Datagor Electronics Журнал практичної електроніки Повна версія сайту
Не раз звертав увагу на те, що радіоаматори застосовують в своїх схемних рішеннях невиправдано ускладнені (на декількох ОУ) або занадто спрощені (на резисторах) суматори сигналів, наприклад лівого і правого каналів для сабвуфера.
У цій статті я пропоную, як мені здається, золоту середину. Простий, але ефективний акумулятор на одному ОУ, позбавлений недоліків своїх вищезазначених "братів".
Побудова підсумкових підсилювачів на основі ОУ докладно розглядалося в різних джерелах, присвяченим схемотехнике ОУ. З цього мета цієї статті зробити «вибірку», що відноситься тільки до суматора на основі операційних підсилювачів.
Для розуміння процесів розглянемо схему, представлену на малюнку 1.
Рис 1.
Це звичайний інвертується підсилювач, охопленого зворотним зв'язком через резистор R2. Перше, що кидається в очі - це підключення неинвертирующего входу до земляного проводу. Тобто потенціал в точці «В» дорівнює нулю. Отже, як відомо з теорії операційних підсилювачів, потенціал в точці «А» так само буде нульовим (дорівнює потенціалу землі). Звідси висновок:
Якщо взяти до уваги, що вхідний опір ОУ (між входами підсилювача) нескінченно велика (прагнути до нескінченно великим значенням), то вхідні і вихідні струми будуть прагнути до значення нескінченно малому. Тобто до нуля. А при рівності вхідного і вихідного струму (або, кажучи грубо, його відсутності) формули наведені вище можна прирівняти між собою:
Оскільки неінвертуючий вхід з'єднаний з землею напруга Uдіф буде нескінченно мало отримуємо що потенціал инвертирующего входу так само прагнути до нуля. Звідси маємо:
Тобто, повне вхідний опір пристрою дорівнюватиме R1.
Наявність в точці «А» потенціалу землі, дозволяє підключати до схеми різну кількість опорів, що працюють паралельно R1, що перетворює інвертується підсилювач в прекрасний акумулятор.
По скільки точка «А», нагадаю, має потенціал землі (і струми прагнуть до нуля), то маємо:
Резистори не обов'язково повинні бути однаковими. Якщо вони різні, то на виході отримаємо зважену суму. Це явище використовують, наприклад, в мікшерах, коли необхідно підсумовувати кілька сигналів від різних джерелах і мають різні рівні. Кількість змішуються джерел, також, може бути по-різному.
Резюмуючи все вище сказане повторюся про основні особливості підсумовує підсилювача:
1. Маючи на диференціальному вході потенціал землі, струми кожного каналу протікають тільки по «своїм» опорам і не надають НІЯКОГО взаємовпливу. Отже забезпечується чудова міжканального розв'язка.
2. Коефіцієнт посилення кожного каналу визначається відношенням R2 до відповідного опору в кожному каналі. Отже, До посилення може бути і більше одиниці (посилювати сигнал) так і менше одиниці (послаблювати сигнал).
3. Оскільки, як зазначалося вище, вхідний опір підсумовує підсилювача цілком визначається опорами R1, R3, це накладає певні обмеження на вибір Кус та вхідних конденсаторів (якщо вони необхідні).
Вхідний струм реальних ОП не дорівнює нулю. Падіння напруги, що створюється на резисторах R1, R3 стають причиною похибки підсилювача. Для усунення цього недоліку, неінвертуючий вхід, зазвичай, з'єднують з землею не безпосередньо, а через резистор, опір якого дорівнює опору паралельно включених резисторів R1, R2 (при R2 набагато більше R1, можна прийняти рівним R1).
Чим розглянутий підсилювач краще ніж, скажімо, найпростішого резистивного суматора?
Подивимося на малюнок 3.
Як бачимо, все просто: струми лівого і правого каналів протікають по «своїм» резисторам R1і R2 і підсумовуються на опорі навантаження R3 (У загальній точці «А»). З точки з'єднання резисторів отримана сума напруг знімається і подається на наступний каскад посилення (з вхідним опором Rвх). Для того, щоб струми обох каналів протікали в одному напрямку (зліва направо) необхідно дотримати наступні умови: Uвх1 і Uвх2 повинні бути якомога більше, а R3 якомога менше, для того щоб наблизити потенціал в точці «А» до потенціалу землі. Ця умова виконати практично неможливо. У реальних умовах (на реальному сигналі) відбувається наступне. При підвищеному, скажімо, Uвх1 і заниженому Uвх2 ток в точці «А» буде текти не тільки по R3, а й частина його потече через резистор R2. Тобто створиться умова при якому відбувається погіршення умов підсумовування.
Розглянутий спосіб підсумовування струмів досить поширений, в силу своєї простоти. Навіть при об'єднанні виходів попередніх каскадів (на ОУ або транзисторах) в якості R1 і R2 можуть розглядатися вихідні опору відповідних каскадів, а в якості R3, вхідний опір наступного.
Тобто будь-які спроби «поліпшити» подібну конструкцію, призводять тільки до ЗМЕНШЕННЯ взаємовпливу, але не до усунення недоліків. А ось обмежень і «незручностей» це приносить набагато більше. З цього такі суматори є «збіговисько» компромісів: Збільшення R1 і R2 призводить до поліпшення міжканального розв'язки, але послаблює сигнал на виході. Теж саме і з зменшенням R3. Застосування ж високоомних опорів вимагає від подальшого каскаду високого вхідного опору. Цей же каскад повинен мати завищений Кус для компенсації ослаблення сигналів в дільнику.
При всій простоті реалізації, резистивний суматор має «вроджені» недоліки. З цього може бути застосований в невідповідальних вузлах, і вимагає від конструкторів особливої уваги при узгодженні каскадів.
На малюнку 4 представлена практична схема індикатора рівня сигналу. Стрілочний і піковий індикатор використовується один, для лівого і правого каналу. Щоб реалізувати це на вході пристрою використовується акумулятор на основі ОУ (DA1). Резистори R1 і R2 вибрані досить великими, з метою полегшення узгодження з попередніми вихідними каскадами. Конденсатор С1, утворює з вхідними конденсаторами найпростіший Г-подібний фільтр НЧ і обмежує роботу першого каскаду пристрою на рівні 15кГц. З цією ж метою встановлено і конденсатор С3. Конденсатор С2 усуває постійну складову сигналу.
На виході DA1, за допомогою R5 виставляється рівень змінної напруги (на частоті 400 Гц) близько 0,5V. Далі сигнал надходить на підсилювач стрілочного індикатора і на піковий індикатор.
На мікросхемі DA2.2 реалізований вольтметр змінного струму. Для усунення впливу постійної складової на показання вимірювача, на вході пристрою застосований розділовий конденсатор С6. Щоб зберегти здатність вольтметра вимірювати в області НЧ, ОУ включений за схемою неінвертуючий підсилювача зі збереженням великого вхідного опору (рівного R11). Застосування діодного моста дозволяє вимірювати як позитивні, так і негативні напівперіоди сигналу. А включення головки в ланцюг зворотного зв'язку лінеарізует шкалу приладу. Загальну початкову чутливість каскаду на DA2.2 можна відрегулювати підбором опору R12.
Піковий детектор зібраний на основі компаратора і особливостей не має. Резистивним дільником R9 R10 виставляється поріг спрацьовування пристрою (близько 0,25 v). При збігу вхідного сигналу з пороговим, компаратор перемикається і світлодіод спалахує.
У пристрої були застосовані радянські операційні підсилювачі: як DA1 - К140УД8, як DA2 - До 157УД2. Але оскільки будь-яких вимог до ОУ немає, то в пристрої працюють практично будь-які ОУ. Єдине зауваження - якщо використовувати стрілочний досить високої чутливості (з малими струмами відхилення стрілки і шкалою з високою роздільною здатністю), в якості DA2.2 бажано застосувати ОУ з якомога меншим струмом зміщення.
Використовувана література:
1. Журнал «Радіо» № 4 1977р. «Застосування операційних підсилювачів» Стор. 37-39
2. П. Хоровіц, У. Хилл «мистецтво схемотехніки». Гл. 4 «Зворотній зв'язок і операційні підсилювачі».
Ну ось начебто і все.
З повагою, Зотов Юрій.