Spis treści:
Wzmacniacze operacyjne to jedne z najważniejszych komponentów w elektronice analogowej. To właśnie za ich pomocą możemy wykonywać rozmaite operacje matematyczne na sygnałach elektrycznych. W tym artykule przyjrzymy się w jaki sposób wzmacniacz operacyjny TL072 firmy Texas Instruments, może nam się przydać do realizacji układów elektroakustycznych.
Najważniejsze parametry wzmacniacza operacyjnego TL072
- Liczba kanałów: 2
- Czas narastania napięcia: 13V/µs
- Wejściowe napięcie niezrównoważenia: 1mV
- Dryft temperaturowy napięcia niezrównoważenia: 2 µV/°C
- Pobór prądu: 940 µA/kanał
- Poziom szumów: Vn = 18 nV/√ Hz przy f = 1kHz
- Całkowite zniekształcenia harmoniczne THD: 0,003%
- Zakres napięć zasilania: ±2,25V – ±20V lub 4,5 V do 40V
TL072 - aplikacja wzmacniacza słuchawkowego
Słuchawki to od wielu lat jeden z naszych przedmiotów codziennego użytku, tak jak wiele innych urządzeń elektroniki konsumenckiej, które przewijają się przez nasze ręce na co dzień. Co więcej, chyba nikt nie lubi złej jakości dźwięku, gdzie niekiedy mogłoby się wydawać, że stosunek sygnału do szumu jest bliski jedności lub nawet mniejszy od jedności – z tego względu, aby uzyskać jak najlepszą jakość dźwięku, warto zbudować własny wzmacniacz do słuchawek. Takie urządzenie można zbudować, używając łatwo dostępnych tanich komponentów elektronicznych, takich jak podwójny wzmacniacz operacyjny J-FET TL072 produkowany przez Texas Instruments.
Wzmacniacz TL072 charakteryzuje się niskim wejściowym napięciem niezrównoważenia (typowo 1mV), wysoką prędkością narastania napięcia (13V/µs) i niskim współczynnikiem tłumienia sygnału współbieżnego w odniesieniu do dodatniej szyny napięcia zasilania. Z tych względów, TL072 to świetny wybór do aplikacji, w których kluczowy jest niski koszt wykonania oraz wysoka efektywność działania. Prezentowany tutaj obwód wzmacniacza słuchawkowego Hi-Fi, wykorzystuje niskoszumowy wzmacniacz operacyjny TL072 do selektywnego wzmacniania sygnały z kanału lewego i prawego – ponieważ oba kanały słuchawek są takie same, wyjaśnimy jak działa po prostu jeden z nich.
Na wejście J1, jest podawany sygnał wejściowy, który przechodzi przez kondensator C1 mający za zadanie wyeliminować z sygnału wejściowego składową stałą. Głośność sygnału wejściowego jest regulowana za pomocą potencjometru VR1. W ten sposób uzyskujemy impedancję wyjściową na poziomie 47k, która jest równa rezystancji potencjometru VR1. W tym układzie, oba kanały TL072 pracują w konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. Wyjście kanału lewego jest na wyprowadzeniu nr 1 wzmacniacza TL072, a prąd polaryzujący jest podawany na bazy tranzystorów Q1 i Q2, a rezystory R3 i R4 konfigurują te tranzystory tak, aby pracowały one w klasie A. Najważniejszymi elementami topologii pracującej w klasie A, są dwa inne rezystory tj. R5 i R6. Są one potrzebne, aby poprawić stabilność wyjścia, ustawiając tam poziom sygnału sprzężenia zwrotnego. Wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego TL072 odbiera sygnał sprzężenia zwrotnego po włączeniu rezystora R2. Wartości rezystorów R1 i R2 decydują o wzmocnieniu wzmacniacza operacyjnego.
TL072 w roli przedwzmacniacza mikrofonowego
W oparciu o układ scalony TL072, możemy zbudować także przedwzmacniacz mikrofonowy. Zasada działania tego układu jest następująca – rezystor R1 dostarcza zasilanie do mikrofonu elektretowego tworząc część wzmacniacza FET. Zalecane jest tutaj użycie rezystora o wartości od 2k do 10k, ale im wyższa wartość tej rezystancji, tym lepsza separacja kanałów. Inny mikrofon może pobierać prąd polaryzujący z tej samej szyny napięcia zasilania.
Okazuje się, że wyższe wartości tej rezystancji wyjściowej zmniejszają także zniekształcenia, a najlepsze obwody polaryzacji uzyskuje się poprzez przecięcie ścieżki umieszczonej na spodniej stronie obudowy mikrofonu elektretowego, aby umożliwić podłączenie dodatkowego rezystora drenu i źródła. Kondensator 2,2uF blokuje stałe napięcie polaryzujące z wejścia, a w połączeniu z rezystorem 27k tworzy filtr górnoprzepustowy.
Impedancja wyjściowa układu jest ustawiana przez dwa rezystory 27k i rezystor 10k. Szyna dodatniego napięcia zasilania jest połączona z masą poprzez kondensator 47uF. Rezystory 27k tworzą dzielnik napięcia, który na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego podaje połowę napięcia zasilania. Istotne są tutaj zatem dwa rezystory 27k połączone równolegle, co daje wypadkową rezystancją 13,5k, równolegle z rezystorem 10k, co impedancję wejściową ok. 6k. Jeśli zapewnimy prawidłowe podwójne napięcie zasilania, nie będziemy potrzebowali górnego rezystora 27k, ponieważ wejście nie musi już być spolaryzowane względem masy. Pętla sprzężenia zwrotnego ma tutaj dwa rezystory 27k i 1,5k łączące wejście odwracające z masą. Gdy oba rezystory są w obwodzie, wzmocnienie wynosi nieco poniżej 2. Rezystor 27k można zewrzeć przełącznikiem – wówczas jedynie rezystor 1,5k wyznacza wzmocnienie ustawiając je na 23. Kondensator 10uF w dolnej połowie pętli sprzężenia zwrotnego zmniejsza wzmocnienie stałoprądowe do ok. jedności.
Jeśli wzmocnione zostanie jakiekolwiek przesunięcie wejścia prądu stałego, spowodowałoby to większe przesunięcie na wyjściu, przepychając poziom wyjście w kierunku jednej z szyn i zmniejszając zapas. Przy wzmocnieniu 23, przy oczekiwanych poziomach wejściowych prawdopodobnie nie ma to znaczenia. Opcjonalny kondensator o pojemności 2pF w stosunku do rezystora 33k, ustawia spadek wysokiej częstotliwości. Częstotliwość odcięcia mieści się w setkach kHz. Musi sięgać dalej niż 20 kHz, aby utrzymać małe przesunięcie fazowe przy częstotliwościach audio, a także dlatego, że moc wyjściowa zaczyna spadać na długo przed odcięciem sygnału. Wzmacniacze operacyjne i tak nie są w stanie utrzymać wystarczającego wzmocnienia na tych częstotliwościach, a ich moc wyjściowa już będzie spadać, ale ograniczenie sprawia, że obwód jest bardziej stabilny, choć prawdopodobnie będzie działał bez niego. Prawdopodobnie 2pF pojemności będzie wynikać bezpośrednio ze ścieżek PCB, a wzmacniacze operacyjne są obecnie dość dobrze kompensowane, więc tak naprawdę nie jest to potrzebne.
Rezystory 100R służą częściowo do ograniczenia prądu i ochrony wzmacniacza operacyjnego w przypadku zwarcia wyjścia, ale wzmacniacze operacyjne i tak mają wewnętrzne zabezpieczenia. Umożliwiają one głównie wzmacniaczowi operacyjnemu sterowanie obciążeniami pojemnościowymi bez oscylacji. Kondensator 2,2uF na wyjściu blokuje prąd stały, a wartość nie jest specjalnie ważna. Ten kondensator tworzy także filtr górnoprzepustowy z potencjometrem 10k. W tej aplikacji przewidziano także zabezpieczenie przed napięciem zasilania o wstecznej biegunowości w postaci szeregowej diody prostowniczej.
