Cum se utilizează un amplificator op ca o singură sursă de alimentare

Bine ați venit la Make your guitar effects! Dacă sunteți nou aici, vă recomandăm să citiți cartea mea despre cum să clonați prima pedală de efect. Faceți clic aici pentru a descărca cartea gratuit! 🙂

Bine ați venit înapoi la Faceți-vă efectele de chitară! Deoarece nu este prima dată aici, probabil că veți dori să citiți cartea mea, care explică cum să clonați prima pedală de efect, faceți clic aici pentru a descărca cartea gratuit! 🙂

Amplificatorul operațional, despre care am discutat deja (în special pentru proiectarea unei pedale de amplificare a chitarelor) este o componentă esențială în circuitele pedalelor noastre de chitară, la fel ca tranzistorul. În mod normal, este proiectat să funcționeze ca o sursă de alimentare duală (sau bipolară sau echilibrată), de exemplu + 9V și -9V. Pentru puterea bateriei ar fi, prin urmare, necesar să funcționați bine folosind două baterii de 9V.

Cu toate acestea, și cel puțin veți fi observat pe cele mai recente pedale de efecte, acestea necesită doar o singură baterie de 9V. Prin urmare, vorbim despre o singură sursă de alimentare. Cum este posibil acest lucru ?

Ideea este de a aplica o tensiune de polarizare semnalului audio printr-un pod divizor de tensiune. Dar acest sistem destul de simplu va duce la zgomot parazit semnificativ fără adăugarea anumitor componente.

În acest articol, voi explica, prin urmare, conceptul de furnizare a amplificatoarelor operaționale cu o singură sursă de alimentare. Acesta este circuitul găsit în pedala de distorsiune RAT.

Mai devreme, pentru a introduce conceptul, vom vedea pe scurt care este structura unui amplificator în general. Apoi, pentru a ne reîmprospăta ideile despre amplificatorii de operare, vom vedea cele două ansambluri de amplificatoare în sursa de alimentare simetrică. .

În cele din urmă vom vedea ansamblul amplificatorului op mâncare simplă și precauțiile care trebuie luate în selectarea componentelor pentru a reduce zgomotul audio generat de acestea. Această parte este în mare parte inspirată de ref [1].

1 Structura generală a unui circuit de amplificare

Am arătat în figura următoare principiul de funcționare al unui ansamblu amplificator (care poate include un tranzistor sau un amplificator operațional). Această figură este inspirată de ref [2]. Ideea este simplă, vrem semnalul de intrare amplificat la ieșire. Pentru a face acest lucru posibil, ansamblul este echipat cu o sursă de alimentare care este o sursă de alimentare Tensiune continuă. Aceasta oferă puterea necesară amplificatorului polariza componenta la punctul său de funcționare.

Semnalele de intrare și ieșire sunt semnale alternative, adică depind de timp. Desigur, este semnalul de curent alternativ pe care dorim să îl amplificăm și nu semnalul de curent continuu care permite polarizarea componentelor active.

Se spune că amplificatorul este liniar dacă semnalul s (t) este proporțional cu e (t), adică dacă câștigul de amplificare este constant indiferent de frecvență. În caz contrar, există o modificare a semnalului de intrare la ieșire care duce la distorsionarea semnalului.

În cazul unui amplificator operațional, puterea este în general furnizată de un sursă de energie bipolară, capabil să genereze + V și -V față de 0V, așa cum se vede în următoarea diagramă:

Înainte de a trece la amplificatorul op mâncare simplă, care constă în înlocuirea -V cu 0V pe diagrama de mai sus, mai întâi să trecem în revistă elementele de bază ale celor două ansambluri de amplificatoare ale amplificatorului operațional în sursa de alimentare duală.

2 Montarea inversă și fără inversare a amplificatorului operațional

2.1 Descrierea celor două ansambluri

Aici suntem interesați de caz există o buclă de feedback între ieșirea amplificatorului op și intrarea invertorului de un rezistor numit R2 pe următoarea diagramă. Această buclă face posibilă controlul valorii câștigului de amplificare de către componentele externe, așa cum vom vedea în formule. Remarcăm și prezența unui al doilea rezistor R1 conectat la R2.

Rețineți că în alte ansambluri, cum ar fi comparatoarele, bucla de feedback se face pe intrarea care nu inversează, ducând la un comportament diferit al amplificatorului op.

Diferența dintre montarea fără inversare și inversarea se face la nivelul semnalului de intrare, în funcție de dacă este conectat la intrarea fără inversare sau la intrarea inversantă. În cele din urmă, vedem asta amplificatorul op este polarizat de doi generatori de tensiune, unul la + 9V pe terminalul său pozitiv și celălalt la -9V pe terminalul său negativ.

2.2 Comparație între cele două tipuri de ansamblu amplificator

Deci, de ce există aceste două tipuri de configurări, invertor și non-invertor? Privind expresia câștigului celor două adunări, vom găsi diferențe. Într-adevăr, putem calcula că, în cazul non-inversor, câștigul G definit de Vs (t)/Ve (t) merită:

Și în cazul inversării câștigul merită:

Vedem că simpla adăugare a două rezistențe ne oferă control asupra valorii câștigului amplificatorului op. Iar diferențele sunt după cum urmează:

ansamblul invertorului face posibilă obținerea unui câștig mai mare sau mai mic de 1. Să ignorăm semnul minus pentru o clipă. Dacă avem de exemplu R2 = 10 kohmi și R1 = 1 kohmi, G = 10k/1k = 10. Pe de altă parte, dacă R2 = 1 kohmi și R1 = 10 kohmi, G = 1k/10k = 0,1. În primul caz avem un amplificator, în al doilea caz avem un atenuator. În cazul ansamblului fără inversare, nu este posibil să se atenueze, deoarece câștigul va fi întotdeauna mai mare de 1. Cel puțin putem avea un câștig de 1, adică un semnal nici amplificat, nici atenuat (acest ansamblu există, acesta este se numește ansamblu follower și este utilizat pentru adaptări de impedanță sau tampoane).
Semnul minus din valoarea câștigului circuitului invertor înseamnă că semnalul de ieșire este defazat la 180º. Poate fi important în funcție de ceea ce doriți să faceți.
Impedanța de intrare a ansamblului fără inversare este foarte mare, deoarece se potrivește cu impedanța de intrare a amplificatorului op. Pe de altă parte, pentru ansamblul invertorului, acesta scade datorită prezenței lui R1 între semnal și intrarea amplificatorului op.

Acum să vedem cum să proiectăm un singur amplificator amplificator op.

3 amplificator op

Trecuse ceva timp de când căutam informații despre o sursă simplă de alimentare și am găsit recent un articol grozav care descrie problemele de zgomot și jitter pe care le puteți întâlni și cum să le remediați [1]. Această a treia parte a acestui articol se bazează foarte mult pe ea, precum și pe referință [3].

3.1 ansamblu neinversibil într-o singură sursă

Să începem prin a analiza ansamblul cu un singur feed care nu se inversează:

Circuitul este puțin mai complicat, dar nu atât de mult! Observați că acum avem doi condensatori CIN, COUT, C1 și Cd. Acesta din urmă este folosit pentru a filtra zgomotul sursei de alimentare, este un condensator de decuplare. Voi reveni la cazul CIN și COUT într-o clipă ... Cel mai important lucru este să văd asta amplificatorul op este acum conectat între +9 V și masă, adică 0 V.

3.2 Principiul de funcționare

Când amplificatorul operațional este alimentat între +9 V și -9 V, amplificatorul operativ produce o tensiune alternativă centrată la 0 V, care poate fi cel mult +/- 9 V (amplificatorul operațional poate da mai mult decât ceea ce primește el).

De exemplu, dacă la intrare avem +/- 10mV și dacă avem un câștig de 10 alegând R1 și R2, la ieșire vom avea +/- 100mV, toate centrate în 0 V.

Luați un exemplu din următoarea figură:

În negru vedem un semnal de intrare care are o amplitudine de 10mV. Și în roșu este semnalul de ieșire care are o amplitudine de 100mV. Acesta corespunde semnalului de intrare înmulțit cu 10 (valoare aleasă pentru acest exemplu).

Cele două sinusoide sunt centrate în jurul axei orizontale (abscisă). Amplificatorul op funcționează în jurul valorii de 0 V, deoarece este alimentat cu tensiune pozitivă și tensiune negativă.

Acum, dacă alimentați amplificatorul op doar pozitiv cu celălalt terminal împământat (0 V), amplificatorul op nu va putea amplifica semnalele negative.

Trucul este apoi de a muta potențialul semnalului de intrare între 0 V și 9 V, în mijloc. Astfel, ieșirea este adusă și la 4,5 V și poate amplifica semionda negativă. Iată ce am reprezentat în această figură:

Cele două semnale au aceeași amplitudine (10 mV și 100 mV). Pe de altă parte, acestea oscilează în jurul valorii de 4,5 V.

Prin urmare, această tehnică face posibilă cu o singură baterie de 9 V amplificarea unui semnal cu un amplificator operațional. Pe de altă parte, mergem la ieșire la o amplitudine maximă de 4,5 V în loc de 9 V în sursa de alimentare dublă. Acest lucru înseamnă că amplificatorul operațional se va satura pentru tensiuni de intrare mai mici.

Rolul lui Ra și Rb

Și pentru a muta semnalul de intrare la 4,5 V, folosim rezistențe Ra și Rb care formează ceea ce se numește o punte divizor de tensiune. Deasupra Ra, tensiunea este de 9 V, sub Rb este 0 V. Și în mijloc merită ceva între 0 și 9 V, care depinde de Ra și Rb.

Intuitiv putem înțelege că, dacă Ra = Rb, acest potențial va fi jumătate de 9 V sau 4,5 V. În practică, vom face acest lucru folosind rezistențe suficient de mari pentru a nu pompa prea mult curent la baterie. De obicei, vom lua valori între câteva zeci de kohmi până la o sută de kohmi.

Cin și Cout ?

Prin urmare, la intrarea amplificatorului operațional avem 4,5 V și la ieșire. Dar trebuie să scăpăm de această tensiune constantă la ieșirea pedalei. Pentru a-l bloca, vom folosi un condensator de conexiune, numit Cout pe circuit. Astfel, la ieșire rămâne doar semnalul de CA amplificat, deci 100 mV în exemplul nostru, dar centrat în jurul valorii de 0V. Rolul lui Cin este același, el blochează tensiunea continuă de 4,5 V pe care am creat-o din ceea ce vine înainte de asamblare (el decuplează amplificatorul op).

Și C1 ?

C1 permite să nu amplifice frecvențele joase. Într-adevăr, un condensator nu lasă să treacă frecvențele joase, prin urmare, totul se întâmplă deoarece acestea au văzut un rezistor R1 de rezistență infinită. În acest fel, câștigul G la frecvență joasă este astfel încât G = 1.

Atât de mult pentru principiu, simplu în teorie: ridicăm tensiunea de intrare a unei tensiuni DC care este jumătate din ceea ce dă tensiunea de alimentare, ceea ce permite semnalului AC să oscileze între valorile maxime 0 V și 9 V în jur de 4,5 V.

3.3 Probleme legate de această metodă

Cu toate acestea, făcând acest lucru, adică folosind un pod divizor de tensiune, conectăm sursa de alimentare și intrarea amplificatorului op, ceea ce nu este grozav deoarece vom genera zgomot semnificativ în semnalul audio. Într-adevăr, orice generator de tensiune nu este perfect și poate prezenta variații ale tensiunii în timp. Conectându-l la semnalul audio prin divizorul de tensiune Ra-Rb, aceste variații de tensiune (zgomot de mod comun și respingerea tensiunii de alimentare) vor fi amplificate și vor provoca zumzeturi și zumzeturi nedorite la ieșire ... nu grozav.

Pentru a combate acest zgomot, adăugarea condensatorului de decuplare Cd va ajuta, precum și o sursă de alimentare reglementată și un plan de masă în proiectarea PCB-ului (acest lucru este valabil și pentru alimentarea dublă).

3.4 Decuplarea rețelei de polarizare a sursei de alimentare

Dar soluția la nivelul circuitului este decuplarea circuitului de polarizare (puntea divizor de tensiune Ra-Rb) de sursa de tensiune. Acest lucru este posibil prin adăugarea unui condensator și a unei rezistențe, numite C2 și RIN în figura următoare:

Condensatorul C2 este un condensator de decuplare care restabilește respingerea tensiunii de alimentare. RIN crește impedanța de intrare a amplificatorului. Curentul care curge în RIN este foarte scăzut, prin urmare tensiunea la celelalte terminale ale RIN este foarte apropiată de 4,5 V. Această rezistență poate fi de 100kohms sau 1Mohms.

3.5 Montare în comutare într-o singură sursă

Puteți face același lucru și cu ansamblul invertorului. Ansamblul rezultat este mai simplu:

Vedem că nu mai este nevoie de RIN sau CIN, înlocuite de R1 și C1.

Concluzie

Am văzut că o rețea de polarizare compusă dintr-un pod divizor de tensiune (Ra și Rb) permite amplificatorului op să fie utilizat ca o singură sursă de alimentare. Cu toate acestea, trebuie acordată atenție decuplării acestei rețele prin alte componente pentru a limita zgomotul indus de această metodă.

Dacă doriți o ilustrare a modului de utilizare a ansamblului fără inversare într-o singură sursă de alimentare, puteți privi circuitul RAT.

Acest mod de setare a intrării amplificatorului op la 4.5V este cel mai frecvent utilizat, deoarece este cel mai economic. Cu toate acestea, este posibil să se utilizeze alte alternative, prin înlocuirea unuia dintre rezistențele punții divizorului de tensiune cu o diodă Zener, deoarece aceasta menține o tensiune constantă între bornele sale atunci când este polarizată invers. Dacă doriți 9 V, puteți utiliza diodele Zener 1N4623 sau 1N4687. În cele din urmă, o soluție stabilă, dar mai costisitoare, constă în utilizarea unui regulator de tensiune de tipul ADM663A sau ADM666A.

Ți-a plăcut acest articol? Nu ezitați să comentați sau să îl împărtășiți !