» » » Сумматор каналов на ОУ. Теория и практика.

 
 
 
3

Сумматор каналов на ОУ. Теория и практика.

Разместил yura 30 мая 2008. Просмотров: 52 760

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.

Для понимания процессов рассмотрим схему, представленную на рисунке 1.

Рис 1.
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.

Рис 2.

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.

Рис 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 не возможно. 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.

Рис 4.


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 1977г. «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.
Юрий (yura)
Ц.Ф.О. Рязань
Профиль yura
Живу в нескольких километрах от Рязани.
Работаю в самой Рязани на нефтезаводе. Начальник участка компрессорных установок.
Радиолюбительством занимаюсь с 1989г.
Основные направления интересов: усилители (предварительные, оконечные) и то что с ними связано; устройства обработки звука;аналоговая запись; радиоприём; ну и остальное по-немножку.
 

Понравилось? Палец вверх!

  • всего лайков: 31

Поделись с друзьями!

Связанные материалы:


Схема на Датагоре. Новая статья Слово на букву "з" или Как оторвать ваше аудио от земли (by Bruno Putzeys)... Слышали ли вы о Bruno Putzeys, человеке и пароходе? Это тот самый дядька, который изобрел...
Схема на Датагоре. Новая статья LM386, KA386, КР1438УН2 – «чемпион» среди аудиоусилителей... Разговор пойдёт об очень распространённой интегральной схеме (ИС) звукового усилителя мощности...
Схема на Датагоре. Новая статья Кремний против германия в усилителях одинаковой ретро-структуры и новый германиевый кит в конце... Германий превыше всего? Да здравствует эксперимент! Предлагаемый стереофонический усилитель...
Схема на Датагоре. Новая статья Двухтактный ламповый усилитель на 6П3С по мотивам Нобу Шишидо... Очень удачный двухтактный усилитель на лампах 6П3С. Эти лампы незаслуженно отнесли в разряд...
Схема на Датагоре. Новая статья Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда в выходном каскаде УМЗЧ... Не мечтай, действуй! Особенность построения УМЗЧ настоящего проекта заключается в том, что его...
Схема на Датагоре. Новая статья Сделай сам простой активный фильтр для двухполосного усилителя... В статье речь пойдет об активном фильтре для двухполосного усилителя. Фильтр не нуждается в...
Схема на Датагоре. Новая статья Простое управление тиристором... Предлагаю для любителей схемку, которую «открыл» (для себя) сам. Случилось это, когда искал...
Схема на Датагоре. Новая статья Усилитель на К174УН7 (A210K, ТBА810AS, LA4420) с уменьшеным уровнем искажений... Да, это старая-добрая К174УН7 (аналог A210K ТBА810AS, LA4420 ), но на ней при небольшой мощности 4...
Схема на Датагоре. Новая статья Блок питания с защитой по току для наладки усилителей и пр. радиоконструкций... Нередко при ремонте или создании нового усилителя возникает проблема безопасной проверки его...
Схема на Датагоре. Новая статья Полупроводники. Часть третья: Полупроводниковые диоды.... Вот, наконец и сами полупроводники, так сказать, собственной персоной! Начнем с диодов и им...
Схема на Датагоре. Новая статья Аудио усилитель MF-1 на TDA7294/93 с гибридной ООС... Давно обещанный результат моей разработки в области токового управления – инвертирующий полу-ИТУН с...
Схема на Датагоре. Новая статья Операционные усилители. Ч.1 Теория, типовые включения... Источник: Радиокот.ру Представляю вашему вниманию статью про операционные усилители (ОУ). Надеюсь...
<
  • Гражданин
8 апреля 2015 02:01

Рома / RINDIG

Цитата
  • С нами с 9.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 37 комментариев
  • 2 публикации
 
  • 0
О какой межканальной развязке идет речь ?
Мы же наоборот стерео канал специально смешиваем в моно.
Я хочу попробовать на резисторах. Поэтому надо выяснить недостатки.

<
  • Главный редактор
8 апреля 2015 15:19

Игорь Петрович Котов / Datagor

Цитата
  • С нами с 25.02.2011
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 1 651 комментарий
  • 265 публикаций
 
  • -1
Рома, мы смешиваем, но нужно исключить взаимовлияние, взаимопроникновение сигналов по входу сумматора.
Иначе у вас получится "смешанный" сигнал не только для саба после сумматора, но и до сумматора.
Потеряете разделение каналов на ЛК и ПК.

У сумматоров на резисторах никаких особых недостатков нет, кроме больших потерь полезного сигнала.

Применение ОУ в инвертированном включении, описанное в статье, снимает оба вопроса.

<
  • Гражданин
12 апреля 2015 15:45

Рома / RINDIG

Цитата
  • С нами с 9.03.2010
  • Ушёл в реал Пользователь offline
  • 37 комментариев
  • 2 публикации
 
  • 0
Соединил стерео канал между собой в моно через резисторы 1.5 ком
Получилось хорошо, громкость не упала и разделение канала хорошее.
Стерео картинка большая.

Вот например было разделенеие стерео 60 дб, сколько теперь могло стать ? насколько оно ухудшается ?

Добавление комментария


Налетай! Паяльники, станции, жала с доставкой
  • smilelolbyewinkyahoocoollaughing
    crazybadcryingsadirefulsickstraight
    ballooncakegooddrinksmailbombsun
    nightrainstarscolddashguitar-manhandshake
    musicnegativenopardonshoksleepunknown
    wackoyawnblushbullyhashsmokingwhew
Скопируйте текст вашего комментария на случай неверного ответа на контрольный вопрос.