Zaloguj
Nasz słuch działa „analogowo”, więc na którymś etapie toru sygnałowego będziemy mieli do czynienia z taką właśnie jego postacią – częściej napięciową, rzadziej prądową – choć wiele źródeł daje sygnał cyfrowy. Nawet dzisiaj wiele urządzeń jest projektowanych jako całkowicie analogowe, niekiedy nawet lampowe (choć akurat nie o lampach będzie ten artykuł). Wtedy przetwarzaniem cyfrowo/analogowym zajmuje się odrębny „klocek” w systemie audio, określany częściej jako DAC. Operując na sygnale analogowym trzeba uważać na parametry toru, którym jest on propagowany.
W tym artykule chcę się pochylić nad wzmacniaczami operacyjnymi, które są „wołami roboczymi” w takich aplikacjach. Można projektować układy, bazując na dyskretnych elementach aktywnych, lecz to rzadko spotykane rozwiązanie. Znacznie częściej można spotkać właśnie wzmacniacze operacyjne (najczęściej podwójne, z ośmioma wyprowadzeniami ułożonymi w typowej obudowie DIP8 lub SO8), które w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego mają wstawione najrozmaitsze cuda – na przykład dzielnik napięciowy, ustalający wypadkowe wzmocnienie, filtr RC albo zworę lub rezystor, tworząc wówczas wtórnik napięciowy.
Wzmacniaczy operacyjnych mamy na rynku pełną gamę, więc trzeba dobrze zdecydować, który warto w danym miejscu zastosować. W swojej praktyce w newralgicznych miejscach układu stosuję właśnie wzmacniacze operacyjne w obudowach do montażu przewlekanego, ponieważ często klienci chcą móc samodzielnie wymieniać układy, by poszukać „tego właściwego” brzmienia, więc warto im to umożliwić. W innych miejscach układu, jak bufor wejściowy czy wyjściowy, z reguły stosuję układy w obudowach do montażu powierzchniowego, choć nie jest to reguła – bywają klienci, którzy chcą móc wymieniać wszystkie elementy aktywne w swoim urządzeniu.
Dla przypomnienia, na rysunku 1 znajduje się uproszczony, „teorioobwodowy” model wzmacniacza operacyjnego. Istotne parametry, które można z niego wyczytać, to wzmocnienie napięciowe w otwartej pętli (A), wejściowa impedancja różnicowa (Zin) i impedancja wyjściowa (Zout). W większości praktycznych przypadków, pierwszy parametr nie ma istotnego znaczenia, bowiem praktycznie realizowane układy bazujące na wzmacniaczach operacyjnych osiągają wzmocnienie rzędu kilku, może kilkudziesięciu V/V, zatem można w obliczeniach przyjmować A → ∞. Jedynie w układach o bardzo wysokim wzmocnieniu, jak w przedwzmacniaczach gramofonowych, stosuje się bloki o wzmocnieniu rzędu kilkuset i wtedy skończona wartość A może dawać o sobie znać. Impedancja wejściowa (różnicowa) również ma znaczenie w bardzo szczególnych przypadkach, głównie przy wzmacnianiu sygnału z mikrofonu, bowiem w typowych układach audio wartości rezystorów okalających wzmacniacz operacyjny są znacznie niższe od Zin. Z kolei Zout jest redukowana przez pętlę sprzężenia zwrotnego do wartości rzędu miliomów, przez co staje się porównywalna z rezystancją połączeń między elementami, więc też nie trzeba się nią zanadto przejmować. Chyba że byłaby patologicznie wysoka, lecz czasy zabytkowych układów typu μA709 już dawno minęły, więc nie trzeba ich rozważać w nowoczesnych aplikacjach.
Więcej użytecznych (przynajmniej dla mnie) parametrów wynika z budowy stopnia wejściowego wzmacniacza operacyjnego, który w najbardziej uproszczonej wersji został zaprezentowany na rysunku 2. Phi, tylko dwa tranzystory, co tam może być ciekawego? Po pierwsze, bazy tych tranzystorów pobierają jakiś prąd, który trzeba do nich dostarczyć za pośrednictwem elementów współpracujących ze wzmacniaczem. Typowo przyjmuje się, że ten prąd wynosi nie więcej niż 1 μA, choć w przypadku wzmacniaczy operacyjnych zbudowanych z elementów dyskretnych może on wynosić nawet kilkanaście mikroamperów. Trzeba zatem dobrze pilnować zrównoważenia rezystancji sterujących wejściami, by nie generować niepotrzebnej składowej stałej napięcia na wyjściu wzmacniacza. Ma to znaczenie zwłaszcza w układach przenoszących składową stałą, a do takich można zaliczyć znaczną część układów audio high-end. W skrócie: im większy prąd polaryzujący wejścia, tym bardziej trzeba pilnować, aby rezystancja „widziana” przez składową stałą prądu płynącego przez oba wejścia była taka sama. Wiele układów ma w tym miejscu dodatkowe wtórniki przed „właściwymi” tranzystorami pary różnicowej, co zmniejsza prąd wejściowy, za to może wpływać na szerokość przedziału offsetu napięciowego.
Układy dyskretne i scalone potrafią się silnie różnić pod tym względem. Przykładowo, dyskretny wzmacniacz operacyjny SS3602 (widoczny na fotografii 1) cechuje się typowym poborem prądu przez wejścia na poziomie 4,5 μA (maksymalnie 6 μA), NE5532 typowo 0,2 μA, zaś maksymalnie 1 μA.
Za tym idzie offset prądowy oraz napięciowy. Oba są przykre w skutkach, bo ciężko przewidzieć ich znak oraz wartość, zatem trzeba bazować na parametrach granicznych. Skutkiem ich istnienia jest powstawanie składowej stałej napięcia wyjściowego, z którą niewiele da się zrobić, można jedynie oszacować jej maksymalną wartość. To jest powód, dla którego stopnie o wysokim wzmocnieniu (rzędu kilkuset) projektuje się z reguły jako nieprzenoszące składowej stałej, aby napięcie stałe na wyjściu bloku wzmacniającego nie było zbyt wysokie. Im mniejsze będą to wartości, tym lepiej, choć są układy, które doskonale radzą sobie nawet po zastosowaniu wzmacniaczy o wysokim offsecie prądowym i/lub napięciowym, a do takich zaliczają się przede wszystkim układy dyskretne, ostatnio bardzo modne.
Na temat pasma przenoszenia wzmacniaczy operacyjnych oraz układów, jakie są z ich udziałem realizowane, powstało już wiele opracowań, więc nie będę się tutaj na ten temat rozpisywał. Jest jednak parametr, który ma związek z pasmem przenoszenia, choć nie jest z nim wprost związany, a chodzi mianowicie o szybkość narastania napięcia wyjściowego. Nie zostało to jeszcze dostatecznie zbadane, ale liczne odsłuchy zdają się potwierdzać, że rozdzielczość czasowa systemów audio ma istotny wpływ na ich wynikowe brzmienie. Z reguły takie wzmacniacze mają wysoki pobór mocy, ponieważ ich stopień wyjściowy pracuje ze sporym prądem spoczynkowym, więc trzeba uważać na całkowite obciążenie zasilacza. Prym wiodą tutaj układy dyskretne, potrafiące pobierać nawet kilka watów mocy ze źródła zasilania (!).
Jest jeszcze jeden parametr, na który warto zwrócić uwagę, czyli szumy, wyróżniające się w notach katalogowych jednostką – słynnym „pierwiastkiem z herca”. Współczesne wzmacniacze operacyjne radzą sobie pod tym względem naprawdę dobrze – na tyle, że w wielu niewyśrubowanych zastosowaniach pochodzące od nich szumy nadmiarowe są porównywalne z szumami wprowadzanymi przez pozostałe elementy. Warto jednak zwrócić uwagę na „niskoszumność” w stopniach o wysokim wzmocnieniu napięciowym, czyli w przedwzmacniaczach mikrofonowych i gramofonowych, bowiem to szumy wprowadzane przez pierwszy stopień (z reguły o najwyższym wzmocnieniu) determinują poziom szumów całego układu. Pod tym względem wzmacniacze dyskretne potrafią wypadać lepiej niż typowe układy, opatrzone dopiskiem „low noise” w notach katalogowych. Przykładowo przytoczony już dyskretny wzmacniacz operacyjny SS3602 cechuje się typową widmową gęstością napięcia szumów na poziomie 2,9 nV/√Hz, popularny NE5532 już 5 nV/√Hz, zaś bardzo przeze mnie lubiany TL072 aż 18 nV/√Hz, na co wpływ mają wejścia opatrzone tranzystorami JFET. Kiedy wchodziłem do świata audio kilkanaście lat temu, te proporcje były odwrotne i to z miażdżącą przewagą układów scalonych.
Często pomijanym dzisiaj parametrem jest PSRR, czyli współczynnik tłumienia zakłóceń przenikających z zasilania. Coraz więcej uwagi przywiązuje się do jakości zasilania stopni analogowych, co cieszy, lecz w tych szczególnie zaawansowanych i/lub wysokoczułych konstrukcjach warto mieć na uwadze ten parametr. W przypadku NE5532 wynosi typowo 100 dB, ale nie zawsze jest podawany w dokumentacjach układów dyskretnych. Istotny jest również jego rozkład w dziedzinie częstotliwości, bowiem często okazuje się, że układy mające pozornie wysoki PSRR w paśmie niskich częstotliwości nagle okazują się znacznie słabiej tłumić składowe o częstotliwościach rzędu kilku kiloherców i wyższych. To zaś stanowi otwartą furtkę dla zakłóceń pochodzących od przetwornic impulsowych, co w rezultacie daje wyraźne „syczenie” w głośnikach, bardzo trudne do zwalczenia.
I na koniec ostatnia cecha, która często jest pomijana lub niedokładnie opisana – stabilność przy niskim wzmocnieniu wypadkowym. Spotkałem się już w swojej pracy z układami, zwłaszcza dyskretnymi, które cechowało tak wysokie wzmocnienie w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, że ich praca w roli klasycznego wtórnika napięciowego nie była możliwa. To zaś wykluczało ich zastosowanie w niektórych miejscach układu. Warto więc szukać w opisach adnotacji typu „stability guaranteed for k ≥ 5”, żeby nie nadziać się na minę w postaci pięknego układu, który się wzbudza i za Chiny Ludowe nie daje się uspokoić…
Michał Kurzela, EP
Bibliografia:
