1.6.2 Интегральные микросхемы предназначенные для усиления

электрических сигналов

1.6.2.1 Усилители класса d

Рассмотренные ранее усилители относятся к так называемым устройствам преобразования непрерывного сигнала. В них управление током нагрузки

осу­ществляется транзисторами, работающими в активной области выходных

характеристик, в режимах класса А, В или АВ. Известно, что даже теоретически при максимальной амплитуде синусоидального выходного сигнала коэффици­ент полезного действия (КПД) усилителя класса А с емкостной или непосредст­венной связями не превышает 25%, а класса В — 78.5%. Реально, в особенности при неоптимальных нагрузках, КПД этих усилителей оказывается еще ниже. Как следствие такие усилители интенсивно выделяют тепло и для их нормаль­ной работы требуются громоздкие радиаторы или специальные системы прину­дительного охлаждения.

Значительно более высоким КПД (теоретически почти до 100%) обладают усилители класса D, у которых транзисторы, регулируя ток через нагрузку,

при­нимают только два состояния: «включено» — падение напряжения на транзи­сторе близко к нулю и «выключено» — ток через транзистор практически равен нулю. Переход из одного состояния в другое происходит очень быстро, практи­чески мгновенно. Непрерывное и плавное регулирование тока или напряжения нагрузки в широких пределах осуществляется тем или иным видом времяимпульсной модуляции (обычно частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) или широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)).

В усилителях же, которые должны усили­вать по мощности биполярные сигналы, изменяющиеся в широком динамиче­ском диапазоне, обычно используют ШИМ. Это объясняется тем, что в послед­нем случае частота модулированных импульсов выходного напряжения постоянна при любом изменении входного сигнала усилителя, а это обстоя­тельство позволяет сравнительно легко сгладить высокочастотные пульсации.

Виды широтно-импульсной модуляции. Как уже упоминалось, широтно-импульсная модуляция состоит в измене­нии ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоян­ной частотой (Рис1.83).

Рисунок 1.83- Последовательность импульсов, модулированных по ширине

178

Основным регулирующим фактором выступает относительная длительность

импульсов или коэффициент заполнения

γ = t_и / Т, ( 1.80 )

где Т – период следования импульсов.

Различают широтно-импульсную модуляцию первого рода (ШИМ-І) и широтно -

импульсную модуляцию второго рода (ШИМ-II). При ШИМ-І длительность импульса

определяется по значению входного сигнала на начало периода. ШИМ-І

применяется в основном в цифроаналоговых систе­мах. В усилителях класса D

используется ШИМ-II. В этом случае положение регулируемого фронта импульса

определяется текущим значением входного сигнала. Уравнение модуляции при

ШИМ-II имеет вид

γ_п = f [Т(n +γ_п )] , ( 1.81)

Структурная схема широтно-импульсного модулято­ра приведена на рисунке 1.84.

Рисунок 1.84 – Структурная схема широтно – импульсного модулятора (ШИМ )

Принцип работы иодулятора ШИМ заключается в следующем. ГОН – генератор опорного напряжения вырабатывает треугольную форму сигнала, который поступает инвертирующий вход компаратора DA. На второй неинвертирующий вход компаратора поступает входной сигнал. В нашем примере этот сигнал имеет линейную форму. Когда входной сигнал больше сигнала опорного, на выходе компаратора вырабатывается прямоугольный импульс. Длительность этого импульса зависит от уровня входного сигнала.

Уравнение при линейном опорном напряжении имеет вид

U_опрγ_п = U_вх [Т(n +γ_п )] , ( 1.82)

179

Рисунок 1.85 – Двухсторонняя широтно – импульсная модуляция при

первом уровне сигнала ( а) и при втором уровне сигнала ( б)

Если входной сигнал медленно изменяется, приближенно можно записать формулу

γ(t ) ≈ U_вх (t ) / U_опр. ( 1.83 )

Для двухсторонней ШИМ требуется треугольное ( желательно равностороннее ) опорное напряжение ( рисунок 1.85 ). Двухсторонняя ШИМ обладает более высоким быстродействием, чем одностороння, поэтому её применяют чаще.

Схемотехника выходных каскадов усилителей класса D. На практике нашли применение две схемы выходных каскадов: полумостовая и мостовая. Чаще на практике применяется мостовая схема оконечного каскада, схема которая приведена на рисунке 1.87.

Рисунок 1.86- Временные диаграммы при передачи биполярного сигнала :

а –разнополярная ШИМ, б – однополярная ШИМ

180

Принцип работы мостовой схемы заключается в следующем. Транзисторы одного из полумостов, например, VT₁ и VT₂ открываются поочерёдно в зависимости от полярности входного напряжения ( рисунок 1.87 ), т.е. они как бы задают знак выходного напряжения. Два других транзисторов VT₃ и VT₄ также поочерёдно переключаясь, но с большей частотой, осуществляют собственно широтно – импульсную модуляцию.

Рисунок 1.87 - Мостовая схема оконечного каскада усилителя класса D

При постоянном открытом транзисторе VT₁, а VT₃ модулирует питающее напряжение Е. Пока ток нагрузки i_н отрицателен, он протекает постоянно через диод VD₁ . Когда транзистор VT₃ открыт, ток нагрузки протекает через него. При этом нагрузка оказывается замкнутой почти накоротко открытым диодом VD₁ и транзистором VT₃. Напряжение нагрузке практически равно нулю.

При закрытом транзисторе VT₃ открывается диод VD₄ и к нагрузке подключается напряжение Е отрицательной полярности. Ток протекает от

+ Е → VT₁→R_н→VD₄→Е. Ток нагрузки i_н начинает быстро снижаться по абсолютной величине.

Когда ток нагрузки i_н меняет направление, он начинает протекать через открытый на протяжении всего полупериода входного сигнала транзистор VT₁. При открытом транзисторе VT₄ ток течет через него, а когда он закрыт – через диод VD₄ , который вместе с транзистором VT₁ замыкает нагрузку и ток протекает накоротко.

Когда на входе отрицательное значение входного напряжения включается транзистор VT₂ и цикл повторяется.

При однополярной модуляции пульсации тока нагрузки заметно меньше, чем при разнополярной.

181

Дополнительный материал к лекции 12 для самостоятельной работы

Промышленные типы усилителей класса D

Усилители класса D выпускаются несколькими фирмами в виде монолит­ных и гибридных ИМС. Ведущее положение занимает, по-видимому, «Apex Microtechnology» (США), которая производит 15 моделей гибридных ШИМ-усилителей с мостовым и полумостовым выходом, рассчитанных на пи­тающие напряжения 40...500 В, с выходной мощностью 200 Вт...10 кВт. К но­винкам этой фирмы относятся усилители большой мощности промышленного назначения, имеющие частоту переключения 22 кГц. Выходные каскады этих усилителей выполнены на IGBT-транзисторах, обладающих большой перегру­зочной способностью. Примером может служить усилитель SA08, предназна­ченный для построения электропривода постоянного тока. Типовая схема включения этого усилителя приведена на рисунке 1.88.

Рисунок 1.88 - Типовая схема включения ШИМ – усилителя SA08

Эта схема представляет собой контур регулирования тока якоря двигателя постоянного тока, которая может быть непосредственно использована в каче­стве внутреннего контура в системе подчиненного регулирования скоростного или позиционного электропривода. Схема включает помимо собственно ШИМ-усилителя еще и два линейных ОУ, первый из которых (ОУ)) выполняет функцию интегрального регулятора тока, а второй (ОУ₂) формирует сигнал об­ратной связи по току якоря. Усилитель SA08 развивает мощность в нагрузке до 10 кВт при напряжении 500 В и КПД до 98%. Он выполнен в малогабаритном герметичном 12-выводном корпусе МО-127. Усилитель SA07 предназначен в основном для аудио- приложений. Его мостовой выходной каскад выполнен на МОП транзисторах, переключающихся с частотой 500 кГц. Этот усилитель способен отдать в нагрузку до 200 Вт при КПД до 94%. В состав микросхемы входит линейный ОУ, принимающий входной сигнал и сигнал обратной связи.

182

Фирма Texas Instruments производит около десятка моделей монолитных моно- и стереоусилителей класса D на мощности 1...10 ВТ. Это, например, стереоусилитель TPA2001D2 с мостовым выходом, развивающий на нагрузке 8 Ом мощность до 1 Вт, при напряжении питания 5 В и КПД до 85%. Частота переключения 200...300 кГц. Модуляция — однополярная. Усилитель размещен в миниатюрном 24-выводном корпусе TSSOP с размерами 4.5x8x1.2 мм. Другой пример— стереоусилитель TPA032D04 мощностью 2x10 Вт, также с мостовым выходом, работающий на частотах переключения 100...500 кГц. Усилитель выпускается в 48-выводном корпусе TSSOP с размерами 6x12x1.2 мм. В состав микросхемы входит также 2-канальный аналоговый усилитель для головных телефонов.

Фирма National Semiconductor предлагает усилитель класса D на двух ИМС: LM4651, содержащей все основные узлы ШИМ - усилителя, в том числе и драй­веры выходного каскада, и LM4652, включающей мостовой выходной каскад на МОП-транзисторах и датчик температуры. Усилитель развивает мощность 170 Вт с КПД = 85% при напряжении питания ±20 В и частоте коммутации 125...145 кГц.

Существенный недостаток усилителей класса D , это создание ими высокого уровня помех в цепях питания.

Программируемые операционные усилители. Общее понимание программируемых ОУ (ПОУ) включа­ет:

• Дискретное изменение коэффициента передачи за счет коммутации Л_ос по десятичному или двоичному закону.

• Включение или выключение высокоимпедансного состоя­ния на выходе ОУ для снижения энергопотребления.

• Переключение коммутатора на входе/выходе ОУ в много­канальных усилителях, АЦП/ЦАП и т. п.

Напротив, идея ПОУ состоит в том, чтобы дать разработчику возможность перестроить характеристики ОУ под конкретное применение (т. е. чтобы оптимизировать характеристики для конкретных условий).

Обычно ОУ широкого применения представляют собой комп­ромисс характеристик по постоянному и переменному току. Улучшение одних характеристик, как правило, ухудшает дру­гие. Рассмотрим простейший дифференциальный каскад (рисунок 1.66) на согласованной дифпаре VT₁ и VT₂. Как известно, режим работы дифкаскада зависит от тока I₀. В частности, по­казано, что таким образом, если управлять током I₀, то можно в доста­точно широких пределах перестраивать характеристики ОУ. Подобная идея и была реализована в первом отечественном ПОУ 140УД12. Для этого в ОУ выводится наружу точка А, а I₀ задается различными способами, в простейшем случае с помо­щью диода VD и резистора R₁ (рисунок 1.89). Подбирая резистор R₁ перестраиваем ток I₀₁ и характеристики ОУ. Диод VD использу­ется в качестве защиты от переполюсовки питания. Более ка­чественные источники управляющего тока I₀ можно

сформиро­вать на эмиттерном (VT₁) и истоковом (VT₂) повторителях (рисунок 1.89).

183

Рисунок 1.89 – Программируемый операционный усилитель

выполненный на микросхеме 140 УД12.

Применение ПОУ позволяет :

- существенно уменьшить номенклатуру применяемых ОУ при построении

аппаратуры ;

- минимизировать шумовые составляющие в выходном сигнале путем

согласования R_вх ОУ с R_вых датчика ;

- с помощью ПОУ можно создавать схемы с уникальными характеристиками.

Токоразностные усилители ( усилители Нортома ). Токоразностные усилители (ТОУ ) спроектированы специально для однополярного питания и используются в основном для усиления сигналов переменного тока. В отличие от классических ОУ они усиливают не дифференциальную разность напряжений, а разность входных токов.

Рисунок 1.90 - Входные и выходные каскады ТОУ

184

ТОУ ( рисунок 1.90 ) имеет два токовых входа : (I_- ,I₊ ) с дифференциальной парой транзисторов VT₁ ,VT₂ , включенных по схеме токового зеркала. Следовательно, транзисторы находятся в одинаковых режимах и I_к2 = I₊ . Тогда параметры схемы равны :

I_б3 = I_- - I₊ = ∆I_вх , (1.84 )

∆U_к3 = ∆I _вх· R_к ·β , ( 1.85)

U_вых = ∆I _вх· R_к ·β ·m . (1.86)

где m - коэффициент передачи промежуточных каскадов ОУ ,

β - коэффициент передачи тока базы транзистора.

Таким образом усиливается разность входных токов ∆I _вх . Условное обозначение ТОУ приведено на рисунке 1.91

Рисунок 1.91 - Условное обозначение ТОУ

Этот усилитель схемотехнически проще, чем классическая, следовательно, степень интеграции выше, а стоимость ниже. Серийные ТОУ содержат 4 ОУ в одном корпусе.

Электрические параметры ТОУ по постоянному току имеет следующие данные :

К_о › 3· 10⁴ , I_з ≈ 10 …100 мкА , f_т ≈ 2,5 …3,5 МГц ,

U_см≈ 5…10 мВ , Е = 3…30 В

Основная схема включения ТОУ – инвертирующий усилитель по переменному току ( рисунок 1.91).В инвертирующем включении ТОУ любое приращение входного тока во входной цепи может компенсироваться только по цепи ОС, т.е.

∆I_вх = ∆I_ос , ( 1.87 )

185

∆U_вых = ∆I_ос·R_ос , ( 1.88)

∆U_вх = ∆I_вх ·R₁ . ( 1.89)

Следовательно, коэффициент передачи такой схемы в полосе пропускания совпадает с классическим выражением :

К_обр. = - R_ос / R ₁ . ( 1.90 )

Режим работы входных каскадов ТОУ задается зеркальным током

I_з = ( Е - U_БЭ ) / R₃ , ( 1.91 )

Для того чтобы рассчитать ток I_ос , необходимо задать рабочую точку выходного каскада. В большинстве случаев рабочая точка выходного каскада для обеспечения максимального динамического диапазона по выходу ( +Е /2 ) задается в середине диапазона питания U_вых0 = Е/2. Тогда

I_ос = ( Е/2 – U_БЭ ) / R_ос . ( 1.92 )

Учитывая приведенные соотношения, получим :

R_ос ≈ 0,5 R₃ , ( 1.93 )

Рисунок 1.92 – Инвертирующее включение ТОУ

186

Вопросы для самопроверки

1 Поясните классификацию усилителей на ИМС по их функциональному

назначению.

2 Какие требования предъявляются к построению усилителей в интегральном

исполнении ?

3 Какие способы включения усилительных элементов применяются в

каскадах предварительного усиления в ИМС ?

4 Поясните особенности построения мощных выходных каскадов ИМС.

5 Для чего в усилителях на ИМС применяются каскодные схемы ?

6 Какие факторы ограничивают КПД усилителя класса D ?

7 Какой тип модуляции применяется в усилителях класса D ?

8 Укажите преимущества и недостатки мостовой схемы выходного каскада

усилителя класса D по сравнению с полумостовой.

9 В чем преимущество ШИМ по сравнению с ЧИМ ?

10 Какая форма напряжения применяется в двухсторонней ШИМ ?

11 Какая модуляция ШИМ применяется в мостовой схеме оконечного

усилителя класса D ?

12 Какая модуляция ШИМ применяется в полумостовой схеме оконечного

каскада усилителя класса D ?

13 При какой модуляции пульсация тока нагрузки наименьшая ?

14 На какую мощность изготовляются усилители класса D ?

Примеры задач до темы лекции 12

Задача 1

Необходимо рассчитать все компоненты инвертиру­ющей схемы ТОУ при

Е = +5 В, R_H = 10 кОм, К_обр = 20, f_н > 100 Гц, U_бэ = 0,7 В. Рекомендуемый по паспорту ТОУ зеркальный ток I₃ = 5…100 мкА.

Решение :

1 С учетом рисунок 1.92 и нагрузочной способности предыдуще­го каскада

задаемся зеркальным током, например, выбираем I₃ = 10 мкА.

2 Рассчитываем резистор R₃

R₃ = ( Е - U_БЭ ) / I₃ ,

R₃ = ( 5 -0,7 ) / 10 ·10^-6 = 430 кОм

Выбираем по ГОСТу R₃ = 430 кОм.

Мощность резистора R₃ равна

Р _R3 = I₃² · R₃ ,

Р _R3 = ( 10 ·10^-6 )² ·430 10³ = 0,4 10^-4 Вт.

Выбираем стандартное значение R₃ - С2-34- 0,125 -430 кОм ±0,5 %.

187

3 При U_вых = Е/2 рассчитываем R_ос ,

R_ос = ( U_ВЫХ0 - U_бэ ) / I_з ,

R_ос = ( 2,5 – 0,7 ) / 10 10^-6 =180 кОм

Выбираем по ГОСТу R_ос = 180 кОм.

Мощность резистора R_ос равна

Р _Rос = I₃² · R_ос ,

Р _Rос = ( 10 ·10^-6 )² ·180· 10³ = 0,18· 10^-4 Вт.

Выбираем стандартное значение R_ос - С2-34- 0,125 -180 кОм ± 0,5 %

4 Определяем величину резистора R₁ ,

R₁ = R_ос / К_ос ,

R₁ = 180 · 10³ / 20 = 9,0 кОм.

Выбираем по ГОСТу R₁ = 9,1 кОм.

Мощность резистора R₁ равна

Р _R1 = I₃² · R₁ ,

Р _R1 = ( 10 ·10^-6 )² ·9· 10³ = 0,091 · 10^-4 Вт.

Выбираем стандартное значение R₁ - С2-34- 0,125 -9,1 кОм ± 0,5 %

5 Определяем разделительную ёмкость для входной цепи С₁

τ₁ = С₁ ·R₁ = 1/ (2π·f_н ) ,

С₁> 1 / 2·π· f_н ·R₁ ,

С₁ > 1/ 2 ·3.14·100 ·9 10³ = 0,15 мкФ.

Выбираем стандартное значение конденсатора С₁ = 0,15 мкФ

К71- 4 – 0,15мкФ ± 2%.

6 Определяем аналогично разделительную ёмкость С_вых ,

τ₂ = С_вых ·R_н = 1/ (2π·f_н ) ,

С_вых> 1 / 2·π· f_н ·R_н ,

188

С_вых > 1/ 2 ·3.14·100 ·10·10³ = 0,15 мкФ.

Выбираем стандартное значение конденсатора С_вых = 0,15 мкФ

К71- 4 – 0,15мкФ ± 2%.

Задача 2

Определите коэффициент заполнения в широтно – импульсной модуляции, если частота следования прямоугольных импульсов f = 20 кГц, а длительность импульсов равна t_и = 3 мкс.

Решение :

1 Определяем период следования импульсов

Т = 1 / f ,

Т = 1 / 20 ·10³ = 0,05 мс

2 Определяем коэффициент заполнения

γ = t_и /Т ,

γ = 3 ·10^-6 / 50·10^-6 = 0,06.

Задача 3

Скважность S импульсов можно регулировать двумя способами : либо изменением длительности импульса t_и = 2 мс при постоянном периоде Т = 10 мс

( ШИМ ), либо изменением периода Т при постоянстве длительности импульса t_и ( ЧИМ ). Определите основные параметры импульсов.

Решение :

1 Определяем скважность импульсов

S = Т /t_и ,

S = 10 ·10^-3 / 2 ·10^-3 = 5

2 Определяем коэффициент заполнения

γ = t_и /Т ,

γ = 2 ·10^-3 / 10·10^-3 = 0,2

3 Определяем частоту первой гармоники f₁

189

f₁ = 1 / Т ,

f₁ = 1/ 10 10^-3 = 100 Гц.

Получается спектр дискретный с расстоянием между гармониками составляет

∆f = 100 Гц.

Задачи для самостоятельной работы

1 Определите коэффициент заполнения в широтно – импульсной модуляции, если частота следования прямоугольных импульсов f = 40 кГц, а длительность импульсов равна t_и = 5 мкс.

2 Скважность S импульсов можно регулировать двумя способами : либо изменением длительности импульса t_и = 5 мкс при постоянном периоде

Т = 20 мкс ( ШИМ ), либо изменением периода Т при постоянстве длительности импульса t_и ( ЧИМ ). Определите основные параметры импульсов.

3 Необходимо рассчитать все компоненты инвертиру­ющей схемы ТОУ при

Е = +10 В, R_H = 50 кОм, К_обр = 40, f_н > 20 Гц, U_бэ = 0,7 В. Рекомендуемый по паспорту ТОУ зеркальный ток I₃ = 10 мкА.

Литература

1 Гольцев В.Р., Богун В.Д., Хиленко В.И. Электронные усилители -М.:

Стандарты, 1990. с.213..223.

2 Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б.

Топильский.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 232с – с.86..92.

3 Волович Г.И. Схемотехника аналоговіх и аналого-цифровіх єлектронніх

устройств. 2-е изд., испр. – М .: Издательский дом « Додєка- ХХ1», 2007,-

528с. - с. 178...185

190

Лекция 13

Экспресс - проверка знаний пройденного материал :

1 Нарисовать мостовую схему оконечного каскада усилителя класса D

2 Нарисовать структурную схему широтно – импульсного модулятора (ШИМ )

3 Нарисовать двухстороннию широтно – импульсную модуляцию при

первом уровне сигнала ( а) и при втором уровне сигнала ( б)

После изучения лекции 13 студент должен знать: основные характеристики и методику измерения основных параметров усилителя

Уметь: определить реальные характеристики и параметры и установить соответствие их действительных значений нормативным при заданных условиях эксплуатации и уметь нарисовать схемы соединения для измерения основных параметров усилителя

План ( логика ) изложения материала