مدار تقویت جریان اپ-امپ که در مقاله قبلی مورد بحث قرار گرفته شد ، برای بسیاری از کاربردها عالی است ، اما دارای دو محدودیت عمده می باشد : اول ، ممکن است جریانهای زیاد درسمت بار نیاز به جریان خروجی زیادی از اپ امپ بکشند . دوم ، ولتاژهای بار منفی قابل پیاده سازی با آن نیستند.
همانطور که در مقاله قبلی ذکر شد ، جریان خروجی مورد نیاز از اپ امپ تقریباً برابر است با جریان بار تقسیم بر بتای ترانزیستور یا hFE . در برخی شرایط ، ممکن است جریان خروجی بسیار زیاد را در طراحی خود داشته باشید که به تقویت جریان اپ-امپ بالاتری نیاز داشته باشید و احتمالا در حال استفاده از یک اپ امپ که شامل چندین آمپلی فایر در یک بسته است می باشید که این اپ امپ خروجی جریان کمی هم دارد. اگر از سایر تقویت کننده های درون پکیج اپ امپ استفاده کرده باشید و نمیخواهید این قطعه را با یک اپ امپ جریان بالاتر عوض کنید آنوقت هست که نیاز به یک ترانزیستورجریان بالا که بتای بالاتری نیز داشته باشد دارید. اگر باز هم جریان بار بیشتری احتیاج دارید میتوانید از ترانزیستور دارلینگتون استفاده نمایید.
ترانزیستور زوج دارلینگتون
دارلینگتون یک جفت ترانزیستوراست که به فرم کلکتور مشترک بسته می شود و در یک بسته واحد گنجانده شده است. نتیجه قطعه ای است که شبیه ترانزیستورعمل کرده اما دارای بتای بسیار بالا می باشد. مقدار کل بتای دارلینگتون برابر ضرب بتای اولین ترانزیستوردر ترانزیستور دوم است. به وسیله دارلینگتون تقویت جریان اپ-امپ بالاتری انجام می گیرد. یک سری محدودیت در درست کردن مدل دارلینگتون وجود دارد و اینطور نیست که با برداشتن چندین ترانزیستور ۲n2222 بتوان یک مدل جریان بالایی از ترانزیستور را داشت. با دیدن مدار معادل دارلینگتون TIP142 متوجه منظور می شوید
علاوه بر ترانزیستورها ، ما دارای یک دیود محافظ و دو مقاومت نیز هستیم . مقاومتها با فراهم کردن مسیر تخلیه برای خازن اتصال بیس-امیتر ترانزیستور سمت راست ، زمان خاموش شدن را بهبود می بخشند و از یک وضعیت مشخص برای بیس ترانزیستور سمت راستی استفاده می کنند که در غیر اینصورت هنگام قطع شدن دارلینگتون به حالت شناور درمی آیند. همچنین باعث پایین آمدن hFE می شوند ، زیرا مقداری از جریان بیس در اطراف اتصالات بیس-امیتر قرار گرفته اند. این کاهش گین در واقع در بسیاری از شرایط سودمند است زیرا اثرات جریان نشتی را کاهش می دهد .بهتر است تا از یک پکیج دارلینگتون استفاده نمایید تا اینکه چندین ترانزیستور رو خودتان به صورت کلکتور مشترک ببندید تا بهره جریانی بالاتری بدست بیاورید. چون محدودیت های جریانی زیادی برای رسیدن به جریان بالا همراه با بتای مجموع بالا وجود دارد.
در اینجا یک شماتیک کلی LTspice با یک جفت دارلینگتون به جای یک ترانزیستور واحد ارائه شده است.
نرم افزار LTspice در کتابخانه خود ترانزیستور Darlington ندارد اما می توانید برای دانلود فایلهای فرعی و نمادی برای TIP142 به اینجا بروید.
در شکل زیر نقشه شماتیک به همراه شکل موجهای VIN ، VOUT و ولتاژ اعمال شده به بیس ترانزیستور دارلینگتون وجود دارد.
همانند مدار تک ترانزیستوری ، ولتاژ خروجی ولتاژ ورودی را دنبال می کند (منحنی VIN در زیر منحنی VOUT پنهان است). توجه داشته باشید که ولتاژ بیس در حدود ۱٫۳-۱٫۴ ولت بالاتر از ولتاژ بار است. دلیل این امر این است که اکنون به جای یک افت ولتاژ بیس به امیتر به اندازه دو افت ولتاژ بیس به امیتر کاهش ولتاژ در امیتر داریم. بنابراین ، شما باید مراقب باشید که ولتاژهای تغذیه اپ امپ و ترانزیستور دارلینگتون به اندازه کافی بالا باشد تا دامنه ولتاژ بار به اندازه کافی بالا باشد .
این نمودار جریان بار و جریان موجود در بیس دارلینگتون را نشان می دهد.
بنابراین با بار ۳۶۰ میلی آمپری ، جریان بیس ۱۶۹ میکروآمپر می شود ، که به علت بتای حدود ۲۱۳۰ مربوط به دارلینگتون می باشد. دیتاشیت مربوطه نشان می دهد که گین جریان باید نزدیک به ۱۰۰۰ باشد. شاید این مدل خاص SPICE به اندازه دقیق نباشد. در هر صورت ، ما موفق شده ایم جریان خروجی مورد نیاز اپ امپ را تا حد زیادی کاهش دهیم.
راه دیگر برای مقابله با اپ امپی که نمی تواند جریان خروجی کافی را تأمین کند استفاده ازمسفت به جای ترانزیستور است. ما در مقاله بعدی به پیاده سازی مدار بافر با استفاده از مسفت خواهیم پرداخت.
ایجاد خروجی منفی برای بافر
اپ امپ اغلب با ولتاژهای خروجی منفی استفاده می شود. نمونه بارز آن سیگنالهای سینوسی است ، مانند برنامه های صوتی ، تصویری و RF. هنگامی که اپ امپ یک ولتاژ خروجی مثبت تولید می کند ، جریان خروجی از پایانه خروجی اپ امپ خارج شده و از طریق بار وارد زمین می شود. از این رو ، هنگامی که خروجی مثبت است ، اپ امپ به عنوان سورس جریان عمل کرده و جریان از آن خارج می شود. با ولتاژ خروجی منفی ، جریان از زمین خارج می شود و از طریق بار به اپ امپ وارد می شود ، به گونه ای که در حال حاضر اپ امپ به عنوان سینک جریان می باشد. بنابراین ، برای پشتیبانی از سیگنال های مثبت و منفی ، به یک تقویت جریان اپ-امپ که بافر جریان خروجی باشد نیاز داریم که بتواند به عنوان سینک و هم سورس جریان عمل نماید.
ایده کلی یکسان است: ترانزیستورها ظرفیت جریان بالاتری را فراهم می کنند و تقویت جریان اپ-امپ بالاتری خواهند داشت و پیکربندی فیدبک باعث می شود که اپ امپ بتواند خروجی خود را به هر روشی که لازم باشد اصلاح کند تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ بار VOUT برابر است با VIN. تفاوت در اضافه کردن ترانزیستور PNP است ، که برای ولتاژ بار منفی قرار داده شده است و آنچه را که ترانزیستور NPN برای ولتاژ بار مثبت انجام می دهد ، ترانزیستور PNP برای ولتاژ بار منفی انجام می دهد. به عبارت دیگر ، هنگامی که ولتاژ ورودی مثبت است ، خروجی اپ امپ برای روشن کردن ترانزیستور NPN مثبت می شود و جریان از NPN به بار وارد می شود. وقتی ولتاژ ورودی منفی باشد ، خروجی اپ امپ برای روشن کردن PNP منفی می شود و PNP به عنوان سینک جریان عمل می کند. در اینجا یک شماتیک LTspice آورده شده است تا تقویت جریان اپ-امپ را به گونه ای دیگر بررسی کنید:
در اینجا یک شماتیک با VIN و VOUT وجود دارد. طبق معمول ، ولتاژ ورودی در زیر ولتاژ خروجی پنهان است.
این نمودار بزرگ شده زیرشامل ولتاژ خروجی اپ امپ است. توجه داشته باشید که چگونه فیدبک منفی باعث می شود که اپ امپ به طور خودکار از “باند مرده” عبور کند ، یعنی دامنه ولتاژ (از حدود -۰٫۷ ولت به ۰٫۷ ولت) که در آن هر دو ترانزیستور در قطع هستند.
آیا این تقویت کننده صوتی است؟
در این مرحله ممکن است بدانید که آیا می توانید از این مدار به عنوان تقویت کننده برق برای سیگنال های صوتی استفاده کنید. مطمئناً می توانید ، اما کیفیت صدا بهترین نخواهد بود. در واقع ، ترکیب PNP و NPN در این مدار به کلاس B آمپلی فایرها گفته می شود و ترکیب کلاس B با اپ امپ و وجود فیدبک منفی باعث تشکیل تقویت کننده قدرت با حداقل اعوجاج متقاطع می شود. آمپلی فایرهای کلاس B به خودی خود دارای مشکلات اعوجاج عمده ای هستند که از طریق dead-band ایجاد می شود. با این حال ، حتی با فیدبک منفی ، کیفیت صدا هنوز هم با روشن و خاموش شدن ترانزیستورهای NPN و PNP کاهش یافته است. به همین دلیل مدار ترجیحی برای صدا تقویت کننده Class AB است که در آن ترانزیستورها بصورتی قرار گرفته اند تا هردو آنها درولتاژهای ورودی کوچک مثبت و منفی هدایت می کنند.
در مقاله بعدی به بافر اپ امپی با جریان بالاتر پرداخته میشود.
مقاله قبلی (تقویت جریان اپ امپ – قسمت اول ترانزیستوری )