Віртуальні наземні схеми
Типовою проблемою в аналоговій електроніці є вимога до джерела подвійної напруги (наприклад, ± 5 В), але лише одне доступне джерело живлення, наприклад акумулятор. Є багато способів "розділити" одне постачання, щоб воно поводилося як подвійне постачання. У цій статті описано декілька таких схем та відповідні компроміси.
Ця стаття написана з урахуванням твердотільних звукових схем для навушників. Узагальнення цього для інших ситуацій - вправа, що залишається читачеві.
Дві батареї
Найпростіший спосіб вирішити проблему необхідності подвійного живлення при використанні акумуляторів - це просто використовувати дві батареї в такій конфігурації:
Проблема цього полягає в тому, що якщо одна батарея розряджається швидше, ніж інша, така що одна опускається приблизно до 1 В або нижче, перш ніж інша знизиться, зміщення постійного струму на виході почне зростати. (Я перевірив це на декількох різних підсилювачах. Можливо, у деяких конструкцій ця проблема не виникатиме.)
Батареї можуть нерівномірно розряджатися з ряду причин. Можливо, ви поклали свої батареї в шухляду після того, як придбали їх, витягли випадковим чином і намалювали стару та нову. Можливо, ви використовуєте акумуляторні батареї, і одна або кілька клітин гинуть. Можливо, вам сьогодні просто не пощастило.
Чесно кажучи, перед цим ви отримаєте попередження: підсилювач почне звучати погано з інших причин. Можливо, це буде звуково відтворювати музику задовго до цієї небезпечної точки через недостатню напругу живлення, а також вона може втратити силу через виснаження акумулятора. Отже, найімовірніший спосіб виникнення цієї проблеми - це якщо підсилювач для навушників, що працює від акумулятора, тривалий час увімкнено без музики або без прослуховування музики, що відтворюється. Завжди засинаючи, слухаючи навушники?
Якщо ви не вимкнете підсилювач перед тим, як дістатися до цієї небезпечної точки, отримане велике зміщення постійного струму, ймовірно, пошкодить ваші навушники. Отже, ми пробуємо різні схеми віртуального заземлення, щоб дозволити нам використовувати одну батарею і все одно мати подвійне живлення.
Резисторний дільник
Джерело живлення кишенькового підсилювача CMoy - це віртуальне джерело живлення резисторного дільника:
Два резистори 4,7 кОм створюють "віртуальну землю". Скажімо, у цій ланцюзі 12 В. Резистори - це резистивний дільник 0,5 ×: в середній точці дільника є 6 В. "Відстань" між середньою точкою дільника та негативною стороною джерела живлення становить -6 В, а відстань до позитивної сторони джерела живлення становить +6 В . Вуаля, дві рівні, але протилежні напруги від одного джерела живлення!
На жаль, ця проста конфігурація може стати незбалансованою. Щоб зрозуміти чому, розгляньте цю схему, кишеньковий підсилювач CMoy, що керує навушниками, намальований з точки зору постійного струму:
Акумулятор напругою 1 мВ (V os) імітує вхідну напругу зміщення вхідного підсилювача. Це розумне значення для OPA132, хоча воно на практиці різниться між чіпами.
Це зміщення змушує 1 мВ через R3. Оскільки операційні підсилювачі завжди змушують дорівнювати вхідним напругам, це, в свою чергу, примушує 10 мВ через R4. Як бачите, це створює 11 мВ постійного струму через навантаження. Якщо навантаження дорівнює 32 Ом при постійному струмі (наприклад, пара Grado SR-60s), через навантаження подається 0,34 мА. Цей струм може надходити лише від рельсового спліттера, який виглядає як два паралельних резистору до навантаження. Закон Ома говорить нам, що оскільки сила струму 0,34 мА, а опір 2,35 кОм (два паралельно резистори 4,7 кОм), напруга в середній точці дільника вимушена
0,8 В від ідеальної середньої точки.
Тоді в цій конкретній ситуації акумулятор 9 В розпадеться приблизно до +3,7 В і -5,3 В замість ідеального ± 4,5 В. Різні значення підсилювачів, навушників та резисторів дадуть різний розкол. Тому найкраще просто усвідомити, що цей зсув буде значним при низькоомних навантаженнях, і він буде збільшуватися в міру зниження імпедансу навантаження, а не обчислювати зсув і намагатися якось протидіяти йому.
Проблема з нерівними віртуальними розщепленнями землі
У такій схемі, як кишеньковий підсилювач CMoy, нерівномірний віртуальний розкол землі не пошкоджує звук сам по собі. Вхід і вихід посилаються на одну і ту ж точку заземлення, тому зсув не створює проблем з електричною сумісністю. Тоді ви, мабуть, запитуєте, чому про це турбуватися?
Більшість операційних підсилювачів не можуть змінювати вихідну напругу від рейки до рейки; вони мають деяку мінімальну відстань. Наприклад, OPA132 потребує приблизно 3 В відстані між силовими рейками та виходом із відносно низькоомними навантаженнями, такими як навушники.
Скажімо, ми використовуємо акумулятор 9 В, і під навантаженням наш віртуальний заземлювальний контур розпадається нерівномірно до +4 В і -5 В. Скажімо також, що піки нашого вихідного сигналу знаходяться на відстані 1 В від землі. Додайте 3 В запасу, необхідного для операційного підсилювача, і ми знаходимось прямо в точці відсікання на рейці V +. Оскільки наш блок живлення є акумулятором, його напруга з часом падатиме, тому ми отримаємо дуже мало часу роботи до того, як він почне відсікатися.
Способи вирішення проблеми
Швидкий і брудний спосіб вирішити цю проблему - просто збільшити напругу живлення. Але для цього потрібно більше, дорожче джерело живлення, якщо ви використовуєте настінне живлення або більше акумуляторів.
Інший спосіб вирішити проблему - знизити значення віртуальних резисторів заземлення. Проблема цього полягає в тому, що це збільшує струм, який витрачає дільник. Це балансуючий акт: якщо додатковий струм, який витягується від акумулятора, досить високий, він може знищити збільшення часу роботи, яке ви отримуєте від нижчої напруги акумулятора, де починається відсікання.
Більшість подальших схем цієї статті використовують зовсім інше рішення: буферизація віртуального заземлення. Ці методи призводять до того, що дільник напруги має дуже низький опір, при цьому все ще отримуючи невеликий струм. Це дозволяє віртуальній точці заземлення знаходитись в центрі між рейками під навантаженням. Зайві деталі можуть легко окупитись, дозволяючи використовувати менший блок живлення або збільшуючи час роботи акумулятора.
Прості буферизовані віртуальні схеми заземлення
Найелегантнішим буферизованим віртуальним наземним контуром є TLE2426 від Texas Instruments. Цю частину називають „розгалужувачем рейок”. Він розбиває одну подачу на дві частини, тож у вас є дві „рейки напруги” плюс земля. В основному це прославлений дільник напруги, тому він замінює резистори в простому блоці живлення резистора-дільника: ви подаєте напругу між його контактами IN і COM, і він видає ½, що на штифті OUT. На відміну від простого резисторного дільника, він всередині має деяку буферну схему, тому він не стає незбалансованим. (О, може бути десята частина вольта помилки або близько того, але це невелика справа.) Ось модифікована схема живлення:
Перша схема показує простий 3-контактний пакет, а друга - схему для 8-контактних версій, які мають шумозаглушення. Останній має трохи кращі показники.
Зверніть увагу, що на батареї є лише один конденсатор, а не ковпачок між кожною рейкою та віртуальним заземленням, як у джерелі резисторного дільника. У схемі дільника резистора два конденсатори абсолютно необхідні для успіху схеми. Нижче я розповім про переваги використання двох подібних ковпачків в активній віртуальній схемі заземлення, а також про недоліки. На даний момент припустимо, що краще мати лише один перед активним "розгалужувачем рейок".