Операционный усилитель. Буферные усилители в практике ремонта, конструирования и модернизации аппаратуры Буферный усилитель на оу

Источника сигнала с входным сопротивлением нагрузки.

Буферные усилители и напряжения, и тока (в том числе повторители) усиливают мощность . На практике, под словосочетанием буферный усилитель чаще всего понимается именно буферный усилитель напряжения .

В зависимости от требуемого диапазона выходных токов и напряжений, буферные усилители могут строиться

• на дискретных транзисторах , повторители переменного напряжения - также на лампах
• на операционных усилителях общего назначения
• на специализированных ИС буферных усилителей

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Буферный усилитель" в других словарях:

буферный усилитель - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN buffer … Справочник технического переводчика

буферный усилитель - buferinis stiprintuvas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. buffer amplifier; isolating amplifier vok. Bufferverstärker, m rus. буферный усилитель, m pranc. amplificateur tampon, m ryšiai: sinonimas – skiriamasis stiprintuvas … Automatikos terminų žodynas

Электронный усилитель усилитель электрических сигналов, в усилительных элементах которого используется явление электрической проводимости в газах, вакууме и полупроводниках. Электронный усилитель может представлять собой как самостоятельное… … Википедия

В статье описаны некоторые типовые применения интегральных операционных усилителей (ОУ) в аналоговой схемотехнике. На рисунках использованы упрощенные схемотехнические обозначения, поэтому следует помнить, что несущественные детали (соединения с… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Стабилитрон (значения) … Википедия

Графические изображения и элементы многочисленных и разнообразных приборов и устройств электроники, автоматики, радио и вычислительной техники. Проектирование и разработка базовых электронных схем и создаваемых из них более сложных систем как раз … Энциклопедия Кольера

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ НА ОСНОВЕ ОУ

1. Свойства операционных усилителей, охваченных отрицательной обратной связью по напряжению

На рисунке 8.1 изображена схема операционного усилителя, охваченного обратной связью.

Рисунок 8.1. Схема формирования отрицательной обратной связи

Обратная связь образуется цепью Z OC , которая обеспечивает возврат части энергии сигнала с выхода ОУ на его инвертирующий вход. Поэтому ОС является отрицательной. Так как входным сигналом цепи ОС является обратной связью по напряжению. В связи с этим, выходное сопротивление образованного усилителя будет значительно меньше, чем выходное сопротивление использованного операционного усилителя:

Z вых ООС = Z выхОУ / (1 +  K ), (8.1)

где  – коэффициент передачи цепи ОС ;

К – коэффициент усиления ОП .

Таким образом, сравнительно малое значение выходного сопротивления ОУ еще больше уменьшается.

Относительно сигнала (U вх1 ), подаваемого на инвертирующий вход, выход цепи ООС оказывается подключенным параллельно, а относительно сигнала (U вх2 ), подаваемого на неинвертирующий вход, – последовательно. Поэтому могут разниться входные сопротивления для этих двух источников сигнала.

Получим еще несколько выражений, которые будут использованы в дальнейшем.

Так как ОП является дифференциальным усилителем, то выходное напряжение

Откуда .

Учитывая, что К велико (в идеальном ОУ К  ), а величина выходного напряжения ограничена (по крайней мере, значениями напряжения источника питания, получаем:

Для узла в точке А можно записать:

Если R вх  R ОС (в идеальном ОУ R вх  ), то

В дальнейшем кроме этих выражений, полученных на основе показателей идеальности ОУ, при анализе отдельных схем будем пренебрегать напряжением смещения нуля (U см ), входными токами (I вх ,  I вх ) и их дрейфами.

2. Линейные схемы

2.1. Инвертирующий усилитель

На рисунке 8.2 приведена схема простейшего инвертирующего усилителя . Неинвертирующий вход заземлен, т.е. находится под нулевым напряжением (U вх2 рисунка 8.1 равно нулю). Входной сигнал через резистор R 1 подается на инвертирующий вход. Операционный усилитель охвачен параллельной отрицательной обратной связью по напряжению через резистор R ОС . Найдем выражение для коэффициента усиления схемы.

Рисунок 8.2. Инвертирующий усилитель

В соответствии с выражением (8.3)

U A = U B = 0 (8.5)

Следовательно, потенциал точки А в первом приближении, равен потенциалу общей шины – «земли». Поэтому эта точка получила наименование «виртуальной земли».

Используя полученное значение, находим для токов, входящих в (8.4)

. (8.7)

Приравнивая их и учитывая, что К = U вых / U вх, получаем для коэффициента усиления инвертирующего усилителя

, (8.8)

где знак минус указывает на изменение фазы выходного сигнала по сравнению с фазой входного на 180 0 (выходное напряжение находится в противофазе, инверсно, с входным напряжением). В связи с этим, если входной сигнал нарастает, то усиленный выходной – спадает, и наоборот, спадающему входному сигналу соответствует нарастающий выходной. Подобное явление уже нами встречалось при рассмотрении усилителей ОЭ , ОБ и ОИ .

Из (8.8) видно, что инвертирующий усилитель может иметь любой коэффициент усиления как больший единицы, так и меньший.

Параллельная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное (см. (8.1)) и выходное сопротивления усилителя. Величину последнего, в первом приближении, можно определить, используя понятие «виртуальная земля». Так как напряжение в точке А равно нулю, то для источника входного сигнала «кажется», что между его входами включен резистор R1 , т.е.

R вх и ус = R 1 . (8.9)

Как показано в предыдущем разделе, введение ООС расширяет диапазон усиливаемых частот. На рисунке приведена логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя, спроектированного на основе этого ОУ .

Рисунок 8.3. Логарифмическая амплитудно-частотная характеристика ОУ и инвертирующего усилителя

Большие коэффициенты усиления исходного ОУ соответствуют весьма узкому диапазону частот – от нуля до примерно нескольких десятков/сотен герц.

Равномерный коэффициент усиления инвертирующего усилителя простирается до верхней частоты, равной:

2.2. Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя приведена на рисунке 8.4.

Рисунок 8.4. Неинвертирующий усилитель

Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ через делитель R2 , R3 . Напряжение на прямом входе

где К дел – коэффициент деления делителя R2 , R3 .

Инвертирующий вход ОУ заземлен через резистор R1 . Напряжение на инвертирующем входе

.

Приравнивая эти напряжения (на основании (8.3)), получаем

, (8.11)

В неинвертирующем усилителе выходное напряжение совпадает по фазе с входным. Из (8.11) следует, что коэффициент усиления неинвертирующего усилителя может быть меньше 1 только при использовании делителя с К дел  1. При отсутствии входного делителя (R 2 = 0; R 3   ) коэффициент усиления всегда больше единицы.

Последовательная отрицательная обратная связь по напряжению уменьшает выходное и увеличивает входное сопротивление всего усилителя. Выходное сопротивление инвертирующего усилителя из-за отрицательной обратной связи по напряжению можно считать близким к нулю аналогично инвертирующему усилителю (см. 8.1).

Входное сопротивление ОУ из-за последовательной отрицательной обратной связи увеличивается доже по сравнению с входным сопротивлением ОУ дифференциальному сигналу. Его величина определяется сопротивлением синфазному сигналу.

При наличии входного делителя

R вх н и ус = R 2 + R 3 . (8.12)

Амплитудно-частотная характеристика неинвертирующего усилителя подобна АЧХ инвертирующего усилителя (см. рисунок 8.3).

2.3. Повторители на основе ОУ

Иногда при построении различных электронных схем требуются усилительные каскады, имеющие (по модулю) единичные коэффициенты усиления (повторители ).

Наиболее часто за основу их проектирования используют схему неинвертирующего усилителя без входного резистивного делителя, что обеспечивает очень большое входное сопротивление. Повторитель, согласно (8.11) при (К дел = 1) можно реализовать 3-мя способами (рисунок 8.5):

R ОС = 0 (непосредственное соединение выхода с инвертирующим входом);

R 1 =  (разрыв цепи, в которую включен R1 ) и, наконец,

R ОС = 0 и одновременно R 1 = .

Наиболее просто реализуется схема повторителя в третьем случае (рисунок 8.5,в), однако и другие варианты неинвертирующих повторителей также находят применение на практике. Обратите внимание на то, что величина оставшегося резистора в схемах на рисунках 8.5,а, б совершенно не влияет на единичный коэффициент усиления повторителя.

Рисунок 8.5. Неинвертирующие повторители напряжения на основе ОУ

Повторитель напряжения можно спроектировать и на основе инвертирующего усилителя, если в нем (рисунок 8.2) выбрать резисторы с одинаковым сопротивлением R 1 = R ОС .

2.4. Сумматоры на основе ОУ

Сумматором называется электронное устройство, имеющее несколько входов и один выход, напряжение на котором пропорционально сумме напряжений всех входов. Такие устройства применяются, когда необходимо объединить в одном канале сигналы различных источников (например, в микшерах, наложение в технике звукозаписи и т.п.)

Схема сумматора на основе ОУ приведена на рисунке 8.6. Она имеет два входа, однако можно использовать и большее их число, подключая их через резисторы к точке виртуальной земли А .

Рисунок 8.6. Сумматор на ОУ

Для определения зависимости выходного напряжения от входных воспользуемся принципом суперпозиции и выражениями (8.3) и (8.4):

,

Откуда . (8.13)

Откуда видно, что входные сигналы складываются со своими весовыми коэффициентами, – каждый из входных сигналов дополнительно умножается на некоторый коэффициент, определяющий его вклад в общий выходной сигнал. Весовой коэффициент задается отношением сопротивлением резистора в цепи ОС к сопротивлению резистора в соответствующей входной цепи. Суммирование осуществляется с изменением знака (инверсия входных сигналов). Если выполнить соотношение R ОС = R 1 = R 2 , то можно осуществить чистое суммирование двух входных сигналов. Если выполняется только соотношение R 1 = R 2 , то с помощью R ОС можно дополнительно масштабировать полученную сумму.

2.4. Дифференциальный усилитель на основе ОУ (вычитающий усилитель)

Схема простейшего дифференциального усилителя (вычитающего устройства ) приведена на рисунке 8.7.

Рисунок 8.7. Дифференциальный усилитель на ОУ

На основе принципа суперпозиции можно записать

(8.14)

Если выполняется соотношение R 3  R 1 = R ОС  R 2 , что равнозначно

то (8.14) преобразуется в

что соответствует понятию дифференциального усилителя, в то время как выражение (8.14) описывает разносный (вычитающий) усилитель с собственными взвешенными коэффициентами по каждому сигналу.

Следует отметить, что чем точнее будет выполняться последнее соотношение (8.15), тем точнее будет обеспечиваться разность двух входных напряжений. Поэтому при проектировании дифференциальных усилителей следует использовать высокочастотные и высокостабильные резисторы. Понятно, что проще применять четыре одинаковых резистора (R 1 = R 2 = R 3 = R ОС = R ), а необходимое дополнительное усиление результирующего сигнала можно реализовать в последующих каскадах. Для получения особо точных разностных схем может потребоваться дополнительная подстройка одного из сопротивлений. Можно считать, что предельный коэффициент усиления синфазной составляющей определяется КОСС ОУ, который может быть весьма малым (см. раздел 7).

Определенным недостатком дифференциального усилителя является то, что входные сопротивления дифференциального каскада по двум входам отличаются друг от друга.

Кроме того, для обеспечения точного преобразования необходимо ограничивать внутреннее сопротивление источника сигнала или, что то же самое, увеличивать сопротивление всех резисторов дифференциальной схемы.

Поэтому в ряде случаев приходится использовать более сложные схемы ДУ . Радикальным решением этих проблем является включение повторителей на ОУ на каждом входе, однако наиболее лучшим является использование удачной схемы инструментального усилителя.

2.5. Дифференциатор и интегратор на основе ОУ

Используем во входной цепи инвертирующего усилителя конденсатор (рисунком 8.8,а).

Рисунок 8.8. Дифференциатор и интегратор на основе ОУ

Известно, что ток, проходящий через емкость равен произведению емкости на производную от разности потенциалов на обкладках конденсатора. Учитывая (8.3), запишем

(8.17)

где I с – ток во входной цепи, проходящий через конденсатор С .

На основании (8.4) и (8.7), имеем

Или , (8.18)

т.е. выходное напряжение является «проинвертированным» дифференциалом от входного, с коэффициентом пропорциональности, равным (R С ).

Поменяем местами конденсатор и резистор (рисунок 8.8,б). Тогда, произведя действия, аналогичные предыдущим, получим:

,

Интегрируя левую и правую части этого выражения по времени в пределах oт 0 до t , найдем

, (8.19)

где U вых 0 – напряжение на выходе схемы при t = 0.

Таким образом, выходное напряжение пропорционально интегралу входного напряжения.

Так как U вых 0 является и напряжением, до которого заряжен конденсатор в начальный момент времени, то это создает определенные сложности при практической реализации схем интеграторов – конденсатор подзаряжается постоянным входным током ОУ , что в конечном итоге приводит к режиму насыщения. Чтобы избежать этого явления, используют два метода борьбы:

периодического разряда емкости в результате замыкания ключа К , стоящего параллельно конденсатору;

обеспечению условий, при которых входной ток ОУ был бы значительно меньше токов, обусловленных сигналом.

2.5. Простейшие фильтры на основе ОУ

Сформируем входную цепь инвертирующего усилителя из последовательно соединенных конденсатора и резистора (рисунком 8.9,а).

Рисунок 8.9. Простейшие фильтры на основе ОУ

Если повторить все математические преобразования, которые были проделаны для инвертирующего усилителя, то получим

Т.кю реактивное сопротивление емкости зависит от частоты сигнала f

, (8.21)

то модуль коэффициента усиления будет уменьшаться при уменьшении частоты. При f = 0 К ус = 0. При увеличении частоты он асимптотически будет приближаться к величине, соответствующей выражению (8.8). Таким образом, получено устройство, АЧХ которого соответствует фильтру верхних частот (ФВЧ , рисунок 8.10,а) первого порядка.

Рисунок 8.10. Логарифмическая амплитудно-частотные характеристики активных фильтров на основе ОУ : а – ФВЧ , б – ФНЧ , в – ПФ .

Не надо забывать, что реальный фильтр будет иметь спад АЧХ на высоких частотах, который обусловлен высокочастотными свойствами используемого ОП (см. выражение (8.10)). Поэтому для того, чтобы рассматриваемая структура эффективно выполняла функции ФВЧ необходимо, чтобы верхняя частота обрабатываемого сигнала f в с была существенно меньше f в ОУ .

Нижняя частота среза рассмотренного ФВЧ по уровню спада на 3 дБ

Ведем конденсатор параллельно резистору в цепь обратной связи инвертирующего усилителя (рисунком 8.9,б). Используя подходы, аналогичные предыдущим, получим

где . – сопротивление, эквивалентное параллельному соединению конденсатора и ирезистора.

С ростом частоты сопротивление резистора будет все сильнее шунтироваться уменьшающимся реактивным сопротивлением емкости. Это приведет к уменьшению модуля сопротивления цепи ОС , и как следствие к уменьшению модуля коэффициента усиления. При уменьшении частоты коэффициента усиления будет асимптотически будет приближаться к величине К = R ОС / R 1 . Следовательно, схема рисунка 8.9,б соответствует фильтру нижних частот (ФНЧ ) первого порядка.

Верхняя частота среза анализируемого ФНЧ по уровню спада на 3 дБ

Реально верхняя частота среза, не может быть больше верхней частоты среза f в ОУ , которая обусловлена высокочастотными свойствами используемого ОП . Поэтому

Если объединить эти две схемы, то получится полосовой фильтр (ПФ ), нижняя и верхняя частоты среза будут определяться произведениями емкости на сопротивление элементов, стоящих в соответствующих цепях (выражения аналогичные (8.22) и (8.24)). Конечно, при расчетах должно соблюдаться очевидное соотношение

f в ОУ  f в  f н .

3. Нелинейные схемы

3.1. Вводные замечания

На основе ОУ можно легко строить усилители с различными нелинейными амплитудными характеристиками. Обычно такие усилители предназначены для коррекции нелинейности характеристик различных датчиков, используемых в системах управления, контроля и измерения. Например, если передаточная характеристика какого-либо датчика имеет вид кривой 1 на рисунке 8.11, то в случае идеального усилителя по такому же закону будет изменяться и выходной сигнал, что часто недопустимо. Поэтому целесообразно в усилитель ввести звено, имеющее амплитудную (передаточную) характеристику, обратную характеристике применяемого датчика (кривая 2 , рисунка). Понятно, что в таком случае выходной сигнал будет иметь линейную зависимость от входной измеряемой характеристики (прямая 3).

Рисунок 8.11. Передаточные характеристики датчика (а) и корректирующего усилителя(б)

В ряде случаев необходимо решить обратную задачу – получить передаточную характеристику, изменяющуюся по какому-то заданному закону.

Эти задачи могут быть решены в результате использования нелинейных схем на основе ОУ .

3.2. Логарифмический усилитель

Логарифмический усилитель имеет нелинейную амплитудную характеристику (рисунок 8.12), соответствующую логарифмической зависимости выходного напряжения от входного U вых = log (U вх ) . Такой усилитель иногда применяется в тех случаях, когда необходимо уменьшить динамический диапазон усиливаемых сигналов, так как он усиливает сигналы малой амплитуды с большим коэффициентом усиления, чем сигналы большой амплитуды.

Рисунок 8.11. Амплитудная характеристика логарифмического усилителя

Логарифмический усилитель обычно выполняется на основе инвертирующего усилителя на ОУ, в котором в качестве элемента обратной связи применяется нелинейный элемент, имеющий логарифмическую вольтамперную характеристику – диод (рисунок 8.12,а).

Рисунок 8.12. Логарифмический (а) и антилогарифмический (б) усилители на основе ОУ

Напоминаем, что зависимость тока диода I д от падения напряжения на нем U д описывается выражением

,

где I 0 – тепловой ток диода;  Т – температурный потенциал (примерно равный 0,025 В).

На основании (8.3) и (8.4) имеем

I д = I вх = U вх / R и U вых = – U д ,

Откуда . (8.26)

3.3. Антилогарифмический усилитель

Антилогарифмический (экспоненциальный) усилитель имеет обратную логарифмическую передаточную характеристику. Для получения таких схем достаточно в приведенной схеме логарифмического усилителя поменять местами диод и резистор (рисунок 8.12,б). Зависимость выходного напряжения от входного получаем аналогично предыдущему. Из (8.3) и (8.4) имеем:

I вх = I д = I ОС ; U д = U вх ; U вых = – I ОС * R = – I д * R ,

Откуда – U д . (8.27)

3.4. Функциональные усилители

Функциональный усилитель представляет собой универсальную схему, с помощью которой можно реализовать любую зависимость выходного напряжения от входного. Идея функционального усилителя заключается в представлении нужной нелинейной зависимости выходного и входного напряжений в виде кусочно-линейной аппроксимации и построении такой схемы усилителя, коэффициент усиления которой зависит от входного или выходного напряжения. На рисунке 8.13 представлена требуемая нелинейная характеристика и ее аппроксимация отрезками прямых линий.

Рисунок 8.13. Кусочно-линейная аппроксимация нелинейной амплитудной характеристики усилителя

Из рисунка видно, что на участке от 0 до U вх1 усилитель должен иметь коэффициент усиления К 1 на следующем участке, от U вх1 до U вх2 – коэффициент усиления К 2 и т.д. Величины этих коэффициентов усиления К 1 , К 2 и т.д. легко определяются из требуемого вида аппроксимирующей характеристики:

. (8.28)

За основу функционального усилителя обычно берут схему инвертирующего усилителя на основе ОУ (рисунок 8.14).

Рисунок 8.14. Функциональный усилитель

На первом участке, в пределах 0 до U вх1 , коэффициент усиления такого усилителя (без учета знака) определяется отношение резистора R 1 и R ос :

Если при увеличении входного напряжения свыше U вх1 , коэффициент усиления К 2 должен увеличиться (как показано на рисунке 8.13), то необходимо уменьшить сопротивление резистора R 1 так, чтобы коэффициент усиления стал равен К 2 (если же коэффициент усиления К 2 уменьшается, то необходимо изменять сопротивление резистора R ос , в этом случае последующие изменения в схеме и выражения для расчета параметров легко выводятся аналогичным образом). Новое значение сопротивления входного резистора инвертирующего усилителя определяется по формуле

Для уменьшения сопротивления резистора R 1 необходимо параллельно ему включить дополнительный резистор, причем он должен включаться только тогда, когда входное напряжение превысит величину U вх2 . Для этого в схему инвертирующего усилителя включается дополнительная цепочка из резисторов R 2 , R 3 и диода VD . В соответствии с принципом "мнимой земли", анод диода, подсоединенный к инвертирующему входу ОУ, имеет потенциал равный нулю. Диод откроется тогда, когда напряжение на катоде U А уменьшится ниже потенциала анода, т.е. ниже 0. Поэтому напряжение источника смещения должно быть противоположного знака по сравнению со знаком анализируемого входного напряжения.

До момента отпирания диода напряжение в точке А можно определить из выражения:

После отпирания эквивалентное сопротивление параллельно включенных резисторов R 1 и R 2 должно быть равно значению, рассчитанному по (8.29), откуда

Определив сопротивление R 2 и, задавшись величиной напряжения смещения (при этом, целесообразно в качестве этого источника смещения использовать напряжение одного из источников питания ОУ ), из (8.30) определяют сопротивление резистора R3 .

Если характеристика аппроксимирована еще одной прямой, то аналогично включается и рассчитывается дополнительная цепочка из двух резисторов и диода.

2759

Буферный каскад CD плеера собран на эксклзюивной печатной плате с фольгой 100 микрон покрытой золотом

Буферный каскад CD плеера

Буферный каскад построен на одних из лучших по звучанию кремниевых ВЧ транзисторах КТ602 включенных по схеме с общей базой. Смещение для КТ602 организованно на транзисторах BC-140 Siemens, а в блоке питания стоят параллельные стабилизаторы на легендарных германиевых транзисторах П605. Между КТ602 и выходным каскадом на таком же, как в блоке питания - германиевом транзисторе П605 сделана гальваническая связь, а выходной - П605 нагружен на дроссель Телефункен. На выходе буфера стоит единственный бумаго-масляный немецкий конденсатор. В буферном каскаде CD плеера применены резисторы Allen Bradley и другие винтажные детали.

Еретический вывод

Много лет я уделял внимание и делал только ламповые конструкции, но жизнь показала, что в отдельных местах звуковых устройств транзисторы заменить нечем. В моих разработках это прежде всего источники питания, которые влияют на звучание - исключительно сильно. Именно их свойствами определяются: микродинамика, разрешение, тембры и скорость звука. Как я ни упирался, и не доказывал себе, что лучше ламп могут быть только лампы, сейчас «созрел» до полностью транзисторного тракта, от МС головки, до выходного каскада. У меня есть чуйка, что я могу разработать что-то особое, совсем непохожее на выпускаемое электронной промышленностью и паяемое самодельщиками. Благо накопился довольно большой опыт по изготовлению «играющих» печатных плат и «музыкальных» стабилизаторов напряжения. Вот и применю свои познания в транзисторном буферном каскаде CD плеера.

В свои гибридные цифро-аналоговые преобразователи я ставлю исключительно параллельные стабилизаторы напряжения на германиевых ВЧ транзисторах п605, признанных, одними из самых музыкальных транзисторов бывшего СССР. С «подачи» Игоря Семынина и Сергея Рубцова из Новосибирского «НЭМ» я начал эксперименты с советскими транзисторами КТ602. Эти два наименования полупроводниковых приборов разработки СССР входят в десятку лучших по звуку из нескольких тысяч, выпускавшихся при «совке». КТ602 проявили себя наилучшим образом, и хоть они требуют тщательного подбора, по музыкальным свойствам «заткнут за пояс» многие зарубежные элитные наименования. Их кристалл покоится на золотой подложке, и вообще - КТ602, транзистор по совокупности свойств (ИМХО) - уникальный.

Германиевые П605 и кремниевые кт602 входят в десятку лучших и по звуку устраивают меня полностью и целиком. Не вдаваясь в тонкости могу сказать, что лучший результат дают пары и тройки РАЗНЫХ транзисторов, подобранные в единую связку, когда каждый из них подчеркивает достоинства и маскирует недостатки другого.

Первая моя полностью транзисторная «ласточка» буферный каскад, предназначенный для замены операционных усилителей в популярных у аудиофилов CD плеерах. Наибольший эффект дает его применение в аппаратах фирм Marantz и Philips, CD плееры японского производства TEAC, Sony, Pioneer и т.д. менее податливы. В японских аппаратах применение буферного каскада дает результат в ряде престижных моделей, если они не апгрейдированы производителем изначально. Буферный каскад собран на отобранных винтажных транзисторах производства СССР и позволяет CD плеерам раскрыться, в их звуке появляется заметная прозрачность, динамика и аналоговость.

Толчок к реализации идеи дали схемные решения Сергея Рубцова. На мой взгляд результат получился не просто хорошим, а ОЧЕНЬ хорошим, что важно - не дорогим. Цена буферного каскада CD плеера зависит от комплектации, но находится в пределах максимум нескольких сотен долларов, что для техники этого уровня - совсем не много.

Путь сигнала сделан максимально чистым и коротким, без «горбов и ям»: Два транзистора (очень хороших в звуковом плане), резистор, дроссель и конденсатор, плюс - обвязка. Все элементы - максимально качественные. Если сравнивать буферный каскад с операционными усилителями, стоящими во всех CD плеерах, это как - глоток горного воздуха. Монтаж буферного каскада предельно прост: Вход, Выход, Питание. Плате нужен силовой трансформатор или просто две вторичные обмотки со средней точкой и напряжением 2х12 Вольт.

Выходной каскад

Мне тут не раз задавали вопрос, почему на выходе буферного каскада CD плеера я установил не трансформатор, а дроссель? Одним конденсатором (дорогим бумаго-маслянным) было бы - меньше.

С трансформатором у меня не «срослось» т.к. он увеличивает конечную стоимость буферного каскада. Плюс - имеющиеся «кандидаты» из винтажного железа, подходящие по размерам, лучше звучали как дроссель, а кандидатов было не так много. Я не раз сравнивал по звуку трансформатор и дроссель, трансформатор в этой схеме заметно снижал разрешение, поэтому оставил дроссель с конденсатором. Если кому-то потребуется спец версия, я конечно намотаю выходные трансформаторы 1 к 1 на дорогом и большом железе, а буферный каскад пойдет по стоимости «бонусом» к трансформаторам.

Спрашивали: Не проще ли было поставить на выходе вместо дросселя на винтажном железе резистор с конденсатором, тем более, что кошерных резисторов гораздо больше, чем кошерного железа?

Проще конечно, но даже с «кошерным» резистором звук получается - сильно проще. Примененные в буферном каскаде CD плеера дроссели Telefunken, как раз идеальны по соотношению цена/качество/размеры. А посадочное место позволяет при случае поставить дроссели на довоенном телефункеновском железе. Я стараюсь привязываться к компонентам, которые относительно доступны или они имеются у меня в количестве несколько десятков штук, чтобы хватило на тираж плат. Когда закончатся - сделаем новое изделие, с другими компонентами. Это своеобразные ступеньки роста: сделал - послушал - обдумал - сравнил... И можно делать следующее устройство, серийный экземпляр всегда под рукой, можно сравнить и сделать выводы.

С резистором в буферном каскаде звук был заметно хуже, чем с индуктивной нагрузкой. Хочу попробовать применить не винтажное железо, которое трудно доставать в количестве, а современные магнитные материалы, например - хитачевские аморфные сердечники.

В этом году придется заняться поиском материала для трансформаторных DAC -ов, так как тонкое железо от выходных трансформаторов Siemens уже на исходе и вряд ли его запасы пополнятся. Я пробовал несколько аудиофильских вариантов железа М4 и М6, современный пермаллой, разной толщины и состава. В принципе, эти материалы вполне рабочие, если мотать их винтажным проводом, но так жирно и вкусно как старое железо они конечно не играют. Играют по-своему: чисто, тонко, холодновато и прозрачнее чем большинство винтажных пластин.

Я не сомневаюсь - эти свойства можно уравновесить проводом и подбором в буферный каскад CD плеера других деталей. И в целом будет гармонично. Оно все так непредсказуемо сплетается и сплавляется (энергии, окраски, взаимодействия) - иногда все верно сделано, правильные провода, покрытые мхом, а музыка еле просачивается. А в другой системе из новодела, музыка просто льется…

Я по-прежнему не наблюдаю прямой, линейной зависимости "чем старше, тем лучше". Есть пики и провалы, пиков больше приходится на 1920-1940, меньше на последующие годы, но дореволюционные провода, как правило - вообще никуда не годятся. Поэтому буду продолжать двигаться ощупью и без оглядки на догмы.

Звук

Буферный каскад CD плеера испытал во всех ракурсах и имею результаты его прослушивания с микросхемами ЦАП -ов: TDA1540, TDA1541, РСМ58 и PCM56.

Лучше всего он спелся с микросхемой TDA1540, с которой дал сочный, энергичный и бархатный саунд. Я такого даже не ожидал, и хрен такой звук получится у новичка с лампами! ЦАП TDA1541 демонстрирует примерно то же самое. Полноценное преобразование ток/напряжение без обратных связей вытягивает из TDA1540 более разборчивые и чистые тихие звуки. Музыкальность TDA1540 с германиевым буферным каскадом - на высшем уровне.

Резюме: Однотактный германиевый эмиттерный повторитель, нагруженный на дроссель телефункен, не оставляет шансов ламповым схемам на дохлых ЕСС83. Операционники с этой схемой, тем более - тягаться не в состоянии.

По следам этого буферного каскада скоро сделаю еще один преобразователь для самых дорогих моделей CD плееров, с транзистором на входе и прямонакальным триодом.

Схема питания

Можно ли буферный каскад CD плеера запитать от одной, а не от двух обмоток силового трансформатора? Чтобы не городить специальный транс с двумя обмотками, если в CD плеере их нет. В Филипсах серий 00 напряжение +- 5 вольт таким образом и получают. В принципе - можно сделать и так, тогда два двухполупериодных выпрямителя превратятся в мостовой выпрямитель со средней точкой и нужны будут обмотки с напряжением 16-0-16 вольт.

Настройка транзисторного буферного каскада (и один узел схемы) для разных микросхем ЦАП -ов отличается: Для РСМ56, РСМ58, РСМ63, а также, для ЦАП -ов аналог девайс можно применить силовой трансформатор с одной обмоткой, имеющей среднюю точку и напряжение 12-0-12 V.

Для микросхем ЦАП -ов TDA1540 и TDA1541 нужно все-таки использовать две отдельные обмотки со средней точкой. Напряжений надо два, 12-0-12 на минусовое плечо и чуть больше на плюсовое. Если речь идет о микросхеме TDA1540, напряжение должно быть 14-0-14 V.

Таких напряжений питания требует настройка, чтобы при максимальных амплитудах не было ограничения одной полуволны при работе от TDA1540. Схема буферного каскада CD плеера для разных микросхем ЦАП -ов требует некоторых изменений.

Напряжения силового трансформатора

Можно ли применить обмотки не 12-0-12 или 14-0-14 V, а допустить какую-то вилку, скажем от 11-0-11 до 18-0-18 V.

Вилка напряжений определяется тем что:

При недостаточных значениях напряжения вторичных обмоток параллельные стабилизаторы работают с малым током, что ухудшает звук. При излишне больших значениях напряжения, стабилизаторы могут перегреться. Поскольку напряжение питания буферного каскада CD плеера более 10 В, то при недосмотре - мощность, выделяемая на транзисторе П605 запросто может составить порядка 1 Вт, что не просто много, а катастрофически много для германия без радиатора.

Правда есть плюс, транзисторы П605 в параллельных стабилизаторах не горят, а "сваливаются в штопор", ток через них резко возрастает, а напряжение, из-за балластного резистора - падает. Если CD плеер с буферным каскадом вовремя не выключить, то балласт - выгорит. Поэтому, желательно соблюдать рекомендуемые режимы как можно точнее, при которых транзисторы стабилизаторов теплые и не перегреваются.

Германиевые параллельные стабилизаторы не должны перегреваться, были бы последовательные, не было бы никаких проблем. Но с параллельными стабилизаторами буферный каскад CD плеера звучит заметно лучше, глубже и сочнее. Значит нужно создать им комфортные, тепличные условия.

По факту, следовало бы на радиаторы поставить транзисторы параллельных стабилизаторов, а не выходных повторителей. Зато с транзисторами повторителей на радиаторах есть возможность поиграться с режимами и разогреть их как следует, если руки чешутся. Радиаторы небольшого размера под старые типы транзисторов, как оказалось - дефицит, и их еще надо поискать. Поэтому вариант "поставить на радиаторы ВСЕ" отпал.

В курсе электроники есть много важных тем. Сегодня мы попытаемся разобраться с операционными усилителями.
Начнем сначала. Операционный усилитель - это такая «штука», которая позволяет всячески оперировать аналоговыми сигналами. Самые простейшие и основные - это усиление, ослабление, сложение, вычитание и много других (например, дифференцирование или логарифмирование). Абсолютное большинство операций на операционных усилителях (далее ОУ) выполняются с помощью положительных и отрицательных обратных связей.
В данной статье будем рассматривать некий «идеал» ОУ, т.к. переходить на конкретную модель не имеет смысла. Под идеалом подразумевается, что входное сопротивление будет стремиться к бесконечности (следовательно, входной ток будет стремиться к нулю), а выходное сопротивление - наоборот, будет стремиться к нулю (это означает, что нагрузка не должна влиять на выходное напряжение). Также, любой идеальный ОУ должен усиливать сигналы любых частот. Ну, и самое важное, коэффициент усиления при отсутствующей обратной связи должен также стремиться к бесконечности.

Ближе к делу

Операционный усилитель на схемах очень часто обозначается равносторонним треугольничком. Слева расположены входы, которые обозначены "-" и "+", справа - выход. Напряжение можно подавать на любой из входов, один из которых меняет полярность напряжения (поэтому его назвали инвертирующим), другой - не меняет (логично предположить, что он называется неинвертирующий). Питание ОУ, чаще всего, двуполярное. Обычно, положительное и отрицательное напряжение питания имеет одинаковое значение (но разный знак!).
В простейшем случае можно подключить источники напряжения прямо ко входам ОУ. И тогда напряжение на выходе будет расчитываться по формуле:
, где - напряжение на неинвертирующем входе, - напряжение на инвертирующем входе, - напряжение на выходе и - коэффициент усиления без обратной связи.
Посмотрим на идеальный ОУ с точки зрения Proteus.


Предлагаю «поиграть» с ним. На неинвертирующий вход подали напряжение в 1В. На инвертирующий 3В. Используем «идеальный» ОУ. Итак, получаем: . Но тут у нас есть ограничитель, т.к. мы не сможем усилить сигнал выше нашего напряжения питания. Таким образом, на выходе все равно получим -15В. Итог:


Изменим коэффициент усиления (чтобы Вы мне поверили). Пусть параметр Voltage Gain станет равным двум. Та же задача наглядно решается.

Реальное применение ОУ на примере инвертирующего и неинвертирующего усилителей

Есть два таких основных правила:
I. Выход операционного усилителя стремится к тому, чтобы дифференциальное напряжение (разность между напряжением на инвертирующем и неинвертирующем входах) было равно нулю.
II. Входы ОУ не потребляют тока.
Первое правило реализуется за счет обратной связи. Т.е. напряжение передается с выхода на вход таким образом, что разность потенциалов становится равной нулю.
Это, так сказать, «священные каноны» в теме ОУ.
А теперь, конкретнее. Инвертирующий усилитель выглядит именно так (обращаем внимание на то, как расположены входы):


Исходя из первого «канона» получаем пропорцию:
, и немного «поколдовав» с формулой выводим значение для коэффициента усиления инвертирующего ОУ:

Приведенный выше скрин в комментариях не нуждается. Просто сами все подставьте и проверьте.

Следующий этап - неинвертирующий усилитель.
Тут все также просто. Напряжение подается непосредственно на неинвертирующий вход. На инвертирующий вход подводится обратная связь. Напряжение на инвертирующем входе будет:
, но применяя первое правило, можно утверждать, что

И снова «грандиозные» познания в области высшей математики позволяют перейти к формуле:
Приведу исчерпывающий скрин, который можете перепроверить, если хотите:

Напоследок, приведу парочку интересных схем, чтобы у Вас не сложилось впечатления, что операционные усилители могут только усиливать напряжение.

Повторитель напряжения (буферный усилитель). Принцип действия такой же, как и у транзисторного повторителя. Используется в цепях с большой нагрузкой. Также, с его помощью можно решить задачку с согласованием импедансов, если в схеме есть нежелательные делители напряжения. Схема проста до гениальности:

Суммирующий усилитель. Его можно использовать, если требуется сложить (отнять) несколько сигналов. Для наглядности - схема (снова обращаем внимание на расположение входов):


Также, обращаем внимание на то, что R1 = R2 = R3 = R4, а R5 = R6. Формула расчета в данном случае будет: (знакомо, не так ли?)
Таким образом, видим, что значения напряжений, которые подаются на неинвертирующий вход «обретают» знак плюс. На инвертирующий - минус.

Заключение

Схемы на операционных усилителях чрезвычайно разнообразны. В более сложных случаях Вы можете встретить схемы активных фильтров, АЦП и устройств выборки хранения, усилители мощности, преобразователи тока в напряжение и многие многие другие схемы.

Список источников

Краткий список источников, который поможет Вам быстрее освоится как в ОУ, так и в электронике в целом:
Википедия
П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники»
Б. Бейкер. «Что нужно знать цифровому разработчику об аналоговой электронике»
Конспект лекций по электронике (желательно, собственный)
UPD.: Спасибо НЛО за приглашение

Повторитель напряжения — это самый простой из возможных усилителей, обладающих отрицательной обратной связью (ООС). Выходное напряжение точно равно входному напряжению. Если оно ничем не отличаются, то вы можете спросить — зачем это нужно, если от этого ничего не изменяется?

Суть в том, что речь идет о напряжении, а не о токе. Так вот, повторитель напряжения почти не потребляет тока от источника сигнала, и позволяет получить довольно высокий ток со своего выхода.

Нам часто приходится иметь дело с активными радиокомпонентами, которые имеют очень малый выходной ток. Примером такого компонента является или . Подключение к ним элементов с низким сопротивлением приведет к уменьшению напряжения выходного сигнала, генерируемого этими источники.

В такой ситуации имеет смысл использовать повторитель напряжения. Он имеет высокое входное сопротивление, поэтому он не снижает и не искажает входной сигнал, а так же обладает низким выходным сопротивлением, что позволяет подключить энергоемкие компоненты, например, светодиод.

Чтобы понять, как работает повторитель напряжения, мы должны знать три элементарных правила, определяющие работу операционного усилителя:

Правило №1 - операционный усилитель оказывает воздействие своим выходом на вход через ООС (отрицательная обратная связь), в результате чего напряжения на обоих входах, как на инвертирующем (-), так и на неинвертирующем (+) выравнивается.

Правило №2 - входы усилителя не потребляют ток

Правило №3 - напряжения на входах и выходе должны быть в диапазоне между положительным и отрицательным напряжением питания ОУ.

Предположим, что входное напряжение стало 3В, а в настоящее время на выходе у нас 1В. Что произойдет? Усилитель определяет, что между инвертирующим входом (-) и неинвертирующим (+) разница составляет 2В.

Поэтому, в соответствии с правилом №1, выходное напряжение увеличивается до тех пор, пока напряжения на входах не сравняют. Ситуацию дополнительно упрощает тот факт, что выход соединен непосредственно с инвертирующим входом (-), и это неизбежно приводит к тому, что напряжение на этих двух выводах становиться одинаковым.

Часто, в схеме повторителя напряжения, можно встретить дополнительный резистор в цепи обратной связи. Он необходим там, где требуется повышенная точность. Правила №1 и №2 относятся к идеальному операционному усилителю, которого в реальности нет.

Напряжения на входах не могут быть идеально одинаковыми, через них протекает небольшой ток, поэтому напряжение на выходе может отличаться от входного напряжения на несколько милливольт. Резистор R предназначен для уменьшения влияния этих недостатков. Он должен иметь сопротивление равное сопротивлению источника сигнала.