Термостабильный 20-ваттный усилитель класса AB

Texas Instruments OPA2991

Усилители класса AB были рабочими лошадками в мире аудио благодаря своей простоте и способности обеспечивать высокие уровни мощности при низком уровне искажений. Но есть также ряд подводных камней, скрытых в архитектуре AB, в основном в виде нестабильности смещения и других проблем, связанных с температурой. Я разработал эту схему, чтобы устранить некоторые неприятные недостатки, с которыми я столкнулся в конструкциях усилителей мощности класса AB, сохранив при этом все достоинства, которые одинаково ценятся как инженерами, так и аудиофилами.

Светодиодные драйверы MEAN WELL для систем внутреннего освещения

Стандартная топология усилителя мощности класса AB показана на Рисунке 1а. При отсутствии входного сигнала через транзисторы протекает относительно небольшой ток, чтобы поддерживать их в усилительном режиме. Этот ток смещения определяется падениями напряжений на диодах D1, D2, переходах база-эмиттер транзисторов Q1, Q2 и токоизмерительных резисторах RCS1, RCS2.

Топологии усилителя мощности с диодным смещением (а) и смещением, поддерживаемым операционными усилителями (б).
Рисунок 1. Топологии усилителя мощности с диодным смещением (а) и смещением, поддерживаемым
операционными усилителями (б).

Падения напряжения на четырех p-n переходах неодинаковы, и все они зависят от температуры. Поэтому определить нужное значение тока смещения довольно сложно, и часто требуется его регулировка. Чтобы свести к минимуму эти температурные эффекты, диоды и транзисторы усилителя должны находиться в тесном тепловом контакте, чтобы обеспечивать нормальное смещение при различной выходной мощности.

Схема на Рисунке 1б решает проблемы смещения. Поскольку в контуре, образованном R2, A1, RCS1, RCS2, A2 и R3, температурно-зависимых компонентов нет, ток смещения может быть точно рассчитан, и не будет зависеть от температуры. В схеме, приведенной в [1], такая топология использовалась для создания 2-ваттного аудиоусилителя с хорошими характеристиками.

Эта схема с увеличенным выходным током обеспечивает мощность до 20 Вт и демонстрирует четко определенный, не зависящий от температуры ток покоя.
Рисунок 2. Эта схема с увеличенным выходным током обеспечивает мощность до 20 Вт и
демонстрирует четко определенный, не зависящий от температуры ток покоя.

Предлагаемая здесь схема (см. Рисунок 2) расширяет пределы мощности предыдущей конструкции.

Основным элементом схемы является операционный усилитель OPA2991 с rail-to-rail входами и выходом, способный работать от источника питания ±20 В. Используя токоизмерительные резисторы небольшого сопротивления и две пары комплементарных транзисторов для увеличения выходного тока, схема может выдавать до 20 Вт на нагрузке 8 Ом при умеренном токе покоя, малых искажениях и широкой полосе пропускания. В отличие от традиционных конструкций класса AB, его ток смещения не зависит от температуры и не требует регулировки. Диоды D1 и D2 включены, когда транзисторы не проводят ток, поэтому операционные усилители всегда находятся в активном режиме.

Характеристики усилителя подчеркивают преимущества его усовершенствованной архитектуры:

  • Входное сопротивление равно 100 кОм и не зависит от частоты.
  • При входном напряжении, равном нулю, выходное напряжение составляет примерно 10 мкВ, и схема потребляет от источников питания 60 мА.

На Рисунке 3 показаны формы сигналов VIN (оранжевая кривая), VOUT (зеленая кривая) и их спектры при максимальной мощности на частоте 1 кГц.

Сигналы VIN и VOUT при максимальной выходной мощности на частоте 1 кГц. На верхнем графике показан спектр VIN, на нижнем - спектр VOUT.
Рисунок 3. Сигналы VIN и VOUT при максимальной выходной мощности на частоте 1 кГц.
На верхнем графике показан спектр VIN, на нижнем – спектр VOUT.

Другие важные выводы:

  • Коэффициент передачи составляет 0.99.
  • Мощность, отдаваемая в нагрузку, достигает 20.4 Вт.
  • От каждого источника питания схема потребляет токи по 700 мА.
  • Каждый из транзисторов Q2 и Q4 рассеивает мощность порядка 4 Вт, что требует их установки на соответствующие радиаторы.

Моделирование показывает, что схема имеет значительную полосу пропускания и низкие искажения. На частоте 1  кГц уровень шума примерно на 80 дБ ниже основного пика. Два спектра практически идентичны, что означает, что схема не вносит искажений. Согласно результатам моделирования, общие гармонические искажения (THD) равны 0.021%. Рисунок 4 иллюстрирует вышесказанное для частоты 50 кГц.

Сигналы VIN, VOUT и их спектры на частоте 50 кГц.
Рисунок 4. Сигналы VIN, VOUT и их спектры на частоте 50 кГц.

На частоте 50 кГц уровень шума примерно на 60 дБ ниже основного пика. Шумовые составляющие двух спектров практически идентичны. Вблизи основного пика (в левой колонке прямоугольников на графиках) выходной спектр немного выше входного; это означает, что схема вносит здесь некоторые искажения. Моделирование показывает, что THD = 0.216%.

Ссылка

  1. Charles Wenzel. Высококачественный аудио усилитель

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments OPA2991
  2. Datasheet Fairchild KSB1366
  3. Datasheet MCC KSD1616
  4. Datasheet Fairchild KSD2012
  5. Datasheet Central Semiconductor PN4250A

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Class AB 20-W current booster is insensitive to temperature variations

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

6 предложений от 5 поставщиков
Операционные усилители 40-V, dual 4.5MHz, rail-to-rail input/output, low-offset-voltage, low-noise op amp 8-TSSOP -40 to 125
Элитан
Россия
OPA2991IPWR
Texas Instruments
58 ₽
OPA2991IPWR
Texas Instruments
от 117 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
OPA2991IDDFR
4 490 ₽
OPA2991IPWR
Texas Instruments
по запросу
Как быстро и эффективно спроектировать источник питания
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя