Audio pojačavači na bazi OP LM741

Operacioni pojačavač (OP) se razvio prije mnogo godina. Operacioni pojačavač (u daljem tekstu OP) je električna komponenta sa dva ulazna i jednim izlaznim mjestom za spajanje (u praksi se ređe mogu naći i pojačavači sa dva izlaza), te dva mjesta za spajanje naponskih izvora za napajanje OP. Zavisno od tipa OP može biti sa još tri mjesta za spajanje spoljašnjih komponenti za pomoćne funkcije OP (kompenzacija ofseta, frekventna kompenzacija i sl.), ali za razumijevanje osnovnog principa rada OP dovoljno je pet priključnih mjesta OP kao na slici 1.

U suštini OP nije ništa više nego diferencijalni pojačavač koji pojačava razliku između dva ulaza. Jedan ulaz ima pozitivan, a drugi negativan uticaj na izlazni signal. Teoretski idealni OP bi imao beskonačno naponsko pojačanje i beskonačnu ulaznu impedansu, takođe bi imao nultu izlaznu impedansu. U praksi, OP je daleko od idealnog (ali što više platite dobićete bolji operacioni pojačavač).

Strukturno, OP sadrži tri cjeline:

ulazni dio, koji se realizuje kao diferencijalni pojačavač i obezbijeđuje male ulazne struje i ofsete napona, veliku ulaznu otpornost i visok faktor potiskivanja zajedničkog signala.
srednji stepen je naponski pojačavač sa ogromnim koeficijentom naponskog pojačanja.
izlazni stepen koji daje odgovarajuće napone i snagu potrošaču.

Između ulaznih krajeva $ln^{+}$ i $ln^{-}$ postoji ulazna diferencijalna otpornost reda $10^{8}$ oma i više i u tom dijelu ne postoji neki element koji bi predstavljao dejstvo izlaza na ulaz. Zbog toga je OP unilateralan element tj. signal se prenosi samo od ulaza prema izlazu, a ne i obratno. Izlazni dio OP se šematski može predstaviti kao naponski generator sa izlaznom otpornošću $R_{i}$ reda oma kao na slici 2:

Relacija koja povezuje naponski generator $U_{0}$ sa ulaznim naponima $U^{+}$ i $U^{-}$ je:

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

Elektricne karakteristike OP уреди

Naponsko pojačanje A, koje se obično naziva pojačanje u otvorenom, standardno se definiše za jednosmjerne veličine i definiše se ili kao koeficijent pojačanja ili češće u decibelima (db). Ovo pojačanje predstavlja odnos promjene izlaznog signala u odnosu na promjenu razlike ulaznih signala. Kod realnih pojačavača ono se kreće od par hiljada (60db, kod nekih širokopojasnih pojačavača) do nekoliko stotina miliona (160db kod čoperski-stabilizovanih OP). Kod većine standardnih, industrijskih pojačavača ono iznosi između $10^{4}$ i $10^{7}$ . U idealnom slučaju ovo pojačanje je ∞. Takođe, u većini standardnih primjena može se smatrati da je pojačanje kao i kod idealnog pojačavača t.j. ∞.

Frekventna propusnost (bandwidth, BW) se mjeri na tri načina:

Prelomna frekvencija sa jediničnim pojačanjem je ona fekvencija pri kojoj pojačavač sa sinusnim ulaznim signalom u otvorenom ima pojačanje 1 (0 db). Kod standardnih pojačavača je ova frekvencija reda MHz, a kod nekih posebnih vrsta širokopojasnih pojačavača ova frekvencija je reda stotina MHz; Porast signala jediničnog pojačanja se mjeri kod pojačavača sa jediničnim pojačanjem u neinvertujućem spoju (follower) i mjeri se vrijeme odziva na male step signale. Ako je vrijeme porasta $tR$ tada se frekventna propusnost računa kao

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

Propusnost sa punom snagom definiše se kao propusnost sinusnog signala maksimalne amplitude. Ako je, naprimjer, napajanje OP ±15V, tada je maksimalni radni opseg ±10V, odnosno sinusni signal je amplitude 10V. Standardna OP imaju ovako definisan BW ispod 1 MHz.

Ulazna otpornost se definiše kao diferencijalna otpornost između ulaznih prikljucaka, $R_{id}$ , ili kao otpornost između pojedinačnih ulaznih priključaka i tačke $V^{-}$ , $R_{i}$ . Kod standardnih pojačavača ove otpornost su reda stotina Koma do nekoliko Moma, dok je kod FET pojačavača ova otpornost reda $10^{12}$ oma. U idealnom slučaju, a i u većini praktičnih realizacija, ova otpornost je ∞ oma.

Ulazna struja curenja (engl. input bias current), $I_{b}$ , je srednja vrijednost struja na dva ulazna priključka. Kako je ulazna otpornost ogromna (u idealnom slučaju ∞), to je ova struja zanemarljivo mala (u idealnom slučaju 0A). Kod realnih OP ova struja je u opsegu 1nA do 1μA, a kod FET OP ispod 1nA, da bi kod posebnih, laserski trimovanih OP ova struja bila ispod 1pA.

Ulazni ofset napona je ona vrijednost napona između ulaznih priključaka, koju treba dovesti, da bi napon na izlazu bio 0V. U idealnom slučaju ova vrijednost je 0V. Međutim, zbog neidealnosti u karakteristikama elektroniskih dijelova u ulaznom kolu OP, ova vrijednost je reda mV. Kod posebnih, laserski trimovanih pojačavača ova vrijednost može biti reda nekoliko desetina μV.

Karakteristike OP уреди

Visoka preciznost i fleksibilnost u realizaciji različitih prenosnih funkcija kola sa OP su direktno povezani sa slijedećim:

tehničke karakteristike OP su takve da se za veliku većinu primjena može smatrati da je OP sa idealnim karakteristikama (beskonačno pojačanje, beskonačna ulazna otpornost, nulta izlazna otpornost, beskonačna frekvencijska propustljivost, nulti ofset ulaznog napona i nulta struja curenja).
prenosna funkcija sklopa sa OP je definisana samo sploljašnjim elementima povratne sprege, koji su obično realizovani otpornicima i kondenzatorima sa stabilnim i precizno definisanim parametrima.

Poslijedice navedenih karakteristika su:

u slučaju kada koeficijent pojačanja A teži beskonačnosti, tada u jednačini (1), za kontinualne primjene OP mora biti $(U^{+}-U^{-})=0$ (sl.2.). U slučaju da je U+>U- na izlazu će biti vrijednost $Uout=Uzas^{+}$ , a ako je $U^{+}<U^{-}$ na izlazu će biti $Uout=Uzas^{-}$ .
u i iz OP na ulaznim stezaljkama nema nikakvih struja bez obzira na veličinu i karakter opterećenja na izlazu iz OP biće Uout=U0.

Izrada kvalitetnog, kompletnog ozvucenja, snage 100 i više vati, moguće je napraviti pomoću popularnog kola, LM741 koje proizvode i domaće fabrike.

Simbol OP LM741 data je na slici 3.

Opšti opis LM741 уреди

OP LM741

LM741 serije su opšte namjene operacioni pojačavači (OP) koji uključuju poboljšane performance tokom industrijskih standarda. Oni su direktni, plug-in zamjena za 709C, LM201 itd. kao i za većinu pojačavača. LM741 namijenjen je za široki spektar analognih aplikacija. Visok i širok opseg napona daju superiorne performanse u integratoru, sabirnom pojačavaču i opštim aplikacijama. Njegove osnovne funkcije su: zaštita od kratkog spoja, odlična temperaturna stabilnost, visoki ulazni opseg napona i null offseta.

Sl.4. Šematski prikaz OP LM741

Sl.5. Izvođenje operacionog pojačavača LM7411

U sljedećem dijelu teksta biće opisane neke od mnogobrojnih električnih karakteristika operacionog pojačavača LM741. Njihov detaljni prikaz se može naći u katalogu koji je dostupan svima www.national.com. Pored električnih karakteristika date su i fizičke karakteristike (dimenzije).

Šematski prikaz LM741 dat je na slici 4.

Njegove električne karakteristike uslijed napona $V_{ee}$ = $V_{cc}$ =±15V i $V_{t}$ =25C su:

ulazni napon offseta Vio, pod uslovom da je $R_{s}<10$ Koma, za opšti slučaj iznosi 2mV, dok je njegova maksimalna vrijednost 6mV (za vrijednost $R_{s}<50$ oma ulazni napon ofseta iznosi 0mV).
ulazna struja offseta Iio, bezuslovno uzima vrijednosti od 20nA, za tipičan slučaj do 200nA.
ulazna otpornost $R_{i}$ , uslijed napona $V_{cc}$ =±20V, ima vrijednost od 0,3 do 2 Moma.
opseg ulaznog napona $V_{i}$ (R) je u granicama ±12V do ±13V.
izlazna struja kratkog spoja iznosi 25mA.
struja $I_{cc}$ , ukoliko je ispunjen uslov da $R_{l}$ ima beskonačnu vrijednost, dostiže od 1,5mA do 2,8mA.
potrosnja $P_{c}$ iznosi od 50 mW do 85 mW, ako je $V_{cc}$ =±15V.

Električne karakteristike operacionog pojačavača LM741, uslijed $V_{cc}$ =±15V i $0^{C}$ < $T_{a}$ < $70^{C}$ su:

ulazni naponski offset $V_{io}$ za vrijednost otpora $R_{s}$ <50oma nema vrijednost, dok za $R_{s}$ <10 Koma ima maksimalnu vrijednost od 7,5mV.
ulazna struja offseta $I_{io}$ bezuslovno ima maksimalnu vrijednost od 300nA.
ulazna otpornost $R_{i}$ , pri naponu $V_{cc}$ =±20V ima nultu vrijednost.
opseg ulaznog napona $V_{i}(R)$ iznosi od ±12V do ±13V.
struja kratkog spoja $I_{sc}$ ima vrijednost od minimalne 10mA do maksimalne 40mA.

Na sledecem skupu slika obilježenih kao sl.5 prikazano je izvođenje OP LM741 u keramičkom i metalnom kućištu sa 8 izvoda i kućištu sa 14 izvoda. Štampana ploča je predviđena za montažu sa 8 izvoda, ali se može koristiti kućište i sa 14 izvoda. Najjednostavnije rešenje je da odsiječemo nožice 1, 2, 7, 8, 13 i 14 i dobićemo kućište sa 8 nožica.

Pretpojačavački stepen уреди

Sl.6 Šema veze osnovnog operaionog pretpojačavča

Univerzalni pojačavač - Sa operacionim pojačavačem LM741, uz samo nekoliko spoljašnjih elemenata, može se napraviti pretpojačavač sa malim šumom (uz upotrebu IKTL071 šum se još može smanjiti), odličnom frekfencijskom karakteristikomi sa malim izobličenjima (ispod 0.1%). Uz to, izlazna otpornost je veoma mala, a potrebna vrijednost ulazne otpornosti i pojačanja se lako određuje, spoljašnjim elementima. Na sl.6 prikazano je izvođenje univerzalnog pretpojačavača. Pretpojačavač radi u spoju sa neinvertujućim ulazom, što znači da je ulazni signal u fazi sa izlaznim. Ulazna otpornost je jednaka vrijednosti otpornika $R_{1}$ . Pojačanje se izračunava iz izraza

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

Sl.7 Grana između tacaka 1 i 2 univerzlnog pojačavča kada se koristi kao pojačavač za gitaru

Kod predpojačavača za električnu gitaru predviđena je regulacija pojačanja (sl.7). Veličina signala iz gitare umnogome zavisi od tipa. Uključenjem prekidaca (FUZZ) i povećanjem osjetljivosti, dobija se karakterističan efekat za gitaru.

Sl.8 Dio kola sa slike 6 sa izvedenom RIAA korekcijom za magnetnu zvucnicu

Pretpojačavač za magnetsku gramofonsku zvučnicu ima u negativnoj reakciji mrežu otpornika i kondezatora (sl.8), zbog dobijanja nelinearne frekfencijske karakteristike, odnosno isticanja niskih frekfencija. U procesu rezanja gramofonskih ploča, vrši se frekfencijska korekcija signala, tako da su niski tonovi potisnuti, jer oni nose najveću snagu. Ukoliko ne bi bili potisnuti, brazde bi bile suviše duboke. Istovremeno se vrši i isticanje, visokih tonova, koji nose najmanju snagu, pa se na ploči dobija ujednačena dubina brazdi, što doprinosi boljem odnosu signal-sum.

Pri reprodukciji vrši se ekvilizacija sa obrnutom frekfencijskom karakteristikom i rezultat je linearna amplitudsko-frekfencijska karakteristika signala koji, poslije pojačanja dolazi na zvučnik.

Regulacija boje tona уреди

Sl.9. Stepen za regulaciju boje tona

Na sl.9 prikazan je stepen za regulaciju boje tona sa odličnim karakteristikama. Potiskivanje i izdizanje visokih i niskih tonova iznosi 10 puta (20dB). Pošto je izlazna otpornost ovoga stepena mala, a naponsko pojačanje 1, ova šema ima univerzalnu primjenu, s tim da stepen koji joj prethodi ima izlaznu otpornost 1 Kom ili manju.

Sabirni pojačavač уреди

Sl.10. Šema veza stepena za “miješanje” signala iz predpojačavača

Šema kvalitetnog stepena za miksovanje signala iz svih pretpojačavača prikazana je na sl.10. Izmiksovan signal, sa izlaza sabirnog pojačavača vodi se na ulaz pojačavača snage. Ovaj sabirni pojačavač je spoj operacionog pojačavača sa invertovanim ulazom. Ulazna impedansa je jednaka vrijednosti otpornika $R_{1}$ , dok se pojačanje izračunava preko obrasca $A={\cfrac {R_{2}}{R_{1}}}$ . Pojačanje zavisi od veličine signala na ulazima i od ulazne osjetljivosti pojačavača snage. Navedeni sabirni pojačavač ima naponsko pojačanje od 3 puta (9,5dB). Izlazna impedansa je mala, tako da može pobuditi svaki pojačavac snage.

Pojačavač snage od 50W уреди

Sl.11. Šema pojacavaca snage od 50W

Kod ovog pojačavača snage primjetan je maksimalan napon napajanja od 18V, međutim poželjno je ići do maksimalnog napona od 17V. Bitno je napomenuti da se LM741 kolo lemi ispod pločice, a umjesto BD 137 i BD138 mogu stajati i BD437 i BD438.

Pojačavač snage 200 - 500W уреди

Sl.13. Pojačavač snage 200 - 500W

Pojačavač snage je visoke klase, potpuno univeryalne primjene, od instrumentalnih pojačavača, preko profesionalnih razglasnih sistema do HI-FI uređaja. Univerzalnost ovog pojačavača proizilazi iz njegove konstrukcije koja je poznata i gradi se širom svijeta u raznim varijantama i sa minimalnim izmjenama u električnoj šemi.

Višegodišnja primjena i izrada ovog pojačala u dosta primjeraka dokazuje veoma visok kvalitet i konstrukcije i performansi ovog pojačala. Pojačavač je moguće, sa datom šemom i sa odgovarajućim izmjenama vrijednosti nekih komponenti izraditi sa snagama od 100 do 800W, za impedanse zvučnika od 2 do 8Ω.

Ulazna osjetljivost pojačavača je 1V i ona je određena otpornikom $R_{3}$ . Povećanjem vrijednosti otpornika $R_{3}$ , može se smanjiti ulazna osjetljivost i obrnuto. Minimalna vrijednost otpornika $R_{3}$ iznosi 330Ω. Za one koji žele da eksperimentišu daćemo kratko uputstvo za postupak prilikom prvog uključivanja pojačavača na napajanje i podešavanje mirne struje.

Pojačavač priključujemo na napajanje preko žičanih otpornika od 100Ω, 2-5W i mjerimo pad napona na njima, koji ne smije biti veći od 3V u protivnom u pojačalu postoji neka greška nastala lošim lemljenjem, ugrađivanjem neispravnih elemenata, pogrešno okrenut neki od poluprovodnika ili sl. Poslije pronalaženja i otklanjanja nedostataka postupak uključenja ponoviti i mjeriti padove napona na žičanim otpornicima. Napon na izlazu za priključenje zvučnika mora biti 0V. Zatim provjeravamo napone napajanja OP, na nožicama 4 i 7 (-15V i +15V). Na nožici 6 IC treba da bude napon oko -3,5V. Pad napona na $R_{16}$ i $R_{18}$ treba da je oko 0,6V. Trimer TP1 staviti skroz ulijevo. Izmjeriti padove napona na $R_{21}$ i $R_{22}$ , oni treba da budu manji od 0,5V u suprotnom $R_{19}$ smanjiti na 820Ω. Sada priključujemo izlazne tranzistore i podešavamo mirnustruju,zaokretanjem TP1 udesno, tako da na žičanim otpornicima $R_{23}$ i $R_{24}$ budu padovi napona 5 puta veći (u mV), od vrijednosti žičanih otpornika (na primjer za žičane otpornike od 0,12Ω pad napona na njima treba da bude 6mV). Time smo podesili mirnu struju po izlaznom ztanzistoru na 5mA. Za upotrebu pojačavača kao HI-FI uređaja, podešavamo veću mirnu struju 10-20mA.