Audió- és videóáramkörök

Elektronika II

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2022 © CC BY 4.0, 03/09/2025

Tartalom

Audió erősítők és áramkörök

A professzionális audió alkalmazásoknál a jelek amplitúdója széles tartományban változik. A szenzor esetén akár mV nagyságrendű feszültség erősítésére van szükség, a hangszórók meghajtása nagy áramokat és feszültségeket igényelhet. Ezek mellett a jelek dinamikatartománya is nagy, egyszerre vannak jelen kis és nagy amplitúdójú komponensek. Nagy a csúcstényező (crest factor) értéke is, ami a jel csúcsértékének és effektív értékének a hányadosa. Ez ezt jelenti, hogy jelentősebb kiugró értékek fordulhatnak elő, ami elérheti az erősítő szaturációs értékét, így torzítást okoz. A hallás frekvenciatartományának jellemzően a 20Hz-20kHz sávot adják meg, de a határok nem élesek. Az is ismert, hogy azonos frekvenciájú hangokat a hallás jól meg tud különböztetni a felharmonikusok alapján, ezért tudjuk, hogy hegedű vagy zongora szól.

Ezekből következően az audió jeleket kezelő áramköröknek a legfontosabb tulajdonságai az alábbiak:

Ez természetesen az alkatrészekre is követelményeket jelent. A passzív komponensek is rendelkeznek bizonyos mértékű nemlinearitással, így ügyelni kell az ellenállások, kondenzátorok, induktivitások megválasztására is. Ezeknek az impedanciája sem pontosan az elméletnek megfelelően függ a frekvenciától. A passzív alkatrészek zajforrást is jelentenek. Bár az ellenállások termikus zaja univerzális, független a gyártási technológiától, többlet zaj jelenik meg a rajtuk átfolyó áram hatására, ami már eltérő. Az áramkörökben az ellenállások értékeit viszonylag alacsonyan kell tartani a kisebb zaj és zavarérzékenység érdekében.

A félvezetők, aktív alkatrészek, integrált áramkörök megválasztása is kritikus a fentebbi szempontok alapján. A jelfeldolgozási feladatokhoz ma már döntő mértékben használnak műveleti erősítőket. Ezek kiemelkedően nagy tápfeszültség-elnyomási értéket, nagy nyítlhurkú erősítést, kis feszültség- és áramzajt biztosítanak. Az erősítés sávszélesség szorzat 10MHz feletti, ami szükséges ahhoz, hogy az audió frekvenciatartományban elég nagy legyen a hurokerősítés.

Gyártanak kimondottan audió felhasználásra szánt (audio grade) passzív és aktív alkatrészeket, integrált áramköröket.

Az audió áramkörök fő feladata a jelforrások jelének kezelése, erősítése (pl. mikrofonok, hangszedők), jelfeldolgozás (szűrés a hangszín alakításához, hangok szintetizálása) és a hangsugárzók meghajtása.

Audió jelkondicionálás

Mikrofonerősítők

A következő részben néhány mikrofonerősítő látható.

Elektret mikrofon

Az egyik legelterjedtebb mikrofontípus az elektret mikrofon. A szenzor lényegében egy kondenzátor, melyen külső hatás nélkül is van töltöttség, az elektret anyag az állandó mágnes elektrosztatikus megfelelőjének tekinthető. A hang hatására a kondenzátor fegyverzetei egymáshoz képes elmozdulnak, így időben változó feszültség jön létre.

Az elektret mikrofonokat gyakran egy kisméretű hengeres tokban hozzák forgalomba, mely egy JFET tranzisztort is tartalmaz:

RG C Q1 CASE M
Falstad on-line simulator, Tina XML

A JFET-tel közös source-ú erősítőt készíthetünk külső ellenállás felhasználásával, a további feszültségerősítést kell még megoldani tipikusan audió műveleti erősítővel. JFET munkapontbeállítását végezheti nagy értékű belső ellenállás (RG).

Neminvertáló elektretmikrofon-erősítő

Egytápfeszültségű neminvertáló mikrofonerősítőt mutat az alábbi kapcsolás:

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 C1 C2 C3 C4 VCC Vout A1 M
Falstad on-line simulator, Tina XML

A neminvertáló bemenetre AC-csatolással jut a mikrofon jele, a DC értéket az R2 és R3 feszültségosztó állítja be tipikusan a tápfeszültség felére. R1 a közös source-ú erősítő munkaellenállása, értéke tipikusan 2kΩ-10kΩ közötti. A visszacsatolóhálózat az audió tartományban biztosítja a kellő erősítést, a kondenzátorok két pólust jelentenek az átviteli függvényben a frekvenciatartomány határain (jellemzően 20Hz-en és 20kHz-en).

undefinedlog ω×10/divωp1ωp2A [dB]20dB/div

A kimenetre kötött R5 ellenállás a kimeneti áramot korlátozza, a kimenet egyfajta védelmét biztosítja, és az erősítő stabilitását is garantálja jelentősebb kapacitív terhelés esetén. A C4 és R6 felüláteresztő szűrő a következő fokozat számára oldja meg az AC-csatolást.

Transzimpedancia elektretmikrofon-erősítő

Műveleti erősítő invertáló bemenetére is juthat a közös source-ú erősítő kimeneti jele, ekkor lényégben frekvenciaszelektív áram-feszültség konverterként működik a műveleti erősítő, a kapcsolást ezért transzimpedancia erősítőnek is nevezik.

R1 R2 R3 R4 R5 R6 C1 C2 C3 C4 VCC VCC Vout A1 M
Falstad on-line simulator, Tina XML

Ez a kapcsolás is működik egyetlen tápfeszültségről, az R3 és R4 ellenállás adja meg a munkapontot.

Kondenzátormikrofon-erősítő fantom tápfeszültséggel

Professzionális kondenzátormikrofonok a szenzorkondenzátor feltöltéséhez tápfeszültséget igényelhetnek. A mikrofonok szabványos XLR csatlakozójának három kivezetésén keresztül ezt maga az erősítő (a keverőbe építve) biztosíthatja a jelvezetéken, melyet elterjedten neveznek fantom tápnak. A közös módusú zavarjelek elnyomása érdekében transzformátort vagy differenciálerősítőt használnak a mikrofon jelének erősítésére. A differenciálerősítő nagy bemeneti ellenállású műszererősítő felépítésű, de audió célokra optimalizált.

Az alábbi kapcsolás a fantomtápos mikrofonerősítő egy változatát mutatja be:

R1 R2 R4 R5 R6 R7 C1 C2 C3 S1 D1 D2 D3 D4 48V V+ V- V+ V- Vout A1 A2 XLR OPTIONAL DC SERVO
Falstad on-line simulator, Tina XML

Mivel mindkét differenciális bemenetre jut a tápfeszültség, így hatástalan olyan jelforrásokra, melyek csak ezt a két bemenetet használják, innen származik a fantom táp elnevezés.

Alkalmas differenciálerősítők közé sorolható az INA849, THAT1510, INA217, programozható erősítésű változat a PGA2500.

Erősítők mágneses hangszedőhöz - RIAA erősítők

A mikrobarázdás hanglemez népszerűsége kezd visszatérni elsősorban a kiváló hangminősége miatt. A lejátszáskor a forgó lemez barázdája egy tűt mozgat, melynek a végén levő mágnes így feszültséget indukál tekercsekben. A jel igen kicsi, így erősítés szükséges. Mivel a mély hangok nagyobb amplitúdót jelentenek, felvételkor ezeket csökkentik, a magas hangokat kiemelik (pre-emphasis), hogy keskenyebb barázda is megfelelő legyen, hosszabb lehessen a lejátszási idő, egyben a hangminőség is javuljon. Ennek megfelelően lejátszáskor olyan erősítőre van szükség, ami visszaállítja (de-emphasis) a hangképet a RIAA (Recording Industry Association of America) szabványának megfelelően. Ennek az átviteli függvényét az alábbi összefüggés adja meg:

H(s)=G1+sT2(1+sT1)(1+sT3)

Felírhatjuk olyan alakba is, ami néhány kapcsolásnál egyszerűsíti az alkatrészek értékeinek megválasztását:

H(s)=G1+sT21+s(T1+T3)+s2T1T3

A szabvány szerint a paraméterek értékei a következők:

1. pólus zérus 2. pólus
időállandó T1 = 3180 µs T2 = 318 µs T3 = 75 µs
frekvencia 50 Hz 500 Hz 2122 Hz

Ilyen átviteli függvénnyel írhatók le az alábbi hálózatok, melyeket elterjedten alkalmaznak a lejátszáshoz használt RIAA erősítőkben:

R1 R2 C1 C2 Vin Vout
Falstad on-line simulator, Tina XML
értékek
R1 9790Ω
R2 789.3Ω
C1 300nF
C2 103nF
R1 R2 C1 C2 Vin Vout
Falstad on-line simulator, Tina XML
értékek
R1 7290Ω
R2 1060Ω
C1 300nF
C2 103nF
R1 R2 R3 C1 C2 Vin Vout
Falstad on-line simulator, Tina XML
értékek
R1 883.3kΩ
R2 75kΩ
R3 604Ω
C1 3.6nF
C2 1nF

A következő Bode-diagram szemlélteti ezeknek az áramköröknek az átviteli függvényét:

undefinedlog ω×10/divωp1ωz1ωp2A [dB]20dB/div

Ehhez erősítést kell még adni, G értéke tipikusan 1000, ezzel 1kHz-en 40dB körüli az erősítés.

Passzív szűrős RIAA erősítő

Az egyik legegyszerűbb megoldás a passzív szűrőhálózat kiegészítése erősítéssel. Egy ilyen áramkör látható az LME49720 professzionális audió műveleti erősítő adatlapjában:

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 C1 C2 C3 Vout A1 A2 RCA
Falstad on-line simulator, Tina XML

Az RCA csatlakozóra jutó bemeneti jelet tipikusan R3=47kΩ és C3=150pF párhuzamos eredőimpedanciája zárja le. A1 erősítő kimenete megfelelő feszültségmeghajtást biztosít a passzív szűrő bemenetén. Ha kellően nagy az erősítés, akkor ez határozza meg a zajt. Túl nagy sem lehet az erősítése a kimeneti feszültségkorlátok miatt. A teljes erősítést a következő fokozat erősítése biztosítja.

A passzív rész átviteli függvényének kiszámításához először adjuk meg az R2, C1 és C2 alkatrészekből álló rész eredő impedanciáját:

(R2+1sC1)1sC2R2+1sC1+1sC2=R2+1sC1sR2C2+C2C1+1=1sC11+sR2C1sR2C2+C1+C2C1

Ez R1-el feszültségosztót alkot, aminek az átviteli függvénye:

1sC11+sR2C1(sR2C2+C1+C2C1)(R1+1sC11+sR2C1sR2C2+C1+C2C1)

Egyszerűsítve

1+sR2C11+s(R1(C1+C2)+R2C1)+s2R1R2C1C2

A megvalósítani kívánt átviteli függvénnyel összevetve az alábbiakat kapjuk:

Az alkatrészértékek és időállandók kapcsolata
R1(C1+C2)+R2C1 T1+T3
R2C1 T2
R1R2C1C2 T1T3

Az alkatrészek tűrése, a műveleti erősítő tulajdonságai is befolyásolja, hogy milyen pontossággal közelíthető meg az ideális átviteli karakterisztika. Tipikusan pár tized dB-en belüli eltérés érhető el.

Aktív visszacsatolásos RIAA erősítők

Aktív szűrőként is létrehozható a RIAA erősítő, ennek egyik megoldása a következő (az OPA1656 adatlapjában szereplő kapcsolás):

R1 R2 R3 R4 R5 R6 C1 C2 C3 C4 C5 Vout A1 RCA
Falstad on-line simulator, Tina XML

A visszacsatolókörben levő impedancia:

R21+sR2C2+R31+sR3C3

Az erősítés ezzel

H(s)=1+R21+sR2C2+R31+sR3C3R4+1sC4

Mivel az erősítés értéke nagy az audió frekvenciatartományban, így a következő közelítéssel egyszerűbb alakhoz jutunk és kellő pontossággal írhatjuk le az átviteli függvényt:

H(s)sC4R2+R31+sR4C41+sR2R3R2+R3(C2+C3)(1+sR2C2)(1+sR3C3)

Ebből a következőt kapjuk az alkatrészek értékére:

Az alkatrészértékek és időállandók kapcsolata
R2C2 T1
R2R3(R2+R3)(C2+C3) T2
R3C3 T3

Egy másik megoldást is gyakran használnak:

R1 R2 R3 R4 R5 R6 C1 C2 C3 C4 C5 Vout A1 RCA
Falstad on-line simulator, Tina XML
Részletes számítások

Az átviteli függvényt a visszacsatolási tényezőből adhatjuk meg:

H(s)=1+(R21+sR2C2+1sC3)R3(R21+sR2C2+1sC3+R3)(R4+1sC4)

Átalakítással

H(s)=1+sC4R31+sR4C4R21+sR2C2+1sC3R21+sR2C2+1sC3+R3

További alakítással

H(s)=1+sC4R31+sR4C41+sR2C31+sR2C21+sR2C31+sR2C2+sR3C3

A számlálóban és nevezőben is célszerű a törteket kiváltani:

H(s)=1+sC4R31+sR4C41+sR2C2+sR2C31+sR2C2+sR2C3+sR3C3(1+sR2C2)

Az együtthatók összegyűjtésével

H(s)=1+sC4R31+sR4C41+sR2(C2+C3)1+s(R2C2+R2C3+R3C3)+s2R2C2R3C3

Az átviteli függvény közelítő alakja:

H(s)sC4R31+sR4C41+sR2(C2+C3)1+s(R2C2+R2C3+R3C3)+s2R2C2R3C3

Az alkatrészek értékeire ebből a következő adódik:

Az alkatrészértékek és időállandók kapcsolata
R2C2+R2C3+R3C3 T1+T3
R2(C2+C3) T2
R2C2R3C3 T1T3

Hibrid RIAA erősítő

Az átviteli függvényt megkaphatjuk hibrid módszerrel is, aminél passzív és aktív szűrőt is használunk:

R1 R2 R3 R4 RG C1 C2 V1 V2 Vout A1 A2
Falstad on-line simulator, Tina XML

A bemeneti erősítő lehet műveleti erősítő, ahogy a passzív megoldásnál, vagy audió követelményeknek megfelelő műszererősítő, ahogy az ábrán és a kondenzátormikrofon-erősítőnél is látható.

Az átviteli függvény számításához először a második fokozat erősítését célszerű felírni:

R21+sR2C2+R3+R4R4=1R4R2+R3+R4+s(R3+R4)R2C21+sR2C2

Átalakítva

R2+R3+R4R41+sR3+R4R2+R3+R4R2C21+sR2C2

Ehhez jön a passzív szűrő átvitele:

GA1R2+R3+R4R41+sR3+R4R2+R3+R4R2C2(1+sR1C1)(1+sR2C2)

Az alkatrészek értékei:

Az alkatrészértékek és időállandók kapcsolata
R2C2 T1
R3+R4R2+R3+R4R2C2 T2
R1C1 T3

Audió teljesítményerősítők

Nagyobb kimeneti áram és feszültség szükséges audió áramkörökben hosszabb vezetékek meghajtására, fejhallgatók hangszóróinak meghajtására és nagyobb hangfalak működtetésére is. Ezek nagyon különböző teljesítményigényűek, így sokféle megoldás létezik. Fontos szempont, hogy a jelfeldolgozó áramkörök alacsony zaja és torzítása ezeknél is minél jobban megmaradjon.

Bufferek, kompozit erősítők

A kimeneti áram és teljesítmény növelésére gyakran használnak feszültségkövető erősítőket, buffereket, melyek integrált áramköri formában is elérhetőek. Ezeknek az erősítőknek a torzítása, pontossága jellemzően elmarad a műveleti erősítőkétől, ezért gyakran a műveleti erősítő visszacsatolókörébe kerülnek, ahogy az alábbi ábra mutatja:

R1 R2 Vout Vin A1 A2

Az ilyen erősítőket kompozit erősítőknek nevezik, lényegében egy kétkomponensű műveleti erősítővel jön létre. A visszacsatolás jelentősen csökkenti a buffer erősítő okozta pontatlanságokat. A stabilitás megőrzéséhez az szükséges, hogy a buffer ne okozzon jelentősebb fázistolást a műveleti erősítő erősítés-sávszélesség szorzatához tartozó frekvencián. Tipikusan 20º alatti követelményt adnak meg.

Példa audió bufferre az LME49600, BUF634A áramkör

Fejhallgató erősítők

A fejhallgatók viszonylag alacsony - tipikusan 20mW..100mW - teljesítményű erősítőt igényelnek. Ezt akár nagyobb kimeneti áramú audió műveleti erősítők (például OPA1688, OPA1622) vagy kompozit erősítők is biztosíthatják. A fejhallgatók elterjedten 32Ω impedanciájúak, de léteznek ennél kisebb, vagy akár jóval nagyobb (600Ω) impedanciájú változatok is. Természetesen a nagyobb impedanciájúak nagyobb feszültségamplitúdót igényelnek kisebb áram mellett.

Gyártanak kifejezetten fejhallgató erősítőket is. Ezek számos funkcionalitást integrálhatnak, többek között digitális (I2C) interfészt hangerős szabályozásához, mikrofon előerősítőt, feszültségszabályzót. A hordozható eszközök alacsony fogyasztási követelményeihez illeszkedően elterjedten alkalmazzák a G vagy H osztályú topológiát. Ez azt jelenti, hogy a hagyományos AB osztályú kimenet hatásfokát úgy javítják fel, hogy a tápfeszültség értékét a teljesítményigényhez igazítják. Működhetnek akár 1.8V..3.6V tápfeszültséggel is (például MAX9723). A negatív tápfeszültséget beintegrált kapcsolt kapacitású feszültséginverter állíthatja elő, így nagyobb a jeltartomány, a kimenet pedig 0V átlagú lehet, így nem szükségesek DC leválasztó kapacitások.

AB és D osztályú audió teljesítményerősítők

Nagy teljesítményű audió erősítők esetén a kimeneti fokozat elterjedten AB-osztályú vagy D-osztályú.

Az AB osztály jó kompromisszum a hatásfok és torzítás között, a keresztezési torzítás tovább csökkenthető negatív visszacsatolással. A kimeneti áram és egyúttal teljesítmény növelhető a kimeneti fokozatban Darlington-tranzisztorokkal, illetve igen nagy teljesítmények esetén párhuzamosan kapcsolt ellenütemű emitterkövetőkkel is:

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 V+ V- Vout AB drive

A tranzisztorokon még így is elég jelentős hő keletkezik, hőelvonásra van szükség (hűtőborda, ventilátor).

A D-osztályú audió erősítők kimeneti tranzisztorai kapcsolóüzemben működnek, ahogy a teljesítményelektronikai félvezetők számos alkalmazásainál, kapcsoló üzemű tápegységek esetén is. Ebből következően a veszteség igen kicsi, a tranzisztorokon nagy áramok mellett is kicsi a feszültségesés. Mivel a bemeneti jel analóg, ezért modulációra van szükség. A legelterjedtebb megoldás az analóg jel PWM modulálása, amely kétállapotú jel már alkalmas a kapcsolóüzemű teljesítményfokozat vezérlésére. A PWM jel frekvenciája jóval az audió frekvenciatartomány feletti, tipikusan 250kHz és 1.5MHz közé esik. A kimenet másodfokú aluláteresztő LC szűrő közbeiktatásával hajtja meg a hangszórót, így a nagyfrekvenciás komponensek eleve igen kis amplitúdójúak lehetnek. Az ennek megfelelő elrendezést mutatja az alábbi ábra:

Vin PWM Modulator Switching amplifier LC filter S LC filter

A meghajtó fokozat és a szűrő egy lehetséges elrendezése:

C1 C2 L1 L2 Q1 Q2 Q3 Q4 V+ V+ VH1 VL1 VL2 VH2 S

A PWM modulációt egy komparátor végzi el, aminek az egyik bemenetére jut az analóg jel, a másik bemenetére pedig egy nagyfrekvenciás periodikus háromszögjel van kötve.

Vin PWM

Mivel az audió jel lassan változik, a kimeneten az impulzus szélessége arányos az amplitúdóval.

timeAmplitude0T/2TLHminmax
Amplitude = 20%
Offset = 50%

Alapvető videóáramkörök

Az analóg videójelek frekvenciatartománya lényegesen meghaladja az audió tartomány felső határát, a jelek precíz kezeléséhez több 10MHz sávszélességű műveleti erősítők és egyéb áramkörök szükségesek. A videókábelek (például RG-59/U) meghajtása kapacitív terhelést jelent, melyeknél fontos szempont az erősítők stabilitásának biztosítása. A nagyfrekvenciás jelátvitel miatt a kábelt megfelelő impedanciával kell lezárni, ami elterjedten 75Ω. A jelek amplitúdója pár Volt, így az erősítők kimeneti áramának is elég nagynak kell lennie. A videó műveleti erősítők jellemzője a differenciális erősítés és differenciális fázis, amik a visszaadás hűségét határozzák meg.

A videójelek közé tartozik a kompozit videójel (NTSC, PAL, SECAM), amik szinkronizáló részeket is tartalmaznak a képsorokhoz tartozó szín és intenzitás mellett. Lehetnek külön RGB videójelek is, melyeket rendszerint kamerák vagy videó D/A konverterek állítanak elő, ezeket kell a megjelenítő-készülékhez továbbitani.

A videójelek kezelésére alkalmas műveleti erősítők esetében előnyös az áramvisszacsatolt változat, aminek a sávszélessége lényegében csak a visszacsatoló ellenállás értékétől függ.

A videójelek kezelése leggyakrabban jelek pontos továbbítását jelenti. Egyoldalas videó vonalmeghajtó látható az alábbi ábrán.

R1 R2 R3 R4 Vin Vout A1
Falstad on-line simulator, Tina XML

Tipikusan R1=R2, ami kétszeres neminvertáló erősítésnek felel meg. A lezáróellenállások értéke R3=R4=&75Ω, így a kimeneti feszültség megegyezik a bemeneti feszültséggel.

Ha a forrás- és vevőoldalon számítani kell a földpontok között feszültségkülönbségre, zavarfeszültségre, akkor egy megoldás az, ha a vevő oldalon differenciálerősítőt használunk. A bemeneti oldalon továbbra is egyoldalas erősítő van, a differenciálerősítő viszont a jel és a bementi földpont közötti feszültséget erősíti.

R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Vout Vin A B A1 A2
Falstad on-line simulator, Tina XML
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 Vin Vout1 Vout2 A1 A2
Falstad on-line simulator, Tina XML

A differenciális kimeneti jel videó A/D konverter bemenetére juthat. R5,R7, R8 és R9 a lezáróimpedanciákat adja (75Ω), a bementi oldalon R5, R1 és R3 párhuzamos eredőjé jelenti a lezáró impedancia értékét.

Elektronika II

Gingl Zoltán - Műszaki Informatika Tanszék, Szegedi Tudományegyetem
2022 © CC BY 4.0, 03/09/2025