Einzelversorgungs-Operationsverstärker mit AC-Kopplung

Nachdem ich verschiedene Dinge ausprobiert hatte, fand ich heraus, dass das Hinzufügen eines 1K-Widerstands zur Erde nach dem letzten Kondensator das Problem zu beheben scheint, aber ich kann nicht wirklich verstehen, warum. Ist es der richtige Weg, es zu tun? Warum 1K?

Es muss nicht 1 kOhm sein. Es könnte genauso gut 10 kOhm oder 100 kOhm oder 1 MOhm sein. Der 10-µF-Kondensator und der Ausgangswiderstand bilden eine Hochpassschaltung. Das heißt, sie lassen hohe Frequenzen durch und blockieren niedrige Frequenzen. Bei 0 Hz ist der DC vollständig gesperrt. Der Punkt, an dem sich die Leistung des Ausgangssignals um die Hälfte verringert, wird Grenzfrequenz genannt und ist definiert als: -

Bei 1 kOhm und 10 uF beträgt die Grenzfrequenz also 15,9 Hz und ist für Audio in Ordnung.

Ich habe nur TL072, würde das funktionieren? Ich gehe davon aus, dass es ein Problem wäre, wenn ich eine sehr niedrige Stromversorgung (wie 5 V) für meinen Operationsverstärker verwenden würde, aber mit einer 12-V-Versorgung in Ordnung sein sollte, irre ich mich?

Ja, der TL072 würde in Ordnung funktionieren, aber da der Ausgang nicht "Rail-to-Rail" ist, sehen Sie Clipping, wenn Ihr Ausgangssignal über etwa 8 Volt Spitze-Spitze steigt.

Da der Kondensator nicht belastet ist, gibt es keinen Strom zum Laden des Kondensators, und es liegen 0 V über dem Kondensator an. Wenn der Ausgang des Operationsverstärkers eine DC-Vorspannung von 6 V hat, wird dies auch auf der anderen Seite des Kondensators der Fall sein. Wenn Sie den Widerstand vom Kondensatorausgang auf Masse legen, stellt er die DC-Vorspannung des Ausgangs ein und lässt Strom über den Kondensator fließen, um ihn aufzuladen, sodass 6 V über der Kappe anliegen.

Technisch gesehen kann ein Operationsverstärker, der normalerweise mit doppelter Versorgung betrieben wird, mit einer einzigen Versorgung verwendet werden, wenn die Eingangs- und Ausgangssignale klein genug sind und nicht auf Schienenspannungen gehen. Das heißt, wenn Sie 12 V ausschalten und Eingang und Ausgang auf 6 V einstellen, wobei der Eingang 1 Vpp und der Ausgang 2 Vpp beträgt, dann ist alles in Ordnung, da Sie viel Headroom haben. In anderen Anwendungen, in denen Sie ein kleines Netzteil haben und es als Einzelversorgung verwenden möchten, um das Wechselstromsignal mit Wechselstromkopplung zu verstärken, können Probleme mit dem von mir erwähnten Setup auftreten. In diesem Fall ist die beste Option ein Rail-to-Rail-Operationsverstärker mit Einzelversorgung. Selbst wenn Sie keine niedrigere Olathe für die Stromversorgung verwenden, sondern nur mehr Reichweite für die Ausgabe und Eingabe wünschen, wäre der damalige Rail-to-Rail-Operationsverstärker sowieso ideal. Beruhigend wie opa340 für niedrigen Stromverbrauch und TLV271 für höhere Spannungen sind gute Rail-to-Rail-Eingangs- und -Ausgangs-Operationsverstärker mit Einzelversorgung und ausreichender Bandbreite. Wenn Sie mehr Bandbreite wünschen, finden Sie andere auf DigiKey. Suchen Sie einfach nach Rail-to-Rail-Eingangs-Ausgangs-Operationsverstärkern.

TL072 würde funktionieren, wenn Sie eine Vcc von 12 V verwenden und die Eingangs- und Ausgangsspannungsschwankungen kleiner als der im Datenblatt angegebene maximale Eingangs- und Ausgangsbereich halten.

Der Grund, warum Ihr Signal am Ausgang nicht wechselstromgekoppelt war, liegt darin, dass Sie keinen Lastwiderstand haben. Das bedeutet, dass der Ausgang mit einer sehr hohen Impedanz und einer fast kondensatorartigen Last verbunden war. Wenn zwei Kondensatoren mit Spannung über ihnen in Reihe geschaltet sind, hat der Mittelpunkt auch Gleichspannung. Um dies zu lösen, sollten Sie eine Last wie 10 kOhm platzieren.

Nachdem ich verschiedene Dinge ausprobiert hatte, fand ich heraus, dass das Hinzufügen eines 1K-Widerstands zur Erde nach dem letzten Kondensator das Problem zu beheben scheint, aber ich kann nicht wirklich verstehen, warum.

Es ist eine bekannte Situation, in der OP herausfindet, dass ein Mittel hilft, aber nicht wirklich verstehen kann, warum ... Das Problem ist, dass er / sie die spezifische Schaltungslösung kennt, aber die grundlegende (voreingenommene) Idee nicht wirklich versteht . Es kann am besten auf intuitive Weise eingeführt werden, indem man sich Koppelkondensatoren wie "Spannungsverschiebungsbatterien" vorstellt ... und geometrisch wie in Raz 'Antwort denkt ("anheben", "anheben" usw.). Andys „High-Pass-Circuit Approach“ ist formal und für ein intuitives Verständnis nicht geeignet. Es ist später für Berechnungszwecke nützlich.

Einfach gesagt „hebt“ der 10-nF-Eingangskondensator die Sinus-Eingangsspannung durch Hinzufügen von 6 V in Reihe, während der 10-mF-Ausgangskondensator die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers „senkt“, indem er 6 V in Reihe subtrahiert. Zu diesem Zweck sollten beide Kondensatoren zunächst über einige relativ niederohmige Pfade auf 6 V aufgeladen werden (wie bei Akkus). Der Eingangskondensator lädt sich über die Eingangsspannungsquelle auf; Letzteres sollte also "galvanisch" sein (niedriger DC-Widerstand). Der Ausgangskondensator lädt sich durch die niederohmige DC-Last auf, die; also sollte erst mal die last angeschlossen werden.

Es wäre interessant, Strompfade während der drei typischen Fälle zu zeichnen - Null, positive und negative Eingangsspannung. Ich habe es in meiner Antwort unten für die klassische Transistor-AC-Verstärkerstufe getan (die Idee ist dieselbe):

https://electronics.stackexchange.com/a/492605/61398

Die abgelesene Spannung ist nur vorübergehend, es sei denn natürlich, die Kappe ist undicht, da 10 uF gegen den 10 bis 100 Megaohm Eingangswiderstand des Messgeräts Zeit benötigen, um die 6 Volt an der Ausgangskappe auf Massepotential abzuleiten.

In einem Operationsverstärker, der mit zwei Versorgungen arbeitet, liegt Masse auf 0 V, also haben Sie beispielsweise +6 V, Masse und dann -6 V. Wenn Sie die Energieversorgung für eine Methode mit nur positiver Spannung ändern, müssen Sie die negative Versorgungsspannung erhöhen, dh Sie erhöhen -6 V um +6 V, sodass Sie 0 V erhalten, und Sie erhöhen die positive +6 V-Versorgung um +6 V, also die positive Versorgung wird +12V, richtig? Nun, Sie müssen auch alles andere um +6 V erhöhen. Sie haben dies bereits mit dieser Vorspannungsversorgung bei 1/2 V + begonnen, aber Sie vergessen, alle anderen Knoten, die zuvor ebenfalls auf 0 V lagen, anzuheben. Sie müssen vom 1/2V+-Teiler alles speisen, was bei Verwendung von Doppelversorgungen auf 0 V liegen würde, Sie müssen ALLES um +6 V anheben, erinnern Sie sich? Eine gute Möglichkeit, dies zu tun, wäre, jeden Knoten mit einem Widerstand mit großem Wert zu speisen, der vom 1/2V + -Teiler abgegriffen wird.