Как буферизовать выход операционного усилителя для получения более высокого тока, часть 2

Добавлено 8 октября 2019 в 06:52

В данной статье мы рассмотрим два варианта базовой схемы на биполярных транзисторах для буферизации тока.

Вспомогательная информация

Предыдущая статья

Если выходной каскад вашего операционного усилителя не может справиться с давлением

Базовая схема буферизации на биполярном транзисторе, рассмотренная в предыдущей статье, отлично подходит для многих приложений, но у нее есть два ограничения, которые необходимо учитывать: во-первых, для высоких токов нагрузки может потребоваться слишком большой выходной ток операционного усилителя; во-вторых, она не совместима с отрицательными напряжениями нагрузки. Начнем с первой проблемы.

Как упоминалось в предыдущей статье, выходной ток, требуемый от операционного усилителя, будет приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент усиления по току транзистора (он же бета или hFE). В некоторых ситуациях может быть проблематично добавить в ваш проект возможность получения большого выходного тока.

Например: вы используете компонент операционного усилителя, который включает в себя несколько усилителей в одном корпусе. Если у вас уже есть деталь с низким выходным током, которая подходит именно для вашей системы, и вы используете три из четырех усилителей в комплекте, вы можете решить использовать этот четвертый усилитель. Или, скажем, у вас есть операционный усилитель, встроенный в микроконтроллер, используемый на плате. Этот операционный усилитель вряд ли может предложить большой выходной ток, но вы не хотите добавлять внешнюю деталь просто потому, что вам нужно еще 20 или 30 мА от встроенного операционного усилителя. Решением таких ситуаций является дополнительное усиление по току с помощью биполярного транзистора. Первое, что нужно сделать, это просто найти транзистор с более высоким hFE. Но если вам нужно гораздо большее усиление по току (потому что у вас слишком большой ток нагрузки, или ваш операционный усилитель настолько слаб, или и то, и другое), то настало время использовать пару Дарлингтона.

Пара Дарлингтона

Рисунок 1 Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона
Рисунок 1 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона

Условное обозначение на схеме рассказывает большую часть истории. Пара Дарлингтона – это два биполярных транзистора с общим коллектором, объединенных в один корпус. В результате получается устройство, которое работает очень похоже на обычный биполярный транзистор, но с чрезвычайно высоким hFE – общий коэффициент усиления по току приблизительно равен hFE первого транзистора, умноженному на hFE второго транзистора. В этот момент вы можете подумать: «У меня много транзисторов 2N2222, я просто подключу их в стиле Дарлингтона и скажу, что это круто». Ну, это не так просто. Взгляните на эквивалентную схему для транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild:

Рисунок 2 Эквивалентная схема транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild
Рисунок 2 – Эквивалентная схема транзистора Дарлингтона TIP142T от Fairchild

В дополнение к биполярным транзисторам у нас тут защитный диод и два резистора. Резисторы уменьшают время выключения, обеспечивая путь разряда для емкости перехода база-эмиттер правого транзистора, и они обеспечивают определенное состояние для базы правого транзистора, которая в противном случае висела бы в воздухе, когда пара Дарлингтона находится в режиме отсечки. Они также приводят к снижению hFE, потому что часть тока базы идет в обход переходов база-эмиттер. Это уменьшение усиления на самом деле во многих ситуациях выгодно, потому что оно уменьшает влияние тока утечки – и дело в том, что вам на самом деле не нужен весь коэффициент усиления по току, который был бы примерно равен 10 000, если предположим, что каждый биполярный транзистор имеет hFE = 100. Суть в том, что, вероятно, лучше купить устройство Дарлингтона, а не делать свое собственное из двух отдельных биполярных транзисторов.

Вот схема LTspice с парой Дарлингтона вместо одного биполярного транзистора.

Рисунок 3 Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона в LTspice
Рисунок 3 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на паре Дарлингтона в LTspice

В LTspice по умолчанию нет устройств Дарлингтона, но вы можете зайти сюда, чтобы скачать файлы подсхем и условных обозначений для TIP142.

Вот график входного напряжения VIN, выходного напряжения VOUT и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ), VBASE.

Рисунок 4 График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к базе Дарлингтона (выходного напряжения ОУ)
Рисунок 4 – График входного напряжения схемы, выходного напряжения схемы и напряжения, приложенного к базе транзистора Дарлингтона (выходного напряжения ОУ)

Как и в схеме с одним биполярным транзистором, выходное напряжение повторяет входное напряжение (график входного напряжения VIN скрыт под графиком выходного напряжения VOUT). Обратите внимание, что напряжение на базе транзистора Дарлингтона VBASE приблизительно на 1,3–1,4 В выше напряжения на нагрузке; это потому, что теперь у нас есть два падения напряжения база-эмиттер вместо одного. Таким образом, вы должны быть особенно осторожны, чтобы убедиться, что ваши напряжения питания транзистора Дарлингтона и операционного усилителя достаточно высоки, чтобы обеспечить весь диапазон напряжений нагрузки (более подробно об этом см. раздел «Просто, но без "защиты от дурака"» в конце предыдущей статьи).

Следующий график показывает ток нагрузки и ток, протекающий через базу транзистора Дарлингтона.

Рисунок 5 График ток нагрузки и тока базы первого транзистора пары Дарлингтона
Рисунок 5 – График ток нагрузки и тока базы первого транзистора пары Дарлингтона

Таким образом, при токе нагрузки 360 мА ток базы составляет 169 мкА, что соответствует hFE ≈ 2130. Техническое описание указывает, что коэффициент усиления по току должен быть около 1000; возможно, эта конкретная модель SPICE не так точна, как могла бы быть. В любом случае нам удалось значительно снизить выходной ток, требующийся от операционного усилителя.

Другой способ справиться с операционным усилителем, который не может обеспечить достаточный выходной ток, – это использовать MOSFET-транзистор вместо биполярного транзистора. Мы рассмотрим реализацию с MOSFET в следующей статье.

Идем ниже земли

Операционные усилители часто используются с отрицательными выходными напряжениями. Очевидным примером являются синусоидальные сигналы, которые можно найти в аудио, видео и радиочастотных приложениях. Когда операционный усилитель генерирует положительное выходное напряжение, выходной ток течет «из» операционного усилителя и через нагрузку «в» узел земли. Следовательно, когда выходной сигнал положительный, операционный усилитель «отдает» ток. При отрицательном выходном напряжении ток протекает «из» узла земли через нагрузку и «в» операционный усилитель, поэтому теперь операционный усилитель «принимает» ток. Таким образом, для поддержки сигналов, которые по напряжению находятся выше и ниже уровня земли, нам необходим буфер выходного тока, который может «принимать» и «отдавать» ток. Вуаля:

Рисунок 6 Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах
Рисунок 6 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Общая идея та же: биполярные транзисторы обеспечивают способность пропускать более высокий ток, а схема обратной связи заставляет ОУ изменять свой выходной сигнал любым необходимым способом, чтобы гарантировать, что напряжение нагрузки Vвых равно Vвх. Разница заключается в добавлении PNP транзистора, который выполняет для отрицательных напряжений нагрузки то же самое, что NPN транзистор для положительных напряжений нагрузки. Другими словами, когда входное напряжение положительное, выходной сигнал операционного усилителя становится положительным, чтобы открыть NPN транзистор, и ток подается от NPN транзистора к нагрузке. Когда входное напряжение отрицательное, выходной сигнал операционного усилителя становится отрицательным, чтобы открыть PNP транзистор, и PNP транзистор принимает ток нагрузки. Вот схема LTspice:

Рисунок 7 Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах в LTspice
Рисунок 7 – Схема для буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах в LTspice

Обратите внимание, что я выбрал модель PNP транзистора, рекомендованную в качестве комплементарного транзистора в техническом описании для 2SCR293P:

Рисунок 8 Рекомендация по выбору комплементарного транзистора для 2SCR293P
Рисунок 8 – Рекомендация по выбору комплементарного транзистора для 2SCR293P

Вот график для входного напряжения VIN и выходного напряжения VOUT. Как обычно, график входного напряжения скрыт под графиком выходного напряжения.

Рисунок 9 Графики входного и выходного напряжений для схемы буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах
Рисунок 9 – Графики входного и выходного напряжений для схемы буферизации выходного тока операционного усилителя на двухтактном усилителе на биполярных транзисторах

Следующая увеличенная диаграмма включает в себя график выходного напряжения операционного усилителя (VBASE). Обратите внимание, что действие отрицательной обратной связи заставляет операционный усилитель автоматически обходить «мертвую зону», т. е. диапазон напряжений (примерно от –0,7 В до +0,7 В), в котором оба транзистора находятся в закрытом состоянии.

Рисунок 10 Графики входного и выходного напряжений схемы и выходного напряжения операционного усилителя
Рисунок 10 – Графики входного и выходного напряжений схемы и выходного напряжения операционного усилителя

Это аудиоусилитель?

В этот момент вам может быть интересно, можете ли вы использовать эту схему в качестве усилителя мощности для аудиосигналов. Вы, конечно, можете, но качество звука будет не лучшим. Фактически, конфигурация «NPN транзистор плюс PNP транзистор» в этой схеме упоминается как выходной каскад класса B, и объединение каскада класса B с операционным усилителем и некоторой отрицательной обратной связью дает усилитель мощности с минимальным кроссоверным искажением (каскад класса B сам по себе имеет серьезные проблемы с искажениями, создаваемыми большой мертвой зоной). Однако даже при отрицательной обратной связи качество звука всё еще несколько ухудшается из-за попеременного включения и выключения NPN и PNP транзисторов. Вот почему предпочтительной схемой для аудио является усилитель класса AB, в котором транзисторы смещены таким образом, что при небольших входных напряжениях (выше или ниже точки кроссовера) оба находятся в состоянии проводимости.

Заключение

Мы рассмотрели три простых недорогих схемы, которые могут значительно увеличить выходной ток операционного усилителя. Эти три конфигурации охватывают большинство ситуаций, в которых необходим усилитель с высоким выходным током – просто не забудьте перепроверить напряжение питания, ограничения по току и рассеиваемой мощности.

Теги

LTspiceБиполярный транзисторОперационный усилительОУПара ДарлингтонаСоставной транзистор ДарлингтонаУсилитель класса BУсилитель мощностиУсилитель с высоким выходным током

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.