Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak to działa? - Obwód filtru napięcia zasilania o znikomych szumach

W numerze 10/2019 przedstawiony był, pokazany na rysunku B, nieskomplikowany układ elektroniczny. Jest to... obwód filtru napięcia zasilania o znikomych szumach.
Article Image

Zadanie było trudne, ponieważ na pierwszy rzut oka powinien to być wzmacniacz, ale na rysunku nie widać wejścia. Dodatkowym utrudnieniem była obecność elementów R5 i C2.

Układ nie ma wejścia, a na wyjściu VF1 występuje napięcie stałe o wartości wyznaczonej przez precyzyjne rezystory R1 ... R4 (toleracji co najmniej 1%, sądząc z wartości R1, R2). Układ zasilany jest pojedynczym napięciem ze źródła oznaczonego V1 o wartości 7V. Rezystory R3, R4 ustalają napięcie na wejściu nieodwracającym wzmacniacza. Przy wartościach R3 = 147kΩ i R4 = 196kΩ i zasilaniu 7V powinno to być dokładnie 4 wolty:

U+ = Uzas [R4 / (R4 + R3)]

U+ = 7V [196k / (196k + 147k)]

U+ = 7V [196k / 343k]

U+ = 7V [0,57142857...]

U+ = 4V

Podczas normalnej pracy takie samo napięcie występuje na wejściu odwracającym – aby tak było, na wyjściu musi wystąpić napięcie równe 5V:

Uwy = U+ [(R2 + R1) / R2]

Uwy = 4V [(1,02k + 0,255k) / 1,02k)]

Uwy = 4V [1,272k / 1,02k)]

Uwy = 4V [1,25]

Uwy = 5V

Prądy wejść wzmacniacza operacyjnego można spokojnie pominąć, ponieważ typowo wynoszą one do 10 pikoamperów, maksymalnie 1,5nA.

Kondensatory C4, a zwłaszcza C1 pełnią funkcję filtrów. Obecność rezystora szeregowego R5 o małej wartości nie dziwi – taki rezystor jest dość często stosowany, gdy wyjście jest obciążone pojemnością.

Wątpliwości może budzić tylko obecność C2 o znikomej pojemności 1 pikofarada. Taka pojemność w zakresie pasma akustycznego nie ma praktycznego znaczenia. Nie ma wpływu na działanie układu. Tym bardziej że nie wiadomo, jakie będzie obciążenie wyjścia. Można się domyślać, że kondensator C2 i jego wartość podana na schemacie to pozostałość po próbach symulacji.

Schemat wygląda bowiem, jakby był przygotowany do symulacji. Analizowany schemat nie dostarcza odpowiedzi, do czego miałby służyć taki dziwny układ. Wskazówką do poszukiwań prawidłowego rozwiązania był podany typ wzmacniacza operacyjnego: OPA1688 produkcji Texas Instruments.

Rys.B Obwód filtru napięcia zasilania o znikomych szumach

Jeden ze stałych uczestników przysłał obszerny opis. Oto jego fragmenty: Schemat przedstawia zasilacz napięcia odniesienia i jednocześnie napięcia zasilania dla przetwornika AD w układach Hi-Fi. Zasilaczom takim stawia się ekstremalnie wysokie wymagania co do poziomu szumów, PSRR i CMRR. Szumy zasilacza poniżej 3uV w zakresie 20Hz do 20kHz. PSSR i CMRR powyżej 80dB w ww. zakresie. Zaleca się stosowanie niskoszumowych LDO (...) i napięciu wyjściowym 5V. (...) W zasilaczu przedstawionym na schemacie projektant zastosował kilka bardzo ciekawych rozwiązań,

  1. Zamiast stabilizatora LDO użył wzmacniacza operacyjnego OPA1688 o ekstremalnie niskich szumach 0,966uV w paśmie od 20Hz do 20kHz.
  2. Do wytworzenia napięcia odniesienia użył napięcia zasilania V1 = 7V (...) Podłączony do nich dzielnik napięcia R3, R4 obniża to napięcie do 4V (...) Kondensator 10uF niepolarny odfiltrowuje nawet dość niskie częstotliwości, obniżając w ten sposób szumy precyzyjnych oporników dzielnika. Wysokiej jakości kondensatory niepolarne mają bardzo niskie szumy. (...) Na wejściu nieodwracającym OPA1688 pojawi się napięcie 4V o bardzo niskich szumach. (...) na wyjściu (...) 5V.
  3. Problemem zasilaczy tego typu jest praca na obciążenie pojemnościowe. (...) Najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie opornika izolacyjnego RISO, włączonego szeregowo pomiędzy wyjście W.O. a obciążenie. Opornik taki skutecznie kompensuje pojemność obciążenia (...) W układach precyzyjnych stosuje się opornik izolacyjny z podwójną pętlą sprzężenia zwrotnego (RISO + Dual Feedback). (...) Autor zastosował zmodyfikowany obwód RISO + Dual Feedback. Tworzą go C4, R5 i R1, oraz w wyniku modyfikacji R2. (...) Przy prądzie stałym kondensator sprzężenia zwrotnego C4 działa jako przerwa, a R1 zamyka pętlę sprzężenia zwrotnego (...) napięcie wyjściowe Vload zostanie skompensowane do napięcia wzorcowego 5V.

Przy (...) [wysokich częstotliwościach] C4 działa jak zwora, a R1 jak przerwa, ponieważ impedancja C4 będzie znacząco mniejsza niż impedancja R1. (...) Modyfikacja w stosunku do klasycznego RISO + Dual Feedback polega na zastąpieniu opornika RF, w tym wypadku R1, przez dzielnik oporowy R1 R2. (...) Opornik izolacyjny R5 izoluje wyjście wzmacniacza od wyjścia stabilizatora, co również zmniejsza skłonność do oscylacji zasilacza. (...) Autor doskonale rozumiał, że zastosowanie wzmacniacza operacyjnego o ekstremalnie niskich szumach niewiele da, jeśli dołączy elementy pasywne o wysokich szumach. Sprawdza się stara prawda, że wzmacniacze operacyjne osiągnęły doskonałość, której konstruktor z trudem może sprostać. (...) Układ RISO + Dual Feedback ma również wady. Działa stabilnie przy stałej pojemności obciążenia, przy skokowych zmianach tej pojemności staje się niestabilny. Również odpowiedź przejściowa, przy skokowej zmianie V sterującego, wyrażana w % przekroczenia, jest nieakceptowalna. Na wykresie, odnoszącym się do typowego układu RISO + Dual Feedback, sięga 30%. W odniesieniu do przedstawionego stabilizatora nie ma to jednak znaczenia, warunki pracy są stabilne.

Droga do rozwiązania - co przedstawia pokazany układ elektroniczny?

Aby rozwiązać zadanie Jak10, należało zainteresować się wzmacniaczem operacyjnym OPA1688, produkcji TI, a konkretnie wejść na stronę produktu: http://www.ti.com/product/OPA1688?qgpn=opa1688 , by znaleźć informacje, że jest to wysokiej jakości podwójny wzmacniacz operacyjny przeznaczony do układów audio (36V, 10MHz, Low Distortion High Drive Rail-to-Rail Output Audio Operational Amplifiers).

Niżej na tej stronie znajduje się odnośnik do niedawno wydanej noty aplikacyjnej HiFi Audio Circuit Design, pochodzącej z sierpnia 2017

Link ten kieruje do pliku PDF: http://www.ti.com/lit/an/sboa237/sboa237.pdf.

Ta nota aplikacyjna, a raczej raport aplikacyjny (Application Report) dotyczy projektowania współczesnych urządzeń audio najwyższej jakości. Dziś transmisja i rejestracja dźwięku odbywa się wyłącznie w sposób cyfrowy. Natomiast ostatnie stopnie systemu: przedwzmacniacze i wzmacniacze, nadal są analogowe. Zawsze potrzebny jest więc przetwornik analogowy (DAC). Obwody cyfrowe są stosunkowo odporne na szumy i zakłócenia. Gorzej z obwodami analogowymi. W sprzęcie audio najwyższej jakości trzeba zwracać uwagę i dopracować każdy szczegół w torze analogowym i w obwodach przetwornika DC. Zagadnienie jest szerokie, dotyczy zniekształceń, szumów oraz zakłóceń.

We wspomnianym raporcie aplikacyjnym omawiane są poszczególne aspekty zagadnienia i poszczególne obwody. Zwrócona jest uwaga na fakt, że wysoka jakość to nie tylko niskie zniekształcenia i niskie szumy własne obwodów wzmacniających. W sprzęcie najwyższej jakości duże znaczenie ma też „jakość” napięcia zasilania oraz napięcia referencyjnego dla przetwornika DAC. Kwestia „czystości” napięcia referencyjnego jest oczywista. Słabiej rozumiane są problemy przenikania do toru audio szumów i zakłóceń z napięć zasilania.

I właśnie analizowany rysunek B pochodzi z ósmej strony tego dokumentu z rozdziału zatytułowanego Power Supply Design, gdzie omawiane są wymagania dotyczące „czystości” napięć zasilania. Oryginalna postać rysunku pokazana jest na rysunku C. Zawiera dodatkowo źródło prądowe oznaczone IG1, które reprezentuje obciążenie.

 

Rys.C Obwód filtru napięcia zasilania z dodatkowym źródłem prądowym

Właśnie obecność tego elementu sugeruje, że schemat pierwotnie przeznaczony był do symulacji. I wtedy sens ma obecność pojemności C2, tylko nie o tak małej wartości. Jeżeli układ ma być zasilaczem, to jego obciążeniem będą układy przetwornika ADC i przedwzmacniaczy. A jak wiadomo, ich obwody zasilania obowiązkowo są odsprzęgane kondensatorami o dużej pojemności, rzędu mikrofaradów, a nie pikofaradów. Dlatego podana wartość 1pF na pewno jest myląca, bo nie ma żadnego związku z rzeczywistością.

Podsumowanie

W nadesłanych rozwiązaniach słusznie stwierdziliście, że jest to zasilacz lub filtr bardzo wysokiej jakości. Odpowiedzi było trochę mniej niż zwykle, ale praktycznie wszystkie były prawidłowe. Tylko jedno rozwiązanie było nietrafione: (...) wydaje mi się, że sygnał wyjściowy o wolnym zboczu narastającym służy do badania napięcia progowego do przełączenia się testowanych układów cyfrowych (logicznych).

Tematyka materiału: filtr
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2020
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
luty 2020
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo