opamp met single power supply

Goedendag,

Ik ben lekker aan het leren over opamps en audio electronica en kom nu het volgende vraagstuk tegen.

Audio is AC en je gebruikt vaak opamps voor allerlei audio toepassingen. Opamps hebben om te kunnen versterken een positieve en negative rails/supply nodig. Maar hoe valt dat te rijmen met dat veel audio apparatuur gewoon werkt op 5V USB of een AC/DC adaptertje van 5/9/12V?

Dat moet dus betekenen dat deze single DC voeding opgedeeld wordt. Dus bij een 12V DC voeding, zet je ground bijvoorbeeld op 6V zodat je ineens +6V, ground en -6V krijgt. Om een audio-ingang te bufferen krijg je dan zoiets als in de afbeelding hieronder. Dus we koppelen de ground van het inkomende audio signaal aan onze eigen ground die op 6V zit t.o.v onze power supply:

Gebeurt dit ook in de praktijk?

Ik heb een onderbuikgevoel dat dit niet goed is omdat ik altijd overal ground aan ground koppel tot nu toe. Maar zolang je voor je audio-out de ground ook op 6V zet, zou dit prima moeten werken toch?

Indien dit helemaal anders moet, hoor ik graag hoe. wellicht zijn er andere manieren om een DC voeding te verdelen in meerdere voltages voor het gebruik van opamps?

EgbertG

Golden Member

De - kant van je signaalbron mag ook prima aan de ground!

[Bericht gewijzigd door EgbertG op maandag 14 december 2020 21:43:45 (72%)

Frederick E. Terman

Honourable Member

Wat je hier tekent is een spanningvolger; hij versterkt 1x (dus 'niet').
Zoals je het nu tekent zou het, althans wat de opamp betreft, nog werken ook. Maar nu staat er 50 kohm (nl. de parallelschakeling van de twee 100k-weerstanden) in serie met de bron.

Je kunt de 'onderkant' van de bron aan massa leggen, en dan in serie met de 'bovenkant' een condensator opnemen om te voorkomen dat je de halve voedingsspanning op de bron zet (en daarmee beïnvloedt).

Wil je beslist tot 0 Hz kunnen versterken, dan kan dat niet; je zult dan echt een dubbele voeding moeten hebben.

--
e: @EgbertG gaat uit van een ander schema, nl. met versterking (hier 2x). Ook bij hem moet er nog een condensator in de signaalleiding om onderlinge beïnvloeding van bron en gelijkspanning te voorkomen.

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Met de rechter weerstand 1k is de versterking -1, toch? Zoals getekend is de versterking inderdaad -2 (niet 2). Wacht!

Volgens mij is ook de offset instelling verkeerd. Die moet met 100k onder 200k boven. Als je met "ongeveer x1" (waar -1 dan onder moet vallen) versterking wil werken, moet 0V in op 6V uit uitkomen. -6V op +12 en +6V in op 0V uit. Dus met als "kantelpunt" +4V op de plus ingang werkt het ook niet. Het moet +3V zijn daar.

+6 Vin is dan -3 over de vin-weerstand en nog eens -3 over de feedback weerstand. nul uit. Goed!

0V Vin is dan +3 over de vin-weerstand en nog eens +3 over de feeback weerstand 6V uit: Goed!

-6V Vin is dan +9 over de vin-weerstand en nog eens +9 over de feedback weerstand. Perfect!

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
fatbeard

Honourable Member

Op 14 december 2020 22:22:13 schreef rew:
Met de rechter weerstand 1k is de versterking -1, toch?
...

Alleen als de bron een impedantie van 0Ω heeft, die impedantie staat namelijk in serie met de 1k weerstand...

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Ah heel interessant!

Op 14 december 2020 21:43:19 schreef Frederick E. Terman:
Maar nu staat er 50 kohm (nl. de parallelschakeling van de twee 100k-weerstanden) in serie met de bron.

En het probleem hiervan is dus dat ik mijn bron onder spanning zet neem ik aan?

Op 14 december 2020 21:43:19 schreef Frederick E. Terman:
Wil je beslist tot 0 Hz kunnen versterken, dan kan dat niet; je zult dan echt een dubbele voeding moeten hebben.

Ik ben nog druk aan het leren, maar mijn instinct zegt dat die condensator een high-pass filter vormt, waardoor je dus een ondergrens krijgt. Voor audio is dat vaak 20hz, dus als je die weerstand + condensator handig kiest is er niets aan de hand.

Ik heb nu dit gemaakt en dat lijkt goed te werken in circuitlab. Met de spanningsdeler kan ik de makkelijk een voltage kiezen als nieuw "referentie-voltage" voor de audio binnen mijn circuit. Het enige nadeel is dat je op deze manier het signaal inverteerd. Ik heb even gepuzzeld en de enige manier om dit op te lossen is door het gebruik van een extra op-amp. Klopt dat?

Neem aan dat dit dus de beoogde oplossing is?

Wat betreft de high-pass filter. Moet er dan eigenlijk niet nog een grote weerstand (b.v 100k) vanaf de rechterkant van C2 in de afbeelding naar ground lopen of werkt het zo ook?

Op 14 december 2020 22:35:36 schreef fatbeard:
[...]Alleen als de bron een impedantie van 0Ω heeft, die impedantie staat namelijk in serie met de 1k weerstand...

Interessant! Dus je moet altijd rekening houden met de impedantie van de input. Als die in dit geval heel hoog wordt t.o.v de weerstand van je opamp feedback (R2 bij mij), dan duikt je gain omlaag. Lijkt me een reden om nooit lage weerstanden te kiezen, zodat input impedantie minder effect heeft.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Nee hoor; je eerste tekening inverteerde toch ook niet?
Alleen had je daar 100% tegenkoppeling. Die moet je verminderen, dan krijg je meer versterking. Met een dubbele voeding dus zo (Wikipedia):
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/66/Operational_amplifier_noninverting.svg/1024px-Operational_amplifier_noninverting.svg.png
De enkele-voeding-truc ken je inmiddels. :)

Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org

Voor alle duidelijkheid: Het einddoel is niet zo zeer om te versterken maar vooral om een inkomend signaal netjes in het midden van ground en je DC spanning te krijgen, zodat het gebruik van opamps niet het negatieve deel van je signaal wegsnijd.

Op 14 december 2020 23:21:11 schreef Frederick E. Terman:
Nee hoor; je eerste tekening inverteerde toch ook niet?
Alleen had je daar 100% tegenkoppeling. Die moet je verminderen, dan krijg je meer versterking. Met een dubbele voeding dus zo (Wikipedia):
[afbeelding]
De enkele-voeding-truc ken je inmiddels. :)

Als het acceptabel is om je halve voedingsspanning terug te sturen richting de bron, dan is mijn eerste ontwerp inderdaad prima. Het is me nog niet duidelijk of dat wel of niet acceptabel is.

Of is dit exact waar die extra condensator voor was? Blijkbaar niet want mijn eerste ontwerp + die condensator lijkt helemaal niet te werken.

Met een dubbele voeding is het natuurlijk eitje, maar ik neem in dit topic aan dat ik slechts 1 DC voeding heb.

Mocht dat niet handig zijn, dan is de enige manier om de op-amp anders te gebruiken, zoals in mijn tweede afbeelding (ook gesuggereerd door EgbertG), maar dan inverteer je wel je signaal.

Frederick E. Terman

Honourable Member

Op 14 december 2020 23:32:21 schreef nschagen:
Als het acceptabel is om je halve voedingsspanning terug te sturen richting de bron, dan is mijn eerste ontwerp inderdaad prima. Het is me nog niet duidelijk of dat wel of niet acceptabel is.

Nee, dat is 't niet. Vandaar:

in serie met de 'bovenkant' een condensator opnemen om te voorkomen dat je de halve voedingsspanning op de bron zet (en daarmee beïnvloedt).

Zonder condensator gaan er twee dingen fout:

  • Er kan gelijkstroom door de bron lopen
  • De gelijkspanning zal dan veranderen
Keramisch, kalibratie, parasitair: woordenlijst.org
blackdog

Golden Member

Uhmm

Heren, de TL070 en TL080 series opamp zijn niet voor een enkele 5V voeding geschikt...

Er blijft dan maar als hij al werkt bij een enkele 5V, maar heel weinig input commonmode over.
Deze serie opamps zijn ontwikkeld voor de +-15V voedingspanningen lager werkt naturulijk ook wel, maar een enkele 5V voeding is wat te veel gevraagt. :)

Een moderne opamp die vanaf 4,5V totale voeding werkt en tot +-18V kan is b.v. de OPA140 series van TI.
De uitgang is Rail to Rail en de ingang kan tot de -Voedings aansluiting.

Als er geen audio of precisie in het spel is kan de voorbeeld schakeling ook redelijk goed worden uitgewerkt met een van de vier opamps van een LM324.

nschagen
Heel belangrijk, zijn de ingang en uitgangs commonmode van een opamp, dus binnen welk bereik van de totale voeding de ingangen en de uitgang lineair werkt.

Ben je met audio bezig, dan kan je slecht uitkomen met de ingangs commonmode bij de oudere Fets opmaps bij hogere aanstuur impedanties.
Omdat het Fet is, betekend het niet dan het dan ook goed is. :-)
Ook een hele dure opamp van TI heeft die ingangs commonmode vervorming die je niet verwacht van een product dat rond de 30€ kost...

Opamps zijn complex en het natuuruljkk goed om met een simpele schakeling te beginnen, zelfs al is het met een TL071, maar ALTIJD voedings ontkoppeling tekenen en gebruiken bij testen!
De TL071 series kan raar vervormen als hij niet direct bij het IC ontkoppeld is met minstens 0,1uF.

Dit is belangrijk, in een opamp schakeling met tegenkoppeling zal de -ingang uiteindelijk altijd het zelfde spannings niveau aannemen die op de +ingang staat t.o.v. je referentie punt.

Je referentiepunt is bij een dubbele voeding meestal de "0" en bj een enkele voeding de spanning op de +ingang t.o.v. de -voeding van de opamp.

Groet,
Bram

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.
EricP

mét CE

En het probleem hiervan is dus dat ik mijn bron onder spanning zet neem ik aan?

Nee. Wat de ingang van een op-amp is hoogohmig. Daar gebeurt niks. (we hebben het over het allereerste schema...)

makkelijk een voltage kiezen

Als je dan toch nog aan het leren bent... leer dan gelijk goed. Maak onderscheid tussen eenheden en grootheden. De grootheid is spanning, de eenheid is volt.

je op deze manier het signaal inverteerdt.

Niet altijd, maar vaak kun je door de ingangen 'om te draaien' inverteren of juist niet. Altijd ff in de gaten houden of de terugkoppeling nog goed werkt natuurlijk.

Lijkt me een reden om nooit lage weerstanden te kiezen, zodat input impedantie minder effect heeft.

Een nadeel van hoge weerstandswaarden is dat eea. minder eenduidig gedefinieerd is. Soms is dat niet erg, soms is het naar. Per toepassing dus een optimum zoeken.

In de zin van audio: als je een laag-impedante ingang hebt, dan zullen stoorsignalen minder snel worden opgepikt. Als je de uitgang (waar die ingang aan zit) ook laag-impedant kunt maken, dan is daarmee (kort door de bocht) de boel 'stiller' geworden.

Om even in te haken op het verhaal van blackdog mbt. voedingsspanning: een op-amp is niet ideaal. Wederom kort door de bocht: de uitgang dicht bij de voedingsspanningen is 'moeilijk'. Doorgaans kun je als vuistregel hanteren dat wanneer een op-amp in dit opzicht 'goed presteert' (ofwel: er bijna helemaal komt), dat ten koste gaat van andere eigenschappen. Dat kan een overweging zijn (als rail-to-rail belangrijk is en die andere eigenschappen minder relevant), een wat hogere voedingsspanning kan ook een overweging zijn.

Op 14 december 2020 22:35:36 schreef fatbeard:
[...]Alleen als de bron een impedantie van 0Ω heeft, die impedantie staat namelijk in serie met de 1k weerstand...

En de bron moet stroom kunnen SINKen!..... Ook dat wordt wel eens niet gedaan.

Zo zie je vaak dit circuit. Die kan geen stroom sinken:
https://i.stack.imgur.com/UEgYt.png

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
blackdog

Golden Member

Hi,

Nog even een aanvulling.

Opamps worden voor een bepaalde voedingspanning ontwikkeld, dat houd in dat de electronica binnen de gegeven specificaties werkt die worden opgegeven.
Laten we weer de TL070 en de TL080 series nemen als vorobeeld.

Dat een TL071 bij een 1x versterking ingestelde trap mooi de helft van de voeding laat zien op de uitgang bij een totaal van 5V op zijn voeding pinnen,
betekend in het geheel niet dat de opamp goed werkt!
Zet er maar eens een 1V RMS signaal op de ingang bij een gain van 1x, dan kom je er vanzelf achter dat de TL070 series niet bedoeld zijn voor 5V voeding. :+
Een 1V RMS signaal heeft een top top waarde van ongeveer 2,82V en dat komt buiten de commonmode specs van de opamp, als hij zichzelf bij 5V voeding al goed kan instellen.

Opamps voor lage spanningen zijn bijna altijd Rail to Rail voor de uitgang en de ingangen van de opamp.
Zijn ze daarmee perfect, natuurlijk niet, een opamp heeft veel eigenschappen, die je allemaal moet meenemen in je afweging bij het opbouwen van je schakeling.

Nog een manier om het een en ander beter werkbaar te maken bij een enkele 5V voeding, dat is een DC-DC converter, dus b.v. 5V uit een USB poort omzetten naar +-12V.
Dan kan je "bijna" iedere opamp gebruiken die er beschikbaar is.

Maar natuurlijk weer niet de opamps die speciaal voor lage voeding spanningen zijn ontwikkeld welke vaak max. +-5V voedingspanning zijn.
En de bekende MCP6000 series van Microchip mag je maar tot max. 6V totale voeding gebruiken.

Jaja, je blijft datasheets lezen, electronica, echt niet makkelijk! 8)7

Groet,
Bram

You have your way. I have my way. As for the right way, the correct way, and the only way, it does not exist.