Схемы двухтактных бестрансформаторных усилителей

В транзисторных усилителях мощности для согласования низкоомной нагрузки и выходного сопротив­ления можно не использовать трансформаторы (рис. 62, 63). Основными достоинствами этих усилителей является отсутствие согласую­щего трансформатора, так как выходное сопротивление тран­зисторов, включенных с ОК, мало, и управ­ление двумя транзисторами общим сигналом.

Схема усилителя мощности на двух транзисторах противо­положных типов электропроводности, но с одинаковыми пара­метрами (комплементарная пара) показана на рис. 62. Режи­мы транзисторов по постоянному току задаются базовым дели­телем R1R2 и выбираются такими, чтобы потенциал U₀ общей точки транзисторов был равен напряжению Е_к. В этом случае постоянного тока в нагрузке не будет.

Входной сигнал U_c через разделительный конденсатор С од­новременно поступает на базы транзисторов VT1 и VT2. Поло­жительный полупериод 1 сигнала увеличивает ток базы тран­зистора VT1 и уменьшает ток базы транзистора VT2. При этом увеличивается ток коллектора транзистора VT1 и уменьшается ток коллектора транзистора VT2, что равносильно появлению в этих токах переменных составляющих, которые совпадают по направлению и суммируются в нагрузке. В полупериод 2 увели­чиваются базовый и коллекторный токи транзистора VT2, а эти токи транзистора VT1 уменьшаются. В нагрузке вновь происхо­дит сложение переменных составляющих токов коллекторов, т. е. образуется второй полупериод выходного напряжения. Так бестрансформаторные усилители работают в режиме А.

 

Рисунок 62 – Схема двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности с двумя ИП

 

 

Кроме того, они могут работать в режимах В и АВ.

Схема усилителя с одним источником питания показана на рис. 63. Каскад на транзисторе VT3 обеспечивает двухтактный режим работы выходных транзисторов VT1 и VT2. Резисторы R1 и R2 задают режим работы транзисторов по постоянному току.

При приходе отрицательной полуволны U_вх ток коллектора VT3 увеличивается, что приводит к увеличению напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2. При этом VT2 закрывается, а через VT1 протекает ток коллектора по цепи: +Uп, переход К-Э VT1, С2 (при этом заряжается), Rн, корпус.

При приходе положительной полуволны U_вх VT3 подзакрывается, что приводит к уменьшению напряжения на базах транзисторов VT1 и VT2 – VT1 закрывается, а через VT2 протекает ток коллектора по цепи: +С2, переход Э-К VT2, корпус, R_н, -С2.

Таким образом обеспечивается протекание тока обоих полуволн входного напряжения через нагрузку. Для согласования выходных сопротивлений транзисторов и сопротивления нагрузки, транзисторы VT1 и VT2 включены по схеме с общим коллектором.

 

 

Рисунок 63 – Схема двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности с одним ИП

 

Для современных силовых электронных устройств характерно широкое использование интег­ральных схем, позволяющее снять ограничения на сложность электронной схемы, не вызывая увеличения объема и массы устройства. Это, в свою очередь, ведет к улучшению качественных характеристик электронных устройств.

Типовая схема включения интегральной микросхемы К174УН7 показана на рис. 64.

 

Рисунок 64 - Типовая схема включения ИМС К174УН7

 

 

Входной сигнал поступает на вывод 8 микросхемы с движка потенциометра R1 - регулятора громко­сти, а нагрузка подключается к выводу 12 через разделительный конденсатор С8, предотвращающий попадание в нее постоянного напряжения. Корректирующая цепь С2, R2 обеспечивает пере­дачу сигнала ООС с выхода усилителя на его вход, а цепь С4, С5, С7, R4 служит для коррекции АЧХ частотозависимой ООС с выхода усилителя на вход одного из его промежуточных кас­кадов. При неравно­мерности амплитудно-частотной характеристики не более 3 дБ полоса пропускания усилителя равна от 40 Гц до 20 кГц; напря­жение источника питания +18 В.

В последнее десятилетие в схе­мотехнике усилителей мощности звуковых частот (УМЗЧ) получили развитие два взаи­моисключающих направления:

- улучшение субъективного качества воспроизведения звука, как прави­ло, за счёт уменьшения экономич­ности (КПД) усилителя;

- повышение экономичности усили­теля и уменьшение его размеров при сохранении высоких качест­венных показателей.

Первое направление характерно использованием в выходных каска­дах УМЗЧ мощных полевых транзи­сторов и радиоламп (Hi-End), рабо­тающих очень часто в режимах клас­са А. Второе направление характерно для носимой и автомобильной звуко­воспроизводящей аппаратуры. Имен­но в реализации этого направления широко используются усилители класса D, а в высококачественной зву­ковоспроизводящей стационарной аппаратуре класс D используется ча­ще всего в усилителях для сабвуфера.

Как уже говорилось, всего существует пять основных классов режимов работы активных элементов (транзисторов или ламп).

Режим работы класса А

Активный элемент (транзистор или лампа) открыт весь период сиг­нала. Усилители мощности класса А вносят минимальные искажения в усиливаемый сигнал, но имеют очень низкий КПД. Они используются в однотактных и двухтактных УМЗЧ, где особенно важно, чтобы уро­вень нелинейных искажений был низким. Усилители класса А - самые дорогие.

Режим работы класса В

Активный элемент (транзистор или лампа) открыт только один полу­период входного сигнала. Усилители класса В имеют высокий КПД, но и коэффициент нелинейных искаже­ний у них заметно выше.

Режим работы класса АВ

Активный элемент (транзистор или лампа) в этом режиме открыт один полупериод полностью и часть друго­го полупериода входного сигнала. Ре­жим класса АВ - это нечто среднее ме­жду классами А и В. Усилители класса АВ имеют более высокий КПД, чем усилители клас­са А, но вносят в сигнал меньшие нелинейные ис­кажения, чем усилители класса В. Это наиболее распространенный класс массовых УМЗЧ.

Режим работы класса D

В режиме работы класса D происходит преобразо­вание входного сигнала в импульсы прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длитель­ность которых пропорциональна значению сигнала в каждый задан­ный момент времени (т.н. ШИМ - широтно-импульсная модуляция). Ак­тивные элементы выходного каскада при этом работают в ключевом режи­ме и имеют два состояния: транзи­стор или заперт, или полностью открыт. Усилители класса D имеют максимальный КПД, т.к. основные по­тери энергии на выходных мощных ключах происходят только в момент переключения, в открытом состоя­нии потери энергии минимальны и будут тем меньше, чем меньше сопро­тивление открытого ключа. Обычные усилители класса D имеют КПД более 90% и достаточно большой коэффи­циент нелинейных искажений (око­ло 10%), но применение новых тех­нологий позволяет снизить коэффициент не­линейных искажений до долей про­цента. Это заметно расширило об­ласть применения класса D в совре­менных УМЗЧ.

Основные принципы работы УМЗЧ класса D

Принципиальная схема простейше­го УМЗЧ класса D показана на рис. 65. Он состоит из широтно-импульсного модулятора (ШИМ) на транзи­сторе Q1, двухтактного мощного транзисторного ключа Q2, Q3 и фильтра нижних частот (ФНЧ), кото­рый отфильтровывает импульсные высокочастотные составляющие то­ка через громкоговоритель.

Делитель на резисторах R1 и R2 задаёт напря­жение смещения Q1 и симметрию всей схемы. R4, С4 - цепь эмиттерной термостабилизации этого транзистора. С1 - конденсатор филь­тра питающего напряжения. С5, R5, L1, С6 - фильтр нижних частот (ФНЧ). С7 - разделительный конден­сатор.

В состав усилителя класса D входит также генератор треугольного или пилообразного напряжения. Частота работы этого генератора лежит, как правило, в пределах 200...600 кГц. Размах «пилы» от гене­ратора и коэффициент усиления кас­када на Q1 выбраны так, чтобы вы­ходные транзисторные ключи Q2 и Q3 открывались попеременно до на­сыщения при переходе напряжения «пилы» через ноль.

 

Рисунок 65 - Принципиальная схема простейшего УМЗЧ класса D

 

Эпюры напряже­ний, поясняющие работу этой схемы, показаны на рис. 66. До момента вре­мени t₁ (см. рис. 66) звуковой сигнал на входе отсутствует. «Пила» абсолютно симметрична, и на эмиттерах транзи­сторов Q2 и Q3 образуются симмет­ричные прямоугольные импульсы - меандр. При подаче на вход усилителя сигнала НЧ «пила» будет смещаться вверх или вниз. Изменятся моменты отпирания транзисторов и, как следст­вие, длительность выходных импуль­сов и пауза между ними (см. рис. 66). Эти параметры будут изменяться по закону входного низкочастотного (звукового) сигнала. Полученный им­пульсный сигнал с переменной скважностью называют широтно-импульсным, или ШИМ-сигналом, а процесс его получения - широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). ШИМ-сигнал содержит НЧ-составляющую, по форме повторяющую мо­дулирующий сигнал. Если ШИМ-сиг­нал с выхода транзисторных ключей пропустить через ФНЧ, то он пропус­тит эту составляющую на громкого­воритель и подавит ВЧ-составляющие ШИМ-сигнала. За счёт неполно­го подавления ВЧ-составляющей переменное напряжение на громко­говорителе будет несколько изрезан­ным, что можно увидеть на увеличен­ном фрагменте к нижнему графику рис. 66.

 

Рисунок 66 - Эпюры напряжений простейшего УМЗЧ класса D

 

 

Усилители класса D на биполярных транзисторах ушли в прошлое. Осно­вой современного УМЗЧ класса D яв­ляются мощные ключи на МДП-транзисторах, отличающиеся высоким быстродействием и низким сопро­тивлением канала в открытом со­стоянии. При использовании таких транзисторов в ключевом режиме достигается высокий КПД. Специализи­рованные микросхемы, называемые драйверами, обеспечивают управление внешними ключами на МДП-транзисторах.

Следующим этапом в развитии УМЗЧ класса D стало создание мик­росхем, в которые интегрирован не только драйвер, но и выходные клю­чи на МДП-транзисторах. Именно к таким микросхемам относятся МР7720 фирмы MPS (Monolithic Power Systems).

Микросхема УМЗЧ МР7720

УМЗЧ на этой микросхе­ме имеет номинальную мощность 20 Вт при сопротивлении нагрузки 4 Ом и напряжении питания 24 В. Диапазон воспроизводимых частот -20 Гц....20 кГц. Он имеет КПД 90% при нелинейных искажениях не более 0,1% для всего диапазона частот и выходной мощности 1 Вт (0,06...0,07% для частоты 1 кГц). Напряжение питания 7,5...24 В.

В микросхему встроены два выходных ключа на МДП-транзисторах, которые включены последовательно по пита­нию (полумост). Типовая принципи­альная схема УМЗЧ класса D на микро­схеме МР7720 изображена на рис. 67, а назначение выводов этой микросхемы приведено в таблице 3.

 

Рисунок 67 - Принципиальная схема УМЗЧ класса D на микросхеме МР7720

 

Таблица 3 - Назначение выводов микросхемы МР7720

 

Схема включения этой микро­схемы очень напоминает ОУ или УМЗЧ на микросхемах, которые ра­ботают в привычных режимах клас­сов А, В или АВ. Микросхема U1 МР7720 имеет дифференциальный вход (выводы 1 и 2), его положитель­ный (неивертирующий) вывод в дан­ной схеме используется как вход на­пряжения смещения, который задаёт режим микросхемы, а главное - сим­метрию схемы. Напряжение смеще­ния на неивертирующем входе (вы­вод 1) должно быть равно половине напряжения питания, оно формиру­ется делителем R3, R2. Конденсатор С2 блокирует этот вывод по перемен­ному напряжению. Следует заметить, что асимметрия схемы может при­вести к увеличению нелинейных ис­кажений и даже к перегреву одного из выходных ключей и выходу мик­росхемы из строя. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход микросхемы (вывод 2) через разде­лительный конденсатор С1 и ограни­чивающий резистор R1. Коэф­фициент усиления по напряжению микро­схемы определяется соотношением номи­налов резисторов це­пи ООС R1 и R4 и мо­жет быть рассчитан по формуле: K_U=R4/R1.

Для повышения раз­маха выходных импуль­сов микросхемы используется известная по обычным двухтактным бестрансформаторным усилителям схема повышения КПД с конденсатором вольтодобавки С7, ко­торый включён между выходом (выво­дом 7) и входом цепи вольтодобавки (вывод 5). Для защиты внутренних цепей мик­росхемы от перегрузки параллельно С7 подключён стабилитрон D2 с на­пряжением стабилизации 6,2 В. Для выделения усиленного сигнала и по­давления высокочастотных импульс­ных составляющих в нагрузке к вы­ходу (вывод 7) подключён ФНЧ, со­стоящий из дросселя L1 и конденса­тора С8. Конденсатор С9 - раздели­тельный.

Диод Шоттки D1 гасит ин­дукционные токи и выбросы ЭДС, возникающие в L1 в моменты пере­ключения выходных ключей, когда оба ключа заперты. Частота ШИМ-преобразования задаётся цепью об­ратной связи R4, СЗ, и при указанных на схеме номиналах она составляет 600 кГц. При большей частоте увеличиваются потери мощности, а при меньшей - нелинейные искажения. С4 - конденсатор ООС по высокой частоте. Конденсаторы Сб, С5 - раз­вязывающие фильтра питания.