Spis treści:
Wzmacniacze operacyjne są nieodłącznymi elementami większości układów elektroniki analogowej, zwłaszcza w przypadku układów audio. Jednym z popularnych układów w tej kategorii jest NE5532. W tym artykule przyjrzymy się szczegółowo temu układowi scalonemu.
Wzmacniacz operacyjny - budowa i zasada działania
Układ scalony NE5322 został zaprojektowany przez Signetics Corporation w latach 70. XX wieku. Ten układ jest produkowany zarówno w obudowach do montażu przewlekanego (DIP8) oraz do montażu powierzchniowego (SOIC8). W strukturze układu scalonego NE5322, zostały umieszczone dwa wzmacniacze operacyjne. Wzmacniacz operacyjny jest jednym z najważniejszych podzespołów w elektronice analogowej, a jego pole zastosowań jest niesamowicie przepotężne. Niekiedy, wzmacniacz operacyjny ze względu na swoje oznaczenie na schematach jest nazywany “magicznym trójkątem”. Nazwa “wzmacniacz operacyjny” wynika z faktu, że ten układ scalony został zaprojektowany w celu realizacji rozmaitych operacji matematycznych – od sposobu konfiguracji elementów zewnętrznych, z naciskiem na rezystory i kondensatory, będzie zależało czy wzmacniacz operacyjny będzie realizował dodawanie, odejmowanie, wzmacnianie, logarytmowanie, całkowanie, różniczkowanie bądź inny rodzaj wymaganej operacji. Mówiąc najprościej, wzmacniacz operacyjny wzmacnia różnicę napięć podawanych na jego wejście odwracające i wejście nieodwracające.
Wzmacniacz operacyjny - podstawowe założenia dla wzmacniacza idealnego
Analizując obwody ze wzmacniaczami operacyjnymi, należy przyjąć kilka założeń. Przyjmuje się, że wejścia wzmacniacza operacyjnego mają nieskończenie wysoką impedancję wejściową, w związku z czym nie pobierają one prądu – w rzeczywistych wzmacniaczach operacyjnych, prąd pobierany przez wejścia jest rzędu nanoamperów lub pikoamperów. Idealny wzmacniacz operacyjny ma nieskończone wzmocnienie stałoprądowe w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego – w rzeczywistych układach ta wartość wynosi 106 lub nawet 109 – ograniczeniem jest tutaj zakres napięć zasilania pomocniczego. Ponadto, wzmacniacz operacyjny działa tak, że dąży do wyrównania różnicy napięć na jego wejściach. Brak sprzężenia zwrotnego pomiędzy wyjściem a jednym z wejść powodowałby, że wzmacniacz szybko wchodziłby w stan odcięcia lub nasycenia, tj. na wyjściu byśmy otrzymali napięcie odpowiednio bliskie masie lub szynie napięcia zasilania (przy zasilaniu niesymetrycznym względem masy).
Dlatego konieczne jest dołączenie zewnętrznych elementów zapewniających stabilizację wzmacniacza poprzez sprzężenie zwrotne – pamiętajmy, że choć oznaczenie na schematach jest takie samo, stosowanie wzmacniaczy operacyjnych z komparatorami napięcia nie jest dobrym pomysłem i może prowadzić do wystąpienia nieprawidłowości w działaniu układu docelowego.
Zasilanie wzmacniacza operacyjnego
Istotnym czynnikiem, na który trzeba zwrócić uwagę przy projektowaniu obwodu ze wzmacniaczem operacyjnym, jest jego sposób zasilania. Musimy tu zwrócić uwagę na zakres maksymalnych i minimalnych napięć sygnałów, które nasz wzmacniacz ma ,,obsłużyć”. Jeśli chcemy na wejście wzmacniacza podać np. sygnał sinusoidalny, który ma ujemne i dodatnie połówki i wartość międzyszczytową 24V, wówczas musimy wzmacniacz operacyjny zasilić napięciem symetrycznym 2x13V, aby zachować zapas headroomu. Jest to spowodowane spadkami napięć na tranzystorach wyjściowych w strukturze wzmacniacza.
A co jeśli mamy do dyspozycji tylko zasilanie pojedyncze? Żaden problem – wystarczy podać na wejście nieodwracające napięcie równe połowie napięcia zasilania, aby przesunąć sygnał o składową stałą nieco powyżej potencjału masy. W następnych stopniach konieczne będzie dodanie kondensatora usuwającego z sygnału składową stałą (jest to szkodliwe zjawisko, szczególnie dla głośników magnetoelektrycznych). W przypadku przekroczenia wartości sygnału obsługiwanego przez zakres napięć zasilania wzmacniacza, może dojść do przesterowania wzmacniacza – wówczas na wyjściu układu pojawią się zniekształcenia w postaci obcinania wierzchołków sygnału – czy jest to zjawisko pożądane czy też nie, zależy to tylko i wyłącznie od zamysłu konstruktora.
Główne parametry elektryczne wzmacniacza operacyjnego NE5532
- Równoważne wejściowe napięcie szumu: 5 nV/√ Hz przy 1 kHz
- Szerokość pasma wzmocnienia jednostkowego: 10 MHz
- Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego: 100 dB
- Wzmocnienie DC: 100 V/mV
- Szczytowe wahania napięcia wyjściowego: 32 V przy VCC± = ±18 V i RL = 600 Ω
- Szybkość narastania napięcia: 9 V/μs
- Zakres napięć zasilania: ±3 V do ±20 V
Zastosowania NE5532
- Wzmacniacze audio
- Układy kontroli tonacji
- Korektory graficzne dźwięku
Przedwzmacniacz gitarowy z buforem opartym na NE5532
Głównym elementem prezentowanego przedwzmacniacza gitarowego jest wzmacniacz operacyjny NE5532. Preamp działa z jednym potencjometrem głośności i dwoma przełącznikami DPDT on-on. Jeden z przełączników służy do zmiany trybu pracy układu, przełączając między buforem (prawie bez wzrostu wzmocnienia) a trybem wzmacniacza. Drugi przełącznik służy do włączania i wyłączania kontroli głośności. W trybie buforowym kontrola głośności pozwala jedynie zmniejszać sygnał. W trybie wzmacniacza można nią manipulować wzmocnieniem.
Taki sposób przełączania umożliwia łatwą zmianę stopnia wzmocnienia z niskiego na wysoki jednym kliknięciem. Pozwala również na zmniejszenie głośności gitary bez utraty charakterystyki częstotliwości. Jest to bardzo przydatne, jeśli chcemy uzyskać czysty dźwięk z lampowego wzmacniacza. Na przykład, gdy potencjometr głośności jest ustawiony na 50%, w trybie bufora głośność gitary jest zmniejszona do około 50%, uzyskując czysty, jasny ton, bez przesterowania lampy. W trybie wzmacniacza, po przełączeniu pedału, wzmocnienie wynosi około 50% maksymalnego. Gdy przełączymy pedał z trybu bufora na wzmacniacz, uzyskamy maksymalne wzmocnienie.
Układ jest dość prosty i można go zrealizować na uniwersalnej płytce drukowanej (PCB).
Lista komponentów:
- Wzmacniacz operacyjny NE5532
- Potencjometr: logarytmiczny, zalecane wartości 100k–200k (dowolna wartość będzie działać w pewnym stopniu)
- Przełączniki: 2x DPDT on-on
- Kondensatory elektrolityczne: C1, C3, C5: 10 uF
- Kondensatory stałe foliowe: C2: 100nF, C4: 560pF
- Rezystory:
- R1, R2: 100k
- R3: 1M
- R4: 1k
- R5: 10k (wzmocnienie = 11), lub 20k (wzmocnienie = 21), lub wartość wyższa, nawet do 39k – można eksperymentować z wyższymi wartościami, aby uzyskać większe wzmocnienie i intensywniejsze przesterowanie, ale może to wprowadzić niepożądane efekty zniekształceń.
- R6: 250R
