为输出保护设置音频输出阻抗

电器工程 运算放大器 声音的 阻抗
2022-01-26 08:06:17

根据Eurorack 标准,我正在为模块化合成器构建一个模块所以这是一个旨在通过跳线连接到其他模块的模块。

虽然上述标准页面没有指定模块输出的输出阻抗,但似乎一般在 \$100\Omega - 1k\Omega\$ 范围内。输入阻抗指定为 \$100\mathrm{k}\Omega\$。由于我的最终输出级是基于运算放大器的放大器,因此我需要专门降低阻抗,因为运算放大器本身会提供非常低的输出阻抗。此外,由于用户可以连接任何输出和输入,我应该预计输出可能会短路到 \$-12\mathrm{V}\$ 到 \$+12\mathrm{V 范围内的任何电压}\$(系统电源轨)由用户;例如,用户可以将两个输出连接在一起,虽然这没有任何意义,但模块不应损坏。

在网上,我可以找到两种不同的方法来做到这一点。明显的运算放大器电路后跟一个电阻器:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

或将电阻器置于反馈回路中:

示意图

模拟这个电路

在这两种情况下,\$R3\$ 设置输出阻抗。

后者的基本原理是,由于反馈取自实际输出节点,因此在正常条件下输出实际上是非常低的阻抗,但电阻器仍然可以防止吸收过多的电流:如果电源轨为 \$\pm 12 \mathrm{V}\$,则最多 \$24\mathrm{V}/R3\ = 24\mathrm{mA}\$(对于 \$R3 = 1\mathrm{k}\Omega\$)可以在运算放大器饱和之前绘制(尽管在实践中,TL07x 会更早饱和,因为它不能输出那么多电流)。

所以这里有两个相关的问题

  1. 确实推荐后一种方式,并且对于我的模块和它可能连接到的任何其他(合理设计的)模块安全吗?我怀疑的原因是在野外查看模块,第一种方式似乎更常见,所以我认为有一些我没有意识到的缺点。另一方面,运算放大器的直接输出似乎也很常见......
  2. 在后一种情况下,\$R3\$ 确实起到了电流限制器的作用,所以我倾向于实际使用更大的电阻,比如在 \$10\mathrm{k}\Omega\$ 左右,以便设置最大电流由电阻,而不是运算放大器的输出能力。这是合理的做法吗?

更新:

回答 Olin 缺少的规范:用户不会假设通过短路输出进行的无源混频会起作用(实际上,其他模块的输出阻抗会有所不同,因此不可靠)。所以基本上任何不损坏模块的行为都是可以接受的。

另一方面,由于该模块的输出无论如何都不能真正用作控制电压(由于模块的性质),因此由外环电阻引起的轻微损失并不重要;对于音量只是小幅下降的音频。

最后,阅读这个线程,我注意到后一种选择的一个潜在问题是运算放大器需要直接驱动任何输出电容。一般来说,模块化跳线很短,但也有墙壁大小的模块化可能使用更长的跳线。

最后,我认为我倾向于第一种选择,主要是为了避免电缆电容出现任何问题,因为缺点(小信号损失)并不重要。但是仍然欢迎任何想法或见解!

更新 2:

JRE 链接的应用笔记进一步澄清了关于电容性负载的问题:这个问题中的第二个电路与应用笔记中的最后一个电路相同,除了循环中的电容器 \$C_f\$。应用笔记告诉我们,这种配置适用于驱动容性负载,但前提负载电容 \$C_L\$ 已知。

所以上次更新的结论仍然成立,当我们不知道负载时,第一个电路是更好的选择。

4个回答

你想要哪个电路取决于你没有告诉我们的规格。重要的问题是,当用户将其中两个的输出连接在一起时,究竟应该发生什么?

如果它们真的不打算连接在一起,那么电阻器只是为了保护。在这种情况下,您的第二个电路会更好。您将电阻值设置为不超过运算放大器在最坏情况下的输出电流能力。

如果打算将多个模块连接在一起并且您应该获得平均结果,那么您需要使用您的第一个电路。例如,如果规范允许将左右声道连接在一起以获得单声道,就会出现这种情况。在这种情况下,电阻器必须是每个模块的指定输出阻抗。如果它们应该通过短路来平均,那么每个都需要具有定义和受控的阻抗。该阻抗必须由标准指定。

例如,如果您选择 1 kΩ 而其他人选择 10 kΩ,则连接两个模块不会产生预期的平均值。生成的信号将是您模块的 10/11 部分和另一个模块的 1/11 部分。为了使平均方案起作用,所有阻抗都需要相等,因此需要提前达成一致。

这两个电路对 GND 的外部负载的响应不同。使用一个极端的案例来演示,假设一个 1 K 的电阻到 GND 作为负载。在第一个电路中,运放输出引脚电压不变,电路增益不变,但外部电压下降50%。

在第二个电路中,您现在在反馈回路中有一个 50% 的衰减之前,R2 (68K) 的右端连接到零欧姆电压源。现在它通过一个等效的 500 欧姆电阻连接到一个相当于运算放大器输出电压 1/2 的戴维南等效电压。

所以反馈电阻值不同,改变了电路增益,反馈电压相差很大,真正改变了增益。运算放大器输出引脚电压将在尝试关闭环路时(大约)加倍。在运算放大器饱和之前,外部输出电压不会降低太多。或类似的东西。

大多数运算放大器都有内置的短路cct。当您使用负反馈时,保护已经是第二种方法。这就是 OA 的电流限制如此之低的原因。

缺点是电容性电缆负载 Ic=CdV/dt 需要您计算电源电压和。此处限制以保证设计避免饱和或转换速率限制。因此,将驱动器提升到电缆的 Zo 以上是不明智的。

我会做第一个,因为当运算放大器被合并到另一个效果/阶段时,它会独立加载运算放大器,而其他效果/阶段是并联连接的。在输出短路上提供负载的附加副作用(由于将输出插入到外接点)也受到欢迎。我不会担心阻抗,因为它会在不到 3 米处回到高阻抗不平衡输入。