Základní pravidla pro návrhy DPS s OZ

[Gavin Milarrr]

Dostalo se mi do rukou několik výjimečně blbých desek s OZ, proto bych zde velmi stručně uvedl základní pravidla pro návrh. Uvažujeme tedy desky vrtané, součástky na rubu, rastr 2,5 mm resp. 0,1 in, OZ v DIL8 nebo DIL14:

1. Nezapomeňte na blokování napájení. Provádí se keramickými kondenzátory cca 47n -- 100n co nejblíže k napájecím vývodům. V této souvislosti je výhodné, když střed napájení vedete pod OZ, jak je naznačeno na následujícím obrázku (kresleno je ze strany součástek, vpravo je dvojitý OZ, vlevo jednoduchý):

Obr. 1: blokování napájecího napětí -- OZ v DIL8

OZ1.png (11.73 KiB) 14278 zobrazení

Uvedený způsob umožňuje jednoduše řadit OZ za sebou na jedny napájecí vodiče. Pokud osazujete čtyřnásobný OZ, máte jednu výhodu: lze jej vzhledem k zapojení vývodů libovolně otáčet, ale pokud zvolíte jeden směr, musíte jej nadále dodržovat. Nezapomeňte, že klíč čtyřnásobného pouzdra bude směřovat opačně než klíče pouzder jednoduchých a dvojnásobných pouzder na jedné napájecí lince!

Obr. 2: blokování napájecího napětí -- OZ v DIL14

OZ2.png (8.39 KiB) 14277 zobrazení

Všimněte si vzdálenosti mezi kondenzátorem a pouzdrem. Většina pouzder DIL14 má přesah od posledního páru vývodů skoro celou jednu jednotku a keramické kondenzátory o kapacitě kolem 100nF nebývají czela ploché. Proto je vhodné při návrhu desky počítat s určitou rezervou a umístit kondenzátor trochu dál od pouzdra. Po nějakých osmi až deseti pouzdrech je vhodné napájení doblokovat tantalovým nebo dobře sformovaným elektrolytickým kondenzátorem cca 10uF.

2. Součástky v hlavní zpětné vazbě (to jsou ty mezi invertujícím vstupem a výstupem -- berme OZ zapojený jako invertující nebo neinvertující zesilovač) by měly být co nejtěsněji k pouzdru a s co nejkratšími přívody. Zároveň by měl být zajištěn pokles zesílení pro frekvence, které zařízení zpracovávat nemá, což lze jednoduše realizovat keramickým kondenzátorem malé kapacity (řádově pikofarady pro akustické signály) zapojeným opět co nejblíž k pouzdru. Následující obrázek ukazuje jednu z variant pro dvojité OZ, kde je v zpětné vazbě pouze rezistor. Konkrétní provedení pochopitelně závisí na situaci.

Obr. 3: provedení zpětné vazby lineárního zesilovače, dvojitý OZ

OZ3.png (9.18 KiB) 14243 zobrazení

Opět je zde několik důležitých detailů: nezapomeňte na součástky v obvodu neinvertujícího vstupu -- pokud je pouze zemněn, zcela vyhoví drátová propojka se středem napájení. Pozice pro kondenzátory můžete nechat volné a osadit v případě, že při oživování zjistíte kmitání na vysoce nadzvukových frekvencích. Pokud jsou v zapojení součástky mezi neinvertujícím a invertujícím vstupem, je vhodné z hlediska rozměrů i stability zařízení je pokládat blíž k OZ než samotné součástky hlavní zpětné vazby vyjma oněch paralelních kondenzátorů. V nouzi lze kondenzátory letovat i přímo na vývody OZ.

Některé OZ vyžadují externí kmitočtovou kompenzaci (např. 748, NE5534 aj.). Nejprve si z katalogového listu zjistěte, zda a jaká má být použita, a samozřejmě kam se zapojuje. Někdy to bývají vývody 1 a 8, jindy 5 a 8. Pomiňme komplikovanější kompenzaci u OZ odvozených od uA709, které se do nových konstrukcí přes třicet let nepoužívají (výjimkou je Tesla Vráble...). Kmitočtová kompenzace by měla být po blokování napájení nejblíž k pouzdru, pokud na ni zapomenete, opět můžete kondenzátor připájet přímo na vývody OZ -- není to estetické, ale účel to splňuje.

Obr. 4: provedení zpětné vazby lineárního zesilovače, jednoduchý OZ

OZ4.png (6.38 KiB) 14243 zobrazení

V případě jednoduchého OZ je situace komplikována tím, že součástky v hlavní zpětné vazbě jsou pokládány přes napájecí linky, jejich minimální rozměr je tedy limitován třemi jednotkami. Z praxe vím, že případný vazební kondenzátor v rastru jedné jednotky lze přihnutím nožiček upravit tak, aby se dal zapájet do otvorů vzdálený tři jednotky bez vlivu na stabilitu. Zde se jako vhodnější jeví kulatá kovová pouzdra, která roztečí vývodů umožňují průchod vodiče mezi a tedy i jednodušší zapojení součástek hlavní zpětné vazby.

Celkově lze říci, že je žádoucí rozměry obvodu hlavní zpětné vazby udržet co nejmenší -- což může být problematické například u zpětnovazebních korektorů. Rozměrná smyčka MFB jednak může být zdrojem nestability, jednak se na ni mohou indukovat různá rušivá napětí.

/18.8 dane do samostatnej temy na žiadosť autora.psichac

[Washu]

Tolko teoria
Toto je 7 1/2 miestny multimeter...
Zalezi ktory parameter zosilnovaca je pre nas nadolezitejsi a pravidla sa odvijaju podla toho. Neexistuje univerzalne riesenie, navrh je vec kompromisov.
PS: feroelektricke dielektrika su znacne mikrofonicke takze s tou keramikou opatrne hlavne pri velmi malych urovniach signalov.

[neznamy]

zabudol si dodat podmienky kde sa tie tvoje navrhy daju uplatnit... to je mizerna mensina. Pri vyssich frekvenciach alebo velmi malych urovnach signalu je to cele zle a nepouzitelne

[Gavin Milarrr]

Sorry, ale který začátečník se pustí do konstrukce tak složitého zařízení? Přečti si prosím předpoklady, jsou hned v prvním odstavci.

Right13: Co to jsou vyšší frekvence? Na vf zařízení se operáky obvykle nepoužívají. Co se týče malých signálů, třeba z mikrofonu nebo magnetodynamické přenosky, tím směrem budu pokračovat. Ale není to nic nového typu "zapomeňte na blokování", ale spíš rozvíjení již popsaného. To, co jsem napsal, je sice zjednodušené, ale stále pravdivé. Pokud bych nerozlišoval mezi podstatným a nepodstatným, skončilo by to u materiálu podobného Punčochářově učebnici, a i to s rezervou -- skalní fachidioti považují Punčocháře za snůšku blábolů.

[Hinsi]

Jedna praktická ukázka blokování řady operáků za sebou.

[Washu]

Gavin Milarrr: Cital som to cele a nedalo mi. Dolezite je uvedomit si ako to cele funguje na com zalezi a na com nie.
NEEXISTUJU univerzalne pravidla. Snad iba jedine, pouzivat ROZUM.

[Gavin Milarrr]

Nojo, jenže kdo se začátečníků se pustí do nějaké superkomplikovanosti z okraje oboru? Za sebe můžu říct, že se mi tato pravidla osvědčila. Samozřejmě že neexistují univerzální pravidla, ale lze se jim v dostatečné míře přiblížit. Zbytek typu lovení zlomků promile zkreslení se obvykle nevyplatí -- výsledek, byť pozitivní, neodpovídá vloženému času ani penězům. Vždycky jde o kompromis. Kdo touží po nekompromisním řešení, obvykle končí u nicnedělání (protože nevytvořit dokonalost je ztráta času) a brblání.

[neznamy]

gavin,som zvedavy na pokracovanie


btw: dokumentov o navrhu DPS je STRASNEEEE VELA, bohuzial 99% ludi su lenivy hladat

[Gavin Milarrr]

Jo, je toho moc, a kdo se v tom má vyznat, když se to většinou opírá o nejmodernější strojové technologie a staré materiály jsou dost často nepoužitelné, protože berou v potaz překonané normy a zastaralé komponenty. Já nechci suplovat učebnice, spíš jen vytáhnout to, co se obvykle hodí.

[Washu]

Len som chcel poukazat mozno trochu pokrocelejsim zaciatocnikom ze dolezitejsie nez bezmyslienkovite dodrziavanie pravidiel ktorym nerozumeju je pochopenie ako to funguje a z toho vyplinie aj poznanie ktore pravidla su prave teraz dolezite a hlavne preco.
V jednej knizke som cital ponaucenie. Najdolezitejsie je si uvedomit ze "vodic nieje supravodic".
Ked zacnete vidiet ubytky na vodicoch uvedomite si ako sa pripocitaju/odcitaju od uzitocneho signalu a zacnete vidiet slucky prudu na plosnom spoji potom to zacne davat zmysel.

[Gavin Milarrr]

Já čekám na toho prvního začátečníka, kterej se zeptá "proč?". Nečekám na profíka, kterej mě bude chtít zkoušet. Takhle to stačí obyčejným bastlířům, výklad o proudových smyčkách by to celé zatížil a přestalo by to být čitelné. Popularizační článek se nedá psát jako skripta.

EDIT: Pokračování bude zítra, dneska za chvíli odcházím bourat dlažbu.

[daqq]

Gavin: Vdaka za pekne zhrnutie pre zaciatocnikov, verim, ze to pomoze viacerym.


Washu: Nezabudaj, ze blokovacie kondenzatory na tom meraku mozu byt aj vstavane do DPS pri takejho high tech Myslim ze tie dolezite veci su tam pekne zhrnute - samozrejme, ak clovek ide do pokrocilejsich veci, tak text k plnemu a dostatocnemu vysvetleniu je na niekolko desiatok stran. Ale niekde proste treba zacat a vysvetlovat zaciatocnikovi teoriu poli je... zlozite? Podla mna velmi pekny "rule of thumb" text.

[TAZ]

Dobrý počin, jen houšť a větší kapky...
Washu, uvědom si kdo na tendle web chodí a s jakýma dotazama..... Lidí s tvýma zkušenostma a uměním tu napočítáš na jedný ruce...

[Washu]

daqq: Kondenzatory ani ine suciastky vlaminovane do dosky niesu. Power-planes su pouzite iba pre cislicovu cast.
Analogova cast je navrhovana aby sa zamedzilo zvodom (guardian rings) a potom aby sa vyhly ubytkom napatia na signalovych vodicovh a tym sposobenej chybe. To je to castokrat nepochopene vedenie niekolkych signalov do jedneho bodu.
Doska nieje Vf a ani pri jej navrhu niesu aplikovane pravidla z RF techniky.

[Drakoush]

K+, zas som sa niečo nové naučil. A ja sa môžem čudovať, prečo mi blbne generátor s dvoma OZ, lebo je na pi.. návrh.

[Gavin Milarrr]

OK, takže pokračujeme:

3. Zpracování nízkoúrovňových signálů: Opět problém zjednodušíme a budeme považovat za nízkoúrovňové jen takové signály, jejichž střední úroveň (ve smyslu statistické střední hodnoty, tedy odhadu průměru) dosahuje řádově milivoltů -- patří sem např. signály elektrodynamických mikrofonů, magnetodynamických přenosek, bioelektrických snímačů apod. Impedance zdroje nízkoúrovňového signálu (impedance je odpor, který element klade průchodu střídavého proudu, z čehož plyne, že jeho velikost je dána frekvencí onoho proudu) by měla být co nejnižší -- dynamický mikrofon nemá impedanci vyšší než stovky ohmů, totéž platí pro impedanci vedení. Na vedení o vysoké impedanci se totiž indukuje významé rušivé napětí z okolních elmg polí. Zkuste si například přepnout multimetr na nejnižší rozsah střídavého napětí a sledovat, co ukazuje. Dnes v době všelijakých měničů, spínaných zdrojů a špatně odrušených sériových elektromotorů uvidíte i stovky milivoltů. Tyto signály je nejvhodnější co nejdříve buď napěťově zesílit nebo transformovat. To první lze realizovat i pomocí OZ, i když to není obvyklé, na to druhé potřebujete trafo.

V čem tedy spočívají specifika: zabránit rušení, a to jak vnějšímu od cizích elmg polí, tak vnitřnímu od prvků zpracování. První druh rušení vzniká indukcí především na signálové vedení a lze mu zabránit vedením symetrickým. To znamená, že místo známého vedení signálu souosým kabelem, kde jádro nese signál a oplet představuje referenční zem (a zároveň anténu) je příslušný sdroj signálu konstruován tak, aby se na jeho výstupech objevovalo napětí v protifázi. Tak jsou provedeny právě elektrodynamické mikrofony. Potom se signál vede dvěma vodiči o vzájemné definované poloze, například zkroucenými, kde jeden vodič se označuje jako horký a druhý jako studený. Vnější rušení se indukuje na oba vodiče souhlasně, kdežto signál je vzájemně v protifázi. Pokud signál zpracujeme buď transformátorem, nebo diferenčním zesilovačem, souhlasná složka (tedy rušení) se potlačí a zůstane jen samotný signál.

Co se týče rušení pocházejícího ze zpracování signálu, zde se jedná především o brum a šum. Zatímco brum se u dobře navržených zdrojů (o tom možná příště) prakticky nevyskytuje, šum generuje každý prvek elektrického obvodu. Problém se šumem je zde kritický právě pro nízkou úroveň signálu samotného a tedy hrozící nebezpečí vzniku šumu o střední úrovni srovnatelné se střední úrovní signálu. Protože v této sérii článků se věnujeme operačním zesilovačům, vynecháme diskrétní řešení, jakkoli jejich šum je z principu věci (méně prvků v obvodu) při rozumném návrhu řádově menší.

Zpracování asymetrického signálu (jeden signálový vodič) je do značné míry jednodušší -- je zapotřebí nejdřív upravit impedanční poměry na vstupu tak, aby se pro většinu zpracovávaných frekvencí vyrovnaly a aby frekvence nezpracovávané, zpravidla řádově vyšší (například DV a SV vysílání zachycené vedením jako anténou) byly řádně zatlumeny. K tomu osobní vzpomínku: moji rodiče žijí cca 4 kilometry od vysílače v Liblicích a stanice Praha se tam dá přijímat na sluchátko přemostěné Ge diodou, s jedním pólem chyceným k rozměrnějšímu kovovému tělesu, například drátěnému plotu, a druhým pólem svedeným přes vlastní tělo. Zesilovač bez tlumení nadzvukových frekvencí funguje tam jako krystalka (první stupeň detekuje a další zesílí) a veškerý sesilovaný signál je podkreslen rádiovým vysíláním. Přitom stačí maličkost -- kondenzátor o kapacitě jednotek nanofaradů mezi signál a zem, který spolehlivě odvede ev. indukovaná napětí pryč.

pokračování za chvíli, až nakreslím schéma...

[kubo150]

NEEXISTUJU univerzalne pravidla. Snad iba jedine, pouzivat ROZUM.

Toto je základ človeka. Neplatí to len u nejakých operákov ale v celej elektronike a koniec koncov v celom živote.

Blokovanie napájania operákov, resk IO je dôležité vždy, ale niekedy to proste prevedenie neumožňuje rozumne vykonať vzhladom na ostatné požiadavky, preto treba zvážiť.. a možno blokovanie dať kúsok ďalej, a rozumne napr potiahnúť spätne vezby...

[Gavin Milarrr]

Jak říkám, to, co tady píšu, je samozřejmě zjednodušující. Ale pro většinu amatérských konstrukcí postačující.

Jo aha, vy si myslíte, že to budou zdejší považovat za kánon víry, o kterém se nediskutuje... no ale to je jejich problém, s tím já nic nenadělám.

Zpět k tématu: Následující obrázek ukazuje schéma a dvě varianty návrhu DPS pro jednoduchý lineární zesilovač nízkoúrovňového signálu.

Obr. 5: Jednoduchý zesilovač s oddělením ss složky

Jedná se o neinvertující zesilovač s vazbou bootstrap, jenímž smyslem je eliminovat ev. stejnosměrnou složku signálu. Další výhodou je vysoký vstupní odpor, který nezatěžuje měkké zdroje signálu, jako je například právě elektrodynamický mikrofon. Zesílení střídavých signálů je dáno vztahem 1+R4/R3, stejnosměrná složka není zesilována vůbec. Zapojení má jedno úskalí: je třeba zajistit, aby součin C1R2 byl řádově odlišný od C3R3 (řádově rozumějte o jeden nebo více řádů, tedy 10x a více), jinak budou signály o nízké frekvenci zesíleny neúměrně víc než ostatní. C1 volte podle nejnižšího požadovaného kmitočtu, pro řečový mikrofon vyhoví stovky nF (nebo jej neosazujte vůbec, jeho účelem je blokovat stejnosměrnou složku), filtrační článek R1C2 tlumí frekvence stovek kHz, přičemž kondenzátor může být např. 1nF (rezistor si dopočítejte za domácí úkol), R2 bývá obvykle 1Mohm, C3 elyt cca 10uF, R4 by neměl přesáhnout 500kohm a může být proměnný, R3 určuje maximální zesílení -- zesilovač by měl být schopen zesilovat tisíckrát, dopočítejte opět doma. C4 je vazební na linkové úrovni, např. 2,2uF.

Vedle schématu jsou dvě varianty DPS -- první je při pohledu ze strany součástek estetičtější, druhá praktičtější. Všiměte si především vynechaného místa kolem elektrolytického a vazebních kondenzátorů -- plastové kostky, ev. radiální elyt potřebuje kolem sebe víc místa, je poměrně rozměrný. Zde bych pro zablokování OZ doporučoval spíš bezindukční plastové kondenzátory, ale vše záleží na situaci, keramika může stejně dobře vyhovět. Další věc k povšimnutí jsou přívody k součástkám na vstupní straně. Jsou co možná nejkratší, aby nedocházelo k druhotné indukci rušivých napětí. Jako velice rozumné se doporučuje rozlít měď kolem celého zapojení.

Zpracování symetrického signálu lze realizovat několika způsoby, vždy jsou to varianty tzv. diferenčního zesilovače. Asi nejdokonalejší z hlediska shody zpracování obou signálových vedení je tzv. přístrojový zesilovač složený ze dvou sledovačů a vlastního zesilovače. Přizpůsobovací část opět definuje impedanční poměry, zde především definici signálu proti zemi (symetricky připojený mikrofon nemá definovaný zemní potenciál) a kapacitu vedení (kondenzátor mezi signálovými vodiči). Při návrhu DPS lze využít čtyřnásobný OZ a snažte se o geometrickou symetrii nízkoúrovňové části. Signál z výstupů sledovačů, což jsou v případě použití čtyřnásobného OZ krajní piny, lze na druhou stranu pouzdra převést drátovými propojkami přes napájecí linky -- jednu jednotku od pouzdra máte volný prostor, blokovací kondenzátor je ještě o jednotku dál. Potenciometr řízení zisku by rovněž neměl být příliš daleko od vstupní strany.



Shrňme tedy specifika návrhu konstrukce zesilovače nízkoúrovňových signálů s OZ: Operační zesilovač samotný by měl být nízkošumový. Přes všechna tvrzení, mnohdy kopírovaná z materiálu do materiálu, pokud nenavrhujete zesilovač pro nahrávací studio, docela určitě vám stačí TL071/2/4, pro náročné doporučuji LM494 (nemá smysl vyrábět nízkošumový mikrofonní zesilovač pro nesymetrickou linku). Rezistory metalizované, ale to je dnes snad samozřejmost, kondenzátory plastové -- malé kapacity styroflex, velké MKT/MKP. Keramické kondenzátory velkých kapacit trpí mikrofoničností a jinými neduhy (tendence k polarizaci, nestabilita kapacity vzhledem k okolní teplotě atd), byly tím pověstné především čsl. kondenzátory TK78x/68x s dielektrikem Supermit. Ovšem jednu nespornou výhodu mají, totiž nepatrnou a u jednoduchých dokonce prakticky nulovou vlastní indukčnost.

Co se týče přívodů k desce, jsou-li v řádu jednotek cm, nemusí být stíněny, a i delší, zvlášť u symetrického připojení stačí jen zkroutit k sobě. Podstatný je co nejmenší rozměr desky a zbytečně neproplétat mezi sebou obvody invertujícího a neinvertujjícího vstupu, o výstupu a vstupech navzájem nemluvě. Zemnič tažený mezi dvěma signálovými cestami eliminuje jejich vzájemné vazby a může odstranit eventuelní tendence k rozkmitání.

[Hinsi]

nemá smysl vyrábět nízkošumový mikrofonní zesilovač pro nesymetrickou linku

A to by zrovna byl dobrý námět, co místním nakreslit. Při všech tě zesilovačích na mikrofony se 741 a podobných plevelech, kterými je internet zaplaven. Jakýkoliv zesilovač 60dB s běžným i lepším OZ šumí nepřijatelně mnoho.

Takový běžný TLko s 15nV vstupním šumem vám nikdy neudělá SNR lepší jak 53dB, při zesílení 60dB vztaženo ku vstupnímu signálu 1mV a navíc při zanedbání vnitřního odporu zdroje signálu, který taktéž šumí. Takový dyn. mikrofon 600ohmů na vstup přidá ještě další stovky nV šumového napětí, takže výsledné dosažitelné SNR je v praxi horší než hrozné, nemluvě o zkreslení, které takový zesilovač bude produkovat, neboť mu v NFB již nezbyde mnoho zisku nazbyt.

[Gavin Milarrr]

Pokračujeme dál. K dodatečně vloženému schématu asi toto: jedná se o obecné zapojení zesilovače symetrické linky a desymetrizátoru. Pokud dodržíte pravidlo, že R4=R5 a zároveň R6=R7 a zároveň R8=R9, potom zesílení celého zařízení se rovná součinu (1+(2R4/R3)(R8/R6). Symetrii doladíte například tak, že na oba vstupy přivedete souhlasný signál, např. z generátoru přes rezistory v desítkách kiloohmů, R9 nahradíte trimrem a nastavíte na výstupu nulu. Pokud osadíte zařízení běžnými metaloxidovými rezistory s tolerancí 1 -- 2 procenta a jednoltivé páry budou ze stejné šarže, pravděpodobně nebudete muset nic nastavovat.

Potenciometrem R3 se nastavuje zesílení. V DPS je v sérii s ním rezistor definující maximum. Potenciometr by měl být buď exponenciální, potom s běžcem spojíte opačný konec dráhy, nebo logaritmický, ale počítejte s tím, že vlevo bude maximum. Ostatně, řada mixpultů starší výroby to má právě ta zapojeno. Lineární potenciometr se zde nehodí.

Pro použití jako mikrofonní zesilovač je třeba se rozhodnout, která část zesilovače bude jak zesilovat. Obvykle požadujeme zesílení 1000, tj. z 2mV na 2V. Literatura se v tomto směru nijak nevyjadřuje, různá zapojení různých autorů přistupují k problému různě. Mě se osvědčila kombinace 100x zesílit na sledovačích a 10x na diferenčním zesilovači. Za domácí úkol dopočítejte hodnoty -- doporučuji se odrazit od potenciometru, který bych dal 10k/E (v provedení TP160A se dají sehnat po výprodejích za pakatel, jsou to náhradní díly do jakéhosi teslamixu) -- nezapomeňte potom změnit propojení běžce! Situaci rovněž usnadní dát R4 a R6 stejné. Pro pomalejší: zesílení sledovačů je dáno (1+(2R4/R3) a zesílení diferenčního stupně (R8/R6). R1 a R3 osaďte hodnotami 300 ohmů, kondenzátor C1 např. 330pF. Vazební kondenzátor C2 jako předtím cca 1 -- 5uF, nejlépe MKT.

Ještě k samotné konstrukci: jeden z OZ v čtyřnásobném pouzdru je nevyužit, můžete jej zapojit jako zesilovač +/-1 pro eventuelní obracení fáze o 180 stupňů. Hodí se to, pokud je mikrofon příliš blízko k reproduktoru a "nahoukává", tj. vytváří se akustická zpětná vazba, jejíž vinou se celý zesilovací řetězec rozkmitává. DPS je navržena s důrazem na symetrickou geometrii (ale to už jsem říkal), pochopitelně ji lze rozumně měnit, ovšem jen pokud udržíte výstupy sledovačů co nejdále od vstupů.