Несмотря на впечатляющие успехи микроэлектроники, создание
интегрального усилителя мощности звуковых частот (УМЗЧ) связано с
большими трудностями. Объясняется это тем, что мощность, рассеиваемая
полупроводниковыми кристаллами, выпускаемыми по массовой технологии,
ограничена 10...15 Вт. В результате УМЗЧ, от которых требуется
повышенная мощность и надежность в жестких температурных условиях, до
сих пор строят на дискретных элементах. Именно к такого рода устройствам
относится автомобильная радиоаппаратура, в частности автомобильные
усилители мощности. Необходимость их повышенной мощности и хороших
параметров вызвана применением в автомобилях малогабаритных АС с низкой
чувствительностью.
В усилителях напряжения таких УМЗЧ применяют обычно ОУ. Это позволяет
существенно снизить количество элементов, используемых в каскадах
предварительного усиления, а значит, повысить надежность и снизить
стоимость УМЗЧ. Существует несколько способов соединения ОУ с
транзисторами выходных каскадов УМЗЧ [1,2]. Рассмотрим те из них,
которые позволяют получить максимальное выходное напряжение при
ограниченной величине питающего напряжения бортовой сети автомобиля. При
этих условиях в идеальном случае напряжение на нагрузке (U ) может
достигать величины
Uн=12 В —Uнас,
где Uнас — напряжение насыщения выходного транзистора. Для УМЗЧ,
упрощенная схема которого представлена на рис.1, это напряжение будет
равно:
Uн=Uпит-UбэVT1-UбэVT3-UR8 (l),
где Uпит — напряжение питания, UR8 — падение напряжения на резисторе
R8, UбэVT1, U,эVT3 — напряжение база-эмиттер транзисторов выходного
каскада VT1, VTЗ.
Рис. 1
Отсюда следует, что при собранном по этой схеме выходном каскаде
выходные транзисторы не могут полностью открыться, поскольку они
включены как эмиттерные повторители и напряжения на их эмиттерах
отличаются от напряжений на их базах всего на 0,6 В (UбэVT1 — UбэVT3 =
0,6 В).
Рис. 2
В УМЗЧ, представленном на рис.2, транзистор VT1 уже включен по схеме с
общим эмиттером и работает с усилением, а транзистор VT3 — по-прежнему
по схеме эмиттерного повторителя. В этом случае максимальное напряжение
на нагрузочном резисторе Rн составит величину:
Uн =Uпит - UнасVT1- UR5 - UбэVT3 - UR8 (2).
Напряжение на нагрузочном резисторе УМЗЧ, построенном по схеме, приведенной на рис.3, будет равно:
Uн = Uпит —UнасVT3 —UR7 (3).
Здесь транзисторы VT1 и VT3 работают с усилением, так как оба включены по схеме с общим эмиттером.
Сравнив выражения (2) и (3), можно заметить, что если будет соблюдаться неравенство:
UнасVT3 < UбэVT3 + UнасVT1+ UR5
то напряжение на нагрузке УМЗЧ, собранном по схеме, показанной на рис.3, будет наибольшим.
Рис. 3
Таким образом, для получения максимальной выходной мощности при
заданном напряжении питания в выходном каскаде УМЗЧ необходимо,
во-первых, использовать мощные низкочастотные транзисторы с большой
площадью эмиттера, поскольку у них наименьшее напряжение насыщения Uнас
и, во-вторых, отказаться от резистора в цепи эмиттера. Хотя этот
резистор и обеспечивает ООС по току, обойтись без него можно, так как
при небольших напряжениях питания (до 15...16 В) и работе выходных
транзисторов в режиме В их саморазогрев маловероятен.
Рис.4
Значительно повысить выходную мощность усилителя позволяет "мостовое”
включение нагрузки. Теоретически в этом случае возможно четырехкратное
увеличение мощности при низменном напряжении литания. Для нормальной
работы усилителя мощности в таком режиме необходимо обеспечить условия,
при которых на нагрузку поступают равные по амплитуде, но
противоположные по фазе сигналы. Существует несколько способов
"мостового” включения нагрузки [3,4]. В УМЗЧ, структурная схема которого
приведена на рис.4, для создания противофазных сигналов используется
трансформатор Т1 с заземленной средней точкой вторичной обмотки. Сами
сигналы управляют двумя идентичными усилителями мощности A1, A2. Однако
использование для получения противофазных сигналов трансформатора не
позволяет построить УМЗЧ с хорошими параметрами, поскольку трансформатор
сужает частотный диапазон усиливаемого сигнала.
Рис.5
В усилителе, структурная схема которого показана на рис.5, для
создания противофазного сигнала используется инвертирующий усилитель A1.
Но и эта схема имеет недостатки, поскольку инвертирующий усилитель
снижает входное сопротивление одного из плеч УМЗЧ, вносит в усиливаемый
сигнал дополнительные искажения и, безусловно, усложняет усилитель.
Рис.6
Более целесообразен УМЗЧ, построенный по схеме, приведенной на рис.6
[З]. В его работе используется свойство ОУ благодаря большому
коэффициенту усиления поддерживать на обоих своих входах одинаковые
напряжение. В результате напряжение в точке В оказывается равным
напряжению в точке С, т.е. в данном случае точка В будет иметь потенциал
общего провода. Следовательно, усилитель DA1 включен здесь как самый
обычный неинвертирующий усилитель и коэффициент его усиления равен К =1 +
+R1/R2. С другой стороны, с учетом указанного выше свойства ОУ сигнал в
точке А будет равен внешнему входному сигналу и в то же время являться
входным для усилителя DA2. Коэффициент усиления этого включенного по
инвертирующей схеме усилителя равен К =R3/R2.
Иными словами, при R1+R2=R3 K=(R2+R1)/R2=R1/R2+1 и на нагрузке Rн
будут присутствовать два одинаковых по амплитуде и противоположных по
фазе сигнала, что и нужно для работы "мостового” усилителя.
Из сказанного следует, что данное техническое решение наиболее удачно
как с точки зрения получения хорошего качества звучания, так и с точки
зрения простоты схемы, поскольку в УМЗЧ отсутствуют какие-либо
дополнительные способные вносить нелинейные искажения элементы.
Рис.7
На базе предложенной структурной схемы был спроектирован и изготовлен усилитель мощности (рис.7).
Основные характеристики усилителя
Номинальная выходная мощность, Вт, на нагрузке 4 Ом | 2х15 |
Номинальное входное напряжение, В | 0,2 |
Диапазон воспроизводимых частот, Гц, при неравномерности АЧХ ± 0,5 дБ | 20...20 000 |
Коэффициент гармоник, %, на частоте 1 кГц и при выходной мощности 12 Вт, не более | 0,05 |
Отношение сигнал/шум, дБ | 85 |
Напряжение питания, В | 12 |
Габариты, мм | 182х176х52 |
Масса,кг | 1 |
Рассмотрим схему одного канала усилителя подробнее. На ОУ 1DA1.1
собран усилитель напряжения. Резисторы 1R4 и 1 R5 обеспечивают смещение
рабочей точки ОУ по постоянному току. Элементы 1R6, 1С4 образуют фильтр
низких частот (ФВЧ), a 1R1, 1С1 - высоких (ФНЧ). Одно из плеч выходного
каскада собрано на транзисторах 1VT1,1VT2, 1VT5, 1VT6, включенных по
схеме с общим эмиттером. Выходной каскад охвачен цепью местной ООС 1R20,
1R14, которая определяет его коэффициент усиления, он равен четырем.
Коррекцию частотной характеристики выходного каскада обеспечивает
конденсатор 1С12. В результате коррекции снижается коэффициент усиления
каскада на высших звуковых частотах и, следовательно, повышается его
устойчивость. В цепь общей ООС входят резисторы 1R21 и 1R7.
Противофазное управление другим плечом выходного каскада УМЗЧ
(1VT3,1VT4, 1VT7, 1VT8) обеспечивает ОУ 1DA1.2. Коэффициент усиления
выравнивается с помощью цепи 1R8,1R23. Выходной сигнал с каскада на
транзисторах 1VT1,1VT2, 1VT4, 1VT6 поступает на неинвертирующий вход ОУ
1DA1.2. через цепь 1R71R211C5. При прохождении положительной полуволны
звукового сигнала ток течет через транзистор 1VT5, нагрузку и транзистор
1VT8, а при прохождении отрицательной полуволны — через транзистор
1VT6, нагрузку и транзистор 1VT7.
Для снижения уровня пульсации в цепь питания УМЗЧ введен фильтр
1C151C14L1. Ограничительный диод 1VD5 срезает импульсы напряжении в цепи
литания, которые могут возникнуть при запуске генератора автомобиля.
Светодиод 1HL1 сигнализирует о наличии напряжения питания.
Усилитель смонтирован на плате размерами 130х144 мм из
стеклотекстолита толщиной 2 мм. Выходные транзисторы 1VT5—1VT8
установлены на теплоотводе, закрепленном на одной стороне платы. На
теплоотводе, закрепленном на другой стороне платы, установлены выходные
транзисторы второго канала. При монтаже использованы постоянные
резисторы С2-23-0,125, переменный резистор 1R2—СП-4-1, оксидные
конденсаторы — К50-35-16, остальные —К10-17. Катушка L1 бескаркасная и
содержит 22 витка провода ПЭЛ 0,1, намотанных на оправке диаметром 10
мм. ОУ К157УД2А можно заменить более быстродействующими ОУ КР574УД2А. В
этом случае следует ожидать снижения коэффициента гармоник. Указанные на
схеме транзисторы можно заменить аналогичными с любыми, но одинаковыми
буквенными индексами. Испытания нескольких экземпляров усилителя
показали, что правильно собранный усилитель практически не нуждается в
налаживании.
Р. НУРУЛЛИН, г. Санкт-Петербург РАДИО № 9, 1993 г., с.9-10.
Источник: http://irls.narod.ru/unch/unch15.htm |