Introducere

Amplificatoarele opționale utilizează o tensiune de alimentare DC, de obicei de la câțiva volți până la 30 V sau mai mult. Dacă sursa de alimentare este o sursă de tensiune continuă perfectă (adică oferă aceeași tensiune indiferent de ce se întâmplă), ieșirea amplificatorului operațional va fi guvernată exclusiv de intrările sale. Deoarece nu există surse de tensiune ideale în lumea reală, trebuie să vă faceți griji cu privire la calitatea sursei de alimentare dacă doriți cele mai bune performanțe de la un amplificator op. Acest articol va descrie defecțiunile sistemelor de alimentare obișnuite, cu accent pe modul în care acestea afectează aplicațiile audio op-amp.

Baterii

Bateriile sunt aproape de sursele de tensiune ideale, cu condiția să rămâneți în limitele lor de proiectare.

În primul rând, o anumită terminologie. Celulele sunt unitățile ∼1,5 V sau ∼1,2 V care alcătuiesc o baterie; o baterie are mai multe celule în serie. Este incorect să numiți o baterie cu o celulă AA. Când folosesc termenul „baterie” de mai jos, mă refer fie la o unitate autonomă, cum ar fi o baterie de 9 V (compusă din 6-8 celule, în funcție de tip), fie la mai multe celule de tip AA sau AAA în serie.

Parametrul principal de care trebuie să vă preocupați este impedanța celulelor pe care le veți utiliza. O sursă de tensiune ideală are impedanță zero, deci poate scoate orice cantitate de curent și tensiunea nu s-ar schimba; ar putea pune curent infinit într-o sarcină de 0 Ω. O celulă de stocare practică nu poate scoate curent infinit, deci impedanța sa efectivă trebuie să fie mai mare decât zero. Cu cât este mai mare impedanța, cu atât crește mai repede temperatura celulei și creșterea tensiunii pe măsură ce creșteți curentul peste impedanță.

Impedanța unei celule de stocare crește pe măsură ce celula se descarcă. Cu cât este mai mare dimensiunea fizică a celulei, cu atât este mai mică impedanța inițială datorită suprafeței mai mari, astfel încât cu atât mai mare este curentul pe care îl puteți extrage din aceasta, păstrând totuși temperatura și tensiunea redusă. Dar atenție, impedanța se adaugă în serie, astfel încât impedanța unui pachet de baterii cu 8 celule va fi de opt ori mai mare decât cea a celulelor care îl compun.

Să arătăm un exemplu practic. Vom spune că acumulatorul dvs. este format din 12 celule AAA alcaline în serie. Impedanța inițială a fiecărei celule este de aproximativ 0,2 Ω, deci impedanța pachetului va fi de aproximativ 2,5 Ω. Să presupunem că acest acumulator alimentează un amplificator de căști care conduce 0,5 V c.a.în căști de 32 Ω. Legea lui Ohm ne spune că pachetul va scoate aproximativ 39 mV de undă atunci când curentul variabil este extras din acesta. Această valoare se va tripla aproximativ la sfârșitul duratei de viață a celulelor. Aceasta se apropie de cantitatea de ondulație pe care o veți obține dintr-o sursă de energie comercială nereglementată ieftină și este mult mai proastă decât pentru o sursă de alimentare bună reglementată. Morala acestei povești nu este că celulele AAA sunt o alegere proastă pentru alimentarea amplificatoarelor pentru căști, doar că a merge cu celule mici și a pune multe în serie are un dezavantaj. La urma urmei, mulți oameni folosesc fericit o pereche de alcaline de 9 V în serie pentru a alimenta amplificatorii pentru căști, cu o impedanță inițială de aproximativ 3 Ω .

Impedanța efectivă a celulelor NiCd și NiMH reîncărcabile este mult mai mică decât pentru alcaline. Este de ordinul a zeci de milioimi pe durata de funcționare a celulei. Să presupunem că aveți 18 celule în serie și la sfârșitul încărcării lor au până la 50 mΩ fiecare. Aceasta este 0,9 Ω în total, deci în exemplul anterior (0,5 V în 32 () cel mai rău caz de ondulare ar fi de aproximativ 14 mV. În timpul majorității timpului de rulare al celulelor, ondularea ar fi de aproximativ jumătate din această valoare.

Dacă puneți două baterii în paralel, impedanța pachetului este împărțită la jumătate. Ele pot servi fie cerințe de curent mai mari cu aceeași cantitate de ondulare, fie pot servi un anumit nivel de curent cu o ondulare mai mică decât o singură baterie.

Pentru aplicațiile audio cu amplificator op, problema cu modularea sarcinii nu este critică, deoarece înseamnă că șinele electrice vor fluctua în funcție de muzică, ceea ce afectează muzica, dar este complementară acesteia. Efectul este un sunet „mai blând” și o creștere a diafragmei stereo. Contrastați o ondulație constantă de 120 Hz, așa cum obțineți de la unele surse de alimentare de perete: acest lucru va adăuga un ton constant de 120 Hz muzicii, care este mult mai audibil. Îndepărtarea ondulației modulate de încărcare este un obiectiv nobil, deoarece va îmbunătăți sunetul, dar este ceva de care nu ar trebui să vă faceți griji la fel de mult ca și alte surse de defecte audio.

Surse de alimentare nereglementate de perete

Pentru a obține curent continuu de la curentul de perete (CA), cea mai simplă soluție este alimentarea nereglementată. Iată cum funcționează:

Prima etapă a unei surse de alimentare tipice neregulate de curent alternativ la curent continuu este de a reduce tensiunea de perete (120 V c.a. în America de Nord) la nivelul de tensiune scăzut dorit. Pentru a reduce 120 V c.a. la 20 V c.a. ca în acest exemplu, ați folosi un transformator 6: 1.

Următorul pas este de a converti tensiunea alternativă redusă în curent continuu cu un redresor de punte. Acesta este doar un aranjament de diode care „răstoarnă” toate oscilațiile negative ale formei de undă AC, astfel încât să obțineți o formă de undă DC pulsatorie.

Vrem un nivel plat de tensiune DC, deci următorul pas este de a netezi DC-ul pulsator. În cel mai simplu tip de surse de alimentare DC nereglementate, circuitul de netezire este doar un condensator mare. Acest lucru are ca rezultat o formă de undă mai plată, dar există încă unele variații; aceasta se numește ondulare. Pentru a reduce ondularea, puteți utiliza condensatori mai mari și mai buni și puteți adăuga alte componente de filtrare, cum ar fi inductoarele.

Iată componenta ripple de la o sursă de alimentare tipică nereglementată:

sursei

După cum puteți vedea, există aproape 400 mV de ondulație pe această sursă de alimentare, un Creek OBH-1. (Testul a fost realizat la încărcare maximă.) Tensiunea ridicată a ondulației este rezultatul dimensiunii fizice reduse a acestei surse: carcasa are loc doar în interior pentru un condensator de filtrare mic.

Probleme cu sursele de alimentare nereglementate

Prima problemă este că există o limită practică în ceea ce privește cât de mult puteți reduce tensiunea de ondulare. Consumurile nereglementate sunt utilizate ori de câte ori dimensiunile mici și/sau costurile mici sunt principalele obiective de proiectare. Prin urmare, capacul filtrului ajunge să fie pe partea mică, astfel încât toate consumabilele practice nereglementate produc o cantitate semnificativă de ondulare.

Cealaltă problemă principală este că o sursă de alimentare nereglementată scoate pur și simplu un analog al tensiunii de intrare AC ca DC: orice variație de pe partea AC se traduce direct în variație DC. Să presupunem că utilizați sursa de alimentare de la 120 V c.a. la 20 V c.c. descrisă mai sus și că există o întrerupere care scade tensiunea de perete la 108 V c.a. Deoarece transformatorul scoate 1/6 din tensiunea de intrare indiferent de ce este, sursa de alimentare va stinge 18 V atâta timp cât durează întreruperea. Același fel de lucru se întâmplă dacă puterea de pe perete are hash sau crește tensiune: urâtul apare pe ieșirea sursei de alimentare, deși într-o formă redusă.

Aceste artefacte DC sunt denumite în mod colectiv zgomot și ondulare, adesea prescurtate „N + R.”

Parte a unei soluții: Regulament

Având în vedere că tensiunea de perete alternativă variază atât de mult, inginerilor electricieni le-a venit ideea „reglementării” sursei de alimentare. Aceasta înseamnă că tensiunea de ieșire DC este în cea mai mare parte independentă de tensiunea de intrare AC. O sursă de alimentare reglată pe care o am este evaluată pentru a scoate o tensiune DC stabilă, dată de 108-132 V c.a., o variație de 22%. O sursă de alimentare nereglementată ar varia pur și simplu puterea sa cu 22% având în vedere același interval de alimentare.

Există două tipuri de reglare: liniară și de comutare.

Surse de alimentare cu reglare liniară

Majoritatea surselor de alimentare liniare sunt pur și simplu o sursă de alimentare nereglementată, urmată de un fel de regulator liniar. Cele mai frecvente regulatoare liniare sunt regulatoarele monolitice, fiind un circuit de reglare pe un singur cip. Ocazional vedeți regulatoare liniare realizate din circuite discrete.

Un regulator liniar este conceput pentru a scoate o anumită tensiune, dată fiind o tensiune de intrare într-un interval destul de larg. De exemplu, regulatorul monolitic 7815 standard este conceput pentru a scoate 15 V c.c. dat de 17,5 până la 30 V ca intrare. Diferența dintre tensiunea minimă de intrare și tensiunea de ieșire se numește tensiune de ieșire. Când tensiunea de intrare este sub punctul de scădere, regulatorul nu reglează tensiunea. Când intrarea este peste punctul de abandon, regulatorul funcționează. Tensiunea scăzută peste regulator este transformată în căldură.

Sursele de alimentare liniare nu sunt perfecte. Unele zgomote și ondulații trec încă prin regulator, iar regulatoarele vor adăuga un zgomot propriu. Iată câteva numere măsurate ale diverselor surse liniare sub o sarcină constantă de 0,25 A:

Surse de alimentare reglementate în modul de comutare

Celălalt tip de reglementare este „switch-mode”. Aceste tipuri de surse de alimentare sunt denumite în mod diferit surse de alimentare cu comutare (SMPS), comutatoare sau surse de alimentare de comutare.

Să presupunem că doriți 15 V DC și tensiunea de alimentare a peretelui a scăzut la 100 V AC. Dacă pur și simplu porniți și opriți foarte repede, astfel încât să fie doar 15% din timp, veți obține în medie 15 V. Acest lucru oferă o formă de undă agitată, dar nu este dificil să o netezi. Dacă tensiunea de perete crește până la 120 V c.a., cea mai mare limitează pur și simplu timpul de pornire la 12,5%, astfel încât ieșirea să rămână la 15 V. (Acest lucru este foarte simplificat. Comutatoarele reale sunt mai complicate.)

Avantajele unui comutator sunt că este foarte eficient, poate fi redus din punct de vedere fizic decât o sursă de alimentare liniară, scoate mai puțină căldură și poate funcționa pe o gamă mult mai largă de tensiuni de intrare decât o sursă de alimentare liniară.

Dezavantajele unui comutator sunt că componenta de comutare adaugă destul de puțin zgomot la puterea de ieșire. Am văzut multe semnături diferite de frecvență de comutare. Cele mai bune comutatoare au tot zgomotul în megahertz, astfel încât practic nu există zgomot în banda audio. Mai frecvent, frecvența de comutare crește în zeci de kHz, unele subarmonice extinzându-se în banda audio, plus, eventual, și o undă de frecvență joasă. Apoi, există comutatoare cu adevărat ieftine, cu o frecvență de comutare chiar în mijlocul benzii audio.

Iată zgomotul pe care l-am văzut pe un comutator Phihong PSA18U-180 sub o sarcină de 0,25 A:

Imaginea de sus este frecvența principală de comutare, la aproximativ 1,3 MHz. Aceasta este una dintre cele mai rapide viteze de schimb pe care le veți vedea. Sub el se află zgomotul de joasă frecvență. Ridicarea principală pe care o vedeți este de aproximativ 3 Hz, iar lucrurile jaggy de deasupra sunt zgomotul de 38 Hz pe care l-a măsurat scopul.

Are vreo importanță din acest lucru?

După ce ați analizat graficul de zgomot înfricoșător al comutatorului de mai sus, s-ar putea să jurați imediat să utilizați mai mult sursele de alimentare liniare și bateriile NiMH. Dar este prematur să luăm o astfel de decizie fără să ne hotărâm mai întâi dacă acel zgomot de fapt contează. Pentru a face acest lucru, trebuie să înțelegeți aplicația.

Luați în considerare un amplificator de căști simplu, bazat pe un amplificator operațional, cum ar fi amplificatorul de buzunar CMoy. Acest circuit are un singur amplificator op per canal care face amplificarea. Zgomotul și ondularea (N + R) de pe sursa de alimentare afectează ieșirea unui amplificator de operare, astfel încât producătorii de amplificatoare de operare publică evaluările raportului de alimentare cu respingere (PSRR) pentru cipurile lor. Iată un grafic tipic PSRR:

Graficul OPA2132 PSRR

(Puteți ignora partea „respingerea modului comun” din grafic. Nu este relevantă pentru această discuție.)

După cum puteți vedea, PSRR depinde de frecvență, iar în cazul OPA2132 pinii V + și V- resping zgomotul în mod diferit. Luați în considerare curba + PSR din grafic: la frecvențe joase, este de aproximativ 104 dB. Deci, zgomotul de joasă frecvență de 6,7 mV pe care l-am măsurat mai sus este redus cu un factor de aproximativ 158.000 (104 dB) la 0,04 µV la ieșirea amplificatorului op. Dacă câștigul amplificatorului dvs. a fost de 10 și semnalul la scară completă către căști a fost de 0,5 V, acest zgomot ar fi -121 dB sub scala completă. Complet neglijabil.

În ceea ce privește zgomotul HF prezentat mai sus, este atât de mult deasupra benzii audio, încât și el este neglijabil.

Acum, luați în considerare aprovizionarea nereglementată Creek OBH-1 de mai sus. Ar fi o sursă bună pentru un amplificator CMoy? Din pacate nu. Respingerea ondulării este de aproximativ 100 dB la 120 Hz cu OPA2132, iar nivelul de zgomot a fost de 383 mV. Dacă semnalul nostru la scară completă este de 0,5 V, câștigul este de 10, zgomotul apare la ieșirea amplificatorului operațional ca -82 dB. Asta se aude. (În cazul în care vă întrebați, această sursă funcționează bine cu amplificatorul pentru căști Creek OBH-11, deoarece amplificatorul are un regulator liniar în interior.)

Concluzie

Contează calitatea energiei? Cu siguranță. Ar trebui să evitați sursele de alimentare nereglementate pentru op-amp audio? Da, dacă nu adăugați reglementări externe. Bateriile și sursele de alimentare liniare sunt singurele surse de alimentare adecvate, atunci? Ei bine, nu. Sursele moderne de alimentare cu comutare au frecvențe de comutare cu ultrasunete, iar un comutator bun va avea, de asemenea, o ondulație scăzută. Este adevărat, acest lucru nu este ideal din punct de vedere tehnic, dar în practică acest zgomot nu afectează de obicei calitatea sunetului pentru amplificatoarele cu câștig redus.

În ceea ce privește ondularea, uneori puteți scăpa de o ondulare constantă cu frecvență joasă dacă op-amp-ul dvs. are un rating PSRR mare la frecvența de ondulare. În opinia mea, riscul sursei de energie merită să cheltuiți timp și bani pentru a evita. Ondulația indusă din cauza cerințelor actuale merită, de asemenea, să scăpați, dar nu este o preocupare la fel de mare ca zgomotul și ondulația constantă.