Главная Контакт Ссылки
ОУ в усилителях мощности Версия для печати
Написал Н. Дмитриев, Н. Феофилактов   
понедельник, 19 Январь 2004

Операционные усилители (ОУ) широко используются в усилительных устройствах. Однако применение их ограничено в основном каскадами предварительного усиления. Вызвано это тем, что ОУ среднего класса отдают в нагрузку не более 150 мВт и для увеличения выходной мощности приходится использовать мощные выходные каскады с большим количеством дискретных элементов. В предлагаемой вниманию читателей статье рассматриваются особенности работы ОУ с мощными усилительными каскадами на дискретных элементах.

Рис. 1
Рис. 1
 
Рис. 2
Рис. 2
 
Рис. 3
Рис. 3

В усилителях с низкоомной нагрузкой (например, головные телефоны) к выходу ОУ обычно подключают двухтактный усилительный каскад на биполярных транзисторах, работающий в режиме В (рис. 1) или АВ (рис. 2). Особенности таких каскадов общеизвестны. Первый характеризуется хорошей термостабильностью, но весьма существенно искажает сигналы малого уровня (искажения типа «ступенька»). Второй работает в линейном режиме (благодаря начальному смещению на базах транзисторов), однако для поддержания необходимой температурной стабильности тока покоя требует введения дополнительных термочувствительных элементов (VD1, VD2).

Указанных недостатков нет у каскада, показанного на рис. 3 [1], в котором используется необычный способ управления работой транзисторов VT1, VT2 по цепям питания ОУ. Сопротивления резисторов R1 и R2 можно определить так [1]: R1 = R2 = Uсм/Iпотр, где Uсм -рекомендуемое начальное напряжение смещения выходных транзисторов, равное 0,4 В, Iпотр — приводимое в справочниках типовое (либо измеренное для конкретного ОУ) значение тока потребления ОУ. При таком напряжении смещения выходные транзисторы в отсутствие сигнала закрыты и при небольшом сигнале весь выходной ток протекает через ОУ. В результате температурная стабильность такого устройства приближается к стабильности каскада, работающего в режиме В, и в то же время в нем отсутствуют свойственные этому режиму искажения малого сигнала, иными словами, рассмотренный усилитель обладает преимуществами усилителей, собранных по схемам на рис. 1 и 2, и не имеет их недостатков. В то же время коллекторы транзисторов VT1, VT2 этого устройства соединены с выходом ОУ, поэтому амплитуда выходного сигнала не превышает максимального напряжения на выходе ОУ. равного обычно 11... 13 В. Отделив выход ОУ от коллекторов транзисторов, амплитуду выходного напряжения можно увеличить до 14... 14.5 В (что меньше напряжения питания на величину напряжения насыщения транзисторов). Принципиальная схема такого усилителя приведена на рис. 4. Его коэффициент усиления — 10, амплитуда выходного напряжения на нагрузке сопротивлением 150 Ом и 10 кОм — соответственно 12 и 14 В, скорость нарастания выходного сигнала — 2,5 В/мкс (Rн = 150 Ом). Резисторы R7. R8, создающие начальное напряжение смещения (0,5 ..0,6 В) на базах транзисторов, уменьшают искажения типа «ступенька». Резистор R5 выполняет функции нагрузки ОУ DA1. Сопротивление его выбирают небольшим (50... 500 Ом), поскольку необходимый для «раскачки» выходных транзисторов ток протекает через этот резистор при небольшой амплитуде выходного напряжения ОУ. Резисторы R9, R10 создают небольшую местную отрицательную обратную связь (ООС), снижающую влияние разброса характеристик транзисторов на параметры выходного каскада. При этом; однако, из-за падения напряжения на резисторах снижается максимальное выходное напряжение.

Рис. 4
Рис. 4
 
Рис. 5
Рис. 5
 
Рис. 6
Рис. 6

Принцип управления выходными транзисторами по цепям питания можно применить и в усилителях с более высоким напряжением питания (рис. 5). Включенные в цепи питания ОУ транзисторы VT1, VT2 обеспечивают эффективную фильтрацию и стабилизацию напряжения питания ОУ (оно равно напряжению пробоя стабилитронов VD1, VD2 за вычетом падения напряжения на эмиттерных переходах транзисторов). Кроме того, через эти транзисторы, включенные по схеме ОБ. управляющий ток поступает в цепи баз транзисторов VT3. VT4 выходного каскада.

Еще один пример построения усилителя с высоким питающим напряжением показан на рис 6 [2]. Его коэффициент усиления — 10, амплитуда выходного напряжения — 29,5 В, максимальная выходная мощность — 11 Вт, коэффициент гармоник — 0,4 %, полоса пропускания по мощности — 30 кГц. Величину напряжения питания ОУ задают делители R1R2 и R5R6. Частотную коррекцию усилителя осуществляют конденсаторы C1, С2. Высокая линейность усилителя гарантируется при равенстве сопротивлений резисторов R7 и R8 и подборе транзисторов VT3, VT4 с близкими параметрами (параметры транзисторов VT1, VT2 на величину нелинейных искажений существенного влияния не оказывают). Недостаток усилителя — зависимость напряжения питания ОУ от стабильности общего питающего напряжения. Поэтому, если используется нестабилизированный источник, резисторы R2, R5 лучше заменить стабилитронами (см. рис. 5).

С учетом вышеизложенного был разработан мощный усилитель ЗЧ (рис. 7). Его входное напряжение — 1 В, выходная мощность — 50 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом, коэффициент гармоник — 0,15%, скорость нарастания выходного напряжения — 7 В/мкс. В усилителе использован принцип температурной стабилизации тока покоя выходных транзисторов при помощи обратной связи по току, предложенный в [3]. Элементы R6, R10, R12—R15, С2—С4 предотвращают самовозбуждение.

рис. 7
рис. 7

Усилители на ОУ, содержащие выходные каскады усиления по напряжению, имеют одну примечательную особенность. Известно, что скорость нарастания выходного напряжения прямо пропорциональна его амплитуде [4], а поскольку последняя в К раз (К — коэффициент усиления выходного каскада) больше амплитуды напряжения на выходе ОУ, то и скорость его нарастания в К раз превышает скорость нарастания напряжения на выходе ОУ. Казалось бы, что повышения скорости нарастания выходного напряжения можно достигнуть, увеличивая коэффициент усиления каскада, однако делать это можно только до вполне определенной величины, пока сохраняется устойчивость усилителя.

рис. 8
рис. 8

Поясним сказанное примером расчета максимально допустимого коэффициента усиления по напряжению выходного каскада, собранного по схеме, показанной на рис. 4. С этой целью построим диаграмму Боде (рис. 8) при замкнутых накоротко резисторах R9 и R10. Начнем с АЧХ ОУ с разомкнутой цепью ООС (Коу). Первый полюс этой характеристики находится на частоте f'= =fгр. оу/Kоу(0), где frp. оу и Коу(0) -соответственно граничная частота пропускания ОУ и коэффициент его усиления по постоянному току (для К544УД1Б — 1 МГц и 86 дБ). Подставив эти значения в приведенную формулу, получим, что f'=50 Гц, т. е. до этой частоты АЧХ ОУ горизонтальна, а далее, как и у всякого ОУ с внутренней коррекцией, имеет наклон 20 дБ на декаду. Второй полюс АЧХ ОУ лежит ниже осн частот и в паспортных данных не приводится. Однако известно, что у хорошо спроектированных ОУ второй полюс АЧХ должен находиться, по крайней мере, на 6 дБ ниже уровня 0 дБ. Исходя из этого условия, находим частоту второго полюса АЧХ К544УД1Б: f''=2fгр. оу = 2 МГц.

Чтобы построить АЧХ выходного каскада усилителя, необходимо определить полосу его пропускания, ограниченную частотными свойствами транзисторов: f''' = fгр.тр/h21Э где frp.тр - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме ОЭ, h21Э — коэффициент передачи тока. Для транзистора КТ3102А эти параметры равны соответственно 150 МГц и 175 (среднее значение), а для КТ3107Б — 300 МГц и 170. Таким образом, полоса пропускания в первом случае равна 0,85 а во втором — 1,75 МГц. За полосу пропускания выходного каскада принимаем наименьшее значение 0,85 МГц. Итак, суммарная АЧХ Ку усилителя с разомкнутой петлей ООС горизонтальна до 50 Гц. затем падает с крутизной 20 дБ на декаду до 0,85 МГц. 40 дБ — на декаду до 2 МГц и 60 дБ — на декаду выше этой частоты.

Коэффициент усиления по напряжению усилителя с замкнутой петлей ООС Куос= I + R6/R2 = 10(20 дБ). Согласно теории устойчивости усилителя с замкнутой цепью ООС горизонтальный участок его АЧХ должен пересекать АЧХ усилителя с разомкнутой ООС несколько выше точки стыка участков с крутизной спада 20 и 40 дБ на декаду (точка К). Если это условие выполняется, то по известным значениям частот f', f" и f''' нетрудно построить АЧХ усилителя с разомкнутой цепью ООС. АЧХ выходного каскада Квых находим графически, вычитая ординаты АЧХ ОУ (Коу) из ординат АЧХ усилителя с разомкнутой цепью ООС (Ку). Последняя характеристика (Квых) позволяет сделать вывод, что максимально допустимое усиление выходного каскада составляет 18,5 дБ. Если же оно превышает эту величину, то усилитель будет самовозбуждаться, и в этом случае придется вводить частотную коррекцию и выходном каскаде (С2, рис. 6) или в цепи ООС (С1, рис. 4). сужающую его полосу пропускания.

Расширить полосу пропускания выходного каскада можно, либо выбрал транзисторы с большой граничной частотой или с небольшим коэффициентом передачи тока, либо введя местную ООС путем включения резисторов в эмиттерные цепи транзисторов (см. рис. 4, R9, R10). Последний способ более целесообразен, поскольку, наряду с расширением полосы пропускания выходного каскада, снижает влияние разброса характеристик используемых транзисторов на его параметры.

На рис. 9 показана схема усилителя, спроектированного с учетом указанных выше требований. Его коэффициент усиления — 10, амплитуда и скорость нарастания выходного напряжения — соответственно 13,5 В и 60 В/мкс. Коэффициент усиления выходного каскада (VT1' VT2', VT1 и VT2) Kвых= 1 + R9/R7=28 (29 дБ). Для расширения полосы пропускания в эмиттерные цени транзисторов выходного каскада включены резисторы R10, R11, создающие местную ООС.

рис. 9
рис. 9

Все вышесказанное справедливо для усилителей с активной нагрузкой. В случае емкостной нагрузки на диаграмме Боде появляется дополнительный полюс (на частоте f""=1/2πRвыхCн где Rвых — выходное сопротивление усилителя с разомкнутой цепью ООС. Сн — емкость нагрузки). Может оказаться, что частота f"" будет меньше f" и f''' и в этом случае нарушатся условия устойчивости усилителя. Для устранения самовозбуждения подбирают конденсатор в цепи ООС для каждой фиксированной емкостной нагрузки. Процедура эта весьма длительная, поэтому гораздо проще отделить емкость нагрузки от выхода усилителя с помощью резистора (5|. Схема такого усилителя показана на рис. 10. Функции разделительного выполняет резистор R13. Коэффициент усиления усилителя — 10, амплитуда выходного напряжения — 12,5 В. скорость нарастания — 30 В/мкс. Переходная характеристика, хотя и имеет выброс 5... 10 %, однако ее форма не меняется при изменении емкости нагрузки в пределах от 10 до 500 нФ. Существенный недостаток этого способа — уменьшение максимальной амплитуды выходного сигнала из-за падения напряжения на резисторе R13.

рис. 10
рис. 10

Детали. Высокое быстродействие рассмотренных усилительных устройств требует применения высокочастотных транзисторов с хорошими нагрузочными способностями. Их граничная частота должна быть выше 100...150 МГц максимальный коллекторный ток — не ниже 100 мА, допустимое напряжение коллектор — эмиттер — не менее 30 В (из транзисторов структуры n-р-n подойдут КТ315, КТ3102, КТ3117; р-n-р — KT313, KT361, КТ3107, КТ3108). Для снижения нелинейности и улучшения симметрии выходного каскада целесообразно использовать комплементарные пары транзисторов с близкими параметрами, например, серий КТ315 и КТ361, KT3102A и КТ3107Б. Эти же транзисторы подойдут для замены зарубежных приборов VT1, VT2 в усилительном устройстве по схеме на рис. 6. В качестве выходных (VT3, VT4) здесь можно попытаться применить транзисторы КТ626А—КТ626В и КТ635Б с коэффициентом передачи тока h21Э > 150.

В усилителе по схеме на рис. 7 составные транзисторы VT5VT7 и VT6VT8 можно заменить соответственно на КТ827А, КТ827Б и КТ825Г, КТ825Д, причем резистор R18 следует в этом случае исключить. Катушку L1 (35 витков провода ПЭЛ 0,1) наматывают на резисторе R22 (С5-5).

Серьезное внимание следует уделить выбору ОУ. Крутизна спада его АЧХ должна быть равна 20 дБ на декаду, включая и участок ниже 0 дБ. Поскольку сведений об этом участке в справочниках не приводится, то в отсутствии второго полюса АЧХ можно убедиться косвенно, по приводимым иногда фазочастотным характеристикам (ОУ имеют второй полюс на частоте, где фазовый сдвиг достигает 180°). В описанных выше устройствах могут работать микросхемы, имеющие минимальный фазовый сдвиг на граничной частоте Из быстродействующих ОУ лучше всего использовать К544УД2 с внутренней частотной коррекцией (выводы 1 и 8 замкнуты). К574УД1 относится к ОУ с частичной коррекцией, и его АЧХ имеет второй полюс выше оси 0 дБ на частоте около 5 МГц, поэтому его можно применять в устройствах с усилением не менее 20... 30 дБ. ОУ К140УД2. К140УД10 использовать в рассмотренных усилителях нельзя, как необладающие необходимым запасом устойчивости.

При конструировании быстродействующих усилителей большое внимание приходится уделять борьбе с помехами и наводками. Известно, что длинные провода питания обладают заметной индуктивностью и сопротивлением, из-за чего на выводах питания усилителей наблюдаются значительные всплески напряжения. Для борьбы с этим явлением уже при длине провода около 20 см необходимо шунтировать выводы питания оксидными конденсаторами емкостью 0,5... 10 мкФ (желательно танталовыми К52-16. K53-1. К53-18 и т. п.). Стремиться увеличивать их емкость без необходимости не следует, поскольку оксидные танталовые конденсаторы емкостью 1 мкФ имеют резонансную частоту всего несколько МГц. При увеличении емкости частота понижается, что ухудшает фильтрацию высокочастотных помех Исключением являются мощные усилители ЗЧ: емкость применяемых в них развязывающих конденсаторов может быть увеличена на один — два порядка.

Налаживание. Налаживание рассмотренных устройств покажем на примере усилителя, собранного но схеме на рис. 9. Начинают его с балансировки усилителя. Для этого резистор R8 временно заменяют цепью из последовательно соединенных постоянного (10... 30 кОм) и подстроечного (22... 100 кОм) резисторов. Установив движок последнего в положение максимального сопротивления, подстроечным резистором R5 добиваются нулевого напряжения на выходе усилителя при отсутствии сигнала. Напряжение контролируют при отключенной нагрузке авометром или осциллографом с открытым входом. Ток покоя выходных транзисторов (в пределах 0.5... 2 мА) устанавливают подстроечным резистором временной цепи и контролируют по падению напряжения на резисторе R10 или R11. После этого устанавливают резистор R8 нужного сопротивления, подключают к выходу усилителя нагрузку и параллельно ей осциллограф.

Подав на вход прямоугольные импульсы, подбирают конденсатор С1 до получения на нагрузке импульсов с минимальными выбросами и без чрезмерного затягивания фронтов. При регулировке необходимо учесть входную емкость осциллографа, составляющую обычно 15... 100 пФ, и на эту величину уменьшить эквивалентную емкость нагрузки.

Налаживание мощного усилителя (см. рис. 7) сводится к установке тока покоя выходных транзисторов в пределах 30... 70 мА подстроечным резистором R7.

Следует иметь в виду, что качество налаживания зависит и от используемых для этой цели приборов. Например, в процессе экспериментов выяснилось, что генератор Г5-54 вырабатывает не строго прямоугольные импульсы, а осциллографы С1-67, С1-72 вносят заметные искажения в исследуемый сигнал. В результате часто трудно решить, отражает ли наблюдаемый на экране осциллографе переходный процесс динамические свойства усилителей или связан с колебательными характеристиками измерительных приборов. На переходный процесс влияют и другие причины: паразитная связь между входом и выходом усилителя, помехи, проникающие по цепям его питания и общему проводу. Поэтому следует помнить о необходимости включения развязывающих конденсаторов даже при питании усилителя от стабилизированного источника. Рекомендуется также соединять все общие провода приборов н блоков питания в одной точке, увеличивать сечение «земляных» шин, свивать попарно длинные провода, самому экспериментатору заземляться через резистор сопротивлением около 1 МОм.

Рассмотренные усилители могут быть применены в самых различных устройствах. Так, усилители, собранные но схемам, приведенным на рис. 4 и рис. 9. могут заменить довольно дефицитный ОУ К157УД1 и быть использованы в генераторах стирания и подмагничивания. В генераторах питания электродвигателей магнитофонов и ЭПУ могут работать усилители, схемы которых показаны на рис. 6 и рис. 7. Практически все предложенные устройства можно использовать в качестве маломощных усилителей ЗЧ. Если нагрузкой служат динамические телефоны ТДС, рекомендуется использовать усилитель, собранный по схеме на рис. 9, имеющий высокую линейность вследствие охвата выходного каскада цепью местной ООС. При работе на эквивалентные емкостной нагрузке пьезоэлектрические телефоны (например, ТПС-1) целесообразно воспользоваться усилителем, собранным по схеме на рис. 5. в котором следует подобрать емкость конденсатора в цепи ООС и ввести в выходной каскад элементы стабилизации усиления.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Тнтце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.— М.: Мир, 1983. Электроника. 1973. № 3, с.
  2. Жбанов В. Высоколинейный термостабнльный усилитель НЧ.— Радио. 1983, № 10. с. 44—45.
  3. Алексенко А. Г., Коломбет Е. А., Стародув Г. И. Применение прецизионных аналоговых ИС— М.: Советское радио. 1980.
  4. Достал И. Операционные усилители.— М.: Мир. 1983.

Радио № 8 1986г.

< 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.