Начало » Усилители » Усилители на микросхемах » Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда. Подписка на платы!

 
 
 

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда. Подписка на платы!

10.11.14   MVV   32 871   34  
Не мечтай, действуй!


Howland Current Pump. Особенность построения УМЗЧ настоящего проекта заключается в том, что его выходной каскад выполнен на микросхеме усилителя мощности LM1875 по схеме преобразователя напряжение – ток, а в целом усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью по напряжению с помощью маломощного операционного усилителя. В результате обеспечивается постоянство коэффициента демпфирования в рабочем диапазоне частот и достигается отсутствие «переключательных» искажений, свойственных двухтактным выходным каскадам класса АВ.

Отличительной чертой УМЗЧ является натуральность звучания с широкой номенклатурой акустических систем.

Токовая помпа Хоуленда

Принцип работы преобразователя напряжения в ток, известного как токовая помпа Хоуленда (Howland Current Pump), показан на рис. 1 [1 — 3]. Данный преобразователь давно знаком мне (неоднократно использовал в макетах научно – исследовательских разработок) как усилитель с отрицательной и положительной обратной связью. Его достоинством является то, что нагрузка заземлена.


Рис. 1. Реализация выходного каскада по схеме преобразователя напряжение-ток


Выходной ток в схеме равен Iвых=-R3Uвх/(R1R5). Если выполнить условие R5<<R4, R3=R4 и R1=R2, то выходное сопротивление будет определяться сопротивлением резистора R5, умноженным на относительный разбаланс моста R/Δ R (соответственно, R3 по отношению к R4 и R1 по отношению к R2):

Rвых=R5/(R/Δ R).

Как видим, чтобы получить небольшое выходное сопротивление требуется высокая точность резисторов моста. Если резисторы имеют отклонение от номинала 0,1%, то сопротивление R5=0,47 Ом будет трансформировано в эквивалентное выходное сопротивление не менее 470 Ом.

Таким образом, цепи обратной связи (положительной R2, R4 и отрицательной R1, R3) поддерживают постоянное соотношение между входным напряжением микросхемы DA1 и её выходным током (а не напряжением, как в классическом УМЗЧ!).

Разумеется, необходимо следить, чтобы выходное напряжение преобразователя напряжение-ток находилось в допустимых пределах:


Следует ожидать, что при таком схемотехническом решении не будут сказываться искажения типа «ступенька» выходного каскада, работающего в классе АВ.

Добавим композитности

Конечно, выходное сопротивление усилителя в 470 Ом совсем не впечатляет. Чтобы получить малое выходное сопротивление, применим ещё один операционный усилитель, который охватим общей компонентной отрицательной обратной связью (рис. 2).

Рис. 2. Функциональная схема УМЗЧ с токовой помпой Хоуленда


Общая ООС охватывает весь усилитель, включая входной каскад на маломощном ОУ DA1, и мощный преобразователь «напряжение-ток» на DA2. Коэффициент усиления по напряжению с входа усилителя составит Ku=1+R4/R3. Охват схемы общей ООС обеспечивает низкое выходное сопротивление (менее 0,05 Ом) во всем диапазоне рабочих частот усилителя. В результате стабилизируется коэффициент демпфирования нагрузки, который для Rн=4 Ом составит не менее 80, для Rн=8 Ом – 120.

Последнее позволяет надеяться на «всеядность» усилителя при работе с различными акустическими системами.
Поскольку каскад преобразователя напряжение-ток DA2 инвертирующий, то входы ОУ DA1 «поменялись» местами: инвертирующий вход стал неинвертирующим и наоборот.

Конденсатор C3 в цепи ООС DA1 формирует частоту среза АЧХ последовательно соединённых каскадов DA1, DA2, обеспечивая устойчивую работу с замкнутой петлёй общей ООС.

Цепь C1, R1 образует ФВЧ с инфранизкой частотой среза (1,2…1,8 Гц, см. часть 1 проекта), а ФНЧ С2, R2 предотвращает попадание в усилитель помех, лежащих вне звукового диапазона, его частота среза выбирается в пределах 210…230 кГц.

Полная схема усилителя

Полная схема усилителя изображена на рис. 3.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.


Фильтры верхних частот C1, R2 и нижних частот R3, C2 предотвращают попадание в УМЗЧ внезвуковых помех.

Входной каскад УМЗЧ собран на маломощном операционном усилителе DA1 по неинвертирующей схеме. На микросхеме усилителя мощности DA2 выполнен выходной каскад по инвертирующей схеме преобразователя напряжение – ток, известной как токовая помпа Хоуленда.

Цепи обратной связи преобразователя «напряжение – ток» образуют четыре сверхточных резистора R6…R9 (точность 0,1%) и датчик тока R11.

Последовательно включённые каскады на микросхемах DA1 и DA2 охвачены общей ООС через резисторы R10, R4.
Конденсатор С3 вместе с резистором R4 определяет нижнюю границу воспроизводимого усилителем диапазона частот.

Резистор R5 – конструктивный, включён между силовыми и сигнальными общими проводами. Он необходим для предотвращения выхода усилителя из строя при случайном отключении общего провода от источника сигнала.

Конденсатор С4 в цепи ООС ОУ DA1 служит для частотной коррекции последовательно соединённых каскадов на DA1 и DA2. Дополнительную устойчивость обеспечивает цепь Зобеля R12, C12.

Питание операционного усилителя DA1 осуществляется от размещённого на печатной плате усилителя мощности двухполярного источника питания напряжением ±15 В, выполненного на маломощных стабилизаторах положительной (DA3) и отрицательной (DA4) полярности.

Выходы маломощного двухполярного источника питания шунтированы конденсаторами С6, С7; между выводами питания ОУ DA1 включён плёночный конденсатор С5.

Цепи питания преобразователя напряжение – ток шунтированы оксидными конденсаторами С10, С11; для улучшения их свойств на высоких частотах параллельно включены плёночные конденсаторы С8, С9.

Итак, усилитель имеет следующие достоинства:
• Усилитель имеет равномерную АЧХ в диапазоне от 2 Гц до 70 кГц.
• Чистое звучание, как на малой, так и на большой громкости;
• Работа с акустическими системами, представляющими «неудобную» нагрузку для усилителя.


Усовершенствование усилителя

В дальнейшем я провёл небольшое усовершенствование усилителя: увеличил ёмкость конденсатора С3 почти в пять раз (до 220 мкФ). Эта казалась бы ненужная операция (ведь полоса пропускания и так составляет менее 2 Гц по уровню – 3 дБ) позволила снизить электролитические искажения, вызванные падением звукового напряжения на конденсаторе С3 и уровень шумов усилителя.

Итак, не следует забывать, что для минимизации искажений в оксидных конденсаторах, установленных в сигнальных цепях, следует в 5…10 раз увеличить их расчётные параметры по ёмкости и в 2…3 раза по рабочему напряжению.

Детали (на два канала усилителя)



Печатная плата

Размещение элементов на печатной плате усилителя показано на рисунке.
Исключён фрагмент. Полный вариант статьи доступен меценатам и полноправным членам сообщества. Читай условия доступа.


Монтаж элементов на печатной плате выполняют в последовательности: перемычки, резисторы, конденсаторы (неполярные, оксидные), цанговая панелька для микросхемы DA1, микросхемы, клеммники. Резисторы немного приподнимают над платой; для удобства выполнения работы используют полоску из картона или любого другого изоляционного материала толщиной 0,5…1 мм.

Файлы

Схемы и печатные платы можно взять тут.
Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.



Упомянутые источники

1. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 65 — 74.
2. Negro C., Russo V. The Solid – State Duo, Part 1, Part 2 //AudioXpress, №4, 2011, с. 6-14; №5, 2011 с. 6 — 15.
3. Дайджест // Радиохобби, 2011, №3, с. 21 – 24.

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда. Подписка на платы!

Старт подписки на печатные платы «2418»

Открываю подписку на платы «Howland». В лоте две заводских платы 55×85 мм.
Платы отличного качества, с паяльной маской, с утолщённой медью, надписями и пр. приятностями.
Цена зависит от вашей активности. Чем больше соберём заказов, тем дешевле.
10 лотов » 750,00 ₽ за 1 лот (2 платы)
25 лотов » 540,00 ₽ за 1 лот (2 платы)
50 лотов » 400,00 ₽ за 1 лот (2 платы)
100 лотов » 315,00 ₽ за 1 лот (2 платы)
Нам нужно собрать желающих на 100 лотов. Критический минимум — 25 лотов. Подтягивайте знакомых и друзей или заказывайте для них. Новички и кандидаты — участники подписок получают привилегированное членство (гражданство) на сайте.

Для подписки вносим 540 ₽ по ссылке с любой банковской карты или из Я.Кошелька. В примечании к платежу укажите ваш логин на Датагоре и название подписки. НЕ ПИШИТЕ слов типа «взнос», «заказ», «оплата» и т.п. Обязательно залогиньтесь и отметьтесь в комментариях.
Цена действительна только на время подписки. Доставка не включена.
Наберём желающих, закажем платы, тогда и по комплектухе порешаем.
Я планирую делать платы или киты для всех статей на Датагоре, так что поддержите начинание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

💰 Внимание! 800 рублей для новичков на Aliexpress 💰
Регистрируйтесь по нашей ссылке. Если вы впервые на Aliexpress - получите 800.00₽ купонами на свой первый заказ.
Владимир Мосягин (MVV)
Россия, Великий Новгород
Профиль MVV
Радиолюбительством увлекся с пятого класса средней школы.
Специальность по диплому — радиоинженер, к.т.н.

Автор книг «Юному радиолюбителю для прочтения с паяльником», «Секреты радиолюбительского мастерства», соавтор серии книг «Для прочтения с паяльником» в издательстве «СОЛОН-Пресс», имею публикации в журналах «Радио», «Приборы и техника эксперимента» и др.
 

Читательское голосование

Нравится

Статью одобрили 96 читателей.

Для участия в голосовании зарегистрируйтесь и войдите на сайт с вашими логином и паролем.
 

Поделись с друзьями!

 

 

Связанные материалы

 

Схема на Датагоре. Новая статья Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН... Не мечтай, действуй! Незабываемый кадр из незабываемого фильма. Сейчас Марти МакФлай вжарит!!! В...
Схема на Датагоре. Новая статья Новое звучание TDA2822M. Усилитель с изменяемым выходным сопротивлением... Известно, что повышение выходного сопротивления усилителя мощности звуковой частоты (УМЗЧ) способно...
Схема на Датагоре. Новая статья Реинкарнация компьютерных БП. Часть 3.... Из все тех же деталей компьютерного БП, используя абсолютный их минимум и не меняя практически...
Схема на Датагоре. Новая статья Реальный безтрансформаторный ламповый усилитель для низкоомных наушников по мотивам «Лаконика»... Безтрансформаторный ламповый усилитель для головных телефонов с максимальной возможностью...
Схема на Датагоре. Новая статья Программа расчёта регуляторов тембра «Timbreblock» by Е. Москатов... Программа для проектирования темброблока. Перед вами русская версия программы «Timbreblock 4»,...
Схема на Датагоре. Новая статья Сумматор каналов на ОУ. Теория и практика.... Не раз обращал внимание на то, что радиолюбители применяют в своих схемных решениях неоправданно...
Схема на Датагоре. Новая статья Малогабаритный «военный» трансформатор 400 Гц в преобразователе напряжения из 12 в 220 Вольт... Для уменьшения веса военной радиоаппаратуры применялась частота питающей сети 400 Гц. При этом...
Схема на Датагоре. Новая статья Лабораторный импульсный блок питания. Часть 5. Миниатюрный лабораторный ИБП... Несмотря на простоту схем импульсных блоков питания, описанных в предыдущих частях серии,...
Схема на Датагоре. Новая статья Низкоомные резисторы в эмиттерах транзисторов выходного каскада УНЧ... Из чего делать резисторы обратной связи в эмиттерах транзисторов выходного каскада УНЧ? Есть нихром...
Схема на Датагоре. Новая статья Автомат для разрядки и измерения реальной ёмкости аккумуляторов... Модульный вариант наглядного и точного измерителя Ампер-часов аккумуляторов, собранный с...
Схема на Датагоре. Новая статья Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 2... Привет! Продолжаем тему, поднятую в моей статье «Входной буфер и регулятор уровня громкости для...
Схема на Датагоре. Новая статья Входной буфер и регулятор уровня громкости для УМЗЧ. Часть 1... В усилителях мощности звуковой частоты (УМЗЧ), выполненных по схеме инвертирующего усилителя...
 

Общаемся по статье 💬

Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда. Подписка на платы!

Комментарии, вопросы, ответы, дополнения, отзывы

 

Назад Вперед
<
Читатель Датагора

OPet
Олег

  • Кандидат
Комментарий # 33 от 27-06-20, 11:31.
  • С нами с 13.03.2018
  • 1 комментарий
  • 0 публикаций
 
Добрый день!

В списке деталей ошибка:
написано "C10, C11 — Конд.220/35V 1013 +105C – 2 шт.,"
должно быть "C10, C11 — Конд.220/35V 1013 +105C – 4 шт.," - таких конденсаторов надо по 2 на каждую плату, а не всего 2.

<
Читатель Датагора

Datagor
Игорь Котов

  • Главный редактор
Комментарий # 34 от 27-06-20, 14:43.
  • С нами с 26.02.2006
  • 2 292 комментария
  • 275 публикаций
 
Олег, спасибо за внимательность, поправили. 👍

Назад Вперед
Информация
Вы не можете участвовать в комментировании. Вероятные причины:
— Администратор остановил комментирование этой статьи.
— Вы не авторизовались на сайте. Войдите с паролем.
— Вы не зарегистрированы у нас. Зарегистрируйтесь.
— Вы зарегистрированы, но имеете низкий уровень доступа. Получите полный доступ.