Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Op-ampowy wzmacniacz słuchawkowy - jak oszacować ile potrzebuje mocy?

ghost666 07 Lut 2016 10:40 3243 1
  • Autor artykułu jest jedną z osób odpowiedzialnych za projekt wzmacniacza operacyjnego OPA1622 firmy Texas Instruments. Podczas projektowania tego scalonego wzmacniacza dedykowanego do zasilania słuchawek dynamicznych, jedną z istotnych kwestii było ustalenie jakiej mocy wymagają słuchawki tego rodzaju do poprawnej pracy.

    Rozważmy słuchawki jako niewielkie głośniki; analogicznie jak one zmieniają one moc elektryczną w akustyczną - ciśnienie powietrza. Jak we wszystkich procesach fizycznych konwersja taka charakteryzuje się pewną, skończoną wydajnością. Różne słuchawki mają różną wydajność konwersji mocy, zależnie od ich rodzaju i budowy i tak na przykład słuchawki douszne mają wyższą wydajność niż słuchawki nauszne.

    Producenci słuchawek zazwyczaj informują nas o wydajności ich słuchawek podając parametr SPL - jest to, wyrażony w decybelach, poziom ciśnienia akustycznego, generowany przez słuchawki dla pewnego założonego poziomu mocy, zazwyczaj 1 mW. Na przykład, producent specyfikując SPL równy 100 dB/mW informuje, że przy 1 mW ciśnienie akustyczne generowane przez słuchawki wynosi 100 dB. Aby wyznaczyć ciśnienie akustyczne generowane przez słuchawki dla innych poziomów mocy, skorzystać możemy z pokazanego poniżej równania (1):

    $$SPL (dB) = \eta + 10log (\frac{P_{wej}}{1 mW})$$ (1)


    W równaniu (1) Pwej to wejściowa moc, podawana na słuchawki, a η to ciśnienie akustyczne generowane dla jednego miliwata, podane przez producenta. Rysunek 1 zaprezentowany poniżej pokazuje jak rośnie ciśnienie akustyczne produkowane przez słuchawki w funkcji mocy, dla kilku modeli słuchawek obecnych na rynku.

    Op-ampowy wzmacniacz słuchawkowy - jak oszacować ile potrzebuje mocy?
    Rys.1. Ciśnienie akustyczne generowane przez słuchawki w funkcji mocy wejściowej dla kilku modeli słuchawek.


    Równanie (1) i wykresy na rysunku 1 zakładają, że wzmacniacz sterujący słuchawkami działa w zakresie liniowym. Co oczywiste chcemy, aby zwiększając moc wejściową do słuchawek ciśnienie akustyczne także rosło liniowo, ale nie jest to możliwe w nieskończoność. Dla dużych mocy nieliniowe efekty we wzmacniaczu ograniczą SPL do pewnego maksymalnego poziomu dla danej konstrukcji.

    Gdy założymy pewne maksymalne SPL układu, wyznaczyć możemy pewne zasadnicze wartości elektryczne, jakie musi generować na wyjściu wzmacniacz:

    $$V_{rms} = \sqrt{P_{wej} \times R_{sluch}}$$ (2)

    $$I_{rms} = \sqrt{\frac{P_{wej}} {R_{sluch}}}$$ (3)






    Równanie (2) i (3) pozwala na wyliczenie, znając impedancję słuchawek (Rsłuch) oraz moc wejściową napięcie i prąd RMS. Impedancja słuchawek jest kolejnym parametrem, jaki podaje ich producent, obok SPL. Impedancja słuchawek wynosi od 16 Ω dla niewielkich przenośnych słuchawek aż do 600 Ω dla profesjonalnych słuchawek studyjnych.

    Wykorzystajmy zatem zdobytą wiedzę, do wyliczenia przykładowych wartości prądu i napięcia, aby uzyskać docelowe ciśnienie akustyczne dla przykładowych słuchawek. W poniższej tabelce zawarto informacje potrzebne nam do obliczeń:




    CharakterystykaWartość:
    Wydajność słuchawek 90 dB/mW
    Impedancja45 Ω
    Maksymalne, docelowe SPL110 dB


    Korzystając z równania (1) wyznaczyć możemy wymaganą moc, jaką musimy dostarczyć do słuchawek, aby osiągnąć docelowe SPL:

    $$]SPL (dB) = \eta + 10log (\frac{P_{wej}}{1 mW}) \rightarrow P_{wej} (mW) = 10^{\frac{SPL(dB) - \eta}{10}} = 10^{\frac {110 dB - 90 dB/mW}{10}} = 100 mW$$


    Dalej, znając już moc, obliczyć możemy korzystając z równań 2 i 3, odpowiednio napięcie i prąd RMS, jakie dostarczyć musimy do słuchawek, aby uzyskać założone powyżej SPL:

    $$V_{rms} = \sqrt{P_{wej} \times R_{sluch}} = \sqrt {100 mW \times 45 \Omega} = 2,12 V_{rms}$$

    $$I_{rms} = \sqrt{\frac{P_{wej}} {R_{sluch}}} = \sqrt{\frac{100 mW} {45 \Omega}} = 47,14 mA_{rms}$$


    Znając powyższe parametry jesteśmy w stanie skonstruować odpowiedni wzmacniacz, który dostarczy zasilanie do słuchawek. Zespół projektantów, o którym wspominano na początku artykułu, wykorzystał te informacje do projektowania układu OPA1622. Skupili się oni głównie na wydajności prądowej wyjścia op-ampa, z uwagi na bardzo duży prąd (jak na wzmacniacz operacyjny) jaki potrzebny jest do wysterowania niektórych słuchawek o wysokiej impedancji - już dla słuchawek o dosyć niskiej impedancji, na poziomie 45 Ω wymagany prąd wynosi prawie 50 mA. Sterowanie takim prądem z niskimi zakłóceniami przez op-amp jest sporym wyzwaniem.

    Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2015/12/21/amp-up-your-cans-how-much-power-do-your-headphones-need-part-1?HQS=hpa_thehubCANS_160124&DCMP=mytinwsltr_01_23_2016&sp_rid_pod3=LTI4MDExNzAzNTES1&sp_mid_pod3=4968551


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 17 Mar 2016 08:51
    winio42
    Poziom 18  

    Ciekawe jaki spadek napięcia mają te wzmacniacze dla 50mA. No i jak blisko szyn zasilania można pobrać taki prąd (rail to rail to jedno, ale wydajnosc pradowo im blizej +/- tym mniejsza zwykle...)