Б. Неинвертирующий усилитель

В настоящее время известны более десятка разновидностей режимов работы усилителей, но массовое практическое применение нашли только некоторые из них.

Класс А — активный элемент открыт в течение всего периода синусоидального входного сигнала.

Класс B — активный элемент открыт в течение полупериода синусоидального входного сигнала.

Класс AB — активный элемент открыт в течение более чем 50%, но менее чем 100% периода синусоидального входного сигнала.

Класс D — активный элемент работает в ключевом режиме.

Режим D называется ключевым режимом (режим переключения), когда усилительный элемент может находится только в одном из двух крайних состояний: режиме насыщения или режиме отсечки.

В режиме отсечки транзистор полностью закрыт, и ток через него не протекает I_К ≈ 0, мощность практически не рассеивается и потерь энергии нет.

В режиме насыщения транзистор полностью открыт, и через него протекаем максимальный ток I_max ≈ E_k / R_k, но падение напряжения на нём ничтожно мало U_0К ≈ 0поэтому мощность рассеивания транзистором тоже близка к нулю.

В ключевом режиме потери энергии в усилительном элементе очень малы – к.п.д приближается к 95%. Поэтому усилители класса D весьма перспективные ввиду очень высокой экономичности. Разумеется, при такой эффективности нагрев выходных транзисторов практически отсутствует, что позволяет создавать очень маленькие и экономичные усилители с низким уровнем шума (85 дБ) и малым коэффициентом гармоник (К_Г = 0,01%.)

К классу D относятся усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). На Рис.16 изображена структурная схема такого усилителя, а на Рис.17 осциллограммы в характерных точках.

Рис.16 Структурная схема усилителя класса D.

Входной сигнал U_ВХ усиливается в каскадах предварительного усиления микросхемы D1, охваченной ООС через резистор R2. Дальше он подается на неинвертирующий вход компаратора КП, выполненный на операционном усилителе D2 (Рис 17а).

Генератор Г вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов U_Г с постоянной частотой (называемой несущей) F_Н = 50 … 300 кГц, превышающую верхнюю частоту звукового диапазона F_В = 20 кГц не менее чем в 2 раза (Рис.17б). Эти импульсы преобразуются в пилообразные (треугольные) U_И в инеграторе ИНТ с помощью интегрирующего конденсатора С1 и подаются на инвертирующий вход компаратора КП на микросхеме D2, выступающий в роли модулятора (Рис.17в).

- 12 -

Компаратор сравнивает входное напряжение U_ВХ и напряжение пилообразных импульсов U_И. Когда U_ВХ ˂ U_И цифровой выход компаратора КП переключается в состояние логического нуля «0», если U_ВХ ˃ U_И выход КП переключается в состояние логической единицы «1».

Как видно на Рис.17г на выходе компаратора КП появляется последовательность прямоугольных импульсов U_ШИМ, в которых длительность импульсов изменяется пропорционально входному сигналу U_ВХ (ШИМ-сигнал). Таким образом, компаратор обеспечивает широтно-импульсную модуляцию, изменяя скважность импульсов пропорционально амплитуде входного сигнала, (взятым через промежутки времени, соответствующие периоду несущей частоты).

Усилитель мощности УМ, работая в ключевом (импульсном) режиме, усиливает ШИМ-сигнал до необходимой мощности Р_Н.

Для обратного преобразования импульсного ШИМ-сигнала U_ШИМ в аналоговый U_ВЫХ применяется качественный фильтр нижних частот ФНЧ(L1C2), который подавляет несущую частоту, ее гармоники и побочные составляющие спектра модуляции.

Рис.17 Осциллограммы в характерных точках усилителя класса D

Чаще всего интегральные усилители класса D используются в автомагнитолах и сабвуферах. Их можно собрать на следующих популярных микросхемах:

TDA8920, TDA8925, TDA8939, TDA7498 – фирмы PHILIPS.

MP7720, MP7722, MP7731, MP7782 - фирмы MPS (Monolithic Power Systems).

AD1990, AD1992, AD1994 и AD1996 - компания Analog Devices.

LM48901 – фирмы National Products from TI.

Ниже приведена схема такого усилителя на одной из перечисленных микросхем.

- 13 -

3. Усилительные каскади на ИМС