Miért fontos a tápkimeneti impedancia?
A tápegység kimeneti impedanciája nem más, mint a tápfeszültség változásának és az ezt kiváltó áramterhelés-változásnak a hányadosa. Ha pl. a tápegységünk 100 mA terhelésváltozásra 10 mV feszültségeséssel reagál, akkor kimeneti impedanciája 0,1 ohm. Ebből már láthatjuk is ennek a jellemzőnek a fontosságát: a tápfeszültségünk stabilitását jellemzi terhelésváltozás esetén.
A tápegység kimeneti impedanciája adott konstrukció esetén függhet az áramterheléstől, a tápegységen – pl. stabilizátor-IC-n – eső feszültségtől (dropout), esetleg a hőmérséklettől, valamint a terhelés frekvenciájától; egy tápegység jellemzésekor tehát ezekre a függvényekre is illik kitérni. Kiemelném a frekvenciafüggést, ez ugyanis több szempontból is fontos: egyrészt a frekvenciafüggő tápkimeneti impedancia kihatással van az audioerősítő tonalitáshelyességére; továbbá a frekvenciával emelkedő kimeneti impedancia induktív jelleget kölcsönöz a tápegységünknek, ami a táp kimenetére kötött puffer- és hidegítőkondenzátorokkal rezonátort alkotva gerjedéshez vagy rossz tranziensviselkedéshez (belengéshez) vezethet.
Ezért stabilizátor-IC-k használata előtt mindig olvassuk el az adott IC adatlapját: a táblázatok és grafikonok alatti szöveges részben kitérnek a be- és kimeneti kondenzátorok megkívánt paramétereire! Ezután már csak a kiszemelt kondenzátorok adatlapját kell átfutnunk, és szükség esetén a kondenzátorral sorba kötnünk egy ún. damping ellenállást – ennek szerepéről és kiszámítási módjáról később lesz szó.
1. ábra. Erősítő tápkörének sematikus rajza: a tápegység sorba van kötve a hangszóróval
Egy tápegység helyettesítő kapcsolási rajzát felrajzolhatjuk egy ideális tápegységgel és egy vele sorba kötött (adott esetben frekvenciafüggő) ellenállással, amely a táp kimeneti impedanciáját jelképezi (1. ábra). Mivel ez az impedancia sorba van kötve az erősítő terhelésével (hangszóróval), a rajta eső feszültség és a hangszórón eső feszültség aránya Z(táp)/Z(hangszóró).
Mivel ez a relatív hibafeszültség nem kívülről érkezik, hanem az erősítő működése váltja ki, hívjuk a tápfeszültség működésindukált ingadozásának (MI), és fejezzük ki decibelben: MI = 20 * lg (Z(táp)/Z(hangszórók))! Ha pl. 2 db 8 ohmos hangszórót hajtunk közös tápegységről, melynek kimeneti impedanciája 0,1 ohm, akkor MI = 20 * lg (0,1/(8/2)) = –32 dB.
Az MI által okozott torzítás becsléséhez az erősítő tápzajelnyomását kell tudnunk, amit az adatlapokon power supply rejectionnek neveznek (PSR vagy PSRR). (Természetesen nem csak műveleti erősítők rendelkeznek tápzajelnyomással, most azonban az egyszerűség kedvéért és az elterjedtségükre tekintettel velük példálózunk.) Szemléljük az OPA2134 típusú műveleti erősítő megfelelő grafikonját a 2. ábrán (adatlap 11. ábrája)!
2. ábra. Az OPA2134 típusú műveleti erősítő tápzajelnyomása a frekvencia függvényében féltáponként és közös módusban – a görbék tipikusnak mondhatók. Az angol képaláírást is meghagytam. (Néhány adatlapon negatív értékeket tüntetnek fel, mivel a PSR-t a fenti arány reciprokából számolják.)
Megfigyelhető, hogy a PSR alacsony frekvenciákon maximális, majd egy töréspont után a frekvenciával – általában fordított arányban – csökken. Az erősítő nyílt hurkú erősítéséből levonva a visszacsatolással beállított erősítést kapjuk az ún. hurokerősítést; ez felel mind a torzítás, mind a tápzaj elnyomásáért: nagyobb alkalmazott erősítés esetén kisebb erősítéstartaléka marad az OPA-nak a tápzaj elnyomására.
Mivel a PSR-t szinte mindig egységerősítés mellett mérik, a torzítás kiszámításához először normáljuk az MI-t a bemenőjelre, majd vegyük figyelembe az adatlap szerinti PSR értékét! MI a bemenőjelre normálva: MIjel=MI + erősítés (ugyebár MI nevezőjét osztjuk, vagyis MI-t szorozzuk, ami logaritmizált mennyiségek között összeadást jelent). Vagyis ha a példa szerinti erősítő erősítése mondjuk 10-szeres (20 dB), akkor az MIjel értéke már –12 dB, azaz a tápingás a bemenőjel negyede (!).
Mivel a PSR erősen frekvenciafüggő, számoljuk a torzítást három frekvencián: 20 Hz-en, 1 kHz-en és 10 kHz-en! Általában az erősítők nem egyformán nyomják el a pozitív és a negatív féltápfeszültség ingadozását, így a két PSR-görbe közül vegyük az alacsonyabbat, mivel az fogja dominálni a torzítást!
A példánknál maradva a nekünk kellő értékek, azaz a minimális PSR a fenti három frekvencián: rendre 110 dB, 80 dB és 50 dB. (A közös módusú görbét most nem vehetjük figyelembe, mivel közös módusú tápfeszültségingás nem a táp véges kimeneti impedanciája miatt jön létre.) A becsült működésindukált torzítás: MT = MIjel – PSR, vagyis a három kiszemelt frekvencián rendre –122 dB, –92 dB és –62 dB (0,00008%, 0,0025% és 0,08%).
Vajon ezek jónak mondható értékek? Mivel az emberi hallás átfogóképessége intenzitásban kb. 120 dB, a mélyfrekvenciás adat impozáns. Mint majd látni fogjuk, egy tápegység kimeneti impedanciáját a közép- és a magas tartományban a pufferkondenzátorok mindenképp alacsony értéken tartják, így az igazi bravúr ahhoz kell, hogy a tápkimeneti impedancia alacsony frekvenciákon is kicsi legyen, valamint hogy lehetőleg frekvenciafüggetlen legyen. Kell-e tehát az első szempont érdekében erőfeszítéseket tennünk? A meghallgatásos tapasztalataim alapján egyértelműen igen, a fentieknél lényegesen jobb számokra is érdemes törekedni!
Ugyan az imént hangfalas példát néztünk (a 8 ohmos impedancia hangdobozoknál tipikus), az alapelvek mit sem változnak fejhallgató-erősítők esetében. Csupán jobb számokat fogunk látni a nagyobb fejhallgató-impedanciák következtében; sőt sokkal jobbakat, mivel több OPA + buffer elrendezést is megvizsgálunk majd: ennek a topológiának jelen szempont szerint is nagy előnye van – amennyiben megfelelő a kivitelezés.
Végül említsük meg, hogy a fenti torzításbecslések csupán durva közelítések, hiszen a PSR-értékekből még nem tudunk meg sokat a torzítás szerkezetéről: annak frekvenciakomponenseiről és fázisviszonyairól, vagyis a torzítást sem tudjuk pl. THD-ra átszámítani; viszont ezek a számok segítik az eligazodást a különböző kapcsolások között erősítőválasztás, -tervezés, -építés vagy -tuningolás esetén.
A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!
