704_Mikushin_A.V._Skhemotekhnika_mobil'nykh_radiostantsij_

пассивными RC фильтрами, то теперь экономически выгоднее вместо RCцепочек поставить интегральные стабилизаторы напряжения.

Следует отметить, что при написании этой статьи я решал непростую дилемму. С одной стороны в настоящее время на рынке предлагается огромное количество готовых микросхем стабилизаторов напряжения. С другой стороны для правильного выбора и применения этих микросхем нужно понимать как они работают. Именно поэтому сначала познакомимся с принципами работы компенсационного стабилизатора, а только потом рассмотрим особенности применения готовых микросхем. Структурная схема компенсационного стабилизатора приведена на рисунке 2.181.

Рисунок 2.181. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Стабилизация выходного напряжения в компенсационном стабилизаторе происходит при помощи отрицательной обратной связи. Выходное напряжение может измениться под влиянием входного напряжения или изменения тока нагрузки. Оно сравнивается с опорным высокостабильным напряжением и при несовпадении осуществляется его подстройка под заданное значение.

В процессе работы компенсационного стабилизатора транзистор, который применяется в качестве регулировочного элемента, изменяет свое внутреннее сопротивление. На этом сопротивлении по закону Ома осуществляется падение напряжения UРЭ. При этом напряжение падает ровно настолько, чтобы на выходе получилось требуемое напряжение питания. Это означает, что при при-

менении компенсационного стабилизатора входное напряжение всегда должно быть больше выходного.

В схеме, приведенной на рисунке 2.181, коэффициент передачи элемента регулирования Kр определяет зависимость выходного напряжения от входного. Для хорошего стабилизатора чем меньше будет этот коэффициент, тем лучше. Пульсации входного напряжения не смогут пройти на выход стабилизатора. Поэтому в элементе регулировки обычно входное напряжение подается на коллектор биполярного транзистора или сток полевого транзистора.

Эталонное напряжение Uэт обычно не совпадает с выходным напряжением стабилизатора, поэтому между его выходом и схемой сравнения ставится дели-

191

тель напряжения с коэффициентом деления Kд. Для получения необходимого коэффициента стабилизации между устройством сравнения и регулирующим транзистором ставится усилитель постоянного тока, который усиливает сигнал ошибки UE. Общий коэффициент петлевого усиления в данной схеме можно определить следующим образом:

(1)

Принцип работы компенсационного стабилизатора лучше пояснить по принципиальной схеме. Подобная схема, выполненная на двух транзисторах, приведена на рисунке 2.182.

Рисунок 2.182. Принципиальная схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения

В этой схеме в качестве регулирующего элемента использован транзистор VT1, включенный по схеме с общим коллектором. Схема сравнения реализована на транзисторе VT2. Ток этого транзистора зависит от разности напряжений между базой и эмиттером. В качестве эталонного источника напряжения применен параметрический стабилизатор на резисторе R1 и стабилитроне VD1. Выходное напряжение поступает на базу транзистора VT2 через делитель напряжения R3, R4.

Если напряжение на выходе стабилизатора по каким либо причинам возросло, то транзистор VT2 приоткрывается и напряжение на его коллекторе уменьшается. К коллектору VT2 подключена база транзистора VT1, следовательно, уменьшится и напряжение на выходе стабилизатора (вернется к заданному значению). Аналогичным образом схема отрицательной обратной связи отработает и при уменьшении напряжения на выходе.

Следует заметить, что от транзистора VT1 требуется обеспечивать большой коэффициент усиления по току, поэтому в современных стабилизаторах, таких как иностранные микросхемы 7805 или КР142ЕН5 отечественного производства, в качестве этого транзистора применяется составной транзистор по схеме Дарлингтона.

192

Рисунок 2.183. Схема Дарлингтона

Коэффициент усиления усилителя, собранного на транзисторе VT2, сильно зависит от сопротивления R2. Чем больше будет это сопротивление, тем больше Kу, и, следовательно, коэффициент стабилизации. Кроме того, через это сопротивление на базу транзистора VT1 поступают пульсации входного напряжения Uвх. С этой точки зрения тоже следует увеличивать сопротивление резистора R2. Однако в результате может не хватить тока для работы транзисторов VT1 и VT2. Поэтому в современных стабилизаторах вместо обычного резистора применяются генераторы тока. Чаще всего токовое зеркало.

Рисунок 2.183. Принципиальная схема токового зеркала

В результате получается схема, подобная схеме стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 7805. Конечно, существуют микросхемы стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением, однако подобная функция приводит к усложнению схемы и снижению параметров стабилизатора, поэтому выгоднее подобрать готовый стабилизатор на необходимое напряжение.

193

Рисунок 2.184. Принципиальная схема компенсационного стабилизатора 7805

Несмотря на достаточно сложную внутреннюю схему, применять такой стабилизатор чрезвычайно просто. Его схема включения приведена на рисун-

ке 2.185

Рисунок 2.185. Принципиальная схема стабилизатора, реализованного на микросхеме 7805

Микросхемы, выполненные по этой схеме выпускаются большинством ведущих фирм мира. В качестве примера можно назвать LM7805 фирм Texas Instruments, STMicroelectronics, Fairchild Semiconductor, способную выдавать вы-

ходной ток более 1,5 А. Имеется отечественный аналог – стабилизаторы КР142ЕН5В. В названии приведенной микросхемы стабилизатора цифры 78 означают, что это стабилизатор, а цифры 05 означают, что он формирует на вы-

194

ходе напряжение 5 В. Соответственно стабилизаторы 7803 будут формировать напряжение 3.3 В, 7809 – 9В, 7812 – 12В.

Так как через силовой транзистор (элемент регулировки) протекает весь ток нагрузки, то на нем выделяется тепловая энергия, которую необходимо рассеять в окружающем пространстве. Поэтому обычно этот стабилизатор размещается на радиаторе. Для удобства крепления микросхема выполняется в специально разработанном корпусе TO-220, который даже без радиатора способен рассеять до 1 Вт тепла.

Рисунок 2.186. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 7805

В ряде случаев такой большой ток не требуется, поэтому были разработаны микросхемы маломощных стабилизаторов напряжения. Наиболее распространены микросхемы LM78L05. Эти микросхемы выпускаются в малогабаритных корпусах, таких как SOIC, SOT-89, DSBGA или TO-92. Отечественные малогабаритные стабилизаторы – КР1157. Их схема включения не отличается от схемы, приведенной на рисунке 6, но конструкция совершенно другая.

Рисунок 2.187. Примеры компенсационных стабилизаторов, выполненных на микросхеме 78L05

195

2.4.Усилители мощности цифровых радиостанций

2.4.1.Усилитель класса D

Коэффициент полезного действия является основным параметром для усилителей мощности звуковой частоты. Особенно это важно для портативной аппаратуры, такой как радиоприемники или сотовые телефоны. Усилители с высоким к.п.д. применяются и в стационарных устройствах, таких как компьютеры или телевизоры. Усилители класса C позволяет получить достаточно большие значения к.п.д. но их невозможно использовать для усиления звуковых сигналов.

Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:

1.ток через транзистор при ненулевом напряжении равен нулю;

2.напряжение на транзисторе при ненулевом токе равно нулю.

Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме. Первое условие будет выполнено, если транзистор полностью закрыть (режим отсечки). Второе условие будет выполнено, если транзистор полностью открыть (режим насыщения). Так работают транзисторы в цифровых микросхемах, например КМОП логики.

Но ведь в этом случае амплитуда сигнала на выходе будет иметь только два уровня. Для того чтобы можно было получить амплитуду сигнала, соответствующую входной, на выходе усилителя звука, в ключевом режиме используется широтно-импульсная модуляция – ШИМ.

Широтно-импульсная модуляция реализуется при помощи компаратора, на входы которого подаются полезный сигнал и пилообразное напряжение. В результате ширина импульса на его выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Данный процесс иллюстрируется рисунком 2.188.

Рисунок 2.188. Процесс формирования ШИМ

196

Как видно из рисунка 2.188, средний уровень сигнала зависит от ширины импульсов. Чем она меньше – тем меньше будет средний уровень сигнала, чем больше – тем больше. В спектре широтно-импульсной модуляции присутствует исходный низкочастотный звуковой сигнал, поэтому обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется любым фильтром низкой частоты. Достаточно отфильтровать высокочастотные составляющие двухуровневого сигнала и усиленный первоначальный сигнал можно подавать на громкоговоритель. Спектр широтно-импульсной модуляции синусоидального сигнала приведен на рисунке 2.189.

Рисунок 2.189. Спектр сигнала ШИМ

Так как мощность на выходе усилителя мощности обычно составляет значение от единиц до сотен ватт, то обычно применяются LC фильтры. Задача фильтра заключается в подавлении частоты пилообразного сигнала, модулированного полезным сигналом и его гармоник. Для того, чтобы можно было применить простейший фильтр второго порядка, частоту пилообразного сигнала выбирают в пределах двух мегагерц. Так как частота модулирующего сигнала превышает верхнюю частоту звукового спектра в 100 раз, то фильтр второго порядка, состоящий из индуктивности и конденсатора, способен подавить мешающие сигналы на 80 дБ (при соответствующем конструктивном исполнении).

Структурная схема усилителя низкой частоты, работающего в режиме класса D, приведена на рисунке 2.190.

Рисунок 2.190. Типовая структурная схема усилителя класса D

197

Данная схема состоит из входного усилителя, обеспечивающего требуемое входное сопротивление, компаратора напряжения, на второй вход которого подается пилообразное напряжение и выходного каскада, собранного на комплементарных полевых транзисторах. Именно эти транзисторы и обеспечивают необходимую выходную мощность. Их быстродействие определяет к.п.д. усилителя. Для оценки коэффициента полезного действия можно воспользоваться зависимостью рассеиваемой мощности от выходной мощности. На рисунке 2.191 приведены характеристики микросхем усилителя класса D фирмы Texas Instruments TPA2012D2.

Рисунок 2.191. Сравнение рассеиваемой мощности усилителей класса AB и D

Микросхемы подобного класса предназначены для применения в портативной аппаратуре. В таблице 2.4.1 приведены некоторые из таких микросхем. Обратите внимание на очень низкие нелинейные искажения этих микросхем.

Таблица 2.4.1. Наиболее распространенные усилители класса D

					Напряжение		Нелин.
				Rнагр.	питания, B		искаж. на	Коэфф. по-
Наимено-		Стерео/	Pвых,				мощн. P/2	давл. помех
	Описание			(min),					Корпус
вание		моно	Вт				THD+N*	по цепям
				Ом
					(min)	(max)	(%),	питания дБ
							f=1кГц
TPA2017D2	SmartGain,	Стерео	2,8	4	2,5	5,5	0,2	80	QFN-20
	AGC/DRC,
	GPIO ин-
	терфейс
TPA2000D2	усилитель	Стерео	2,5	3	4,5	5,5	0,05	77	TSSOP-24
	средней
	мощности
TPA2000D4	усилитель	Стерео	2,5	4	3,7	5,5	0,1	70	TSSOP-32
	для стерео
	телефонов

198

TPA2012D2	усилитель	Стерео	2,1	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-16,
	в корпусе								QFN-20
	WCSP 2 x 2
	мм
TPA2016D2	SmartGain,	Стерео	1,7	8	2,5	5,5	0,2	80	WCSP-16
	AGC/DRC,
	I2C интер-
	фейс
TPA2001D2	усилитель	Стерео	1,25	8	4,5	5,5	0,08	77	TSSOP-24
	низкой
	мощности
TPA2100P1	для пьзоке-	Моно	19	1,5 мкФ	2,5	5,5	0,2	90	WCSP-16
	рам. излу-		Vpp	(пьезо)
	чателя
TPA2035D1	дифф.	Моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
	вход, 1,5 х
	1,5 мм

Несколько другой подход для построения усилителей класса D использует фирма Analog devices. В ее микросхемах вместо ШИМ модулятора используется сигма-дельта модулятор. Это позволяет поднять внутреннюю частоту до такого значения, что внешний фильтр низкой частоты не требуется. Его функции выполняет динамик. Внутренняя схема подобной микросхемы приведена на ри-

сунке 2.192.

Рисунок 2.192. Внутренняя схема микросхемы SSM2317

В настоящее время выпускается достаточно большое количество микросхем усилителей класса D большой мощности. В качестве примера можно назвать разработки фирм MPS (Monolithic Power Systems) и Texas Instruments

199

Таблица 2.4.2. Микросхемы усилителей класса D большой мощности

				Напряжение		Нелинейные
				питания, B		искажения	Коэффициент
		Pвых,	Rнагр.			на поло-	подавления
Наименование	Описание		(min),			винной	помех	Корпус
		Вт	Ом			мощности	по цепям
				(min)	(max)
						THD+N*	питания дБ
						(%), f=1кГц
TAS5630B	300 Вт	400	2	25	52,5	0,03	80	QFP-64,
	усилитель							PSOP-
	(стерео) с							44
	ОС
TAS5615A	160 Вт	300	2	18	38	0,03	80	QFP-64,
	усилитель							PSOP-
	(стерео)							44
	с ОС
MP7720	20 Вт	20	4	9,5	24	0,04	60	SOIC-8
	усилитель
	(моно)
MP7781	80 Вт	80	4	18	38	0,1	60	SOIC-
	усилитель							24

Следует отметить, что подобные схемы практически не требуют громоздких радиаторов, рассеивающих избыточное тепло. На рисунке 6 приведена типовая принципиальная схема усилителя звуковых частот класса D.

Рисунок 2.193. Принципиальная схема звукового усилителя мощности класса D на микросхеме МР7720

В данной схеме резисторы R4 и R1 определяют глубину отрицательной обратной связи, которая влияет на коэффициент усиления усилителя и его нелинейные искажения. Резисторы R3 и R2 задают режим работы дифференциального усилителя на входе микросхемы по постоянному току (половина пита-

200