Аудио појачавачи на бази ОП ЛМ741

Операциони појачавач (ОП) се развио прије много година. Операциони појачавач (у даљем тексту ОП) је електрична компонента са два улазна и једним излазним мјестом за спајање (у пракси се ређе могу наћи и појачавачи са два излаза), те два мјеста за спајање напонских извора за напајање ОП. Зависно од типа ОП може бити са још три мјеста за спајање спољашњих компоненти за помоћне функције ОП (компензација офсета, фреквентна компензација и сл.), али за разумијевање основног принципа рада ОП довољно је пет прикључних мјеста ОП као на слици 1.

У суштини ОП није ништа више него диференцијални појачавач који појачава разлику између два улаза. Један улаз има позитиван, а други негативан утицај на излазни сигнал. Теоретски идеални ОП би имао бесконачно напонско појачање и бесконачну улазну импедансу, такође би имао нулту излазну импедансу. У пракси, ОП је далеко од идеалног (али што више платите добићете бољи операциони појачавач).

Структурно, ОП садржи три цјелине:

улазни дио, који се реализује као диференцијални појачавач и обезбијеђује мале улазне струје и офсете напона, велику улазну отпорност и висок фактор потискивања заједничког сигнала.
средњи степен је напонски појачавач са огромним коефицијентом напонског појачања.
излазни степен који даје одговарајуће напоне и снагу потрошачу.

Између улазних крајева $ln^{+}$ и $ln^{-}$ постоји улазна диференцијална отпорност реда $10^{8}$ ома и више и у том дијелу не постоји неки елемент који би представљао дејство излаза на улаз. Због тога је ОП унилатералан елемент тј. сигнал се преноси само од улаза према излазу, а не и обратно. Излазни дио ОП се шематски може представити као напонски генератор са излазном отпорношћу $R_{i}$ реда ома као на слици 2:

Релација која повезује напонски генератор $U_{0}$ са улазним напонима $U^{+}$ и $U^{-}$ је:

$U_{0}$ =А*( $U^{+}$ - $U^{-}$ ) … (1)

Електрицне карактеристике ОП уреди

Напонско појачање А, које се обично назива појачање у отвореном, стандардно се дефинише за једносмјерне величине и дефинише се или као коефицијент појачања или чешће у децибелима (дб). Ово појачање представља однос промјене излазног сигнала у односу на промјену разлике улазних сигнала. Код реалних појачавача оно се креће од пар хиљада (60дб, код неких широкопојасних појачавача) до неколико стотина милиона (160дб код чоперски-стабилизованих ОП). Код већине стандардних, индустријских појачавача оно износи између $10^{4}$ и $10^{7}$ . У идеалном случају ово појачање је ∞. Такође, у већини стандардних примјена може се сматрати да је појачање као и код идеалног појачавача т.ј. ∞.

Фреквентна пропусност (бандwидтх, БW) се мјери на три начина:

Преломна фреквенција са јединичним појачањем је она феквенција при којој појачавач са синусним улазним сигналом у отвореном има појачање 1 (0 дб). Код стандардних појачавача је ова фреквенција реда МХз, а код неких посебних врста широкопојасних појачавача ова фреквенција је реда стотина МХз; Пораст сигнала јединичног појачања се мјери код појачавача са јединичним појачањем у неинвертујућем споју (фоллоwер) и мјери се вријеме одзива на мале степ сигнале. Ако је вријеме пораста $tR$ тада се фреквентна пропусност рачуна као

$BW={\cfrac {tR}{0.35}}$ .

Пропусност са пуном снагом дефинише се као пропусност синусног сигнала максималне амплитуде. Ако је, напримјер, напајање ОП ±15В, тада је максимални радни опсег ±10В, односно синусни сигнал је амплитуде 10В. Стандардна ОП имају овако дефинисан БW испод 1 МХз.

Улазна отпорност се дефинише као диференцијална отпорност између улазних прикљуцака, $R_{id}$ , или као отпорност између појединачних улазних прикључака и тачке $V^{-}$ , $R_{i}$ . Код стандардних појачавача ове отпорност су реда стотина Кома до неколико Мома, док је код ФЕТ појачавача ова отпорност реда $10^{12}$ ома. У идеалном случају, а и у већини практичних реализација, ова отпорност је ∞ ома.

Улазна струја цурења (енгл. инпут биас цуррент), $I_{b}$ , је средња вриједност струја на два улазна прикључка. Како је улазна отпорност огромна (у идеалном случају ∞), то је ова струја занемарљиво мала (у идеалном случају 0А). Код реалних ОП ова струја је у опсегу 1нА до 1μА, а код ФЕТ ОП испод 1нА, да би код посебних, ласерски тримованих ОП ова струја била испод 1пА.

Улазни офсет напона је она вриједност напона између улазних прикључака, коју треба довести, да би напон на излазу био 0В. У идеалном случају ова вриједност је 0В. Међутим, због неидеалности у карактеристикама електрониских дијелова у улазном колу ОП, ова вриједност је реда мВ. Код посебних, ласерски тримованих појачавача ова вриједност може бити реда неколико десетина μВ.

Карактеристике ОП уреди

Висока прецизност и флексибилност у реализацији различитих преносних функција кола са ОП су директно повезани са слиједећим:

техничке карактеристике ОП су такве да се за велику већину примјена може сматрати да је ОП са идеалним карактеристикама (бесконачно појачање, бесконачна улазна отпорност, нулта излазна отпорност, бесконачна фреквенцијска пропустљивост, нулти офсет улазног напона и нулта струја цурења).
преносна функција склопа са ОП је дефинисана само сплољашњим елементима повратне спреге, који су обично реализовани отпорницима и кондензаторима са стабилним и прецизно дефинисаним параметрима.

Послиједице наведених карактеристика су:

у случају када коефицијент појачања А тежи бесконачности, тада у једначини (1), за континуалне примјене ОП мора бити $(U^{+}-U^{-})=0$ (сл.2.). У случају да је У+>У- на излазу ће бити вриједност $Uout=Uzas^{+}$ , а ако је $U^{+}<U^{-}$ на излазу ће бити $Uout=Uzas^{-}$ .
у и из ОП на улазним стезаљкама нема никаквих струја без обзира на величину и карактер оптерећења на излазу из ОП биће Уоут=У0.

Израда квалитетног, комплетног озвуцења, снаге 100 и више вати, могуће је направити помоћу популарног кола, ЛМ741 које производе и домаће фабрике.

Симбол ОП ЛМ741 дата је на слици 3.

Општи опис ЛМ741 уреди

ОП ЛМ741

ЛМ741 серије су опште намјене операциони појачавачи (ОП) који укључују побољшане перформанце током индустријских стандарда. Они су директни, плуг-ин замјена за 709Ц, ЛМ201 итд. као и за већину појачавача. ЛМ741 намијењен је за широки спектар аналогних апликација. Висок и широк опсег напона дају супериорне перформансе у интегратору, сабирном појачавачу и општим апликацијама. Његове основне функције су: заштита од кратког споја, одлична температурна стабилност, високи улазни опсег напона и нулл оффсета.

Сл.4. Шематски приказ ОП ЛМ741

Сл.5. Извођење операционог појачавача ЛМ7411

У сљедећем дијелу текста биће описане неке од многобројних електричних карактеристика операционог појачавача ЛМ741. Њихов детаљни приказ се може наћи у каталогу који је доступан свима www.натионал.цом. Поред електричних карактеристика дате су и физичке карактеристике (димензије).

Шематски приказ ЛМ741 дат је на слици 4.

Његове електричне карактеристике услијед напона $V_{ee}$ = $V_{cc}$ =±15В и $V_{t}$ =25Ц су:

улазни напон оффсета Вио, под условом да је $R_{s}<10$ Кома, за општи случај износи 2мВ, док је његова максимална вриједност 6мВ (за вриједност $R_{s}<50$ ома улазни напон офсета износи 0мВ).
улазна струја оффсета Иио, безусловно узима вриједности од 20нА, за типичан случај до 200нА.
улазна отпорност $R_{i}$ , услијед напона $V_{cc}$ =±20В, има вриједност од 0,3 до 2 Мома.
опсег улазног напона $V_{i}$ (Р) је у границама ±12В до ±13В.
излазна струја кратког споја износи 25мА.
струја $I_{cc}$ , уколико је испуњен услов да $R_{l}$ има бесконачну вриједност, достиже од 1,5мА до 2,8мА.
потросња $P_{c}$ износи од 50 мW до 85 мW, ако је $V_{cc}$ =±15В.

Електричне карактеристике операционог појачавача ЛМ741, услијед $V_{cc}$ =±15В и $0^{C}$ < $T_{a}$ < $70^{C}$ су:

улазни напонски оффсет $V_{io}$ за вриједност отпора $R_{s}$ <50ома нема вриједност, док за $R_{s}$ <10 Кома има максималну вриједност од 7,5мВ.
улазна струја оффсета $I_{io}$ безусловно има максималну вриједност од 300нА.
улазна отпорност $R_{i}$ , при напону $V_{cc}$ =±20В има нулту вриједност.
опсег улазног напона $V_{i}(R)$ износи од ±12В до ±13В.
струја кратког споја $I_{sc}$ има вриједност од минималне 10мА до максималне 40мА.

На следецем скупу слика обиљежених као сл.5 приказано је извођење ОП ЛМ741 у керамичком и металном кућишту са 8 извода и кућишту са 14 извода. Штампана плоча је предвиђена за монтажу са 8 извода, али се може користити кућиште и са 14 извода. Најједноставније решење је да одсијечемо ножице 1, 2, 7, 8, 13 и 14 и добићемо кућиште са 8 ножица.

Претпојачавачки степен уреди

Сл.6 Шема везе основног операионог претпојачавча

Универзални појачавач - Са операционим појачавачем ЛМ741, уз само неколико спољашњих елемената, може се направити претпојачавач са малим шумом (уз употребу ИКТЛ071 шум се још може смањити), одличном фрекфенцијском карактеристикоми са малим изобличењима (испод 0.1%). Уз то, излазна отпорност је веома мала, а потребна вриједност улазне отпорности и појачања се лако одређује, спољашњим елементима. На сл.6 приказано је извођење универзалног претпојачавача. Претпојачавач ради у споју са неинвертујућим улазом, што значи да је улазни сигнал у фази са излазним. Улазна отпорност је једнака вриједности отпорника $R_{1}$ . Појачање се израчунава из израза

$A={\cfrac {1+R_{x}}{R_{2}}}$

Сл.7 Грана између тацака 1 и 2 универзлног појачавча када се користи као појачавач за гитару

Код предпојачавача за електричну гитару предвиђена је регулација појачања (сл.7). Величина сигнала из гитаре умногоме зависи од типа. Укључењем прекидаца (ФУЗЗ) и повећањем осјетљивости, добија се карактеристичан ефекат за гитару.

Сл.8 Дио кола са слике 6 са изведеном РИАА корекцијом за магнетну звуцницу

Претпојачавач за магнетску грамофонску звучницу има у негативној реакцији мрежу отпорника и кондезатора (сл.8), због добијања нелинеарне фрекфенцијске карактеристике, односно истицања ниских фрекфенција. У процесу резања грамофонских плоча, врши се фрекфенцијска корекција сигнала, тако да су ниски тонови потиснути, јер они носе највећу снагу. Уколико не би били потиснути, бразде би биле сувише дубоке. Истовремено се врши и истицање, високих тонова, који носе најмању снагу, па се на плочи добија уједначена дубина бразди, што доприноси бољем односу сигнал-сум.

При репродукцији врши се еквилизација са обрнутом фрекфенцијском карактеристиком и резултат је линеарна амплитудско-фрекфенцијска карактеристика сигнала који, послије појачања долази на звучник.

Регулација боје тона уреди

Сл.9. Степен за регулацију боје тона

На сл.9 приказан је степен за регулацију боје тона са одличним карактеристикама. Потискивање и издизање високих и ниских тонова износи 10 пута (20dB). Пошто је излазна отпорност овога степена мала, а напонско појачање 1, ова шема има универзалну примјену, с тим да степен који јој претходи има излазну отпорност 1 Ком или мању.

Сабирни појачавач уреди

Сл.10. Шема веза степена за “мијешање” сигнала из предпојачавача

Шема квалитетног степена за миксовање сигнала из свих претпојачавача приказана је на сл.10. Измиксован сигнал, са излаза сабирног појачавача води се на улаз појачавача снаге. Овај сабирни појачавач је спој операционог појачавача са инвертованим улазом. Улазна импеданса је једнака вриједности отпорника $R_{1}$ , док се појачање израчунава преко обрасца $A={\cfrac {R_{2}}{R_{1}}}$ . Појачање зависи од величине сигнала на улазима и од улазне осјетљивости појачавача снаге. Наведени сабирни појачавач има напонско појачање од 3 пута (9,5dB). Излазна импеданса је мала, тако да може побудити сваки појачавац снаге.

Појачавач снаге од 50W уреди

Сл.11. Шема појацаваца снаге од 50W

Код овог појачавача снаге примјетан је максималан напон напајања од 18В, међутим пожељно је ићи до максималног напона од 17В. Битно је напоменути да се ЛМ741 коло леми испод плочице, а умјесто БД 137 и БД138 могу стајати и БД437 и БД438.

Појачавач снаге 200 - 500W уреди

Сл.13. Појачавач снаге 200 - 500W

Појачавач снаге је високе класе, потпуно универyалне примјене, од инструменталних појачавача, преко професионалних разгласних система до ХИ-ФИ уређаја. Универзалност овог појачавача произилази из његове конструкције која је позната и гради се широм свијета у разним варијантама и са минималним измјенама у електричној шеми.

Вишегодишња примјена и израда овог појачала у доста примјерака доказује веома висок квалитет и конструкције и перформанси овог појачала. Појачавач је могуће, са датом шемом и са одговарајућим измјенама вриједности неких компоненти израдити са снагама од 100 до 800W, за импедансе звучника од 2 до 8Ω.

Улазна осјетљивост појачавача је 1В и она је одређена отпорником $R_{3}$ . Повећањем вриједности отпорника $R_{3}$ , може се смањити улазна осјетљивост и обрнуто. Минимална вриједност отпорника $R_{3}$ износи 330Ω. За оне који желе да експериментишу даћемо кратко упутство за поступак приликом првог укључивања појачавача на напајање и подешавање мирне струје.

Појачавач прикључујемо на напајање преко жичаних отпорника од 100Ω, 2-5W и мјеримо пад напона на њима, који не смије бити већи од 3В у противном у појачалу постоји нека грешка настала лошим лемљењем, уграђивањем неисправних елемената, погрешно окренут неки од полупроводника или сл. Послије проналажења и отклањања недостатака поступак укључења поновити и мјерити падове напона на жичаним отпорницима. Напон на излазу за прикључење звучника мора бити 0В. Затим провјеравамо напоне напајања ОП, на ножицама 4 и 7 (-15В и +15В). На ножици 6 ИЦ треба да буде напон око -3,5В. Пад напона на $R_{16}$ и $R_{18}$ треба да је око 0,6В. Тример ТП1 ставити скроз улијево. Измјерити падове напона на $R_{21}$ и $R_{22}$ , они треба да буду мањи од 0,5В у супротном $R_{19}$ смањити на 820Ω. Сада прикључујемо излазне транзисторе и подешавамо мирнуструју,заокретањем ТП1 удесно, тако да на жичаним отпорницима $R_{23}$ и $R_{24}$ буду падови напона 5 пута већи (у мВ), од вриједности жичаних отпорника (на примјер за жичане отпорнике од 0,12Ω пад напона на њима треба да буде 6мВ). Тиме смо подесили мирну струју по излазном зтанзистору на 5мА. За употребу појачавача као ХИ-ФИ уређаја, подешавамо већу мирну струју 10-20мА.