Токовый усилитель класса AB с большим размахом выходного напряжения

Представленный на Рисунке 1 вариант конструкции, на создание которой меня вдохновила прекрасная идея, показанная в статье Джордана Димитрова [1], позволяет создать усилитель, способный обеспечивать больший размах выходного напряжения даже при использовании на входе стандартных операционных усилителей (например, с питанием ±15 В).

Рисунок 1.	Схема токового усилителя с большим размахом выходного напряжения. Большой размах обеспечивается за счет плавающих источников питания и использования коллекторов транзисторов в качестве выходного узла. Обратите внимание на общую обратную связь, замыкающую петлю вокруг выходного каскада.

Для этого потребуются два плавающих источника питания на выходе. Автор обнаружил, что отличным вариантом для самостоятельного изготовления являются стандартные серверные источники питания, доступные в версиях на 12, 24 и 48 В по очень низкой цене при большой мощности. Самым дешевым вариантом во многих случаях может быть отремонтированный старый блок питания.

Выходной сигнал этой схемы берется с коллекторов (или стоков, если используются MOSFET) из узла, образованного точкой соединения двух источников питания выходного каскада. Благодаря такой конфигурации выходной каскад обладает усилением по напряжению, позволяющим обеспечить необходимый размах выходного сигнала при использовании входных операционных усилителей с напряжением питания ±15 В.

Усилитель тока работает аналогично ранее упомянутой схеме, но в этом примере номиналы компонентов масштабированы для обеспечения более высоких токов. В результате масштабирования номиналов компонентов выходного каскада ток покоя выходных транзисторов составил 75 мА.

В примере схемы пара усилителей OPA1622 показана только потому, что у автора не было ни одного OPA2991, использованного в предыдущей статье, однако здесь можно использовать любой из этих усилителей, хотя преимуществом OPA2991 является то, что он сдвоенный.

Эта схема проверялась на выходной мощности до 30 Вт при нагрузке 8 Ом и питании выходного каскада от источника ±24 В. Общая отрицательная обратная связь, в данном случае рассчитанная на общий коэффициент усиления 20, берется с коллекторного выхода и дополнительно корректируется скоростью закрытия транзисторов. Инвертирующая схема является самой простой конфигурацией, хотя она накладывает ограничения на величину входного сопротивления, которое здесь составляет 10 кОм, что достаточно для большинства приложений.

На Рисунке 2 показаны входное напряжение V_IN (желтая осциллограмма) и выходное напряжение V_OUT (синяя осциллограмма) на частоте 1 кГц.

Рисунок 2.	Осциллограммы входного и выходного сигналов на частоте 1 кГц.

На Рисунке 3 показаны их спектры при максимальной выходной мощности и частоте 1 кГц.

Рисунок 3.	БПФ входного (а) и выходного (б) сигналов.

Внимательный наблюдатель может задаться вопросом, почему на входе доля второй гармоники выше. Автор трижды проверил этот факт и на данный момент может только сделать вывод, что БПФ входного сигнала ухудшается из-за ограничений (например, уровня шума) самого осциллографа.

Ссылки

1. Jordan Dimitrov «Термостабильный 20-ваттный усилитель класса AB»
2. Phase Margin Estimation Using the Rate-of-Closure (All About Circuits, Dr. Sergio Franco)
3. Op amp stability – Part 2 (TI Precision Labs)
4. Stability for Power Operational Amplifiers (Apex Microtechnology)
5. Simple, precise, bi-directional current source (EDN, Jerry Steele

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments OPA1622
2. Datasheet onsemi MJ14002
3. Datasheet onsemi MJ14003