O problemă obișnuită în electronica analogică este necesitatea unei alimentări cu dublă tensiune (de ex. ± 5 V), dar având doar o singură sursă disponibilă, cum ar fi o baterie. Există multe modalități de a „împărți” o singură sursă, astfel încât să se comporte ca o sursă dublă. Acest articol descrie mai multe astfel de circuite și compromisurile implicate.

sursă alimentare

Acest articol este scris având în vedere circuitele audio pentru căști în stare solidă. Generalizarea acestui lucru în alte situații este un exercițiu lăsat în seama cititorului.

Două baterii

Cea mai simplă modalitate de a rezolva problema necesității unei alimentări duale atunci când utilizați baterii este de a utiliza pur și simplu două baterii în această configurație:

Problema cu acest lucru este că, dacă o baterie se descarcă mai repede decât cealaltă, astfel încât una scade la aproximativ 1 V sau mai puțin înainte ca cealaltă să scadă, decalajul de curent continuu la ieșire va începe să crească. (Am testat acest lucru cu mai multe op-amplificatoare diferite. Este posibil ca unele modele să nu aibă această problemă.)

Bateriile se pot scurge inegal din mai multe motive. Poate vă puneți bateriile într-un sertar după ce le-ați cumpărat și le scoateți la întâmplare și desenați una veche și una nouă. Poate că utilizați reîncărcabile și una sau mai multe celule sunt pe moarte. Poate că ai ghinion azi.

Pentru a fi corect, înainte de a se întâmpla acest lucru, veți primi un avertisment: amplificatorul va începe să sune prost din alte motive. Probabil va clipi în mod audibil muzica cu mult înainte de acest punct de pericol din cauza tensiunii de alimentare insuficiente și, de asemenea, poate fi înfometată de curent din cauza epuizării bateriei. Deci, cel mai probabil mod în care va apărea această problemă este dacă lăsați un amplificator pentru căști alimentat de la baterie pornit pentru o perioadă îndelungată fără muzică sau fără a asculta muzica redată. Adormiți vreodată când ascultați căști?

Dacă nu opriți amplificatorul înainte de a ajunge la acest punct de pericol, este posibil ca offset-ul DC ridicat rezultat să vă deterioreze căștile. Așadar, încercăm diferite scheme virtuale de masă pentru a ne permite să folosim o singură baterie și să avem în continuare o sursă dublă.

Divizorul rezistorului

Sursa de alimentare a amplificatorului de buzunar CMoy este o sursă de împământare virtuală de tip divizor de rezistență:

Cele două rezistențe de 4,7 kΩ creează o „masă virtuală”. Să presupunem că există 12 V în acest circuit. Rezistențele sunt un divizor rezistiv de 0,5 ×: există 6 V în punctul mediu al divizorului. „Distanța” dintre punctul de mijloc al divizorului și partea negativă a sursei de alimentare este de -6 V, iar distanța față de partea pozitivă a sursei de alimentare este de +6 V . Voila, două tensiuni egale, dar opuse de la o singură sursă de alimentare!

Din păcate, această configurație simplă este predispusă la dezechilibrare. Pentru a vedea de ce, luați în considerare această schemă, un amplificator de buzunar CMoy care conduce căști, tras din perspectiva DC:

Bateria de 1 mV (V os) simulează tensiunea de compensare a intrării amplificatorului. Aceasta este o valoare rezonabilă pentru un OPA132, deși în practică variază între cipuri.

Acest decalaj forțează 1 mV pe R3. Deoarece amplificatoarele operaționale își forțează întotdeauna tensiunile de intrare să fie egale, acest lucru la rândul său forțează 10 mV pe R4. După cum puteți vedea, acest lucru pune 11 mV de CC peste sarcină. Dacă sarcina este de 32 Ω la curent continuu (cum ar fi o pereche de Grado SR-60s), 0,34 mA este forțat prin sarcină. Acest curent poate proveni doar de la separatorul de șină, care arată ca două rezistențe paralele cu sarcina. Legea lui Ohm ne spune că, din moment ce curentul este de 0,34 mA și rezistența este de 2,35 kΩ (două rezistențe de 4,7 kΩ în paralel), tensiunea la punctul mediu al divizorului este forțată

0,8 V distanță de punctul mediu ideal.

În această situație particulară, atunci, o baterie de 9 V s-ar împărți la aproximativ +3,7 V și -5,3 V în locul idealului ± 4,5 V. Diferite valori ale amplificatoarelor, căștilor și rezistențelor vor oferi o diferență diferită. Prin urmare, este mai bine să ne dăm seama pur și simplu că acest offset va fi semnificativ cu sarcini cu impedanță redusă și va crește pe măsură ce impedanța de încărcare scade, mai degrabă decât să calculăm offset-ul și să încercăm să-l contracarăm cumva.

Problema cu împărțirile de teren virtuale inegale

Într-un circuit precum amplificatorul de buzunar CMoy, o împărțire virtuală inegală a solului nu afectează sunetul de la sine. Intrarea și ieșirea sunt ambele menționate la același punct de împământare, astfel încât schimbarea nu creează o problemă de compatibilitate electrică. Atunci probabil că te întrebi de ce să-ți faci griji?

Majoritatea amplificatoarelor de operare nu pot schimba tensiunea de ieșire de la șină la șină; au o distanță minimă. OPA132, de exemplu, are nevoie de o distanță de aproximativ 3 V între șinele de alimentare și ieșire cu sarcini de impedanță relativ redusă, cum ar fi căștile.

Să presupunem că folosim o baterie de 9 V și sub sarcină circuitul nostru virtual de împărțire se împarte inegal la +4 V și -5 V. Să presupunem, de asemenea, că vârfurile semnalului nostru de ieșire sunt la 1 V de la sol. Adăugați spațiul de 3 V necesar pentru amplificatorul opțional și ne aflăm chiar în punctul de tăiere de pe șina V +. Deoarece sursa noastră de alimentare este o baterie, tensiunea sa va scădea în timp, așa că vom obține un timp de funcționare foarte mic înainte de a începe să decupeze.

Modalități de rezolvare a problemei

O modalitate rapidă și murdară de a rezolva această problemă este de a crește pur și simplu tensiunea de alimentare. Însă, acest lucru necesită o sursă de alimentare mai mare și mai costisitoare dacă utilizați energie de perete sau mai multe baterii.

O altă modalitate de a rezolva problema este de a reduce valorile rezistențelor la sol virtuale. Problema cu aceasta este că crește curentul pe care îl atrage separatorul. Acesta este un act de echilibrare: dacă curentul suplimentar extras din baterie este suficient de mare, poate elimina creșterea duratei de funcționare pe care o obțineți de la o tensiune mai mică a bateriei de unde începe decuparea.

Majoritatea circuitelor ulterioare din acest articol folosesc o soluție complet diferită: tamponarea terenului virtual. Aceste tehnici fac ca divizorul de tensiune să pară să aibă o impedanță foarte scăzută, în timp ce atrage încă puțin curent. Aceasta menține punctul de sol virtual frumos centrat între șinele sub sarcină. Piesele suplimentare se pot plăti cu ușurință singure, permițându-vă să utilizați o sursă de alimentare mai mică sau mărind durata de funcționare a bateriei.

Circuite de masă virtuale tamponate simple

Cel mai elegant circuit virtual de masă tamponat este TLE2426 al Texas Instruments. Această parte se numește „separator de șină”: împarte o singură sursă de alimentare în două, deci aveți două „șine de tensiune” plus masă. Este în esență un divizor de tensiune glorificat, așa că înlocuiește rezistențele din sursa de alimentare simplă a divizoarelor de rezistență: aplicați o tensiune între pinii IN și COM și pune afară ½ pe pinul OUT. Spre deosebire de un simplu divizor de rezistență, totuși, are unele circuite de tamponare în interior, astfel încât să nu devină dezechilibrat. (Oh, poate exista o zecime de volt de eroare sau cam așa ceva, dar asta este o problemă mică.) Iată circuitul de alimentare modificat:

Prima schemă prezintă pachetul simplu cu 3 pini, iar al doilea arată circuitul pentru versiunile cu 8 pini care au un pin de reducere a zgomotului. Acesta din urmă are performanțe puțin mai bune.

Observați că există doar un condensator pe baterie în loc de un capac între fiecare șină și masă virtuală ca în sursa de separare a rezistorului. În circuitul de divizare a rezistorului, doi condensatori sunt absolut necesari pentru succesul circuitului. Mai jos, voi vorbi despre avantajele utilizării a două capace ca acesta într-un circuit virtual activ la sol, precum și despre dezavantaje. Deocamdată, presupuneți că este mai bine să aveți doar unul înainte de „separatorul de șine” activ.

Principala problemă cu TLE2426 este că poate gestiona doar 20-40 mA de curent, în funcție de condiții. Dacă încărcarea dvs. atrage mai mult de atât, o sursă de alimentare bazată pe TLE2426 va deveni dezechilibrată. Pentru situații de încărcare mai mare, puteți încerca o sursă de alimentare bazată pe tampon:

Acest lucru este similar cu circuitul din interiorul unui TLE2426. Realizând un separator de șină din piese, putem obține un curent de ieșire mai mare. Observați că valorile rezistenței sunt mult mai mari decât în ​​sursa simplă de alimentare CMoy. Prin adăugarea bufferului, nu avem nevoie de rezistențe cu divizor redus pentru a menține offsetul sub control. Deoarece valorile rezistenței sunt atât de mari, curentul de repaus al circuitului este dominat doar de curentul de repaus al tamponului; divizorul contribuie la tragerea de curent neglijabilă.

Valorile ridicate ale rezistorului funcționează atâta timp cât consumul de energie pe acest circuit este echilibrat uniform, deoarece este într-un amplificator simplu pentru căști. Dacă aveți o remiză dezechilibrată, divizorul este probabil să devină dezechilibrat. În acest caz, puteți înlocui separatorul cu un TLE2426. O altă virtute a TLE2426 asupra rezistențelor este că necesită mai puțin spațiu și nu este nevoie să faceți potrivirea rezistenței pentru a obține o precizie ridicată. Așa am făcut terenul virtual în amplificatorul META42.

Am folosit BUF634 de la Burr-Brown aici. Poate rezolva până la 150 mA în pachetul DIP-8, iar în pachetele mai mari pe bază de metal poate furniza până la 250 mA, cu scufundare corespunzătoare. Există multe alte tampoane cu buclă deschisă pe piață care vor oferi performanțe similare în acest circuit. Dezavantajele față de singurul TLE2426 sunt că este mai complicat, costă mai mult, are o impedanță de ieșire mai mare și are un consum de curent în repaus mai mare (

Dacă nu puteți obține un TLE2426 și nu doriți să comandați unul prin poștă, acesta este un substitut mai apropiat decât circuitul de mai sus:

Puteți utiliza un amplificator generic ieftin - cum ar fi omniprezentul μA741 - aici. Se comportă ca un tampon, la fel ca în circuitul anterior. Diferența majoră este că are un curent de ieșire mai mic decât bufferul, dar spre deosebire de un buffer cu buclă deschisă are feedback, deci are o impedanță de ieșire redusă. Impedanța scăzută de ieșire are multe efecte salutare asupra circuitului; la un amplificator heapdhone, cel mai mare este diafragma inferioară.

Rezistența de 1 kΩ din bucla de feedback este, fără îndoială, opțională. Scopul său este de a menține amplificatorul operațional stabil în fața sarcinilor capacitive mari, cum ar fi condensatorii de bypass din circuitul alimentat.

Dacă utilizați un amplificator generic ieftin, performanțele acestui circuit nu sunt mai bune decât pentru un TLE2426 și necesită mai mult spațiu pe placă, deci ar trebui să faceți acest lucru numai atunci când nu puteți obține un TLE2426. Dar, dacă utilizați un op-amp mai bun, puteți obține performanțe mai bune decât un TLE2426. Specificația principală de căutat aici este curentul de ieșire mare. Mai multe sau mai puține înlocuiri de transfer cu curent de ieșire mai mare decât media sunt LMH6642 și AD817.

Cele mai mari amplificatoare de curent de ieșire tind să fie tipurile de feedback curent. Acestea necesită ceva mai multă grijă în aplicație decât tipul obișnuit de feedback de tensiune. Luați în considerare acest circuit, care poate scoate 250 mA:

C2 este condensatorul de compensare, iar R3 este acolo pentru a reduce puțin curentul de alimentare, așa cum se explică în foaia tehnică din secțiunea despre caracteristica de oprire.

Dacă aveți nevoie de mai mult de 250 mA, fratele mai mare al LT1206, LT1210, funcționează într-un circuit foarte similar. Alți producători produc cipuri CFB de curent ridicat similare care pot funcționa aici, dar citiți fișele tehnice înainte de a crea circuite pentru acestea: amplificatoarele CFB de operare nu vor intra în general într-un circuit existent fără modificări.

O altă opțiune este de a crea un buffer din componente discrete generice. Acest design simplu vine de la guruul miniaturizării Sijosae:

Tranzistoarele pot fi cele mai multe perechi complementare de tranzistori cu semnal mic. Alternative adecvate sunt PN2222A și PN2907A.

Diodele sunt tipuri generice de semnal mic. O alternativă acceptabilă este 1N914.

Acest circuit are o performanță mai bună decât un simplu separator rezistiv virtual, iar costul pieselor este mai mic decât pentru orice alt circuit menționat aici. Cu toate acestea, este cel mai puțin precis dintre circuitele de masă virtuale tamponate.

Devenind mai complicat

Circuitele de masă virtuale tamponate de mai sus au una dintre cele două probleme majore. Circuitele op-amp TLE2426 și VFB au abilități de curent de ieșire destul de reduse. Celelalte circuite au un curent de ieșire mai mare, dar majoritatea nu au feedback, astfel încât impedanța lor de ieșire este relativ mare; acest lucru poate duce la probleme cum ar fi diafragma crescută la un amplificator pentru căști. Pentru circuite simple, circuitul CFB de mai sus este cel mai bun echilibru între curent de ieșire ridicat, impedanță de ieșire scăzută și simplitate.

Dacă puteți sacrifica simplitatea, puteți utiliza în continuare op-amperi VFB combinându-le cu un buffer, astfel:

Prin înfășurarea unui buffer într-o buclă de feedback a unui amplificator operațional, obțineți capacitatea de curent mai mare a bufferului plus precizia ridicată oferită de feedback.

Este posibil ca valoarea rezistenței dintre tampon și amplificator să funcționeze în circuitul dvs. Dacă atingeți vârful la frecvență ridicată sau chiar instabilitate, trebuie să creșteți valoarea acestuia, la probabil 1 kΩ. În mod similar, compensarea capactior C C ar putea fi necesară creșterea dacă aveți probleme de instabilitate; probabil că nu ar trebui să depășească 100pF.

Puteți înlocui divizorul de rezistență cu un TLE2426 pentru a obține unele dintre beneficiile descrise mai sus. Apoi, este doar un mic pas de acolo până la conceptul de canal de sol utilizat de amplificatoarele PIMETA și PPA:

Conceptul de canal de sol funcționează cel mai bine atunci când aveți mulți curenți de sol mici și unul mare. Într-un amplificator pentru căști, circuitul are mai multe rezistențe și astfel de conectări la masă, dar practic tot curentul dinamic la masă este curentul de retur de la căști. Amplificatorul tampon operează curenții mari (OGND), iar TLE2426 setează intrarea driverului mare și gestionează toți curenții mici (VGND).

Pentru audio, prefer să folosesc același op-amp și tampon în sol virtual ca și în circuitele driverului audio. De exemplu, dacă canalele audio folosesc un amplificator opțional AD8610 și un buffer HA3-5002, voi folosi de obicei acele părți și pentru driverul de masă virtual. Acest lucru oferă cea mai simetrică performanță, deoarece driverul la sol virtual și circuitele driverului căștilor stau efectiv peste sarcină unul de celălalt.

Condensatoare la ieșirea unui driver de masă virtual

Mai sus am spus că atunci când vă deplasați la un splitter de șină activ, doriți să luați în considerare serios punerea condensatoarelor de șină în fața splitterului. Scopul plasării capacelor în divizorul de sol rezistiv prezentat la începutul acestui articol se datorează faptului că acest divizor pasiv nu poate furniza foarte mult curent, deci avem nevoie de capace pentru a face acest lucru. Rezistențele mențin aici nivelul DC al solului virtual. Un circuit virtual de masă ideal ar avea o livrare infinită de curent, așa că nu ar trebui să existe niciun avantaj pentru a pune capace pe ouptut. De fapt, poate fi dăunătoare.

Un circuit virtual de masă activ are o anumită „lățime de bandă”, adică va fi eficient într-o anumită gamă de frecvențe. Dacă puneți condensatori peste ieșire, aceasta scade lățimea de bandă: pe măsură ce frecvența crește, condensatorii sunt „în sarcină” într-o măsură din ce în ce mai mare. Dacă capacele sunt suficient de mari, lățimea de bandă a circuitului virtual la sol este complet inundată. S-ar putea să fie bun doar pentru menținerea nivelului continuu al terenului virtual.

Capacele de ieșire pot fi un lucru bun dacă separatorul de șină are o limită de curent de ieșire destul de mică. Aceasta este situația amplificatorului MINT, de exemplu. TLE2426 are o limită de curent de ieșire între 20 și 40 mA, în funcție de condițiile de funcționare. Când intră în limitarea curentului, ieșirea sa se îndreaptă spre șina negativă, ceea ce ar face o schimbare masivă în punctul virtual de sol, deci nu putem permite acest lucru. O încărcare ridicată a căștilor ar putea într-adevăr să depășească 20 mA, astfel încât punerea capacelor pe orificiul TLE2426 salvează designul. Deși TLE2426 nu are niciun efect la frecvența audio, are totuși beneficii în comparație cu un divizor de tensiune rezistiv. În primul rând, impedanța sa de ieșire este mult mai mică, astfel încât schimbarea virtuală la sol descrisă mai sus nu are loc. În al doilea rând, necesită mai puțin curent de funcționare decât divizorul rezistiv al CMoy.

O altă problemă potențială cu capacele mari la ieșirea unui separator de sol virtual are legătură cu stabilitatea. Unele circuite vor deveni foarte stabile în această situație: fără lățime de bandă și fără câștig, deci fără oscilație. Cu toate acestea, majoritatea circuitelor nu sunt concepute pentru a face față sarcinilor capacitive. Ei devin Mai puțin stabil atunci când conduceți o sarcină capacitivă. Studiați fișele tehnice pentru IC-urile pe care le veți utiliza. Cu excepția cazului în care specifică în mod special faptul că pot conduce sarcini capacitive mari, feriți-vă de a le folosi în circuite virtuale de masă. Nu uitați să luați în considerare capacele de bypass ale sistemului, dacă acestea merg de la fiecare șină la sol virtual: există multe jetoane care vor deveni instabile cu mai puțin de o nanofarad de capacitate la ieșirea lor, iar condensatorii de bypass vor conta în acest sens . În cele din urmă, va trebui să construiți circuite reale și să le testați înainte de a ști dacă un anumit cip poate face față sarcinii capacitive din configurarea dvs.

Mai există o problemă cu punerea capacelor la ieșirea circuitului de masă virtual: risipește capacitatea. Într-un sens foarte real, două capace în ieșirea unui circuit de masă virtual sunt în serie, astfel încât capacitatea totală este redusă la jumătate. De asemenea, aveți nevoie de un condensator în fața separatorului de șină, dar două după acesta. Aceasta înseamnă că punerea capacității șinei în fața splitterului este de fapt de patru ori mai eficientă: puteți avea capacitatea de două ori mai eficientă în jumătate din suprafața plăcii sau de patru ori capacitatea în aceeași zonă a plăcii.

Referințe și mulțumiri

Schema amplificatorului de buzunar CMoy în perspectivă DC de mai sus și explicația originală a acestuia se datorează PRR al Headwize. Acest forum a dispărut de atunci, așa că nu mai pot să vă îndrept spre această explicație, din păcate.

Sijosae și-a postat ideea separatoare de șine într-un alt fir Headwize. Vai dublu.

Secțiunea 4.1.5 din Jerald Graeme Optimizarea performanței amplificatorului op a fost util în proiectarea separatorului VFB op-amp. Această secțiune se referă la rularea op-amperilor în sarcini capacitive, ceea ce se va întâmpla adesea cu un driver de sol virtual.

Link-uri

Arn Roatcap are aici un catalog similar de circuite virtuale la sol.

Există multe idei conexe în Anexa A din Amplificatoare Op pentru toată lumea (PDF, 2,9 MB), care acoperă circuitele cu o singură alimentare. Rețineți că acest apendice a fost fie eliminat, fie combinat în textul principal în edițiile ulterioare. Nu pot vedea un echivalent în cuprinsul celei de-a patra ediții a lui Bruce Carter.