Проектирование операционных усилителей и усилителей низкой частоты (УНЧ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

В подавляющем большинстве случаев при проектировании УНЧ используется классическая трёхкаскадная схема, на основе которой реализуются операционные усилители (рис. 3.1). Часто операционные усилители (ОУ) используются для построения УНЧ, для чего к ОУ добавляется внешний усилитель тока. Кроме того, по аналогии с ОУ, изготавливаемыми в интегральном исполнении, разрабатываются и УНЧ на дискретных элементах, полностью повторяющие структуру ОУ, но допускающие большую токовую нагрузку выходных каскадов. На основании приведенных соображений можно говорить об идентичности принципов проектирования операционных усилителей и УНЧ.

Рис. 3.1. Классическая схема операционного усилителя

Операционные усилители должны обеспечивать значительный коэффициент усиления по сравнению с однокаскадными усилителями напряжения. Наиболее распространенная схема интегрального операционного усилителя представлена на рис. 3.1. Усилитель содержит три каскада: входной дифференциальный усилитель напряжения, усилитель напряжения на составном транзисторе, выходной комплементарный эмиттерный повторитель. усилитель биполярный транзистор холтон

Входной дифференциальный каскад выполнен на транзисторах ,. Токи коллекторов задаются источником тока , ток которого распределяется между транзисторами каскада. Транзистор нагружен источником тока на транзисторе , который вместе с транзистором образует схему токового зеркала. Эмиттеры транзисторов токового зеркала подключены к выводам микросхемы, и, таким образом, используя внешние потенциометры, можно регулировать ток плеч дифференциального каскада. Применение дифференциального каскада позволяет решить проблему термостабильности входного каскада, поскольку усиление синфазного сигнала, каким является увеличение коллекторного тока обоих транзисторов дифференциального каскада, стремится к нулю. Кроме того, учитывая, что дифференциальный каскад усиливает разность входных сигналов, на один из его входов крайне удобно заводить сигнал общей ООС. Выходной ток входного каскада определяется как разность токов коллекторов транзисторов и , которая равна двум токам базы транзисторов токового зеркала. Для обеспечения высокого входного сопротивления ток коллектора транзисторов дифференциального каскада задается относительно малой величины (десятки микроампер).

Каскад усиления напряжения, который в приведенной схеме также можно назвать предоконечным, выполнен на составном транзисторе , , позволяющем уменьшить входной ток каскада. Нагрузкой каскада является источник тока , два диода, включенные в цепь коллектора, обеспечивают начальное смещение оконечного каскада. Оконечный каскад для повышения КПД часто строится по схеме общий коллектор на комплементарной паре транзисторов. Оконечный каскад осуществляет усиление по току подведенного к нему сигнала, повторяя его величину напряжения, другими словами, оконечный каскад осуществляет преобразование сопротивлений.

Приведенная на рис. 3.2 схема отличается от схемы рис. 3.1, рассмотренной ранее, тем, что идеальные источники тока заменены реальными источниками тока на транзисторах. Кроме того, несколько отличаются структуры каскадов. В отличие от схемы рис. 3.1, предоконечный каскад выполнен на одном транзисторе , нагрузкой которого служит токовое зеркало на транзисторах ,. Оконечный каскад построен на составных комплементарных транзисторах , и ,, которые охвачены цепочками , и ,. Резисторы этих цепочек предназначены для ускорения процесса рассасывания заряда с баз транзисторов, что приводит к уменьшению времени запирания транзисторов. Кроме того, величиной и можно варьировать уровень сигнала, при котором открываются транзисторы ,. Начальное смещение выставляется транзистором , - терморезистор, благодаря которому увеличивается термостабильность оконечного каскада.

Рис. 3.2. Принципиальная схема усилителя мощности на 50 Вт

На рис. 3.3 представлена схема УНЧ с выходным каскадом на полевых транзисторах с изолированным затвором. Применение полевых транзисторов, обладающих большей линейностью и температурной стабильностью, позволяет существенно упростить схему. Поскольку входное сопротивление полевых транзисторов достигает значительной величины, то согласование с оконечным каскадом выполняется существенно проще, чем в случае с биполярными транзисторами. Две входные цепочки , и , ограничивают полосу усиливаемых частот снизу и сверху. Особенностью данной схемы является применение вместо обычного предоконечного каскада по схеме общий эмиттер второго дифференциального каскада, нагруженного на токовое зеркало на транзисторах ,. Выходной каскад - комплементарный истоковый повторитель ,. Поскольку сопротивление канала у полевых транзисторов составляет доли Ома, то для защиты от сквозных токов вводятся истоковые сопротивления ,, ограничивающие ток стока и выполняющие роль местной ООС. Начальное смещение задается подстроечным резистором . Во входном дифференциальном каскаде ток задается источником тока на транзисторах , с обвязкой. Подстроечным резистором выравниваются токи через плечи каскада. Цепь ,,, - общая ООС. Параллельное включение двух конденсаторов в цепочке ООС обусловлено паразитной индуктивностью электролитических конденсаторов, обладающих большой ёмкостью. Для устранения влияния индуктивного сопротивления на высоких частотах производится шунтирование конденсатором другого типа (например, пленочного) малой ёмкости.

Рис. 3.3. Схема усилителя мощности с истоковым повторителем

В схеме, изображенной на рис. 3.4, выходной каскад работает в классе А, при котором рабочая точка располагается в наиболее линейной области ВАХ транзистора. Нагрузка подключена между каскадом в классе А на транзисторах ,, и источником тока , ,,. В момент отсутствия сигнала через каскад протекает некий ток покоя, который по величине равен току источника тока, т.е. ток в нагрузке отсутствует. При увеличении напряжения на базе транзистора его ток коллектора увеличивается, что приводит к увеличению падения напряжения на коллекторном сопротивлении , т.е. увеличивается напряжение транзисторов ,, следствием является увеличение их коллекторных токов. Часть тока, превышающая ток ИТ, начинает течь в нагрузку. Когда напряжение на базе транзистора уменьшается относительно величины покоя, транзистор начинает закрываться, это приводит к уменьшению его тока коллектора, т.е. уменьшается падение напряжения на сопротивлении . Как следствие, транзисторы , частично запираются и суммарный ток каскада уменьшается. Это приводит к тому, что недостающий ток ИТ берет из земли через нагрузку, вызывая на ней соответствующее величине тока падение напряжения. Рассмотрим принцип работы источника тока. Высокая стабильность тока обусловливается применением следящей схемы на транзисторе . Ток, протекающий через транзисторы ,,, вызывает падение напряжения на сопротивлении . При увеличении тока падение напряжения на нем увеличивается, приводя к увеличению базового напряжения на транзисторе . Коллекторный ток увеличивается, увеличивая падение напряжения на сопротивлении , т.е. уменьшая , следовательно, ток коллектора уменьшается, приводя к уменьшению падения напряжения на коллекторном сопротивлении , что, в свою очередь, приводит к уменьшению транзисторов , и уменьшению их коллекторных токов, т.е. наблюдается эффект самостабилизации. Поскольку сопротивление ИТ много больше сопротивления нагрузки, ток каскада не влияет на величину тока ИТ.

Рис. 3.4. Схема усилителя мощности 20 Вт, класс А фирмы Elliott Sound Products

В схеме на рис. 3.5 особенностью является применение в качестве нагрузки дифференциального каскада токового зеркала на транзисторах ,, после чего следует усилитель напряжения, включенный через эмиттерный повторитель на транзисторе . Применение эмиттерного повторителя позволяет обеспечить согласование по току входного каскада и каскада усиления напряжения. Начальное смещение оконечного каскада устанавливается с помощью подстроечного резистора, цепочка D1…D4 служит для ограничения размаха выходного сигнала на затворах выходных транзисторов. Принцип действия объединенного источника тока входного дифференциального каскада и каскада усиления напряжения, выполненного на транзисторах , , , аналогичен рассмотренному ранее.

Рис. 3.5. Схема усилителя мощности ESP P 101

Рис. 3.6. Схема усилителя MJR-DC9

В схеме, представленной на рис. 3.6, в качестве входного каскада используется каскодная схема на полевых транзисторах ,, обладающих огромным входным сопротивлением. Входное сопротивление усилителя определяется цепочкой ,,. Применение каскодной схемы позволяет существенно расширить полосу рабочих частот и, как следствие, увеличить эффективность ООС на высоких частотах. Входной каскад нагружен каскадом общая база на , после чего сигнал подается на каскад усиления напряжения, выполненный по каскодной схеме на транзисторах ,,, причем на транзисторах , собран составной транзистор по комплементарной схеме Дарлингтона, сопротивление - местная ООС по току. Ток каскада задается источником тока на транзисторе с дополнительными цепочками стабилизации. Смещение выходного комплементарного каскада на полевых транзисторах устанавливается при помощи подстроечного резистора . Общая ООС заводится на исток транзистора , сигнал ООС - синфазный с входным сигналом.

На рис. 3.7 приведена схема усилителя мощности, позволяющая получить в нагрузке 300 Вт. В качестве особенностей схемы можно отметить применение четырех пар комплементарных МДП транзисторов в оконечном каскаде …. Ток распределяется между парами транзисторов, тем самым уменьшается величина токовой нагрузки на каждую отдельную пару транзисторов. Этот прием позволяет использовать более доступные усилительные приборы и уменьшить тепловые искажения. В качестве входного каскада применяется дифференциальный каскад на каскодах, потенциал баз транзисторов , фиксируется стабилитроном . Обратная связь заводится в источники тока входного дифференциального каскада и каскада усиления напряжения.

На рис. 3.8 представлена схема серийного усилителя Pioneer M22K. Поясним принцип работы оконечного каскада …. При малом уровне сигнала работают транзисторы ,. В моменты времени, когда сигнал вызывает падение напряжения на резисторах , большее, чем 0,6 В, открываются транзисторы ….

На рис. 3.9 показана полностью симметричная схема усилителя мощностью 360 Вт. Выходной каскад включает шесть пар комплементарных МДП транзисторов …. Каскад усиления напряжения выполнен по каскодной схеме на транзисторах ….

В схеме на рис. 3.10 реализована полностью симметричная схема усиления на биполярных транзисторах. Все каскады двухтактные. Входные дифференциальные каскады построены с использованием каскодной схемы, причем транзисторы по схеме ОЭ составные. Каскад усиления напряжения (, ) подключается через эмиттерные повторители на транзисторах ,. В оконечном каскаде в зависимости от уровня сигнала работает разное число транзисторов, при малом сигнале - только комплементарная пара транзисторов , . В моменты, когда напряжение на сопротивлениях , превышает 0,65 В, добавляется пара транзисторов ,. В случае, когда сигнал достигает таких значений, что на сопротивлениях , падение напряжения более 0,65 В, открываются транзисторы ….

Рис. 3.7. Схема Энтони Холтона (выходная мощность 300 Вт)

Рис. 3.8. Схема Pioneer M22K

Рис. 3.9. Схема Эдвина Пайя мощностью 360 Вт

Рис. 3.10. Принципиальная схема усилителя мощности, обеспечивающая в нагрузке 200 Вт при k _Г менее 0,05 %

В схеме на рис. 3.11 помимо каскада усиления напряжения в классе А на транзисторе применяется дополнительный каскад, работающий в классе АВ на транзисторах , , который формирует управляющее напряжение для оконечного каскада на полевых транзисторах ,. Напряжение смещения в двухтактном каскаде усиления напряжения формируется цепочкой , , . Сопротивление - местная токовая ООС.

Рис. 3.11. Схема усилителя мощности (патент США 4241313 от 23.12.1980)

Размещено на Allbest.ru