Проще всего построить усилительный каскад на основе операционного усилителя (ОУ). Усилители на основе ОУ обладают широким диапазоном частот, высокой стабильностью и надежностью, малыми габаритами и массой. Входное сопротивление идеального ОУ стремится к бесконечности, выходное - к нулю, амплитуда выходного напряжения стремится к напряжению источника питания. В реальности всё чуток хуже. На рисунке 8 показаны типичные схемы усилителей на основе ОУ.
Рис. 8 - Схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителя на основе ОУ
В первой схеме сигнал подается на инвертирующий вход (он обозначается кружочком), при этом фаза выходного сигнала сдвигается относительно входного на 180º. Другими словами, усилитель инвертирует сигнал и потому называется инвертирующим. Если сигнал подается на неинвертирующий вход (вторая схема), выходной сигнал совпадает по фазе со входным. Т. е. усилитель не инвертирует сигнал и потому называется неинвертирующим.
Высокая стабильность параметров достигается путем введения глубокой ООС по постоянному и переменному токам (на схемах это резик R3).
Коэффициент передачи инвертирующего усилителя с ООС равен отношению сопротивлений резиков R3 и R1 и не зависит от параметров ОУ. То есть, если R1=1 кОм, R2=20 кОм, то коэффициент усиления составит K=R3/R1=20/1=20. Резик R1 можно вообще выкинуть, тогда сопротивление резика R2 должно быть равно выходному сопротивлению источника сигнала, а коэффициент усиления будет определяться как отношение сопротивления резика R3 и выходного сопротивления источника сигнала.
Ахтунг! Не следует выбирать слишком уж большой коэффициент усиления (тысячи и больше), поскольку при этом сужается полоса рабочих частот ОУ, а точнее снижается верхняя граничная частота. Чем выше коэффициент усиления, тем ниже верхняя частота.
Входное сопротивление инвертирующего усилителя равняется сопротивлению R1, а выходное определяется по формуле:
Rвых = Rвых.ОУ / (1 + βKU ОУ),
где Rвых.ОУ - выходное сопротивление ОУ без ООС, β = R1/(R1+R3) - коэффициент передачи обратной связи, KU ОУ - коэффициент усиления ОУ без ООС (по справочнику).
Для неинвертирующего усилителя коэффициент усиления определяется по формуле:
KU = 1 + R3 / R2
Отличительным свойством неинвертирующего усилителя является его высокое входное сопротивление, которое определяется:
Rвх = Rвх.ОУ(1 + βKU ОУ),
где Rвх.ОУ - входное сопротивление ОУ (по справочнику). Выходное сопротивление определяется также, как и для инвертирующего усилителя.
Если во второй схеме на рисунке 8 соединить выход и инвертирующий вход (тот, что с кружочком), то получится повторитель с очень большим входным сопротивлением и коэффициентом передачи, близким к единице. Такой повторитель используется для согласования источника сигнала с последующим каскадом. К тому же, такой повторитель может передавать напряжение постоянного тока, не внося при этом дополнительного сдвига уровня напряжения. В этом случае кондер С1 надо выкинуть.
Инвертирующий усилитель может выполнять функции инвертирующего сумматора, если на его инвертирующий вход подать через резики сигналы от разных источников. Выбирая сопротивления резиков сигналы можно сложить с разными масштабными коэффициентами. Ну а если опосля резиков поставить селектор входов, то получим предварительный усилитель на несколько входов и соответствующими коэффициентами усиления.
Ранее отмечалось, что основной задачей каскада мощного усиления является отдача в нагрузку мощности, близкой к максимально возможной. При этом коэффициент усиления каскада (или каскадов) мощного усиления является второстепенным показателем, на первом же месте стоит получение необходимой мощности в нагрузке и максимального КПД при допустимых искажениях сигнала. Чем выше КПД, тем менее мощный транзистор нужен для получения требуемой мощи.
Выходные каскады бывают трансформаторными и бестрансформаторными. И те, и другие имеют свои плюсы и минусы. В умных книжках пишут, что применение согласующего трансформатора позволяет получить высокий КПД и низкие искажения. Трансформаторные двухтактные выходные каскады чаще всего используются в режиме класса АВ, при котором КПД превышает 50%. Зато бестрансформаторные выходные каскады характеризуются более широким диапазоном частот, меньшими размерами и массой. Собственно на последних и остановимся.
Схем бестрансформаторных каскадов тьма, они отличаются видом проводимости транзисторов, способом их включения, режимом работы, видом связи с предыдущим каскадом и нагрузкой. Считается, что лучшими характеристиками обладают каскады, в которых используются транзисторы с различным видом проводимости и достаточно близкими значениями параметров - комплементарные пары (рис. 1). Если в каскаде используются транзисторы одного вида проводимости, то они называются квазикомплементарными парами и являются принципиально несимметричными. Для получения малого выходного сопротивления усилителя транзисторы выходного каскада включают по схеме ОК.
Рис. 1 - Выходной каскад на комплементарной паре транзисторов
Режим транзисторов устанавливается, изменяя сопротивление между базами транзисторов. Для стабилизации способом термокомпенсации между базами включается элемент с отрицательным ТКС, например, термистор или полупроводниковый диод в прямом включении.
При включении транзисторов выходного каскада по схеме ОК коэффициент усиления напряжения всегда меньше единицы, поэтому амплитуда входного сигнала превышает амплитуду напряжения на нагрузке. Для получения высокого КПД максимальная амплитуда напряжения на нагрузке должна быть близка к половине напряжения питания. Применяют так называемую ПОС по питанию (рис. 2), при которой напряжение питания предыдущего каскада увеличивается на величину амплитуды выходного сигнала.
Рис. 2 - Схема выходного каскада с ПОС по питанию
При положительной полуволне входного сигнала транзисторы VT1 и VT3 закрываются, а VT2 открывается. Напряжение на нагрузке Rн, обусловленное током разряда кондера C2, достигает максимального отрицательного (по отношению к отрицательному полюсу источника питания) значения. При этом напряжение питания предвыходного каскада (транзистор VT1) становится равным E+Uн. Когда транзистор VT1 закрыт, ток базы транзистора VT2 будет определяться суммой напряжений E и Uн, в результате чего транзистор VT2 будет полностью открыт. При отрицательной полуволне входного сигнала транзисторы VT1 и VT3 открываются, VT2 закрывается, а напряжение на нагрузке, обусловленное подзарядом кондера С2, меняет свой знак, и напряжение питания транзистора VT1 будет равно E-Uн. Уменьшение напряжения питания транзистора VT1 приводит к более полному открыванию транзистора VT3.
Если питание усилителя осуществляется от однополярного источника, то неизбежно прохождение через нагрузку постоянной составляющей, что ни есть гуд. Поэтому нагрузку втыкают через разделительный кондер (на рис. 2 это кондер С2). Однако при этом уменьшается полезная мощность в нагрузке и КПД каскада на НЧ, кроме того, увеличивается выходное сопротивление каскада на НЧ, ухудшается демпфирование громкоговорителя, увеличивается длительность нестационарных процессов в его подвижной системе, что проявляется, как "бубнение" на НЧ. Для устранения этих явлений емкость разделительного кондера выбирают из условия: С ≥ 1.5/(FнRн), где Fн - низшая воспроизводимая частота сигнала, Rн - сопротивление громкоговорителя. В итоге получаются кондеры с емкостью в тысячи и больше микрофарад на напряжение, равное напряжению источника питания, которое в мощовых усилках получается довольно нехилым. Соответственно, габариты таких кондеров получаются не такими уж маленькими.
Нагрузку можно втыкать другим способом - между выходом усилка и искусственной средней точкой, образованной двумя кондерами с равными номинальными емкостями. При этом рабочее напряжение может быть вдвое меньше (последовательное соединение).
В литературе частенько пишут, что для повышения мощности в выходных каскадах используют транзисторы по схеме ОЭ. Ну и для увеличения КПД выходного каскада, а это следствие повышения амплитуды сигнала на выходе, следует применять транзисторы с как можно меньшим напряжением насыщения. Можно снизить ток покоя, выбрав режим В. В реальности же чаще используют режим АВ.
