Усилитель с однополярным питанием: схемы для сборки

Содержание
  1. Как работает УНЧ
  2. Простой усилитель на одном транзисторе
  3. Улучшенные варианты однотранзисторного усилителя
  4. Двухкаскадный усилитель на транзисторах
  5. Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах
  6. Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью
  7. Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах
  8. Экономичный УНЧ на трех транзисторах
  9. Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами
  10. Схемы УНЧ для работы с низкоомной нагрузкой
  11. Схема УМЗЧ на пяти транзисторах и с однополярным питанием (60W)
  12. Параметры усилителя
  13. Принципиальная схема
  14. Детали и налаживание
  15. Увеличение надежности схемы УМЗЧ на транзисторах
  16. Выбор драйверного каскада для усилителя мощности
  17. Радиатор охлаждения
  18. Схемы для наглядности
  19. Снова к усилителю
  20. На что здесь стоит обратить внимание?
  21. Выходные транзисторы
  22. Для подбора силовых транзисторов потребуется более серьезное оборудование или два мультиметра — схема 17
  23. Резюмируя все вышесказанное, можно сделать вывод:
  24. Основные принципы работы операционных усилителей
  25. Повторитель напряжения
  26. Усиление аналоговых сигналов
  27. Схемы с однополярным питанием и расщепители питания
  28. Дифференциальный (разностный) усилитель
  29. Суммирующий усилитель
  30. Преобразователь тока в напряжение
  31. Почему однополярный источник питания?
  32. Применение базовых схем
  33. Инструментальный усилитель
  34. Плавающий источник тока
  35. Фильтры
  36. Соединяем все вместе
  37. Подводные камни проектирования схем с ОУ
  38. Общие советы
  39. Входные каскады
  40. Ширина полосы пропускания ОУ
  41. ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

Как работает УНЧ

Для надежной защиты приборов от постоянной составляющей выходного каскада используется автономный выпрямитель, в котором, в отличие от двухполюсного, отсутствует потенциальная средняя точка, соединенная с общим проводом заземления. Его функции по переменной составляющей выходного сигнала выполняет средняя точка конденсаторов С5, С6, соединенных последовательно.

Усилитель мощности автоматически балансируется подключением неинвертирующего входа — базы транзистора VT1 к средней точке резистивного делителя электронапряжения питания (R2, R3). Поскольку переходные процессы в цепях с общей постоянной времени компенсируют друг друга, то сигнал «грохота» не возникает ни при включении и выключении питания, ни при колебаниях сетевого электронапряжения.

Ток покоя выходных транзисторов VT9, VT10 стабилизируется транзисторами VT11, VT12, которые работают (для коллекторного тока транзисторов VT5 — VT6) как шунт, управляемый током покоя. Такой шунт не только защищает выходные транзисторы от такой перегрузки, но и значительно сглаживает импульсы переключения даже в режиме минимального тока покоя.

Простой усилитель на одном транзисторе

Простейший УНЧ, выполненный по схеме с общим эмиттером, показан на

 

1. В качестве нагрузки использовался телефонный капсюль. Допустимое усиление питания для этого усилителя 3…12 В.

Величину резистора смещения R1 (десятки кОм) желательно определить путем эксперимента, так как его оптимальное значение зависит от питания усилителя, сопротивления капсюля телефона и коэффициента передачи конкретного экземпляра транзистора.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема. 1. Простой УНЧ на транзисторе + конденсатор и резистор.

Для выбора начального номинала резистора R1 следует иметь в виду, что его величина должна быть в сто и более раз больше сопротивления, включенного в цепь нагрузки. Для подбора резистора смещения рекомендуется последовательно соединить постоянный резистор сопротивлением 20…30 кОм и переменный резистор сопротивлением 100…1000 кОм, после чего, подав звук малой амплитуды, например от плеера или магнитофона, на вход усилителя, поворотом ручки переменного резистора добиться наилучшего качества сигнала при наибольшей громкости.

Величина емкости переходного конденсатора С1 (схема 1) может быть в рамках от 1 до 100 мкФ: чем выше значение этой емкости, тем более низкие частоты сможет усиливать УНЧ. Для освоения техники усиления низких частот рекомендуется поэкспериментировать с подбором номиналов элементов и режимов работы усилителей (схема 1 — 4).

Улучшенные варианты однотранзисторного усилителя

Усложненные и улучшенные по сравнению со схемой на рисунке 1 схемы усилителей показаны на записи 2 и 3. В схеме 2 каскад усиления также содержит частотно-зависимую цепь отрицательной обратной связи (ООС)  (резистор R2 и конденсатор С2), улучшающую качество сигнала каналов.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема. 2. Схема однотранзисторного УНЧ с частотно-зависимой цепью отрицательной обратной связи.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 3. Однотранзисторный усилитель с делителем для подачи электроусиления смещения на базу транзистора.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема. 4. Однотранзисторный усилитель с автоматической установкой смещения базы транзистора.

В схеме 3 смещение на базу транзистора задается более «жестко» делителем, что улучшает качество работы усилителя, если отменить старые условия его работы и изменить их на новые.. В схеме 4 применена «автоматическая» установка смещения на базе усилительного транзистора.

Двухкаскадный усилитель на транзисторах

Соединив последовательно два простых усилительных каскада (схема 1), можно получить двухкаскадный УНЧ (схема 5). Усиление такого усилителя равно произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов. Однако получить большой стабильный коэффициент усиления при последующем увеличении количества каскадов непросто: усилитель, скорее всего, будет самовозбуждаться.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 5. Схема простого двухкаскадного усилителя НЧ.

Новые разработки усилителей низкой частоты, схемы которых в последние годы часто приводились на страницах журналов, направлены на достижение минимального коэффициента нелинейных искажений, увеличение выходной мощности, расширение полосы усиливаемых частот и т.д.

В то же время при настройке различных устройств и проведении экспериментов часто требуется простой УНЧ, который можно собрать за несколько минут. Такой усилитель должен содержать минимальное количество дефицитных элементов чувствительности и работать в широком диапазоне напряженности питания и сопротивления нагрузки.

Схема УНЧ на полевом и кремниевом транзисторах

Схема НЧ с прямой связью между каскадами показана на схеме 6 (Рл 3/00-14). Входное сопротивление усилителя определяется значением потенциометра R1 и может составлять от сотен Ом до десятков МОм. На выход усилителя можно подключать нагрузку  сопротивлением 2…4 на 64 Ом и выше.

При высокоомной нагрузке в качестве VT2 можно использовать транзистор КТ315. Усилитель работает в диапазоне электронапряжений питания от 3 до 15 В, хотя его приемлемая работоспособность сохраняется и при его снижении до 0,6 В.

Конденсатор С1 может быть с емкостью от 1 до 100 мкФ. В последнем случае (С1 = 100 мкФ) УНЧ может работать в полосе частот от 50 Гц до 0,2 мГц и выше.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 6. Схема простого усилителя низкой частоты на двух транзисторах.

Амплитуда входного сигнала УНЧ не должна превышать 0,5…0,7 В. Выходная мощность усилителя может изменяться от десятков мВт до единиц Вт в зависимости от сопротивления нагрузки и величины действующего усиления питания.

Настройка усилителя происходит за счет подбора резисторов R2 и R3. С их помощью устанавливается сила на стоке транзистора VT1, равное 50…60% от электроусиления источника питания. Транзистор VT2 необходимо установить на теплоотводящую пластину (радиатор).

Трекаскадный УНЧ с непосредственной связью

На схеме 7 показана схема еще одного, казалось бы, простого УНЧ с прямыми связями между каскадами. Такой тип подключения улучшает частотные характеристики усилителя в области низких частот, упрощая схему в целом.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 7. Принципиальная схема трехкаскадного УНЧ с прямой связью между каскадами.

При этом настройка усилителя усложняется тем, что каждый резистор усилителя необходимо подбирать индивидуально. Ориентировочно соотношение резисторов R2 и R3, R3 и R4, R4 и R BF должно быть в пределах (30… 50) к 1. Резистор R1 должен быть 0,1… 2 кОм. Расчет усилителя, показанного на схеме 7, можно найти в литературе, например (Р 9/70-60).

Схемы каскадных УНЧ на биполярных транзисторах

На схемах 8 и 9 показаны схемы каскодного УНЧ на биполярных транзисторах. Такие усилители имеют достаточно высокий коэффициент усиления Ку. Усилитель на схеме 8 имеет Ку=5 в полосе частот от 30 Гц до 120 кГц (МК 2/86-15). УНЧ по схеме 9 с коэффициентом гармоник менее 1% имеет коэффициент усиления 100 (РЛ 3/99-10).

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 8. Каскад УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления =5.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 9. Каскад УНЧ на двух транзисторах с коэффициентом усиления =100.

Экономичный УНЧ на трех транзисторах

Для портативной радиоэлектронной аппаратуры важным параметром является экономичность УНЧ. Схема такого УНЧ показана на схеме 10 (РЛ 3/00-14). Здесь использовано каскадное соединение полевого транзистора VT1 и биполярного транзистора VT3, а транзистор VT2 выполняет роль импульсного стабилизатора, чтобы стабилизировать рабочую точку VT1 и VT3.

При увеличении входной силы этот транзистор смещает переход эмиттер — база VT3 и уменьшает величину тока, протекающего через транзисторы VT1 и VT3.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 10. Схема простого недорогого усилителя низкой частоты на трех транзисторах.

Как и в предыдущей схеме (см. схему 6), входное сопротивление этого УНЧ можно задавать в диапазоне от десятков Ом до десятков МОм. В качестве нагрузки использовали телефонный капсюль, например, ТК-67 или ТМ-2В. Капсюль, подключенный с помощью штекера, может одновременно служить выключателем питания цепи.

Сила питания УНЧ изменяется от 1,5 до 15 В, хотя устройство сохраняет работоспособность и при снижении усиления питания до 0,6 В. В диапазоне его  2…15 В ток, потребляемый усилителем, описывается выражением:

1(мкА) = 52 + 13*(Uпит)*(Uпит),

где Uпит — сила питания в вольтах (В).

Если выключить транзистор VT2, то ток, потребляемый устройством, возрастает на порядок.

Двухкаскадные УНЧ с непосредственной связью между каскадами

Примерами УНЧ с непосредственными связями и минимальным подбором режима работы являются схемы, представленные на схемах 11 — 14. Они имеют высокий коэффициент усиления и хорошую стабильность.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 11. Простой двухкаскадный УНЧ для микрофона (малошумящий, высокий коэффициент усиления).

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 12. Двухкаскадный усилитель низкой частоты на транзисторах КТ315.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 13. Двухкаскадный УНЧ на транзисторах КТ315 — вариант 2.

Микрофонный усилитель (схема 11) характеризуется низким собственным шумом и высоким коэффициентом усиления (МК 5/83-XIV). В качестве микрофона ВМ1 использовался микрофон электродинамического типа.

Телефонный капсюль также может выступать в качестве микрофона. Стабилизация рабочей точки (начальное смещение по входному транзистору) усилителей на схемах 11-13 происходит из-за падения силы на эмиттерном резисторе второго каскада усиления.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 14. Двухкаскадный УНЧ с полевым транзистором.

Усилитель (схема 14), имеющий большое входное сопротивление (около 1 МОм), выполнен на полевом транзисторе VT1 (истоковый повторитель) и двухполярном — VT2 (с общим).

На схеме 15 показан каскадный усилитель низкой частоты на полевых транзисторах.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 15 схема простого двухкаскадного УНЧ на двух полевых транзисторах.

Схемы УНЧ для работы с низкоомной нагрузкой

Типовые УНЧ, рассчитанные на работу с низкоомной нагрузкой и имеющие выходную мощность десятки мВт и более, показаны на схемах 16, 17.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 16. Простой УНЧ для работы с малоомной нагрузкой.

К выходу усилителя можно подключить электродинамическую головку ВА1, как показано на схеме 16, или в диагональ моста (схема 17). Если блок питания состоит из двух батарей (аккумуляторов), соединенных последовательно, то вывод головки ВА1, согласно схеме, можно подключить непосредственно к ее средней точке, без конденсаторов С3, С4.

Простейшие усилители низкой частоты

Схема 17. Схема усилителя низкой частоты с включением низкоомной нагрузки в диагональ моста.

Схема УМЗЧ на пяти транзисторах и с однополярным питанием (60W)

Параметры усилителя

  1. Диапазон рабочих частот 30-200000 Гц.
  2. КНИ в диапазоне рабочих частот 60-20000 Гц не превышает 0,1% при выходной мощности 30 Вт на нагрузке 8 Ом.
  3. Максимальная выходная мощность с КНИ не более 1% 60Вт на нагрузке 8 Ом.
  4. Максимальная выходная мощность возникает при уровне входного сигнала 1,2В.

Принципиальная схема

Принципиальная схема такого УМЗЧ показана на схеме. Входной сигнал через конденсатор С2 поступает на первый предварительный каскад на транзисторе VT1, который является фазоинверсным для формирования сигналов для выходного каскада. Выходной каскад выполнен по мостовой схеме на транзисторах VT2-VT5.

Собственно выходной каскад выполнен на мощных транзисторах VT4 и VT5 одинаковой структуры. Каскад на транзисторе VT3 работает в схеме составного транзистора относительно VT4. А каскад на VT2 служит не только для усиления, но и для инвертирования сигнала. Следовательно, транзистор VT2 имеет структуру р-п-р.

Принципиальная схема УМЗЧ на пяти транзисторах и с однополярным питанием (60Вт)

Схема 1. Принципиальная схема УМЗЧ на пяти транзисторах и с однополярным питанием (60Вт).

Для создания напряженности смещения между базами этих транзисторов VT2 и VT3 с целью устранения искажений типа «ступенька» и термостабилизации между их базами в направлении постоянного тока включена диодная цепь VD1-VD2 и дополнительный корректирующий резистор R3.

Детали и налаживание

В процессе настройки при подборе резистора R3 нужно установить ток покоя выходного каскада около 50мА. Напряженность смещения на базу транзистора VT1 поступает с выхода УНЧ через резистор R4.

В процессе настройки подбором сопротивления резистора R4 необходимо установить в точке соединения R10 и коллектора VT5 постоянное электроусиление, равное половине напряженности питания.

Выходные транзисторы должны быть установлены на радиаторы, обеспечивающие эффективное охлаждение.

Увеличение надежности схемы УМЗЧ на транзисторах

Схемы УМЗЧ на транзисторах: секреты надежности усилителей, принципы самостоятельной сборки усилителей мощности, правильные расчеты схемы УМЗЧ на транзисторах.

Выбор драйверного каскада для усилителя мощности

Драйверный каскад — это каскад, работающий непосредственно на управление оконечным каскадом. Как правило это первый каскад после усилителя силы, обычно эмиттерный повторитель, но при использовании каскодных выходных каскадов может включаться и по схеме с общим эммитером.

Основной задачей драйверного каскада является разгрузка усилителя силы и создание им необходимых управляющих токов для баз мощных выходных транзисторов. Рассмотрим, что именно происходит в отдельный момент в усилителе, для наглядности возьмем популярный усилитель мощности ЛАНЗАР.

Чтобы понять все процессы, происходящие в усилителе, давайте превратим его в усилитель постоянного электронапряжения и это позволит нам контролировать ВСЕ, что происходит в усилителе на протяжении полуволны синусоидального сигнала. В результате преображений получилась схема, показанная на схеме 1.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-1
Схема 1 Принципиальная схема усилителя постоянного напряжения на базе усилителя ЛАНЗАР.

В качестве нагрузки используется постоянный резистор сопротивлением 6 Ом. По мере экспериментов сопротивление будет меняться в ту или иную сторону. Берем питание усилителя ±60 В.

Итак, для начала выставим требуемый ток покоя и проверим, в каких точках какие напряженности.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-2
Схема 2 Карта напряженности

Схемы УМЗЧ на транзисторах-3
Схема 3 Карта протекающих токов

Схемы УМЗЧ на транзисторах-4
Схема 4 Карта рассеяния мощности

Как видно на схеме, на транзисторах последнего каскада усилителя Q5 и Q6 выделяется около 1 Вт, поэтому эти транзисторы уже нуждаются в теплоотводе. На предпоследнем каскаде (драйверы Q8 и Q9) даже в бесшумном режиме выделяется около 2 Вт, здесь обязательно нужен радиатор.

Радиатор охлаждения

Ну а для оконечного каскада радиатор уже просто обязателен, хотя в бесшумном режиме или без нагрузки размеры корпуса транзистора позволяют ему рассеивать выделяющееся тепло. Здесь также следует отметить, что в качестве оконечного каскада используются две пары транзисторов, включенных параллельно для увеличения выходной мощности усилителя, так как одна пара не справляется, но об этом позже.

Так как переменная электронапряженность постоянная и меняющая полярность, будем рассматривать происходящие процессы на примере положительной полуволны с контрольными точками 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 В (значение входного сигнала, схема 5).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-5
Схема 5 В качестве примера возьмем положительную полуволну входного сигнала с амплитудой 2,5 В

По мере роста входного сигнала на нагрузку подается все большее и большее значение, что увеличивает ток, протекающий как через нагрузку, так и через оконечные транзисторы. Поскольку мы используем биполярные транзисторы, ток коллектора напрямую зависит от тока базы, поэтому чем больший ток необходимо пропустить через оконечный транзистор, тем больший ток необходимо подать на его базу.

Это и есть обязанности драйверного каскада усилителя. Как видно из схемы 6, по мере увеличения амплитуды входного сигнала увеличивается ток, протекающий через оконечные транзисторы, а также ток, протекающий через транзисторы предпоследнего каскада, а вот моментально рассеиваемая мощность сначала увеличивается, а затем уменьшается.

Здесь, пожалуй, следует пояснить, почему мощность то увеличивается, то уменьшается, хотя, казалось бы, она должна постоянно возрастать. Дело в том, что мощность, выделяемая на элементе, зависит от тока, протекающего через элемент, и падения напряжения на нем. Да-да, это школьный курс физики, тот самый закон Ома.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-6
Схема 6 Изменение токов и рассеиваемой мощности в зависимости от величины входного сигнала

Схемы для наглядности

Для наглядности рассмотрим простую схему, состоящую из источника питания, сопротивления нагрузки и транзистора, через который на нагрузку подается сила. Однако в этом случае транзистор будет играть роль переменного резистора, в качестве движка которого можно считать ток, протекающий через его базу. Для наглядности заменим транзистор резистором R1, сопротивление которого мы и будем менять (схема 7).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-7
Схема 7 Схематическая диаграмма, поясняющая рассеивание мощности

На схеме 7 сопротивление регулируемого элемента (R1) = 1000 кОм, ну что-то вроде течи. В этом случае через нагрузку протекают микротоки, а микроватты рассеиваются на управляющем элементе. Но стоит уменьшить сопротивление регулирующего элемента до такой степени, чтобы приложить к нагрузке 0,5 В, как картина начинает меняться — схема 8. Так как на нагрузку подается 0,5 В, а усиление питания 10В, то падение на регулирующем элементе будет 9,5 В, что фактически показывает вольтметр, подключенный к клеммам регулирующего элемента.

[объявления1]

Ток через нагрузку и регулирующий элемент будет 50 мА, то есть 0,05 А. В этом случае для расчета мощности, выделяемой элементом регулятора, протекающий через него ток (0,05 А) необходимо умножить на приложенное к его клеммам усиление (9,5 В). В итоге получаем, что регулирующий элемент будет рассеивать 0,475 Вт (475 мВт, как показывает симулятор).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-8
Схема 8

Далее прикладываем к нагрузке 1 В. На регулирующем элементе остается 9 В, а протекающий ток равен 0,1 А (схема 9). Выходная мощность регулирующего элемента составит 9 В х 0,1 А = 0,9 Вт (900 мВт по данным симулятора). Пока все правильно: увеличивается протекающий ток и в результате увеличивается рассеиваемая мощность.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-9
Схема 9

Далее прикладываем к нагрузке 2 В. Падение на элементе регулятора 8 В, протекающий ток 0,2 А, рассеиваемая мощность 8 В х 0,2 А = 1,6 Вт (Схема 10)

Схемы УМЗЧ на транзисторах-10
Схема 10

Казалось бы, дальнейшие расчеты не имеют смысла: с увеличением протекающего тока увеличивается и мощность, рассеиваемая регулирующим элементом. Да, но только до тех пор, пока активное! сопротивление регулирующего элемента не сравняется с сопротивлением нагрузки. При этом к нагрузке будет приложено 5 В, а ток, который будет протекать, составит 0,5 А, на регулирующем элементе и на нагрузке будет рассеиваться 2,5 Вт (Схема 11).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-11
Схема 11

Теперь активное сопротивление регулирующего элемента меньше сопротивления нагрузки; приложенное к его выводам электронапряжение равно 4 В, протекающий ток равен 0,6 А, следовательно, рассеиваемая мощность составляет 4 В х 0,6 А = 2,4 Вт, т. е. рассеиваемая мощность начинает уменьшаться, несмотря на то, что ток, протекающий через регулирующий элемент, продолжает увеличиваться (схема 12).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-12
Схема 12

Для очистки совести откроем даташник популярных в аудиотехнике транзисторов 2SA1943 и 2SC5200 и посмотрим значение силы коллектор-эмиттер в открытом состоянии. Для 2SC5200 это значение равно 0,4 В, для 2SA1943 — 1,5 В. Поскольку последнее значение больше, попробуем уменьшить значение активного сопротивления регулирующего элемента до получения падения в 1,5 В (схема 13).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-13
Схема 13

Из всего вышеизложенного следует, что мощность, рассеиваемая на регулирующем элементе, связана не только с проходящим через него током, падением напряженности, но и с сопротивлением нагрузки, а максимальное тепловыделение происходит в момент, когда активное сопротивление регулирующего элемента равно сопротивлению нагрузки.

Снова к усилителю

Ну а теперь вернемся к усилителю постоянного электроусиления, к схеме 6. Как видно, максимальный ток через транзисторы драйвера и оконечные транзисторы протекает как раз в тот момент, когда входное равно 2,5 В при нагрузке 3 Ома. Поэтому транзисторы драйвера должны быть рассчитаны на ток не менее 310 мА, а транзисторы оконечного каскада — на ток не менее 8,8 А.

Не забывайте, однако, что настоящий усилитель мощности работает на динамическую головку, которая связана с активным сопротивлением только до тех пор, пока диффузор не двигается. Как только диффузор головки начинает двигаться, динамическая головка перестает быть активной нагрузкой, так как на нее начинают воздействовать как индуктивность катушки трансформатора, так и ток, наводимый в этой катушке, когда диффузор продолжает движение по инерции. Самый примитивный эквивалент динамической головки показан на схеме 14.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-14
Схема 14 Эквивалент динамической головки.

Как видим, и индуктивность, и конденсатор присутствуют в эквиваленте, поэтому в моменты, когда диффузор головки разгоняется до максимальных оборотов, меняется полярность выходного сигнала, мгновенное значение активного сопротивления нагрузки может уменьшиться — в эквиваленте это будет емкость заряженного конденсатора и самоиндукция дросселя, причем ОЧЕНЬ сильно, и это только в том случае, когда в акустической системе используется один широкополосный динамик. Если используется многополосная АС, активное сопротивление в определенные моменты времени может падать до 50.

Ну а поскольку активное сопротивление уменьшилось, то и токи через оконечные транзисторы увеличиваются, естественно увеличивая базовые токи. Поэтому в данном случае в качестве драйверов целесообразно использовать транзисторы с максимальным током коллектора не на 310 мА, а на 50% больше, то есть на 460-500 мА, но если обратиться к реальным транзисторам, то это будут транзисторы с током коллектора 1А. Коллекторный ток оконечного каскада уже приобретает значение 13 А, ближайшее стандартное значение = 15 А.

Почему мощность не удваивается? Да потому, что токи имеют мгновенное значение, а рассеиваемая мощность гораздо более инерционна и полученных 135 Вт будет достаточно, чтобы кристалл транзистора не успел нагреться до критической температуры.

Уровень входного достигнет 2,5 В (схема 15). При этом на выходе усилителя получается максимально возможное электроусиление, так как Q5 уже вошел в режим насыщения и дальнейшее увеличение входного не приведет к увеличению выходного. Если бы это было у усилителя мощности звукового сигнала, то такая ситуация называлась бы клиппингом.

Схемы УМЗЧ на транзисторах-15
Схема 15 Карта напряженности на входном усилении 2,5 В.

На что здесь стоит обратить внимание?

В первую очередь на интенсивность, подаваемую к транзисторам, которые реагируют на усиление отрицательной полуволны. Как видно из карты, когда на выходе максимально возможное положительное напряжение, к транзисторам отрицательной полуволны звукового сигнала прилагается отрицательная полярность источника питания и интенсивность с открытых транзисторов положительной полуволны.

Поэтому транзисторы последнего каскада усилителя Q5, Q6, транзисторы драйверного каскада Q8, Q9 и транзисторы оконечного каскада Q10-Q13 должны быть рассчитаны на интенсивность не менее 120 В и это лишь критический минимум, так как даже небольшое повышение сети и использование не стабилизированного источника питания заставят транзисторы работать на технологическом запасе, что сводит схему к схемам низкой надежности.

Так как электрические сети обещают 220 В ±7%, а в реальности отклонения могут достигать 10-15%, то к минимальному значению используемых транзисторов необходимо добавить 15%, то есть используемые транзисторы должны быть рассчитаны на 138-140 В.

Открываем даташиты на транзисторы 2SA1943 и 2SC5200, которые используются в оконечном каскаде усилителя ЛАНЗАР, и отмечаем следующие значения:

  • максимальный ток коллектор-эмиттер. . .15А;
  • максимальная напряженность коллектор-эмиттер. . . . 230В;
  • тепловая мощность коллектора. . . . 150 Вт.

Правда там есть оговорка: тепловая мощность при температуре 25°С и рекомендуемая мощность всего 100 Вт с 1 транзистора, но, как показано, при хороших теплоотводах, в качестве номинальных используются максимальные значения, но об этом ниже. В данной схеме эти транзисторы вполне подходят, у них достаточно приличный запас по току и напряжению, а учитывая достаточно большой технологический запас продукции TOSHIBO, убить их в этом усилителе будет достаточно сложно.

Открываем даташиты на 2SA1930 и 2SC5171 используемые в качестве драйвера

  • максимальный ток коллектор-эмиттер. . . 2А;
  • максимальная напряженность коллектор-эмиттер. . . . 180В;
  • тепловая мощность коллектора. . . . 20 Вт.

Опять же, по всем параметрам установлен довольно приличный запас, и в качестве драйвера справятся самые слабые транзисторы 2SA1837 и 2SC4793 с током коллектора 1А и максимальным усилением 230В. Также подходят транзисторы 2SB649A и 2SD669A на 1,5 А 160 В.

Для получения дополнительной информации о рекомендуемых параметрах транзистора для тканевого усилителя смотрите справочный лист.

В качестве Q7 можно использовать практически любой транзистор, так как ток, протекающий через него, составляет 16 мА, а прилагаемое напряжение не превышает 2-3 В во всех режимах работы. Используемые для этого в ЛАНЗАРЕ БД135 выбраны из-за удобства установки на радиатор и наличия несколько большей зависимости тока коллектора от температуры, т.е. они гарантированно справятся с возлагаемыми на них функциями.

Выходные транзисторы

В качестве оконечных транзисторов используются 2 пары транзисторов, включенных параллельно. Это обстоятельство вносит дополнительные задачи при выборе базового элемента. Во-первых, транзисторы, которые включены параллельно, должны иметь достаточно близкие параметры, и только в этом случае нагрузка на них будет распределяться равномерно, и один из транзисторов не будет перегружаться.

Если транзисторы покупаются в разных местах или в разное время, без подбора транзисторов не обойтись, а если они покупаются в одном месте и все сразу, то следует обратить внимание на номер партии закупаемых транзисторов: у транзисторов одинаковой структуры номер партии должен быть одинаковым. При этом производитель гарантирует разброс параметров не более 2%, что вполне достаточно для использования в усилителях с параллельным включением транзисторов.

Номер партии пишется чуть ниже и правее названия транзистора. Также следует обратить внимание на маркировку — маркировка краской на фирменных транзисторах давно не делается, все надписи сделаны лазером.

В связи с популярностью своей продукции компания TOSHIBA начала выпускать транзисторы n-p-n и p-n-p структур одной партией, то есть даже у транзисторов разной структуры параметры будут максимально схожими. Правда, эти пары до сих пор нечасто встречаются в продаже (схема 16).

Схемы УМЗЧ на транзисторах-16
Схема 16 Транзисторы разной структуры, но из одной партии

При невозможности купить транзисторы из одной партии возникает довольно печальная ситуация: с одной стороны нужны транзисторы с максимально близкими характеристиками, с другой — цифровой мультиметр с измерителем h21 для этих целей не подходит, так как его измерения производятся в микротоковом режиме, а мощные транзисторы в этих режимах имеют коэффициент усиления более 1000…

Для подбора силовых транзисторов потребуется более серьезное оборудование или два мультиметра — схема 17

Схемы УМЗЧ на транзисторах-17
Схема 17 Стенд для отбраковки силовых транзисторов

Для произведения отбраковки необходимо взять любой транзистор из бракованной партии и установить ток коллектора 0,4…0,6 А для транзисторов предпоследнего каскада и 1…1,3 А для транзисторов оконечного каскада. Ну а дальше все просто: транзисторы подключают к выводам, и по показаниям включенного в коллектор амперметра подбирают транзисторы с такими же показаниями, не забывая смотреть на показания амперметра в базовой цепи (они тоже должны быть похожи).

Разброс в 5% вполне приемлем; для стрелочных индикаторов на шкале во время градуировки можно делать отметки «зеленого коридора». Следует отметить, что такие токи вызывают неплохой нагрев кристалла транзистора, а так как без теплоотвода продолжительность измерений не стоит растягивать, кнопку SB1 не следует удерживать более 1… 1,5 сек. Такая отбраковка, прежде всего, позволит подобрать транзисторы с действительно похожим коэффициентом усиления.

Также следует отметить, что как бы вы ни старались, вы все равно не найдете транзисторов, идентичных имеющимся у вас, поэтому при выборе наиболее похожих имеет смысл увеличить токовыравнивающие резисторы R24-R27 до 1 Ом. Конечно, вы потеряете в эффективности, но выиграете в более равномерном распределении мощности на каждый транзистор.

Резюмируя все вышесказанное, можно сделать вывод:

Для этого усилителя мощности предпоследний каскад требует транзисторов с током коллектора не менее 1 А и силой коллектор-эмиттер не менее интенсивности между плюсом и минусом двуполярного источника + 10-15% от этого значения. Для оконечного каскада необходим транзистор с током коллектора не менее 25 А или два параллельно включенных транзистора с током коллектора не менее 13 А.

Напряжение коллектор-эмиттер у транзисторов оконечного каскада должно быть таким же, как и у транзисторов драйверного каскада. При параллельном соединении транзисторов требуются транзисторы с одинаковыми параметрами, особенно по h21 (коэффициент усиления), которое необходимо измерять при токах больше 0,1 А, либо необходимо использовать транзисторы из одной партии. Мощность коллекторов транзисторов оконечного каскада, включенных параллельно, должна быть не менее расчетной мощности усилителя при условии хорошего охлаждения кристалла транзистора, что зависит от типа корпуса.

Основные принципы работы операционных усилителей

Операционный усилитель — это такой же «кирпичик» для построения аналоговых схем, как логический элемент для цифровых. С помощью операционных усилителей мы можем кардинально изменить аналоговые сигналы точно так же, как мы можем изменить цифровые сигналы с помощью инверторов и логических элементов И/ИЛИ. В этой части мы рассмотрим основные функциональные узлы операционного усилителя, такие как повторитель напряжения, инвертирующие и неинвертирующие усилители, расщепитель питания (формирователь искусственной средней точки), дифференциальные и суммирующие усилители, а также преобразователь тока в напряжение.

Повторитель напряжения

Начнем с самой простой схемы: схемы буферного усилителя (схема 1). Буферный усилитель используется для управления большими нагрузками для согласования входных и выходных сопротивлений или для развязки силовых цепей и чувствительных прецизионных цепей.

Рис. 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Схема 1. Буферный усилитель (повторитель напряжения)

Буферный усилитель, показанный на схеме 1, может быть реализован на любом операционном усилителе с однополярным питанием, стабильно работающем при единичном коэффициенте усиления. В этой схеме, как и во всех схемах с ОУ, должен быть блокировочный конденсатор по питанию. Для усилителей с однополярным питанием, работающих в полосе частот от 0 до единиц мегагерц, как правило, достаточно конденсатора емкостью 1 мкФ. Если полоса частот усилителя составляет десятки мегагерц, может потребоваться конденсатор меньшей емкости. В этом случае обычно используется конденсатор емкостью 0,1 мкФ. При отсутствии блокировочного конденсатора или при неправильном подборе его емкости ОУ может самовозбуждаться.

Коэффициент усиления схемы, показанной на схеме 1, составляет +1 В/В. Обратите внимание, что хотя коэффициент усиления всей схемы положительный, цепь обратной связи с выхода усилителя подключена к инвертирующему входу. Это очень распространенное заблуждение, что схема операционного усилителя с положительным коэффициентом усиления требует положительной обратной связи. Если мы охватим ОУ положительной обратной связью, то на выходе усилителя, скорее всего, будет установлен уровень одной из шин питания.

Эта схема обеспечивает хорошую линейность во всей полосе пропускания усилителя. Однако есть определенные ограничения: уровень синфазного сигнала на входе и размах выходного сигнала не должны выходить за определенные пределы.

Если эта схема предназначена для управления мощной нагрузкой, то применяемый ОУ должен обеспечивать требуемый уровень выходного тока. Также эту схему можно использовать для управления емкостной нагрузкой. Следует отметить, что не все ОУ могут сохранять стабильность при работе с емкостной нагрузкой. Если усилитель предназначен для управления емкостной нагрузкой, это будет четко указано в его документации. С другой стороны, если ОУ не может работать с емкостной нагрузкой, то, как правило, в его документации это специально не оговаривается.

Также буферный усилитель используется для решения проблемы согласования входного и выходного сопротивлений. Это может быть необходимо, если источник аналогового сигнала имеет достаточно высокое выходное сопротивление по сравнению со входным сопротивлением схемы. Когда источник подключен непосредственно к схеме, уровень сигнала будет падать из-за падения напряжения на делителе, образованном выходным сопротивлением источника и выходным сопротивлением цепи. Буферный усилитель отлично решает эту проблему. Входное сопротивление неинвертирующего входа ОУ на КМОП может быть до 1013 Ом. При этом выходное сопротивление буферного усилителя обычно не превышает 10 Ом.

Другой способ эксплуатации буферного усилителя состоит в том, чтобы изолировать чувствительную прецизионную схему от источника тепла, как показано на схеме 2. Представьте, что схема, к которой подключен буферный усилитель, усиливает сигнал величиной 100 мкВ.

Рис. 2. Развязка нагрузки с помощью буферного усилителя

Схема 2. Развязка нагрузки с помощью буферного усилителя

Усиление таких сигналов — непростая задача, независимо от требуемой точности. При таких прецизионных измерениях легко может возникнуть ошибка из-за изменения выходного тока схемы усилителя. Увеличение тока нагрузки вызывает саморазогрев кристалла, что, в свою очередь, приводит к увеличению напряжения смещения. В таких ситуациях лучше использовать отдельный аналоговый буфер для управления мощной нагрузкой и оставить только прецизионные измерения для передних каскадов.

Усиление аналоговых сигналов

Буфер решает многие проблемы, связанные с передачей аналогового сигнала, но на практике часто возникает необходимость усилить сигнал. Для этого можно использовать два типа усилителей. В усилителе первого типа, схема которого показана на схеме 3, сигнал не инвертируется. Этот вариант усилителя очень удобен для схем с однополярным питанием, где обычно отсутствуют отрицательные сигналы.

Рис. 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

Схема 3. Неинвертирующий усилитель на ОУ

ВАЖНО! Когда в этой публикации говорится об однополярном питании, это означает, что отрицательная клемма питания операционного усилителя соединена с общим проводом, а положительная клемма питания подключена к линии + 5 В. Все рассуждения в интернете на форумах можно экстраполировать и на другие напряжения, если напряжение однополярного источника превышает 5 В или используется двухполярное питание.

В этом случае входной сигнал подается на высокоимпедансный неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 1:

$$V_{OUTPUT}=left(1+frac{R_{2}}{R_{1}} right)times V_{INPUT}qquad{mathrm{(}}{1}{mathrm{)}}$

В схемах с однополярным питанием значение сопротивления резистора R2 обычно принимают не менее 2 кОм. Сопротивление резистора R1 выбирают исходя из требуемой величины коэффициента усиления с учетом уровня шумов ОУ и входного напряжения смещения, указанного в технической документации ОУ. Следует отметить, что эта схема имеет некоторые ограничения относительно величины входных и выходных сигналов. Так, напряжение на неинвертирующем входе ОУ не должно превышать максимально допустимого значения синфазного напряжения для данного ОУ. Размах выходного сигнала операционного усилителя также ограничен; допустимый диапазон указан в технической документации усилителя.

Схема инвертирующего усилителя показана на схеме 4. Эта схема усиливает и инвертирует сигнал, поступающий на входной резистор (R1). Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 2:

$$V_{OUTPUT}=-left(frac{R_{2}}{R_{1}} right)times V_{INPUT}+left(1+frac{R_{2}}{R_ {1}} right)times V_{BIAS}qquad{mathrm{(}}{2}{mathrm{)}}$$

Рис. 4. Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

Схема 4. Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

Сопротивления резисторов R1 и R2 выбираются из тех же соображений, что и для схемы неинвертирующего усилителя, показанной на схеме 3.

При использовании этой схемы в среде с однополярным питанием легко совершить ошибку. Например, пусть R2 равно 10 кОм, R1 равно 1 кОм, VBIAS равно 0 В, а напряжение на входном резисторе R1 равно 100 мВ. При этом выходное напряжение, по-видимому, должно быть равно -1 В. Однако это значение выходит за пределы диапазона выходного напряжения ОУ, поэтому на выходе ОУ будет установлено минимально возможное положительное напряжение.

Чтобы решить эту проблему, в схему необходимо добавить источник напряжения смещения VBIAS. Вернемся к предыдущему примеру. Если бы мы подали на вход VBIAS напряжение 225 мВ, выходной сигнал был бы смещен на 2,475 В. Следовательно, вместо отрицательного напряжения напряжение на выходе ОУ было бы 2,475 В — 1 В. = 1,475 В. Как правило, схемы рассчитываются таким образом, чтобы среднее значение выходного напряжения ОУ составляло половину напряжения питания VDD/2.

Схемы с однополярным питанием и расщепители питания

Как показано на примере схемы инвертирующего усилителя (схема 4), при однополярном питании часто необходимо изменять уровень сигнала, чтобы он оставался в диапазоне, определяемом потенциалами выводов питания. Это смещение может быть достигнуто с помощью одного операционного усилителя и нескольких пассивных элементов, как показано на схеме 5. Во многих случаях эту схему можно реализовать в обычном буферном усилителе без выравнивающих конденсаторов. В других ситуациях, например, при использовании этой схемы в качестве источника опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), ее нагрузка будет динамически изменяться. В таких приложениях напряжение смещения должно оставаться постоянным, иначе может возникнуть ошибка преобразования.

Рис. 5. Делитель мощности в операционном усилителе. Эта схема особенно полезна для однополярного источника питания

Схема 5. Расщепитель питания на операционном усилителе. Эта схема особенно полезна для однополярного источника питания

Постоянное напряжение смещения можно легко создать с помощью делителя напряжения (R3 и R4) или источника опорного напряжения, а затем буферизовать с помощью операционного усилителя. Выходное напряжение схемы, показанной на схеме 5, определяется по формуле 3:

$$V_{OUTPUT}=V_{DD}timesleft(frac{R_{4}}{R_{3}+R_{4}} right)qquad{mathrm{(}}{3} { mathrm{)}}$

Схема, показанная на схеме 5, имеет дополнительную цепь коррекции, обеспечивающую работу на большую емкостную нагрузку С1. Такая большая емкость используется потому, что она имеет очень малое сопротивление переменному току на входе опорного напряжения АЦП. Этот конденсатор сглаживает кратковременные всплески тока, обязательно присутствующие на входе опорного напряжения АЦП.

Дифференциальный (разностный) усилитель

Дифференциальный усилитель представляет собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителей (схема 3 и 4). Схема дифференциального усилителя показана на рисунке 6.

Рис. 6. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе

Схема 6. Дифференциальный усилитель на операционном усилителе

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 4:

$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}-V_{2} right)times left(frac{R_{2}}{R_{1}} right)+V_{REF} qquad { mathrm {(}} {4} { mathrm{)}}$$

Эта схема будет усиливать разность двух сигналов с хорошей точностью, пока выходное сопротивление источников этих сигналов невелико. Если выходные сопротивления этих источников окажутся большими по сравнению с сопротивлением R1, то уровень сигнала на входах ОУ уменьшится из-за влияния делителя напряжения, созданного выходным сопротивлением источника и входными резисорами дифференциального усилителя. Также погрешности могут создавать разные значения выходных сопротивлений источников сигнала. Коэффициент усиления этой схемы может быть больше или равен единице.

Суммирующий усилитель

Суммирующие усилители (схема 7) используются, когда нужно объединить несколько сигналов путем их сложения или вычитания. Дифференциальный усилитель, который обрабатывает только два сигнала, является частным случаем суммирующего усилителя.

Рис. 7. Суммирующий усилитель операционного усилителя

Схема 7. Суммирующий усилитель операционного усилителя

Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 5:

$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}+V_{2}-V_{3}-V_{4} right)times left(frac{R_{2}}{R_{1} } right)qquad{mathrm{(}}{5}{mathrm{)}}$$

На инвертирующий и неинвертирующий входы ОУ в этой схеме можно подать любое равное количество сигналов через резисторы с одинаковым сопротивлением.

Преобразователь тока в напряжение

Операционный усилитель можно использовать для преобразования токового сигнала от датчика, такого как фотодиод, в напряжение. Для этого в цепь обратной связи включают единственный резистор и (опционально) конденсатор, как показано на схеме 8.

Свет, падающий на диод, вызывает протекание через него обратного тока. При использовании КМОП-операционного усилителя с высоким входным сопротивлением весь ток от фотодиода (ID1) будет протекать через цепь с наименьшим сопротивлением: через резистор обратной связи R2. А из-за очень низкого входного тока смещения КМОП-усилителей (обычно менее 200 пА) погрешность также будет небольшой. Неинвертирующий вход операционного усилителя подключен к общему проводу, что означает, что все сигналы в цепи отсчитываются относительно общего провода. Обе эти схемы будут работать только в том случае, если операционный усилитель позволяет подавать на свои входы нулевое синфазное напряжение.

На схеме 8 показаны две схемы. Верхняя схема обеспечивает высокоточное измерение освещенности. В ней напряжение на фотодиоде близко к нулю и равно напряжению смещения ОУ. При такой конфигурации основным источником тока, протекающего через резистор R2, является воздействие света на фотодиод.

Рис. 8. Преобразователь ток-напряжение на ОУ и резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает более высокую точность, а схема (б) — более быстродействующую

Схема 8. Преобразователь тока в напряжение на ОУ и резисторе: схема (а) измерения освещенности обеспечивает более высокую точность, а схема (б) — более быстродействующая

Схема измерения освещенности, показанная в нижней части схемы 8, обеспечивает более быструю реакцию. Это достигается путем обратного смещения фотодиода, когда уменьшается его паразитную емкость. Недостатком этой схемы является большая погрешность по постоянному току из-за большого обратного тока фотодиода.

Почему однополярный источник питания?

Несколько различных терминов используются для обозначения системы, в которой разработчик имеет доступ как к положительной, так и к отрицательной шинам напряжения: двуполярная, симметричная, с двойным источником питания, с раздельными источниками питания. Аналоговые схемы проще и (на наш взгляд) математически более связные, когда уровень сигнала может опускаться ниже уровня земли.

Однако неизбежным фактом является то, что двойная система питания часто является персоной нон грата в мире современной электроники. Причина этого довольно проста: для создания источника отрицательного напряжения требуется дополнительная схема, что означает больше времени на проектирование, более высокую стоимость и большие размеры печатных плат; поэтому, если системные требования можно каким-то образом удовлетворить, не прибегая к отрицательной шине питания, тем лучше. Альтернативой дополнительной схеме является вторая батарея; помимо того, что этот подход применим только к оборудованию с батарейным питанием, он увеличивает стоимость и габариты, которые можно устранить с помощью хорошо продуманной схемы однополюсного источника питания.

Примечание. Не существует закона, утверждающего, что система с двойным источником питания должна иметь положительное и отрицательное напряжения питания одинаковой величины (т. е. симметричные). Однако симметричные источники питания являются нормой для схем усилителей, и обсуждение систем с двойными источниками питания или раздельными источниками питания может включать предположение о симметричности питающих напряжений.

Применение базовых схем

Инструментальный усилитель

Инструментальные усилители используются в самых разных сферах: от медицинского оборудования до промышленных контроллеров. Инструментальный усилитель похож на дифференциальный усилитель тем, что он также вычитает один аналоговый сигнал из другого, но его входной каскад устроен иначе. Классическая схема инструментального усилителя с тремя операционными усилителями показана на схеме 9.

Рис. 9. Инструментальный усилитель с тремя операционными усилителями

Схема 9. Инструментальный усилитель с тремя операционными усилителями

В этой схеме оба входных сигнала подаются на высокоомные неинвертирующие входы операционных усилителей. Поэтому, в отличие от дифференциального усилителя, эту схему можно использовать, если выходные сопротивления источников сигнала велики и/или различны. Коэффициент усиления входного каскада определяется сопротивлением резистора RG.

Второй каскад представляет собой обычный дифференциальный усилитель. Этот каскад подавляет синфазное напряжение входных сигналов и вычитает один сигнал из другого. Выходные сопротивления источников сигналов на входе дифференциального усилителя малы, равны по величине и легко управляемы.

Напряжение смещения дифференциального каскада измерительного усилителя можно изменять в широких пределах. В цепях с однополярным питанием напряжение смещения обычно выбирают равным половине напряжения питания. Для формирования напряжения смещения можно использовать делитель мощности, схема которого показана на рис. 5. Выходное напряжение инструментального усилителя определяется по формуле 6:

$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}-V_{2} right)times left(1+frac{2R_{2}}{R_{G}} right)times left ( frac {R_ {4}} {R_ {3}} right) + V_ {REF} qquad { mathrm {(}} {6} { mathrm{)}}$$

Еще одна схема инструментального усилителя показана на рисунке 10. В этой схеме оба операционных усилителя служат для изоляции нагрузки и усиления сигнала. Кроме того, второй операционный усилитель действует как дифференциальный усилитель.

Рис. 10. Инструментальный усилитель на двух операционных усилителях. Эта схема лучше всего подходит для высокого коэффициента усиления (более 3 В/В)

Схема 10. Инструментальный усилитель на двух операционных усилителях. Эта схема лучше всего подходит для высокого коэффициента усиления (более 3 В/В)

На первый операционный усилитель можно подать напряжение смещения. Как правило, в схемах с однополярным питанием напряжение смещения выбирают равным половине напряжения питания. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 7:

$$V_{OUTPUT}=left(V_{1}-V_{2} right)times left(1+frac{R_{1}}{R_{2}}+frac{2R_{1 }}{R_{G}} right)+V_{REF}qquad{mathrm{(}}{7}{mathrm{)}}$

Плавающий источник тока

Плавающий источник тока может быть полезен для настройки тока, протекающего через элемент переменного сопротивления, такой как датчик температуры резистора (RTD). Схема, показанная на рисунке 11, представляет собой источник тока 1 мА для датчика RTD, хотя можно задать любой другой ток.

Рис. 11. Плавающий источник тока на основе двух операционных усилителей и прецизионного источника опорного напряжения

Схема 11. Плавающий источник тока на основе двух операционных усилителей и прецизионного источника опорного напряжения

В этой схеме благодаря наличию резистора R1 напряжение VREF уменьшается на величину VR1. Следовательно, напряжение на неинвертирующем входе верхнего в схеме ОУ равно VREF — VR1. Это напряжение после усиления в 2 раза дает на выходе ОУ напряжение, равное 2×(VREF — VR1). В этом случае нижнее выходное напряжение ОУ схемы равно VREF — 2×VR1. Вычитая выходное напряжение верхнего ОУ из напряжения на неинвертирующем входе нижнего ОУ, получаем:

2(VREF — VR1) — (VREF — 2VR1), что равно VREF.

Величина тока, генерируемого этой цепью, определяется по формуле 8:

$$I_{OUTPUT}=frac{V_{REF}}{R_{L}}qquad{mathrm{(}}{8}{mathrm{)}}$$

Фильтры

На входе любого АЦП настоятельно рекомендуется иметь полосовой или низкочастотный фильтр, позволяющий удалить нежелательные составляющие сигнала. Фильтр нижних частот, показанный на схеме 12, имеет два полюса, которые можно настроить для получения фильтра Баттерворта. Фильтры Баттерворта имеют плоскую частотную характеристику полосы пропускания и хорошие общие характеристики.

Рис. 12. Двухполюсные активные фильтры нижних частот легко реализовать в одном операционном усилителе

Схеме 12. Двухполюсные активные фильтры нижних частот легко реализовать на одном операционном усилителе

С другой стороны, на переходной ​​характеристике этого типа фильтра есть небольшой выброс и звон. Это может быть проблемой, а может и не быть, в зависимости от требований конкретного приложения. Коэффициент усиления этого фильтра определяется сопротивлением резисторов R3 и R4.

Обратите внимание на сходство уравнений для расчета коэффициента усиления этого фильтра и неинвертирующего усилителя, показанного на рисунке 3.

Фильтры этого типа также называют антиалиасинговыми, если они используются для удаления составляющих сигнала, частота их превышает половину частоты Найквиста конкретной дискретной системы. Таким образом, из спектра сигнала удаляются высокочастотные помехи, которые в противном случае перекрывали бы полезный сигнал.

Коэффициент усиления по постоянному току схемы, показанной на рисунке 12, определяется уравнением 9:

$$frac{V_{OUTPUT}}{V_{INPUT}}=left(1+frac{R_{4}}{R_{3}} right)qquad{mathrm{(}}{9 }{mathrm{)}}$

Полосовой фильтр, схема которого показана на рисунке 13, имеет АЧХ с одним нулем и двумя полюсами и предназначен для обработки речевых сигналов. Фильтр высоких частот первого порядка реализован на конденсаторе С1 и резисторах R1 и R2, соединенных параллельно. Отметим, что резисторы R1 и R2 также образуют делитель, формирующий напряжение смещения на неинвертирующих входах ОУ. Это обеспечивает работу обоих ОУ в линейной области. Второй операционный усилитель U2 и компоненты R3, R4, C3 и C4 реализуют фильтр низких частот второго порядка.

Рис. 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух операционных усилителях: первый операционный усилитель будет работать как фильтр верхних частот, а второй — как фильтр нижних частот

Схема 13. Полосовой фильтр можно реализовать на двух операционных усилителях: первый будет работать как фильтр верхних частот, а второй — как фильтр нижних частот

Этот фильтр удаляет высокочастотный шум, который в противном случае накладывался бы на полезный сигнал во время аналого-цифрового преобразования. Выходное напряжение этой схемы определяется по формуле 10:

$$V_{OUTPUT}=V_{INPUT}times left(frac{R_{3}}{R_{4}} right)times left(frac{R_{2}}{R_{1 }+R_{2}} right)qquad{mathrm{(}}{10}{mathrm{)}}$$

Соединяем все вместе

Схема, показанная на рисунке 14, реализует итоговое устройство измерения температуры с однополярным питанием. В этой схеме используются четыре операционных усилителя и 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Датчик RTD используется в качестве датчика температуры, который требует возбуждения током. Этот ток генерируется плавающим источником тока, схема которого показана на рисунке 11. Усилительный каскад и сглаживающий фильтр реализованы по схеме, показанной на рисунке 13.

Рис. 14. Полная схема с одним источником питания для измерения температуры

Схема 14. Полная схема с одним источником питания для измерения температуры

Сигнал с датчика RTD подается на усилительный каскад, представляющий собой комбинацию инвертирующего и неинвертирующего усилителей.

С выхода этого усилительного каскада сигнал поступает на ФНЧ второго порядка с коэффициентом усиления 6 В/В. Этот коэффициент усиления был выбран в соответствии со входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя. Предполагая, что частота дискретизации АЦП, также известная как частота Найквиста, составляет 75 кГц, частота среза сглаживающего фильтра (U4) была установлена ​​на 10 кГц. Этой полосы пропускания фильтра достаточно для эффективного удаления компонентов сигнала с частотами менее половины частоты Найквиста. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется 12-битный АЦП последовательного приближения, выход которого подключен к микроконтроллеру PIC12C509.

Подводные камни проектирования схем с ОУ

В этой части справочника написаны распространенные проблемы, связанные с операционными усилителями на печатной плате. Эти проблемы делятся на следующие четыре категории:

  • общие советы;
  • входные каскады;
  • пропускная полоса операционного усилителя;
  • операционный усилитель класса Rail-to-Rail с однополярным питанием.

Общие советы

  • Если вы начинающих радиолюбитель, то будьте осторожны при выборе напряжения, подаваемого на выводы питания операционного усилителя. Не превышайте значения для ОУ и в то же время не делайте их слишком маленькими. Высокие напряжения повредят компонент, а низкие — не обеспечат требуемого смещения транзисторов на кристалле ОУ, необходимого для нормальной работы ОУ.
  • Убедитесь, что отрицательный вывод питания (обычно заземленный) действительно подключен к низкопотенциальной шине. Кроме того, убедитесь, что источник положительного напряжения действительно обеспечивает требуемое напряжение относительно отрицательного вывода питания операционного усилителя. Для проверки подключите вольтметр между отрицательной и положительной клеммами питания операционного усилителя.
  • Внимательно проверьте шину заземления, особенно если на плате есть цифровые узлы. Тщательно продумайте трассировку земляной шины. Если схема содержит много цифровых цепей, рассмотрите возможность использования отдельных слоев питания и земли. Очень сложно, а часто и невозможно удалить шум, вызванный работой цифровых компонентов, из аналогового сигнала.
  • Разделите цепи питания операционных усилителей с помощью блокировочных конденсаторов, расположив их как можно ближе к операционному усилителю. Для КМОП-усилителей обычно рекомендуется использовать конденсаторы емкостью 0,1 мкФ. Также «развяжите» источник питания конденсатора емкостью 10 мкФ.
  • Используйте короткие проводники на входах ОУ. Если вы используете макетные платы, когда не применяется пайка, для макетирования, имейте в виду, что они могут вносить в схему паразитные шумы и вибрации. Ожидается, что эти проблемы не возникнут при реализации или ремонте схемы на печатной плате.
  • Операционные усилители чувствительны к статическому электричеству. При повреждении микросхемы ОУ просто перестанет работать, либо возникнут непонятные ошибки (например, изменится напряжение смещения или входной ток смещения), которые впоследствии будут только увеличиваться.

Входные каскады

  • Тут учитывайте диапазон входного напряжения вашего операционного усилителя. Если напряжение на любом из входов усилителя превышает допустимые пределы, то выход, скорее всего, настроится на напряжение одной из шин питания.
  • Если ваша схема имеет высокий коэффициент усиления, не забывайте о напряжении смещения операционного усилителя. Это напряжение усиливается вместе с полезным сигналом и может «забивать» полезный сигнал на выходе усилителя.
  • Не используйте операционный усилитель со входами rail-to-rail без крайней необходимости. Обратите внимание, что такие ОУ обычно требуются только для буферных усилителей и, в некоторых случаях, — для инструментальных. Если в схеме есть усиление, то ограничение выходного сигнала все равно произойдет до того, как возникнут проблемы со входом.

Ширина полосы пропускания ОУ

  • Учитывайте полосу пропускания операционного усилителя. Если вы внедрили усилитель с коэффициентом усиления 10, а выходная мощность переменного тока намного ниже, чем ожидалось, возможно, вам придется поискать усилитель с более широкой полосой пропускания.
  • Для обеспечения стабильности ОУ обычно достаточно установить конденсатор параллельно резистору в цепи обратной связи усилителя. Но это не всегда помогает. Если усилитель становится нестабильным, быстрый расчет укажет на проблему и, возможно, предложит решение.

ОУ класса «rail-to-rail» при однополярном питании

  • Операционный усилитель способен подавать на нагрузку ограниченный ток.
  • Емкостная нагрузка опасна для ОУ. Убедитесь, что используемый вами усилитель рассчитан на нагрузку в вашей цепи.
  • Очень редко операционный усилитель с однополярным питанием обеспечивает полный размах выходного напряжения. На практике пределы выходного напряжения большинства этих усилителей отличаются от напряжения каждой из шин питания на 50…200 мВ. Уточните это в технической документации вашего усилителя.
Оцените статью
Блог о рациях