Circuite virtuale la sol
O problemă obișnuită în electronica analogică este necesitatea unei alimentări cu dublă tensiune (de ex. ± 5 V), dar având doar o singură sursă disponibilă, cum ar fi o baterie. Există multe modalități de a „împărți” o singură sursă, astfel încât să se comporte ca o sursă dublă. Acest articol descrie mai multe astfel de circuite și compromisurile implicate.
Acest articol este scris având în vedere circuitele audio pentru căști în stare solidă. Generalizarea acestui lucru în alte situații este un exercițiu lăsat în seama cititorului.
Două baterii
Cea mai simplă modalitate de a rezolva problema necesității unei alimentări duale atunci când utilizați baterii este de a utiliza pur și simplu două baterii în această configurație:
Problema cu acest lucru este că, dacă o baterie se descarcă mai repede decât cealaltă, astfel încât una scade la aproximativ 1 V sau mai puțin înainte ca cealaltă să scadă, decalajul de curent continuu la ieșire va începe să crească. (Am testat acest lucru cu mai multe op-amplificatoare diferite. Este posibil ca unele modele să nu aibă această problemă.)
Bateriile se pot scurge inegal din mai multe motive. Poate vă puneți bateriile într-un sertar după ce le-ați cumpărat și le scoateți la întâmplare și desenați una veche și una nouă. Poate că utilizați reîncărcabile și una sau mai multe celule sunt pe moarte. Poate că ai ghinion azi.
Pentru a fi corect, înainte de a se întâmpla acest lucru, veți primi un avertisment: amplificatorul va începe să sune prost din alte motive. Probabil va clipi în mod audibil muzica cu mult înainte de acest punct de pericol din cauza tensiunii de alimentare insuficiente și, de asemenea, poate fi înfometată de curent din cauza epuizării bateriei. Deci, cel mai probabil mod în care va apărea această problemă este dacă lăsați un amplificator pentru căști alimentat de la baterie pornit pentru o perioadă îndelungată fără muzică sau fără a asculta muzica redată. Adormiți vreodată când ascultați căști?
Dacă nu opriți amplificatorul înainte de a ajunge la acest punct de pericol, este posibil ca offset-ul DC ridicat rezultat să vă deterioreze căștile. Așadar, încercăm diferite scheme virtuale de masă pentru a ne permite să folosim o singură baterie și să avem în continuare o sursă dublă.
Divizorul rezistorului
Sursa de alimentare a amplificatorului de buzunar CMoy este o sursă de împământare virtuală de tip divizor de rezistență:
Cele două rezistențe de 4,7 kΩ creează o „masă virtuală”. Să presupunem că există 12 V în acest circuit. Rezistențele sunt un divizor rezistiv de 0,5 ×: există 6 V în punctul mediu al divizorului. „Distanța” dintre punctul de mijloc al divizorului și partea negativă a sursei de alimentare este de -6 V, iar distanța față de partea pozitivă a sursei de alimentare este de +6 V . Voila, două tensiuni egale, dar opuse de la o singură sursă de alimentare!
Din păcate, această configurație simplă este predispusă la dezechilibrare. Pentru a vedea de ce, luați în considerare această schemă, un amplificator de buzunar CMoy care conduce căști, tras din perspectiva DC:
Bateria de 1 mV (V os) simulează tensiunea de compensare a intrării amplificatorului. Aceasta este o valoare rezonabilă pentru un OPA132, deși în practică variază între cipuri.
Acest decalaj forțează 1 mV pe R3. Deoarece amplificatoarele operaționale își forțează întotdeauna tensiunile de intrare să fie egale, acest lucru la rândul său forțează 10 mV pe R4. După cum puteți vedea, acest lucru pune 11 mV de CC peste sarcină. Dacă sarcina este de 32 Ω la curent continuu (cum ar fi o pereche de Grado SR-60s), 0,34 mA este forțat prin sarcină. Acest curent poate proveni doar de la separatorul de șină, care arată ca două rezistențe paralele cu sarcina. Legea lui Ohm ne spune că, din moment ce curentul este de 0,34 mA și rezistența este de 2,35 kΩ (două rezistențe de 4,7 kΩ în paralel), tensiunea la punctul mediu al divizorului este forțată
0,8 V distanță de punctul mediu ideal.
În această situație particulară, atunci, o baterie de 9 V s-ar împărți la aproximativ +3,7 V și -5,3 V în locul idealului ± 4,5 V. Diferite valori ale amplificatoarelor, căștilor și rezistențelor vor oferi o diferență diferită. Prin urmare, este mai bine să ne dăm seama pur și simplu că acest offset va fi semnificativ cu sarcini cu impedanță redusă și va crește pe măsură ce impedanța de încărcare scade, mai degrabă decât să calculăm offset-ul și să încercăm să-l contracarăm cumva.
Problema cu împărțirile de teren virtuale inegale
Într-un circuit precum amplificatorul de buzunar CMoy, o împărțire virtuală inegală a solului nu afectează sunetul de la sine. Intrarea și ieșirea sunt ambele menționate la același punct de împământare, astfel încât schimbarea nu creează o problemă de compatibilitate electrică. Atunci probabil că te întrebi de ce să-ți faci griji?
Majoritatea amplificatoarelor de operare nu pot schimba tensiunea de ieșire de la șină la șină; au o distanță minimă. OPA132, de exemplu, are nevoie de o distanță de aproximativ 3 V între șinele de alimentare și ieșire cu sarcini de impedanță relativ redusă, cum ar fi căștile.
Să presupunem că folosim o baterie de 9 V și sub sarcină circuitul nostru virtual de împărțire se împarte inegal la +4 V și -5 V. Să presupunem, de asemenea, că vârfurile semnalului nostru de ieșire sunt la 1 V de la sol. Adăugați spațiul de 3 V necesar pentru amplificatorul opțional și ne aflăm chiar în punctul de tăiere de pe șina V +. Deoarece sursa noastră de alimentare este o baterie, tensiunea sa va scădea în timp, așa că vom obține un timp de funcționare foarte mic înainte de a începe să decupeze.
Modalități de rezolvare a problemei
O modalitate rapidă și murdară de a rezolva această problemă este de a crește pur și simplu tensiunea de alimentare. Însă, acest lucru necesită o sursă de alimentare mai mare și mai costisitoare dacă utilizați energie de perete sau mai multe baterii.
O altă modalitate de a rezolva problema este de a reduce valorile rezistențelor la sol virtuale. Problema cu aceasta este că crește curentul pe care îl atrage separatorul. Acesta este un act de echilibrare: dacă curentul suplimentar extras din baterie este suficient de mare, poate elimina creșterea duratei de funcționare pe care o obțineți de la o tensiune mai mică a bateriei de unde începe decuparea.
Majoritatea circuitelor ulterioare din acest articol folosesc o soluție complet diferită: tamponarea terenului virtual. Aceste tehnici fac ca divizorul de tensiune să pară să aibă o impedanță foarte scăzută, în timp ce atrage încă puțin curent. Aceasta menține punctul de sol virtual frumos centrat între șinele sub sarcină. Piesele suplimentare se pot plăti cu ușurință singure, permițându-vă să utilizați o sursă de alimentare mai mică sau mărind durata de funcționare a bateriei.
Circuite de masă virtuale tamponate simple
Cel mai elegant circuit virtual de masă tamponat este TLE2426 al Texas Instruments. Această parte se numește „separator de șină”: împarte o singură sursă de alimentare în două, deci aveți două „șine de tensiune” plus masă. Este în esență un divizor de tensiune glorificat, așa că înlocuiește rezistențele din sursa de alimentare simplă a divizoarelor de rezistență: aplicați o tensiune între pinii IN și COM și pune afară ½ pe pinul OUT. Spre deosebire de un simplu divizor de rezistență, totuși, are unele circuite de tamponare în interior, astfel încât să nu devină dezechilibrat. (Oh, poate exista o zecime de volt de eroare sau cam așa ceva, dar asta este o problemă mică.) Iată circuitul de alimentare modificat:
Prima schemă prezintă pachetul simplu cu 3 pini, iar al doilea arată circuitul pentru versiunile cu 8 pini care au un pin de reducere a zgomotului. Acesta din urmă are performanțe puțin mai bune.
Observați că există doar un condensator pe baterie în loc de un capac între fiecare șină și masă virtuală ca în sursa de separare a rezistorului. În circuitul de divizare a rezistorului, doi condensatori sunt absolut necesari pentru succesul circuitului. Mai jos, voi vorbi despre avantajele utilizării a două capace ca acesta într-un circuit virtual activ la sol, precum și despre dezavantaje. Deocamdată, presupuneți că este mai bine să aveți doar unul înainte de „separatorul de șine” activ.