Работа 4.7

Исследование многокаскадного усилителя мощности

Одиночные усилительные каскады, как правило, не могут обеспечить требуемый коэффициент усиления напряжения, тока и мощности. Для получения необходимого усиления используют усилители, состоящие из нескольких каскадов. Промышленность выпускает многокаскадные усилители различного назначения в виде интегральных схем. Интегральный усилитель представляет законченный функциональный блок, изготовленный в одном корпусе.

Наиболее распространенными интегральными усилителями являются ОУ, рассмотренные в работе 4.5. Другим важным классом аналоговых интегральных схем являются усилители мощности. Они компактны, не требуют дополнительных внешних элементов, содержат устройства защиты от коротких замыканий и перегрузок. Мощность  таких усилителей достигает нескольких Вт.

Простейший усилитель мощности

Схема трехкаскадного усилителя мощности показана на рис. 4.7.1. Первый каскад выполнен по дифференциальной схеме на p-n-p транзисторах VT1 и VT2.

Рис. 4.7.1

Второй каскад реализован на транзисторе VT3, включенном по схеме с общим эмиттером. Второй каскад обеспечивает основную часть коэффициента усиления напряжения. Конденсатор С  предназначен для коррекции частотной характеристики  усилителя. Такая коррекция необходима для того, чтобы исключить возникновение паразитных колебаний при включении внешней цепи обратной связи.

Третий каскад, выполненный на транзисторах VT4 и VT5, обеспечивает усиление мощности выходного сигнала, Он является двухтактным эмиттерным повторителем, работающим в режиме АВ. Диоды VD1 и VD2, включенные в цепь коллектора VT3, обеспечивают смещение рабочих точек транзисторов VT4 и VT5. Это позволяет уменьшить искажения выходного сигнала, вызванные нелинейностью передаточной характеристики двухтактного усилителя.

Для обеспечения стабильного коэффициента усиления и уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала усилитель охватывается внешней цепью отрицательной обратной связи.

Расчет постоянных составляющих токов и напряжений в схеме на рис. 4.7.1.

Для упрощения расчетов полагаем, что коэффициент , так что для всех транзисторов . Все транзисторы работают в активном режиме, поэтому .

1. Токи покоя транзисторов  VT1  и VT2

   .

2. Ток коллектора VT3

   

4.7.2. Усилитель мощности LM 380

На рис. 4.7.2 представлена более совершенная схема усилителя мощности. Она представляет упрощенный вариант интегральной схемы LM 380, выпускаемой фирмой National Semiconductor corp. и характеризует основные особенности схемотехники ИС усилителей мощности.

Входным каскадом усилителя является дифференциальный усилитель на p-n-p транзисторах VT1 и VT2, работающий в режиме эмиттерного повторителя. Нагрузкой каскада является токовое зеркало на транзисторах VT3 и VT4.

Рис. 4.7.2

Второй каскад усиления реализован на транзисторе VT10, включенном по схеме с заземленным эмиттером. В цепи коллектора включен источник тока на транзисторе VT9. Конденсатор С обеспечивает частотную коррекцию усилителя.

Нагрузкой второго каскада является входное сопротивление двухтактного эмиттерного повторителя на транзисторах VT5 – VT7, работающего в режиме АВ. Комбинированная схема, образованная p-n-p транзистором VT6 и n-p-n транзистором VT7, используется в качестве составного p-n-p транзистора.

Резистор  обеспечивает отрицательную обратную связь между выходом схемы и эмиттером транзистора VT2. Это увеличивает линейность передаточной характеристики ИС. Детальный анализ схемы показывает, что при заданных сопротивлениях  и  коэффициент усиления схемы равен 50.

Рассмотренная структура является типовой для ИС усилителей мощности. Перечислим ее основные особенности.

1. Входным каскадом является дифференциальный усилитель, обеспечивающий высокое входное сопротивление, подавление синфазной составляющей сигнала и линейность передаточной характеристики. Наличие дифференциального входа позволяет легко включить внешнюю цепь отрицательной обратной связи. Для увеличения входного сопротивления в первом каскаде часто используют составные транзисторы.
2. Второй каскад реализован на основе схемы с заземленным эмиттером.
3. Для обеспечения стабильного коэффициента усиления и уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала используется отрицательная обратная связь.

Заметим, что архитектура ИС усилителей мощности на рис. 4.7.1 и 4.7.2 мало отличается от стандартной архитектуры интегральных ОУ.

Рис. 4.7.3

В реальных усилителях для увеличения входного сопротивления в первом каскаде используются составные транзисторы.
Архитектура рассмотренной ИС усилителя мощности мало отличается от стандартной архитектуры интегральных ОУ. ИС LM 380 может работать в диапазоне напряжений питания от 12 до 22 В. Выбор величины напряжения питания зависит от сопротивления нагрузки  и требуемой выходной мощности.

Рекомендации по сборке схем

При сборке схем усилителей использовать модель  n-p-n транзистора  Q2N3904 и модель p-n-p –транзистора Q2N3906 из библиотеки EVAL.slb. Примеры схем можно найти в файлах W4_7_1 и W4_7_2 в папке  Electronics\Labs.

Рекомендуемая литература

1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. / Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.
3. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер. с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
5. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. Пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.