Навигация по сайту Моя кладовка

 

Исследование линейности ОУ при больших выходных токах

(первая попытка, вполне успешная)

 

Это достаточно «черновое» исследование: основной целью было отработать методику измерений и выяснить что и как следует измерять, какие параметры измерять стОит, а какие - нет. На основе этих результатов, я планирую сделать более полное, разнообразное и более точное исследование. Пока что это больше информация к размышлению, хотя полученные результаты полезны, и их вполне можно использовать.

Проектирование схем на операционных усилителях обычно выполняется так: сначала схема рассчитывается для идеального ОУ, а потом учитывается его неидеальность. Из неидеальности обычно учитывают три главных параметра: ограниченное усиление, ограниченный частотный диапазон и смещение. А вот такую иногда важную вещь, как выходное сопротивление зачастую пропускают. А оно оказывается не такое уж и маленькое: у JRC4558 Rвых = 250 Ом, тогда как у NE5532 Rвых = 30 Ом. И при невысокой глубине ООС (это работа на 20 кГц с усилением 50 раз) выходным сопротивлением ОУ4558 пренебрегать нельзя. Да и особенности выходных каскадов ОУ стОит учесть при работе с большими выходными напряжениями и заметными выходными токами. Это конечно если мы хотим получить действительно высококачественное устройство, если же мы надеемся на то, что волшебные проводки, подключенные к криво работающему ОУ все исправят... Но вот где узнать про эти все неидеальности ОУ по выходу?

В даташитах на современные операционные усилители (ОУ) указывается их коэффициент гармоник (THD), имеющий значения порядка 0,0005%. Т.е. подразумевается, что современные хорошие ОУ – устройства очень линейные. Но есть маленький нюанс: измерения производятся при глубокой ООС (коэффициент усиления либо 10, либо вообще 1), компенсирующей нелинейность. Вот захотелось посмотреть на реальную нелинейность ОУ при больших выходных токах, когда проявляются особенность схемотехники выходного каскада и нюансы работы схемы защиты от перегрузок. А защита в зависимости от ее устройства может работать по-разному: при максимально допустимом выходном токе ОУ в 50 мА она может начинать вмешиваться при токе 45 мА, а может начинать работать и при 25 мА. Вмешательство защиты заметно увеличивает искажения ОУ, т.к. «обрезает» сигнал, поэтому во втором случае при казалось бы допустимом выходном токе 30 мА искажения будут выше.

Чтобы увидеть реальные характеристики операционника, надо чтобы ООС его не улучшала, т.е. усиление усилителя должно быть большим, а глубина ООС по переменному току - маленькой.

Я рассмотрел несколько ходовых ОУ. Упрощенная схема включения при проведении измерений показана на рис. 1. Повторяю, схема – упрощенная. На ней не показан ряд «хитростей» без которых измерения были бы неправильными.

Рис. 1. Упрощенная схема измерения.

 

Сначала выставлялась частота сигнала 300 Гц, где ООС наверняка работает, и усиление получалось:

 

 

Далее, частота сигнала повышалась так, чтобы усиление снижалось в 1,3 раза и получалось Ku =1000. Т.е. ООС при этом уже практически не работала, а значит микросхема получалась «в чистом виде». Более высокую частоту устанавливать не хотелось, т.к. ее гармоники выходят из частотного диапазона звуковухи ( EMU 0404, АЧХ линейна до примерно 90 кГц).

Вот что получилось (кратенько).

 

1. Исследованные операционники и частоты на которых производились измерения.

 

Тип ОУ Частота, на которой Ku =1000, кГц
JRC4556
4,5
JRC4558
4
JRC4580
6
OPA2134
5,5
NE5532
15
К544УД1
2,2
К544УД2 (выводы 1 и 8 замкнуты)
5,8

Обратите внимание на то, каким высокочастотным оказался NE5532.

 

2. Падение U вых под нагрузкой на частоте измерений (см. табл. выше).

 

Рис. 2. Падение выходного напряжения ОУ под нагрузкой.

 

Вывод: все ОУ довольно приличные, а вот 4558 несмотря на то, что схема в даташите «правильная», под нагрузкой уменьшает выходное напряжение очень намного. Причем это не ограничение – синусоида на вид не искажается – а изначально высокое выходное сопротивление. Вот как изменяется выходное напряжение при изменении выходного тока (напряжение синий график, ток – красный) – рис. 3.

 

Рис. 3. Падение выходного напряжения ОУ под нагрузкой – форма выходного сигнала. Синяя линия – напряжение, красная линия – ток. Сопротивление нагрузки уменьшается, ток растет, а напряжение падает.

 

3. Собственно измерения искажений. Оно производилось в трех разных условиях (измерение производилось до начала явно видимого ограничения):

а) U вых = const , а выходные токи разные (меняется R нагр);

б) I вых = const , для разных выходных напряжений (меняется R нагр, но уже возрастает с ростом U вых);

в) R нагр = const (выходной ток зависит от выходного напряжения).

Не все ОУ измерялись способом б), т.к. он оказался весьма трудоемким.

 

3.1. Первый способ: U вых = const , для разных выходных токов:

 

Рис. 4. Зависимость Кг от выходного тока при неизменном U вых.

 

3.2. Второй способ: I вых = const , для разных выходных напряжений:

 

Рис. 5. Зависимость Кг от выходного напряжения при неизменном I вых.

 

3.1. Третий способ: R нагрузки = const :

 

Рис. 6. Зависимость Кг от выходного напряжения при неизменном R нагрузки (т.е. меняется и выходное напряжение, и выходной ток).

 

Сведем это все в одну кучу. Измерения в ситуации I вых = const довольно трудоемки, и я их делал не для всех ОУ, поэтому их нет на этих обобщенных графиках.

Рис. 7. Сводные зависимости Кг для разных ОУ.

 

4. Измерение Кг' – коэффициента, нормированного к номеру гармоники.

Я уже несколько раз пользовался этим параметром и продолжаю считать его весьма полезным для оценки звуковоспроизводящей аппаратуры. В отличие от обычного Кг, при вычислении Кг' учитывается номер гармоники k (все нормируется ко 2-й гармонике):

 

 

Здесь верхняя граница суммирования (в формуле равная 10) на самом деле разная – ширина полосы пропускания 95 кГц, и сколько гармоник попадет в этот диапазон, зависит от рабочей частоты.

Почему я так упорно применяю этот параметр? ( На самом деле надо спрашивать, почему производители так упорно его избегают? А потому, что у некоторых дорогих аппаратов Кг' получится большой, и не будет являться хорошей рекламой! ). Вот посмотрите на рис. 8, где приведены спектры сигналов измеренных операционников.

Рис. 8. Спектры выходного сигнала ОУ в разных ситуациях.

1. На рис. 7 при выходном токе 10 мА искажения микросхем ОРА2134 и К544УД2 примерно одинаковы – где-то порядка 1%. Значит ли это, что микросхемы одинаково искажают сигнал? А вот и нет! См. рис.8а. Хорошо видно, что высокий Кг у ОУ ОРА2134 получается в основном из-за большой 2-й гармоники. А у К544УД2 из-за больших гармоник высокого порядка: 2-я гармоника у К544УД2 примерно в 10 раз ниже, чем у ОРА2134, зато 9-я гармоника примерно в 10 раз выше. С точки зрения качества звучания, большая 9-я гармоника – это намного хуже, чем большая 2-я гармоника. Так что ОРА2134 на слух будет гораздо лучше. А видно ли это из величины Кг? Нет! А вот Кг' как раз хорошо показывает разницу – судя по нему, выходит, что К544УД2 примерно в 3,5 раза хуже.

2. ОУ JRC 4556 на нагрузке 600 Ом при выходном напряжении 1В имеет Кг вдвое меньше, чем при U вых = 4В (рис. 6). Но спектр при низком выходном напряжении получается хуже (рис. 8б) – видите, какая огромная 6-я гармоника? Скорее всего, это не ошибка, а как раз именно та особенность выходного каскада, которую я и хотел отыскать – на малых напряжениях именно эта гармоника именно у этого ОУ все время была большая, уменьшаясь с ростом выходного напряжения. И нормированный коэффициент Кг' это дело как раз и проявляет – он больше для низкого выходного напряжения, и меньше для высокого!

Поэтому привожу такие же сводные графики для значений Кг', рис. 9. Сравните их с графиками Кг.

Рис. 9. Сводные зависимости Кг' для разных ОУ.

 

Чтобы было проще сравнивать, я построил графики отношения Кг'/Кг – рис. 10.

 

Рис. 10. Сводные зависимости отношения Кг/Кг' для разных ОУ.

 

Смысл этого отношения такой: чем оно больше, тем более широкий и «жесткий» спектр имеет выходной сигнал – тем больше там гармоник высокого порядка и выше их амплитуда. Т.е. по идее, чем это соотношение меньше , тем звук лучше . Напоминаю, что речь идет о «чистом» ОУ, без отрицательной обратной связи. Введение ООС компенсирует нелинейность, и вполне возможно, что более нелинейный ОУ, но имеющий большее усиление (и бОльшую глубину ООС) в результате окажется лучше.

Спустя некоторое время я решил построить графики результатов самого первого опыта (рис.4) в другом виде: искажения не в функции выходного тока, а зависимость искажений от сопротивления нагрузки (его легко посчитать, разделив выходное напряжение на выходной ток). В ряде случаев такой подход удобнее для практики применения ОУ. Кроме того, я ищу наиболее удобные способы представления информации, и зависимости, показанные с этой стороны, могут быть удобнее.

 

Рис. 11. Зависимость Кг от сопротивления нагрузки ОУ при неизменном U вых.

Интересно, что в диапазоне сопротивления нагрузок от 100 Ом до 1 кОм (это низкоомные нагрузки для ОУ) искажения не зависят от величины выходног напряжения. При меньшем сопротивлении нагрузки начинается ограничение, вызванное вмешательством защиты от КЗ. При большом сопротивлении нагрузки искажения примерно пропорциональны выходному напряжению - ну правильно, чем больше напряжение, тем больше выходной ток...

 

Выводы частные:

2. Старые советские ОУ оказались заметно хуже более современных импортных. Ну, этого и следовало ожидать. Значит, старые отечественные ОУ в звуковых цепях лучше не использовать.

3. ОУ JRC 4558 оказался совсем не на высоте. Так что лучше его избегать, а при сопротивлении нагрузки меньше 10 кОм в звуковых цепях вообще не использовать.

4. ОРА2134 оказался далеко не лучшим – это для меня полнейшая неожиданность.

5. JRC 4556 оказался самым лучшим при больших токах нагрузки.

6. И у него же какие-то проблемы в выходном каскаде ( а где же еще? ) на малых выходных напряжениях – большая амплитуда 6-й гармоники. Хотя тут возможна какая-нибудь ошибка измерения, например эта гармоника совпала с какой-то помехой. Надо разбираться.

7. NE 5532 великолепно показал себя со всех сторон. При выходных токах не выше 30 мА (амплитудного значения) самый линейный! Да еще и очень высокочастотный. Наверное я в него влюблюсь!

 

Выводы общие:

1. Надо протестировать больше разных ОУ. В том числе "токовые" и rail-to-rail (у них совсем другая конструкция выходного каскада, и может оказаться, что для звука она хуже).

2. Исследование при Iвых = const можно больше не проводить - оно имеет очень маленький практический смысл и очень трудоемко.

3. У всех тестируемых ОУ учитывать одинаковое количество гармоник независимо от того, сколько их попадает в рабочий диапазон измерительной системы.

4. Надо изменить измерительную схему, чтобы все было еще нагляднее.

5. И заодно посмотреть, действительно ли отключение p-n-p выходного транзистора (при подключении на выход ОУ источника тока) в современных ОУ приносит пользу.

6. Ну и еще чего-нибудь...

На самом деле, я готовлюсь к подробному тестированию: разработал тестовую схему, развел печатку под нее (серьезные измерения нельзя проводить на макетке)... Продолжение следует.

 

09.08.2012 - 05.02.2013

Счетчик 

 

Яндекс.Метрика