非平衡轉平衡訊號的探討

DIY 電子電路技術相關討論專區。

版主: Jeff, Korping_Chang

文章wensan 發表於 週三 10月 20, 2004 1:48 pm

在現實世界中,
放大器的差模增益與共模增益是同時存在的,
只是一般的回授電路中,
都只有差模增益構成回授環路,
共模增益都不會構成回授環路,
而且共模增益很小,
所以分析上都把共模增益忽略。

但在下面這一類的電路中,

圖檔

共模增益卻構成了回授環路!

在「線性系統」中,
共模增益跟差模增益是可以依照「重疊原理」分開來分析,
最後的分析結果再「重疊」起來。
所以共模增益的問題不會因為差模增益的回授環路而「消失」!
下面這個電路便是將上面的電路依照「重疊原理」所得的共模增益回授環路。

圖檔


二十年前我實驗這一類平衡電路時,
就被絕對直流偏移的問題整得很慘!
電路的絕對直流竟然有時偏到正電源電壓,
有時偏到負電源電壓,
有時甚至會隨訊號的大小所觸發,
一下偏到正電源電壓,
一下偏到負電源電壓。
顯然這個電路存在正回授的問題!
最後終於被我找到共模增益的正回授環路,
問題便豁然開朗。
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章wensan 發表於 週三 10月 20, 2004 1:50 pm

chienjr 寫:我覺得不盡然是共模增益的問題(其實是我現在應該去睡了,頭暈暈看不懂您的推導)
很簡單的實驗,使用您最新解說的那張雙OP的圖,兩個OP以Spice中的"E"元件(VCVS)取代,那是一個沒有共模增益,差模增益任君設定的FDA,當然也可以把它接成單端的放大器,只要輸出的其中一隻腳接地就可以了。

問題來了,在這麼理想的元件中,得到的結果很好玩。輸出幾乎完全只被E元件的輸出接地腳所影響。亂接時,輸出共模電壓立刻跟著到處亂跑。

那現實上的OP,勉強說來則是兩個電源的中點。
實際在麵包板上實驗的結果,果然受到電源平衡與否的波動影響很大,LF353與OPA275兩個輸入Offset差了10倍的OP,表現都是一樣的不理想:P

您所做的模擬,如果輸出的共模電壓可以維持在『零』點附近,依敝人神智不清地推論,是因為PSpice中的OPA macro model有一個『禁斷的接地腳』。不敢說100%的macro model都有,但是日前曾分析TL072的macro model,可以看到"0",而且還不少:ale:。

至於說PASS老大的那兩個FDA功率放大器....好像兩個共模增益都是負的 :oops:
我猜想後者穩定的原因,是因為開回路增益極小的關係,
前者增益極大,直接使用CS組態加上大量負迴授壓低輸出阻抗直接輸出,而後者.....扣除偏壓,和一些一時看不清作用的電阻後,幾乎是標準的folded cascode FDA,開回路增益則只有16左右(差模輸入,差模輸出)
PASS老大的這兩個後級,看來都是用可變電阻,代替FDA常用的共模迴授線路。這樣應該只要+-電源一不平衡,就會立刻破功 :x
只因為它看的是兩個電源的中點,而不是地 :ale:


:aa: :aa: :aa: 看不懂 :aa: :aa: :aa:
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章chienjr 發表於 週三 10月 20, 2004 2:23 pm

嗯....我寫得很混亂
其實是看了您的電路後,感覺有異,看了兩次推導後還是很混亂的情況下,進行spice模擬,使用"E"原件代替OP模擬,以及使用LF353及OP275在麵包板上實際實驗。

PSpice裡的運算放大器模型(通稱為"Macro Model")除了正負電源外,其實是有偷偷接地的,就像E元件輸出端接地,當成單端OP使用一樣,自然而然輸出共模直流會穩定。


工業界採用的方法是取出輸出的兩訊號的共模成分,與GND/COMMON端相比,然後迴授回放大器消除,PASS的線路,則是手調,似乎並未參考到GND/COMMON點。

所以我猜想,PASS的兩個全差動(平衡)放大器(FDA)放大器,正負電源只要一不對稱,輸出共模直流馬上會跑出來 :twisted:
其實有能力製作高完成度機器的人,僅DIY來自己用是成本最高的!
經朋友提醒,不會炒作的人,免費=下賤
不再當免費RD囉。
頭像
chienjr
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週三 3月 03, 2004 10:35 am
來自: Orz研究院某單位

文章wensan 發表於 週四 10月 21, 2004 12:13 am

我當初實驗這個電路時,
結果成了「正反器」,
兩個輸出一下偏到正、一下偏到負。
當時使用的是哪一顆OP,我忘了。
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章wensan 發表於 週六 10月 23, 2004 3:15 pm

平衡式電路的絕對直流偏移指的是兩個輸出一起偏正電位或一起偏負電位,
這種現象一般都以為是平衡式電路的兩邊特性不一致所致。
但如果電路的兩邊特性不一致,
為什麼是兩個輸出的電位相等,
一起偏正電位或一起偏負電位,
而不是一個偏正電位、一個偏負電位呢?
兩個輸出的電位相等不正表示著兩邊的特性相當一致嗎?

基於這樣的猜想,
而引導出像下面這樣的電路會出現什麼狀況?
圖檔
這個電路中,
運算放大器的同相與反相輸入訊號都相等,
那麼輸出應該等於0囉!
但這樣的說法只是指運算放大器的差模增益的狀況而已,
運算放大器除了差模增益之外,
還有共模增益存在!
共模增益指的是運算放大器的同相與反相輸入端都輸入同樣的訊號,
運算放大器的輸出還是會隨著輸入的訊號變化,
這時輸出訊號與輸入訊號的比值就是共模增益。
差模增益與共模增益的比值就是共模互斥比CMRR。
差模增益與CMRR之間,
有的運算放大器是差模增益比較大,
有的運算放大器是CMRR比較大,
這代表著共模增益是大於1還是小於1。
如果差模增益比CMRR大,代表共模增益大於1。
如果差模增益比CMRR小,代表共模增益小於1。
這裡還要特別注意!
一般放大電路的增益會隨負載大小變化,
但CMRR卻不太會隨負載大小變化,
而通常OP IC規格書中所標示的增益是在特定負載下,
例如負載1K或5K時測得的增益,
所以不是所有狀況下如規格書中所標示的一樣。
還有共模增益可能是正值,
也就是共模輸入與共模輸出同相。
共模增益也可能是負值,
也就是共模輸入與共模輸出反相。
一般的運算放大器大都是兩級電壓放大再加電流放大,
所以共模輸入訊號經過第一級電壓放大會反相,
再經過第二級電壓放大再反相而變成同相,
所以一般的運算放大器的共模增益Ac大都是正值。

上面那個電路對於共模增益而言,
形成了回授環路。
如果共模增益是反相則是負回授。
如果共模增益是同相則是正回授。
如果正回授的回授量βA大於或等於1,
輸出直流漂移就會變成無限大,
也就是整個偏到正電源或負電源無法控制。

然而上面那個電路所顯示的正是下面這兩個平衡式電路的共模增益所面臨的狀況!
圖檔
圖檔
所以這種平衡式電路的絕對直流漂移問題,
除了DC Offset的問題之外,
其實是共模增益形成正回授環路的問題。
所以這種平衡式電路採用的運算放大器的共模增益最好是反相的,
不然共模增益必須極低才行!

要解決絕對直流漂移的問題,
最簡單的方法是如下圖左邊所示,
加上電容的阻隔,打破共模增益形成的正回授環路。
〈加上電容只打破共模增益在直流迴路形成的正回授環路,
共模增益在交流迴路形成的正回授環路仍然存在,
這倒是個隱憂!〉
圖檔

如果不是加上電容,
通常便是在放大器的共模增益迴路中,
加入負回授控制電路。
這對分立元件的放大器並沒有什麼困難。
對OP IC而言,
如果有DC Offset Trim接腳,
也可以從DC Offset Trim接腳下手。
但對於雙包裝的 OP IC根本沒有DC Offset Trim接腳,
要在放大器的共模增益迴路中加入負回授控制電路就很困難。

像上圖中右邊的方式,
平衡式電路兩邊各加上直流伺服電路,
這樣可以解決絕對直流漂移的問題嗎?
答案是不行!
因為這種平衡電路的輸出會互相影響,
就像翹翹板一樣,
把一邊壓低,另一邊就會翹高!
所以一邊的直流伺服電路要把它這邊的輸出壓低,
就會導致另一邊的輸出翹高,
其直流伺服電路偵測到輸出翹高,
就會輸出控制訊號要把輸出壓低,
使得原來壓低輸出的那一邊又翹高起來,
因為直流伺服電路都有積分電路的延遲作用,
兩邊的直流伺服電路的控制訊號一來一往,
便形成振盪!

其實要打破共模增益的正回授問題,
可以增加差模增益的負回授來對共模增益的正回授加以抑制,
就如下面的電路所示:
圖檔
由於差模增益遠比共模增益大得多,
所以只要一點點差模增益的負回授便足以抑制共模增益的正回授。
可是這麼做的話,
電路不是不平衡了嗎?
其實並不是這樣子,
這個電路只是為了探討共模增益的正回授環路,
而把平衡式電路的兩個放大器合併在一起來討論而已。
只要很有技巧的分開來,
還是一個完全平衡的電路!
就如下面的電路所示:
圖檔
這個電路的共模訊號迴路相當於這樣:
圖檔
但對於差模訊號迴路而言,
兩的輸出的大小相等、相位相反,
所以兩個輸出的中點就是0電位。
所以這個電路的差模訊號迴路就相當於這樣:
圖檔
是個完全平衡對稱的電路!

在實際設計製作時,
建議R比Ri大3~5倍。



對於平衡式電路而言,
消除共模訊號是平衡式電路的重責大任!
好的平衡式電路必須有效的消除共模訊號才行。

像下圖這種典型的儀表放大電路,
圖檔
它在共模訊號輸入時,
等效電路如下:
圖檔
很顯然的,
典型儀表放大電路的共模增益為1,
也就是說輸入的共模訊號有多大,
輸出的共模訊號就有多大!
雖然它沒有把共模訊號加大,
但是也沒有盡到消除共模訊號的責任!

而像下面這種平衡式電路的情況又如何?
圖檔
當共模訊號輸入時,
它的等效電路如下:
圖檔
這個等效電路如果用運算放大器的同相與反相輸入端「虛短路」的方法去分析,
馬上就遇到同相與反相輸入端的電位明明不相等,
卻又認定他們相等的矛盾!
所以這個方法是行不通的。
必須以運算放大器的差模增益與共模增益加以分析如下:
圖檔
由上面的分析中可發現,
如果運算放大器的共模增益為0,
則這個平衡式電路的共模增益必為0。
如果運算放大器的共模增益不為0,
這個平衡式電路也會把共模增益降到很低很低。
所以這種平衡式電路消除共模訊號的能力,
比起典型的儀表放大電路強多了!
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章linjunan 發表於 週一 10月 25, 2004 12:25 pm

哈,插花的時候到了:

http://chat.ericoffice.idv.tw/modules/news/article.php?storyid=69

這是『買』零件啦,與技術無關.... :ho:
linjunan
SR60
SR60
 
文章: 125
註冊時間: 週四 7月 01, 2004 5:15 pm
來自: 雜物間

文章狂人 發表於 週一 10月 25, 2004 12:47 pm

linjunan 寫:哈,插花的時候到了:

http://chat.ericoffice.idv.tw/modules/news/article.php?storyid=69

這是『買』零件啦,與技術無關.... :ho:


幫你修正一下文章...

一位是抄人家的電路與設計,還大刺刺的不以為意,好像線路根本就是他發明的。
另一位才是像你講的那樣。

呵呵呵
每個數位線路中,都有個類比信號在大喊著 "放我出去~"
In every digital circuit, there is an analog signal screaming to get out.
頭像
狂人
SR60
SR60
 
文章: 69
註冊時間: 週一 3月 10, 2003 12:43 am
來自: 路西法的老家∼

文章linjunan 發表於 週一 10月 25, 2004 1:56 pm

狂人 寫:幫你修正一下文章...

一位是抄人家的電路與設計,還大刺刺的不以為意,好像線路根本就是他發明的。
另一位才是像你講的那樣。

呵呵呵


不行,我已經得罪太多人了......我怕被這些人連合起來告我。我我我沒有做律師的親戚 :(
linjunan
SR60
SR60
 
文章: 125
註冊時間: 週四 7月 01, 2004 5:15 pm
來自: 雜物間

文章wensan 發表於 週一 10月 25, 2004 4:21 pm

一般而言,
平衡式系統會比非平衡的系統的雜訊低。
這是因為對於非平衡的系統,
訊號在傳輸時,
由訊號傳輸的導線所感應的雜訊,
是直接跟訊號源發出的訊號混合、無法分離的!
而對於平衡式系統,
平衡訊號的兩條訊號傳輸的導線所感應的雜訊是共模訊號,
平衡訊號相減之後,
共模訊號可以抵消掉,
因此可以消除訊號傳輸導線的感應雜訊。

如果把完全各自獨立的二聲道當成平衡式系統來用,
這樣的系統會把共模雜訊一起放大到最後的輸出端,
系統本身並不會消除共模雜訊。

像下圖這種典型的儀表放大電路,
圖檔
它雖然不會加大共模雜訊,
但是它也沒有消除共模雜訊。

像下圖這種平衡式電路,
圖檔
它對共模雜訊的消除能力,
必須視採用的運算放大器的共模增益大小、同相或反相而定。
如果採用的運算放大器的共模增益是同相,
而且大到令正回授環路發散,
還會導致整個輸出直流偏移到正電源或負電源!

而像下面這種平衡式電路的情況又如何?
圖檔
如果使用的運算放大器的共模增益為0,
則這個平衡式電路的共模增益必為0。
如果使用的運算放大器的共模增益不為0,
這個平衡式電路也會把共模增益降到很低很低。
所以這種平衡式電路消除共模雜訊的能力很強,
甚至把兩個平衡輸入端其中的一個接地,
只從一個輸入端輸入非平衡訊號,
它也能把兩個輸出的共模成分消除掉,
而輸出相當理想對稱的平衡訊號。
因此它也能當成非平衡訊號轉平衡訊號電路使用!
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章linjunan 發表於 週一 10月 25, 2004 5:03 pm

wensan老大:

您要不要考慮出PCB啊?

只是教育大眾,您自會餓死的。 :)
linjunan
SR60
SR60
 
文章: 125
註冊時間: 週四 7月 01, 2004 5:15 pm
來自: 雜物間

文章wensan 發表於 週一 10月 25, 2004 5:58 pm

linjunan 寫:wensan老大:

您要不要考慮出PCB啊?

只是教育大眾,您自會餓死的。 :)


考慮中.......... :hungry:
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章linjunan 發表於 週一 10月 25, 2004 6:07 pm

wensan 寫:
linjunan 寫:wensan老大:

您要不要考慮出PCB啊?

只是教育大眾,您自會餓死的。 :)


考慮中.......... :hungry:


我抽第一個號碼牌..... :D
linjunan
SR60
SR60
 
文章: 125
註冊時間: 週四 7月 01, 2004 5:15 pm
來自: 雜物間

文章wensan 發表於 週二 10月 26, 2004 10:42 pm

前面講了那麼多,
全都只是「紙上談兵」而已。
畢竟「理論」這種東西,
不就是「憑著想像瞎掰」不是嗎?
若無法從「事實」去加以「驗證」,
那麼不管掰得多麼「合理」,
也僅止於「理論」而已。

針對前面所探討的「理論」,
我製作了下面的電路來加以實驗。
圖檔
這個電路除了可以去除共模訊號之外,
還針對「相對直流」加上「直流伺服電路」,
用來消除訊號中的直流成分。
圖檔
上圖為實驗用的電路板插上OPA604的照片。
圖檔
圖檔
上面這兩張圖的上方是1KHz帶有直流成分方波的輸入波形,
下方是OPA604的輸出波形。
圖檔
圖檔
上面這兩張圖是兩個OPA604平衡對稱的輸出波形。
圖檔
上圖為實驗用的電路板插上NE5534的照片。
圖檔
圖檔
上面這兩張圖是兩個NE5534平衡對稱的輸出波形。
圖檔
上圖為實驗用的電路板插上我所設計的「單極點、單級放大OP模組」的照片。
電路板上有兩個OP模組。
圖檔
圖檔
圖檔
上面這三張圖是兩個OP模組平衡對稱的輸出波形。

比較OPA604、NE5534,還有我所設計的OP模組,
對於消除共模訊號、去除直流方面都還不錯,
但OPA604容易發生高頻振盪,
這也是電路中的四個頻率補償電容要加到20PF這麼大的原因。
OPA604的方波暫態響應有明顯的「鈴振」現象,
也顯示它最不穩定。
NE5534的方波暫態響應雖然沒有明顯的「鈴振」現象,
但也不算理想。
只有我所設計的「單極點、單級放大OP模組」的方波暫態響應最理想,
畢竟放大電路必須「單極點」,
方波暫態響應才能像一階低通濾波器那麼完美!


(全文完)
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章linjunan 發表於 週二 10月 26, 2004 11:10 pm

「單極點、單級放大OP模組」

我想,會有不少人好奇這是什麼東東?
:ho:
linjunan
SR60
SR60
 
文章: 125
註冊時間: 週四 7月 01, 2004 5:15 pm
來自: 雜物間

文章chienjr 發表於 週二 10月 26, 2004 11:11 pm

文山大大繞了一圈,最後還是回到用晶體組裝Fully Differential Amp.啦 :o
您的單極點放大器是用Folded Cascode還是電流鏡反射呢 :oops:
這東西我迷了6,7年了,第一次是看OPA604的簡化等效圖時,然後再來是AD797,發現不少較新的OP都是....不過我發現音響廠商/DIY迷對於這個架構的接受度不高...
其實有能力製作高完成度機器的人,僅DIY來自己用是成本最高的!
經朋友提醒,不會炒作的人,免費=下賤
不再當免費RD囉。
頭像
chienjr
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週三 3月 03, 2004 10:35 am
來自: Orz研究院某單位

文章wensan 發表於 週二 10月 26, 2004 11:32 pm

chienjr 寫:文山大大繞了一圈,最後還是回到用晶體組裝Fully Differential Amp.啦 :o
您的單極點放大器是用Folded Cascode還是電流鏡反射呢 :oops:
這東西我迷了6,7年了,第一次是看OPA604的簡化等效圖時,然後再來是AD797,發現不少較新的OP都是....不過我發現音響廠商/DIY迷對於這個架構的接受度不高...


這次貼出來的照片是「電流鏡反射」方式,
屬於雙差動、全對稱設計,
使用Wilson電流鏡。

我另外有設計單差動的單極點、單級放大器,
使用的是Folded Cascode方式。

Nelson Pass的X系列、XA系列就是屬於Folded Cascode方式單極點、單級放大器。

還有,我本來就對OP IC不滿意!

OPA604如果真的是「單極點」,
那它不應該那麼不穩定!!!
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章chienjr 發表於 週三 10月 27, 2004 12:13 am

wensan 寫:OPA604如果真的是「單極點」,
那它不應該那麼不穩定!!!

它的電壓放大級是one stage....
不過如果用hspice的.pz分析起來,就算是典型folded cascode放大器,甚至只是一個CE放大器,也是一堆極點啊 :eeh:
其實有能力製作高完成度機器的人,僅DIY來自己用是成本最高的!
經朋友提醒,不會炒作的人,免費=下賤
不再當免費RD囉。
頭像
chienjr
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週三 3月 03, 2004 10:35 am
來自: Orz研究院某單位

文章wensan 發表於 週三 10月 27, 2004 12:33 am

chienjr 寫:
wensan 寫:OPA604如果真的是「單極點」,
那它不應該那麼不穩定!!!

它的電壓放大級是one stage....
不過如果用hspice的.pz分析起來,就算是典型folded cascode放大器,甚至只是一個CE放大器,也是一堆極點啊 :eeh:


就算兩級電壓放大的架構,
也可以把第二個極點拉到單位增益頻率之外,
(或者說,把單位增益頻率降到第二個極點之內)
成為單位增益穩定的放大器。
但OPA604的表現實在令我失望!
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

文章chienjr 發表於 週三 10月 27, 2004 12:47 am

wensan 寫:就算兩級電壓放大的架構,
也可以把第二個極點拉到單位增益頻率之外,
(或者說,把單位增益頻率降到第二個極點之內)
成為單位增益穩定的放大器。
但OPA604的表現實在令我失望!

不管是one/two/triple stage
phase margin,不就是一個閉回路放大器的最基本要求嗎 :ale:
我每個放大器做好都會量的 :D
我才不要我的喇叭/耳機枉死 :eeh:
其實有能力製作高完成度機器的人,僅DIY來自己用是成本最高的!
經朋友提醒,不會炒作的人,免費=下賤
不再當免費RD囉。
頭像
chienjr
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週三 3月 03, 2004 10:35 am
來自: Orz研究院某單位

文章genome 發表於 週四 5月 12, 2005 6:39 pm

wensan 寫:綜合以上的探討,
對於非平衡訊號轉換成平衡訊號的電路推薦如下:
圖檔
上圖前半部先產生兩個相反的訊號,
再輸入像翹翹板一樣,同相與反相輸出交互影響的電路,
可以降低輸出端的絕對直流偏移。

用LM324做這個線路 用在音頻訊號
可以嗎? 合適嗎?
genome
SR80
SR80
 
文章: 244
註冊時間: 週二 1月 22, 2002 6:07 am
來自: USA

文章wensan 發表於 週六 6月 25, 2005 10:12 pm

Ultra Symmetry 平衡式前級放大器

圖檔

前言.....
這幾年Nelson Pass大師設計的電路在音響DIY的圈子裡相當風行,他的電路設計往往簡單而有創意。
他早期在Threshold所發展的Stasis專利電路,如今已漸漸被淡忘,現在所流行的是他的Super Symmetry專利電路和Active Current Source專利電路。
Active Current Source專利電路其實類似真空管的SRPP電路,有興趣可以參考http://www.diyaudio.com/forums/showthread.php?s=&threadid=37038&highlight=SRPP的討論。
而Super Symmetry專利電路是一個具有負回授的雙端輸入、雙端輸出的差動放大電路。請參考Nelson Pass大師的http://www.passlabs.com/downloads/articles/susy.pdf這篇文章。
我發覺Nelson Pass大師的Super Symmetry專利電路其實是像下圖這樣的“全平衡放大器”:
圖檔

然而,這種全平衡放大器只能保證兩個輸入訊號的電位差和兩個輸出訊號的電位差成固定比例,並不能保證Vip和Vop成固定比例,或Vin和Von成固定比例。只要兩個輸入訊號的電位差和兩個輸出訊號的電位差成固定比例,兩個輸出訊號的電位可以是任意值!也就是說這種電路會有兩個輸出電位一起漂移的問題。
要解決全平衡放大器輸出兩個輸出電位一起漂移的問題,一般採用的方法是像下圖這樣,在共模增益的迴路中加上誤差放大電路:
圖檔

就像TI的OPA1632 Fully-Differential Amplifier一樣,請參考http://focus.ti.com/lit/an/sloa054d/sloa054d.pdf
而我則發展出另外一種不一樣的電路.........

圖檔

緣起.....
所謂平衡式的訊號指的是兩個完全反相的訊號............
在訊號傳輸上,兩條並行的導線所感應到的雜訊會是相同的訊號,因此用平衡式訊號來做訊號傳輸,雖然訊號線會感應到雜訊,只要將平衡式訊號相減便可以將感應到的雜訊抵消掉。所以平衡式訊號傳輸可以有較佳的訊號雜音比。
對於BTL(Bridge-Tied-load)橋接式放大器而言,利用平衡式訊號來驅動跨接在平衡式訊號輸出的負載,可以讓負載上的最大輸出電壓倍增,理論上可以讓最大輸出功率變成一般非平衡式放大器的四倍。
然而,大部分的平衡式放大器並沒有使用全平衡放大電路,通常是在輸入端用減法器或變壓器將平衡式訊號轉換成非平衡式訊號來進行放大處理,而在輸出端用反相放大器或變壓器將非平衡式訊號轉換成平衡式訊號做輸出。有些則是用兩個獨立的放大器將平衡式訊號各自放大輸出,這樣的方式根本毫無“共模互斥比CMRR”可言!對於平衡式訊號因為音量電位器的聯動誤差或放大器特性差異所造成的訊號不對稱,這種號稱“全平衡”的放大器完全沒有排除共模訊號、增進訊號平衡對稱的能力。有些平衡式放大器採用下圖所示的電路接法,這種電路接法的共模增益為 1,雖然沒有將共模訊號加以放大,但實際上也沒有將共模訊號給消除掉!
圖檔

二十多年前,我還在讀五專的時候,偶然在雜誌上發現下面這個全平衡放大電路:
圖檔

當時對這個電路非常感興趣,發覺這個全平衡放大電路其實是由兩個減法器所構成,而有下面的分析推演:
圖檔

圖檔


由上面的分析推演中發現,這個電路可以均衡兩個運算放大器間的差異,讓同相與反相輸出交互影響,使得平衡式訊號輸出可以達到「你的泥中有我,我的泥中有你」這種「你儂我儂」的境界。
不過當時我實驗這個電路卻遇到了大問題!電路裝起來雖然兩個輸入訊號的電位差和兩個輸出訊號的電位差成固定比例,但兩個輸出的絕對直流竟然有時偏到正電源電壓,有時偏到負電源電壓,甚至會隨訊號的大小所觸發,一下偏到正電源電壓, 一下偏到負電源電壓。我裝出來的電路竟然成為“正反器”? 顯然這個電路存在正回授的問題!
圖(四)這個兩個減法器構成的全平衡放大電路其實跟下圖是等效的,
圖檔

圖(五)中的兩個運算放大器如果共用差動輸入級其實就等於圖(一)的電路。對於運算放大器的共模增益而言,同相與反相輸入都有相同的共模增益,所以這幾個全平衡放大器的共模增益等效電路全都如下圖所示:
圖檔

從全平衡放大器的共模增益等效電路可以看出,當共模增益Ac為負值,也就是共模輸入與共模輸出為反相時,圖(六)的電路為負回授電路。當共模增益Ac為正值,也就是共模輸入與共模輸出為同相時,圖(六)的電路為正回授電路,如果Ac大於等於(Rf+R)/R的話,電路便會振盪或成為“正反器”。

共模斥拒比“CMRR”
了解了全平衡放大器的共模增益等效電路之後,我開始對全平衡放大器在閉環路時能有多少共模斥拒比“CMRR”感到懷疑,所以便對減法器和全平衡放大器的共模斥拒比做了下面圖(七)、圖(八)的分析推演:
圖檔

圖檔

由圖(七)對非平衡輸出的減法器所做的分析推演可以看出其閉環路共模斥拒比等於開環路共模斥拒比。而圖(八)對全平衡放大器所做的分析推演得到的結論卻是閉環路共模斥拒比嚴重劣化!

解決之道.....
原本希望全平衡放大器有很高的共模斥拒比,可以增進平衡訊號的對稱性,結果卻發現全平衡放大器的閉環路共模斥拒比嚴重劣化,甚至共模迴路還會振盪或成為“正反器”!難道全平衡放大器除了像圖(二)那樣,在共模增益的迴路中加上誤差放大電路之外,就別無他法了嗎?
經過許多次的實驗與長久的思考,我想到了用差模增益來抑制共模增益的方法!
在考慮圖(四)兩個減法器構成的全平衡放大電路的共模增益時,可以把兩個減法器合併成下面這個共模增益等效電路。
圖檔

將圖(九)的電路加上兩個電阻成為圖(十)那樣,使運算放大器的反相輸入端的回授量大於同相輸入端,那麼當運算放大器的差模增益非常大時,不論Vi為何值,Vo都會趨近於 0,要不然電路便無法平衡!
圖檔

再將圖(十)的電路巧妙的切開來,便形成如下圖這樣“具有高CMRR的全平衡放大器”!
圖檔

圖(十一)這個“具有高CMRR的全平衡放大器”電路經實驗證實效果非常好,即使是輸入非平衡訊號,另一輸入端不論接地或浮接,兩個輸出都能得到相當平衡對稱的輸出訊號。
我將這個電路命名為“Ultra Symmetry”電路。

電路設計.....

圖檔
這個圖是Ultra Symmetry 平衡式前級放大器的基本架構。
平衡輸入時的電壓增益為十倍,輸入阻抗約100K。
圖(十一)的電路平衡輸入時的輸入阻抗為 Ri/2,那麼圖(十二)的電路中,Ri為 2k,輸入阻抗不是應該是 1K嗎?為什麼會變成 100K呢?
這是因為圖(十二)的電路中加上“正回授”來提升輸入阻抗的關係。
圖(十二)的電路在非平衡輸入時的電壓增益會因為反相輸入端接地或浮接而有所不同。
反相輸入端接地時的非平衡輸入電壓增益為五倍,輸入阻抗約 9.48K。
反相輸入端浮接時的非平衡輸入電壓增益為 9.52倍,輸入阻抗約 17.35K。


圖檔
這個圖是加上 OP輸出中點微調及頻率補償電容、電源旁路電容後的樣子。
由於各種 OP IC的中點微調的接法不太一樣,
如果中點微調的可變電阻必須接正電源,則必須將 JP3短路。
如果中點微調的可變電阻必須接負電源,則必須將 JP4短路。
如果中點微調的可變電阻是接 OP IC的第 1、第 5腳,則必須將 JP1、JP6短路。
如果中點微調的可變電阻是接 OP IC的第 1、第 8腳,則必須將 JP2、JP5短路。
頻率補償電容雖然會降低放大器的頻寬,但是為了放大電路的穩定,還是加上去比較好!


圖檔
這個圖是加上交連電容來阻隔直流訊號放大的電路。


圖檔
這個圖是加上直流伺服電路來阻隔直流訊號放大的電路。


圖檔
這個圖是綜合前面的電路圖而成,PC板是依照這個圖Layout。
因此這個PC板不論是要裝成圖(十三)的直流放大器、圖(十四)的交流放大器,或是圖(十五)加上直流伺服電路的放大器都可以。


圖檔
如果要做為非平衡轉平衡訊號電路時,可以接成這樣,電壓增益降為兩倍。

http://www.audio-wiki.com/Category_talk:AudioCrack網站上,Arlo兄有一個有趣的想法:“一種動態迴授的機制,讓非平衡/平衡輸入時的電壓增益相同...”
我提出了下圖所示的做法來達成讓非平衡/平衡輸入時的電壓增益相同的目的。
圖檔

當平衡電路接成非平衡輸入時,通常要把沒用到的反相輸入端接地,而由於輸入訊號由兩個變成一個,所以輸出訊號大小變一半。 上面那個圖是在證明平衡電路接成非平衡輸入時,不要把沒用到的反相輸入端接地,而改接成正回授的方式,可以把輸出加倍。 如果平衡輸入訊號的輸出阻抗夠低,足以把正回授訊號「吃掉」的話,連切換開關都可以省掉。
圖(十八)的做法可以用“Ultra Symmetry”電路來實現,就如下圖所示:
圖檔

圖(十九)的電路須注意正回授只能加在反相輸入的這一邊,如果連同相輸入也加上正回授的話,當訊號線都拔掉,同相、反相兩個輸入端都空接時,電路會振盪!

製作裝配.....
這個電路的PC板其實早在半年前就已經Layout好,卻在找零件、詢價、進貨…這些瑣事上拖了很多時間!
圖檔

圖檔

PC板是採用雙面貫孔的 FR4玻璃纖維板,厚度是 1.6mm,尺寸是 90mm × 70mm,零件安排得很緊湊。
PC板零件面與焊接面全都鋪銅做為接地面,增加屏蔽的效果。而且還多鑽了很多小孔,貫穿上下兩個接地面,用以降低接地面的阻抗。
零件的位置都有標示數值與代號,裝配的時候直接看PC板上的標示,相當方便。電阻雖然是用1/4W的金屬皮膜電阻,但Layout的腳距大小是採用1/2W電阻的尺寸,如果想換成發燒電阻來玩玩,也是可以裝得進去。
零件表如下:

項目 數量 編號 零件數值
1 14 C1,C2,C4,C5,C7,C10,C11,C12,C15,C16,C17,C19,C21,C22 0.1u積層電容
2 4 C3,C9,C18,C23 5PF陶瓷電容
3 2 C6,C20 470uF/10V NP無極性電解電容
4 2 C13,C14 100uF/16V電解電容
5 6 JP1,JP2,JP3,JP4,JP5,JP6 2P排PIN及JUMPER
6 3 J1,J2,J3 3P接線台
7 2 R1,R11 1M±1%金屬皮膜電阻
8 2 R2,R21 10K±0.1%金屬皮膜電阻
9 2 R22,R3 100K±1%金屬皮膜電阻
10 14 R4,R5,R6,R9,R10,R13,R15,R16,R17,R19,R20,R23,R24,R26 20K±0.1%金屬皮膜電阻
11 2 R25,R7 100K VAR密封型半可變電阻
12 4 R8,R12,R14,R18 2K±0.1%金屬皮膜電阻
13 1 U1 LF412運算放大器
14 2 U2,U3 NE5534運算放大器
15 1 PC板
2K、10K、20K的金屬皮膜電阻都使用±0.1%的精密電阻,以增進Ultra Symmetry全平衡放大電路的對稱性。

圖檔

裝配時,順序由低到高,高度最低的電阻先焊,依次序為 IC座,半可變電阻,積層電容,陶瓷電容,2P排PIN,3P接線台,100uF/16V電解電容,470uF/10V NP無極性電解電容。
NE5534的中點微調是接第 1、第 8腳,半可變電阻中間腳接正電源,因此要將JP2、JP3、JP5短路起來。
在上電測試前,先將半可變電阻轉到中央位置,免得一上電 NE5534的中點就完全偏掉。
注意!PC板上 C8位置的 0.1μF電容不可以裝,裝上去會導致 LF412振盪。

圖檔

如果要裝成加上直流伺服電路來阻隔直流訊號放大的電路,C6、C20必須如上面的照片那樣短路起來。

圖檔

如果要裝成直流放大器,則將 LF412拔掉,再把 IC座的第 1、第 5、第 7腳如上面的照片那樣短路起來,C6、C20也必須短路起來。
至於要裝成交流放大器,則同樣是將 LF412拔掉,再把 IC座的第 1、第 5、第 7腳如上面的照片那樣短路起來,但 C6、C20不要短路。

圖檔

圖檔

裝機配線.....
電路做好當然須要裝到機箱裡去,不過我一向捨不得花錢買機箱,所以照慣例,這個 Ultra Symmetry 平衡式前級放大器當然是裝在餅乾盒子裡。

圖檔

圖檔

餅乾盒內部的佈局如上面的照片所示。右邊是兩塊 Ultra Symmetry 平衡式前級放大器疊在一起,左邊是我所設計的 Ultra Symmetry 穩壓電路,穩壓電路下面是環型變壓器,音量控制器當然是使用我所設計的 10K串列型級進音量電位器。
配線方式請參考下面這張圖:
圖檔

我將穩壓電路的輸出調整在 ±15V左右,如果要換其他編號的 IC,必須注意其電源電壓的大小,以免損壞 IC!

圖檔

圖檔


測試調校.....
電路板上有兩個調整輸出中點的半可變電阻,調整時一邊以電表測量兩個輸出對地的直流電位,一邊反覆調整兩個半可變電阻,讓兩個輸出對地的直流電位達到最小。
下圖為本機在 1KHz方波非平衡輸入時,同相與反相兩個輸出端的輸出波形。
圖檔

將示波器顯示的波形拉開,觀察方波的升降緣,這個電路的方波升降緣表現得相當完美。
圖檔



結語.....
二十多年前研究全平衡放大電路所遇到的難題,經過了這麼漫長的時間,終於圓滿的解決,並且發展出完全對稱、CMRR又高的“Ultra Symmetry”全平衡放大電路,對於我這個“電路迷”來說總算是了卻一樁心願。

圖檔
:( 誰能了解Low TIM的奧義!?
頭像
wensan
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週二 10月 28, 2003 5:39 am
來自: SanJose

努力做好平衡方式,就好比是

文章YXN 發表於 週三 2月 15, 2006 8:37 pm

分开做两个半圆,然后再将它们拼合在一起,可是左拼右拼,看起来还是不够圆。其实最完美的方法是:将一个完整的圆从直径处切开,再将这两半拼起来,不管如何拼,都是完美的了!哈哈,见笑了!
YXN
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週日 11月 30, 2003 4:08 pm

要做到真正意義上的平衡對稱

文章YXN 發表於 週六 10月 14, 2006 11:08 pm

用尋常的類比電路是不可能實現的,唯一的方法就是採用我以上所述的方式。當將一攜載有音頻信號的射頻AM波橫向剖開時,上下兩部份就構成了絕對對稱的相位相反的平衡信號。就這麽簡單!
YXN
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週日 11月 30, 2003 4:08 pm

此構想已獲專利授權

文章YXN 發表於 週六 1月 27, 2007 7:36 pm

見CN03125271.0
YXN
SR40
SR40
 
文章: 0
註冊時間: 週日 11月 30, 2003 4:08 pm

文章coolman 發表於 週六 3月 01, 2008 1:50 am

:roll: 圖不見了
coolman
SR40
SR40
 
文章: 13
註冊時間: 週二 2月 15, 2005 3:27 am

上一頁下一頁

回到 音響 DIY 電路技術討論

誰在線上

正在瀏覽這個版面的使用者:沒有註冊會員 和 9 位訪客