Загрузка...Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 1-10
Операционный усилитель. Руководство по применению. Глава 1-10
Операционный усилитель. Что нужно знать о входном токе смещения? Почему в схемах с операционным усилителем возникают колебания? Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…? Ответы на эти и многие другие вопросы содержатся в цикле статей руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ). Руководство написано Брюсом Трампом (Bruce Trump), проработавшим более 40 лет инженером-разработчиком аналоговой техники, который начинал работать в компании Burr-Brown. После приобретения в 2001 году компании Burr-Brown компанией Texas Instruments Брюс Трамп продолжил работу в обновленной компании.
Материал получен с сайта АО «КОМПЭЛ» — compel.ru.
Все руководство разбито на главы. Здесь будут описаны краткое описание каждой главы. Полные версии опубликованы на сайте compel.ru.
Оригинал на английском языке в формате pdf
ГЛАВА 1 – Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.
Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.
ГЛАВА 2 – Что нужно знать о входах rail-to-rail
Rail-to-rail ОУ чрезвычайно популярны и полезны при работе с малыми уровнями напряжений питания. Вместе с тем, необходимо понимать, чем приходится расплачиваться за возможность их использования. На рисунке 4 показан входной каскад rail-to-rail, который содержит по паре N-канальных и P-канальных транзисторов. P-канальные полевые транзисторы отвечают за работу с сигналами из нижней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного меньше отрицательного напряжения питания (или потенциала земли в случае ОУ с однополярным питанием).
N-канальные полевые транзисторы работают с сигналами из верхней части диапазона синфазных напряжений, в том числе – с теми, которые оказываются немного выше положительного напряжения питания. Дополнительные цепи (на рисунке 4 не показаны) определяют, какой из каскадов используется в данный момент. Большинство подобных двухкаскадных ОУ производства компании Texas Instruments (TI) разработано таким образом, что переключение между активными каскадами происходит при напряжении на 1,3 В ниже положительного напряжения питания. При более высоких значениях P-канальным транзисторам не хватает напряжения на затворе, и сигнал перенаправляется к N-канальным ключам.
ГЛАВА 3 – Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
Какое максимально близкое к нулю выходное напряжение могут обеспечить усилители с выходами rail-to-rail? В данном случае я говорю о КМОП-усилителях (CMOS op amp), которые часто используют в низковольтных схемах, когда требуется добиться максимального размаха выходного напряжения. Компания Texas Instruments обычно приводит характеристики для таких устройств в виде, показанном в таблице 1.
Таблица 1. Выходные характеристики усилителей типа Выходные характеристики усилителей типа rail-to-rail
| Параметр | Условия измерения | Минимальное | Типовое | Максимальное | Единицы измерения |
|---|---|---|---|---|---|
| Отличие выходного напряжения от значений напряжений питания | RL = 10 кОм | – | 15 | 25 | мВ |
| RL = 2 кОм | – | 35 | 50 | мВ |
ГЛАВА 4 – Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
Всякий, изучавший электронику, знаком с понятием напряжения смещения. Напряжение смещения операционного усилителя равно выходному напряжению в схеме с единичным усилением G = 1 (рисунок 9а). При выполнении моделирования для учета влияния напряжения смещения может быть использован дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный ко входу усилителя. В схеме с единичным усилением G = 1 это смещение передается напрямую на выход. В схеме с высоким коэффициентом усиления на рисунке 9б выходное напряжение составляет 1000 Vos. Так ли это? Почти, но не совсем. Понимание этого «не совсем» поможет разобраться с частыми ошибками в схемах с ОУ.
ГЛАВА 5 – SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
Не всегда очевидно, как напряжение смещения будет влиять на поведение схемы. Смещение по постоянному току легко симулировать с помощью специальных программ SPICE-моделирования, но макромодели операционных усилителей используют одно конкретное значение напряжения смещения. Чего же следует ждать при изменении этого параметра от устройства к устройству? В данном случае хорошим примером служит улучшенная схема источника тока (рисунок 11). В ней цепи обратной связи подключены одновременно к обоим входам, поэтому не сразу можно понять, как входное напряжение смещения (VOS) операционного усилителя будет влиять на величину выходной ошибки. OPA548 – мощный операционный усилитель с максимальным выходным током 5 А и напряжением питания до 60 В. Он часто используется в схемах источников тока. Рассмотрим, как максимальное напряжение смещения 10 мВ влияет на выходной ток схемы.
ГЛАВА 6 – Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
У новейших операционных усилителей выводы регулировки смещения отсутствуют, хотят раньше они были практически у всех ОУ. Это произошло по целому ряду причин, таких как появление более совершенных усилителей с меньшим смещением, разработка систем автокалибровки, стремление снизить затраты на сбоку и подстройку ОУ, миниатюризация корпусов для поверхностного монтажа. Все это привело к исчезновению выводов подстройки. Стоит отметить, что многие популярные ОУ до сих пор снабжены выводами коррекции напряжения смещения, однако разработчики начали забывать об особенностях их использования.
Самое простое правило: если вы не используете выводы коррекции напряжения смещения, то оставьте их неподключенными. Не подключайте их к земле.
ГЛАВА 7 – Входной импеданс против входного тока смещения
Когда я помогаю выбирать операционные и инструментальные усилители, то часто слышу фразу: «Мне требуется по-настоящему высокий входной импеданс».
На самом деле входное сопротивление редко доставляет настоящие проблемы. (Входная емкость, реактивная часть входного импеданса – другое дело). Вместо этого чаще всего требуется малый входной ток смещения (input bias current, IB). Да, эти параметры связаны между собой, но есть важные отличия. Давайте с ними разберемся.
Самая простая модель входа может быть представлена в виде схемы с параллельным включением источника тока (входной ток смещения) и входного резистора (рисунок 15). Наличие резистора приводит к тому, что ток меняется при изменении напряжения. Входной ток смещения – это входной ток, измеренный при конкретном входном напряжении, обычно – при напряжении средней точки.
ГЛАВА 8 – Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
ОУ с КМОП- и JFET-входами часто выбирают из-за их малого входного тока. Однако кроме строки в таблице параметров существуют дополнительные тонкости, о которых следует знать.
Затвор КМОП-транзистора (рабочий вход операционного усилителя) имеет чрезвычайно малый входной ток. Однако эти чувствительные входы должны быть защищены от электростатического разряда (ESD) и электрических перенапряжений (EOS) с помощью дополнительных схем, которые являются основным источником входного тока смещения. Эти схемы используют встроенные ограничительные диоды, подключенные к напряжению питания. В качестве примера на рисунке 17a представлена схема входного каскада OPA320. Диоды имеют небольшой ток утечки – порядка нескольких пикоампер. При входном напряжении вблизи средней точки их токи утечки довольно хорошо согласованы, а разница между ними не превышает 1 пА, что и определяет величину входного тока смещения усилителя.
ГЛАВА 9 – Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
В предыдущей статье я рассмотрел причины возникновения входного тока смещения в усилителях с КМОП- и JFET-входами, и обнаружил, что ими являются токи утечек обратно смещенных p-n-переходов. В заключении я предупредил, что эти утечки значительно увеличиваются с ростом температуры.
Ток утечки обратно смещенного p-n-перехода имеет сильную положительную температурную зависимость. Он практически удваивается при увеличении температуры примерно на каждые 10°C. Эта экспоненциальная зависимость ускоренно нарастает, как показано на нормализованном графике на рисунке 20. При 125°C величина утечки в 1000 раз больше, чем при комнатной температуре.
ГЛАВА 10 – Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
Используете ли вы дополнительный резистор для выравнивания сопротивлений на входах ОУ в вашей схеме? Рассмотрите схему, представленную на рисунке 22. Многим из нас советовали добавлять резистор Rb, выбирая его значение равным сопротивлению параллельного включения R1 и R2. Давайте проанализируем назначение этого резистора и рассмотрим, когда уместно его использование, а когда – нет.
Настройка BIAS в ламповом усилителе.
Настройка BIAS в ламповом усилителе.
Многие владельцы ламповых усилителей рано или поздно приходят к моменту замены ламп. Все бы ничего — очень многие производители строят свои ампы на лампах EL-34, позволяющих производить замену легко и без ковыряния внутри. Однако есть любители усилителей типично американского происхождения (Blues/Hot Rod Deville/Deluxe, Bassman, Princeton и иже с ними), в которых в качестве выходных ламп мощника стоятрадиолампы 6L6. В их числе и ваш покорный слуга. Как быть нам? Попробуем разобраться…
Компания Mesa Engineering, к примеру, избавляет своих пользователей от необходимости настройки усилителя после замены ламп — они просто продают подобранные и промаркированные фирмой именно к их усилителям лампы, но за это удобство вы платите дороговизной. Тоже вариант решения проблемы для конечного пользователя-музыканта, и неплохой.
Определение
Теперь разберёмся в том, как работают лампы в усилителе. У каждой лампы есть катод, сделанный из материала, который отдаёт электроны при нагревании. Эти электроны с отрицательным зарядом «минус», не сидят на месте и начинают толкаться, при этом распихивая друг друга. И вот на нашем нагретом катоде уже закипают электроны. Для них у лампы есть анод — это пластина с зарядом "+", она притягивает к себе электроны. Электроны летят в эту пластину и становятся частью движущегося напряжения в проводах и проводниках.
Если мы хотим, чтобы наша лампа усиливала напряжение переменного тока, а не выпрямляла его, превращая в постоянный, нам нужно контролировать число электронов, которые проходят через пластину. Для этого в лампе есть специальная решетка-электрод. Она из себя представляет небольшое сплетение проводов, обвитых вокруг катода, но при этом не прикасающихся к нему. Меняя напряжение на этой решетка, мы можем изменять её заряд. Таким образом, она либо притягивает их, либо не даёт электронам проскочить (зависит от напряжения на решетке). Итак, меняя напряжение на этой маленькой решетке, мы меняем напряжение на выходе. Маленькое изменение на входе даёт очень большое изменение на выходе. Вот так работает ваш усилитель.
Итак, с электронами и лампами мы разобрались. Теперь непосредственно к bias'у. По словарю:
Bias — напряжение смещения, (электрическое) смещение || подавать напряжение смещения, подавать смещение
Двигаясь через решётку, электроны её нагревают. Если число электронов, которые проходят через решетку, достигает определенного уровня, она перегревается и разрушается. Нашей лампе приходит конец. Если мы не хотим этого допусить, (а мы, конечно же, не хотим), существует такая вещь как настройка bias'а. Вот это-то и есть подстройка напряжения на той самой решетке. Напряжение смещения (bias voltage) — это источник равномерного напряжения, подаваемого на решетку с целью того, чтобы она отталкивала электроды, то есть она должна быть более отрицательная, чем катод. Таким образом регулируется число электронов, которые проникают сквозь решетку. Напряжение смещения настраивается для того, чтобы лампы работали в оптимальном режиме. Величина этого напряжения зависит от ваших новых ламп и от схемы усилителя. Таким образом, настройка биаса означает, что ваш усилитель работает в оптимальном режиме, что касается как и ламп, так и самой схемы усилителя.
Типы настройки BIAS
Еще один способ настройки — это катодный биас. Его принцип заключается не в постоянном напряжении, подаваемом на решетку. Вместо этого между катодом и землёй помещается резистор с большим сопротивлением. Это позволяет стабилизировать напряжение в лампе. Сама схема довольно сложная, поэтому описывать мы ее не будем. Но если вам интересно, можете поискать в сети статьи про «Cathode bias».
Фиксированный биас, как правило, используется в мощных усилителях, а катодный — в маломощных.
Автоматическое смещение обычно получается в результате протекания тока через резистор, включенный между катодом лампы и общим проводником схемы (т. н. «землей»). Примерами такого решения можно назвать VOX AC30, Laney LC30, Peavey Classic 20, Kustom Coupe’72, Matchless Chieftain (также Clubman, DC30) и т. д. Мой второй усилитель, Fender Blues Deluxe'90 также построен по такой схеме биаса.
Настройка тока смещения необходима для правильной работы усилителя с теми параметрами, которые задал для него производитель. Именно его правильная работа и даст вам тот самый звук, ради которого вы амп и покупали. Вдобавок ко всему, правильный режим работы ламп продлевает им жизнь.
Лампы
Многие известные гитаристы прошлого сознательно разгоняли свои ампы до пределов, лампы в загнанном режиме работали по 6-7 часов и умирали — но благодаря этому мы слышим звуки их гитар, которые стали легендой. Увы, не всем такая роскошь в экспериментах не по карману. Вслед за умершими лампами вполне может слететь и еще N-ное количество элементов схемы. Обилие всевозможных примочек также избавляет вас от необходимости насиловать усилитель для получения нужного звука. Если вы не являетесь квалифицированным электронщиком, такие эксперименты стоит забыть — напряжение анода на лампах как правило выше 300 вольт, и вы рискуете как минимум (если вы достаточно везучи) испортить свое здоровье, а как максимум — усилитель вас просто убьет, и поставят вам его вместо памятника. У «классических» усилителей Marshall 2203 и SuperLead регулятор смещения расположен внутри шасси, причем так, что при его вращении отверткой легко по неосторожности угодить рукой в анодный выпрямитель — а там ни много ни мало, 460 вольт.
Поэтому если ваш усилитель звучит недостаточно объёмно или слишком трудно перегружается, смена ламп и настройка биаса в принципе могут помочь. Однако, если этого не произошло, вместо того, чтобы разгонять усилитель при помощи экстремальных режимов стоит подумать о том, чтобы купить другой усилитель, который изначально вам будет нравиться без всяких настроек. Если же вы техник-маньяк, помните. что производители не просто так проектируют свои усилители. Есть причины, почему они должны работать с определенными параметрами.
Конкретный пример
Далее работу производим в следующем порядке:
1. Выключаем усилитель, вынимаем кабель питания из розетки. Если вы пользовались усилителем, то оставьте его на 10 минут, чтобы лампы остыли, а также уничтожилось остаточное напряжение. Во избежание повреждения ламп, нельзя проводить дальнейшие действия, пока они не остыли.
2. Откручиваем заднюю панель усилителя. Откручиваем винты на верхней и нижней панелях усилителя, соединяющие кабинет и шасси. Отсоединяем кабель, соединяющий усилитель и динамик; это нужно для предотвращения повреждения кабеля пока вы двигаете шасси. Затем вытаскиваем шасси усилителя, двигая его к себе. Некоторые усилители имеют вынесенный наружу подстроечный потенциометр, который облегчает настройку смещения. В Fender Super Champ потенциометр настройки смещения (BIAS) находится на шасси.
3. Подключаем спикерный кабель сразу после того, как получите доступ к шасси. Для замера смещения необходимо, чтобы все было подключено к усилителю (да и ко всему, амп без нагрузки включать нельзя во избежание перегрева выходного трансформатора и выхода его из строя).
4. Включите питание усилителя. Для настройки тока смещения необходимо, чтобы питание шло по усилителю. На этой стадии необходимо проявлять крайнюю осторожность.
5. Подсоединяем черный щуп вашего мультиметра к шасси усилителя. Шасси – это самое безопасное место для заземления. В случае с Super-Champ так называемый bias test-point находится на ножке резистора R20 (к примеру, в ампах Hot Rod Deville/Deluxe или Blues Delux Reissue тест-пойнт так и подписан: BIAS Test point, так что не ошибетесь).
6. Проверяем показания мультиметра. Правильно отстроенный Fender Super Champ должен показывать 40 милливольт.
Вручную отрегулируем синий потенциометр смещения, расположенный справа на шасси для настройки смещения ламп, и заново проверим показания мультиметра. Это непростой процесс, и обычно на это необходимо несколько попыток. Подстроечный потенциометр сбалансирует ток на каждой лампе, чтобы они получали равную нагрузку. Если вы не можете настроить смещение в 40 милливольт, значит вам попалась бракованная лампа. В этом случае отключите питание, замените все лампы, и попробуйте снова. Важным уточнением является следующее: в рамках гарантийной договорённости разрешается использовать только типы ламп, разрешенные производителем устройства. Если количество выходных ламп больше 1, разрешается использовать только подобранные (matched) комплекты!
Для тех, кто планирует частую смену ламп и хочет экспериментировать с лампами разных производителей, будет удобен вот такой зонд-переходник:
7. Отсоединяем контакты мультиметра от шасси, отключим питание и отсоединим спикерный кабель. Задвигаем шасси на место и заново подключаем спикерный кабель. Закручиваем 4 винта на верхней панели кабинета. Работа окончена! Let the guitar ring!
Возможные проблемы, связанные с неисправностью ламп в усилителе, описаны в этой статье. Также приведены методы диагностики конкретных вакуумных элементов, рекомендуемые Mesa Engineering.
Whit3rd
Для стабилитрона необходимо учитывать три значения из таблицы данных; один — это ограничение мощности, связанное с пакетом; во-вторых, рекомендуемый ток смещения. В-третьих, это динамический импеданс (эквивалентное сопротивление для слабых сигналов при смещении). Ток смещения в приведенной выше схеме равен нулю, поэтому на самом деле он вообще не регулируется на уровне 4,7 В.
Точность напряжения на катоде стабилитрона определяется двумя параметрами: один — это отклонение от единицы к единице, разрешенное производителем, другой — изменение тока (если таковое имеется), потребляемого стабилитроном, умноженное на динамический импеданс диода.
Для стабилитрона 4,7 В напряжение на клеммах 0,5 В указывает на то, что тока смещения недостаточно для достижения стабилизации. 1N4732A — это типичный стабилитрон на 4,7 В, и при смещении 53 мА (источник 24 В и резистор 360 Ом, 1 Вт) его эквивалентное сопротивление составляет около 8 Ом.
Это делает его хорошим регулятором выходного напряжения, поскольку колебания напряжения питания 24 В возникают только через более высокое (360 Ом) сопротивление, чем значение 8 Ом. Он также расходует довольно много электроэнергии, поэтому важна мощность резистора 1 Вт.
Этот диод с воздушным охлаждением может потреблять до 1 Вт, поэтому ток смещения может быть увеличен до 200 мА, позволяя подавать на нагрузку от нуля до 150 мА, оставаясь при этом «хорошим» регулятором. Однако это будет означать подтягивающий резистор около 100 Ом, рассчитанный на 4 Вт.
Оптимизация расстояния между витками катушки индуктивности
При разработке электромагнитных катушек может потребоваться настроить положение витков, чтобы обеспечить магнитное поле желаемой величины в определенной области в пространстве. Это можно сделать в программном пакете COMSOL Multiphysics® при использовании функционала модулей AC/DC и Оптимизация для совокупной оптимизации параметров и формы. Давайте разберем такую постановку подробнее.При разработке электромагнитных катушек может потребоваться настроить положение витков, чтобы обеспечить магнитное поле желаемой величины в определенной области в пространстве. Это можно сделать в программном пакете COMSOL Multiphysics® при использовании функционала модулей AC/DC и Оптимизация для совокупной оптимизации параметров и формы. Давайте разберем такую постановку подробнее.
Исходная модель катушки и постановка задачи оптимизации
Предположим, что наша задача — разработать такую катушку, при которой величина магнитного поля на отрезке осевой линии будет максимально близка к целевой величине. Как мы уже обсудили в предыдущей статье, этого можно добиться, задав разные значения тока, протекающего по каждому витку катушки. Однако для это подразумевало добавление в физическую модель отдельных элементов управления током для каждого витка. Вместо этого можно использовать источник для всей катушки и менять расстояние между витками катушки в осевом направлении.
Осесимметричная катушка с десятью витками. Цель задачи — изменить магнитное поле на отрезке осевой линии (выделен зеленым цветом).
Исходная геометрия катушки и постановка задачи показаны на рисунке выше. Осесимметричная катушка с десятью витками питается от единого источника тока: по каждому витку идет один и тот же ток. В исходной модели витки катушки диаметром 1 см расположены на одинаковом расстоянии S = 4 см друг от друга. Используем оссеметричную постановку с дополнительной симметрией, т.к. нас интересуют только решения, симметричные на плоскости z = 0.
Схема расчетной области для модели. Мы будем менять положение пяти витков и проходящий через катушку ток.
Цель нашей оптимизации — сделать осевую компоненту магнитного поля (Bz) наиболее близким к целевому значению B вдоль отрезка осевой линии, меняя ток через катушку и z-координаты пяти витков. Каждый виток может смещаться на pm Delta Z_
Формально и математически все наши утверждения можно записать следующим образом:
Решим эту задачу путем совокупной оптимизации параметров и формы с помощью интерфейсов Optimization (Оптимизация) и Deformed Geometry (Деформированная геометрия) в COMSOL Multiphysics.
Настройка и решение задачи оптимизации в COMSOL Multiphysics®
Можно начать с рассмотрения разработанной ранее модели, в которой выполняется схожая оптимизация для достижения определенного значения магнитного поля вдоль оси. Мы также используем аналогичные настройки: интерфейс Optimization (Оптимизация) и опцию Integral Objective (Интегральная целевая функция), назначение которых описано в предыдущей статье. Затем используем два узла Global Control Variable (Глобальные контрольные переменные). В первом описываем пределы для смещений каждого из пяти витков, а с помощью опции Control Variables Scaling (Масштабирование управляющих переменных) перенормируем их так, чтобы они были близки к единице. Во втором узле Global Control Variables аналогичным образом задаем настройки для контрольной переменной тока.
Определения переменных, управляющих положением пяти витков.
Пять управляющих переменных, показанных на снимке экрана выше, определяют смещения витков и небольшой квадратной области вокруг каждого витка, показанной зеленым цветом на следующей иллюстрации. Поскольку эти зеленые области перемещаются вверх и вниз, окружающие их желтые области должны подстраиваться, растягиваясь и сжимаясь, в то время как внешняя окружающая голубая область будет оставаться неизменной. Т.к. нам известно смещение зеленых областей, мы можем задать линейное изменение смещения вдоль всех красных ребер. Эту линейную вариацию смещения удобно определять с помощью математического интерфейса Coefficient Form Boundary PDE, что подробно описано в одной из предыдущих статей корпоративного блога COMSOL о моделировании поступательного движения.
Схематическое деление геометрии на области с различными деформациями.
Сведения об заданных смещениях различных областей задаются с помощью интерфейса Deformed Geometry (Деформированная геометрия), как показано на снимке экрана ниже. Условия типа Prescribed Deformation (Заданная деформация) смещают зеленые области, а желтые области подстраиваются и деформируются из-за наложенного условия Free Deformation (Свободная деформация). Граничные условия Prescribed Mesh Displacement (Заданное смещение сетки) применены к черным и красным ребрам и однозначно доопределяют деформации желтых областей.
Управление смещениями витков катушки с помощью условия Prescribed Deformation (Заданное смещение) в интерфейсе Deformed Geometry (Деформированная геометрия).
С помощью такой настройки через интерфейс Deformed Geometry (Деформированная геометрия) пять управляющих переменных для положений витков теперь определяют задачу оптимизации формы (shape optimization). Ранее мы уже обсуждали задачи оптимизации формы, рассматривая более общую постановку из области механики конструкций. При оптимизации формы можно воспользоваться функционалом COMSOL Multiphysics по анализу чувствительности (Sensitivity-анализу) при изменяющихся геометрических параметрах.
Следует также определить набор Global Inequality Constraints (Глобальных ограничений в виде неравенства), чтобы зеленые области, окружающие витки, не были расположены слишком близко друг к другу и не пересекались. Это показано на следующем снимке экрана. Помните о том, что ограничение масштабируется на величину зазора G, поэтому уравнение ограничения мы также сформулируем через нормировку и единицу.
Одно из четырех ограничений, не позволяющих виткам сближаться и накладываться друг на друга.
Ввиду значительных деформаций, которые могут возникнуть в растягивающихся и сокращающихся областях вокруг витков, целесообразно также использовать структурированную сетку типа Mapped.
Структурированная сетка типа Mapped используется в деформируемых областях вокруг витков. Для области c Infinite Element Domain также используется Mapped-сетка.
Теперь можно решить эту задачу с помощью градиентного оптимизационного алгоритма (SNOPT), используя преимущества определения деформаций через Deformed Geometry, что дает возможность использовать аналитические выражения для градиентов. В процессе оптимизации ток, протекающий по катушке, и положения витков меняются, чтобы минимизировать упомянутую выше целевую функцию. Результаты оптимизации показаны на следующем рисунке.
z-компонента плотности магнитной индукции вдоль осевой линии для оптимизированной конструкции катушки.
Оптимальные положения витков.
Заключение
Мы представили модель, в которой сочетается оптимизация формы и параметров для регулировки тока в катушке и интервала между витками в двухмерной осесимметричной катушке. Используя интерфейсы Optimization (Оптимизация) и Deformed Geometry (Деформированная геометрия), мы аналитически рассчитали градиенты для данной задачи и быстро провели оптимизационное исследование.
Параллельное включение ламп или независимая регулировка смещения.
Многие усилители имеют независимые регуляторы смещения, как было показано на рисунке выше. Аналогично при параллельном включении ламп. Прибор может быть модифицирован для работы с независимыми регуляторами смещения :
Напряжение на каждом резисторе Rs является входным для компараторов и сравнивается с опорным. Установив по измерителю одинаковый ток покоя выходных ламп, мы по существу добьемся балансировки каскада.
Для параллельного включения ламп можно подключить компараторы к каждой лампе, используя общий источник опорного напряжения.
Статья подготовлена по материалам журнала «AudioXpress».
От главного редактора: весьма простая, компактная и полезная конструкция для счастливых обладателей ламповых усилителей. Кстати, этот измеритель можно встроить даже во всенароднолюбимый одноламповый усилитель Манакова (на 6Ф3П) в варианте с фиксированным смещением.
Подключив на вход измерителя вместо датчиков тока резистивный делитель, можно контролировать анодное напряжение усилителя.
Так как выходы компараторов логические, то ими можно управлять, к примеру, реле, отключая усилитель при перегрузках или нештатных ситуациях.
Базовые токи $Q_1$ и $Q_4$
Итак, теперь мы здесь. Все, что вам нужно сделать, это понять, что в цепях должны быть хотя бы небольшие базовые токи в $Q_1$ и $Q_4$ которые погружены снаружи к земле. Если привязать одно из оснований к земле с помощью $10:text
Номинально в этом случае, когда базовые токи примерно одинаковы, но там, где эти токи должны пропускаться через резисторы со значениями, которые на порядок отличаются, это должен быть случай, когда есть небольшая разница напряжений на базах $Q_1$ и $Q_4$ . Поскольку эмиттеры $Q_2$ и $Q_3$ связаны друг с другом, это будет означать, что разность напряжений приводит к экспоненциальной разнице хвостовых токов. И это будет преобразовано в выходное напряжение, которое смещено от номинала на некоторый довольно высокий коэффициент трансимпеданса. Отзывы, конечно же, могут помочь исправить эту ошибку. Но это проблема, которую можно избежать. Так что вам следует избегать этого.
Короче говоря, каждый операционный усилитель имеет на входе дифференциальный усилитель.
Таким образом, каждому транзистору необходим «базовый» ток (входной ток смещения) для работы в качестве усилителя.
Так, например, в инвертирующем усилителе (когда $V_
Но мы можем удалить это смещение постоянного тока, если сумеем довести разницу напряжений между входами до $V_ <+>— V_ <->= 0V$
Мы можем сделать это, если выберем $R_3$ номинал резистора так, чтобы $R_3 = R1||R_2$
Эту в остальном простую идею трудно понять из-за странной техники смещения, используемой во входных дифференциальных каскадах операционных усилителей. В то время как классическое смещение происходит сбоку от входа (базы) , здесь смещение реализуется сбоку от выхода (эмиттеры) . Это еще одна тема, но все же следует упомянуть, что этот трюк здесь возможен, поскольку напряжение общего узла между соединенными эмиттерами фиксировано в дифференциальном режиме (мы не можем использовать его в каскаде с одним общим эмиттером, поскольку напряжение эмиттера будет следовать за базовое напряжение и усиления не будет).
Таким образом, источник постоянного тока смещения заставляет транзисторы настраивать их общее напряжение эмиттера так, чтобы пропускать ток эмиттера смещения 1/2. С этой целью они регулируют свои бета- кратные базовые токи, которые вырабатываются тем же источником тока эмиттера.
Но эти входные токи смещения должны куда-то уходить. И дизайнеры выбрали необычное решение — пропускать токи через источники входного напряжения . Для этого они должны быть «гальваническими» (проводящими); в противном случае они должны быть зашунтированы элементами (с высоким) сопротивлением, чтобы обеспечить прохождение тока смещения.
Итак, такая ситуация — входные токи смещения протекают через источники входного напряжения и их внутренние сопротивления . Если есть дополнительные резисторы, включенные последовательно (как в случае), токи смещения также будут проходить через них. Вы можете увидеть это на простейшей дифференциальной паре (в принципе, это одна и та же конфигурация). Рассмотрим сначала случай с одинаковыми источниками входного напряжения, но без базовых резисторов (рис.1):
Рис. 1. Простейшая дифференциальная пара с эмиттерным резистором и без базовых резисторов (это не самая красивая принципиальная схема в мире . но она все равно работает 🙂
Базовые токи смещения Ib1 и Ib2 представлены на рис. 1 тонкими петлями синего цвета. Как видите, они создаются отрицательным источником питания -V. Токи протекают через Re и Vin и входят в базы (Re заменяется в каскаде операционного усилителя сложной схемой понижающего напряжения).
Рассмотрим, например, текущий Ib2. Обратите внимание, что Vin2 и -V подключены последовательно. Таким образом, когда Vin2 положительный, он добавляется к -V и полученное напряжение (-V + Vin2) создает Ib2; когда Vin2 отрицателен, оно вычитается из -V, и результирующее напряжение (-V — Vin2) создает Ib2. Таким образом, Ib2 всегда входит в базу, когда Vin2 изменяется от -V до + V. Его величина почти постоянна в каскаде операционного усилителя, потому что Re заменяется элементом постоянного тока (транзистором) с хорошим «податливым напряжением».
В результате токи смещения «создают», согласно закону Ома V = IR, падение напряжения на резисторах. Они постоянны, поскольку и ток, и сопротивление постоянны. Таким образом, мы можем думать об этих резисторах как о «батареях» с постоянным напряжением, которые подключены последовательно к переменным входным напряжениям. В зависимости от полярности эти напряжения будут добавляться или вычитаться из входных напряжений; таким образом, они «сдвигают» изменяющиеся входные напряжения на некоторую небольшую постоянную величину.
Теперь рассмотрим случай с нулевым входным напряжением, но — одно из них «идеальное», а другое реальное. Например, левый вход (база T1) напрямую заземлен, а правый вход (база T2) заземлен через резистор RB:
Рис. 2. Дифференциальная пара с эмиттерным стоком тока и базовым резистором RB2 в комплекте.
Я объяснил эту концептуальную схему в аналогичном вопросе — Почему добавляется падение напряжения, создаваемое источником тока?
Рис.3: Принципиальная принципиальная схема операционного усилителя с входными pnp-транзисторами (LM 324)
Рис.4: Концептуальная принципиальная схема операционного усилителя с входными npn-транзисторами (LM 741)
Мы можем регулировать напряжение, «производимое» этими «батареями», изменяя сопротивление (мы не можем изменить ток, поскольку он устанавливается внутренним источником тока смещения в эмиттерах).
В схеме OP падение напряжения создается I- на R1 || R2, которое добавляется к Vin-. Чтобы компенсировать это, мы должны добавить такое же падение напряжения к Vin +; поэтому мы включаем резистор R3 с тем же номиналом (R1 || R2) последовательно к Vin +.
Итак, это простая электрическая схема из двух источников (напряжения и тока) и резистора, в которой комбинацию источника тока и резистора можно рассматривать как еще один, но постоянный источник напряжения, подключенный последовательно к источнику переменного входного напряжения .
Это схемное решение используется во внутренних структурах операционных усилителей (например, в Widlar 709) для «сдвига» изменений напряжения на выходе входных каскадов.
