Ausgangspuffer des Operationsverstärkers

Wenn Sie sich die Datenblätter der verwendeten Transistoren ansehen, werden Sie feststellen, dass an Q5 in Sättigung ungefähr 0,7 Volt abfallen, an den 1-Ω-Emitterwiderständen 0,367 Volt und an den Basis-Emitter-Regionen von Q1 etwa 0,7 Volt. Q7 und Q9: -

Dies sagt mir ungefähr, dass bei einer positiven Versorgung von 17 Volt die maximale positive Spitzenspannung am Ausgang einer 13-Ω-Last etwa 15,23 Volt betragen wird.

Um eine höhere Spitzenausgangsspannung zu erhalten, ist entweder eine grundlegende Änderung der Verdrahtung Ihrer Ausgangsstufe ODER die Verwendung von Bootstrap-Schaltungen erforderlich, aber Bootstrap-Schaltungen funktionieren nur dann gut, wenn Ihr Signal einen Wechselstromgehalt enthält.

Alternativ könnten Sie DC-DC-Wandler verwenden, um die Treiberspannungsversorgung um 1,5 bis 2 Volt über die positive Schiene und 1,5 bis 2 Volt unter die negative Schiene anzuheben.

Das ist eine sehr komplexe Schaltung für nur 1,1 A Ausgangsstrom. Eine Suche nach Operationsverstärker-Ausgangsverstärkungsschemata ergibt Dutzende von Schaltungen mit höherem Ausgangsstrom und höherer Ausgangsspannung und viel weniger Teilen.

Jim Williams veröffentlichte mehrere bekannte App-Notizen.

Leistungsverstärkungsstufen für monolithische Verstärker

Verstärken Sie den Ausgang des Operationsverstärkers, ohne die Drift- und Verstärkungsspezifikationen zu opfern

Lösen Sie Oszillationsprobleme bei der Implementierung von Operationsverstärker-Leistungsverstärkerstufen

Leistungsstarke Booster-Schaltungen verbessern den Ausgang des Operationsverstärkers

Um den Betriebsspielraum zu reduzieren, ändern Sie die Konfiguration des Ausgangstransistors auf gemeinsamen Emitter. Dies ist aus einer App-Notiz von Linear Tech, die die grundlegende Technik zeigt:

Hier ist ein dummer Booster mit MOSFETs.

Die Schaltung auf der linken Seite ist der Operationsverstärker, da Sie einem Opamp-Spice-Modell niemals vertrauen können, dass es das Stromversorgungsgeschäft so implementiert, wie Sie es erwarten, zum Beispiel könnte das Modell abhängige Spannungs-/Stromquellen zu GND enthalten, was den Strom in oder aus bedeutet Die Versorgungsstifte werden falsch sein.

Ersetzen Sie also das Durcheinander durch einen Operationsverstärker. Der untere Pin von R4 geht an den VCC des Operationsverstärkers, der obere Pin von R3 an den VDD des Operationsverstärkers. R6 zwingt den Operationsverstärker, einen Strom auszugeben, der von seinen Versorgungspins durch seine Ausgangstransistoren (Q7 Q6) kommt. Dies treibt die Gates der FETs an, die einen Rail-to-Rail-Ausgangsstromverstärker bilden. R1/R2 sind das Rückkopplungsnetzwerk. C2 ist für die Kompensation erforderlich, achten Sie darauf, einen Wert zu wählen, der die Schaltung stabil macht. Die FETs werden extrem langsam, wenn der Ausgang gegen die Schienen gedrückt wird. Wenn er also oszilliert, ist dies der Fall, wenn die Ausgangsspannung nahe an den Schienen liegt.

Beachten Sie, dass dies eine sehr einfache Schaltung ist, die ein ziemlich schlechtes Einschwingverhalten aufweist, da die FET-Gates nicht richtig angesteuert werden. Wenn dies zur Ausgabe von Wechselstrom gemacht wird, erwarten Sie Querleitung in den FETs.

BEARBEITEN:

Wenn Sie ein wenig Welligkeit im Ausgang tolerieren können, wäre ein Klasse-D-Verstärkerchip effizienter, um das modernere, schlankere Gefühl ohne Kühlkörper zu erzielen.

Wenn Sie diesen Weg gehen, würde ich IRS2092S empfehlen. Es ist ein einfacher Chip. Der Ausgangs-LC-Filter ist nicht in der Rückkopplungsschleife enthalten, was bedeutet, dass es keine Stabilitätsprobleme gibt, wenn Sie den Filter übertreiben. Sie können also einen Ausgangsfilter mit einer niedrigen Grenzfrequenz verwenden, der für nur wenige Ampere ein paar Dollar an Induktivitäten und Kondensatoren kostet. Da Sie sich nicht um harmonische Verzerrungen kümmern und die Ausgangsspannung niedrig ist, würden MLCCs gut für die Ausgangsfilterkappen geeignet sein. Mit einem Filter 4. Ordnung, das bei etwa 5 kHz abschneidet, sollte die Schaltfrequenz von 200 kHz nur einen winzigen Blip im Ausgang darstellen. Es könnten auch konventionellere MOSFET-Treiber verwendet werden.

Um einen präzisen Gleichstrom am Ausgang zu haben, muss ein Operationsverstärker um diese Leistungsstufe gewickelt werden. Da die Leistungsstufe aufgrund des Ausgangsfilters eine ziemlich geringe Bandbreite hat, wäre eine gewisse Kompensation erforderlich, und sie hätte nicht die schnellste Einschwingzeit im Universum, aber für einen Gleichstromausgang ist das in Ordnung.

Es ist zwar nicht Rail-to-Rail, aber das spielt keine Rolle mehr, da bei einer Schaltleistungsstufe die Verlustleistung nicht mehr mit dem Eingangs-Ausgangs-Spannungsabfall zusammenhängt.