Der Ausgang des Operationsverstärkers ist asymmetrisch begrenzt

Warum sollte ein Verstärkerausgang asymmetrisch beschnitten werden?

Ich baue einen kleinen Kopfhörerverstärker mit dem Texas Instruments TPA6100A2. Ich habe die Schaltung genauso aufgebaut wie im TPA61002 Evaluation Board User's Guide:

TPA6100A2 EVM

Der Operationsverstärker ist für die Single-Supply-, Single-Ended-Nutzung ausgelegt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ich 100uF-Elektrolytkondensatoren an ROUT und LOUT mit 20-kOhm-Entladewiderständen auf der Kopfhörerseite hinzugefügt habe.

Ich betreibe den 6100 über einen 3,3-V-Regler und er funktioniert sehr gut und sieht so aus, als würde er meine Anforderungen erfüllen. Ich werde hinzufügen, dass das Datenblatt auf das Fahren von 16- oder 32-Ohm-Headsets verweist. In meinem Fall werde ich es jedoch verwenden, um ein Luftfahrt-Headset mit einer Impedanz von etwa 300 Ohm anzutreiben. Die Tests mit besagtem Headset sind sehr vielversprechend.

Unten sehen Sie zwei Screenshots des Verstärkerausgangs (gelbe Kurve), der mit einer 500-Hz-Sinuswelle von einem Mobiltelefon (blaue Kurve) gespeist wird.

Ich werde feststellen, dass bei der Ausgangsstufe auf dem oberen Bild mit meinem Headset die Lautstärke zu laut ist. Beim Hörpegel gibt es (zumindest für meinen Gebrauch) kein Clipping, was bedeutet, dass ich nicht erwarte, überhaupt Zeit in dieser Region des Leistungsbereichs zu verbringen.

Nur um herauszufinden, wo die Grenzen sind, habe ich es auf Hochtouren gebracht (unteres Bild).

Es ist also nicht Rail-to-Rail (das wusste ich), sondern kommt ziemlich nahe an die vollen 3,3 V in der Versorgung heran (nicht gezeigt, aber das Oszilloskop zeigte 3 Volt als Amplitude an). Es ist immer noch klar, dass die Welle asymmetrisch abgeschnitten wird.

Oszilloskop-Screenshots

Warum sollte das sein? Ich habe die Verkabelung und die Einrichtung noch einmal überprüft, alles scheint gemäß dem oben genannten Schaltplan korrekt zu sein. Ist es möglich, dass ich einen schlechten Operationsverstärker habe? Leider habe ich keinen anderen zum Vergleich zur Hand.

Hinzufügen von Informationen: Das Datenblatt bietet diesen Einblick:

„Für maximalen Signalhub und Ausgangsleistung bei niedrigen Versorgungsspannungen wie 1,6 V bis 3,3 V ist BYPASS auf V DD /4 vorgespannt. Damit der Ausgang jedoch auf V DD /2 vorgespannt werden kann, muss ein Widerstand R gleich sein R F muss vom negativen Eingang auf Masse gelegt werden."

Außerdem befindet sich dieses Setup auf einem Steckbrett mit Überbrückungsdrähten und 5% Durchgangslochwiderständen und Kondensatoren, nicht wie das EVM mit seinen ausgefallenen 1% SMD-Komponenten.

Gelbe Spur bedeutet Sondenspitze an Rout und GND-Clip an GND, richtig? Nur neugierig: Sind alle Masse gleich? Ich meine, Stromversorgungsmasse / -negativ, Handymasse (war es an ein Ladegerät angeschlossen oder war es auf Batterie?) und Oszilloskopmasse.
Kann der Verstärker bei dieser Spannung mit dieser Last gleich weit vom Mittelpunkt in beide Richtungen schwingen ? Nicht alle Verstärker können unter allen Nennbedingungen einen Rail-to-Rail-Ausgang erzeugen, einige können nicht bis zur positiven Schiene gelangen, während andere nicht bis zur negativen Schiene gelangen (obwohl dies weniger üblich ist). Was sagt das Datenblatt für Ihre Betriebsbedingungen (oder so ähnlich)? Dies kann eine Einschränkung des Eingangssignalbereichs sein , es gibt einige Verstärker mit Rail-to-Rail-Ausgängen, die keine Rail-to-Rail-Eingänge verarbeiten können.
@SredniVashtar: Sie haben Recht, ich hätte diese Details hinzufügen sollen. Das Handy war auf Akku. Alle Erdungen (Regler, Headset, Opamp-Oszilloskopsonden, Handy-Audio gemeinsam) sind miteinander verbunden.
@Tom: Ich bin mir nicht sicher, wie ich das überprüfen soll, das Datenblatt enthält überraschend wenige Leistungsdetails.
Das Datenblatt besagt, dass "der TPA6100A2D BYPASS auf VDD / 4 vorspannt" und dass "um zu ermöglichen, dass der Ausgang auf VDD / 2 vorgespannt wird", ein Widerstand = zu Rf vom negativen Eingang zur Masse benötigt wird, aber es sieht so aus, als ob Sie ' hab das schon. Andernfalls klingt es, wie Adam vorgeschlagen hat, nach einem Vorspannungsproblem (insbesondere, wenn Sie nur eine Vorspannung von 1 V und nicht den Mittelpunkt von 1,6 V erhalten, den Sie bei 3,3 V erhalten sollten).
@Tom: Ich verstehe, was du meinst. Ich denke, Adam ist auf dem richtigen Weg und ich habe darauf geachtet, die Werte von R8 auf R6 und R3 auf R7 abzugleichen. Ich bin mir nicht sicher, was sonst dazu führen könnte, dass es auf einen Offset vorgespannt wird. Das einzige andere, was dies zu steuern scheint, ist der Bypass-Kondensator C3. Ich verwende den im Schaltplan angegebenen Wert, aber ich werde mit anderen herumspielen, um zu sehen, ob es einen Unterschied macht.

Antworten (2)

Erstmal vielen Dank für die gut formulierte Frage.

Basierend auf Ihren Oszilloskopaufnahmen vermute ich, dass die Mittelschienenvorspannung nicht richtig funktioniert. Sie sollten in der Lage sein, die Ausgangsvorspannung zu überprüfen, indem Sie Vo1 und IN- kurzschließen und dann die Spannung an Vo1 messen. (Schalten Sie natürlich zuerst Ihre Eingangssinuswelle aus.) Sie sollten ungefähr 1,6 V sehen. Wenn es eher 0,8 V sind, überprüfen Sie R3 und R6. Sie sollten auch überprüfen, ob Ihre Elektrolytkondensatoren richtig angeschlossen sind.

Ich habe Vo1 und IN1- mit einem Jumper kurzgeschlossen, aber das hat den TPA sehr verärgert. Es begann mit einer SEHR hohen Frequenz zu schwingen. Alles, was ich getan habe, war, den Jumper einzulegen, hätte ich noch etwas trennen sollen? In der aktuellen Konfiguration ohne Eingang beträgt die Vorspannung bei Vo1 ~ 400 mV ohne R3 und ~ 1 V mit R3. Ich habe einige zusätzliche Informationen aus dem Datenblatt am Ende der obigen Frage platziert, falls dies wertvolle Erkenntnisse hinzufügt.
Hmm … vielleicht ist es nicht stabil bei Einheitsgewinn? Klingt so, als hättest du es zum Laufen bekommen. Seltsam, dass eine Erhöhung der Bypass-Kapazität helfen würde; Laut Datenblatt erzeugen sie die Mid-Rail-Vorspannung mit einem Widerstandsteiler. Die Kappe sollte das Rauschen reduzieren, nicht die Spannung ändern.
Ich habe anfangs nicht daran gedacht, mit der Kappe herumzuspielen, weil ich dasselbe dachte.

Ich denke also, dass Adam Haun auf dem richtigen Weg war und die Ausgangsvorspannung, die nicht auf VDD / 2 lag, dazu führte, dass sich der Boden nach oben verschob und die Welle beschnitt. Ich habe mit anderen Kondensatorwerten für C3 getestet und eine Erhöhung der Kapazität schien die Vorspannung in Richtung Mitte zu verschieben. Am Ende erzeugte ein 10uF-Elektrolyt an C3 eine Vorspannung von 1,54 Volt. Als Ergebnis wurde die Symmetrie der Welle fast gleich wiederhergestellt und die Ausgangsleistung vor dem Overdrive wurde erhöht, da der negative Teil der Welle nicht zu früh abgeschnitten wurde:

Bessere Symmetrie

An diesem Punkt denke ich, dass ich C3 weiter feinabstimmen könnte, um die Vorspannung zu verschieben und die Symmetrie zu erhöhen, aber es ist nah genug für meine Bedürfnisse. Vielen Dank an alle für ihre Zeit und ihr Feedback!

Wenn Sie auch das Clipping bei maximalem Antriebspegel beheben möchten, versuchen Sie, R7 und R8 gegen Widerstände mit kleinerem Wert auszutauschen.
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