Электроника:Эксперименты/Аналоговые интегральные схемы/Аудиоусилитель класса B

Поддержать проект

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Аудиоусилитель класса B

Оборудование и материалы

• Четыре батареи по 6 вольт
• Двойной операционный усилитель, рекомендуемая модель TL082 (каталог Radio Shack №276-1715)
• Один силовой NPN-транзистор в корпусе TO-220 (каталог Radio Shack №276-2020 или аналог)
• Один силовой PNP-транзистор в корпусе TO-220 (каталог Radio Shack №276-2027 или аналог)
• Один переключающий диод 1N914 (каталог Radio Shack №276-1620)
• Один конденсатор, электролитический 47 мкФ, 35 Вт постоянного тока (каталог Radio Shack №272-1015 или аналог)
• Два конденсатора по 0,22 мкФ, неполяризованные (каталог Radio Shack №272-1070)
• Один потенциометр 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack №271-1715)

Обязательно используйте операционный усилитель с высокой скоростью нарастания. По этой причине избегайте LM741 или LM1458.

Чем ближе по характеристикам два транзистора, тем лучше. Если возможно, попытайтесь приобрести транзисторы TIP41 и TIP42, которые представляют собой близкие друг к другу силовые транзисторы NPN и PNP с рассеиваемой мощностью 65 Вт каждый. Если вы не можете получить NPN-транзистор TIP41, хорошей заменой будет TIP3055 (доступен в Radio Shack). Не используйте очень большие (например, в корпусе TO-3) силовые транзисторы, так как операционный усилитель может иметь проблемы с подачей достаточного тока на их базы для нормальной работы.

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том III «Полупроводники», глава 4: «Биполярные транзисторы»
• «Уроки по электрическим цепям», том III «Полупроводники», глава 8: «Операционные усилители»

Цели эксперимента

Проиллюстрировать …

• … как построить двухтактный усилитель класса «B» с использованием комплементарных биполярных транзисторов.
• … эффекты «кроссоверных искажений» в схеме двухтактного усилителя
• … как использовать отрицательную обратную связь через операционный усилитель для исправления нелинейности схемы

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: аудио усилитель класса «B».

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: аудио усилитель класса «B».

Ход эксперимента

Этот проект представляет собой аудио усилитель, подходящий для усиления выходного сигнала небольшого радиоприёмника, магнитофона, проигрывателя компакт-дисков или любого другого источника аудиосигналов. Для стереофонической работы необходимо построить два идентичных усилителя, один для левого канала, а другой для правого. Чтобы получить входной сигнал для усиления этого усилителя, просто подключите его к выходу радиоприёмника или другого аудиоустройства следующим образом:

Рис. 3. Подключение входного сигнала для усиления.

Эта схема усилителя также хорошо работает при усилении аудиосигналов «линейного уровня» от высококачественных модульных стереокомпонентов. Он обеспечивает удивительное количество звуковой мощности при воспроизведении через большой динамик и, возможно, работает без радиаторов на транзисторах (хотя вам следует немного поэкспериментировать с ним, прежде чем отказаться от радиаторов, поскольку рассеиваемая мощность зависит от типа используемого динамика).

Задача любой схемы усилителя – максимально точно воспроизвести форму входного сигнала. Конечно, идеальное воспроизведение невозможно, и любые различия между выходной и входной формой волны известны как искажения. В аудиоусилителе искажения могут вызвать наложение неприятных тонов на истинный звук. Существует множество различных конфигураций схем аудиоусилителей, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Эта конкретная схема называется двухтактной схемой класса «B».

В большинстве аудиоусилителей «мощности» используется конфигурация класса «B», где один транзистор обеспечивает питание нагрузки в течение половины цикла формы сигнала (он как бы «толкает» впереди себя), а второй транзистор обеспечивает питание нагрузки в течение другой половины цикла (он как бы «тянет» за собой). В этой схеме ни один транзистор не остаётся «включённым» в течение всего цикла, давая каждому время «отдохнуть» и остыть во время цикла формы сигнала. Это делает схему усилителя энергоэффективной, но приводит к особому типу нелинейности, известному как «переходное искажение».

Здесь показана форма синусоиды, эквивалентная постоянному звуковому тону постоянной громкости:

Рис. 4. Постоянному звуковой тон постоянной громкости имеет форму синусоиды.

В схеме двухтактного усилителя два транзистора по очереди усиливают чередующиеся полупериоды сигнала следующим образом:

Рис. 5. Два транзистора по очереди усиливают чередующиеся полупериоды сигнала.

Однако, если «переключение» между двумя транзисторами не синхронизировано точно, форма выходного сигнала усилителя может выглядеть примерно так, не как чистая синусоида:

Рис. 6. Если два транзистора точно не синхронизированы, волна сигнала не будет чистой синусоидой.

Здесь искажение возникает из-за того, что существует задержка между временем выключения одного транзистора и включением другого. Этот тип искажения, при котором форма волны «сглаживается» в точке пересечения между положительным и отрицательным полупериодами, называется перекрёстным искажением. Одним из распространённых методов уменьшения перекрёстных искажений является смещение транзисторов таким образом, чтобы их точки включения/выключения фактически перекрывались, так что оба транзистора находились в состоянии проводимости в течение короткого времени в течение периода пересечения:

Рис. 7. Смещение транзисторов позволяет привести сигнал снова к форме чистой синусоиды.

Эта форма усиления технически известна как класс «AB», а не класс «B», потому что каждый транзистор находится во включённом состоянии более 50% времени в течение полного цикла сигнала. Недостатком этого, однако, является повышенное энергопотребление схемы усилителя, потому что в моменты времени, когда оба транзистора открыты, через транзисторы проходит ток, который не проходит через нагрузку, а просто «закорачивается» с одной шины питания на другую (от -V до +V).

Это не только пустая трата энергии, но и рассеивание большего количества тепловой энергии в транзисторах. Когда транзисторы нагреваются, их характеристики изменяются (V – прямое падение напряжения, β, сопротивление перехода и т. д.), что затрудняет правильное смещение.

В этом эксперименте транзисторы работают в чистом режиме класса «B». То есть они никогда не проводят одновременно. Это экономит энергию и уменьшает тепловыделение, но приводит к перекрёстным искажениям. Решение, принятое в этой схеме, заключается в использовании операционного усилителя с отрицательной обратной связью, чтобы быстро вывести транзисторы через «мёртвую» зону, создающую перекрёстные искажения, и уменьшить степень «сглаживания» формы сигнала во время пересечения.

Первый (самый левый) операционный усилитель, показанный на принципиальной схеме, представляет собой не что иное, как буфер. Буфер помогает уменьшить нагрузку на цепь входных конденсаторов/резисторов, которая была помещена в цепь для фильтрации любого напряжения смещения постоянного тока из входного сигнала, предотвращая усиление любого напряжения постоянного тока схемой и отправку его на динамик, где это может привести к повреждению.

Без буферного операционного усилителя схема фильтрации конденсатора/резистора уменьшает низкочастотный («бас», «низкий» тон) отклик усилителя и усиливает высокочастотный («высокий» тон). Второй операционный усилитель работает как инвертирующий усилитель, усиление которого регулируется потенциометром на 10 кОм. Это не что иное, как регулировка громкости усилителя. Обычно в схемах инвертирующих операционных усилителей резистор(ы) обратной связи подключаются непосредственно от выходной клеммы операционного усилителя к инвертирующей входной клемме следующим образом:

Рис. 8. Резисторы обратной связи подключаются непосредственно от выходной клеммы операционного усилителя.

Однако, если бы мы использовали результирующий выходной сигнал для управления выводами базы двухтактной пары транзисторов, мы бы столкнулись со значительными перекрёстными искажениями, потому что в работе транзисторов возникла бы «мёртвая» зона по мере того, как базовое напряжение падало от +0,7 вольт до - 0,7 вольт:

Рис. 9. При использовании результирующего выходного сигнала для управления выводами базы двухтактной пары транзисторов, возникают значительные перекрёстные искажения.

Если вы уже построили схему усилителя в её окончательном виде, вы можете упростить её до этой формы и послушать разницу в качестве звука. Если вы ещё не приступили к построению схемы, приведённая выше принципиальная схема будет хорошей отправной точкой. Это усилит звуковой сигнал, но звук будет очень мерзким!

Причина перекрёстного искажения заключается в том, что когда выходной сигнал операционного усилителя находится между + 0,7 В и - 0,7 В, ни один из транзисторов не будет проводить ток, а выходное напряжение на динамик будет равно 0 В для всего диапазона разброса напряжения базы 1,4 В. Таким образом, в диапазоне входного сигнала существует «зона», в которой не происходит изменения выходного напряжения динамика. Именно здесь в схему обычно вводятся сложные методы смещения, чтобы уменьшить этот 1,4-вольтовый «разрыв» в отклике входного сигнала транзистора. Обычно делается примерно так:

Рис. 10. Уменьшение 1,4-вольтовый «разрыва» в отклике входного сигнала транзистора.

На двух последовательно соединённых диодах будет падать примерно 1,4 вольта, что эквивалентно суммарному падению прямого напряжения двух транзисторов, что приводит к сценарию, в котором каждый транзистор находится на грани включения, когда входной сигнал равен нулю вольт, устраняя ранее существовавшую «мёртвую» сигнальную зону 1,4 вольта.

Однако, к сожалению, это решение не идеально: по мере того, как транзисторы нагреваются от проводящей мощности к нагрузке, их прямое падение напряжения VБЭ уменьшится с 0,7 вольта до чего-то меньшего, например, 0,6 вольта или 0,5 вольта. Диоды, которые не подвергаются такому же нагревательному эффекту, потому что они не проводят значительный ток, не испытают такого же изменения прямого падения напряжения.

Таким образом, диоды будут по-прежнему обеспечивать то же напряжение смещения 1,4 В, хотя транзисторам требуется меньшее напряжение смещения из-за нагрева. В результате схема перейдёт в режим работы класса «AB», где оба транзистора часть времени будут находиться в состоянии проводимости. Это, конечно, приведёт к большему рассеиванию тепла через транзисторы, усугубляя проблему прямого изменения падения напряжения.

Распространённым решением этой проблемы является вставка термокомпенсирующих резисторов «обратной связи» в эмиттерные ножки двухтактной транзисторной схемы:

Рис. 11. Вставка термокомпенсирующих резисторов «обратной связи».

Это решение не препятствует одновременному включению двух транзисторов, а просто уменьшает серьёзность проблемы и предотвращает тепловой разгон. Это также имеет нежелательный эффект вставки сопротивления на пути тока нагрузки, ограничивая выходной ток усилителя. Решение, которое я выбрал в этом эксперименте, основано на принципе отрицательной обратной связи операционного усилителя для преодоления ограничений, присущих выходной схеме двухтактного транзистора. Я использую один диод, чтобы обеспечить напряжение смещения 0,7 В для двухтактной пары. Этого недостаточно для устранения «мёртвой» зоны сигнала, но она уменьшает её как минимум на 50%:

Рис. 12. Используется один диод, чтобы обеспечить напряжение смещения 0,7 В для двухтактной пары.

Поскольку падение напряжения на одном диоде всегда будет меньше суммарного падения напряжения на переходах база/эмиттер двух транзисторов, транзисторы никогда не могут включаться одновременно, что препятствует работе усилителю класса «AB». Затем, чтобы избавиться от оставшихся перекрёстных искажений, сигнал обратной связи операционного усилителя берётся с выходного вывода усилителя (выводы эмиттера транзисторов) следующим образом:

Рис. 13. Сигнал обратной связи операционного усилителя берётся с выходного вывода усилителя.

Функция операционного усилителя состоит в том, чтобы выводить любой сигнал напряжения, который он должен иметь, чтобы поддерживать на двух входных клеммах одинаковое напряжение (дифференциал 0 вольт). Подключив провод обратной связи к эмиттерным клеммам двухтактных транзисторов, операционный усилитель может обнаруживать любую «мёртвую» зону, где ни один из транзисторов не проводит ток, и выводить соответствующий сигнал напряжения на базы транзисторов, чтобы быстро снова привести их в состояние проводимости, чтобы «не отставать» от формы входного сигнала.

Для этого требуется операционный усилитель с высокой скоростью нарастания (способность создавать быстро нарастающее или быстро падающее выходное напряжение), поэтому для этой схемы был выбран операционный усилитель TL082. Более медленные операционные усилители, такие как LM741 или LM1458, могут не справиться с высокими значениями dv/dt (скорость изменения напряжения во времени, также известная как de/dt), необходимой для работы с малыми искажениями.

В эту схему добавлена всего пара конденсаторов, чтобы придать ей окончательный вид: конденсатор ёмкостью 47 мкФ, подключённый параллельно диоду, помогает поддерживать постоянное напряжение смещения 0,7 В, несмотря на большие колебания напряжения на выходе операционного усилителя, в то время как конденсатор ёмкостью 0,22 мкФ, подключённый между базой и эмиттером NPN-транзистора, помогает уменьшить перекрёстные искажения при низких настройках громкости:

Рис. 14. Конденсатор помогает уменьшить перекрёстные искажения при низких настройках громкости.