Несимметричные однотранзисторные усилительные каскады просты и дёшевы, но, по природе своей, нелинейны и имеют большой коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD), поэтому, в современной высококачественной аппаратуре, постепенно переходят на симметричные двухтранзисторные усилительные каскады на комплементарных парах транзисторов, которые имеют значительно меньший коэффициент нелинейных искажений (КНИ, THD).
Вариант со среднеомным неинвертирующим входом
Рис.1. Снимок модели простого симметричного УНЧ с токовым управлением выходными транзисторами в Circuit Simulator'е
Модель УНЧ в Circuit Simulator'е
Адрес модели УНЧ в Circuit Simulator'е:
УНЧ работает в режиме 100% ("чистого") класса B с точным 180° и быстрым переключением токов выходных транзисторов.
Первый каскад выполнен по симметричной двухтранзисторной схеме с ОЭ с раздельной нагрузкой. Резистор Rg - общий резистор в цепи эмиттеров для обоих комплементарных транзисторов первого каскада.
Первый каскад является дифференциальным каскадом с последовательным (вертикальным), а не с параллельным (горизонтальным), как в обычном дифференциальном каскаде, питанием по постоянному току и с неодинаковыми входными сопротивлениями: среднеомное для неинвертирующего входа и низкоомное для инвертирующего входа ("последовательный (не параллельный) (вертикальный) дифференциальный каскад").
Второй, раскачивающий, каскад (драйвер) - симметричный, на двух комплементарных транзисторах по схеме с ОЭ с объединённой (общей) нагрузкой с резисторами локальной отрицательной обратной связи в цепях эмиттеров.
Управление выходными транзисторами - токовое, при котором не требуются элементы смещения напряжения на базах выходных транзисторов и их термостабилизация. При токовом управлении выходными транзисторами УНЧ работает в режиме 100% ("чистого") класса B с точным 180° и быстрым переключением токов выходных транзисторов, при котором искажения типа "ступенька" не возникают вовсе.
Выходные транзисторы - комплементарные, по двухтранзисторной схеме Дарлингтона.
Сигнал общей ООС через резистор Rf подаётся на общий для двух транзисторов первого каскада резистор Rg. Резисторы Rf и Rg образуют делитель напряжения, который определяет, какая часть выходного сигнала будет поступать на эмиттеры первого каскада, и определяют теоретический коэффициент усиления УНЧ по напряжению: Theo Ku=Rf/Rg=10k/100=100. Действительный коэффициент усиления УНЧ по напряжению равен Fact Ku=Uout/Uin=11.268В/120мВ=93.9.
Краткая словесная формула усилителя: "Вертикальный диф. каскад с ОЭ с разделённой нагрузкой и со среднеомным неинвертирующим входом+симметричный драйвер с токовым управлением выходными транзисторами+комплементарные двухтранзисторные Дарлингтоны+общая ООС".
Кроме усиления, вертикальный диф. каскад с разделённой нагрузкой сдвигает входное напряжение вверх и вниз и хорошо сопрягается с симметричным драйвером с ОЭ с объединённой (общей) нагрузкой.
Усреднённая максимальная выходная мощность УНЧ на нагрузке 8 Ом равна: Pout average = 8.115 Вт.
Двухпетлевая общая ООС лучше стабилизирует напряжение в средней точке, чем однопетлевая общая ООС, как в обычных УНЧ с параллельным дифференциальным каскадом, что уменьшает дрейф нуля в средней точке.
Из-за двухпетлевой общей ООС напряжение в средней точке устанавливается автоматически и в какой либо регулировке не нуждается, т.е., при правильной сборке, УНЧ начинает работать сразу.
В общем, усилитель является усилителем постоянного тока (УПТ), операционным усилителем (ОУ), на дискретных элементах без частотнозависимых элементов (конденсаторов) и может применяться до частот, в которых есть соответствующие комплементарные пары транзисторов.
Для удешевления УНЧ номиналы всех резисторов (кроме 22 кОм) выбраны из ряда номиналов E1 (один номинал на декаду).
Рис.2. Результат вычисления коэффициента нелинейных искажений (КНИ, THD) простого симметричного УНЧ с токовым управлением выходными транзисторами в Circuit Simulator'е THDMETR'ом.
УНЧ имеет коэффициент нелинейных искажений:
THDR%= 0.0000177988% (THDF%=0.0000177988%), что в
0.000924982%/0.0000177988%≈51 раз меньше, чем имеет УСИЛИТЕЛЬ С НИЗКИМИ ИСКАЖЕНИЯМИ <0,001% VK-5 POWER AMPLIFIER.
Низкий уровень постоянной составляющей (DC component, нулевой гармоники) свидетельствует о хорошей стабилизации напряжения в средней точке и малом дрейфе нуля, а низкий уровень чётных гармоник свидетельствует о хорошей симметричности выходного сигнала.
Для ещё большего увеличения входного сопротивления можно применить схему простого симметричного УНЧ с токовым управлением на десяти транзисторах, а для ещё большего увеличения входного сопротивления схему из раздела "Вариант с высокоомным неинвертирующим входом".
Вариант с низкоомным инвертирующим входом
Как и на ОУ с обычным (параллельным, горизонтальным) дифференциальным каскадом, на ОУ с вертикальным (последовательным) дифференциальным каскадом возможен и инвертирующий усилитель.
Рис.3. Инвертирующий усилитель на ОУ с вертикальным дифференциальным каскадом.
Модель УНЧ в Circuit Simulator'е
Адрес модели УНЧ в Circuit Simulator'е:
В этом случае первый каскад становится вертикальным диф. каскадом с ОБ с разделённой нагрузкой и имеет очень низкое входное сопротивление. Если его использовать, как предварительный усилитель, а не УМЗЧ, то к нему можно подключать такие низкоомные датчики, как динамические микрофоны, катушки связи с контурами, термопары и др.
Краткая словесная формула усилителя: "Вертикальный диф. каскад с ОБ с разделённой нагрузкой и с низкоомным инвертирующим входом+симметричный драйвер с токовым управлением выходными транзисторами+комплементарные двухтранзисторные Дарлингтоны+общая ООС".
Рис.4. Результат вычисления коэффициента нелинейных искажений (КНИ, THD) инвертирующего усилителя на ОУ с вертикальным дифференциальным каскадом в Circuit Simulator'е.
УНЧ имеет коэффициент нелинейных искажений:
THDR%=0.0000177361% (THDF%=0.0000177361%), что в
0.000924982%/0.0000177361%≈52 раза меньше, чем имеет УСИЛИТЕЛЬ С НИЗКИМИ ИСКАЖЕНИЯМИ <0,001% VK-5 POWER AMPLIFIER.
Низкий уровень постоянной составляющей (DC component, нулевой гармоники) свидетельствует о хорошей стабилизации напряжения в средней точке и малом дрейфе нуля, а низкий уровень чётных гармоник свидетельствует о хорошей симметричности выходного сигнала.
Вариант с высокоомным неинвертирующим входом
Рис.5. Снимок модели варианта УНЧ с неинвертирующим высокоомным входом в Circuit Simulator'е
Модель УНЧ в Circuit Simulator'е
Адрес модели УНЧ в Circuit Simulator'е:
Входное сопротивление оказалось равным:
Rin = Uin/Iin = 120mV/134.43nA = 892 657 Ohms ≈ 892 kOhms
Рис.6. Результат вычисления нелинейных искажений в Circuit Simulator'е THDMETR'ом.
Низкий уровень постоянной составляющей (DC component, нулевой гармоники) свидетельствует о малом дрейфе нуля и хорошей симметричности усиленного сигнала, а низкий уровень чётных гармоник тоже свидетельствует о хорошей симметричности усиленного сигнала.
УНЧ имеет коэффициент нелинейных искажений:
THDR%= 0.000441270% (THDF%=0.0000441270%), что в
0.000924982%/0.0000441270%≈20 раз меньше, чем имеет УСИЛИТЕЛЬ С НИЗКИМИ ИСКАЖЕНИЯМИ <0,001% VK-5 POWER AMPLIFIER.
Приложение 1.
Файлы THDMETR Ver.2022-08-23 для скачивания
#усилители #оконечные усилители #унч #умзч #симметричные усилители #circuit simulator #thdmetr #ltspise #электроника
