120

3.6. Микроэлектронные усилители мощности

Широкое распространение для усиления мощности, особенно в бытовой аппаратуре, получили аналоговые (усилительные) микросхемы. Такие микроэлектронные УМ, в отличие от рассмотренных ранее бестрансформаторных УМ, имеют в своём составе предварительные каскады и часто представляют собой единый усилитель низкой частоты (предварительный усилитель и выходной каскад), хотя их и называют усилителями мощности. Выходная мощность Рвых переменного тока таких УМ обычно не превышает 10  20 Вт. Ограничение выходной мощности обусловлено напряжением питания Е_п, не превышающим, как правило, 20 В, что, в свою очередь, ограничивает амплитуду напряжения U_m выходного сигнала (U_m < E_п). Ограничения накладываются и условиями теплоотвода.

Можно выделить два вида микроэлектронных УМ:

1. Специализированные ИС, ориентированные на определённый класс аппаратуры. В основном это теле-, радио-, аудио- и видеоаппаратура. Такие ИС, часто называемые УНЧ (или УЗЧ), ориентированы для работы в жестко заданных условиях: величины E_п, R_н, P_вых, U_вх, R_вх. Пример такого УМ будет рассмотрен подробно далее.

2. Усилители смешанного типа, когда выходной каскад УМ строится на мощных транзисторах по типу бестрансформаторного УМ (подраздел 2.5), а предварительный усилитель выполняется на базе универсального микроэлектронного усилителя – операционного усилителя (ОУ). Такой вариант является более гибким и позволяет разнообразить параметры УМ в соответствии с заданными техническими условиями. Однако величина выходной мощности P_вых усилителя этого вида тоже ограничена величиной напряжения питания ОУ, так как амплитуда входного сигнала оконечного каскада, работающего в режиме эмиттерного повторителя. Операционные усилители будут рассмотрены далее в главе “Усилители постоянного тока”. Различные варианты УМ и их расчёт подробно описаны в работе [9].

3.6.1. Усилитель к174ун7

Специализированные усилители первого вида имеются в разных сериях ИС. В табл. 3.2 приведены параметры некоторых типов таких УМ. Однако, как уже указывалось в подразделе 2.7, наиболее широко в высококачественной аппаратуре используются ИС серии К174. В этой серии имеется более десятка типов усилителей мощности низкой частоты, различающихся принципиальной схемой и параметрами. Значительная часть их представлена в табл. 3.2. Усилитель К174УН7 является средним по сложности принципиальной схемы и параметрам. Варианты узлов этого усилителя повторяются во многих других усилителях. Схема К174УН7 приведена на рис. 3.12.

Таблица 3.2

Тип микросхемы	Eп, В	Pвых, Вт	fн, Гц	fв, кГц	Kг, %	Rвх, кОм	Um вх, мВ	КПД, %	Iпотр (Uвх=0), мА
К174УН4А	9	1,7	30	20	2	10	-	50	10
К174УН5	15	4,5	40	20	2	50	60	50	20
К174УН7	12	2	30	20	1	10	-	-	30
К174УН9А	15	7	20	20	1	100	80	-	30
К174УН9Б	15	7	20	20	2	100	80	-	30
К174УН11	±17	15	20	20	1	100	250	-	<100
К174УН12 Управляемый	15	-	20	20	0,5	3000	40	-	10 - 80
К174УН14	15	5,5	30	20	10	70	40	-	50
К538УН3 Сверхмалошумный	16	-	0	3000	-	10	200	-	5

Рис. 3.12

Схема усилителя. Усилитель состоит из трёх каскадов: входного, предоконечного и оконечного. Сразу можно отметить большое количество транзисторов (что характерно для всех микросхем) по сравнению с усилителем на дискретных компонентах, показанный например, на рис. 3.9.

Входной каскад. Ативным (усилительным) элементом входного каскада является составной p-n-p транзистор V1-V2, включенный по схеме ОЭ. В коллекторной цепи выходного транзистора V2 вместо резистора R_к включён транзистор V3, который называют активной нагрузкой. Коллекторный ток покоя его I_к3А, а также коллекторные токи транзисторов V9 – I₉, V13 – I₁₃, стабилизированы при помощи стабилизирующей цепи D1, V4, V5, т.е. I_к3А = I_к5, I₉ = I₁₃ = I_к4. Такие стабилизаторы тока называются генераторами стабильного тока (ГСТ). Активная нагрузка и ГСТ широко применяются в микроэлектронных усилителях и будут подробно рассмотрены в главе 4 при рассмотрении операционных усилителей. Выход входного каскада (коллектор V2) подключён ко входу предоконечного каскада (к базе V7).

Предоконечный каскад. Выполнен на транзисторах V7, V8, V10. Транзисторы V7, V8 включены по схеме ОК (эмиттерные повторители). Транзистор V10 включён по схеме ОЭ. В его коллекторную цепь (вместо R_к) тоже включена активная нагрузка – транзистор V9 со стабилизированным коллекторным током I₉. Выход предоконечного каскада (коллектор V10) подключён ко входам верхнего и нижнего плеч оконечного каскада. В коллекторную цепь V10 включён диод D3 для задания режима AB оконечного каскада аналогично тому, как это сделано в бестрансформаторном транзисторном УМ (см. рис. 3.9).

Оконечный каскад. Двухтактный оконечный каскад работает в режиме AB и построен по типу транзисторного бестрансформаторного УМ (см. рис. 3.9). Верхнее плечо выполнено на составном транзисторе n-p-n типа, состоящем из транзисторов V14, V16, а нижнее плечо – на составном транзисторе p-n-p типа, состоящем из транзисторов V11, V17. Таким образом, схемы предоконечного и оконечного каскадов аналогичны схемам соответствующих каскадов бестрансформаторного транзисторного УМ, рассмотренного в подразделе 3.5. Там же подробно описаны составные транзисторы и их свойства, главным из которых являются большие коэффициенты усиления тока базы  составного транзистора ((3.51),(3.52)): _14,16 ≈ ≈ ₁₄∙₁₆, _11,17 ≈ ₁₁∙₁₇. Потенциалы входов верхнего (база V14) и нижнего (база V11) плеч разнесены на величину прямого напряжения на диоде D3, что обеспечивает задание режима AB (незначительное смещение оконечного каскада). Однако по режиму работы оконечный каскад, в отличие от оконечного каскада дискретного транзисторного УМ (см. рис. 3.9), является усилителем тока. Для осуществления режима усилителя тока в схему включены стабилизаторы тока V9, V13.

Работа схемы. Поскольку ток коллектора V3 стабилизирован и не может изменяться от воздействия транзистора V2, то все изменения тока коллектора V2, вызванные входным сигналом, передаются в базу транзис-тора V7, т.е. активная нагрузка увеличивает коэффициент усиления входного каскада. В предоконечном каскаде происходит дальнейшее усиление сигнала и в коллекторной цепи V10 усиленный сигнал генерирует ток I_к10, пропорциональный величине входного сигнала. При изменении I_к10 и при неизменных (стабилизированных) токах I₉, I₁₃ происходит «токовое» управление оконечным каскадом. Так, в режиме покоя I₉ = = I_к10. Часть этого тока ответвляется параллельно диоду D3, образуя токи покоя баз составных транзистора – I_б14, I_б11 (I_б14 = I_б11). При уменьшении тока I_к10 ток I₉ “вытесняется” в базу V14 ровно настолько, насколько уменьшается ток I_к10 (ΔI_б14 = – ΔI_к10). В начале уменьшения I_к10 закрывается транзистор V11 вследствие увеличения потенциала коллектора V10. При полном закрывании V10 весь ток I₉ переводится в базу V14. Величиной I₉ ограничена величина I_б14: I_б14 ≤ I₉.

При увеличении тока I_к10 (от тока покоя -I_к10 > I_к10A) вначале быстро закрывается верхнее плечо (транзистор V14), а затем все увеличение тока I_к10 происходит за счет увеличения тока базы I_б11 : ΔI_б11 = +ΔI_к10 . Максимальное значение тока базы нижнего плеча I_б11 достигается тогда, когда весь ток I₁₃ (стабилизатор V13) будет переведен в базу V11 (I_б11 ≈ I_б12): I_б11 max  I₁₃ .

До этого (при I_к10  I₉) почти весь ток I₁₃ (I_к13) протекает через цепочку D4, D5, V15. Iк13 устраняет перекос тока в выходной цепи в режиме покоя: I_к13 = I_э2А . Равенство стабилизированных токов I₉, I₁₃ обеспечивает равенство и стабильность токов баз и выходных токов оконечных составных транзисторов.

Разумеется, при отсутствии сигнала на входе, т.е. в режиме покоя, все потенциалы входов, выходов согласованы.

Более подробно токовое управление и согласовании потенциалов при отсутствии конденсаторов в схеме будет рассмотрено при изучении УПТ (гл. 4).

Типовая схема включения. При включении аналоговых микросхем в схему устройства обычно требуется довольно много навесных компонентов (конденсаторов, резисторов). В технической документации на микросхемы приводятся типовые схемы включения микросхем, на которых указываются все навесные компоненты, их параметры и порядок подключения. Только при указанных параметрах навесных компонентов (величин сопротивлений, емкостей, потенциалов) обеспечиваются номинальные параметры микросхемы. На рис. 3.13 приведена типовая схема включения усилителя К174УН7. Все навесные компоненты (4 резистора и 8 конденсаторов) обеспечивают номинальный режим функционирования усилителя,

е

Рис. 3.13

го стабильность и устойчивость. Так, к выводу 5 подключается внешняя цепь (С4, С5), формирующая частотную характеристику усилителя в области высших частот. К выводу 6 подключается внешняя цепь обратной связи по переменному току, которая позволяет регулировать коэффициент усиления (устанавливать необходимую глубину обратной связи F). Конденсатор С2, подключенный к выводу 7, совместно с резистором R5 образует фильтр для переменных составляющих, обеспечивая постоянство тока стабилизирующей цепи (D1, V4, V5). Цепь из R3, C6, подключенная к выводам 1, 4, 12, аналогична цепи из R3, C2 в схеме бестрансформаторного УМ (см. рис. 3.9). Она обеспечивает повышенное напряжение на выводе 4. На рис. 3.9 это напряжение обозначено E_п, и работа этой цепи рассмотрена раньше.

В технической документации приводится информация о том, как изменяются параметры усилителя, если условия не соответствуют типовым. Например, величина сопротивления нагрузки R_н или величина напряжения источника питания E_п могут быть не равны типовым. Обычно это графические зависимости. Для примера на рис. 3.14 приведены графики зависимости выходной мощности от напряжения питания Е_п (рис. 3.14,а) (пунктирными линиями обозначена область разброса параметра) и зависимости коэффициента гармоник K_г от выходной мощности. Приводится ещё ряд зависимостей.

0 1 2 3 4 Р_вых, Вт

а б

Рис. 3.14