Главная Контакт Ссылки
Мощный масштабный усилитель постоянного тока Версия для печати
Написал Данилов А. А.   
вторник, 23 Сентябрь 2003

Описан масштабный усилитель с выходной мощностью 50 Вт при нагрузке 4 Ом, обеспечивающий уровень паразитных спектральных составляющих, обусловленных интермодуляцией, не более — 80 дБ в полосе частот до 20 кГц, полосу пропускания 1 МГц, скорость нарастания выходного напряжения 100 В/мкс и векторную погрешность 0,1% на частоте 20 кГц при коэффициенте передачи 5 В/В.

Для проведения электроакустических, электромеханических и других экспериментальных исследований часто требуются мощные масштабные усилители постоянного тока, обеспечивающие максимально возможную линейность амплитудной, частотной и фазовой характеристик в диапазоне частот до 20 кГц. А также минимальный уровень паразитных спектральных составляющих при обработке сложных сигналов. Большое значение имеет и время установления выходного напряжения с заданной погрешностью от установившегося значения, если ток нагрузки изменяется скачкообразно или входное напряжение усилителя носит импульсный характер.

На основании проведенных исследований [1, 2] можно утверждать, что основной проблемой, возникающей при построении мощных масштабных усилителей повышенной точности, является подавление интермодуляционных искажений, которые определяются присутствием в выходном сигнале усилителя паразитных спектральных составляющих — продуктов перемножения сигналов, а также их гармоник.

По природе возникновения интермодуляционные искажения можно условно подразделить на следующие:

  1. тепловые;
  2. обусловленные нелинейностью амплитудной характеристики разомкнутого (т. е. без ООС) усилителя;
  3. связанные с нарушением условия динамической линейности [3] замкнутого (т. е. охваченного ООС) усилителя.

Если выполняется условие динамической линейности

Vm >=2π×Uвых макс׃ср.ООС

где Vm — скорость нарастания выходного напряжения, Uвых макс — максимальное выходное напряжение, ƒср.ООС — частота среза усилителя по основному контуру ООС, то значение паразитной спектральной составляющей в выходном сигнале усилителя с выходным каскадом, работающим в классе В или АВ, можно оценить при помощи следующего выражения:

Up˜2πƒUвых×(U0+2IнR э )/Vm×(Kiooc+1)

где Uвых — выходное напряжение, U0 — зона нечувствительности, f — частота входного синусоидального сигнала, Kiooc — глубина ООС. на данной частоте, Iн — амплитуда тока нагрузки, R э — эквивалентное сопротивление в цепи эмиттера мощного транзистора.

Если условие динамической линейности не выполняется, то при оценке глубину ООС в знаменателе вышеприведенного выражения следует положить равной нулю.

Кроме того, интермодуляция второго типа возникает в следующих случаях:

  1. во входном дифференциальном каскаде усилителя, который (для биполярных транзисторов) имеет нелинейную передаточную характеристику кубического типа [1];
  2. при реализации усилителя по схеме с последовательной ООС из-за нелинейной зависимости коэффициента ослабления синфазного сигнала от синфазного напряжения и частоты сигнала;
  3. в любом каскаде усиления напряжения, так как модуляция тока коллектора при изменении напряжения на переходе имеет в первом приближении кубический характер, а емкость коллекторного перехода зависит от напряжения на нем в степени ½

В высоковольтных (предоконечных) каскадах усиления напряжения эти явления усугубляются тепловой инерционностью транзисторов [1, 2], а также появлением соответствующего ей дополнительного фазового сдвига на частотах 40 - 150 Гц.

Тепловые явления особенно ярко проявляются при исследовании переходных процессов в масштабных усилителях постоянного тока (любой мощности), так как они вызывают значительное (в 5 - 10 раз по сравнению с расчетным значением) затягивание времени установления в зоне погрешностей менее 1 % от установившегося значения выходного напряжения. Установлено, что при реализации оптимальной для мощного масштабного усилителя «двухполюсной» амплитудно-частотной характеристики (а.ч.х.) время установления выходного напряжения с погрешностью 1% от установившегося значения не должно превышать 5ƒ-1ср.ООС при отсутствии колебательности и резких изломов переходной характеристики (перерегулирование определяется указанной формойАЧХ).

В результате исследований выработаны следующие практические рекомендации по построению мощных масштабных усилителей повышенной точности, позволяющие при их учете минимизировать уровень паразитных спект­ральных составляющих, обусловленных интермодуляцией. А также реализовать приемлемое значение времени установления усилителя в зоне малых погрешностей: для мощного масштабного усилителя наиболее целесообразной является инвертирующая структурная схема с параллельным высокочастотным каналом усиления [4]; так как любые изменения напряжения питания усилителя являются для каскадов усиления напряжения паразитным синфазным сигналом, следует максимально подавить их воздействие при помощи стабилизирующих и фильтрующих элементов во всех токозадающих цецях: все усилительные каскады и генераторы тока необходимо строить по каскадным схемам.

С учетом изложенных соображений и рекомендаций было реализовано несколько вариантов мощных масштабных усилителей. Параметры усилителя типа У МВТ 50-84 следующие:

номинальное выходное напряжение, В ±20;
номинальное активное сопротивление нагрузки, Ом 4;
полоса пропускания, МГц 1;
полоса пропускания при номинальной выходной мощности, кГц 100;
скорость нарастания выходного напряжения (измеренная на импульсном сигнале со скважностью 5), В/мкс 100;
время установления выходного напряжения 10 В с погрешностью 1 % от установившегося значения, мкс 2;
векторная погрешность на частоте 20 кГц при выходной мощности 27 Вт не более, % 0,1;
уровень паразитных спектральных составляющих всех видов не более, дБ  —80;
коэффициенты гармонических и интермодуляционных искажений, % <0,01;
коэффициент передачи, примерно, В/В 5;
приведенное ко входу напряжение шума от пика до пика в полосе 0,01 - 10 кГц, мкВ 50;

статические параметры усилителя определяются микросхемой К153УД2.

Усилитель УМВТ 50-84, схема которого при­ведена на рисунке, реализован по схеме с параллельным высокочастотным каналом усиления. Высокочастотный канал выполнен с использованием двух последовательно вклю­ченных широкополосных повторителей напряжения: истокового (Т1) и эмиттерного (Т2). Низкое выходное сопротивление этого канала необходимо для обеспечения быстрого перезаряда емкостей в точках суммирования сигналов параллельных каналов (базы транзисторов Т5 и Т9), а следовательно, и высокой скорости нарастания. Конденсаторы С6 и С7 обеспечивают развязку параллельных каналов по постоянному току.

Низкочастотный канал реализован на операционном усилителе (ОУ) М1 и транзисторах T3, T4, включенных по схеме с общей базой. Подстроечным конденсатором в цепи коррекции ОУ устанавливается максимально возможная глубина ООС всего усилителя на частоте 20 кГц, но при этом время установления должно удовлетворять приведенному выше соотношению. Размах выходного напряжения М1 не превышает 0,5 В на частоте 20 кГц при номинальной выходной мощности усилителя, поэтому ограничения по скорости нарастания выходного напряжения ОУ не происходит. Стабилизация М1 по постоянному току обеспечивается общей параллельной ООС усилителя через резистор R2. Напряжение смещения и дрейф усилителя полностью определяются соответствующими параметрами М1 так как ток затвора Т1 более чем на порядок меньше входного тока данного ОУ.

Фазовый сдвиг, вносимый М1 на высоких частотах, компенсируется высокочастотным каналом усиления, поэтому АЧХ усилителя в районе частоты среза определяется в основном параметрами единственного широкополосного каскада усиления напряжения (T5,T6, T8,T9), что позволило реализовать необходимый запас устойчивости усилителя и высокое значение частоты среза по основному контуру ООС. Высоковольтный усилитель напряжения выполнен по каскодной схеме, что обеспечило значительный коэффициент усиления (>103) в широкой полосе частот и подавление интермодуляции. Конденсатор С12 совместно с емкостями коллектор — база транзисторов T6, T8, входной емкостью усилителя тока, а также форсирующей цепью R5, С3 в высокочастотном канале формирует АЧХ усилителя на высоких частотах.

В цепи питания каскадов усиления напряжения включены достаточно эффективные пассивные фильтры и параметрические стабилизаторы напряжения для высокочастотного канала, ОУ и для фиксации напряжения на базах T3, T4. Низкочастотные пульсации в цепи питания высоковольтного каскада не подавляются фильтрами, но они не приводят к изменению рабочего тока (а следовательно, к появлению интермодуляции), так как режим работы каскада стабилизирован низкочастотным каналом усиления.

Выходной усилитель тока (T10 - Т11) реализован по классической схеме. Начальный ток выходных транзисторов (<50 мА) устанавливается переменным резистором R19. При работе на нагрузку с емкостной составляющей > 300 пФ последовательно с выходом усилителя необходимо включать разделительный дроссель (10 - 30 мкГн), зашунтированный резистором 5 - 20 Ом. Транзисторы T12  , T13 снабжены теплоотводами площадью 20 см2, а T14, Т15 — 800 см2. Усилитель выполнен на печатной плате из стеклотекстолита размером 160 х 100 мм2. Применение гетинакса или текстолита недопустимо ввиду неудовлетворительных диэлектрических свойств этих материалов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Данилов А. А., Полонников Д. Е. Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. М.: Радио и связь, 1983. Вып. 7. С. 101.
  2. Лихницкий А. М. Опыт, результаты, проблемы: повышение конкурентоспособности радиоэлектронной аппаратуры. Таллин: Валгус, 1985. Вып. 3. С. 66.
  3. Данилов А. А., Полонников Д. Е. Автоматика и телемеханика. 1982. № 10. С. 159.
  4. Полонников Д. Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехннка. М.: Энергоатомпздат, 1983.

Институт проблем управления, Москва
Поступила в редакцию 14.IX.1987

< Пред.   След. >
up Главная | Новости | Усилители мощности | Предусилители | Акустика | Источники сигнала | FAQ | Форум | Карта сайта up
 

Mambo is Free Software released under the GNU/GPL License.