Fork me on GitHub

NGSPICE.js - двухтактные усилители мощности

Продолжаем осваивать NGSPICE вообще и ОУ в частности.

Из школьного курса по физике хорошо известна формула мощности P = U*I = U*U/R = I*I*R, где последние две формулы элементарно выводятся из закона Ома, а R - не что иное, как сопротивление нагрузки. Таким образом, если взять усилитель по схеме с ОЭ и пересчитать на меньшее выходное сопротивление, то мощность на выходе увеличится ? В теории да, однако на практике мы столкнёмся со следующими проблемами:

  • у любого электронного компонента есть предельно допустимая мощность, гарантируемая производителем - для 2N2222 это порядка 0.5 Вт, так что скорее всего нам понадобится более мощный транзистор

  • в режиме покоя (при отсутствии входного сигнала) в схеме с ОЭ через нагрузку R протекает ток U/(2*R), поэтому чем меньше R тем больше бесполезная трата электроэнергии

Побороть эти недостатки призвана интересная схема, именуемая двухтактным усилителем. Рассмотрим более детально одну из её реализаций на комплементарной паре биполярных транзисторов - то есть транзисторов противоположной структуры (p-n-p и n-p-n), но с максимально близкими параметрами.

В следующих схемах использовались SPICE модели операционного усилителя LT1007 и комплементарной пары мощных транзисторов 2N5684 | 2N5686

~$ wget http://cds.linear.com/docs/en/software-and-simulation/LT1007CS.txt
~$ wget http://www.onsemi.com/pub/Collateral/2N5686.LIB
~$ wget http://www.onsemi.com/pub/Collateral/2N5684.LIB

двухтактных усилитель на комплементарной паре | netlist | ngspice.js

screenshot

ngspice 1 -> source push-pull.net
ngspice 2 -> tran 5u 2m
ngspice 3 -> plot v(out) v(in)
ngspice 4 -> fourier 3k v(out)

Схема состоит из двух транзисторов противоположной структуры, включённых по схеме с ОК. При положительной полуволне входного сигнала открывается один транзистор, при отрицательной другой. Таким образом мощность распределяется на оба транзистора поровну. Схема с ОК обладает высоким входным сопротивлением, низким выходным и коэффициентом усиления по напряжению порядка единицы.

screenshot

Сильные искажения выходного сигнала на рисунке (fourier 35 %) объясняются тем, что биполярный транзистор открывается не сразу, а только после 0.6 Вольт. Чтобы понизить искажения транзисторы необходимо постоянно держать в приоткрытом состоянии, задав сопротивление Rb3:

ngspice 1 -> source push-pull.net
ngspice 2 -> alter rb3 1k
ngspice 3 -> tran 5u 2m
ngspice 4 -> plot v(out)
ngspice 5 -> fourier 3k v(out)
ngspice 6 -> op
ngspice 7 -> print i(v1)

Коэффициент нелинейных искажений (КНН) - в терминах ngspice Total Harmonic Distortion (THD) снизился до 0.0625869 %, в свою очередь по сравнению со схемой с ОЭ КПД значительно повысился так как ток покоя данной схемы print i(v1) ≈ 95 мА, что на порядок меньше чем U/(2*R) = 30/16 ≈ 2 А. Но можно лучше !

screenshot

При однополярном питании на выходе усилителя ставят развязывающий конденсатор, причём учитывая небольшое выходное сопротивление каскада с ОК для звуковых частот его ёмкость должна быть пару тысяч микрофарад - такой себе бочонок внушительных размеров.

двухтактных усилитель на ОУ с однополярным питанием | netlist | ngspice.js

screenshot

ngspice 1 -> source op-amp-push-pull.net
ngspice 2 -> tran 5u 2m
ngspice 3 -> plot v(out)
ngspice 4 -> fourier 3k v(out)
ngspice 5 -> op
ngspice 6 -> print i(v1)

Почему нет искажений в этой схеме ? Это магическое воздействие обратной связи - большой запас усиления вытягивает напряжение до необходимого уровня, заданного ООС, и тем самым убирает искажения. По замерам THD: 0.0387129 % тогда как ток, потребляемый при отсутствии входного сигнала, всего лишь 2.8 мА ! Очень красивое и практичное решение для портативных устройств, которые работают от батареек.

screenshot

Далее интегратор и дифференциатор на ОУ.

links

social