Сумматор каналов на ОУ. Теория и практика

Не раз обращал внимание на то, что радиолюбители применяют в своих схемных решениях неоправданно усложненные (на нескольких ОУ) или слишком упрощенные (на резисторах) сумматоры сигналов, например левого и правого каналов для сабвуфера.
В настоящей статье я предлагаю, как мне кажется, золотую середину. Простой, но эффективный сумматор на одном ОУ, лишенный недостатков своих вышеупомянутых «братьев». Построение суммирующих усилителей на основе ОУ подробно рассматривалось в различных источниках, посвященным схемотехнике ОУ. По этому цель этой статьи сделать «выборку», относящуюся только к сумматорам на основе операционных усилителей.



Это обычный инвертирующий усилитель, охваченый обратной связью через резистор R2. Первое, что бросается в глаза — это подключение неинвертирующего входа к земляному проводу. То есть потенциал в точке «В» равен нулю. Следовательно, как известно из теории операционных усилителей, потенциал в точке «А» так же будет нулевым (равен потенциалу земли). Отсюда вывод:

Iвх = Uвх-Uдиф/R1; и Iвых = Uвых-Uдиф/R2.

Если принять во внимание, что входное сопротивление ОУ (между входами усилителя) бесконечно большое (стремиться к бесконечно большому значению), то входные и выходные токи будут стремиться к значению бесконечно малому. То есть к нулю. А при равности входного и выходного тока (или, говоря грубо, его отсутствии) формулы приведённые выше можно прировнять между собой:

Uвх/R1 = Uвых/R2 или Uвых/Uвх = — R2/R1, или Кус = — R2/R1.

Поскольку неинвертирующий вход соединён с землёй напряжение Uдиф будет бесконечно мало получаем что потенциал инвертирующего входа так же стремиться к нулю. Отсюда имеем:

Iвх = Uвх/R1.

То есть, полное входное сопротивление устройства будет равно R1.

Наличие в точке «А» потенциала земли, позволяет подключать к схеме различное количество сопротивлений, работающих параллельно R1, что превращает инвертирующий усилитель в прекрасный сумматор.

По скольку точка «А», напомню, имеет потенциал земли (и токи стремятся к нулю), то имеем:

Uвх1/R1+Uвх2/R3 = 0

Отсюда:

Uвых = — (Uвх1 + Uвх2)

Резисторы не обязательно должны быть одинаковыми. Если они различны, то на выходе получим взвешенную сумму. Это явление используют, например, в микшерах, когда необходимо суммировать несколько сигналов от различных источниках и имеющих различные уровни. Количество смешиваемых источников, также, может быть различно.

Резюмируя всё выше сказанное повторюсь об основных особенностях суммирующего усилителя:

1. Имея на дифференциальном входе потенциал земли, токи каждого канала протекают только по «своим» сопротивлениям и не оказывают НИКАКОГО взаимного влияния. Следовательно обеспечивается великолепная межканальная развязка.

2. Коэффициент усиления каждого канала определяется отношением R2 к соответствующему сопротивлению в каждом канале. Следовательно, К усиления может быть и больше единицы (усиливать сигнал) так и меньше единицы (ослаблять сигнал).

3. Поскольку, как отмечалось выше, входное сопротивление суммирующего усилителя целиком определяется сопротивлениями R1, R3, это накладывает некоторые ограничения по выбору Кус и входных конденсаторов (если они необходимы).

Входной ток реальных ОУ не равен нулю. Падения напряжения, создаваемое на резисторах R1, R3 становятся причиной погрешности усилителя. Для устранения этого недостатка, неинвертирующий вход, обычно, соединяют с землёй не напрямую, а через резистор, сопротивление которого равно сопротивлению параллельно включенных резисторов R1, R2 (при R2 намного больше R1, можно принять равным R1).

Чем рассмотренный усилитель лучше чем, скажем, простейшего резистивного сумматора?

Посмотрим на рисунок 3.


Как видим, всё просто: токи левого и правого каналов протекают по «своим» резисторам R1и R2 и суммируются на нагрузочном сопротивлении R3 (В общей точке «А»). С точки соединения резисторов полученная сумма напряжений снимается и подаётся на следующий каскад усиления (с входным сопротивлением Rвх). Для того, чтобы токи обоих каналов протекали в одном направлении (слева направо) необходимо соблюсти следующие условия: Uвх1 и Uвх2 должны быть как можно больше, а R3 как можно меньше, для того чтобы приблизить потенциал в точке «А» к потенциалу земли. Это условие выполнить практически невозможно. В реальных условиях (на реальном сигнале) происходит следующее. При повышенном, скажем, Uвх1 и заниженном Uвх2 ток в точке «А» будет течь не только по R3, но и часть его потечёт через резистор R2. То есть создастся условие при котором происходит ухудшение условий суммирований.

Рассмотренный способ суммирования токов достаточно распространён, в силу своей простоты. Даже при объединении выходов предыдущих каскадов (на ОУ или транзисторах) в качестве R1 и R2 могут рассматриваться выходные сопротивления соответствующих каскадов, а в качестве R3, входное сопротивление последующего.

То есть любые попытки «улучшить» подобную конструкцию, приводят только к УМЕНЬШЕНИЮ взаимного влияния, но не к устранению недостатков. А вот ограничений и «неудобств» это приносит гораздо больше. По этому такие сумматоры представляют собой «сборище» компромиссов: Увеличение R1 и R2 приводит к улучшению межканальной развязки, но ослабляет сигнал на выходе. Тоже самое и с уменьшением R3. Применение же высокоомных сопротивлений требует от последующего каскада высокого входного сопротивления. Этот же каскад должен иметь завышенный Кус для компенсации ослабления сигналов в делителе.

При всей простоте реализации, резистивный сумматор имеет «врождённые» недостатки. По этому может быть применён в неответственных узлах, и требует от конструкторов особого внимания при согласовании каскадов.

На рисунке 4 представлена практическая схема индикатора уровня сигнала. Стрелочный и пиковый индикатор используется один, для левого и правого канала. Чтобы реализовать это на входе устройства используется сумматор на основе ОУ (DA1). Резисторы R1 и R2 выбраны достаточно большими, с целью облегчения согласования с предыдущими выходными каскадами. Конденсатор С1, образует с входными конденсаторами простейший Г-образный фильтр НЧ и ограничивает работу первого каскада устройства на уровне 15кГц. С этой же целью установлен и конденсатор С3. Конденсатор С2 устраняет постоянную составляющую сигнала.


На выходе DA1, с помощью R5 выставляется уровень переменного напряжения (на частоте 400 Гц) около 0,5V. Далее сигнал поступает на усилитель стрелочного индикатора и на пиковый индикатор.

На микросхеме DA2.2 реализован вольтметр переменного тока. Для устранения влияния постоянной составляющей на показания измерителя, на входе устройства применён разделительный конденсатор С6. Чтобы сохранить способность вольтметра измерять в области НЧ, ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя с сохранением большого входного сопротивления (равного R11). Применение диодного моста позволяет измерять как положительные, так и отрицательные полупериоды сигнала. А включение головки в цепь обратной связи линеаризует шкалу прибора. Общую начальную чувствительность каскада на DA2.2 можно отрегулировать подбором сопротивления R12.

Пиковый детектор собран на основе компаратора и особенностей не имеет. Резистивным делителем R9 R10 выставляется порог срабатывания устройства (около 0,25 v). При совпадении входного сигнала с пороговым, компаратор переключается и светодиод вспыхивает.

В устройстве были применены советские операционные усилители: в качестве DA1 — К140УД8, в качестве DA2 — К 157УД2. Но поскольку каких-либо требований к ОУ нет, то в устройстве работают практически любые ОУ. Единственное замечание — если использовать стрелочный достаточно высокой чувствительности (с малыми токами отклонения стрелки и шкалой высокого разрешения), в качестве DA2.2 желательно применить ОУ с как можно меньшим током смещения.

Используемая литература:
1. Журнал «Радио» № 4 1977 г. «Применение операционных усилителей» Стр. 37—39
2. П. Хоровиц, У. Хилл «искусство схемотехники». Гл., 4 «Обратная связь и операционные усилители».

Ну вот вроде бы и всё.
С уважением, Зотов Юрий.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации