Brückenverstärker für Single-Supply-Anwendungen

Verstärkerschaltungen: Aufbau, Funktionsweise, Berechnung (Juli 2019).

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Anonim

Brückenverstärker für Single-Supply-Anwendungen


Dieser Artikel beschreibt die Brückenverstärker-Konfiguration und erklärt, warum es besonders praktisch ist, wenn Sie keine negative Spannungsversorgung haben.

zusätzliche Informationen

  • Einführung in Operationsverstärker
  • Sinusförmige stationäre Leistungsberechnungen

Why Single Supply "// www.ti.com/lit/ml/sloa091/sloa091.pdf" target = "_ blank"> 46-seitige Publikation (PDF), die ausschließlich für Operationsverstärker-Schaltungen mit einer einzigen Versorgung bestimmt ist.

Anmerkung: Es gibt kein Gesetz, das besagt, dass ein Doppelversorgungssystem positive und negative Versorgungsspannungen haben muss, die gleich groß sind (dh symmetrisch). Symmetrische Versorgungen sind jedoch die Norm bei Verstärkerschaltungen, und eine Erörterung von Zweifachversorgungs- oder Aufteilungsversorgungssystemen kann die Annahme beinhalten, dass die Versorgungsspannungen symmetrisch sind.

Der Brückenverstärker

Eine Sache, die in einer Umgebung mit einer einzigen Versorgung schwierig sein kann, ist die Erzeugung von Hochleistungs-AC-Ausgangssignalen. Werfen wir einen Blick auf eine Schaltung, die bei dieser Aufgabe helfen kann:

Wie Sie sehen können, wird das Eingangssignal zwei Operationsverstärkern zugeführt, von denen der eine nichtinvertierend und der andere invertierend ist; Die Widerstände sind so gewählt, dass beide Verstärker die gleiche Verstärkungsgröße haben. Die Last ist zwischen die Ausgänge der beiden Verstärker geschaltet; Beachten Sie, dass die Last "floating" ist, dh sie hat keine direkte Verbindung zum Masseknoten. Wie Sie wahrscheinlich schon herausgefunden haben, führt der Brückenverstärker zu einem zweifachen Anstieg der Spannung an der Last:

Der hier gezeigte Standard-Brückenverstärker ist keine Einzelversorgungsschaltung. Beide Operationsverstärker haben einen Eingangsanschluss, der auf Masse bezogen ist; Somit würde ein massebezogenes sinusförmiges Eingangssignal beide Operationsverstärker dazu zwingen, negative Ausgangsspannungen zu erzeugen, und dies ist natürlich ziemlich unmöglich, wenn der negative Versorgungsstift des Operationsverstärkers mit Masse verbunden ist.

Die Single-Supply-Version

Die folgende Schaltung passt die Brückenkonfiguration an eine Single-Supply-Umgebung an:

Die wesentliche Eigenschaft einer Operationsverstärkerschaltung mit einer einzigen Versorgung ist die Vorspannung, die eine Referenz für die mittlere Versorgung erzeugt (ebenso wie das Massepotential als eine Bezugsquelle für die mittlere Versorgung in Systemen mit doppelter Versorgung dient). Die Vorspannung muss nicht in der Mitte der Versorgungsspannung liegen, aber dies ist die übliche Wahl bei sinusförmigen Signalen, da eine Mittelversorgungs-Vorspannung dafür sorgt, dass das Ausgangssignal die gleiche Fähigkeit hat, "positiv" und "negativ" zu schwingen (" positiv "Bedeutung oberhalb der Vorspannung und" negativ "bedeutet unterhalb der Vorspannung).

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Operationsverstärkerschaltung mit einer einzigen Versorgung vorzuspannen. Der geradlinigste Ansatz ist meines Erachtens der im obigen Diagramm gezeigte - Sie konfigurieren die Schaltung als invertierenden Verstärker und wenden V BIAS an die positive Eingangsklemme an. Deshalb verwendet der Single-Supply-Brückenverstärker zwei invertierende Verstärker, während der Standard-Brückenverstärker einen nichtinvertierenden Verstärker und einen invertierenden Verstärker verwendet.

Die Vorspannung eines nicht invertierenden Verstärkers ist umständlich - egal, ob Sie die Vorspannung an den positiven oder negativen Eingangsanschluss anlegen, die Beziehung zwischen der Vorspannung und der Ausgangsspannung ist im Vergleich zu der der invertierenden Konfiguration komplexer. Wenn Sie einen Widerstandsteiler verwenden, um die Vorspannung zu erzeugen, interagieren die Widerstände in einem nicht invertierenden Verstärker mit den Widerständen im Teiler und machen dadurch Ihr Leben noch komplizierter als es bereits ist. Die invertierende Konfiguration ermöglicht es Ihnen, die Vorspannung direkt an den Eingangsanschluss der sehr hochohmigen Operationsverstärker anzuschließen. Somit können Sie einen Widerstandsteiler verwenden, ohne Angst zu haben:

Schließlich haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass der Eingang zu einem der Operationsverstärker nicht aus dem Eingangssignal selbst, sondern aus dem Ausgang des anderen Operationsverstärkers genommen wird. Der ganze Punkt des Brückenverstärkers besteht darin, sowohl ein invertiertes als auch ein nichtinvertiertes Ausgangssignal zu erzeugen, und somit ist die kaskadierte Verstärkeranordnung eine einfache Lösung für das Problem, zwei invertierende Verstärker zu haben.

Mehr Spannung → Mehr Leistung

Mit dem Brückenverstärker sind zwei wesentliche Vorteile verbunden. Der erste, den wir besprechen werden, ist folgender: Ein Brückenverstärker ermöglicht es Ihnen, einer Last signifikant mehr Energie zuzuführen. Wie viel mehr? Nun, wir wissen, dass die momentane Wechselstromleistung wie folgt ausgedrückt werden kann:

\ (P_ {LOAD} = \ links (\ frac {V_ {PEAK}} {\ sqrt {2}} \ rechts) ^ {2} \ times \ frac {1} {R} \)

Somit ist die Leistung proportional zum Quadrat der Spitzenspannung. Die Brückenkonfiguration verdoppelt die Spannung an der Last; Daher bietet es eine Erhöhung der Leistung, die der Last zugeführt wird, um den Faktor vier. Vielleicht fragen Sie sich aber: Warum können wir nicht einfach einen einzigen Operationsverstärker verwenden und dann die Verstärkung erhöhen, um mehr Spannung zu bekommen? Warum sollten Sie sich mit der Brückenkonfiguration beschäftigen? Dies sind gute Fragen und die Antwort ist wie folgt: Der Brückenverstärker vervierfacht das maximale P LOAD, das Sie für eine gegebene Versorgungsspannung erreichen können . Mit anderen Worten, der Brückenverstärker ist besonders nützlich, wenn Sie versuchen, so viel Energie wie möglich von Ihrer Versorgungsschiene zu bekommen.

In diesem Zeitalter von Niederspannungssystemen können Sie feststellen, dass die Versorgungsspannung der limitierende Faktor für die Leistung ist, die Sie an die Last senden können. Nehmen wir an, dass der Lastwiderstand fest ist, also können Sie die Leistung nicht erhöhen, indem Sie R LOAD reduzieren, und nehmen wir an, dass Sie über genügend Strom von Ihrem Netzteil verfügen. In diesem Fall hält dich deine 3, 3-V-Versorgung zurück - du könntest leicht mehr Strom liefern, wenn du nur etwas mehr Versorgungsspannung hättest. Nun, hier kommt der Brückenverstärker: die gleiche Spannungsschiene, viermal so viel Strom.

Keine Kopplungskappe erforderlich

Das Beste am Brückenverstärker ist, dass Sie den DC-Offset eliminieren können, ohne den DC-Offset zu eliminieren. . . oder etwas ähnliches. Nehmen wir an, Sie haben einen Lautsprecher, den Sie von Ihrem Single-Supply-Schaltkreis fahren müssen. Alle Audiosignale haben einen DC-Offset, der die negativen Anteile der Sinuswelle über dem Boden hält. Aber das Signal, das wir an den Sprecher senden, sollte reines AC sein; Ein DC-Offset in einem Audiosignal reduziert den Dynamikbereich und trägt zur Verzerrung bei. Dies wird oft mit einem DC-blockierenden Kondensator (AC-Kopplung) bewerkstelligt, aber es gibt Nachteile bei diesem Ansatz: Erstens muss der Kondensator ziemlich groß sein - leicht Hunderte von Mikrofarad -, um eine Dämpfung von niederfrequenten Signalkomponenten zu vermeiden . Zweitens müssen Sie sich Gedanken über vorübergehende Effekte machen, die mit dem Laden oder Entladen der DC-Blocking-Kappe verbunden sind, wie z. B. die "Click-and-Pop" -Artefakte, die die Audiowiedergabe beeinträchtigen.

Glücklicherweise ist keine Blockierkappe erforderlich, wenn Sie einen Brückenverstärker haben. Die komplementäre Natur der invertierten und nichtinvertierten Wellenformen ist derart, dass der Gleichstromversatz eines Signals den Gleichstromversatz des anderen auslöschen kann:

Fazit

Wir haben uns sowohl den Standard-Brückenverstärker als auch eine Single-Supply-kompatible Variante angeschaut und zwei wesentliche Vorteile der Brückenkonfiguration diskutiert. Wie einer meiner Professoren einmal in Bezug auf ein mathematisches Konzept sagte, an das ich mich nicht genau erinnern kann, falte es zusammen und behalte es in deiner Gesäßtasche; Ein Brückenverstärker kann sich als sehr nützlich erweisen, wenn Sie erhebliche Mengen an Wechselstrom aus einem Niederspannungs- oder Einzelversorgungssystem liefern müssen.