей спосіб встановлення вхідного підсилювача на 4,5 В є найбільш часто використовуваним, оскільки він є найбільш економічним. Однак можна використовувати й інші альтернативи, замінивши один з резисторів моста дільника напруги на стабілітроновий діод, оскільки це підтримує постійну напругу на його клемах, коли він зміщений у зворотному напрямку. Якщо ви хочете 9 В, ви можете використовувати стабілітрони 1N4623 або 1N4687. Нарешті, стабільне, але дорожче рішення полягає у використанні регулятора напруги типу ADM663A або ADM666A.
Вам сподобалась ця стаття? Не соромтеся коментувати або ділитися цим !