SUOM. VALIKKO & PÄÄSIVU

---

Vahvistinkytkentöjä virtaohjauskäyttöön

Vahvistimesta, joka muuntaa sisäänmenojännitteen ulostulovirraksi käytetään yleisesti nimitystä transkonduktori, ja ko. virran ja jännitteen suhdetta eli transkonduktanssia merkitään usein symbolilla g_m. Termi "vahvistin" on kuitenkin vielä varsin sovelias, sillä sekä virta että teho ovat ulostulossa aina suurempia kuin sisäänmenossa.

Sarjavastusmenetelmä

Yksinkertaisin keino saada aikaan transkonduktori on käytännössä kytkeä sarjavastus tavanomaisen jännitevahvistimen ulostuloon. Mitä suurempi tämä resistanssi on suhteessa kaiuttimen impedanssiin, sitä puhtaammin vahvistin toimii virtaohjaustilassa. Ilmeisenä haittapuolena on tietenkin, että saatava lähtöteho putoaa rajusti, ja siksi menetelmä sopii lähinnä vain kokeiluihin.

Jos kokeilet tätä tavanomaisella jännitekäyttökaiuttimella, havaitset luultavasti sekä hyviä että huonoja muutoksia äänenlaadussa. Hyvät tulevat siitä, että kaiutinelementtien tuottamat sähkömotoriset voimat (SMV:t) pystyvät nyt vähemmän häiritsemään virran kulkua elementeissä. Mahdolliset haitalliset vaikutukset johtuvat epäedullisesti muokkautuneesta taajuusvasteesta tavallisesti bassoalueella ja jakotaajuuksilla, missä kaiuttimen impedanssilla on huippuja. (On tietenkin mahdollista, että myös jokin osa myönteisistä muutoksista liittyy taajuusvasteeseen.) Mikäli käytettävissä on taajuuskorjainta tai DSP, voit mahdollisesti kompensoida näitä vastemuutoksia ja pitää vain saadut hyödyt.

Perus-virtatakaisinkytkentä

Jokseenkin kaikki nykyään käytettävät audiopäätevahvistimet on toteutettu käyttäen alla kuvassa a esitettyä jännitetakaisinkytkennän periaatetta. (Jos katsot mitä hyvänsä tehovahvistinkytkentää, voit erottaa ko. kaksi vastusta kytkettynä lähtönavasta toiselle tulotransistorille ja siitä signaalimaahan.) Vahvistettava signaali (U_i) tuodaan differentiaalisen vahvistimen (kolmio) ei-invertoivaan ottoon, ja tietty vastuksilla R₁ ja R₂ määrättävä osuus ulostulojännitteestä (U_o) tuodaan takaisin invertoivaan ottoon. Ideaalisesti toimiessaan piiri asettaa ulostulojännitteensä aina sellaiseksi, että erojännite U_d pysyy nollassa. Jännite vastusten välisessä pisteessä on tällöin U_i, ja koska ottonapoihin ei mene merkittävästi virtaa, jännitejaon perusteella U_o seuraa U_i:tä vahvistettuna kertoimella (R₁+R₂)/R₁.

Kuva b esittää vastaavasti virtatakaisinkytkennän* käyttöä yksinkertaisimmillaan. Ei-invertoiva otto toimii tässäkin sisäänmenona, mutta invertoivaan ottoon tuotava takaisinkytkentäsignaali kuvaa nyt kuormajännitteen sijaan kuormassa kulkevaa virtaa (I_o).

Silmukan toiminta voidaan mieltää seuraavasti: Olettakaamme, että erojännite U_d pyrkii syystä tai toisesta nousemaan positiiviseksi. Differentiaalivahvistin reagoi tähän nostamalla ulostulojännitettään, jolloin virta I_o ja vastuksen R jännitehäviö muuttuvat positiiviseen suuntaan. Tämä kasvu jatkuu, kunnes takaisinkytkentäsignaali saavuttaa sisäänmenosignaalin ja U_d nollautuu. Vastaavasti U_d:n pyrkiessä negatiiviseksi I_o ja R:n jännite pienenevät, kunnes U_d:n poikkeama on kumottu. Koska vastuksen jännite seuraa näin sisäänmenojännitettä, saadaan kytkennän transkonduktanssiksi g_m = I_o/U_i = 1/R.

Sopiva resistanssi virrantarkkailuvastukselle on noin puoli ohmia. Tällaisella arvolla vastuksessa kuluva teho jää yleisesti alle kymmenesosaan kaiuttimen ottamasta tehosta, joten hukka ei ole kovin merkittävä.

Edellä oletimme, että erojännite U_d pysyy nollassa, mikä vaatii ideaalista differentiaalivahvistinta. Todellisella differentiaalivahvistimella on kuitenkin vain äärellinen vahvistuskerroin (merk. A_d), joka pienenee taajuuden kasvaessa. Differentiaalivahvistimen ulostulolla on aina myös jokin sisäinen impedanssi (merk. Z_o), vaikkakaan tätä ei yleensä suoraan ilmoiteta.

Todellisella differentiaalivahvistimella transkonduktanssin voidaan osoittaa olevan

missä Z_L on kuormaimpedanssi. A_d:n ollessa itseisarvoltaan suuri Z_o ja Z_L tulevat mitättömiksi, ja jäljelle jää g_m ≈ 1/R, kuten ideaalitapauksessa. Tärkeää on, että transkonduktanssin (ja siten virran) riippuvuus kuormaimpedanssista Z_L saadaan pieneksi, ja tähän päästään, kun |A_d| ja R ovat riittävän suuria.

Kytkennällä saatava ulostuloimpedanssi (kuorman näkemä kokonaisimpedanssi) on

Z_o:n ollessa vähäinen antoimpedanssi on siis likimain suoraan verrannollinen differentiaaliseen vahvistukseen. Jos R on 0,5 Ω ja |A_d| on 20 kHz:n taajuudella vielä 500, kuten yleistä, saadaan |Z_t|:n minimiarvoksi reilut 250 Ω, mikä on käytännössä aivan riittävää.

---

*Käsitettä 'virtatakaisinkytkentä' käytetään myös tarkoittamaan tiettyä takaisinkytkentäjärjestelyä, jossa invertoiva ottonapa on pieni-impedanssista typpiä ja siten ottaa tai antaa virtaa. Jotkut valmistajat käyttävät tätä menettelyä myös audiovahvistimissa, mutta tällä ei ole mitään tekemistä kuorman virralla syöttämisen kanssa.

Stabiilisuuden turvaaminen

Suurilla taajuuksilla kaiuttimen ja sen kaapelin induktiivisuus aiheuttaa kuvan b tapauksessa sen, että takaisinkytkentäsignaaliin syntyy ulostulojännitteeseen nähden tietty vaihejättämä, joka kasvattaa silmukan kokonaisjättämää ja voi siten vaarantaa piirin stabiilisuuden, vaikka jännitevahvistusta olisi riittävästi vakaaseen toimintaan resistiivisellä takaisinkytkennällä. Jotta takaisinkytkentä saataisiin suurtaajuuksilla resistiivisemmäksi, voidaan kaiuttimen rinnalle liittää alla olevan kuvan mukaisesti RC-haara, joka toimii ikään kuin ylimääräisenä jakosuodatintienä ja muodostaa pääasiallisen virtapolun suurtaajuuksille. Haara kannattaa kytkeä vahvistimeen mieluummin kuin kaiuttimeen, jotta kaapeli-induktanssi eliminoituisi myös. (Tavanomaisissa vahvistimissakin käytetään usein ulostulosta maahan kytkettyä RC-haaraa, vaikkakin sen toiminta on erilainen.)

Vahvasti kapasitiivinen kuorma voi myös saada jotkut vahvistinpiirit värähtelemään, ja esitetty RC-haara auttaa tällaisessakin tapauksessa. Lisäksi haara hillitsee mahdollisia suurtaajuisia kohinoita, joiden johtaminen kaiuttimeen ei ole tarkoituksenmukaista.

Kuorman liittäminen maahan

Haluttaessa kuorma saadaan kiinni maahan käyttämällä alla esitettyä muunnelmaa, jossa kuorma ja sarjavastus ovat vaihtaneet paikkaa keskenään. Koska tämä vastus on nyt irti maasta, sen jännitehäviö on kopioitava maahan verrattavaksi takaisinkytkentäsignaaliksi erillisellä erotusvahvistimella, joka koostuu A₂:sta ja neljästä vastuksesta.

Tehovahvistimen (A₁) kannalta mikään ei ole muuten muuttunut paitsi, että suurtaajuuksilla erotusvahvistin aiheuttaa takaisinkytkentäsignaaliin hieman ylimääräistä vaihejättämää, jolla voi olla vaikutusta piirin stabiilisuuteen. Värähtelyvaaran estämiseksi A₂:en olisi siten syytä olla melko laajakaistainen (kuten esim. NE5534).

Käyttö 1-puolisella jännitelähteellä

Alla esitetty kytkentä sopii 1-puoliselle käyttöjännitteelle. Käyttötaajuuksilla piiri toimii virtatakaisinkytkettynä, mutta muuttuu käyttöalueensa alapuolella jännitetakaisinkytketyksi, jotta ulostulo ei kyllästyisi kondensaattoriin C₃ kertyvästä tasajännitteestä.

Kuormavirtaa tarkkailevan vastuksen R₅ jännitevaihtelut siirretään C₂:en välityksellä invertoivaan ottoon virtatakaisinkytkennän muodostamiseksi. C₂:een, kuten myös C₃:een ja C₄:ään, latautuu puolet käyttöjännitteestä. C₂:en on oltava niin suuri, että sen impedanssi on käyttötaajuuksilla mitätön verrattuna resistansseihin R₂ ja R₃.

Tärkeä lisäetu virtatoimisuudesta on tässä se, että tasajännitteen estoon tarvittavan elektrolyyttikondensaattorin (C₃) epäideaalisuudet eivät pysty vaikuttamaan kuormavirtaan ja siten heikentämään äänenlaatua, kuten voi käydä jänniteantoisessa vahvistimessa. Virtaohjattuna elko ei myöskään aiheuta napaa matalien taajuuksien
vasteeseen, kuten tavanomaisesti tapahtuu.

Siltaus

Jännitevahvistimissa paljon käytettyä siltakytkentäperiaatetta voidaan soveltaa myös virtaohjausjärjestelmiin. Alla on esitetty siltakytketty transkonduktoritopologia, jossa toinen tehovahvistin (A₁) kontrolloi kuormassa kulkevaa virtaa toisen (A₂) peilatessa edellisen ulostulojännitteen vastakkaismerkkiseksi. A₃ sekä R₂-merkityt vastukset muodostavat erotusvahvistimen, joka tuottaa kuormavirtaan verrannollisen takaisinkytkentäsignaalin samoin kuin edellä maatetun kuorman tapauksessa.

A₁:n annosta otettava virta voi nyt olla kaksinkertainen verrattuna vastaavaan siltaamattomaan kytkentään, ja virrantarkkailuvastuksen (R₁) arvo voi olla puolet siitä mitä käytettäisiin ilman siltausta.

Stabiilisuuden suhteen sillattu kytkentä on jonkin verran vaativampi kuin tavallinen. Erotusvahvistimen ja invertointivahvistimen on tietenkin oltava itsessään stabiileja. Lisäksi A₁:en on pysyttävä stabiilina huolimatta em. vahvistimissa suurtaajuuksilla syntyvistä vaihejättämistä. (Lähempiä ohjeita kirjassa.)

Modifioitu Howland-kytkentä

Toinen käyttökelpoinen tapa toteuttaa transkonduktanssivahvistin on ns. parannettu Howland-virtapumppu, jollainen on kuvassa alla. Tässäkin on kyseessä eräänlainen virtatakaisinkytkentä, mutta erojännite muodostetaan nyt vastusjakojen avulla.

Kuorma saadaan kiinni maahan ilman lisäjärjestelyjä, mutta pienenä hankaluutena on se, että vastuksilta vaaditaan tarkkaa sovitusta parhaan ulostuloimpedanssin saavuttamiseksi. Piiristä saadaan myös invertoiva tuomalla signaali vastuksen R₁ kautta ja kytkemällä R₃ vastaavasti maahan.

Sovitus saavutetaan täyttämällä seuraava ehto:

R₅ toimii virrantarkkailuvastuksena ja on siten arvoltaan hyvin pieni verrattuna muihin vastuksiin. Käytännössä yhtälö toteutuu siis varsin hyvin jo silläkin, että kaikki resistanssit R₁:stä R₄:ään valitaan yhtä suuriksi. Hyvän suorituskyvyn saavuttamiseksi vastusten tulisi olla sovitettuja mieluiten 0,1%:n tarkkuuteen.

Sovitusehdon toteutuessa transkonduktanssin voidaan osoittaa olevan

Siten R₁:en ja R₂:en ollessa yhtä suuria (jolloin R₃ ja R₄ ovat myös yhtä suuria) transkonduktanssiksi tulee tarkkailuvastuksen resistanssin käänteisarvo kuten edellä esitetyllä peruskytkennälläkin.

Kytkennällä saatavan ulostuloimpedanssin voidaan osoittaa olevan

Z_t on siten tässäkin suoraan verrannollinen differentiaaliseen vahvistukseen. Tekijästä R₁/(R₁+R₂) johtuen |Z_t| jää kuitenkin aina hieman pienemmäksi kuin aiemmin esitetyllä perustranskonduktorilla samalla tarkkailuvastuksen arvolla.

Howland-kytkentää edeltävän asteen ulostuloimpedanssin on oltava hyvin pieni, koska se summautuu suoraan resistanssiin R₃. Syöttö on siten otettava suoraan jonkin operaatiovahvistimen annosta.

Stabiilisuusominaisuuksiltaan parannettu Howland-kytkentä ei poikkea suuresti yksinkertaisesta virtatakaisinkytkennästä. Kaiuttimen rinnalle lisättävän RC-kompensointihaaran (ei kuvassa) käyttö on siten tässä yhtä suositeltavaa kuin muuallakin.

Jänniteregulaattorit ohjattavina virtalähteinä

Säädettävät jänniteregulaattorit muodostavat myös kätevän tavan toteuttaa virtavahvistimia. Positiivisilla säätöregulaattoreilla on yleensä hyväksyttävän pieni särö, ja niistä voidaan helposti tehdä ohjattavia virtalähteitä. Negatiiviset tyypit ovat kuitenkin paljon heikompia rippelinvaimennuskyvyltään korkeilla taajuuksilla eivätkä siten ole niin käyttökelpoisia.

Alla on esitetty tällaisten lähteiden peruskytkennät. Kuva a esittää vakiovirtalähdettä, jota voidaan käyttää molemmista päistä: napa A voidaan kytkeä käyttöjännitteeseen navan B toimiessa virtalähteenä, tai B voi olla käyttöjännitteessä A:n toimiessa virtanieluna. Regulaattorin säätönastasta tuleva virta on vakio ja noin 50 uA, joten se voidaan jättää huomiotta. Siten virta I, jonka on oltava sama regulaattorin IN- ja OUT-nastassa, on aina regulaattorin referenssijännite (1,25V) jaettuna virranasetusresistanssilla R.

Kuva b esittää regulaattorin käyttöä jänniteohjattuna virtanieluna. Sisäänmenojännite summautuu sellaisenaan R:n yli olevaan jännitteeseen, joka määrää regulaattorin läpi kulkevan virran. Tasavirran ja -jännitteen pitämiseksi kohtuullisena sisäänmenojännitteen täytyy liikkua käyttöjännitelinjan alapuolelle, mutta tämä ei ole ongelma.

Kuvassa c on näytetty kelluva virtaohjattu virtalähde. Sisäänmenovirta, joka syötetään vahvistuksen määräävän vastuksen R_g läpi, synnyttää siinä jännitehäviön, joka muuttaa R:n yli olevaa jännitettä ohjaten siten kuormalle menevää virtaa.

Yhdistämällä näitä lohkoja voidaan rakentaa A-luokan virtalähdevahvistimia ilman tavallista keinoa, jossa asetetaan virtatakaisinkytkentä jänniteantoisen vahvistimen yli. Regulaattorit käyttävät sisäisesti edelleen negatiivista takaisinkytkentää, mutta näiden järjestelmien näkemä kuorma pysyy aina resistiivisenä. Huomattava etu on myös se, että sillatussa systeemissä toinen osapuoli voi olla jopa heikkolaatuinen B-luokan jännitevahvistin, sillä kuormaan menevän virran määrää yksin transkonduktoripuoli.