Управляемый источник питания расширяет диапазон выходных напряжений усилителя

Для увеличения выходного напряжения микросхемы операционного усилителя обычно требуется добавление высоковольтных внешних транзисторов. Затем получившаяся схема нуждается в коррекции для сохранения ее рабочих характеристик. Такая коррекция сложна, особенно для прецизионных операционных усилителей. В этой статье представлена альтернатива: использование управляемого источника питания для самого операционного усилителя, способного увеличить выходное напряжение многих точных операционных усилителей без влияния на их технические характеристики. Решить эту задачу можно, подключив к источнику питания усилителя управляемые транзисторы. Транзисторами управляют резистивные делители, подключенные между выходами усилителей и высоковольтными шинами питания этих транзисторов [1]. Простые схемы на Рисунке 1 иллюстрируют общие способы включения усилителя инвертором или повторителем, используемые для увеличения выходного напряжения.

Рисунок 1.	Эти простые схемы иллюстрируют общие способы включения усилителя инвертором или повторителем, используемые для увеличения выходного напряжения.

Резисторы делителя R₁, R₂, R₃ и R₄ определяют масштаб напряжений V'_PS и –V'_PS источника питания усилителей. Если диапазон выходных напряжений составляет ±22 В, сопротивления резисторов R₁ = R₂ = R₃ = R₄ = R, а напряжения V_PS и –V_PS равны 28 В, тогда напряжения V'_PS и –V'_PS попадают в следующие диапазоны, допускающие любые дополнительные потери:

и

или

и

Однако схемы источников питания содержат транзисторы, сопротивления переходов которых влияют на работу усилителей.

Для снижения потерь и улучшения качества выходного напряжения основного усилителя можно использовать вспомогательные усилители. Требования к вспомогательным усилителям просты. Они должны питаться от симметричного двуполярного источника с напряжением более низким, чем у основного источника питания. Эти усилители должны поставлять необходимую мощность основному усилителю, а их частотный диапазон должен немного превышать диапазон основного усилителя. Чтобы исключить переходные сопротивления транзисторов, подключающих источники питания, можно использовать вспомогательные усилители. Такие схемы обеспечивают гибкость при самых разных конфигурациях усилителей [2 и 3].

Рисунок 2.	Замена транзисторов операционными усилителями снижает потери и улучшает качество выходного напряжения основного усилителя.

На Рисунке 2 показан пример включения вспомогательных усилителей повторителями. Выходные напряжения V'_PS и –V'_PS определяются из сопротивлений подключенных резисторов по следующим формулам:

и

Если напряжения источников питания вспомогательного усилителя IC₂ равны 28 В для V_PS1 и –2 В для –V_PS2, тогда для усилителя IC₃ –V_PS1 = –28 В и V_PS2 = 2 В, и выходное напряжение V_OUT усилителя IC₁ равно 24 В или –24 В. Кроме того, R₆ = R₇ = R₈ = R₉ = R, так что

Далее,

для V_OUTMAX = 24 В.

и

для V_OUTMIN = –24 В.

Наибольший диапазон напряжений можно получить, используя отдельные источники питания, – один для нормальных напряжений усилителя и один для регулируемой части выходного напряжения (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Наибольший диапазон напряжений можно получить, используя отдельные источники питания, – один для нормальных напряжений усилителя и один для регулируемой части выходного напряжения.

IC₁ – это основной усилитель. Вспомогательные усилители IC₂ и IC₃ питаются несимметричными напряжениями. В этой схеме можно применять усилители многих типов, но предпочтительны современные операционные усилители, поскольку они позволяют использовать полный диапазон напряжений источника питания и имеют rail-to-rail входы и выходы. В схеме на Рисунке 3 V_PS1 = 28 В, –V_PS1 = 28 В, V_PS2 = 2 В и –V_PS2 = 2 В.

Напряжения основного усилителя равны

Далее,

Пусть R₆ = R₁₀ = R₁₁ = R₁₅ = R, R₇ = R₈ = R₁₂ = R₁₃ = 2R, и R₉ = R₁₄ = 3R, так что

и

Затем подставляем эти значения в формулы для напряжений усилителя:

и

Минимальное и максимальное значения для каждого источника питания составляют 1.5 В ⩽ V ⩽ 28.5 В и –1.5 В ⩾ –V ⩾ –28.5 В. Полное напряжение источника питания ограничено пределом 30 В и может изменяться в диапазонах от 1.5 до 28.5 В и от –1.5 до –28.5 В. Эти диапазоны позволяют увеличить выходное напряжение основного усилителя на ±27 В.

Ссылки