Operationsförstärkaren

Jag sa ju att jag skulle beskriva lite mer grundligt hur operationsförstärkaren fungerar och här kommer det! Visst, det låter kanske som onödigt vetande om nån komponent som aldrig används, men så är det verkligen inte.

Operationsförstärkaren (opampen) är egentligen en färdig krets av en massa motstånd och transistorer. Men eftersom denna krets är så välanvänd levereras den färdig i en IC-krets, så därför ser man oftast opampen som en enskild komponent istället för en sammansättning av flera.

Det interna kopplingschemat av en operationsförstärkare.

Hur operationsförstärkaren fungerar internt är egentligen ointressant då man tillämpar dess funktion som en enskild komponent.

En operationsförstärkare monterad i en såkallad DIP-inkapsling

Hur en opamp fungerar är egentligen ganska så enkelt. En spänning läggs mellan ben 7 och 4 (med den mest positiva på ben 7). En mätspänning läggs då mellan ben 2 och 3. Om spänningen på ben 2 är högre än ben 3 släpps spänningen från bend 7 ut på ben 6. Om spännignen på ben 3 är högre än ben 2 släpps spännignen från ben 4 ut på ben ut på ben 6.

Det är det som händer i egentligen är att signalen från en 2 och 3 förstärks några hundratusen gånger (några miljoner gånger har jag också läst nånstans), men eftersom spänningen på ben 4 och 7 sällan skulle räcka till blir det snarare att spänningen släpps igenom obehindrat.

Så hur operationsförstärkaren fungerar är ganska så enkelt, men hur man kan tillämpa den är är nästan oändligt! Här passar faktiskt den gamla klyschan "det är bara fantasin som sätter gränser" perfekt!

Genom att loopa utgången till ben 2 kommer opampen att mata sig själv om ben 2 från en spänningspuls som är högre. Då kommer utgången mata ingången med spänning så att utgången fortsätter att släppa ut signal fastän insigalen är avstängd. Detta fortsätter ända till ben 3 får högre spänning än ben 2 eller spänningen bryts helt i kretsen.

En annan sak man kan göra är att göra en enkel AB-förstärkare. Då loopar man utgången till ben tre istället. Då blir inspänningen lika hög som utspänningen men om man bromsar loopen med ett motstånd eller en spännigsdelare så får man en förstärkning. Om man även ger positiv och negativ spänning på ben 4 och 7 får man en hel signalvåg.

I teorin fungerar detta som en klass D-förstärkare då den teoretisk växlar mellan 0 och full spänning. Men eftersom svägningsfrekvensen inte bromsas av nån styrklocka blir den så hög att den istället "flyter" över ljuvågen. Hur man gör en klass C-förstärkare tänkte jag förklara en annan gång.

På samma sätt kan man göra en klass C-förstärkare då ben 3 får en konstant och låg spänning (0.1V tex) och signalen in matas på ben 2. Skulle då signalen vara förorenad av störningar blir den något renare och kan sen förstärkas med en vanlig transistor.

Detta var bara några få saker man kan göra med operationsförstärkare. Man kan bygga VU-mätare och till och med 8bitars-ljudeffekter rent analogt! Man kan bygga analoga räknare och på olika sätt jämföra signaler för att få ut en helt annan signal. Faktum är att jag faktiskt inte hittat ett enda kopplingschema på MFOS där operationsförstärkaren inte används. Det om nåt säger väl hur oumbärlig den faktiskt är.

Det var längesen jag köpte grisen i säcken

Det har inte blivit nåt på ett tag nu... Detta beror mest på att jag har snöat in mig så hårt på hembyggda analogsynthar att jag inte vet vart jag ska börja. Music from outer space har tonvis med material som gör att man an bygga allt från färdiga synthar till olika moduler.

Hursomhelst då har jag kommit på en stor nackdel med mig själv. Så fort jag ska köpa nånting elektroniskt så är jag mästare på att lägga ner timmar med research för att hitta den prisvärdaste modellen av alla!

Detta är ju faktiskt ganska så bra eftersom jag oftast känner till alla eventuella nackdelar med produkten och beöver inte får några obehagliga överaskningar. Men det kan ändå vara en del av charmen med att köpa nåt nytt, som att lära känna en ny människa utan att man har stalkat upp dem på facebook.

Mitt första minne av detta beteende var nån gång strax efter att jag hade köpt mina hörlurar. Det var precis i början då mp3-spelare började bli populära och jag tyckte att det var ett bra sätt att kunna använda mina lurar lite mer. (Jag har aldrig ägt en portabel CD-spelare och det kändes lika bra att gå på mp3-spelaren direkt)

Hursomhelst så kollade jag igenom en massa recensioner på en massa mp3-spelare världen över och jämförde batteritider, uteffekt och en massa annat smått och gott. Vinnaren av min analys blev en Jens of Sweden MP-300... 512mb minne (var det mesta man kunde få då) 17mW uteffekt per kanal och batteritid på drygt 20 timmar. Dessutom var det vanliga AA-batterier vilket jag personligen som som en stor fördel. Hursomhelst kostade denna skönhet 3000 spänn, så utvecklingen har ju gått framåt lite under årens lopp!

Detta brukar faktiskt leda till att saker ibland har blivit lite dyrare än vad det var tänkt från början eftersom jag givetvis vill ha så mycket "bang for the buck" som möjligt, men o andra sidan har jag sällan blivit missnöjd. Samma sak gällde faktiskt när jag köpte min laptop begagnad, så det gäller inte bara nya grejer. Nu har jag tom börjat granska olika tongeneratorer på Music from outer space, och det är ungefär det jag roar mig med just nu.

Men som jag sa innan så försvinner charmen lite när man gör som jag gör. Att veta allting innan man köper en pryl är ju iofs bra. Men om man köper grisen i säcken köper man inte bara en pryl man köper även en lära-känna-upplevelse som är värt en del den med.

Ja, det blev kanske inte så mycket substans i det här inlägget... Iaf, som jag sa så sitter jag fast i analogsynthträsket så jag tänkte beta av olika delar som är intressanta. Vi får helt enkelt se vad jag känner för att spotta ur mig!

Lev väl och så!

Förstärkarklasserna och dess egenskaper

När man pratar om förstärkare pratar man i regel om en audioförstärkare som förstärker en ljudsignal från till exempel en CD-spelare för att kunna driva en högtalare, men det kan även vara en förstärkare för att kunna skicka en trådlös radiosignal.

En audiosignal består av två ledare, signal och jord. I folkmun brukar dessa kallas för plus och minus, men det är helt fel då polariteten hela tiden ändras beroende på om vågen befinner sig under eller under den såkallade nollinjen.

Förstärkare finns i fem klasser, A, B, AB, C och D. Jag kommer dra ett exempel på varje förstärkare där jag skickar in en ren sinusvåg, så ska jag förklara hur de olika förstärkarna behandlar den för att kunna få ut en förstärkt signal.

Signalen som jag kommer "skicka" genom de olika förstärkarna

Olika förstärkare är olika bra på att återge den förstärkta signalen och denna avvikelse anges i %THD där THD är avvikelse från signalen.

I alla förstärkare finns det transistorer. En transistor kan bryta en ström, släppa förbi eller bromsa. Men när en transistor bromsar en ström blir all den ström som inte passerar till värme, och det är denna värme som ställer till problem. Det är lösningen på problemet som skiljer de olika förstärkarna åt.

Klass A-förstärkaren är den förstärkare med sämst verkningsgrad (verningsgrad är den andel energi som inte går till spillo i kretsen). I en klass A-förstärkare är det samma transistor som arbetar under hela vågperioden, där den först bromsar 50% där den lägger en nollinje och rör sig därefter enligt hur signalen ser ut. Därför ligger verkningsgraden på ungefär 50%, vilket är väldigt mycket. Men eftersom signalen inte växlar mellan olika transistorer (du förstår vad jag menar när jag förklarar klass B) blir THD extremt låg, där jag sett värden på 0.00008%. Länk

Transistorn arbetar både över och under nollinjen

Klass B-förstärkaren till skillnad från klass A tar bara hand om vågen på en sida om nollinjen. För att får en komplett ljudvåg har man därför två transistorer, där ena tar ovansidan av vågen och den andra tar undersidan. Denna metod kallas därför för push-pull (tryck-dra) som beskriver transistorernas arbetsuppdelning.

Den övre delen som en transistor förstärker i en klass B-förstärkare

Den undre halvan som den andra transitorn förstärker

Detta arbetsätt skapar problem när transistorerna ska byta mellan varandra. Denna störning går att få bort nästan helt om kretsen ställs in rätt, men ändras lätt av temperaturväxlingar.

Verkningsgraden ligger på ungefär 78,5% (vid sinussignal), vilket är mycket högre än klass A. Därför är detta en populär förstärkningsmetod i billiga förstärkare där ljudkvalitet spelar mindre roll (THD över 1% är inte ovanligt)

Klass AB-förstärkaren tar det bästa ur både B och A-förstärkaren. Arbetssättet liknar mest B-förstärkaren, men istället för att klippa och gå över till den andra transistorn överlappar båda transistorerna på sin motsida, liknande klass A-förstärkaren.

Den övre våghalvan som den ena transistorn arbetar med, där den överlappar till underdelen.

Den undre vågen som överlappar lite till överdelen.

Detta betyder sålänge man spelar på låg ljudvolym kommer den att fungera som en klass A-förstärkare då dioderna arbetar gemensamt. Men när man höjer volymen kommer kommer ena transistorn nå sitt ändläge och andra transistorn fortsätter mot toppen.

Men denna övergång lider av liknande problem som klass B när även om de är kraftigt reducerade. Dessutom är verkningsgraden strax under klass B-förstärkaren, det vill säga 78,5%. Därför är detta en vanlig förstärkare där krav på ljudet är högre, men även där även lågt pris efterfrågas. Djupare jäförelse mellan klass A och klass AB-förstärkarna kan man hitta här: Länk

Klass C-förstärkaren är i princip en klass B-förstärkare utan push-pull-funktionen. Den använder alltså bara halva vågen vilket gör att distorsionen (THD) blir enorm. Därför används den sällan i audiosammanhang men däremot mycket i bland annat radiosändare. Där kan antennen ofta bara hantera ett kort frekvensområde, så därför spelar distorsionen mindre roll. På grund av användandets karaktär behöver transistorn inte bromsa utan släpper igenom för fullt eller bromsar helt. Därför är verkningsgraden så hög som upp mot 92%.

Elektroniska leksaker har ofta en klass C-förstärkare eftersom, som jag nämnde i pulsvågsinlägget ofta bara använder sig av pulsvågor. Då det bara finns till eller från är därför klass C-förstärkaren ingen nackdel. Eventuell filtrering sker då efter förstärkaren.

Klass D-förstärkaren är den i särklass modernaste och mest intressanta förstärkaren. Den har verkningsgraden som en klass C-förstärkare men ljudkvalitén kan teoretiskt bli lika bra som Klass A.

Kort sagt använder de pulsvåg (där har vi min älskade pulsvåg igen), så därför är transistorn antingen på eller av ungefär som klass C och därmed den höga verkningsgraden. Men jag vill spara Klass D-förstärkaren till ett annat tillfälle då jag gått igenom operationsförstärkaren (en elektroniks komponent), så jag kan förklara förstärkaren mer grundligt.

Den berömda T-amp använder sig av klass D-teknik, så om ni känner till den så förstår ni vad jag är inne och nosar på för nånting.

Sammansättning av olika ljud

I nästa avsnitt tänkte jag gå igenom hur de olika förstärkarklasserna fungerar. Men för att alla ni som läser ska förstå lite bättre så mycket går jag snabbt igenom hur man illustrerar ljud och hur dessa sen sätts ihop. Jag kanske borde gjort detta innan jag gick igenom pulsvågorna, men bättre sen än aldrig!

Ljud som sprider sig brukar jämföras med ringar som sprider sig när man kastat nåt i vatten. Vad som händer då är att vattnet trängs undan och srider sig vidare i en synlig våg eftersom vattnet inte kan komprimeras. Om liknande sak händer i luften av tex ett högtalarmembran kan luften komprimeras och dras ut, men ljudvågorna kan kan inte ses. När ljudvågorna når den som lyssnar påverkar de våra hörselorgan genom och vi uppfattar ljudet. (Med hörselorgan menar jag inte bara öronen utan i princip alla känselorgan i kroppen)

Jag börjar med en bild av några illustrerade ljudvågor, rättare sagt några sinusvågor.
Sinusvågen är illustration av en naturlig svängning som återkommer mycket i mekaniken. Men nu ska jag ju snacka om ljud, så om sinusvågen kan ni läsa mer om här. (Det är iaf ett väldigt rent och fint ljud som är hyfsat svårt att generera)

Bilden visar olika sinusvågor i olika frekvenser där den översta har lägst frekvens (mörkast ton) och den nedersta högst frekvens (ljusast ton). Tänk dig att bilden rör sig från vänster till höger i en konstant hastighet och vi placerar en vertikal linje som symboliserar ögonblicket just nu. Höjdnivån kurvan visar hur komprimerat ljudet ska vara.

I praktiken betyder det då att om ljudvågen befinner sig högre upp än stunden innan så har högtalarmembranet rört sig en bit utåt för att komprimera luft. Är ljudvågen däremot lägre än stunden innan så är det precis tvärtom.

Ibland brukar en nollinje ritas och ju närmre vågen befinner sig nolllinje ju lägre är ljudvolymen och rör den inte sig alls är det naturligtvis helt tyst.

När jag skulle försöka hitta bilder som förklarar hur olika ljud på olika frekvenser sammansätts illustrativt och indirekt också fysiskt så snubblade jag över en bild som förklarar det relativt enkelt. Länk

Den översta ljudvågen är en sammansättning av de fyra andra sinusvågorna. På länken kan ni även se ljudvågen från några olika instrument och hur komplexa ljudvågor kan vara.

Detta var egentligen inte ett riktigt inlägg utan mer en parantes för att kunna gå vidare lite smidigare. Nästa inlägg kommer handla om olika förstärkarklasser och jag kommer förklara hur de fungerar i teorin och lista deras för och nackdelar. Förhoppningsvis hinner jag klart med detta redan ikväll!

Digitala synthezisers med pulsvåg

Som många säkert vet så har jag sysslat lite med circuitbending, där man modifierar leksaker och elektroniska instrument så för att få fram olika effekter. För att spara godbitarna till en annan gång och räcker det med att säga att det finns två skolor när det gäller circuitbending, en där man provar sig fram slumpmässigt och en annan där man försöker förstår sig på hur kretsen och letar systematiskt.

Som ni säkert förstår så kräver den första metoden nästintill ingen elektronikkunskap medan den andra kräver metoden kräver nästintill ingenjörskunskaper för att kunna utövas fullständigt. En av dessa är Christian Oliver (aka. CYBERYOGI) från Tyskland som även har skrivit en väldigt informativ FAQ. Länk

Ett intressant avsnitt handlar om olika pulsvågar som enda ljudkälla. Oliver förklarar att många billiga keyboards och dylikt enbart använder sig av pulsvågor, vilket är fantastiskt enkelt att generera ljud digitalt.

Definitionen av pulsvåg är att ljudvågen bara har två lägen. Detta kan därför beskrivas enkelt binärt med ettor och nollor då 1 är till och 0 är från. Till exempel kan jag ha en pulsvåg i upplösningen 8 och har då åtta möjligheter på mig under vågens gång att bestämma om den ska vara till eller från.

Den absolut enklaste pulsvågen är fyrkantsvågen, där tidsperioden mellan till och från är lika lång. Binärt kan den då beskrivas som 10 (ettnoll) eller som inverterad 01 (nollett), eller varför inte som 1111000 och 00001111 om nu upplösningen är 8.

Fyrkantsvåg

Fyrkantsvågen används flitigt inom digitaltekniken som styrklocka och reglerar hur fort processorer ska jobba, stora som små. Den används också till att skapa andra vågor som sågtand, triangel och sinus, som är de vanligaste vågformerna i analogsynthar. Sågtand och triangelvåor används också till ström och spännigsreglering, men det är en annan historia.

En annan enkel variant av pulsvågen liknar fyrkantsvågen men tidsperioden mellan till och från är inte lika långa. Binärt kan den beskrivas 11100000 eller 1000000 beroende på vad man vill ha för karaktär. Kortare till-period ger ett spädare ljud medans längre ger ett bastantare.

Pulsvåg

Men pulsvågen kan bli mycket mer komplex än så. Vad som är viktigt att tänka på är att pulsvågen har en möjlighet att växla mellan till och från mycket snabbt. Detta gör att vågen sällan kan ritas ut perfekt och det är inte heller något man vill. Man kan faktiskt med en pulsvåg simulera nästan vilka ljud man om bara har en tillräckligt hög upplösning. Om man skapar en signal med 10101010 som matas mycket snabbt (utanför utanför lyssnarens frekvensområde) så hamnar snarare signalen på en jämn (tyst) signal med värdet 0,5. Man kan på samma sätt ändra ration mellan ettor och nollor och därmed skapa olika värden.

Med detta i åtanke tänkte jag att man kunde bygga en helt digital pulsvågssynteziser med midi in, audio ut och en rad med strömbrytare som skulle visa om vågen skulle vara till eller från under tidsperioden. Jag tänkte mig då en pulsvåg med upplösningen 8 eller 16 för att det skulle vara praktiskt användbart.

Min bror hjälpte mig att skriva ihop ett enkelt program för att kunna experimentera i datorn innan för att se om man kunde få ut nåt vettigt av det. Men det visade sig vara svårare än vad jag trodde och ljuden man fick fram lät mer eller mindre likadant. Till sist satt jag med 64 i upplösning och istället för bara två steg; 1 och 0, så hade jag tre steg; 1, 0 och -1. Först då började det bli nåt vettigt.

Visst var det svårt att använda men om man tänker på instrument som använder pulsvåg är det väldigt minneseffektiv sätt att spara instrument. Min upplösning på 64 i tre nivåsteg hade kunnat ersättas med en upplösning på 128 och två steg (1 som 1, -1 som 0 och 0 simulerat genom växling av 1 och 0). Och 128 bitars minnesutrymme för ett instrument är ju verkligen inte mycket, även om det är svårt att skapa från grunden.

Pulsvåg med negativ pulsvåg som försöker efterlikna en sinusvåg

Men mitt experimenterande var inte förgäves eftersom lärde mig förstå hur ljud från digitala ljudenheter som datorer eller mp3-spelare genererar ljud. När det gäller CD-ljud så ljudet en samplingfrekvens på 441ooHz och en bit-upplösning på 16bitar. Vad som då står beskrivet i ljudfilen är var högtalarmembranet ska befinna sig vid vilken tid. Samplinsfrekvensen är hur ofta membranets position ska uppdateras, alltså var 1/44100-dels sekund. Under den här lilla stunden ska datorn visa var membranet ska befinna sig med en noggrannhet på 16-bitar, dvs 2¹⁶ = 65536 steg. Hur som helst så skickar en krets genom 16 ben (en för varje bit) via en resistorstege (som fungerar som en inverterad spänningsdelare). Nackdelen med denna metod är att det är svårt att få exakt värde då skillnaden mellan den minsta och största steget i spänningsstegen teoretiskt är 1 till 32768, men med resistorer som inte är mycket exaktare än 1% är denna metod inte exakt.

En annan modernare och enklare metod är att klämma in en binär sekvens på 65536 under den här 1/44100-dels sekunden för att sedan mata signalen genom ett lågpassfilter, alltså nästan exakt samma sak som jag beskrev med leksakssyntharna. Skillnaden är att vi är har ett konstant binärt flöde av (65536*44100) drygt 2,89GHz (jämfört med leksakssynthens ungefärliga 32kHz), vilket givetvis kräver enormt mycket av hårdvaran. Men o andra sidan ger denna metod en mycket exaktare signal än med förra metoden

Uhhja... Nä känner jag att jag tjatat alldeles för mycket om pulsvågor, men jag hoppas ändå att jag har lyckats roa nån där ute. Det är inte jätteintressant, men eftersom det används överallt är det ändå lite fascinerande med att man kan skapa så pass mycket endast med till och från.