Обратная связь. Отрицательная обратная связь – Радиолюбительская азбука

June 17, 2015 by admin Комментировать »

Обратная связь — цепь из пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, диодов и иногда транзисторов), включенная между выходом и входом ОУ. Применяется она для придания ОУ нужного коэффициента усиления, а также для изменения его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ).

Обратная связь бывает положительной (ПОС) и отрицательной (ООС). Положительная обратная связь увеличивает коэффициент усиления ОУ и превращает его в триггер Шмитта (см. том I). Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления и переводит ОУ в линейный режим — в режим усиления аналогового сигнала.

На рис. 1.27 показаны схемы усилителей на ОУ с отрицательной обратной связью. Рассмотрим первую схему (рис. 1.27, а).

Поскольку входной сигнал этой схемы подается на прямой вход ОУ, то усилитель на DA1 неинвертирующий — т. е. он не изменяет фазу сигнала. Входное сопротивление усилителя зависит только от сопротивления резистора R3 (но в разумных пределах — через вход ОУ тоже протекает некоторый, очень небольшой ток; впрочем, при использовании ОУ с полевыми транзисторами на входе этот ток можно не учитывать), и его можно изменять в широких пределах изменением сопротивления этого резистора. Обычно в качестве R3 используют резисторы сопротивлением 100 кОм…1 МОм.

Обратная связь на ОУ подается через делитель напряжения на резисторах R1 и R2. Полярность обратной связи зависит от того, на какой именно вход она подается: если на прямой, то обратная связь положительная, а если на инверсный — отрицательная. На рис. 1.27 все ОУ работают с ООС.

Левый по схеме вывод резистора R1, а также нижний вывод резистора R3 подключены к общему проводу, напряжение на котором равно половине напряжения питания (рис. 1.28). Следует помнить, что ОУ, работающие в линейном режиме, можно питать только от двухполярного источника питания! Дело в том, что у ОУ, работающих в линейном режиме, напряжение на выходе должно равняться половине напряжения питания (см. пример с качелями), иначе напряжение на выходе будет «ударяться» или в пол, или в потолок, из-за чего возникнут такие искажения сигнала, что ваши уши мгновенно «свернутся в трубочку». Эту самую «половину напряжения питания» формирует источник питания (рис. 1.28), и на схемах с использованием ОУ она обычно обозначается знаком «общий» (±). Напряжение питания ОУ обычно помечают как двухполярное, с использованием знака «±». Так, обозначение «+15 В» означает, что на ОУ подается двухполярное напряжение с суммарной амплитудой 30 В: на вывод «+U», относительно общего провода, подается напряжение +15 В, а на вывод «-U» — напряжение, равное -15 В относительно общего провода. То есть получается, что два источника питания включены последовательно и их суммарное напряжение равно 15 х 2 = 30 В.

Двухполярное напряжение легко «сделать» из однополярного, с удвоенной амплитудой, с помощью простейшей схемы, изображенной на рис. 1.28, а. На резисторах R1 и R2 собран делитель напряжения, и при равенстве сопротивления

Рис. 1.27. Усилители с ООС: а — неинвертирующий; б — инвертирующий; в — с разделительными конденсаторами; г — подключение низкоомной нагрузки к усилителю с двуполярным питанием; д — повторитель; е — вольтметр с большим входным сопротивлением; ж, з — мощный ОУ с последовательным включением мощных транзисторов

Рис. 1.27. Усилители с ООС:

и — мощный ОУ с параллельным включением мощных транзисторов; к — мощный ОУ с высоковольтным питанием; л — ОУ с однополярным питанием этих резисторов (обычно R1 = R2 = 10…1000 кОм) напряжение в средней точке равно половине напряжения питания. Конденсатор С1 — фильтрующий, он нужен для уменьшения выходного сопротивления делителя (т. е. для улучшения работы усилителя). Его емкость определяется из выражения Cl х R = 0,5…2, где С1 — емкость конденсатора С1 в микрофарадах, a R — сопротивление одного из резисторов R1 или R2 (R1 = R2) в мегаомах.

Двухполярные выпрямители переменного напряжения, пригодные для работы с ОУ, нарисованы на рис. 1.28, б и 1.28, в. Схема в пункте «б» — обычный однополупериодный выпрямитель (см. том I): положительная полуволна через диод VD1 заряжает конденсатор С1, диод VD2 в это время закрыт обратным напряжением и ток в цепи «—U» поддерживается только благодаря накопительным свойствам конденсатора С2. При отрицательной полярности открывается диод VD2 (заряжается С2), а диод VD1 закрывается. И так до бесконечности. Нетрудно заметить, что эта схема удваивает амплитуду (напряжение) сетевого

Рис. 1.28. Источники питания усилителей на ОУ: а — простейший маломощный преобразователь однополярного напряжения в двухполярное; б — однополупериодный двухполярный выпрямитель; в — мостовой двухполярный выпрямитель напряжения и при этом ток, отбираемый выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора, равен сумме токов, протекающих по цепям «+U» — «±» и «-U» — «±», т. е. при равенстве этих токов в два раза больше тока нагрузки. Это следствие закона сохранения энергии: если напряжение на выходе в η (η — любое число) раз больше напряжения на входе, то выходной ток должен быть в η и более раз (т. к. коэффициент полезного действия — КПД — меньше 1) меньше входного. Попытки создать на основе делителей-умножителей «вечный двигатель» заранее обречены на провал.

Преимущества этой схемы выпрямителя в том, что нужна только одна вторичная обмотка трансформатора (при этом при случайном обрыве в цепи вторичной обмотки устройство попросту обесточится); она требует небольшого количества деталей и обеспечивает на выходе, при равенстве токов, потребляемых нагрузкой, строго симметричное напряжение (т. е. амплитуда напряжения «+U» строго равна амплитуде «-U»). Ее единственный недостаток, который присущ всем однополупериодным выпрямителям, — слишком большие пульсации выходного напряжения, особенно при мощной нагрузке. Поэтому такую схему целесообразно использовать только для питания маломощных нагрузок.

Двухполупериодная схема (рис. 1.28, в) требует в 2 раза больше диодов и обмоток трансформатора. Но при этом ее выходное сопротивление оказывается в 2 раза меньше, т. е. при том же коэффициенте пульсаций емкость конденсаторов должна быть в 2 раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе. Поэтому такая схема используется чаще всего. Для уменьшения коэффициента пульсаций емкость фильтрующих конденсаторов С1 и С2 желательно выбрать побольше; максимально допустимое напряжение на конденсаторе (оно написано на его корпусе) должно быть больше максимального напряжения на выходе выпрямителя. Хотя, в принципе, при выходном напряжении 30…35 В можно использовать и 25-вольтные конденсаторы: конденсатор — не стабилитрон и вполне допускает работу на напряжении в 1,2…1,4 раза больше расчетной. Но при этом надежность его работы никто не гарантирует.

Напряжения на обоих обмотках трансформатора должны быть одинаковыми и равными примерно 0,7 от выпрямленного напряжения (т. е. выпрямленное напряжение в 1/0,7 = 1,4 раза больше входного переменного). При несимметричности напряжений на вторичных обмотках (на одной — 25 В, а на второй — 30 В) коэффициент пульсаций возрастет: нетрудно заметить, что в крайнем случае, при нулевом напряжении на одной из обмоток, эта схема превращается в схему на рис. 1.28, б и работают только два диода диодного моста. Поэтому обрыв одного из крайних проводов обмотки трансформатора выпрямителю и его нагрузке не очень страшны. Но вот обрыва среднего провода, при исправных крайних, лучше не допускать: в таком случае напряжение на общем проводе выпрямителя становится «плавающим» и может колебаться под влиянием нагрузки от «+U » до «—U». В первом случае выйдет из строя конденсатор С2 — если он, конечно, не рассчитан на работу с удвоенным напряжением, а во втором — С1.

Еще один недостаток схемы на рис. 1.28, в — трудности с установкой предохранителей. При нестандартной (т. е. аварийной) ситуации в этой схеме должны одновременно размыкаться два провода. Сдвоенных плавких предохранителей пока, к сожалению, не придумали, поэтому защиту приходится собирать на транзисторах или реле. В схеме на рис. 1.28, б предохранитель включается в разрыв любого провода, идущего от трансформатора к выпрямителю.

Но вернемся к усилителю (рис. 1.27, а). В исходном состоянии (пока на вход не подается сигнал) на его прямом входе поддерживается напряжение, равное половине напряжения питания (благодаря резистору R3). Допустим теперь, что напряжение на выходе DA1 близко к напряжению питания. Так как левый по схеме вывод резистора R1 подключен к «средней точке» (точке, напряжение на которой, при двухполярном питании, равно половине напряжения питания, т. е. нулю), то напряжение на инверсном входе ОУ будет чуть больше, чем на прямом (благодаря резистору R2). Из-за этого напряжение на выходе ОУ станет уменьшаться. Оно будет уменьшаться до тех пор, пока не станет равным (примерно равным — нужно учитывать напряжение смещения) напряжению на крайних выводах резисторов R1 и R3 — т. е. нулю или, если источник питания однополярный (рис. 1.28, а), половине напряжения питания.

Для ОУ, включенного по схеме усилителя, это состояние является единственно возможным. Если же по какой-нибудь причине произойдет разбаланс и напряжение на выходе увеличится или уменьшится относительно нуля, то благодаря резистору R2 в ту же сторону (т. е. уменьшится или увеличится) изменится напряжение и на инверсном входе ОУ. А, как известно, увеличение напряжения на инверсном входе вызывает уменьшение напряжения на выходе ОУ. То есть баланс поддерживается автоматически и с очень большой точностью; кроме того, быстродействие ОУ (скорость нарастания выходного напряжения) довольно велико, а быстродействие резисторов (R1 и R2) — вообще почти бесконечно большое, поэтому реально даже кратковременный разбаланс заметить почти невозможно. Это позволяет нам сказать, что на выходе усилителя на ОУ, при отсутствии входного сигнала, напряжение равно нулю и не изменяется со временем, т. е. поддерживается постоянным.

Давайте теперь подадим на вход усилителя сигнал, например, увеличим напряжение на прямом входе ОУ с нуля до 0,5 В. Напряжение на выходе ОУ начнет плавно (скорость нарастания выходного напряжения!) увеличиваться. Допустим, что оно стало на 0,5 В больше нуля. При этом напряжение на инверсном входе ОУ станет равным 0,25 В (резисторы R1 и R2 включены по схеме делителя напряжения — подробнее о нем см. в конце книги, и при равенстве сопротивлений резисторов напряжение в точке соединения равно половине суммы напряжений на их концах, т. е. (0 + 0,5) : 2 = 0,25 В). На прямом входе в это время напряжение больше, поэтому напряжение на выходе продолжает плавно увеличиваться. Через некоторое время оно станет равным 1,0 В, напряжение на инверсном входе увеличится до 0,5 В. Все. Напряжения на обоих входах сравнялись, и напряжение на выходе перестает изменяться.

При уменьшении напряжения на входе напряжение на выходе также начинает уменьшаться — в этой схеме выходное напряжение всегда ровно в 2 раза больше (по модулю) входного. То есть коэффициент усиления усилителя равен 2. Очевидно, что его можно изменить — изменением соотношения сопротивлений резисторов R1 и R2. Формула для расчета коэффициента усиления довольно проста:

Сопротивления обоих резисторов должны измеряться в одних и тех же единицах. Сопротивление резистора R2 обычно выбирают в пределах 10 кОм…1 МОм, а сопротивление резистора R1 — 100 Ом… 10 кОм. При работе с мощными ОУ (корпус которых рассчитан на крепление к радиатору) сопротивления резисторов обычно выбирают поменьше. Оптимальная величина резистора R2 — около 100 кОм (при этом сопротивление резистора R1 подбирают так, чтобы обеспечить нужный коэффициент усиления), и чем больше его сопротивление, тем хуже работает ОУ — начинают сказываться паразитная емкость входов и всякие электромагнитные наводки и помехи. При уменьшении его сопротивления увеличивается нагрузка на выход микросхемы, ведь цепочка R1-R2 включена параллельно нагрузке и через нее тоже течет ток. То есть в таком случае работа ОУ тоже ухудшается.

Сопротивление резистора R3 должно примерно равняться сопротивлению резистора R2. Но это несущественно, и его можно изменять в широких пределах — в десятки раз. От его сопротивления зависит входное сопротивление усилителя. Увеличивать его до 1 МОм и более нежелательно (почему, см. выше).

Усилитель на рис. 1.27, б работает по тому же принципу. Так как сигнал у этой схемы подается на инверсный вход, то этот усилитель инвертирует сигнал: если на входе амплитуда возрастает, то на выходе уменьшается, и наоборот. Достоинство этой схемы — экономия одного резистора; недостаток — входное сопротивление схемы изменить очень сложно — для этого нужно одновременно и пропорционально изменять сопротивления обоих резисторов (если нужно, чтобы коэффициент усиления по напряжению остался неизменным). Поэтому эта схема используется сравнительно редко. Некоторые ОУ — в частности, ОУ с биполярными транзисторами на входе, — могут выйти из строя, если их прямой вход соединить с нулевой шиной непосредственно. Поэтому между прямым входом и общим проводом желательно включить резистор сопротивлением 1…100 кОм (его сопротивление обычно равно R2).

В обеих схемах на входе и на выходе обязательно нужно ставить разделительные конденсаторы (рис. 1.27, в). Но у этого правила два исключения: если источник сигнала имеет постоянную составляющую, равную нулю (например, электродинамический микрофон или пьезокерамика), то входной конденсатор можно закоротить, а если нагрузка имеет большое сопротивление на постоянном токе (например, пьезокерамический звукоизлучатель — они используются в наручных часах и некоторых электронных устройствах; по электрическим параметрам они похожи на конденсаторы емкостью до 1 мкФ, и под воздействием переменного напряжения пьезокерамическая пластинка изгибается и выпрямляется (очень незначительно — почти незаметно), генерируя тем самым звуковые волны), то выходной конденсатор необязателен. Кроме того, если на выходе источника сигнала уже стоит разделительный конденсатор, то ставить последовательно с ним второй конденсатор на входе усилителя бесполезно — только загромоздйте’схему «лишними» конденсаторами. То же относится и к выходным цепям.

При питании ОУ от двухполярного источника питания, в случае, если усилитель на ОУ является оконечным, нагрузку к нему очень часто подключают без всяких разделительных конденсаторов (рис. 1.27, г — стандартная схема включения мощных ОУ). Постоянная составляющая на выходе хорошего ОУ обычно не превышает 10…100 мВ (1000 мВ = 1 В), а при таком напряжении даже через низкоомную нагрузку протекает ничтожный постоянный ток, который можно не учитывать. В то же время отсутствие выходного конденсатора значительной емкости и соответствующих размеров в несколько раз уменьшит размеры усилителя и улучшит его усиление на низких частотах (см. рис. 1.6).

Очень часто ОУ используют в качестве повторителя входного сигнала (рис. 1.27, д). Напряжение на выходе повторителя равно входному, плюс-минус напряжение смещения ОУ. При изменении сопротивления нагрузки, подключенной к выходу ОУ, напряжение на выходе, при неизменном входном напряжении, практически не изменяется. Входное напряжение может быть любым, но оно не должно превышать напряжение питания. Между прямым входом ОУ и общим проводом можно, как и в случае с усилителем, включить резистор произвольного (любого) сопротивления.

Преимущество повторителя на ОУ — огромное входное сопротивление, т. е. он практически не потребляет ток от источника сигнала. Входное сопротивление повторителей на ОУ с биполярными транзисторами на входе достигает единиц-сотен гигаом, т. е. примерно такое же, как и у плохой изоляции. Входное сопротивление ОУ с полевыми транзисторами на входе измерить почти невозможно — оно достигает сопротивления хорошей изоляции и в тысячи-миллионы раз больше, чем у ОУ на биполярных транзисторах. Недостаток повторителей на основе широко распространенных и дешевых ОУ — значительная входная емкость. Она обычно не превышает 5 пФ, но на частоте 100 кГц емкостное сопротивление (и, соответственно, входное сопротивление повторителя) такого конденсатора равно 400 кОм. У высокочастотных и некоторых прецизионных, а также специальных буферных и измерительных ОУ входная емкость в тысячи раз меньше.

Повторители напряжения очень часто используют совместно с вольтметрами — для увеличения входного сопротивления последних. Практическая схема такого вольтметра изображена на рис. 1.27, е. К выходу повторителя через дополнительный резистор Идог, подключен стрелочный миллиамперметр (микроамперметр) Р1. Величину Идоп подбирают так, чтобы при напряжении на входе, равном 1 В, стрелка прибора отклонялась до конца шкалы. Впрочем, это напряжение может быть и другим, но оно не должно превышать половину напряжения питания. Для измерения больших напряжений на входе следует поставить делитель напряжения на резисторах.

Резистором R, производится балансировка ОУ — с его помощью, при нулевом напряжении на входе, стрелка прибора Р1 устанавливается в нулевое положение. При использовании в схеме прецизионных ОУ этот резистор необязателен.

Входное сопротивление вольтметра может быть сколь угодно большим и зависит практически только от сопротивления резистора RBX. Этот резистор необязателен, и его можно убрать из схемы.

На элементах Rl, R2, С1 собран делитель — стабилизатор напряжения питания, напряжение в точке соединения этих элементов равно половине напряжения питания. Конденсатор С1 — необязателен, на работу схемы он практически не влияет. Но убирать его нежелательно — может возникнуть самовозбуждение схемы на высоких частотах.

При изменении входного напряжения изменяется ток, протекающий через цепочку Rfl0I]—Р1, из-за этого изменяется напряжение в средней точке делителя напряжения. Но так как сигнал (напряжение) на вход вольтметра подается именно относительно этой самой средней точки (один из входов соединен с нею), то на точности измерения напряжения это не отразится: например, при напряжении на входе, равном 1,0 В, напряжение на цепочке Rnon-Pl будет равно 1,0 В, независимо от напряжения в средней точке. Но это лишь в том случае, если напряжение питания контролируемой схемы не зависит от напряжения питания вольтметра, т. е. вольтметр должен питаться от своей батарейки (аккумулятора).

Номиналы резисторов R1 и R2 можно выбрать любыми, но такими, чтобы при максимальном напряжении на входе повторителя напряжение в средней точке делителя отличалось не более чем на 1…2 В от напряжения при «нуле» на входе. В нашем случае (напряжение питания 9,0 В, максимальное входное напряжение — 1,0 В) сопротивление резисторов R1 и R2 не должно более чем в 2 раза превышать сопротивление цепочки Raon-Pl и должно быть одинаково для обоих резисторов. Обычно сопротивления этих резисторов выбирают побольше — тогда через них протекает меньший ток, т. е. экономится энергия источника питания.

И напоследок несколько схем, позволяющих увеличить выходной ток ОУ. У всех этих схем между выходом ОУ и нагрузкой стоят мощные транзисторы (чаще — биполярные), через которые и протекает весь ток нагрузки. Функция ОУ — контроль напряжения на нагрузке с помощью цепи ООС.

Классическая схема усилителя выходного тока ОУ изображена на рис. 1.27, ж. На выходе ОУ стоит комплементарная пара на мощных биполярных транзисторах VT1 и VT2 (рис. 1.11); такому усилителю присуще искажение сигнала (типа «ступенька» — рис. 1.13), но в нашей схеме со «ступенькой» прекрасно справляется ОУ DA1.

Как уже говорилось выше, любой «нормальный» ОУ «успокаивается» только тогда, когда напряжение на его инверсном входе строго равно (плюс-минус напряжение смещения) напряжению на прямом. В противном случае на выходе ОУ появляется напряжение разбаланса соответствующей полярности, которое продержится там до тех пор, пока напряжения на входах, через цепь ООС, не сравняются. В схеме на рис. 1.27, ж транзисторы VT1 и VT2 включены как эмиттерные повторители, а они, как это ясно из названия, сигнал не инвертируют. Поэтому для включения ООС нужно задействовать инверсный вход ОУ (если же на выход ОУ подключить какие-нибудь инвертирующие усилители тока, например, комплементарную пару на мощных полевых транзисторах, включенных по схеме с общим истоком, то сигнал ООС нужно подавать на прямой вход ОУ; звучит дико (для специалиста), но по-другому нельзя). А так как нам нужно контролировать напряжение на нагрузке, а не на выходе ОУ, то правый по схеме вывод резистора R2 нужно подключить к эмиттерам транзисторов, а не к выходу микросхемы. Вот и все — всю схему (DAI + VT1, VT2) можно представить как стандартный мощный ОУ (например, как дороговатый TDA2051), и используется эта схема точно так же. Правда, у нее есть один недостаток — из-за значительного падения напряжения на переходах база — эмиттер транзисторов быстродействие схемы падает (например, для увеличения напряжения на выходе на 0,1 В, напряжение на выходе ОУ должно увеличиться на 0,1…1,3 В — в зависимости от того, какой именно транзистор в данный момент приоткрыт), поэтому по такой схеме имеет смысл включать только быстродействующие ОУ и высокочастотные транзисторы. Для работы в звуковом диапазоне частот (до 20 кГц) подходят ОУ с UUBblx > 5 В/мкс и транзисторы с граничной частотой более 1 МГц.

Транзисторы VT1 и VT2 в этой схеме должны иметь примерно одинаковые параметры, хотя, в принципе, допускается и довольно большой разброс значений статического коэффициента передачи тока — обратная связь ОУ все скомпенсирует. Максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер каждого транзистора должно превышать удвоенное напряжение питания, а ток коллектора — превышать максимальный ток нагрузки.

Максимальный ток, отдаваемый усилителем в нагрузку, зависит от максимального выходного тока ОУ (обычно 5… 15 мА) и коэффициента Ь21э используемых транзисторов. Так как большинство мощных транзисторов, из-за особенностей их строения, имеют Ь21э менее 100, максимальный выходной ток усилителя на рис. 1.27, ж не превышает 1…1,5 А.

Если вам нужен больший ток, на выходе целесообразно поставить составные транзисторы (схема Дарлингтона), как это показано на рис. 1.27, з. В схему добавлено два резистора — R4 и R5. Дело в том, что у любого транзистора есть паразитные межэлектродные емкости (т. е. «конденсаторы», включенные между выводами база — эмиттер, база — коллектор, коллектор — эмиттер), емкость которых зависит от мощности транзистора и технологии его изготовления. Чем дешевле транзистор, тем большую величину имеют его межэлектродные емкости и тем «страшнее» его характеристики. При работе на низких (заметных глазу) частотах эти емкости оказываются слишком ничтожными, чтобы их можно было заметить, но вот на высоких частотах…

Резисторы R4 и R5 нужны именно для того, чтобы эти емкости (точнее, емкость перехода база — эмиттер) скорее разряжались, или, как говорят техники, скорее рассасывался заряд. Чем меньше сопротивления этих резисторов, тем скорее рассасываются заряды переходов транзисторов, но при этом также уменьшается и их коэффициент Ь21э, т. е. возрастает нагрузка на управляющие ими транзисторы (на этой схеме — VT1 и VT3). Поэтому «золотая середина» — это когда сопротивление резисторов равно 40…200 Ом, при этом максимальная рабочая частота составного транзистора снижается не очень сильно по сравнению с одиночным транзистором, а коэффициент усиления по току (Ь21э) мощного транзистора равен 5… 10.

Так как через транзисторы VT1 и VT3 в этой схеме течет довольно значительный ток (примерно 1/5…1/10 выходного тока), то их желательно выбрать средней мощности, а из-за того что на них в процессе работы рассеивается довольно значительная мощность (т. е. они сильно греются), то их нужно поставить на теплоотвод. Учитывая, что у большинства современных транзисторов с металлической площадкой, через которую они крепятся к теплоотводу (радиатору), механически соединен вывод коллектора, то пару «маломощный — мощный транзистор» (VT1 и VT2 или VT3 и VT4) можно поставить на общий теплоотвод, без всяких изолирующих прокладок — ведь у них все равно придется соединять вместе выводы коллекторов. Кстати, промышленность выпускает составные транзисторы, размещенные в одном корпусе, и резистор R4 (R5) установлен внутри транзистора. Наружу торчат только выводы базы маломощного транзистора и выводы коллектора и эмиттера — мощного. Для этой схемы из отечественных транзисторов пригодны КТ825, КТ896 (р-п-р) и КТ827 (п-р-п). Включаются эти транзисторы по схеме на рис. 1.27, ж, но усилитель работает так, будто собран по схеме на рис. 1.27, з. Если у вас есть составные транзисторы только одного типа проводимости (например, только КТ896), то второй можно составить из двух одинарных транзисторов — в нашем случае из КТ819 и КТ815 или КТ817 по схеме на рис. 1.27, з.

Максимальный ток нагрузки у этой схемы может быть в 500…1000 раз больше максимального выходного тока ОУ и зависит только от максимально допустимого тока коллектора транзисторов VT2 и VT4. При выборе транзисторов VT1 и VT3 нужно помнить, что через них протекает ток, в 5…10 раз меньше тока нагрузки, — они должны быть рассчитаны на работу при таком токе.

Коэффициент усиления входного сигнала по напряжению у этих усилителей зависит от сопротивления резисторов R1 и R2 и рассчитывается по формуле (2). Коэффициент усиления по току усилителей близок к бесконечности и зависит от типа используемого ОУ и номинала резистора R3. Размах выходного напряжения у схемы на рис. 1.27, ж может достигать |±U| – 3 В, а у схемы на рис. 1.27, з по модулю — |±U|- 4 В.

В целом работа описанных выше усилителей, при использовании их для усиления звуковых сигналов, довольно плоха. Основная причина этого — отсутствие начального смещения транзисторов (т. е. такого режима, при котором выходные транзисторы немножко приоткрыты, даже при отсутствии сигнала на входе, — в этом режиме через них всегда протекает небольшой сквозной ток), из-за чего возникают «ступеньки». Для борьбы со «ступенькой» ОУ приходится «затрачивать» свои и так не очень высокие (сравнительно) характеристики, и в первую очередь — скорость нарастания выходного напряжения, а ведь их можно было бы использовать и с большей пользой. Поэтому в усилителях, предназначенных для качественного звуковоспроизведения, оба выходных транзистора всегда немножко приоткрывают («вводят начальное смещение», благодаря которому через транзисторы протекает некоторый, очень небольшой ток даже в отсутствие сигнала; не путайте этот термин с напряжением смещения ОУ — разница между ними такая же, как и между подъемным и водопроводным кранами!). При этом проблема «ступеньки» и нестабильной работы ОУ отпадает сама собой, а на сквозные токи (токи смещения), из-за которых падает КПД усилителя (со 100% до 70…85%) и возрастает нагрев радиаторов мощных транзисторов, скрепя сердце, пытаются «не обращать внимания».

Усилители без начального смещения (класс «D») в основном используют только для усиления цифровых сигналов; для этих же целей используют и усилители с очень небольшим начальным смещением (класс «С»), Для усиления звуковых сигналов используются усилители класса «В» (ток смещения — несколько сотых долей максимального выходного тока) и «АВ» (несколько десятых долей). Усилители класса «А» крайне неэкономичны (у них ток смещения равен половине максимального выходного тока), но именно эти усилители обеспечивают качество звучания, близкое к идеальному. Нынче (2002 г.) весьма популярны ламповые hi-end-усилители, лампы выходных каскадов которых работают в режиме класса «А». Качество звучания таких усилителей потрясающе — ничего подобного в более экономичных режимах добиться невозможно. Поэтому такие усилители, несмотря на то что они потребляют в 2…3 раза больший ток, чем отдают в нагрузку, очень популярны среди аудиофилов и меломанов. Но в этой книге они рассматриваться не будут — комплектующие (электронные лампы) слишком дороги для начинающих радиолюбителей, а опытные знают их схемы даже лучше, чем я.

Принципиальная схема усилителя, работающего в классе «АВ», показана на рис. 1.27, и. В основе конструкции лежит мощный ОУ К157УД1 (выходной ток — до 0,3 А) и элементы R1—R3, С1—С4 — стандартные цепи коррекции для данного ОУ (без конденсаторов С2—С4 он будет работать очень плохо).

Питается ОУ через резисторы R4 и R5, которые шунтируют базовые переходы мощных транзисторов VT1 и VT2. В статическом режиме, пока на входе ОУ напряжение равно нулю, на его выходе также почти нулевое напряжение и через резистор R6 и динамик ВА1 течет ничтожный ток. Ток потребления ОУ в этом режиме примерно равен 1,5..,2,5 мА. Падение напряжения на резисторах R4 и R5 в таком состоянии усилителя равно 2 (мА) х 75 (Ом) = 0,15 (В). При таком напряжении транзисторы VT1 и VT2 практически полностью закрыты и протекающий через них сквозной ток не превышает 5…10 мА. Напряжение на коллекторах этих транзисторов равно нулю и поддерживается на этом уровне в основном только через резистор R6.

Давайте теперь подадим на вход ОУ положительную полуволну входного сигнала. На выходе ОУ появится положительное напряжение — оно уменьшится до нуля только тогда, когда на инверсном входе ОУ напряжение по величине станет равным напряжению на прямом (в этом и заключается принцип действия ОУ). Для того чтобы напряжение на выходе увеличилось, внутри ОУ (см. рис. 1.25, а) должен открыться транзистор, подключенный к выводу «+U» (VT1 на рис. 1.25, а). То есть в этом случае выводы 2 и 6 ОУ замыкаются, и ток течет через последовательно соединенные резисторы R4 и R6, и падение напряжения на резисторе R4 увеличивается (а на резисторе R5 — уменьшается; но не более чем в 2…3 раза). В какой-то момент времени падение напряжения на резисторе R4 увеличивается до значения, при котором транзистор VT1 начинает открываться — он как бы «помогает» ОУ увеличивать напряжение на выходе усилителя, при этом через транзистор на динамик (нагрузку) течет ток, примерно в Ь2|э раза больше, чем через ОУ, — то есть тем самым обеспечивается усиление выходного тока сравнительно маломощного ОУ мощными транзисторами.

Как только напряжение на обоих входах ОУ, за счет ООС, сравняется, напряжение на выходе усилителя (на нагрузке) зафиксируется и перестанет изменяться. При этом через нагрузку будет протекать некоторый ток и, соответственно, через резисторы R4 и R6 также будет протекать ток, примерно в h2l3 раза меньше выходного. Транзистор VT1 будет приоткрыт, и при малейшем увеличении/ уменьшении напряжения на входе протекающий через него ток тоже будет увеличиваться/уменьшаться. При резком уменьшении входного напряжения (что типично для звукового сигнала) напряжение на выходе, возможно, не будет поспевать за входным — в таком случае увеличится падение напряжения на резисторе R5 (т. к. усилитель на ОУ всегда всеми силами пытается сравнять напряжения на прямом и инверсном входах) и транзистор VT2 «поможет» выходному напряжению уменьшиться.

Коэффициент усиления по току транзисторов VT1 и VT2 в этой схеме не превышает 5… 10 раз — из-за шунтирования базового перехода резисторами R4 и R5. Если нужен больший коэффициент усиления, транзисторы VT1 и VT2 желательно заменить составными (как на рис. 1.27, з), но при этом убирать и даже изменять номинал резисторов R4 и R5 нельзя (почему, см. выше). В таком случае, даже при использовании маломощных ОУ, можно получить на выходе значительный ток.

Резистор R6 нужен для ограничения выходного тока ОУ, чтобы не вывести его из строя при отсутствии или перегорании одного или обоих мощных транзисторов. Для увеличения скорости нарастания выходного напряжения усилителя (не ОУ!) параллельно этому резистору можно включить неполярный конденсатор емкостью несколько микрофарад. Благодаря этому конденсатору напряжение на базах транзисторов будет изменяться более резко (т. к. при увеличении частоты емкостное сопротивление конденсатора уменьшается, т. е. он будет «закорачивать» резистор R6), но в то же время все «ограничительные» функции резистора R6 на низких частотах полностью сохранятся.

Сопротивления резисторов R4—R6 подбираются эмпирическим (т. е. экспериментальным) путем. Для подбора сопротивлений резисторов R4 и R5 усилитель включают по схеме, изображенной на рис. 1.29. Сейчас соединять коллекторы транзисторов нельзя, т. е. если предполагается, что в готовом усилителе оба транзистора будут располагаться на одном общем радиаторе, их нужно «рассадить» на два несвязанных друг с другом радиатора, впрочем, транзисторы в массивном металлическом корпусе можно испытывать вообще без радиаторов — они попросту не успеют перегреться.

Микросхема DA1 во время настройки должна работать в линейном режиме; так как коллекторы транзисторов не соединены друг с другом, обратная связь на инверсный вход ОУ подается только с его выхода. Резистор R6 — нагрузка ОУ, сопротивление его обычно выбирается от 0,5 кОм (ОУ средней мощности — например К157УД1) до 5…10 кОм («стандартные» ОУ, или, по-научному, «ОУ общего назначения», — например К140УД7). После окончания настройки этот резистор можно будет убрать, с его функцией прекрасно справятся колонки.

Рис. 1.29. Схема настройки усилителя, собранного по схеме на рис. 1.27 и (номиналы элементов, если не указаны на схеме — те же)

Первоначально сопротивления подстроечных резисторов (можно и переменные, но они больше размерами) нужно сделать равным нулю — только после этого на усилитель можно подавать напряжение питания.

Ток покоя (ток смещения) выходных транзисторов целесообразно настраивать по очереди. Начнем с верхнего по схеме транзистора, хотя можно и с нижнего. Между коллектором этого транзистора через амперметр (предел — до 1…2 А) нужно включить любую мощную низковольтную лампочку — при ярком свечении через нее должен протекать ток в 1…3 А (лампочка нужна для ограничения тока в цепи — иначе можно «спалить» и амперметр, и транзистор, и блок питания усилителя; номинальное рабочее напряжение лампочки — несущественно, но оно должно быть менее половины напряжения питания усилителя). Если транзистор исправен, амперметр должен показывать нулевое значение протекающего по цепи тока. Теперь можно начинать плавно и медленно увеличивать сопротивление резистора между базой и эмиттером (при этом вход усилителя должен быть соединен с общим проводом). Через некоторое время показания амперметра начинают увеличиваться. Сопротивление подстроечного резистора нужно увеличивать до тех пор, пока протекающий по цепи «транзистор — амперметр — лампочка» ток не станет равным 10…20 мА. Теперь «отстаньте» от подстроечного резистора и соедините вместе выводы лампочки. Если вы выбрали «правильную» лампочку и хороший транзистор, показания на индикаторе амперметра увеличатся не более чем в 2 раза. Теперь разомкните выводы лампочки, оторвите вход усилителя от общего провода и коснитесь пальцем провода, соединенного с левым по схеме выводом конденсатора С1. Если ОУ исправен, то лампочка должна ярко загореться (может даже перегореть!) и показания на индикаторе амперметра увеличатся до нескольких ампер. Этот способ проверки исправности усилителя очень распространен среди радиолюбителей — главным образом, благодаря своей простоте. Смысл его в том, что человеческое тело, как и любой проводник, выполняет роль приемной антенны, а провода осветительной сети ~220 В — передающей. При касании входа усилителя пальцем сигнал с тела человека усиливается усилителем и воспроизводится динамиками.

Существует еще одно объяснение этого явления. Просто наши электрики, с целью экономии проводов (при передаче электроэнергии на расстояния), на столбах «натягивают» только фазовые провода, а нулевой провод пускают через землю (ведь земля, как и любое влажное тело, прекрасно проводит электрический ток). Наши квартиры всегда (благодаря водопроводным трубам) хорошо заземлены, потому на теле человека, стоящего на полу, присутствует нулевой потенциал. Именно поэтому и работает известная и любимая всеми электриками неоновая лампочка — фазоуказатель. А так как блок питания усилителя включен в сеть, то и в усилителе будет наблюдаться тот же эффект.

При питании усилителя от автономного источника питания (батареек, аккумуляторов), не связанного с сетью переменного тока, при касании его входа пальцем будет слышна (очень тихо) передача наиболее мощной в вашей местности ДВ- или СВ-радиостанции.

Второй транзистор усилителя (рис. 1.29) настраивается аналогично. Токи коллекторов обоих транзисторов должны примерно равняться друг другу; особой точности при этом добиваться не стоит — ОУ все скомпенсирует; главное, чтобы они отличались менее чем в 2…3 раза.

После окончания настройки соедините коллекторы транзисторов через амперметр переменного тока (предел — 100 мА) или, если у вас нет такого прибора, через любую маломощную лампочку (напряжение — 3,5…6,3 В, ток — 60…150 мА). Лампочка должна гореть с такой яркостью, будто через нее протекает постоянный ток силой около 60 мА (этот способ также очень распространен — для измерения мощности переменного тока. Очень часто нужно измерить мощность переменного тока, и «под рукой» нет соответствующего высокочастотного измерителя. Тогда прибегают к помощи лампочки: для нее все равно, какой сигнал (постоянный или переменный) протекает через ее спираль — диодов внутри лампочки нет В то же время, т. к. формулы для расчета мощности постоянного и переменного тока одни и те же, яркость свечения лампочки зависит только от выделяющейся на ее спирали мощности (Р = I · U). Включив через амперметр другую, точно такую же лампочку к источнику постоянного тока и изменяя силу этого тока (резисторами), добиваются, чтобы лампочки светились с одинаковой яркостью. После чего напряжение и ток высокочастотного сигнала соответствуют напряжению и току постоянного.). После этого коллекторы транзисторов соединяются с выходом ОУ, а резистор R6 (рис. 1.29) убирают. Устанавливают подстроечный резистор R6 так, как показано на рис. 1.27, и, — его сопротивление должно быть максимально возможным (1…10 кОм, но не более!). Подают на вход усилителя сигнал, а к выходу подключают колонки (вообще-то при настройке усилителя нагрузку (колонки) нужно подключать еще до того, как вы включите его напряжение питания — тогда, если в динамиках будут «странные» звуки (сильный гул, щелчки, мощное шипение и другие признаки аварийной ситуации (короткое замыкание) в выходном каскаде, вы успеете выдернуть вилку из розетки раньше, чем сгорит усилитель). В динамиках должен зазвучать усиленный сигнал. После этого включают усилитель на полную мощность (если вы дорожите своим слухом, то нагрузку лучше подключить по схеме на рис. 1.30: лампочка (сопротивление ее спирали в нагретом виде должно равняться 4…8 Ом — оно определяется с помощью вольтметра, амперметра и закона Ома) имитирует мощный динамик, но, в отличие от него, она не сотрясает воздух, а резистор, включенный последовательно с колонкой, уменьшает громкость звука до приемлемой) и, уменьшая сопротивление резистора R6, добиваются наиболее чистого звучания усилителя. Его сопротивление при этом нужно стремиться сделать побольше. Также можно немножко уменьшать (но не увеличивать!) сопротивления резисторов R4 и R5 до тех пор, пока мощность усилителя не начнет снижаться или не начнет искажаться сигнал. Но перед этим убедитесь, что сопротивление резистора R6 превышает 50 (К157УД1)…200 (К140УД7) Ом — иначе спалите ОУ!

Рис. 1.30. Схемаэквивалент нагрузки для мощного усилителя. Сопротивление разогретой спирали лампочки должно равняться 4…8 Ом, сопротивление резистора R1 подбирают для получения приемлемой громкости звука

Преимущество этого усилителя — оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером, т. е. падение напряжения на них при максимальном входном сигнале не превышает 0,7 В. Поэтому напряжение на нагрузке может быть до ± UnilT.

Транзисторы VT1 и VT2 можно заменить составными, при этом сопротивления резисторов R4 и R5 изменять не надо, а сопротивление резистора R6 можно немножко увеличить. При использовании составных транзисторов увеличивается ток, отдаваемый усилителем в нагрузку, а также уменьшается ток, протекающий через выход ОУ, т. е. уменьшается нагрузка на него. Маломощные ОУ, отдающие в нагрузку очень небольшой ток, можно эксплуатировать только с составными транзисторами на выходе!

Один из серьезных недостатков этой схемы — в ней нельзя использовать столь любимые радиолюбителями сдвоенные — счетверенные ОУ — надеюсь, вы догадываетесь, почему. Но преимуществ у этой схемы больше.

В свое время я изготовил немало усилителей по схеме на рис. 1.27, и, потому хочу дать несколько полезных советов:

•Резистор R6 можно закоротить — особенно если используются одинарные мощные транзисторы (я предпочитаю составные). При этом улучшится работа усилителя, но увеличится нагрев корпуса микросхемы — радиатор на нее обязателен. Если у вас нет специального радиатора, то можно попросту приклеить сверху на микросхему несколько металлических пластин — чем больше их площадь, тем лучше.

•При изменении коэффициента усиления усилителя (резистором R2) изменяется постоянная составляющая на выходе ОУ, и чем сильнее она отличается от нуля, тем сильнее греется микросхема. Поэтому, если вам не нужен сверхбольшой кус и, подберите такое сопротивление резистора R2, при котором постоянная составляющая на выходе ОУ не превышает 1…2 В. Но при уменьшении куси до 10 и менее усилитель начинает искажать сигнал.

•Хотя, по справочнику, максимальное рабочее напряжение для К157УД1 не должно превышать ±18 В, микросхемы 1992 года выпуска (и старше) нормально работали при напряжении питания до ±26,5 В. При таком напряжении питания и 4-омной нагрузке усилитель развивает мощность до 70 Вт. Проверить, может ли ваш ОУ работать при столь высоком напряжении, можно следующим образом: базы обоих транзисторов, а также нагрузка к схеме не подключаются, все остальное собирается по рис. 1.27, и, включается (через резисторы R4 и R5!) напряжение питания и измеряется падение напряжения на резисторах R4, R5. Если оно не превышает 0,3 В — все нормально.

При напряжении питания ±28 В и более все ОУ сгорали. Если же вам нужно, чтобы ОУ работал и при столь высоком напряжении, питание на него нужно подавать через стабилитроны (рис. 1.27, к; цепи коррекции и ООС подключаются так же, как и на рис. 1.27, и). Напряжение стабилизации у обоих стабилитронов должно быть одинаковым и таким, при котором напряжение питания ОУ не превышает 25 В (например, Uni)T = ±32 В, UCT = 32 – 25 = 7 В).

Как известно, падение напряжения на стабилитроне весьма слабо зависит от протекающего через него тока. Именно благодаря этому эффекту они и пригодны для использования в таком усилителе: благодаря им напряжение питания ОУ ограничивается на безопасном для него уровне, а транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером, полностью открыты уже при падении на базовом резисторе напряжения всего 1…2 В — это гораздо меньше напряжения питания ОУ.

Недостатки такого усилителя:

1.                       Все стабилитроны, даже самые лучшие, очень сильно шумят (т. е. их напряжение стабилизации, при неизменном протекающем токе, хаотически колеблется около некоторого «среднего» уровня), поэтому и собранный усилитель шумит сильнее, чем такой же, но без стабилитронов (и с более низким напряжением питания). Для борьбы с шумом параллельно стабилитронам можно включить электролитические конденсаторы емкостью несколько единиц…десятков микрофарад, но из-за этих конденсаторов сразу после включения напряжения питания напряжение на выводах питания ОУ повысится до опасных для него значений (сопротивление разряженного конденсатора близко к нулю) и ОУ может выйти из строя.

2.                       Так как напряжение на коллекторах транзисторов может быть больше напряжения на выходе ОУ, последний может выйти из строя (ток течет через резистор R6). От этой беды можно застраховаться, если правый по схеме вывод резистора R6 соединить не с коллекторами транзисторов, а с общим проводом. При этом сопротивление резистора (R6) нужно увеличить в несколько раз. Сигнал ООС нужно снимать с коллекторов транзисторов; для связи выхода ОУ с выходом усилителя между ними нужно включить пленочный или металлобумажный конденсатор емкостью от 0,047 мкФ (маломощные ОУ — типа К140УД7 или К544УД1) до единиц микрофарад (К157УД1). Без конденсатора усилитель будет самовозбуждаться; с конденсатором он тоже работает плоховато. Для того чтобы не вывести маломощный ОУ из строя, последовательно с конденсатором желательно включить резистор сопротивлением около 100 Ом.

3.                       Напряжение стабилизации стабилитронов не должно превышать 10 В: чем оно выше, тем больше шансы, что в один прекрасный момент ваш усилитель самопроизвольно выйдет из строя.

Амплитуда выходного напряжения у этой схемы не зависит от напряжения питания ОУ и, так же как и у схемы на рис. 1.27, и, может достигать UnHT – 0,7 В (по модулю). При использовании составных транзисторов она примерно на 0,5 В меньше.

В этих схемах (рис. 1.27, и; 1.27, к) также можно использовать и мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (VT1 — р-канальный, VT2 — η-канальный). Каких-либо заметных преимуществ у такого усилителя, по сравнению с усилителем на биполярных транзисторах, нет. Настроить его сложнее, поэтому приводить его схему здесь я не буду. Если у вас нет достаточного опыта работы с полевыми транзисторами и усилителями на их основе, не пытайтесь нарисовать его схему самостоятельно.

При питании ОУ от однополярного источника питания, помимо схемы на рис. 1.28, а, часто используют схему включения, изображенную на рис. 1.27, л. Схема эта встречается очень часто, поэтому ее принцип действия нужно знать.

Через делитель напряжения на резисторах R1 и R2 на прямом входе ОУ устанавливается напряжение, близкое к половине напряжения питания. Сразу после включения питающего напряжения напряжение на инверсном входе близко к нулю (т. к. конденсатор С2 разряжен, т. е. разность напряжений на его выводах близка к нулю). Напряжение на прямом входе ОУ больше, чем на инверсном, напряжение на его выходе близко к напряжению питания (+U), и конденсатор С2 заряжается через последовательно соединенные резисторы R3, R4. Как только напряжения на обоих входах сравняются, напряжение на выходе ОУ уменьшится до напряжения на прямом входе (т. е. до половины напряжения питания) и, в отсутствие входного сигнала, будет поддерживаться на этом уровне. При подаче на вход усилителя высокочастотного сигнала напряжение на выходе также будет изменяться; но, так как емкость конденсатора С2 довольно велика, напряжение на его обкладках значительно измениться за время одного полупериода усиливаемого сигнала не успеет, поэтому можно считать, что напряжение на левом по схеме выводе резистора R3 неизменно и равно половине напряжения питания. В таком случае коэффициент усиления по напряжению усилителя равен отношению сопротивления резистора R4 к сопротивлению резистора R3.

При использовании конденсатора С2 слишком малой емкости коэффициент усиления усилителя на низких частотах будет меньше, чем на высоких, и в крайнем случае (емкость конденсатора С2 равна нулю, то есть его вообще нет) коэффициент усиления равен единице (эта схема превращается в повторитель напряжения, аналогичный изображенному на рис. 1.27, д). Связано это с тем, что в таком случае напряжение на выводах конденсатора при изменении сигнала на выходе будет колебаться в значительных пределах, из-за чего низкочастотная составляющая сигнала будет «сглаживаться».

Для примера на рис. 1.31 изображены графики входного (рис. 1.31, а) и выходного (рис. 1.31,6) сигнала такого «усилителя». На рис. 1.31, а прекрасно видна низкочастотная составляющая входного сигнала, и при усилении такого сигнала «правильным» усилителем она будет столь же прекрасно слышна. Но если у усилителя по схеме на рис. 1.27, л емкость конденсатора С2 слишком

Рис. 1.31. Пояснения к рис. 1.27, л. Входной сигнал (а) и выходной (б) при слишком малой емкости С2. При значительной емкости С2, а также С1 и СЗ, форма выходного сигнала повторяет форму входного мала, то низкочастотная составляющая (столь любимые нынешними меломанами «басы») ослабится так сильно, что станет совсем незаметной, и восстановить ее будет очень сложно. На рис. 1.31, а пунктирной линией условно показано изменение напряжения на конденсаторе. Как видно, чем больше его емкость, тем лучше. Но стремиться к идеалу не стоит, и емкость 47 мкФ, при сопротивлении резисторов ООС 100 кОм, вполне достаточна.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 2. Аналоговые устройства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 288 с. — (Серия «СОЛОН — РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ» выпуск 24)

Оставить комментарий

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