logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Czy Twój op-amp jest stabilny?

ghost666 12 Mar 2016 00:14 3411 4
REKLAMA
MediaMarkt Black Week
  • 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(!).

    Czy Twój op-amp jest stabilny?
    Rys. 1: Amplituda impedancji w funkcji częstotliwości dla kilku modeli słuchawek.

    Czy Twój op-amp jest stabilny?
    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.

    Czy Twój op-amp jest stabilny?
    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.)

    Czy Twój op-amp jest stabilny?
    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.

    Czy Twój op-amp jest stabilny?
    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.

    Czy Twój op-amp jest stabilny?
    Rys.6: Faza (a) i impedancja wyjściowa (b) OPA1622 w 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

    Czy Twój op-amp jest stabilny?
    Rys.7: Margines fazy dla obciążenia pojemnościowego wzmacniacza OPA1622.


    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
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • REKLAMA
    MediaMarkt Black Week
  • REKLAMA
    MediaMarkt Black Week
  • #3 15530837
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    winio42 napisał:
    Fajny artykuł. Z drugiej strony pojemności rzędu pF nie są jakieś wielkie, spodziewałem się raczej nF dla długiego kabla...
    Jest gdzieś może przetłumaczone o tym jak wpływa szeregowy rezystor (albo są na to jacyś chętni)?


    Jeśli chodzi Ci o ten materiał - http://www.ti.com/lit/an/slyt630/slyt630.pdf - to nie jest, ale może być :) .
  • #5 15530907
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    winio42 napisał:
    Jak może, to fajnie.
    Ale jak masz tylko dla mnie to robić to nie ma sensu, angielski jako tako znam, mogę przeczytać w oryginale.


    Jeśli zgłosi się więcej osób to wtedy się za to zabiorę :)
REKLAMA