Усилители мощности

Странно выпускаемые интегральные ОУ имеют максимальный выходной ток I_вых.max не более 2-5 мА. Этот фактор ограничивает применение их в устройствах работающих на низкоомную нагрузку. Для увеличения нагрузочной способности схем усилетелей на ОУ используются выходные буферные усилители тока.

Для того, чтобы разведать источник сигнала, которым в данном случае является выход ОУ, и нагрузку, буферный (усилитель тока должен обладать высоким входным сопротивлением, достаточным усилением по току, чтобы обеспечить необходимую силу тока нагрузки и широкой полосой пропускания. Этим требованиям наиболее полно отвечают эмиттерные повторители.

Простейший способ увеличения нагрузочной способности ОУ – использование в качестве буферного усилителя простого эмиттерного повторителя (ЭП).

Т.к. сигнал ОС снимается с эммитера, следовательно ОС определяет низкое значение выходного напряжения независимо от падения напряжения U_?.

Недостаток схемы – использование в основном только для передачи однополярных сигналов, т.к. для обеспечения выходного сигнала обеих полярностей необходим повышенный полярный ток I₀ эмиттерного повторителя. В этом случае для уверенной передачи двухполярного выходного сигнала начальный ток I₀ должен быть больше амплитуды тока нагрузки I_н, что значительно снижает КПД ЭП и увеличивает мощность рассеиваемую на коллекторе транзистора.

Пример схемы для двухмерного сигнала.

Начальный ток ЭП задается резистором R₇. Если необходимо получить двухполярный сигнал с амплитудой I_н = 50 мА, то начальный ток I₀ должен быть не менее 55 мА, т.е. , чтоприводит к большой мощности рассеяния в режиме покоя (U_вх=0) как на транзисторе так и на резисторе R₇.

Максимальной выходной ток нагрузки I_н ограничивается максимально допустимым током коллектора I_к.max, коэффициентом усиления тока транзистора h_21Э, допустимой мощностью, рассеиваемой на коллекторе транзистора и максимально допустимым током ОУ I_вых.max.

Исходя из этого выбирается необходимый тип транзистора. Также необходимо учитывать, что допустимые напряжения U_кб должно быть не меньше напряжения питания ОУ (для одномерных сигналов) и не менее его удвоенного значения (для двумерных).- для одномерных сигналов,- для двумерных.

Резистор R₆ предназначен для снижения мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора. Его сопротивления выбирается из условия, чтобы при максимальном нагрузке напряжения между коллектором и базой транзистора превышало напряжение насыщения транзистора, но в в то же время было минимальным.

Для передачи двухполярных сигналов наилучшим образом подходят двухтактные эмиттерные повторители (импульсная пара), включенные на выход ОУ.

Применение двухполярного ЭП работающего в режиме В, т.е. без начального тока через транзисторы VT₁ и VT₂ приводит к увеличению нелинейных искажений, особенно на высоких частотах. Это связано с тем, что в диапазоне выходных напряжений ОУ от –0,7 до +0,7 В оба транзистора закрыты и внутри этой зоны выходной сигнал равен нулю. При замыкании петли ООС эта мертвая зона уменьшается в К раз (К – собственный коэффициент усиления ОУ). Т.к. К уменьшается с увеличением частоты входного сигнала, то эта зона будет увеличиваться. Также сказывается и конечная скорость нарастания выходного напряжения ОУ. Поэтому такая схема используется на низких частотах до 5 кГц в тех случаях, когда не предъявляются строгие требования к нелинейнымискажениям.

Указанную проблему можно решить с помощью двухтактного ЭП работающего в режиме АВ с начальным током I₀. I₀ задается при помощи цепочки R₆, VD₁, VD₂, R₇, определяющей смещение на базах транзисторов VT₁ и VT₂. Конденсаторы С₅ и С₆ формирующие, способствуют передаче крутых фронтов выходного сигнала ОУ.

Эмиттерные резисторы R₈ и R₉ обеспечивают температурную стабильность ЭП. Наличие усилителя мощности в цепи ООС увеличивает скорость нарастания выходного напряжения ОУ, т.к. ток ООС формируется не собственно выходным каскадом ОУ, а усилителем мощности.

Резисторы R₆ и R₇ выбираются так, чтобы обеспечивался необходимый базовый ток в выходных транзисторах при пиковых значениях выходного сигнала.

Пример: Пусть U_ип =15В, а нагрузка имеет сопротивлениеR_н= 8 Ом и мощность Р_н =2 Вт.

Тогда А. Для синусоидального сигнала.

Следовательно максимальное базовое напряжение составит В.

Пусть транзисторы имеют , тогда необходимый ток базы

Следовательно для получения базового тока I_б = 10 мА потребуется базовые резисторы с сопротивлением

Ом

Рассмотрим еще одну схему усилителя мощности, отличающуюся более высокой термостабилизацией.

В данной схеме эмиттерный повторитель выполнен на транзисторах VT₃ и VT₄ разных типов проводимости, эммитеры которых подключены к нагрузке, коллекторы – к соответствующим шинам питания. Транзисторы VT₁ и VT₂ выполняют роль источников тока. Напряжение на базах этих транзисторов задается при помощи диодов VD₃ и VD₄, питаемых стабильным током транзисторов VD₁ и VD₂, что также повышает термостабильность каскада.

Также для построения усилителей мощности исполььььзуются свойство ОУ изменять ток потребления в зависимости от тока нагрузки. Выходной каскад современных ОУ работает в режиме АВ или В и поэтому выходной ток ОУ в значительной степени определяет ток, потребляемый от соответствующего источника питания ( от положительного источника питания при вытекающем выходном токе и от отрицательного – при втекающем). Это дает возможность в качестве входного сигнала транзисторного каскада использовать напряжение пропорциональное току потребления ОУ.

Это свойство и использовано в данном усилителе. Выходной каскад построен нп транзисторах VT₃ и VT₄ и питается от напряжений 30 В, что обеспечивает увеличение выходной мощности. ТранзисторыVT₁ и VT₂ обеспечивают для ОУ стандартные напряжения питания 15 В. Резисторы включены в коллекторные цепи этих транзисторов, используются для получения напряжений, зависящих от токов потребления ОУ. Резистор сопротивлением 47 Ом, обеспечивает нужную зависимость этих токов от входного сигнала ОУ. Конденсатор, соединяющий выход ОУ с выходом транзисторного каскада (4700 пФ), предназначен для коррекции частотной характеристики усилителя. ТранзисторыVT₅ и VT₆ предохраняют каскад от выхода из строя при коротком замыкании в нагрузке. Увеличение выходного тока каскада приводит к увеличению падения напряжения на резисторах сопротивлением 1 Ом, присоединенных к эммитерам транзисторов VT₃ и VT₄. Вследствие этого транзисторы база-эмиттерные переходы VT₃ и VT₄, что препятствует дальнейшему увеличению коллекторных токов транзисторов VT₃ и VT_4.

Если схема должна работать с большими токами чем может обеспечить транзистор эмиттерного повторителя, то соединяют транзисторы по схеме Дарлингтона (составной транзистор).

Также используется схема соединения транзисторов для той же цепи по схеме ….

Эта схема применяется тогда, когда в выходных каскадах используются транзисторы одной полярности.