Звуковые Операционные Усилители


Давайте проведем сравнение АЧХ трех популярных малошумящих аудио ОУ. Выберем схему неинвертирующего усилителя с Ku =~ 100 ( 40 dB ). Все три модели ОУ реализованы с применением отдельных элементов (резисторов, транзисторов, диодов, конденсаторов и пр.), а значит будет большее доверие при их сравнении.

АЧХ в широкой полосе (10 kHz .. 50 MHz).

Как видим, все три модели имеют примерно одинаковый ход АЧХ и OPA1602 ничем особым не выделяется.

АЧХ в звуковой полосе (10 kHz .. 100 kHz).

Как видим, модели почти не отличаются по полосе. ОУ AD817 (красный) имеет даже немного более высокую частоту среза, чем OPA1602 (черный). Отклонение Ku от заданного значения 40 dB вообще не существенно для всех трех ОУ.

Вывод из сравнения АЧХ: практически отличия отсутствуют, а вот цена OPA1602 в 2-3 раза выше, чем двух других ОУ.

2. Сравнение переходных характеристик.

Переходная характеристика — это реакция динамической системы (усилитель на основе ОУ) на сигнал типа «ступенька».

Как видим, переходные характеристики весьма близки и являются апериодическими. Несколько лучше других выглядит ОУ AD8092 (синий).

3. Сравнение нелинейных искажений.
3.1. Термины и определения.
Любой усилитель
 (ламповый, транзисторный, микросхемный) является нелинейным устройством в силу нелинейности усилительных элементов, из которых он состоит.
Так, если мы подадим на вход идеальный синусоидальный сигнал, то на выходе сигнал будет состоять из основной частоты (первая гармоника) и ряда гармоник более высокого порядка. Чем меньше уровень вторичных гармоник, тем ближе усилитель к понятию «линейный».
Для того, чтобы количественно оценивать степень линейности (нелинейности) усилителей были введены несколько показателей, к основным из которых относятся коэффициент нелинейных искажений (КНИ) и коэффициент гармонических искажений (КГИ).

Традиционно, сложилось так, что в отечественной практике и литературе оперируют показателем КНИ (THDf), а в западной — КГИ (THDr).
Да, не удивляйтесь – для THD существуют два обозначения (THDf и THDr), соответствующие отечественным терминам КНИ и КГИ.

При значениях КНИ ≤ 12% разница между КНИ и КГИ несущественна и составляет доли %.

Значения КНИ (КГИ) для большинства типовых сигналов (меандр, треугольник, пила, ШИМ) имеют аналитические выражения.
Так, к примеру, КГИ меандра определяется выражением:

Для степени заметности искажения сигнала типа «ограничение» на экране осциллографа, принят уровень THD = 2..3 %. Проверим?

Составим простую схему диодного ограничителя:

Рассмотрим нормированную осциллограмму:

Если бы не присутствовал исходный sin-сигнал (красный), то зрительно заметить искажения весьма сложно.

Измерим THD:

Как видим, THD = 2.06% и зрительно такие искажения малозаметны.

Какие же гармоники преобладают в таком диодном ограничителе?

Как видим, идет медленный спад нечетных гармоник от 3-й (- 34 dB) и более высоких. Четные гармоники, при условии полной симметричности ограничителя — отсутствуют.

Анализ гармонических искажений на слух является более чувствительным и позволяет выявлять гармонические искажения на уровне 0.1 %.

3.2. Сравнение КНИ трех ОУ.
Схема тестирования аналогична изображенной на рис.1.
Условия тестирования:
— входной сигнал 1 kHz; 100 mV амплитудного значения;
— Ku = 101;
— выходной сигнал 10 V амплитудного значения;
— двухполярное напряжение питания ± 15 V;
— сопротивление нагрузки RL = oo.

Столь высокий выходной уровень (10 V) был выбран для того, чтобы оказаться поближе к напряжению питания, где уже могут проявлять себя нелинейные процессы усиления.

AD817:

Как видим, наиболее высокое значение имеет третья гармоника (-184 dB). При таком уровне подавления никто и никогда ее не услышит.

AD8092:

В данном случае, хорошо видно, что присутствуют многие гармоники, начиная со второй, хотя уровень ее невысокий (-101 dB). Однако, вместе с другими гармониками, значение THD может оказаться заметным. Проверим.

Суммарный THD составляет не более 0.8..0.9 миллипроцента или 0.0008%.
Никаких претензий на слух к ОУ с таким значением THD быть не может.

OPA1602:

Да, тут ребята из Texas Instruments постарались и «вылизали» схемотехнику на 5+. Почти никакого намека на гармоники, кроме 2-й, так и уровень ее минус 200 dB. По даташиту THD = 0.00003%.

Выводы по КНИ: все рассмотренные усилители обладают очень низкими значениями THD, которые никогда и никем на слух не смогут быть выявлены — нет таких чувствительных ушей у человека.