Bevezető

A HiFi-ben a lehető legjobb hangminőség elérése a cél, aminek alapvetően két megközelítése van: az egyik szerint érjünk el minél kisebb torzítást, adjuk vissza a lehető leghűebben a rögzített anyagot, míg a másik út követőit nem érdeklik a műszaki részletek és adatok, akár színezhet is a lánc, de szóljon szubjektíve minél kellemesebben. Jómagam annyiban az első iskola híve vagyok, hogy szeretnék minél kisebb torzítást elérni – egyrészt, mert ebbe fogódzkodva tudok az egyre jobb hangminőség felé törekedni, másrészt, mert érdekel az elektronikák lelki világa –, ugyanakkor nekem is tapasztalatom, hogy a meghallgatást nem lehet kihagyni a fejlesztésből. Sokszor egy műszakilag kedvezőbbnek tűnő megoldás kellemetlenebb hangot eredményez – később aztán talán rájövünk ennek az okára, talán nem.

Ha a kis torzítás a célunk, akkor a linearizálás a kulcsszó, hiszen a jelalak torzulását az áramkör nemlineáris viselkedése okozza. A linearizálásnak alighanem leghatásosabb módja a negatív visszacsatolás, ami azt jelenti, hogy a szükségesnél jóval nagyobb feszültségerősítésű erősítőt készítünk, és a kimeneti jelet visszacsatoljuk a bemenetre: összehasonlítjuk a bemeneti jellel és a hibát az erősítéstartalékkal elnyomjuk.

Akár alkalmazunk visszacsatolást, akár nem, a linearizálás többi módja is egyaránt fontos; ezek közül most csak a legfontosabbakat említem. Egy erősítőelem – tranzisztor, elektroncső – munkapontját a rajta átfolyó áram és a rajta eső feszültség határozza meg (és persze a hőmérséklet). Az áramváltozást nem tudjuk kiküszöbölni, ám a hatását csökkenteni tudjuk A-osztályú üzemmel: ennél a nyugalmi áramot nagyobbnak választjuk az áramváltozásnál, így az erősítőelem lineárisabb szakaszban üzemelhet. A feszültségváltozás már elkerülhető vagy lényegesen elnyomható: erre hatásos módszerek a kaszkádolás vagy a bootstreppelés (feszültség-utánhúzás).

Mind a félvezetős, mind az elektroncsöves elektronika világában használnak visszacsatolt és visszacsatolás-mentes erősítőket is. A visszacsatolt erősítők leggyakrabban használt – bár nem az egyetlen lehetséges – központi eleme a műveleti erősítő (Operational Amplifier, OP-AMP vagy OPA). A továbbiakban – a teljesség igénye nélkül – azt nézzük meg, milyen minőségi és praktikus szempontok játszanak szerepet az OPÁ-k tervezésében, illetve mitől lehetnek jobbak a diszkrét OPÁ-k az integráltaknál (röviden IC-knél).

Kompenzálás: egy- vagy kétpólus?

Az OPÁ-k felépítésébe és működésébe most részleteiben nem megyünk bele, legyen elég annyi, hogy szinte mindig 3 fokozatból állnak: differenciálerősítő (ez végzi a bemeneti- és a visszacsatolt jel összehasonlítását, vagyis különbségképzését), feszültségerősítő (Voltage Amplifier Stage, VAS) és kimeneti fokozat (ez végzi az áramerősítést).

Mivel az erősítőelemek sebessége véges, a jel késleltetést szenved, miközben keresztülhalad az erősítőn. Kellően nagy frekvencián ez a késés már fázisfordulást eredményez, így a negatív visszacsatolás pozitív visszacsatolásként hat. El kell érni tehát, hogy ilyen nagy frekvenciákon már ne legyen feszültségerősítésünk: kompenzálnunk kell, különben az erősítőnk gerjedne („sípolna”, csak sok MHz-es frekvencián, esetleg túlmelegedne és füstölne is).

OPÁ-k kompenzálását a gyakorlatban szinte mindig a feszültségerősítő-fokozat bemenete és kimenete közé kötött kondenzátorral, az ún. Miller-kapacitással oldják meg. Ha egyetlen kondenzátort alkalmazunk, annak értéke kicsi lehet (100pF körüli). IC-knél ez a módszer kizárólagos, mivel a chipbe nem tudunk jó minőségű dielektrikumot integrálni, így egy kisértékű kondenzátor kialakítása is relatíve vagy chipfelületet, ezzel pedig nagy költséget jelent. Ezt az „egykondenzátoros” módszert egypólusú kompenzálásnak hívjuk (dominant pole compensation). Egyik jellemzője, hogy a nyílthurkú erősítés – azaz a torzításkioltó képesség – szorosan összefügg a sebességgel (határfrekvenciával) és a slew rate-tel: ha kisebb torzítást szeretnénk, gyorsabb és egyben gerjedékenyebb, kezelhetetlenebb OPÁ-t kell választanunk.

Létezik egy másik módszer is: egy további pólus bevezetésével a fenti összefüggés felbontható. A hangfrekvenciás tartományban lényegesen megnövelhetjük az erősítést, míg a sebességet lecsökkenthetjük egy kezelhetőbb tartományba (pár MHz-re a 100+ MHz helyett). Ehhez egy második kompenzáló-kondenzátorra is szükség van, ami kb. 2..20-szor akkora értékű, mint az első, kisebb kapacitás. Ez IC esetében kb. ugyanennyiszeres chipfelületet jelentene, mivel a 100pF körüli kis kondenzátor önmagában kb. akkora, mint a műveleti erősítő többi alkatrésze összesen.

Mivel a chipgyártás költségének jelentős részét a felhasznált félvezetőlapka teszi ki, érthető, miért nem gyártanak kétpólusúan kompenzált OPÁ-t. Jó hír viszont, hogy diszkrét elemekből építkezve mindössze pár Ft-ért kapunk akár több nF-os kondenzátort is, kis méretben, kiváló minőségű dielektrikummal. Ugyanakkor a chipgyártás nyújtotta előnyökről sem kell lemondanunk, hiszen kaphatóak matched-pair tranzisztorok és FET-ek, amik egyetlen tokban két egyforma erősítőelemet tartalmaznak. A differenciálerősítőbe ajánlott ilyeneket választani. (Általában 6, ritkábban 5 vagy 8-lábú alkatrészek - ha esetleg fényképen szeretnénk őket felismerni.)

Az 1. ábrán láthatjuk a kétféle kompenzáció egyszerűsített kapcsolási rajzát, míg a 2. ábrán néhány műveleti erősítő nyílthurkú erősítését hasonlítottam össze. A nyílthurkú erősítés a visszacsatolás nélküli, tehát összes erősítés. Ha ebből kivonjuk a visszacsatolással beállított aktuális erősítést, megkapjuk az ún. hurokerősítést, vagyis az erősítéstartalékot: ez felel a torzításkioltásért, a tápzajelnyomásért és a kis kimeneti impedanciáért.

1. ábra. Feszültségerősítő-fokozat kompenzációja

2. ábra. Néhány műveleti erősítő nyílthurkú erősítésmenete

Láthatjuk, hogy az egypólusú műveleti erősítők erősítésmenete 20dB/dekád meredekséggel esik. Ebből következően, ha nagyobb erősítést szeretnénk a hangfrekvenciás tartományban, be kell vállalnunk a nagyobb sebességet és az ezzel járó gerjedékenyebb hajlamot. Ezzel szemben a kétpólusú erősítő (az ábrán az OPA Blue az egyetlen ilyen) erősítésmenete meredekséget vált: 40dB/dekáddal indul, majd 20dB/dekáddá szelídül. Ennek azért van jelentősége, mert a stabilitás Nyquist-kritériuma szerint az egységerősítést (0dB-es vonal) 40dB/dekád alatti meredekséggel kell átlépni.
Így tehát hangfrekvencián 15..36dB-vel nagyobb nyílthurkú erősítést sikerült elérni, mint a jobb IC-ké (ez 1/5..1/60 torzítást jelent), míg az OPÁ-nk kezelhetőbb sebességű maradt: az egységerősítéshez tartozó frekvencia 4,5MHz, szemben a jobb IC-k 20-40MHz-es sebességével. Így a parazitajelenségek (pl. a vezetékelés szórt induktivitása és a nem megfelelő táphidegítés) kevésbé okoznak gerjedést.

Ennek különösen akkor van jelentősége, ha tuning során általunk ismeretlen felépítésű készülékben cserélünk műveleti erősítőt. Körültekintő tervezéssel felkészülhetünk a „háklis” OPÁ-kra, ám, ha ezt a készülékünk tervezője nem tette meg, úgy sokszor nem választhatunk büntetlenül akármilyen IC-t. Ha gerjedésbe futnánk bele, amit műszeresen nem áll módunkban ellenőrizni, felismerhetjük a jelenséget a forrósodó IC-ről és a kásás, karcos közép- és magastartományról.

Ahhoz, hogy OPA tervezésekor felkészüljünk a gerjedés elkerülésére még a leglehetetlenebb helyzetekben is, több mindenre is tekintettel kell lenni. A 0dB-s határfrekvencián kívül számít a nyílthurkú erősítésmenet fázistartaléka (phase margin), erősítéstartaléka (gain margin), az egységerősítéskori stabilitás (unity gain stability), ill. a kapacitívterhelés-tűrés. A kétpólusú kompenzálás lehetőséget kínál rá, hogy mindezekre egyaránt tekintettel tudjunk lenni.

Pár gondolatra kanyarodjunk még vissza a torzításhoz! A nyílthurkú erősítés bár fontos, de nem az egyetlen dolog, ami befolyásolja a torzítást. A különböző fokozatok nonlinearitása ugyan ilyen fontos, hiszen az erősítéstartalék ezek torzítását oltja majd ki. C1, C2 és R értékének ügyes megválasztásával elérhető, hogy mind a differenciálerősítő-, mind a feszültségerősítő-fokozat áramterhelése alacsony legyen - jóval kisebb, mint az egypólusú Miller-kompenzáció esetén -, így növelve a fokozatok linearitását.

Annak ellenére, hogy az irodalma már legalább három évtizedes, ez a módszer a mai napig nem terjedt el széles körben. Megemlítendő a SparkoS Labs: állításuk szerint ők az egyetlen cég, akik kétpólusúan kompenzált műveleti erősítőt kínálnak. Ám, ha elfelejtjük a különálló műveleti erősítők világát, akkor is csupán egy-két szórványos példát találunk kétpólusú audio erősítőre.

bkercso, 2023

Ajánlott irodalom

- Distortion in power amplifiers, Part VII: frequency compensation and real designs – Douglas Self
- Where TMC really shines: a novel transimpedance stage (TIS)
- Analysis of Two-Pole Compensation in Linear Audio Amplifiers
- DOUBLE-POLE COMPENSATION AND THE PUSH-PULL TRANSIMPEDANCE STAGE IN DISCRETE AUDIO FREQUENCY POWER AMPLIFIERS
- SparkoS Labs SS3602 adatlap (9. oldaltól)