Как буферизовать выход Op-Amp для более высокого тока, часть 2
В этой статье мы рассмотрим два варианта базовой схемы буферизации тока BJT.
Вспомогательная информация
- Введение в операционные усилители
- Аудиоусилитель класса B
Предыдущая статья
Как буферизовать выход Op-Amp для более высокого тока, часть 1
Если ваша рабочая ступень на выходном усилителе не справляется с давлением
Основная схема буферизации BJT, рассмотренная в предыдущей статье, полезна для многих приложений, но она имеет два ограничения, которые необходимо решить: во-первых, для токов большой нагрузки может потребоваться слишком большой выходной ток от операционного усилителя; во-вторых, он несовместим с отрицательными напряжениями нагрузки. Мы начнем с первой проблемы.
Как упоминалось в предыдущей статье, выходной ток, требуемый от операционного усилителя, будет приблизительно равен току нагрузки, деленному на коэффициент усиления активной области транзистора (aka beta или h FE). В некоторых ситуациях может быть проблематично включить эту мощную мощность в ваш дизайн. Одна из возможностей заключается в следующем: вы используете часть op-amp, которая включает в себя несколько усилителей в одном пакете. Если у вас уже есть часть с низким выходным током, которая подходит для вашей системы, и вы используете три из четырех усилителей в пакете, вы можете определить, как работать с этим четвертым усилителем. Или, допустим, у вас есть операционный усилитель, встроенный в микроконтроллер платы. Этот операционный усилитель вряд ли будет предлагать многое на пути выходного тока, но вы не хотите вводить внешнюю часть только потому, что вам нужен еще 20 или 30 мА от интегрированного операционного усилителя. Решением таких ситуаций является дополнительное усиление тока от BJT. Первое, что нужно сделать, это просто искать транзистор с более высоким значением h FE, но если вам нужно намного больше текущего усиления, потому что ток нагрузки настолько высок, или ваш операционный усилитель настолько низок, или оба - это время для Дарлингтона.
Пара Дарлингтон
Символ схемы рассказывает большую часть истории. Пара Дарлингтона - это два BJT, которые используют общий сборщик, интегрированный в единый пакет. Результатом является устройство, которое работает очень похоже на обычный BJT, но с чрезвычайно высоким h FE - общий коэффициент усиления по току приблизительно равен h FE первого транзистора, умноженного на h FE второго транзистора. На этом этапе вы могли бы подумать: «У меня есть много транзисторов 2N2222, лежащих в подвале, я просто подключу их в стиле Дарлингтона и назову это хорошо». Ну, это не так просто. Взгляните на эквивалентную схему транзистора TIP142T Darlington от Fairchild (PDF):
В дополнение к BJT, у нас есть защитный диод и два резистора. Резисторы улучшают время выключения, обеспечивая путь разряда для емкости перехода на основной эмиттер правого транзистора и обеспечивают определенное состояние для базового узла правого транзистора, которое в противном случае было бы плавающим, когда пара Дарлингтона находилась в отрезать. Они также приводят к снижению h FE, потому что часть базового тока шунтируется вокруг узлов базового эмиттера. Это уменьшение выигрыша на самом деле полезно во многих ситуациях, потому что оно уменьшает эффект утечки тока, и факт, что вам действительно не нужно полное увеличение тока, которое было бы чем-то вроде 10 000, если мы предположим, что каждый BJT имеет h FE 100. Таким образом, дело в том, что, вероятно, лучше купить устройство Дарлингтона, а не создавать свои собственные из двух дискретных BJT.
Вот схема LTspice с парой Дарлингтона вместо одного BJT.
LTspice не поставляется с частью Дарлингтона, но вы можете пойти здесь, чтобы загрузить подсхемы и файлы символов для TIP142.
Вот график с V IN, V OUT и напряжение, приложенное к основанию Дарлингтона.
Как и в случае схемы с одним BJT, выходное напряжение отслеживает входное напряжение (след V IN скрыт под трассировкой V OUT). Обратите внимание, что V BASE составляет примерно 1, 3-1, 4 В выше напряжения нагрузки; это потому, что теперь у нас есть два падения напряжения от источника к эмиттеру вместо одного. Таким образом, вы должны быть особенно осторожны, чтобы ваши напряжения питания Darlington и op-amp были достаточно высокими, чтобы обеспечить полный диапазон нагрузки (более подробно об этом см. Раздел «Простой, но не надежный») на конец предыдущей статьи).
На следующем рисунке показан ток нагрузки и ток, текущий в базу Дарлингтона.
Таким образом, с током нагрузки 360 мА базовый ток равен 169 мкА, что соответствует h FE ≈ 2130. Техническое описание указывает, что коэффициент усиления тока должен быть ближе к 1000; возможно, эта конкретная модель SPICE не так точна, как могла бы быть. В любом случае нам удалось значительно уменьшить выходной ток, требуемый от операционного усилителя.
Еще один способ справиться с операционным усилителем, который не может обеспечить достаточный выходной ток, - использовать MOSFET вместо BJT. Мы рассмотрим реализации MOSFET в следующей статье.
Идти ниже земли
Оптические усилители часто используются с отрицательными выходными напряжениями. Очевидным примером являются синусоидальные сигналы, например, в аудио-, видео- и радиочастотных приложениях. Когда ОП-усилитель генерирует положительное выходное напряжение, выходной ток течет «из» операционного усилителя и «в» наземного узла через нагрузку. Следовательно, когда выход положительный, источники op-amp текут. При отрицательном выходном напряжении ток течет «из» наземного узла, через нагрузку и «в» op-amp, так что op-amp теперь тонет. Таким образом, для поддержки сигналов, которые распространяются выше и ниже уровня земли, нам нужен буфер выходного тока, который может как тонуть, так и исток источника. Вуаля:
Общая идея одинаков: BJT обеспечивают более высокую текущую емкость, а конфигурация обратной связи заставляет операционный усилитель изменять свой выход любым способом, чтобы обеспечить, чтобы напряжение нагрузки V OUT равно V IN. Разница заключается в добавлении PNP-транзистора, который обеспечивает отрицательное напряжение нагрузки, которое выполняет транзистор NPN для положительных нагрузочных нагрузок. Другими словами, когда входное напряжение положительное, выход ОУ изменяется положительно, чтобы включить транзистор NPN, и ток поступает от NPN к нагрузке; когда входное напряжение отрицательное, выходной сигнал ОУ изменяется отрицательно, чтобы включить PNP, а PNP поглощает ток нагрузки. Вот схема LTspice:
Обратите внимание, что я выбрал номер части PNP, рекомендованный в качестве дополнительного устройства в таблице данных для 2SCR293P:
Вот график с V IN и V OUT. Как обычно, входное напряжение скрыто под выходным напряжением.
Этот следующий увеличенный график включает выходное напряжение op-amp. Обратите внимание, как действие с отрицательной обратной связью заставляет операционный усилитель автоматически обходить «мертвую зону», т. Е. Диапазон напряжения (от -0, 7 В до 0, 7 В), в котором оба транзистора находятся в отсечке.
Это аудио усилитель?
На данный момент вам может быть интересно, можете ли вы использовать эту схему в качестве усилителя мощности для аудиосигналов. Вы, конечно, можете, но качество звука не будет лучшим. Фактически, схема NPN-plus-PNP в этой схеме называется выходным каскадом класса B, а комбинация ступени класса B с ОУ и некоторой отрицательной обратной связью дает усилитель мощности с минимальным искажением кроссовера (ступень класса B сам по себе имеет серьезные проблемы с искажениями, создаваемые большой мертвой зоной). Однако даже с отрицательной обратной связью качество звука по-прежнему несколько ухудшается путем альтернативного включения и выключения транзисторов NPN и PNP. Вот почему предпочтительной схемой для аудио является усилитель класса AB, в котором транзисторы смещены так, что оба проводят для малых входных напряжений выше или ниже точки пересечения.
Вывод
Мы рассмотрели три простых, недорогих схемы, которые могут значительно усилить выходной ток ОУ. Эти три конфигурации охватывают большинство ситуаций, в которых необходим усилитель с высоким выходным током - просто не забудьте дважды проверить напряжение питания, ограничения тока и рассеивание мощности.
Следующая статья в серии: как буферизовать выход Op-Amp для более высокого тока, часть 3