W niedawno publikowanym na Elektrodzie artykule pochylaliśmy się nad problemem impedancji słuchawek i tego, jak wpływa ona na dobór napięcia i prądu wyjściowego dla wzmacniacza, mającego je zasilać. Podczas tamtych obliczeń wykorzystano nominalną wartość impedancji słuchawek, traktując je jak obciążenie rezystancyjne. W rzeczywistości niestety nie jest tak prosto, a słuchawki nie są obciążeniem czysto rezystancyjnym, co przekłada się na szereg 'wyzwań' dla wzmacniacza, który nimi steruje - konieczne są odpowiednie zabiegi i kompensacja układu, aby uniknąć efektów takich jak oscylacje i 'dzwonienie' w słuchawkach.
Istnieje wiele technik kompensacji wzmacniaczy z wykorzystaniem elementów dyskretnych, ale czy nie byłoby wygodniej, gdyby wzmacniacz operacyjny (ap-amp) nie potrzebował w ogóle żadnej kompensacji? Z takiego założenia wyszli projektanci firmy Texas Instruments podczas prac nad nowym układem - OPA1622; jest to op-amp o wysokich parametrach, niskim THD+N (całkowite zakłócenia harmoniczne + szum) i bipolarnym wejściu. Jest to wzmacniacz operacyjny do zastosowania w systemach audio, nadający się między innymi do sterowania słuchawkami. Jedną z jego zalet jest wyeliminowanie konieczności kompensacji układu z wykorzystaniem zewnętrznych elementów dyskretnych.
Rysunek 1 i 2 pokazują widmo amplitudy i fazę impedancji w funkcji częstotliwości dla kilku popularnych modeli słuchawek. Na wykresach tych jasno widać maksimum w okolicy częstotliwości 1 MHz. Jest ono wypadkową pojemności i indukcyjności kabla słuchawek. Powyżej tej częstotliwości obciążenie będzie już głównie pojemnościowe, jak zauważyć można po fazie dla tych częstotliwości, jaką pokazano na rysunku 2. Jeśli rozdzielimy słuchawki na poszczególne składowe elementy - rezystancję, indukcyjność i pojemność, to okazuje się, że ta ostatnia sięgać może nawet do 500 pF(!).
Rys. 1: Amplituda impedancji w funkcji częstotliwości dla kilku modeli słuchawek.
Rys.2: Faza impedancji w funkcji częstotliwości dla kilku modeli słuchawek.
Wzmacniacze operacyjne, generalnie, nie są zaprojektowane do sterowania obciążeń pojemnościowych. Pojemność obciążenia oddziałuje wtedy z impedancją wyjściową w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (RO) i wprowadza do charakterystyki wzmacniacza dodatkowy biegun fpO1 na krzywej wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego w funkcji częstotliwości, jak pokazano na rysunku 3. Biegun ten powoduje nadmierne przesuwanie fazy w pętli sprzężenia zwrotnego, co przekłada się na zmniejszanie się marginesu fazy wzmacniacza. Zmniejszony margines fazy w układzie z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego może z kolei doprowadzić do pojawienia się oscylacji w układzie; w układach o jednostkowym wzmocnieniu efekt ten będzie jeszcze mocniej widoczny.
Rys.3: Wpływ impedancji wyjściowej w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (RO) na sterowanie obciążeniem pojemnościowym.
Częstym rozwiązaniem opisanego powyżej problemu jest dodanie do układu rezystora izolującego - RISO - jak zaprezentowano na rysunku 4, jednakże dodanie tego elementu w sposób istotny pogarsza parametry audio układu oraz zmniejsza, między innymi, napięcie wyjściowe z układu. Więcej na temat wpływu tego elementu na pracę wzmacniacza poczytać można tutaj (chętnie przetłumaczę ten artykuł na język Polski, jeśli będą zainteresowani, proszę o komentarze/PW - przyp.red.)
Rys.4: Rezystor izolujący mający za zadanie poprawić możliwość sterowania obciążeniami pojemnościowymi przez wzmacniacz operacyjny.
Dla OPA1622 przyjęto jednak inne rozwiązanie niż dodanie tego rodzaju opornika. Stopień wyjściowy tego układu scalonego został skonstruowany tak, że charakteryzuje się bardzo niską impedancją wyjściową. Powoduje to, że biegun powstający na skutek pojemnościowego charakteru obciążenia przesunięty jest w wyższe częstotliwości. Dodatkowe bieguny i zera dodane zostały na funkcji opisującej wzmocnienie w funkcji częstotliwości - fpA i fzA - jak pokazano na rysunku 5. Wybór lokalizacji par biegun - miejsce zerowe i odległości pomiędzy tymi dwoma punktami pozwala na:
* Zapewnienie wysokiego wzmocnienia w zakresie częstotliwości audio, co skutkuje większym wzmocnieniem w pętli i mocniejszym tłumieniem zakłóceń harmonicznych w paśmie słyszalnym.
* Spadek wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego następuje dla częstotliwości dużo poniżej bieguna wyjściowego gpO2, dzięki czemu układ posiada margines fazy dostatecznie duży aby sterować obciążeniami pojemnościowymi.
Rys.5: Odpowiedź układu OPA1622 w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego w porównaniu do zwykłego op-ampa sterującego obciążeniem pojemnościowym.
Rysunek 6a pokazuje zmierzone wzmocnienie i fazę dla układu OPA1622. Bieguny i miejsca zerowe odpowiedzialne są za szybszy spadek wzmocnienia w funkcji częstotliwości, ale mają niewielki wpływ na fazę, gdy wzmocnienie przekroczy 0 dB. Pasmo tego układu wynosi około 32 MHz, ale wzmocnienie równe jeden występuje już przy 8 MHz. Rysunek 6b pokazuje impedancję wyjściową układu OPA1622 przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.
Omawiany wzmacniacz operacyjny zaprojektowany został tak, aby jego impedancja wyjściowa wynosiła 5,5 ? w szerokim zakresie częstotliwości. Umożliwia to sterowanie obciążeniami o pojemnościowym charakterze o pojemności do 800 pF w konfiguracji z jednostkowym wzmocnieniem napięciowym. To wszystko bez dodatkowych elementów dyskretnych, zapewniających kompensację impedancji obciążenia. Widać to na rysunku 7
Jak pokazały próby przeprowadzone na targach Consumer Electronics Show wzmacniacz audio oparty o OPA1622 działał stabilnie niezależnie od tego jakie słuchawki podłączone do niego były przez odwiedzających i to wszystko bez wykorzystania izolującego układ rezystora na wyjściu op-ampa.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2016/01/22/amp-up-your-cans-op-amps-for-headphones-cap-load-drive-part-2]Link[/url]]Link[/url]
Istnieje wiele technik kompensacji wzmacniaczy z wykorzystaniem elementów dyskretnych, ale czy nie byłoby wygodniej, gdyby wzmacniacz operacyjny (ap-amp) nie potrzebował w ogóle żadnej kompensacji? Z takiego założenia wyszli projektanci firmy Texas Instruments podczas prac nad nowym układem - OPA1622; jest to op-amp o wysokich parametrach, niskim THD+N (całkowite zakłócenia harmoniczne + szum) i bipolarnym wejściu. Jest to wzmacniacz operacyjny do zastosowania w systemach audio, nadający się między innymi do sterowania słuchawkami. Jedną z jego zalet jest wyeliminowanie konieczności kompensacji układu z wykorzystaniem zewnętrznych elementów dyskretnych.
Rysunek 1 i 2 pokazują widmo amplitudy i fazę impedancji w funkcji częstotliwości dla kilku popularnych modeli słuchawek. Na wykresach tych jasno widać maksimum w okolicy częstotliwości 1 MHz. Jest ono wypadkową pojemności i indukcyjności kabla słuchawek. Powyżej tej częstotliwości obciążenie będzie już głównie pojemnościowe, jak zauważyć można po fazie dla tych częstotliwości, jaką pokazano na rysunku 2. Jeśli rozdzielimy słuchawki na poszczególne składowe elementy - rezystancję, indukcyjność i pojemność, to okazuje się, że ta ostatnia sięgać może nawet do 500 pF(!).
Rys. 1: Amplituda impedancji w funkcji częstotliwości dla kilku modeli słuchawek.
Rys.2: Faza impedancji w funkcji częstotliwości dla kilku modeli słuchawek.
Wzmacniacze operacyjne, generalnie, nie są zaprojektowane do sterowania obciążeń pojemnościowych. Pojemność obciążenia oddziałuje wtedy z impedancją wyjściową w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (RO) i wprowadza do charakterystyki wzmacniacza dodatkowy biegun fpO1 na krzywej wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego w funkcji częstotliwości, jak pokazano na rysunku 3. Biegun ten powoduje nadmierne przesuwanie fazy w pętli sprzężenia zwrotnego, co przekłada się na zmniejszanie się marginesu fazy wzmacniacza. Zmniejszony margines fazy w układzie z zamkniętą pętlą sprzężenia zwrotnego może z kolei doprowadzić do pojawienia się oscylacji w układzie; w układach o jednostkowym wzmocnieniu efekt ten będzie jeszcze mocniej widoczny.
Rys.3: Wpływ impedancji wyjściowej w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (RO) na sterowanie obciążeniem pojemnościowym.
Częstym rozwiązaniem opisanego powyżej problemu jest dodanie do układu rezystora izolującego - RISO - jak zaprezentowano na rysunku 4, jednakże dodanie tego elementu w sposób istotny pogarsza parametry audio układu oraz zmniejsza, między innymi, napięcie wyjściowe z układu. Więcej na temat wpływu tego elementu na pracę wzmacniacza poczytać można tutaj (chętnie przetłumaczę ten artykuł na język Polski, jeśli będą zainteresowani, proszę o komentarze/PW - przyp.red.)
Rys.4: Rezystor izolujący mający za zadanie poprawić możliwość sterowania obciążeniami pojemnościowymi przez wzmacniacz operacyjny.
Dla OPA1622 przyjęto jednak inne rozwiązanie niż dodanie tego rodzaju opornika. Stopień wyjściowy tego układu scalonego został skonstruowany tak, że charakteryzuje się bardzo niską impedancją wyjściową. Powoduje to, że biegun powstający na skutek pojemnościowego charakteru obciążenia przesunięty jest w wyższe częstotliwości. Dodatkowe bieguny i zera dodane zostały na funkcji opisującej wzmocnienie w funkcji częstotliwości - fpA i fzA - jak pokazano na rysunku 5. Wybór lokalizacji par biegun - miejsce zerowe i odległości pomiędzy tymi dwoma punktami pozwala na:
* Zapewnienie wysokiego wzmocnienia w zakresie częstotliwości audio, co skutkuje większym wzmocnieniem w pętli i mocniejszym tłumieniem zakłóceń harmonicznych w paśmie słyszalnym.
* Spadek wzmocnienia w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego następuje dla częstotliwości dużo poniżej bieguna wyjściowego gpO2, dzięki czemu układ posiada margines fazy dostatecznie duży aby sterować obciążeniami pojemnościowymi.
Rys.5: Odpowiedź układu OPA1622 w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego w porównaniu do zwykłego op-ampa sterującego obciążeniem pojemnościowym.
Rysunek 6a pokazuje zmierzone wzmocnienie i fazę dla układu OPA1622. Bieguny i miejsca zerowe odpowiedzialne są za szybszy spadek wzmocnienia w funkcji częstotliwości, ale mają niewielki wpływ na fazę, gdy wzmocnienie przekroczy 0 dB. Pasmo tego układu wynosi około 32 MHz, ale wzmocnienie równe jeden występuje już przy 8 MHz. Rysunek 6b pokazuje impedancję wyjściową układu OPA1622 przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.
Omawiany wzmacniacz operacyjny zaprojektowany został tak, aby jego impedancja wyjściowa wynosiła 5,5 ? w szerokim zakresie częstotliwości. Umożliwia to sterowanie obciążeniami o pojemnościowym charakterze o pojemności do 800 pF w konfiguracji z jednostkowym wzmocnieniem napięciowym. To wszystko bez dodatkowych elementów dyskretnych, zapewniających kompensację impedancji obciążenia. Widać to na rysunku 7
Jak pokazały próby przeprowadzone na targach Consumer Electronics Show wzmacniacz audio oparty o OPA1622 działał stabilnie niezależnie od tego jakie słuchawki podłączone do niego były przez odwiedzających i to wszystko bez wykorzystania izolującego układ rezystora na wyjściu op-ampa.
Źródło: http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisionhub/archive/2016/01/22/amp-up-your-cans-op-amps-for-headphones-cap-load-drive-part-2]Link[/url]]Link[/url]
Fajne? Ranking DIY
