Encontrar la función de transferencia de un amplificador operacional de audio sin inversión

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Solo estoy haciendo una búsqueda independiente en el amplificador de audio (CHIP AMPS) como el LM1875.

Quiero aprender más sobre cómo compensar los amplificadores de chip de audio y cómo funcionan su trama y los anchos de banda de Bode, pero para complacer esto necesito hacer algunos cálculos para demostrarlo.

EsteeselLM1875quediseñé.SimplementequieroentenderporquéseusaC2porqueheescuchadoqueestáahíparahacerquesugananciadeCC(22.2dB)semantengaplanaentremuchasfrecuencias,locualesciertocomosemuestraaquí:

Miideafuerealizarunafuncióndetransferenciadeesteamplificadoroperacional(sesimplificamuchocomosemuestraacontinuación)ysimplementehacerunanálisisdefrecuenciadondes->jwybarrerloeneldiagramadeBode.

Aquíestámiintento:

Suponiendoestemodeloahora:

NodoVA=Elvoltajeentrelatapaylaresistencia.

Primernodo:

\$\frac{V_{IN}-V_{OUT}}{R_{6}}+\frac{V_{A}-V_{IN}}{R_{7}}=0\$

\$V_{IN}(s)*[\frac{R_{7}}{R_{6}}+1]-\frac{V_{OUT}(s)*R_{7}}{R_{6}}=V_{A}(s)(1)\$

Segundonodo:

\$\frac{V_{A}-V_{IN}}{R7}+C_{2}*\dotV_{A}=0\$

\$VA(s)*[1+R_{7}*sC_{2}]=V_{IN}(s)\$

\$VA(s)=\frac{V_{IN}(s)}{1+R_{7}*sC_{2}}\$

Sub(2)en(1)

\$V_{IN}(s)*[\frac{R_{7}}{R_{6}}+1]-\frac{V_{OUT}(s)*R_{7}}{R_{6}}=\frac{V_{IN}(s)}{1+R_{7}*sC_{2}}\$

Loquesereducea:

\$H(s)=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}=\frac{6.11s+1}{0.470s+1}\$

GráficodeBode:

    
pregunta Pllsz

2 respuestas

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En resumen, su circuito se ve así:

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Como puede ver, su amplificador de audio se suministra desde una única fuente de alimentación.

Es por esto que necesita una red de polarización de DC. Debido a que cada "dispositivo activo" funciona correctamente como un amplificador suministrado desde una sola fuente necesita un circuito de polarización adecuado. Cuando usa BJT como un amplificador CE, usa un divisor de voltaje para desviar el dispositivo activo en algún lugar de la "región lineal".

En el caso de un solo amplificador operacional, tienes que hacer lo mismo. Necesitamos sesgar el amplificador operacional en algún lugar en medio de su "región lineal".

Y este es un trabajo para \ $ R_4, R_3 \ $ divisor de voltaje. Y este divisor de voltaje "establece" la polarización de CC en \ $ 0.5 V_ {CC} \ $. Podemos decir que este circuito establece el "terreno virtual" para nuestro opamp.

\ $ R_2 \ $ y \ $ C_7 \ $ se agregaron al circuito para mejorar el rechazo de ruido de la fuente de alimentación. Sin él (\ $ R2 = 0 \ Omega \ $), aparecerá cualquier "ruido" presente en el riel de alimentación en la entrada no inversora del amplificador y será amplificado por el amperio trece veces (\ $ 1 + \ frac {R_6} {R_7} \ PS

Al mismo tiempo, \ $ R_2 \ $ el resistor establece la impedancia de entrada del amplificador visto por la fuente de señal de entrada de CA.

Debido a que la potencia también puede amplificar cualquier voltaje de CC presente en la entrada no inversora, se agregó el capacitor \ $ C_2 \ $ para resolver este problema. Sin el condensador \ $ C_2 \ $, el voltaje de CC de salida será igual a Vcc (0.5Vcc * 1 + R6 / R7). Pero tenemos este capacitor en el circuito, por lo que la ganancia de voltaje de CC se reduce a uno. Y el voltaje de salida es igual a \ $ 0.5 V_ {CC} \ $.

A través de opamp, vemos una red de retroalimentación negativa típica para un amplificador no inversor. Lee esto: ¿Cómo afecta este Op Amp al voltaje?

Se agregó \ $ C_4 \ $ adicional para reducir la ganancia de CA a alta frecuencia (por encima de F > Xc4 = R5). \ $ F = \ frac {0.16} {50pF * 12k \ Omega} = 267kHz \ $

La red de entrada también parece típica para un amplificador de audio con acoplamiento de CA.

\ $ R_1 \ $ es una resistencia desplegable cuando no hay una señal de entrada conectada.

\ $ R_2 \ $ y \ $ C_3 \ $ forman un filtro de paso bajo de entrada (260 kHz) para proteger el amplificador de señales de alta frecuencia no deseadas (RF) en la entrada del amplificador.

\ $ C_ {11} \ $ es un condensador de acoplamiento de CA de entrada y junto con \ $ R2 \ $ forma un filtro de paso alto y establece el corte de baja frecuencia requerido.

Las redes de salida también parecen ordinarias. Y están aquí para prevenir oscilaciones de alta frecuencia.

\ $ R_9 \ $ y \ $ C_5 \ $ forman lo que se llama una red Zobel.
El propósito de la red Zobel es asegurar que la salida opamp La etapa ve cierta carga "real" (resistiva) a frecuencias muy altas.

También se agregó la red de la serie L-R (\ $ L_1, R_ {10} \ $) para ayudar a garantizar que el amplificador no oscile en HF. En las frecuencias altas, la impedancia del inductor (\ $ X_L \ $) aumenta y aísla la salida opamp de las cargas capacitivas no deseadas. Y se añadió la resistencia \ $ R_ {10} \ $ para amortiguar las resonancias que el inductor podría tener en combinación con la capacidad de carga en HF.

    
respondido por el G36
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Estás empezando desde un lugar un poco extraño. Es una práctica estándar ejecutar amplificadores operacionales desde rieles de suministro divididos (en audio típicamente +/- 15 a +/- 18V), y hacer referencia a todo a 0V, que obviamente está a mitad de camino entre los dos.

Por supuesto, es posible ejecutar estos circuitos desde una sola fuente (por ejemplo, una batería de 9V), pero siempre hay algún tipo de "pirateo" para crear una referencia de riel medio (que estaría a 4.5V en este caso). Estas soluciones están bien y funcionan bastante bien (incluso hay IC's especiales para este propósito) pero este no es el lugar para aprender fundamentos del amplificador operacional, porque confunde el problema.

Con respecto a C2 en su circuito, no está ahí para que "DC gane" como dice, todo lo contrario. En audio, por lo general, no queremos una respuesta de frecuencia plana a DC (o, al contrario, en la región de MHz). Existen buenas razones para limitar el ancho de banda (evitar RFI, pops y plosives de los micrófonos, etc.) y los sistemas bien diseñados tienen al menos un punto de -3dB en cada extremo, uno típicamente a 10-20Hz y otro en algún lugar entre 20kHz y digamos 100kHz o algo así (tal vez más alto si la comercialización para personas que creen en la magia es una gran preocupación).

De todos modos, los argumentos de los audiófilos a un lado, si tomamos un amplificador simple no inversor estándar, sin todos los componentes circundantes y sin condensadores para controlar el ancho de banda (y no se muestran los suministros, pero recuerde que los suministros de, por ejemplo, +/- 15V son allí, y 0V está por lo tanto en el centro del rango de trabajo):

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Esto tiene varias características importantes: 1. La impedancia de entrada es extremadamente alta (muchos megOhms) 2. Es no inversor. 3. La ganancia viene dada por (1 + R2 / R1) (y, por lo tanto, siempre > 1). 4. para el argumento, digamos que esta es una opamp ideal , así que ahora tenemos la respuesta de frecuencia "DC to light". La parte de ganancia de la gráfica de Bode es una línea recta.

Si ahora colocamos un condensador en serie con R1, ahora la impedancia efectiva de la entrada + a tierra aumentará con la frecuencia. Si la ganancia es alta (R2 > > R1), la ganancia se aproxima a R2 / R1, y en la frecuencia donde Xc = R1 tendremos más o menos 3dB en la banda interna. (Unos pocos minutos con una calculadora mostrarán que esto siempre es un electrolítico con un valor típico de 100uF).

De la misma manera, poner un límite en R2 aumenta la retroalimentación negativa con la frecuencia y, por lo tanto, reduce la ganancia. Por lo tanto, este es uno de los métodos estándar para establecer el punto superior de -3dB. (Esta tapa generalmente termina en el rango de 100 pF, un tipo de película o cerámica es lo habitual).

(De hecho, hice algunos gestos para simplificar los cálculos al suponer una alta ganancia, lo que no siempre es el caso. Pero es bastante frecuente que la limitación del ancho de banda se realice en una etapa de alta ganancia , ya que también ayuda a garantizar la estabilidad. Y dada la escasa precisión de las mayúsculas utilizadas para hacer esto, no tiene mucho sentido ser demasiado riguroso con las matemáticas.)

    
respondido por el dmb

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