El NE5532 , también vendido como SA5532, SE5532 y NG5532 (comúnmente llamado solo 5532) es un amplificador operacional ( amplificador operacional ) dual monolítico, bipolar , compensado internamente para aplicaciones de audio introducido por Signetics en 1979. El 5532 y el TL072 contemporáneo fueron los primeros amplificadores operacionales que superaron a los circuitos discretos de clase A en aplicaciones de audio profesionales . Debido al bajo nivel de ruido y la muy baja distorsión , el 5532 se convirtió en el estándar de la industria para audio profesional . [1] [2] Según Douglas Self, "probablemente no haya música en el planeta que no haya pasado por cien o más 5532 en su camino hacia el consumidor". [3] El rendimiento del 5532 siguió siendo el mejor de su clase durante casi treinta años, hasta la introducción del LM4562 en 2007. [4] A partir de 2021, el 5532 permanece en producción en masa como un producto genérico.
A diferencia de muchos otros amplificadores operacionales de bajo costo, el 5532 existe solo en una forma dual, disponible en paquetes PDIP , SO y SOIC de 8 pines . El sencillo 5534, así como el doble 5533 discontinuado, no está completamente compensado y, por lo tanto, es inestable a la ganancia unitaria; el 5534 tiene menor densidad de ruido que el 5532, pero por lo demás es similar.
Construcción y operación
El 5532 es completamente bipolar, con la excepción de un único JFET dentro de un generador de polarización . Aunque los fabricantes no dieron a conocer una explicación de primera mano de su funcionamiento, el esquema ha sido público durante décadas. [5] La ruta de la señal consta de dos etapas diferenciales consecutivas, una etapa de amplificación de voltaje de emisor común de un solo extremo y un seguidor de salida push-pull de clase B con una protección de sobrecarga con detección de corriente. [6] Hay cuatro condensadores de compensación internos. [6] La "firma" de distorsión (es decir, la ausencia virtual de ella) del 5532 se define en gran parte por los tres bucles de compensación de frecuencia anidados envueltos alrededor de la segunda y tercera etapas. [6]
Requisitos de entrada
La etapa de entrada utiliza transistores npn , por lo que las corrientes de polarización de entrada fluyen hacia sus bases y provocan una caída de voltaje negativa a través de la resistencia de tierra a entrada. [7] Una corriente de polarización típica de 200 nA que fluye a través de una resistencia típica de 47 kOhm, por ejemplo, provocará una caída de voltaje de 10 mV. [8] Estos cambios bastante estables en los puntos operativos no suelen ser motivo de preocupación. Si es posible, los diseñadores de audio les permitirían acumular en varias etapas y luego bloquear la compensación de CC acumulada con un solo condensador de salida. [9] Es posible que no se permita que las corrientes de polarización fluyan a través de los potenciómetros , ya que provocan un crujido excesivo cuando se mueven los limpiaparabrisas. [10]
Las entradas del 5532 están protegidas con diodos adosados clasificados para corrientes de hasta 10 mA; estos pueden abrirse durante los transitorios rápidos de la señal de entrada y causar una fuerte distorsión de salida. [11] [10] El 5532 está diseñado para operación lineal solamente, y no debe usarse como comparador , ni debe someterse a grandes voltajes de entrada diferenciales. [10]
Un 5532 típico que opera desde rieles de suministro de ± 15 V conserva la linealidad siempre que los voltajes de entrada permanezcan dentro del rango de ± 13 V. Cuando el voltaje de modo común excede +13 V o desciende por debajo de -13 V, el 5532 se engancha pero permanece operativo mientras cualquiera de las entradas permanezca dentro de los voltajes de la fuente de alimentación. La sobremarcha de entrada no causa inversión de fase de salida que es común al amplificador operacional TL072. [12]
Requisitos de suministro de energía
El 5532 se destaca entre los amplificadores operacionales de audio por tener un voltaje de suministro máximo absoluto inusualmente alto de 44 V (en comparación con los 36 V más comunes). [13] En la práctica, cada uno de los dos amplificadores consume una corriente de suministro bastante alta de 4–5 mA, y el paquete de plástico se calienta apreciablemente con un voltaje de suministro de 34 V. [14] Según Douglas Self, el uso de fuentes de alimentación de más de 34 V es potencialmente inseguro y ciertamente incompatible con la mayoría de los otros amplificadores operacionales. [13]
El 5532 es sensible al desacoplamiento de CA de la fuente de alimentación; la falta de desacoplamiento conduce a una oscilación errática de alta frecuencia interna que no se propaga directamente a la salida, pero causa una distorsión aparente. [10] Un solo condensador de alta calidad de 0,1 μF , conectado a través de los pines de la fuente de alimentación y muy cerca de ellos, normalmente es suficiente para evitar tales oscilaciones. [5] Los fabricantes recomiendan utilizar dos de estos condensadores, conectados entre cada pin de la fuente de alimentación y la tierra; según Douglas Self, esto no es necesario y, a veces, no es deseable debido a los riesgos de inyectar corrientes de ruido en la tierra de la señal. [5]
Distorsión
El 5532 alcanza la distorsión armónica total (THD) más baja en una configuración inversora (shunt-feedback) con ganancia moderada y niveles de señal moderados, donde la THD no supera el 0,0005% en todo el espectro de frecuencias de audio. [15] Las impedancias de fuente alta inyectan ruido térmico adicional , pero no afectan la THD del amplificador inversor. [16] El aumento del nivel de salida a 10 V no afecta el rendimiento a través de la mayor parte de la frecuencia de audio, excepto en la octava por encima de 10 kHz donde la distorsión armónica total aumenta a 0,001%. [16] A modo de comparación, el μA741 clásico puede ofrecer una distorsión armónica total nominal de 0,001% solo en frecuencias inferiores a 100 Hz; por encima de la marca de 100 Hz, la THD aumenta continuamente, alcanzando el 1% alrededor de los 20 kHz. [17]
En la configuración no inversora (retroalimentación en serie) impulsada con una fuente de baja impedancia, el 5532 muestra una leve distorsión en modo común . [18] Esta forma de distorsión es más prominente en la ganancia unitaria, pero incluso allí la THD permanece por debajo del 0,002% siempre que la impedancia de la fuente no supere los 2 kOhmios. [19] El "punto óptimo" informado se encuentra alrededor de una impedancia de fuente de 1 kOhmio, aunque esto puede depender del fabricante. [19] A medida que las impedancias de la fuente aumentan a 10 kOhm y más, el rendimiento del 5532 empeora radicalmente. [20] La distorsión ahora está dominada por componentes que son proporcionales al cuadrado del voltaje de la señal en modo común. [20] En el peor de los casos, la THD puede superar el 0,02% en el extremo de los agudos del rango de audio. [20]
Ruido
El 5532, como todos los amplificadores operacionales de entrada bipolar, tiene densidades significativas de ruido de corriente y voltaje , típicamente 5 nV /Hz y 0,7 pA /Hz, respectivamente, a 1 kHz. [21] Incluso teniendo en cuenta el aumento de la densidad de ruido a frecuencias más bajas , el ruido de voltaje y el ruido de corriente en el ancho de banda de audio de 20 kHz no superan 1 μV y 100 pA, respectivamente. Se supone que los tres componentes de ruido (ruido de voltaje diferencial referido a entradas, corriente de entrada inversora y corriente de entrada no inversora) no están correlacionados entre sí. [21] En realidad, existe cierta correlación, pero su efecto es insignificante. [21]
Las densidades de corriente y ruido de los OP27 y OP270 de entrada bipolar mucho más costosos, así como del 5534, son sólo unos 2-3 dB inferiores. [21] El LM4562 tiene la mitad del ruido de voltaje del 5532, pero más del doble de ruido actual. [21] Los dispositivos de entrada FET tienen densidades de ruido de voltaje mucho más altas pero ruido de corriente prácticamente inexistente [22] El LT1028 de ruido extremadamente bajo es nominalmente 15 dB más silencioso que el 5532, pero por lo demás no es adecuado para aplicaciones de audio. [23] La elección del "amplificador operacional de menor ruido" depende en última instancia de qué forma de ruido, ruido de voltaje o ruido de corriente, sea más crítico en una aplicación específica. [22]
NE5534
El amplificador operacional único 5534 es esquemáticamente idéntico a la mitad del 5532, con valores marginalmente diferentes de los condensadores de compensación internos. Sin embargo, la diferencia es lo suficientemente grande como para descompensar el amplificador. El 5534 es estable solo con una ganancia de lazo cerrado de 3 y más. En consecuencia, la velocidad de respuesta es mayor, normalmente 13 V / μs en comparación con los 9 V / μs del 5532; la frecuencia de cruce de ganancia unitaria también es más alta, alrededor de 30–50 MHz. [24] El ancho de banda de ganancia unitaria de 10 MHz, igual que para el 5532, se cotiza para un amplificador totalmente compensado (lo que implica el uso de un condensador de compensación externo). Las densidades de ruido referidas a la entrada son marginalmente más bajas. En aplicaciones prácticas, particularmente en consolas de audio profesionales grandes, estas ventajas no eran tan importantes como lo era la complejidad añadida, por lo que el 5534 único no tuvo tanto uso como el 5532 dual. El tercer IC de la familia, el 5533 dual descompensado, ha ha sido descontinuado durante mucho tiempo.
Para la estabilidad de ganancia unitaria, el 5534 requiere un condensador de compensación externo de al menos 22 pF para el circuito no inversor y 11 pF o más para el circuito inversor. [24] La compensación disminuye inevitablemente la velocidad de respuesta, comprometiendo la respuesta a los transitorios rápidos de la señal. Esto no es importante en los equipos de audio, donde la velocidad de respuesta teórica en el peor de los casos con la oscilación máxima de salida apenas supera los 2 V / μs. [25] En aplicaciones más exigentes, la estabilidad y la alta velocidad de respuesta pueden mantenerse simultáneamente con la ayuda de una red RC de adelanto-retraso entre las entradas del 5534. [24] La frecuencia de esquina de la red de adelanto-retraso se selecciona normalmente en alrededor de 3-5 MHz, una década por debajo de la frecuencia de cruce de ganancia unitaria. [26] El condensador de compensación regular debe permanecer, pero su valor puede reducirse con seguridad a 3 pF con ganancia unitaria. [26]
Notas
- ^ Self 2010 , págs.95, 115.
- ^ Músico electrónico . Empresa editorial de polifonía. 1993. p. 51.
- ↑ Self 2010 , p. 117.
- ^ Self 2010 , págs.121, 123.
- ↑ a b c Self 2010 , p. 120.
- ^ a b c Self 2010 , págs. 120-121.
- ^ Self 2010 , págs.99, 117, 119.
- ^ Self 2010 , págs.99, 119.
- ↑ Self 2010 , p. 99.
- ↑ a b c d Self 2010 , p. 119.
- ^ Signetics 1987 , p. 6.53.
- ^ Self 2010 , págs. 117-118.
- ↑ a b Self 2010 , págs. 525.
- ↑ Self 2010 , p. 119, 525.
- ↑ Self 2010 , p. 104.
- ↑ a b Self 2010 , p. 105.
- ↑ Self 2010 , p. 118.
- ↑ Self 2010 , p. 106.
- ↑ a b Self 2010 , págs. 106-107.
- ↑ a b c Self 2010 , p. 107.
- ↑ a b c d e Self 2010 , p. 96.
- ↑ a b Self 2010 , p. 97.
- ↑ Self 2010 , p. 23.
- ↑ a b c Signetics 1987 , p. 6.54.
- ↑ Self 2010 , p. 103.
- ↑ a b Signetics , 1987 , p. 6.55.
Referencias
- Signetics (1987). "SE / NE5532 / 553A. Amplificador operacional dual de bajo ruido compensado internamente". En Harry Helms (ed.). Dispositivos IC lineales: Libro de consulta de 1987 (PDF) . Technipubs / Prentice Hall. ISBN 9780135369135.
- Yo, Douglas (2010). Diseño de audio de pequeña señal . Newnes. ISBN 9780240521770.
- Yo, Douglas. "Amplificadores operacionales en diseño de audio de pequeña señal - Parte 1: Historia del amplificador operacional, propiedades" . EETimes . Aspencore . Consultado el 17 de enero de 2021 .
- Yo, Douglas. "Amplificadores operacionales en diseño de audio de pequeña señal - Parte 2: Distorsión en amplificadores operacionales de entrada bipolar y JFET" . EETimes . Aspencore . Consultado el 17 de enero de 2021 .
- Yo, Douglas. "Amplificadores operacionales en diseño de audio de pequeña señal - Parte 3: Selección del amplificador operacional correcto" . EETimes . Aspencore . Consultado el 17 de enero de 2021 .