Interesują Cię wzmacniacze operacyjne? Koniecznie zapisz się na nasz mailing „Projektowanie układów elektronicznych” i odbierz więcej darmowych treści o projektowaniu elektroniki.
Zasilanie wzmacniaczy operacyjnych cz. 2
W poprzedniej części tego artykułu zastanawialiśmy się na czym polega różnica między wzmacniaczem operacyjnym zasilanym w sposób symetryczny (nóżki zasilania mają dodatni i ujemny potencjał względem masy), a wzmacniaczem zasilanym w sposób niesymetryczny (ujemna nóżka zasilająca jest dołączona do masy). Doszliśmy do wniosku, że dla samego wzmacniacza nie ma żadnej różnicy – nie jest on w stanie stwierdzić jaki potencjał elektryczny przyjęliśmy za masę układu.
Czy oznacza to, że nie ma znaczenia jaki sposób zasilania wybierzemy? Niestety nie. W pewnym sytuacjach dostępność trzech sieci o stałym potencjale elektrycznym („minus” zasilania, masa i „plus” zasilania) znacznie ułatwia nam zaprojektowanie układu ze wzmacniaczem operacyjnym w stosunku do sytuacji, w której dostępne są tylko dwie sieci (masa i „plus” zasilania). Przyjrzyjmy się teraz tej sprawie.
Przykładowy wzmacniacz sygnału audio
Wyobraźmy sobie, że chcemy zaprojektować prosty wzmacniacz sygnału audio. Przykładowy układ może wyglądać tak jak na poniższej symulacji w LTSpice:
Wzmacniacz U1 pracuje tutaj w typowej, wręcz książkowej konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego o wzmocnieniu równym 10 (wzór na wzmocnienie w tej konfiguracji to: 1+R1/R2).
Rezystor R3 polaryzuje wejście nieodwracające ustalając je na potencjalne masy, czyli 0 V (przy dużych wartościach R3 warto zwrócić uwagę na prąd polaryzacji wejścia, który w niektórych wzmacniacza może przepływając przez R3 wytworzyć znaczące napięcie względem masy, ale w wielu standardowych typach wzmacniaczy można śmiało przyjąć, że na wejściu nieodwracającym mamy 0 V).
Sygnał ze źródła (source_in) jest podawany na wejście nieodwracające wzmacniacza przez kondensator C1, który odcina składową stałą. Oznacza to, że składowa stała sygnału na wejściu nieodwracającym będzie równa 0 V.
Rysunek poniżej pokazuje wynik symulacji pracy tego układu, gdy ze źródła pobieramy sygnał o częstotliwości 1 kHz i amplitudzie 1 V. Ponieważ wzmacniacz zasilamy symetrycznie, na wyjściu mogą się bez problemu pojawić napięcia zarówno dodatnie jak i ujemne względem masy.
Problem z zasilaniem niesymetrycznym
Zróbmy teraz w naszym układzie tylko jedną zmianę: podłączmy ujemny biegu zasilania do masy, a nie napięcia -12 V. Zmodyfikowany układ i wynik symulacji znajdziesz poniżej:
Tym razem układ działa tylko dla dodatnich połówek sygnału wejściowego. Powód jest dość prosty. Żaden wzmacniacz operacyjny nie jest w stanie dostarczyć na swoim wyjściu napięć niższych niż ujemne napięcie zasilania. Skoro tym razem jest to masa układu, to nie możemy na wyjściu uzyskać napięć ujemnych.
Spróbujmy rozwiązać ten problem polaryzując wejście nieodwracające tak, żeby składowa stała napięcia wynosiła na nim połowę napięcia zasilającego, czyli 6 V. Możemy to zrobić dodając dodatkowy rezystor, który z rezystorem R3 utworzy nam dzielnik rezystancyjny. Ponieważ stracimy połowę zakresu dynamiki (bo do dodatniego napięcia zasilającego mamy tylko 6 V, a nie 12 V jak poprzednio) to obniżamy też amplitudę sygnału wejściowego z 1 V do 0,5 V. Układ i wyniki symulacji znajdziesz na rysunku poniżej:
Tym razem jest jeszcze gorzej. Na wyjściu cały czas panuje napięcia zasilania (+12 V) i w ogóle nie widać wzmocnionego sygnału. Zastanówmy się co się dzieje.
Otóż wzmacniacz wzmacnia nie tylko sygnał audio, ale też składową stałą o wartości 6 V. Przy wzmocnieniu równym 10 oznacza to, że składowa stała napięcia na wyjściu powinna wynosić 60 V. Po uwzględnieniu 5 V amplitudy wzmocnionego sygnału, minimalne napięcie wyjściowe to 55 V. Oczywiście wzmacniacz nie może dać nam na wyjściu napięcia wyższego od swojego napięcia zasilania, a więc w efekcie dostajemy 12 V, które widać na wykresie.
Układ wzmacniacza z zasilaniem niesymetrycznym
Rozwiązaniem problemu jest modyfikacja pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza (utworzonej przez rezystory R1 i R2) tak, aby dla składowej stałej uzyskać wzmocnienie równe 1.
Można to zrobić dodając szeregowo do rezystora R1 kondensator. Dla napięć stałych kondensator będzie miał nieskończenie dużą impedancję, a więc wzmocnienie wyniesie 1 (podstaw bardzo dużą wartość za R1 we wzorze na wzmocnienie: 1+R2/R1) – wzmacniacz będzie pracował jako wtórnik napięciowy.
Z kolei dla napięć o częstotliwościach na tyle dużych, że impedancja kondensatora będzie znacznie mniejsza niż rezystancja R1 układ będzie działał tak jak poprzednio, czyli wzmacniał sygnał 10 razy.
Zmodyfikowany układ i wynik symulacji znajdziesz poniżej. Jak widać, tym razem wszystko działa tak jak należy.
Które rozwiązanie jest lepsze?
Widzimy, że praca z zasilaniem niesymetrycznym wymaga od nas bardziej skomplikowanego układu polaryzacji wejść i sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Z drugiej strony wygenerowanie w układzie zasilania symetrycznego komplikuje sam zasilacz. Które rozwiązanie jest zatem lepsze?
Jeżeli w całym układzie znajduje się np. tylko jeden wzmacniacz, który może wymagać zasilania symetrycznego, a cała reszta układu może się bez niego obejść to być może dodanie dwóch dodatkowych elementów (R4 i C2) do wzmacniacza jest lepsze niż budowa bardziej skomplikowanego bloku zasilania.
Z drugiej strony przy złożonym, wielostopniowym przetwarzania sygnału może się bardziej opłacić skomplikowanie nieco zasilacza i dostarczenia ujemnych napięć zasilających.
Na koniec warto zwrócić uwagę na pewną słabość układu z polaryzacją wejścia nieodwracającego przy pomocy dzielnika rezystancyjnego. Otóż wszelkie fluktuacje napięcia zasilającego będą przenoszone w 50% przez dzielnik na wejście. Po wzmocnieniu pojawią się na wyjściu wzmacniacza. W efekcie wszystkie zakłócenia generowane na linii zasilania będą widoczne w sygnale i to wzmocnione razy 5. W zależności od wymagań układu może to oznaczać konieczność znacznie większej redukcji zakłóceń na linii zasilającej niż byłoby to wymagane przy zasilaniu symetrycznym.
Ten ostatni problem można obejść bez ujemnego źródła zasilania generując tzw. sztuczną masę, ale nadal komplikuje to dodatkowo układ.
Koniec końców konstruktor musi podjąć decyzję jakie rozwiązanie sprawdzi się lepiej w jego konkretnym projekcie.
