Операционные усилители в усилителях мощности

Рис. 2.3.

Рис. 2.4.

Рис. 2.5.

В усилителях с низкоомной нагрузкой (например, головные телефоны) к выходу ОУ обычно подключают двухтактный усилительный каскад на биполярных транзисторах, работающий в режиме В (рис. 2.3) или АВ (рис. 2.4). Первый каскад 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. 2.5, 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 = U_см/I_потр, где U_см - рекомендуемое начальное напряжение смещения выходных транзисторов, равное 0,4 В, I_потр — 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. 2.6. 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 (R_н = 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. 2.6.

Рис. 2.7.

Рис. 2.8.

Принцип управления выходными транзисторами по цепям питания можно применить и в усилителях с более высоким напряжением питания (рис. 2.7). 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 2.8. 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. 2.7).

С учетом вышеизложенного был разработан мощный усилитель ЗЧ (рис. 2.9). 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. Элементы R6, R10, R12—R15, С2—С4 предотвращают самовозбуждение.

рис. 2.9.

Усилители на ОУ, содержащие выходные каскады усиления по напряжению, имеют одну примечательную особенность. Известно, что скорость нарастания выходного напряжения прямо пропорциональна его амплитуде, 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.

Рассмотренные усилители могут быть применены в самых различных устройствах. В генераторах питания электродвигателей магнитофонов и ЭПУ могут работать усилители, схемы которых показаны на рис. 2.8 и рис. 2.9 Практически все предложенные устройства можно использовать в качестве маломощных усилителей ЗЧ.