Аудиоусилитель класса B

Добавлено 7 октября 2019 в 22:43
Глава 6 – Схемы на аналоговых интегральных микросхемах  (содержание)

Компоненты и материалы

  • двуполярный источник питания ±12 В (на схемах вместо него используются четыре аккумулятора по 6 вольт);
  • двойной операционный усилитель, рекомендуется модель TL082;
  • один мощный NPN транзистор в корпусе TO-220;
  • один мощный PNP транзистор в корпусе TO-220;
  • один импульсный диод 1N914;
  • один конденсатор, 47 мкФ, 35 В, электролитический;
  • два конденсатора, 0,22 мкФ, неполярные;
  • один потенциометр 10 кОм.

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

Чем лучше подобраны два транзистора, тем лучше. Если возможно, попробуйте приобрести транзисторы TIP41 и TIP42, которые являются близко подобранными мощными NPN и PNP транзисторами с номинальной рассеиваемой мощностью 65 Вт каждый. Если у вас нет NPN транзистора TIP41, то подойдет TIP3055. Не используйте слишком большие мощные транзисторы (т. е. в корпусе TO-3), так как операционный усилитель может испытывать проблемы с подачей на их базы тока, достаточного для нормальной работы.

Дополнительная информация

Основы электроники и схемотехники, том 3, глава 4: «Биполярные транзисторы»

Основы электроники и схемотехники, том 3, глава 8: «Операционные усилители»

Цели обучения

  • Как создать «двухтактный» усилитель класса B с использованием комплементарных биполярных транзисторов.
  • Эффект «кроссоверных искажений» в двухтактной схеме усилителя.
  • Использование отрицательной обратной связи через операционный усилитель для исправления нелинейности схемы.

Схема

Рисунок 1 Принципиальная схема
Рисунок 1 – Принципиальная схема

Иллюстрации

Рисунок 2 Макет усилителя
Рисунок 2 – Макет усилителя

Описание

Данный проект представляет собой аудиоусилитель, подходящий для усиления выходного сигнала небольшого радиоприемника или любого другого источника аудиосигналов. Для стереофонического режима необходимо собрать два идентичных усилителя: один для левого канала, а другой для правого канала. Чтобы получить входной сигнал для усиления этого усилителя, просто подключите его к выходу радиоприемника или другого аудиоустройства, например:

Рисунок 3 Подключение к источнику сигнала
Рисунок 3 – Подключение к источнику сигнала

Данная схема усилителя также хорошо работает при усилении аудиосигналов «линейного уровня» от высококачественных модульных стереофонических компонентов. Она обеспечивает хорошую громкость звука при воспроизведении через большой динамик и, возможно, будет работать без радиаторов на транзисторах (хотя вы должны немного с ней поэкспериментировать, прежде чем отказываться от радиаторов, так как рассеиваемая мощность варьируется в зависимости от типа используемого динамика).

Целью схемы любого усилителя является максимально точное воспроизведение формы входного сигнала. Безусловно, идеальное воспроизведение невозможно, и любые различия между формами выходного и входного сигналов известны как искажения. В аудиоусилителе искажение может привести к наложению неприятных тонов на настоящий звук. Существует множество различных конфигураций схем аудиоусилителей, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Эта конкретная схема называется схема «класса B», двухтактная схема.

Большинство «мощных» аудиоусилителей используют конфигурацию класса B, где один транзистор обеспечивает питание нагрузки в течение одной половины периода сигнала, а второй транзистор обеспечивает питание нагрузки в течение другой половины периода. В этой схеме ни один из транзисторов не остается «включенным» в течение всего периода, что дает каждому транзистору время «отдохнуть» и остыть во время периода сигнала. Это создает эффективную схему усилителя, но приводит к типу нелинейности, известному как «кроссоверное искажение».

Здесь показана синусоида, эквивалентная постоянному звуковому тону постоянной громкости:

Рисунок 4 Синусоида
Рисунок 4 – Синусоида

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

Рисунок 5 Транзисторы поочередно усиливают входной сигнал
Рисунок 5 – Транзисторы поочередно усиливают входной сигнал

Если «переход» между двумя транзисторами синхронизирован не точно, выходной сигнал усилителя может выглядеть не как синусоида, а примерно так:

Рисунок 6 Искажение выходного сигнала в двухтактном усилителе
Рисунок 6 – Искажение выходного сигнала в двухтактном усилителе

Здесь искажение является следствием того факта, что существует задержка между временем, в течение которого один транзистор выключается, а другой транзистор включается. Этот тип искажения, когда форма волны «выравнивается» в точке пересечения между положительными и отрицательными полупериодами, называется кроссоверным искажением. Один из распространенных методов уменьшения кроссоверных искажений заключается в смещении транзисторов так, что их точки включения/выключения фактически перекрывались, поэтому в течение короткого момента в течение времени перехода (кроссовера) оба транзистора находятся в состоянии проводимости:

Рисунок 7 Устранение кроссоверных искажений смещением транзисторов
Рисунок 7 – Устранение кроссоверных искажений смещением транзисторов

Эта форма усиления технически известна как класс AB, а не как класс B, потому что каждый транзистор «включен» более 50% времени в течение полного периода сигнала. Однако недостатком этого является повышенное энергопотребление схемы усилителя, поскольку в моменты времени, когда оба транзистора находятся в состоянии проводимости, ток через транзисторы идет не на нагрузку, а просто «замыкается накоротко» от одной шины питания к другой (от -V к + V). Это не только впустую тратит электроэнергию, но и рассеивает больше тепловой энергии в транзисторах. При повышении температуры транзисторов их характеристики изменяются (прямое падение напряжения VБЭ, β, сопротивления перехода и т. д.), что затрудняет осуществление правильного смещения.

В этом эксперименте транзисторы работают чисто в режиме класса B. То есть они никогда не проводят ток одновременно. Это экономит энергию и уменьшает тепловыделение, но приводит к кроссоверному искажению. Решение, принятое в этой схеме, заключается в использовании операционного усилителя с отрицательной обратной связью, чтобы быстро провести транзисторы через «мертвую» зону, создающую кроссоверные искажения, и уменьшить степень «сплющивания» формы сигнала во время кроссовера.

Первый (самый левый) операционный усилитель на схеме является не чем иным, как буфером. Буфер помогает снизить нагрузку на цепь из входных конденсатора/резистора, которая была добавлена в схему, чтобы устранять любое постоянное напряжение смещения из входного сигнала, предотвращая усиление схемой любого постоянного напряжения и передачу его на динамик, где оно может привести к повреждению. Без буферного операционного усилителя схема фильтрации из конденсатора/резистора снижает низкочастотный отклик усилителя и усиливает высокочастотный.

Второй операционный усилитель работает как инвертирующий усилитель, усиление которого регулируется потенциометром 10 кОм. Это не более чем обеспечение регулировки громкости усилителя. Обычно в инвертирующих схемах на операционном усилителе резисторы обратной связи подключаются непосредственно от выхода операционного усилителя к инвертирующему входу, например:

Рисунок 8 Регулирование коэффициента усиления схемы на операционном усилителе о отрицательной обратной связью
Рисунок 8 – Регулирование коэффициента усиления схемы на операционном усилителе с отрицательной обратной связью

Если бы мы использовали полученный выходной сигнал для подачи на базы двухтактной пары транзисторов, мы бы услышали значительные кроссоверные искажения, потому что при работе «мертвая» зона будет наблюдаться при напряжении на базах транзисторов от +0,7 вольт до -0,7 вольт:

Рисунок 9 Возникновение мертвой зоны и кроссоверных искажений при нулевом смещении на базах транзиторов
Рисунок 9 – Возникновение «мертвой» зоны и кроссоверных искажений при нулевом смещении на базах транзисторов

Если вы уже собрали схему усилителя в ее окончательном виде, вы можете упростить ее до этого вида и послушать разницу в качестве звука. Если вы еще не начали собирать схему, то схема, на рисунке выше, будет хорошей отправной точкой. Она усилит аудиосигнал, но будет звучать ужасно!

Причина кроссоверного искажения заключается в том, что когда выходной сигнал операционного усилителя находится между +0,7 вольт и -0,7 вольт, ни один из транзисторов не будет находиться в состоянии проводимости, и выходное напряжение на динамике будет 0 вольт для всего диапазона изменений напряжения базы 1,4 вольт. Таким образом, в диапазоне напряжений входного сигнала есть «зона», в которой выходное напряжение на динамике не изменяется. Здесь в схему обычно добавляются сложные схемы смещения, чтобы уменьшить этот 1,4-вольтовый «разрыв» в отклике на входной сигнал транзистора. Обычно, делается что-то вроде этого:

Рисунок 10 Добавление смещения на транзисторы
Рисунок 10 – Добавление смещения на транзисторы

На двух последовательно соединенных диодах будет падать примерно 1,4 В, что эквивалентно сумме прямых падений напряжения VБЭ двух транзисторов, что приводит к поведению, когда каждый транзистор находится на грани включения, когда входной сигнал равен нулю вольт, устраняя для сигнала 1,4-вольтовую «мертвую» зону, которая была изначально.

Однако, к сожалению, это решение не идеально: поскольку транзисторы нагреваются во время пропускания тока к нагрузке, их прямое падение напряжения VБЭ уменьшается с 0,7 вольт до какого-то меньшего значения, например, 0,6 вольт или 0,5 вольт. Диоды не подвержены такому же эффекту нагрева, поскольку они не пропускают какой-либо значительный ток, и прямое падение напряжения у них так меняться не будет. Таким образом, диоды будут продолжать обеспечивать то же напряжение смещения 1,4 В, даже несмотря на то, что транзисторы из-за нагрева требуют меньшего напряжения смещения. Результатом будет переход схемы в режим работы класса AB, где часть времени оба транзистора будут находиться в состоянии проводимости. Это, конечно, приведет к большему рассеиванию тепла на транзисторах, что еще больше усугубит проблему прямого падения напряжения.

Распространенным решением этой проблемы является добавление резисторов «обратной связи» с температурной компенсацией в цепи эмиттеров двухтактной транзисторной схемы:

Рисунок 11 Добавление резисторов обратной связи для температурной компенсации
Рисунок 11 – Добавление резисторов обратной связи для температурной компенсации

Это решение не предотвращает одновременное включение двух транзисторов, а лишь уменьшает серьезность проблемы и предотвращает тепловой пробой. Оно также имеет неприятный эффект от добавления сопротивления в путь тока нагрузки, ограничивая выходной ток усилителя. Решение, которое я выбрал в этом эксперименте, для преодоления ограничений, присущих двухтактной транзисторной выходной схеме основано на принципе отрицательной обратной связи ОУ. Чтобы обеспечить напряжение смещения 0,7 В для двухтактной пары транзисторов, я использую только один диод. Этого недостаточно для устранения «мертвой» сигнальной зоны, но это уменьшает ее как минимум на 50%:

Рисунок 12 Использование только одного диода для смещения транзисторов
Рисунок 12 – Использование только одного диода для смещения транзисторов

Поскольку падение напряжения на одном диоде всегда будет меньше, чем суммарное падение напряжения на переходах база-эмиттер двух транзисторов, транзисторы никогда не смогут включиться одновременно, что предотвращает работу класса AB. Затем, чтобы помочь избавиться от остаточного кроссоверного искажения, сигнал обратной связи операционного усилителя берется с выхода схемы усилителя (с выводов эмиттеров транзисторов) следующим образом:

Рисунок 13 Охват петлей отрицательной обратной связи всей схемы усилителя
Рисунок 13 – Охват петлей отрицательной обратной связи всей схемы усилителя

Функция операционного усилителя состоит в том, чтобы выдавать любой сигнал напряжения, необходимый для поддержания двух входов при одном и том же напряжении (разница 0 вольт). После подключения провода обратной связи к выводам эмиттеров транзисторов в двухтактной схеме операционный усилитель будет способен распознавать любую «мертвую» зону, где ни один из транзисторов не проводит ток, и выдавать на базы транзисторов сигнал напряжения, необходимый, чтобы быстро снова перевести их в режим проводимости, чтобы «не отставать» от формы входного сигнала. Для этого требуется операционный усилитель с высокой скоростью нарастания (способность генерировать быстро растущее или быстро спадающее 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), необходимыми для работы с низким уровнем искажений.

Чтобы привести схему к окончательному виду, в нее добавлена только пара конденсаторов: конденсатор 47 мкФ, подключенный параллельно с диодом, помогает поддерживать постоянное напряжение смещения 0,7 В, несмотря на большие колебания напряжения на выходе операционного усилителя, а конденсатор 0,22 мкФ, подключенный между базой и эмиттером NPN-транзистора, помогает уменьшить кроссоверные искажения при установке низкой громкости:

Рисунок 14 Окончательная схема аудиоусилителя класса B
Рисунок 14 – Окончательная схема аудиоусилителя класса B

Теги

АудиоусилительБиполярный транзисторНелинейные искаженияОбратная связьОперационный усилительОтрицательная обратная связьОУПороговое напряжениеУсилитель класса B

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.