Делаем хороший усилитель, Часть 2. Корректировка усилителя Дорофеева

3,8k full reads
6,5k story viewsUnique page visitors
3,8k read the story to the endThat's 60% of the total page views
3 minutes — average reading time

В продолжение темы:

Критериев оценки качества усилителей много. Например, из статьи

"Однотактные усилители против Пуш-пулла — умный или красивый?!" (цитирую):

· Выходной импеданс усилителя должен быть “много меньше”, чем у громкоговорителя...

· Отрицательная обратная связь должна быть оптимизирована в районе 20 дБ.

· С целью минимального влияния фазового сдвига на краях слышимого диапазона, частотная характеристика усиления должна быть не уже 3,3 Гц-60 кГц по уровню -3 дБ.

· Фазовый набег не должен превышать 20 град. во всем диапазоне, чтобы тем самым не ухудшать переходные характеристики и эффективность обратной связи.

· Достаточный запас по мощности, чтобы выдерживать высокие динамичные выбросы на музыкальной программе.

Для оценки усилителя приведённым выше критериям, оценим:

  • Выходное сопротивление усилителя
  • Коэффициенты усиления и ООС;
  • Полосу рабочих частот усилителя;
  • Нелинейности АФЧХ;
  • Работоспособность с реальными сигналами.

Но, это позже, сначала, подкорректируем схему усилителя

Берём начальную схему из Части 1:

Рис.1. Начальная схема усилителя Дорофеева
Рис.1. Начальная схема усилителя Дорофеева
Рис.1. Начальная схема усилителя Дорофеева

1.В соответствии с пожеланиями "корифеев от усилителей", "разбиваем" усилитель на два каскада: предусилитель на OP1B и выходной каскад на транзисторах VT1...VT4 и охватываем каждый из каскадов МЕСТНЫМИ ООС по сигналу:

-В предусилителе его входную цепь соединяем с выходной с помощью R17 и C2 ;

-В выходном каскаде соединяем его входную цепь с выходной с помощью R18 и С8;

-Для стабилизации режимов по постоянному току, вводим общую ООС с помощью R19, R20 и C9;

2.Убираем из схемы каскад усиления на OP1A, как явно лишний;

3. Разбираемся с назначением R12, R13, R15 и R16. В нормальном, рабочем (линейном) режиме эти резисторы не нужны, так как токи в базах VT3 и VT4 - это токи коллекторов VT1 и VT2, соответственно. Указанные резисторы никак на них не влияют, а вот АФЧХ ухудшают. В аварийном же режиме, при к.з. в нагрузке, резисторы R12 и R15 ограничивают токи в своих цепях. При к.з.местная ООС выходного каскада по цепи R1(нагрузка), R18, R14 разрушается и токи в цепях транзисторов становятся неуправляемые, транзисторы переходят в режим похожий на ключевой. Токи необходимо ограничить, чтобы транзисторы не сгорели.

5.Пересчитываем элементы, обеспечивая коэффициент усиления предусилителя ~ 10, выходного каскада ~ 3. Полосу частот усилителя - от ~5 Гц до ~80 кГц.

Получаем откорректированную схему:

Рис.2.Откорректированная схема усилителя
Рис.2.Откорректированная схема усилителя
Рис.2.Откорректированная схема усилителя

Загружаем откорректированную схему в MULTISIM и анализируем режимы.

Модельную схему откорректированного усилителя можете скачать на сайте www.radio-a.ru, в описании "УМ-60" усилители мощностью 60 Вт, класса "AB" , файл "UM60_2.zip".

Схема "измерений" обычная, использующая набор инструментов симулятора:

Рис.3.Схема измерений
Рис.3.Схема измерений
Рис.3.Схема измерений

1.Качество передачи для сигналов: синусоидального, треугольного, прямоугольного

"Подключаем" нагрузку в 8 Ом и "подаем" на вход сигнал амплитудой 900 мВ, частотой 1 кГц. Питание усилителя +- 35 В.

Синусоидальный сигнал

Рис.4.Синусоидальный сигнал в нагрузке.
Рис.4.Синусоидальный сигнал в нагрузке.
Рис.4.Синусоидальный сигнал в нагрузке.

Как видим, сигнал чистый, "ступенек" и ограничений по амплитуде нет.

Треугольный сигнал

Рис.5.Треугольный сигнал в нагрузке.
Рис.5.Треугольный сигнал в нагрузке.
Рис.5.Треугольный сигнал в нагрузке.

Сигнал чистый, завалов и выбросов нет.

Прямоугольный сигнал

Рис.6.Прямоугольный сигнал в нагрузке.
Рис.6.Прямоугольный сигнал в нагрузке.
Рис.6.Прямоугольный сигнал в нагрузке.

Сигнал чистый, завалов фронтов, выбросов и дребезга нет. Спад по верхней "полке" около 0.124 В (<<1 %). Лучше, чем у исходной схемы Дорофеева.

2. АЧХ, ФЧХ и полоса частот

Предусилитель:

Рис.7.АЧХ  предусилителя
Рис.7.АЧХ предусилителя
Рис.7.АЧХ предусилителя

Коэффициент передачи предусилителя на средних частотах равен 9,86, что ожидалось. Верхняя граничная частота на уровне 0.9 равна 86 кГц. Нижняя - около 1 Гц.

Выходной каскад:

Рис.8.АЧХ  выходного каскада
Рис.8.АЧХ выходного каскада
Рис.8.АЧХ выходного каскада

Коэффициент передачи выходного каскада на средних частотах равен 2,55, что ожидалось. Верхняя граничная частота на уровне 0.9 равна 227 кГц. Нижней нет.

Усилитель:

Рис.9. АЧХ, нижняя граница
Рис.9. АЧХ, нижняя граница
Рис.9. АЧХ, нижняя граница

Нижняя граница полосы на уровне 0.9 равняется 2,447 Гц. Лучше, чем у исходной схемы Дорофеева. В области "нулевых частот" имеется "порог", который определяется ООС "по режиму" на основе R19, R20 и C9. Нижнюю границу можно изменять, например, величиной C9.

Рис.10.АЧХ, средние частоты
Рис.10.АЧХ, средние частоты
Рис.10.АЧХ, средние частоты

Коэффициент передачи усилителя на средних частотах равен 24.9, что и ожидалось.

Рис.11. АЧХ, верхняя граница
Рис.11. АЧХ, верхняя граница
Рис.11. АЧХ, верхняя граница

Верхняя граница полосы на уровне 0.9 равняется 78 кГц. Как у исходной схемы Дорофеева. В спектре будут высшие гармоники сигналов, что важно для качества. Неравномерность АЧХ в полосе частот несущественная.

Рис.12. ФЧХ, нижняя граница
Рис.12. ФЧХ, нижняя граница
Рис.12. ФЧХ, нижняя граница

Обращаем внимание, что "переворота фазы" нет.

Рис.13. ФЧХ, средние частоты
Рис.13. ФЧХ, средние частоты
Рис.13. ФЧХ, средние частоты
Рис.14. ФЧХ, верхняя граница
Рис.14. ФЧХ, верхняя граница
Рис.14. ФЧХ, верхняя граница

ФЧХ в полосе частот досточно ровная, около нуля градусов, с небольшими отклонениями на границах частот, как у исходной схемы Дорофеева, что вполне устраивает.

3. Энергетика усилителя: максимальные напряжения на нагрузке и соответствующие им мощности, а также потребляемые токи и КПД усилителя для нескольких значений сопротивления нагрузки:

Табл.1.Энергетика усилителя
Табл.1.Энергетика усилителя
Табл.1.Энергетика усилителя

R нагр - сопротивление нагрузки, задаётся;

Um нагр - амплитуда синусоидального напряжения на нагрузке, измеряется;

Р нагр - мощность в нагрузке вычисляется: Р нагр =(Um ^2) / (2*R нагр);

I потр.1 и I потр.2 - токи потребляемые от источников в верхнем и нижнем плечах усилителя, измеряются;

P потр. - мощность, потребляемая от источников питания, вычисляется: Pпотр = Uпит.*( I потр.1 + I потр.2) ;

Р усилит. - мощность, рассеиваемая на усилителе, вычисляется: Р усилит = P потр - Р нагр ;

КПД - коэффициент полезного действия, вычисляется: КПД=Рнагр / Pпотр.

На нагрузке в 4 Ом можно получить мощность 120 Вт. На номинальной нагрузке 8 Ом получаем 66 Вт. На нагрузке 16 Ом получаем 35 Вт. Что ожидалось и вполне устраивает. Мощности, рассеиваемые на элементах усилителя зависят от нагрузки, но меньше, чем в нагрузке. КПД хороший. Параметры сопоставимы с параметрами исходного усилителя Дорофеева.

4. Нагрузочная характеристика Uвых(Rнагр)

Получаем из данных предыдущего раздела (3, Табл.1). Видим, что в диапазоне нагрузок от 2 до 32 Ом, напряжение на нагрузке меняется не существенно. При меньших сопротивлениях наблюдается выход усилителя из нормального режима. При сопротивлениях более 32 Ом режимы не интересуют, так как близки к "холостому ходу" усилителя

5.Проходная характеристика Uвых / Uвх

Измеряем для номинальной нагрузки 8 Ом. По горизонтальной оси (канал А) - напряжение на нагрузке, по вертикальной оси (канал B) - напряжение на входе усилителя.

Рис.15. Проходная характеристика
Рис.15. Проходная характеристика
Рис.15. Проходная характеристика

Проходная характеристика отличная. Лучше, чем у исходной схемы Дорофеева

6.Защищённость от КЗ в цепи нагрузки

При КЗ в цепи нагрузки, разрушается цепь ООС усилителя по постоянному току и ООС выходного каскада, но остаётся ООС предусилителя и он находится в нормальном режиме. Сигнал на выходе усилителя уменьшается с уменьшением сопротивления нагрузки. Аварийная генерация не наблюдается. Однако, потребляемая мощность нарастает. Защищённость хорошая, лучше, чем у исходной схемы Дорофеева. Про работу резисторов, защищающих транзисторы при КЗ см.выше.

7. Помехоустойчивость к пульсациям по питанию

Проверять не будем, так как очевидно, что она аналогична помехоустойчивости исходного усилителя Дорофеева . Схемы идентичны

8.Выходное сопротивление усилителя

Измеряем по схеме на рис.16 для усилителя с номинальной нагрузкой 8 Ом:

Рис,16.Схема измерения выходного сопротивления усилителя
Рис,16.Схема измерения выходного сопротивления усилителя
Рис,16.Схема измерения выходного сопротивления усилителя

Вход усилителя закорачиваем;
На выход усилителя через резистор, равный номинальной нагрузке (8 Ом)
подаем сигнал от генератора на частоте 1000 Гц;
Осциллографом измеряем падения напряжения на выходной цепи усилителя (канал А) и на нагрузочном сопротивлении (канал B).

Вычисляем: R вых.ус = Rнагр * (U вых.ус / U нагр)

Где: R вых.ус - выходное сопротивление усилителя;

Rнагр - сопротивление номинальной нагрузки (8 Ом);

U вых.ус - напряжение на выходе усилителя (1.45 В);

U нагр - напряжение на сопротивлении нагрузки (23.54 В);

Получаем: R вых.ус = 8*( 1,45 / 23.54) = 0,5 Ом.

Величина соответствует критерию: "выходное сопротивление усилителя должно быть существенно меньше сопротивления нагрузки".

9.Входное сопротивление усилителя определяется сопротивлением R3 = 10 кОм.

На этом, пока, закончим. Ждём следующую часть.

Приглашаю посетить наш сайт: "Практическая электроника".

Приглашаем и на сайт наших партнёров: "Информационные технологии, связь, управление" . Многие из наших разработок нашли применение в их проектах.

ПРИГЛАШАЕМ К СОТРУДНИЧЕСТВУ!

Есть вопросы - задавайте.

Всем - привет!