НИЗКОЧАСТОТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ

May 17, 2010 by admin Комментировать »

Б. Успенский

За последние годы область применения линейных интегральных микросхем радиолюбителями значительно расширилась. Практически любое электронное устрой­ство, в котором ранее применялись дискретные тран­зисторы, теперь можно построить с использованием мик­роэлектронных узлов, причем доступность их такова, что даже начинающему радиолюбителю теперь проще смон­тировать устройство на одной-двух интегральных схе­мах, чем на многих дискретных элементах.

В этой статье будет уделено внимание вопросам соз­дания низкочастотных усилительных устройств на инте­гральных операционных усилителях (ОУ), являющихся наиболее распространенными и универсальными среди аналоговых микросхем. Статья подготовлена по мате­риалам обзора «Линейные интегральные микросхемы», который по заявкам радиолюбителей распространяет Письменная радиотехническая консультация при ЦРК СССР имени Э. Т. Кренкеля (103012, Москва, ул. Куйбы­шева, 4/2, помещение 12).

Классификация и номенклатура операционных уси­лителей. Микроэлектронные ОУ выпускаются преиму­щественно сериями, причем обычным является объеди­нение в одну серию ОУ, значительно отличающихся по принципу построения, назначению и функциональным параметрам. Примерами серий с широко развитой но­менклатурой микросхем ОУ могут служить КНО и К153.

Операционные усилители можно разделить на сле­дующие группы:

ОУ общего применения, составляющие наиболее мно­гочисленную группу универсальных по применению ОУ со средними значениями параметров;

ОУ прецизионные, характеризуемые повышенной точ­ностью -установки передаточной функции благодаря более высокому входному сопротивлению, улучшенным параметрам смещения нулевого уровня и повышенному коэффициенту усиления;

ОУ быстродействующие (широкополосные), характе­ризуемые повышенной скоростью нарастания выходного напряжения и малым временем установления;

ОУ маломощные, характеризуемые наименьшей по­требляемой от источников питания мощностью, а также возможностью, например для ОУ КИОУД12, внешней регулировки тока смещения, а значит, быстродействия и потребляемой мощности (такие ОУ называют также программно-управляемыми).

В табл. 1 приведен перечень выпускаемых отече­ственной промышленностью интегральных микросхем операционных усилителей с кратким указанием отличи­тельных особенностей и характерных параметров.

В дополнение к табл. 1 приведем сведения о трех ОУ, отличающихся своим внутренним строением от осталь­ных усилителей.

Таблица 1

№ п/п

Наименование микросхемы, особенности

Тип

Зарубежный аналог

Тип корпуса

1

Операционный усилитель средней точности: Uсм = 7 мВ; Iвх = 7 . . . 11 мкА K = 500 … 4500 (А), 1350… 12000 (Б), более 8000 (В)

КР140УД1 А. ..В

мА702С

201.14-1

2

Операционный усилитель средней точности: UCM = 5 мВ; Iвх = 0,7 мкА Eп = ± 12,6 В (А); ±6,3 В (Б)

КНОУД2А,

Без аналога

301.8-2

3

Операционный усилитель средней точности: Uсм = 10 мВ (А);5мВ(Б) Iвх = 5 мкА (А); 10 мкА (Б); K>500 (А); 1000(Б);Rвх=50кОм(А); 7 кОм (Б)

К140УД5А, Б

Без аналога

301.12-1

4

Операционный усилитель средней точности: Uсм = 10 мВ; Iвх= 100нА;K> 30000; Rвх = 1 МОм

К140УД6

МС1456С

301.8-2

Б

Операционный усилитель соедней точности: Uсм = 9 мВ; Iвх = 0,4 мкА К > 30 000; Rвх = 400 кОм

К 140У Д 7

мA741C

301.8-2

6

Операционный усилитель средней точности: UCM = 50 мВ (А); 100 мВ (Б); 150 мВ (В); Iвх = 0,2 нА К> 40 000 (А); 15 000 (Б): 9000 (В); рвых = 2 В/мкс (А, В); 5 В/мкс (Б)

К140УД8 А, Б, В

мА740С

301.8-2

7

Операционный усилитель средней точности: Uсм = 5 мВ; Iвх = 0,35 мкА К = 35 000 (200 Гц) Рвых = 0.5 В/мкс

К140УД9

Без аналога

301 12-1;

8

Быстродействующий ОУ: pвых = 50 В/мкс К > 25 000

К140УД11

LM318

301.8-2

9

Микромощный ОУ с ре­гулируемым потреблением мощности: Uсм = 5 мВ; Iвх = 50 нА Iпот = 0,18 мА макс. K > 100000 (±15 В)

КНОУД12

мА776С

301.8-2

10

Прецизионный предусили-тель постоянного тока с дифференциальными вхо­дами: UCM = 0,05 мВ; Iвх = 0,5 нА дUсм = 0,5 мкВ/°С

КИОУД13

Без аналога

301.8-2

11

Прецизионный ОУ с ма­лыми входными токами и малой потребляемой мощ­ностью: исм2 мВ(А); Iвх = 2 нА(А), 7 нА(Б); fт = 0,3 МГц K>50000 ((А) 25000 (Б) Rвх = 30 МОм

КНОУД14 А, Б

LM308

301.8-2

12

Прецизионный операцион­ный усилитель: U = 80 мкВ; Iвх = 4 нА ДUСМ=1,3 мкВ/°С; К = 200 000

КНОУД17

ОР-07Е

301.8-2

13

Широкополосный ОУ с по­вышенным быстродейст­вием: fт = 2,5 МГц; Uсм=10м В;Rвя = 1 ТОм

КРНОУД18

LF-355

201.12-1

14

Сдвоенный ОУ с внутрен­ней частотной коррекцией и защитой выхода от ко-роткогх) замыкания: U = 5 мВ; Iвх= 0,2 мкА; 0,5 мкА (КР); K>20000 (±5 В); 50000 (±15 В) Rвх = 400 кОм; Рвых = 0,3 В/мкс

140УД20 КРИОУД20 А, Б

цА747 цА747С

201.14-10 201.14-1

15

Операционный усилитель: Uсм = 7,5 мВ (А); 2 мВ (Б) Iвх = 1,5 мкА (А); 0,2 мкА (Б) K> 15000 (А); 25 000 (Б)

К153УД1 К553УД1А, Б

цА709С

301.8-2 201.14-1

16

Операционный усилитель средней точности: Ucu7,5 мВ; Iвх=1,5 мкА;K>20000

К153УД2 К553УД2

LM301

301.8-2 201.14-1

17

Операционный усилитель средней точности: Uсм = 2 мВ; дUсм = 10 мкВ/°С Iвх = 0,2мкА;K>25000

К153УДЗ

мА709А

301.8-2

18

Операционный усилитель микромощный: Uсм = 5 мВ Iвх = 0,4 мкА; Iпот = 0,8 мА; K>5000; fт = 0,7 МГц

К153УД4

Без аналога

301.12-1

19

Операционный усилитель средней точности: Uсм= 1,5 мВ (А); 2,5 мВ (Б) Iвх = 100 нА(А); 125 нА (Б) дUси = 10 мкВ/°С дIвх = 1 нА/°С К = 500 000 (А); 250000 (Б)

К153УД5 А, Б КМ551УД1 А, Б

цА725С

301.8-2 201.14-8

20

Операционный усилитель средней точности: Uсм = 2 мВ; Iвх = 75 нА K> 50 000; дUсм = 15 мкВ/°С

К153УД6

LM301A

301.8-2

21

Операционный усилитель с повышенным быстродей­ствием: Uсм = 3 мВ; Iвх = 20 нА

Рвых = 10 В/МКС

Iпот = 120 мкА; К > 200 000

154УД1

НА2700

301.8-2

22

Быстродействующий ОУ: Uсм = 2 мВ; Iвх= 100 нА Рвых = 75. ..150 В/мкс К > 100 000

154УД2

 

301.8-2

23

Быстродействующий опе­рационный усилитель: U си — 8 мВ; Iвх = 200 нА Рвых = 60 В/мкс; I = 500 не; K > 8000

154УДЗ

AD509

301.8-2

24

Быстродействующий опе­рационный усилитель; Uсм = 5 мВ; Iсх= 10ОО нА Рвых = 500 В/мкс tуст 600 нc

154УД4

НА2520

301.8-2

25

ОУ средней мощности: Iн = 300 мА; Uсм = 5мВ К> 50 000; Iвх = 500 нА

К157УД1

Без аналога

201.9-1

26

Двухканальный ОУ: К > 50000 (50 Гц); 300… 800 (20 кГц)

К157УД2

2 шт. LM301

201.14-1

27

Операционный усилитель с высоким входным сопро­тивлением: Uсм = 30 мВ (А); 50 мВ (Б); Iвх = 0,15нА(А); 1нА(Б); Uш = 5 мкВ эфф. (А) 10 мкВ эфф. (Б) (0,1 … 10) Гц

Рвых = 2 В/МКС

К > 50 000 (А); 20 000 (Б)

КР544УД1А, Б

цА740

2101.8-1

28

Широкополосный ОУ с вы­соким входным сопротив­лением и повышенным бы­стродействием: Uсм = 30 мВ (А); 50 мВ (Б, В); Iвх = 0,1 нА (А); 0,5 нА (Б); 1 нА (В) fт= 15 МГц; Рвых = 20 В/мкс К = 20 000 (А, В); 10000 (Б)

КР544УД2А, Б, В

СА3130

21018-1

29 30

Оконечный усилитель K = 550; Uсм = 20 мВ: Iвх = 2 мкА ; Rн = 45 . . . 75 Ом

Малошумящий двухка-нальный ОУ: (7СМ = 5 мВ; Iих = 2 мкА; Kос между каналами 60 дБ; К >5000; Uш = 1 мкВ (А)

Б50УП1

КМ551УД2 А, Б

fxA791C

ТВА931 jxA739C

201.8-1 201.14-8

31

Быстродействующий опе­рационный усилитель с полевыми транзисторами на входе: Uсм = 50 мВ; Iвх = 0,5 нА рвых = 50 В/мкс К > 20 000 (А); 50 000 (Б)

К574УД1А, Б

AD513

301.8-2

32

Двухканальный малошу­мящий ОУ с полевыми транзисторами на входе: UCM15мВ; Iвх = 0,2 нА

Рвых = 12 В/МКС

fт = 3 МГц; Rвх = 1 ГОм

К574УД2

TL083

301.12-1

33

Сдвоенный операционный усилитель для устройств видеозаписи

КР1005УД1

AN6551

201.14-1

34

Счетверенный ОУ с одно-полярным питанием: К > 1200; fT = 2,5 МГц Rвх = 1 МОм

К1401УД1

LM2900

201. Н-3

35

Счетверенный ОУ: UСМ = 7 мВ; Iвх = 250 нА K> 15000

К1401УД2

LM324

201.14-9

36

Малошумящий широкопо­лосный ОУ для низкоом-ных источников сигнала: Uсм = 10 мВ; Iвх = 10 мкА еш = 5 нВ/Гц-2 (10 кГц)

К1407УД1

Без аналога

301.8-2

37

Программируемый мало­шумящий ОУ: Eп = ±(1,2 .. 13,2) В; Iвх = 0,15 мкА макс. К = 50 000

КР1407УД2

LM4250

2101.8-2

38

Высоковольтный операци­онный усилитель: Uвых = ± 18 В; U си = 8 мВ; Iвх = 40 нА К > 50 000; Рвых = 2,5 В/мкс

КР1408УД1

LM343

201.14-1

39

Операционный усилитель с малыми входными тока­ми: Iвх = 50 пА; Uсм = 15 мВ

КР1409УД1

САЗ 140

3101.8.-2.0

clip_image001

Рис. 1. Усилитель с отрица­тельной обратной связью

Предусилитель КИОУД13 характеризуется наимень­шими значениями напряжения смещения нулевого уров­ня и его температурным коэффициентом. Этот предусилитель построен по схеме с преобразованием медленно меняющегося входного сигнала в переменное напряже­ние с последующим его усилением и демодуляцией. Использованы ключевые модулятор и демодулятор на полевых транзисторах, работающих на частоте 1…30 кГц. Коэффициент усиления К140УД13 равен 10, выходное напряжение не превышает ± 1 В, а диапазон частот ограничен сверху значением, равным 10…20 % от часто­ты модуляции. Для формирования сигнала с большей амплитудой необходим дополнительный ОУ, например К140УД7.

clip_image002

Рис. 2. Дифференциальное вклю­чение ОУ

Особенностью реализации ОУ КНОУД12 является наличие отдельного вывода для подключения цепи управляющего тока. Изменяя управляющий ток в пре­делах 1,5… 15 мкА, можно изменить при напряжении питания ±15 В потребляемую мощность от 0,9 до 6 мВт, коэффициент усиления от 5-104 до 2-105, частоту единичного усиления от 0,01 до 0,1 МГц, скорость на­растания выходного напряжения от 0,1 до 0,8 В/мкс. Усилитель сохраняет работоспособность при изменении напряжения питания от ±1,2 В до ±15 В. Потребляе­мая мощность 150 мкВт при напряжении питания ±3 В. Такой усилитель особенно подходит для устройств с батарейным питанием. Аналогичными свой-ствамрг-обладает усилитель КРН07УД2.

clip_image003

Рис. 3. Улучшенный дифференциальный усилитель

Выпускается счетверенный ОУ К1401УД1, который известен под названием «токоразностный усилитель» и отличается возможностью работы только с однополяр-ным источником питания. Особенностей этого типа ОУ здесь касаться не будем. Интересующихся отсылаем к книге Дж. Рутковски «Интегральные операционные усилители» (М., Мир, 1978), где дано много примеров использования токоразностного ОУ.

clip_image004

Рис. 4. Масштаб­ный усилитель

Усилители сигналов. Операционные усилители в большинстве применений работают с цепью отрицатель­ной обратной связи, при которой выходной проинвертированный сигнал поступает на вход (рис. I). При глу­бокой отрицательной обратной связи коэффициент пе­редачи устройства в основном определяется цепями об­ратной связи, а влияние разброса и нестабильности параметров уменьшается. Например, уменьшаются иска­жения и нелинейность, происходит сглаживание неравно­мерной частотной характеристики, а также появляется возможность точно сформировать расчетную амплитуд­ную или амплитудно-частотную характеристику в преде­лах полосы пропускания ОУ, Чем глубже отрицательная обратная связь, т, е. чем больше коэффициент усиле­ния ОУ без обратной связи, тем меньше характеристики устройства зависят от разброса и нестабильности пара­метров микросхемы.

clip_image005

Рис. 5. Регулировка усиления

Схема дифференциального включения ОУ (рис. 2) является сочетанием инвертирующей и неинвертирую­щей схем. Выходное напряжение UBbJX– (U2U,) R2/RL Задавшись величиной N=R2/R1, получим умножение разности двух сигналов на коэффициент N. Недостат­ком данной схемы является то, что при больших вход­ных сигналах не обеспечивается достаточное ослабление по синфазному сигналу. Если использовать два ОУ, можно построить схему дифференциального усилителя без синфазных сигналов на входах (рис. 3), так как неинвертирующие входы ОУ заземлены.

clip_image006

Рис. 6. Получение показа­тельной функции

Масштабный усилитель на ОУ с дискретной уста­новкой коэффициента передачи следует строить так, чтобы при переключениях не нарушать режима входов ОУ. В схеме рис. 4 с помощью переключателя можно устанавливать три значения Ки:

(R1 +R4 + R6)/R1; (RI + R4 + R6)/(R1 + R4);

clip_image007

Рис. 7. Подача смещения на входы ОУ

Резисторы R2, R5, R7 необходимы для выравнивания сопротивлений, подключаемых к входам.

Для плавной регулировки усиления рекомендуется устройство, схема которого представлена на рис. 5 (при условии R3<R2). Конденсатор С в данном случае уста­новлен для ограничения сверху полосы усиливаемых частот, т. е. для создания фильтра нижних частот с гра­ничной частотой frp=1/2пC-R2, не зависящей от зна­чения Ки.

clip_image008

Рис. 8. Усилитель переменного напряжения

В усилителях звуковых частот для регулировки уси­ления применяют потенциометры группы В с показа­тельной зависимостью сопротивления от угла поворота. Хорошее приближение к такой нелинейности можно по­лучить в усилителе с линейным потенциометром, схема которого приведена на рис. 6.

clip_image009

Рис. 9. Усилитель фототока

Если необходимо выполнить на ОУ усилитель пере­менного напряжения с единственным источником пита­ния, можно использовать варианты дифференциального включения (рис. 7). Для сигнала UG это инвертирующая схема с Ku = R2/R1. Чтобы на выходе ОУ была полови­на + еп, необходимо выполнить соотношение R4/R3= = 2Ku+1. Если Uc подать через разделительный конден­сатор (как чаще всего поступают), следует принять R4 = R3 = 2-R2. Можно подать сигнал через раздели­тельный конденсатор на неинвертирующий вход ОУ и заземлить левый вывод R1 через электролитический кон­денсатор; соблюдая равенство R4 = R3 = 2-R2, получим входное сопротивление усилителя RBX=R2.

Часто бывает необходимо повысить входное сопро­тивление усилителя без чрезмерного увеличения сопро­тивлений делителя. В усилителях с двуполярным пи­танием с помощью устройства на рис. 8 достигают повышения входного сопротивления по переменному напряжению за счет подключения R3 к средней точке делителя обратной связи. Учитывая собственное входное сопротивление rвх и коэффициент усиления K микросхе­мы и принимая R3>RJ, можно записать

clip_image010

Если усиление велико (R2:R1>1), то при rвх>RЗ получим RBX&K-R3-R1/R2. Изменение K с частотой при­водит к изменению RBX, однако на низких частотах оно значительно за счет большой избыточности усиления микросхемы.

На основе ОУ очень просто реализуются усилители тока (преобразователи ток — напряжение). Идеальный источник тока имеет бесконечное выходное сопротивле­ние и его выходной ток не зависит от нагрузки. Ниж­ний предел доступного измерению тока определяется током смещения ОУ, поэтому здесь используют ОУ на полевых транзисторах. На рис. 9 показан усилитель фо­тотока с кремниевым фотодиодом. Емкости конденсато­ров Cl, C2 выбираются из условия устойчивости ОУ и подавления возможных наводок.

Дифференциальный потенциометрический УПТ, пред­ставленный на рис. 10, очень часто применяется в устройствах преобразования потенциалов, поступающих как от заземленных, гак и от незаземленных источников сигналов, в напряжение на низкоомной заземленной на­грузке. Усилители DA1.1, DA1.2 являются неинверти-рующими, a DA2 включен по дифференциальной схеме с умножением разности входных сигналов. При условии R1 = R4, R2 = R5, R6 = R7 коэффициент усиления раз­ности входных напряжений, в нашем случае составляет; Ки = (l+2Rl/R3)-R6/R2 = 100

clip_image011

Рис. 10. Дифференциальный потенциометрический усили­тель постоянного тока

clip_image012

Рис. 11. Предусилитель для стереофонического звукоснимателя

Этому УПТ свойственны следующие особенности:

усилители DA1.1, DA1.2 обеспечивают по обоим вхо­дам высокое входное сопротивление, определяемое лишь утечками и изоляцией входных цепей (оно трудно под­дается измерению);

усиление легко регулируется изменением сопротивле­ния одного резистора R3, его можно сделать перемен­ным;

различие в сопротивлениях резисторов Rl, R4 изме­няет коэффициент усиления, но не влияет на подавление синфазного сигнала;

для большего подавления синфазного сигнала сле­дует точно подобрать или попарно отрегулировать R2, R5 и R6, R7;

сопротивления резисторов RlR5 не влияют на вход­ное сопротивление, поэтому их можно выбрать неболь­шими для уменьшения влияния токов смещения;

поскольку выходное напряжение пропорционально разности напряжений смещения усилителей DA1.1 и DA1.2, для температурной компенсации сдвига уровня напряжения следует применить сдвоенные ОУ ,(К157УД2, КР140УД20 и др.);

входной ток усилителя создает на внутреннем сопро­тивлении генератора падение напряжения, воспринимае­мое как сдвиг нулевого уровня, который зависит от тем­пературы и не компенсируется.

Устройство на рис. 11 представляет собой высоко­качественный двухканальный предварительный усили­тель для электромагнитного звукоснимателя стереопро­игрывателя. Усилитель выполнен на одной микросхеме. Питание от источника +30 В. Сложная цепь отрица­тельной обратной связи предназначена для формирова­ния необходимой частотной характеристики предусилителя по существующим нормам, Типичные параметры усилителя таковы:

усиление 40 дБ на частоте 1 кГц;

пиковая перегрузка входов до 80 мВ эфф.;

уровень шума, приведенный к входу, 2 мкВ;4

отношение сигнал — шум 74 дБ при мощности 10 мВт;

разделение каналов 80 дБ на частоте I кГц.

Усилители мощности. Стандартные микросхемы ОУ выдают напряжение ±10 В на нагрузку не менее 1 кОм, т. е. пиковая мощность не превышает 100 мВт, а эф­фективная для синусоидального сигнала — 50 мВт. По­вышение выходной мощности возможно в случае выпол­нения следующих условий:

увеличения выходного тока с сохранением амплитуды напряжения на нагрузке;

увеличения амплитуды выходного напряжения;

увеличения выходного напряжения свыше ±10 В при одновременном увеличении тока нагрузки.

Рассмотрим эти приемы с использованием стандарт­ных ОУ,

clip_image013

Рис. 12. Параллель­ное включение ОУ

Два усилителя могут работать на одну нагрузку па­раллельно (рис. 12), если уравнять их выходные токи с помощью резисторов R3. Ориентировочно падения на­пряжения на R3 составляют 0,2…0,5 В при максималь­ном токе ОУ, В нагрузку при этом поступает удвоен­ный ток.

clip_image014

Рис. 13. Усилитель тока с каскодными парами

Аналогичную функцию усиления тока выполняет устройство, схема которого приведена на рис. 13. Рас­качка на транзисторы оконечного каскада в этой схеме подается с выводов питания ОУ. При этом транзисторы VTlt VT2 образуют две дополнительные пары усиления напряжения вместе с выходными эмиттерными повтори­телями ОУ. При малых токах нагрузки транзисторы VT1, VT2 заперты, весь выходной ток протекает через ОУ. При больших сигналах транзисторы VT1, VT2 открываются и основная часть выходного тока проходит через них, а выходной ток ОУ ограничен значением, равным 0,65В/R1. Существенное цреимущество этой схе­мы состоит в том, что благодаря наличию тока покоя ОУ на переходах база — эмиттер транзисторов выход­ного каскада присутствует начальное напряжение сме­щения около 400…500 мВ, зависящее от сопротивления резистора RL При этом ток покоя з выходном каскаде на кремниевых транзисторах еще будет отсутствовать, в результате нет необходимости принимать дополнитель­ные меры для его стабилизации.

clip_image015

Рис. 14. Удвоение выходного напря­жения

Если нагрузка ОУ может быть не связана с землей (например, обмотка реле или трансформатора), то уве­личить выходное напряжение вдвое можно с помощью устройства, собранного по схеме рис. 14. Инвертор DA2 подводит к нагрузке противофазное напряжение.

clip_image016

Рис. 15. Широкополосный усилитель мощности

Существенное увеличение амплитуды напряжения на нагрузке можно обеспечить путем подключения к ОУ выходного каскада с отдельными повышенными питаю­щими напряжениями. Схема такого широкополосного устройства приведена на рис. 15. Рассмотрим ее под­робно.

Для получения максимальной полосы частот сигнал раскачки подается на эмиттеры VT1, VT2, которые обра­зуют каскодные схемы VT1, VT3 и VT2, VT4 на тран­зисторах разной проводимости.

Чтобы полоса усиливаемых частот не ограничива­лась ОУ, входной сигнал подается на два тракта: низ­кочастотный и высокочастотный. Этот усилитель обла­дает хорошей стабильностью нулевого уровня из-за на­личия ОУ и оптимальными частотными свойствами. Быстродействие ограничено лишь частотными свойства­ми выходного каскада. Все устройство ведет себя как инвертирующий усилитель с отрицательной обратной связью и коэффициентом усиления, равным R2/R1. Его не следует выбирать более 10, что достаточно для по­лучения выходных сигналов до ±100 В при входных ±10 В.

Для расчета усилителя сначала следует задать кол­лекторные токи VT1VT4. Выбираем их по 10 мА. Тогда через R12 и R13 должен протекать ток 20 мА. Используем в качестве VD1, VD2 светодиоды с красным свечением (они понадобятся для сигнализации включе­ния питания), прямое напряжение которых составляет 1,6 В. За вычетом напряжения база — эмиттер VT3, VT4 падения напряжения на R12, R13 будут по 1 В. Следо­вательно, R12 = R13 = 50 Ом (1 В/20 мА).

При отсутствии сигнала ток через равные резисторы R5, R6 примерно равен 0.6В/R6. На эту величину ток, протекающий через R7 и R8, должен превышать кол­лекторный ток транзисторов VT1, VT2t

Для максимального использования источников тока на транзисторах VT3, VT4 их коллекторные токи долж­ны изменяться от среднего значения 10 мА в обе сто­роны до 0 и до 20 мА. На основании этого определим R5 = R6=10 В/10мА=1 кОм. Значит, в состоянии покоя ток через R5, R6 равен 0,6 В/1 кОм = 0,6 мА, а через R7 и R8 — (10 + 0,6) мА. Следовательно, R7 = R8 = = 15 В/10,6 мА — 1,4 кОм; принимаем 1,3 кОм. На этом расчет сопряжения ОУ с оконечным каскадом заканчи­вается; далее необходим расчет выходных транзисторов.

Целесообразно для защиты выходных транзисторов от перегрузки использовать устройства ограничения мак­симальной силы выходного тока. В схеме по рис. 15 ограничение тока достигается с помощью транзисторов VT5, VT6, базовые цепи которых подключены к датчи­кам тока R18, R19. Транзистор VT5 или VT6 откроется и зашунтирует переход база — эмиттер выходного тран­зистора, когда потенциал его базы превысит U63=0,6 В, Ток ограничения на выходе составит

clip_image017

В рабочем режиме этот ток возрастает одновременно с увеличением тока нагрузки, когда выходное напряже­ние стремится к номиналу Еп. Если выполнить условие R14-R18IR16 = Rn, ток ограничения при любых положи­тельных Uвых для транзистора VT7 и отрицательных Uвых для транзистора VT8 будет превышать ток нагруз­ки на одну и ту же величину

clip_image018

Полагая ДI= (0,1…0,2) Iмакс, можно определить R18 при известных Еп, RH. Здесь следует использовать мини­мальное значение Rn, если нагрузка изменяется, Далее, выбирая R16= (200…800) Ом, подсчитывают R14 = «= RH R16/R18, Для симметричной схемы R14 = R15, R16~R17, R18 = R19.

С такой схемой защиты максимальная мощность, рассеиваемая на низких частотах в рабочем режиме каждым из транзисторов VT7, VT8, составляет:

clip_image019

clip_image020

Рис. IS. Частотная зависимость уровня гармонических искаже­ний усилителей:

1 — скорость нарастания выходного напряжения 0,5 В/мкс, частота единичного усиления 1 МГц; 2 — 1 В/мкс, 3 МГщ 3 — 13 В/мкс, 3 МГц

Интересно отметить, что в аварийном режиме при замыкании выхода на землю рассеиваемая мощность не превысит 0,1…0,2 от произведения Iмакс-Eп, а при за­мыкании выхода на источник питания выходные тран­зисторы вообще закрываются. Причем это наступает с того момента, когда Iогр = 0, т. е. когда

UВЫХ=Eu — U63. R/R18.

При реальных соотношениях номиналов VT7 запи­рается, когда Uвых становится менее — (2…4) В, а VT8 — при UВых> (2…4) В. Сравнивая эти соотношения со свойствами схемы защиты без делителей R14R17, видим, что в ней рассеиваемая мощность при замыкании выхода на землю составляет (1,1…1,2) Iмакс-Eп т. е. увеличена в 6…И раз, а при замыкании на источник питания еще вдвое больше. Преимущество предложен­ной схемы защиты очевидно.

Применяя ОУ на звуковых частотах, не следует за­бывать об увеличении гармонических искажений с ро­стом частоты сигнала, когда запас усиления ОУ умень­шается и отрицательная обратная связь не уменьшает погрешности. На рис. 16 показана частотная зависи­мость искажений различных ОУ, причем кривая 1 соот­ветствует стандартной коррекции распространенных микросхем К553УД1, К553УД2, К140УД7, а кривая 5 — К574УД2. Имея это в виду, от схемы рис. 15 следует потребовать, чтобы высокочастотный тракт начинал ра­ботать раньше, чем станут заметными искажения сиг­нала низкочастотного тракта на ОУ.

Для фильтра нижних частот R3C2 на входе ОУ целе­сообразно выбрать граничную частоту около 10 кГц (ориентировочно 16 кОм, 1000 пФ). Граничную частоту фильтра высоких частот R4C1 следует выбрать не более 1 кГц (20 кОм, 10 нФ). Коэффициент усиления разомкнутого высокочастотного тракта может быть установлен с помощью резисторов R9, R10. Наряду с выбором ем­кости конденсаторов СЗ, С4 его следует устанавливать так, чтобы обеспечивался желаемый вид переходных процессов всего усилителя с замкнутой обратной связью. Для ОУ достаточно стандартной частотной коррекции. Чтобы подавить генерацию на высоких частотах, при необходимости можно ввести в базовые цепи некоторых транзисторов небольшие дополнительные резисторы, включить параллельно нагрузке последовательную RC-цепь, если нагрузка носит индуктивный характер на вы­соких частотах, а также шунтировать R2 небольшой емкостью с последовательным резистором сопротивле­нием около 0,1 R2.

Во всех рассмотренных выше устройствах выходные транзисторы могут быть составными, что дает возмож­ность достичь силы тока нагрузки усилителя мощности до нескольких ампер.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты