TSTE93 Analog konstruktion

Transkript

1 Applikationsområde Audio (hemmasystem) Relativt hög effekt (> 10 W, < 100W) per kanal TSTE93 Analog konstruktion Audiosystem konsert och liknande Effekter upp till 1 kw Högtalare Lågohmiga (4 ohm eller 8 ohm) Föreläsning Bandbredd Kent Palmkvist 0 Hz till 0 khz (0.5 db gränsfrekvenser) ES, ISY Distorsion Så liten som möjligt Effektivitet 3 Dagens föreläsning Högtalare Analoga förstärkare Inte enkelt resistiva element Verkningsgrad Flera högtalarelement i samma last Distorsion Klass A T ex 3 element för bas, mellanregister och diskant Analoga delningsfilter i högtalaren Klass AB Klass B Både resistiv och reaktiv impedans Frekvensberoende impedans Generell förstärkarkoppling klass B 8 ohm högtalare kan ha 6 ohms impedans för vissa frekvenser Kräver att förstärkare tål lägre impedans Ska titta närmare på frekvensbeteende och mekanisk funktion senare föreläsning Bilder från Analog Elektronik, Bengt Molin Audio Power Amplifier Design Handbook, Douglas Self 4 1

2 THD definition Kylning Total Harmonic Distorsion Stor uteffekt + dålig verkningsgrad => mycket värme i förstärkaren Distorsion av en sinuston som matas in i systemet Komponenter tål inte stora temperaturer Om insignal Vin = A sin(ω t) fås ut en summa av grundtoner och övertoner Transistorer < 00 C V ut (t )=V 1 sin (ω t + ϕ1 )+V sin ( ω t +ϕ )+V 3 sin (3 ω+ ϕ 3 )+... Temperaturberoende beteende hela signals effektivvärde (V 1 +V +V ) THD= = grundtonens effektivvärde V1 UBE ändras, backström ökar etc. Vid ca 300 C kortsluter transistor och dioder helt Elektrolytkondensatorer < 150 C Lämpliga nivåer för audio THD < 0.1% vid 1 khz frekvens, maximal uteffekt Billigare om dom bara klarar < 100 C Lösning: Kylflänsar, fläktar etc Högre ordningens övertoner värre problem (t ex V 4 och V5) Vill inte ha fläkt (låter) Ger mer störande ljudbidrag Kylflänsar är stora och skrymmande 5 7 Effektivitet Enkel modell på kylare Hur mycket effekt får vi ut jämfört med hur mycket vi stoppar in T temperatur η= P effektutveckling P out P in Rθ termisk resistans j PN-övergång (junction) Vill få η så nära 1 som möjligt c hölje (case) Omöjligt få η > 1! s kylfläns (sink) a omgivning (ambient) 6 8

3 Enkelt exempel på system Distorsion i GE-steg Enkelt transistorsteg Liten (rak arbetslinje) Effektutveckling P = 5 W i en transistor Har arbetspunkt placerad ovanför knät på U BE Ta = 30 C (varm sommardag) Börjar klippa när toppvärdet på U ut närmar sig halva E (troligen tidigare ändå) TO-3 kapsel => 0.7 C/W Kapacitanserna behövs för att få I C att flyta även när inspänning noll (biasing) Isolering mellan TO-3 och kylfläns: 0.3 C/W Kylfläns 1.4 C/W Kapacitanserna begränsar nedre gränsfrekvens Tj = P *(Rjc + Rcs + Rsa) + Ta = 5 * ( ) + 30 = 90 C Kan behöva ganska stora kapacitanser, speciellt om lasten är låg-ohmig (stor ström) Varmt... 3 db tapp vid f=1/(πrc) (ungefär) 4 ohm, 0 Hz => C > mf (för 3 db, räcker inte om vi vill ha 0.5 db gränsfrevenser) 9 Förstärkare klass A exempel: Enkel förstärkare från tidigare kurser AC eller DC-kopplade förstärkare +E Emitterföljare (GC-steg) Går alltid en ström genom transistorn Alltid ström genom transistorn => klass A Förstärkning < 1 (ofta nära 1) GE-steget i exemplet innan var AC-kopplat (kapacitans i serie med lasten) R1 Sätt arbetspunkten mitt på arbetslinjen C1 + uin(t) - Alternativ: Design så att ingen kapacitans behövs C R R E + uut(t) - För klass A behövs fortfarande kontinuerlig ström genom transistor Ekvivalent småsignalmodell Flytta jordpunkten till mitt emellan matningspotentialerna Om låg impedans på insignalens drivare och Dubbel symmetrisk matningsspänning V+ och V- h 1 1, h1 R E (h11+( R1 // R )) Rut R E // ( 11 h11 ) h

4 Jämförelse AC respektive DC-kopplad förstärkare AC-kopplad Ingen DC offset Enkelt undvika knäpp när strömmen slås på Inget behov av skyddskretsar för DC-fel Enklare skydda mot kortslutning (kapacitans begränsar maxström) Effektivitet klass A förstärkare DC-kopplad Konstant effektförbrukning för hela systemet (inklusive last) oberoende av utstyrning (storlek på insignalen) Inga stora kapacitanser (men en extra spänning) Bäst effektivitet när maximal uteffekt Symmetrisk design ger inget knäpp när strömmen slås på (ev. Problem kan hanteras med skyddsrelä) η = 1.5 % Bättre strukturer finns, t ex med GE-steg med spole som emittermotstånd Distorsion orsakad av kapacitans undviks Utspänning kan nå dubbla matningsspänningen E Bättrar effektivitet till 50% Kräver stor spole Effekt av utgångskapacitans Klass A förstärkare, fler typer Distorsion med och utan kapacitans μf elektrolyt Enklaste formen: emitterföljare, men med negativ matningsspänning istället för jord Alternativ: Ersätt R E med en strömkälla Kan drivas närmare V Ger bättre effektivitet, närmare 5 %

5 Ytterligare klass A förstärkartyper Exempel på kompenseringskretsar Push-pull konfigurationer Kompensera för förändring i ström genom förstärkaren Ström går kontinuerligt genom båda transistorerna, därför klass A Kapacitanser för att filtrera bort signalen som skickas ut Två olika sätt att ersätt strömkällan i föregående schema Närmar sig 50% effektivitet Ytterligare klass A exempel Klass AB Klass A om V bias tillräckligt stor Transistorerna leder mer än 50 % av perioden Fås om Vbias liten men stor nog att få båda transistorerna att leda när Vin liten nog Båda transistorerna leder hela tiden. Fortfarande dålig effektivitet Ytterligare problem Får övergångsdistorsion när en transistor stängs av Temperaturberoende ström Varmare transistor => större ström Händer när amplituden når en viss tröskelspänning Utan kompensering kan en positiv återkoppling fås (thermal runaway)

6 Klass B förstärkare Effekt av avsaknad av bias Varje transistor leder 50% av tiden Större effekt på små signaler Strömmen går alltid genom lasten Viktigt hålla nere distorsionen Hög effektivitet Större distorsion för små amplituder Fortfarande förluster i transistorerna Korrigeras vid låga frekvenser mha återkoppling (se senare) R1 ser till att UBE nära 0.7 V respektive -0.7 V Ingen signal in ger ingen effektförbrukning 1 3 Arbetspunkt och utstyrning för klass B Effektivitet hos klass B Liten ström går genom båda transistorerna när Vin = 0 x = utstyrning (andel av max utspänning) PE = tillförd effekt Bias på U BE för att få transistorerna att leda utan för stor förlust av små signaler Ökar linjärt med utsignalens storlek Put = uteffekt Ökar kvadratiskt med utsignalens storlek Pf = förlusteffekt Skillnad mellan in och uteffekt 4 6

7 AC-kopplad klass B förstärkare Utgångstransistorernas strömförstärkning Två dioder för att få lagom UBE bias Effektttransistorer har dålig strömförstärkningsfaktor h 1 P driver T 3 så E/ fås på emitter på T 1 och T Darlingtonkoppling driver utgångstransistorerna Dålig drivning på T 1 under positiv halvperiod Svårt stänga av utgångstransistorerna (ingen reversebias, dvs ingen reverserad U BE) 5 7 Bootstrappad klass B steg Utgångstransistorernas strömförstärkning Ladda ur C vid positiv halvperiod Alternativ kretslösning för att öka strömförstärkningen på utgången Höjer strömmen genom R Bättre linjaritet än föregående då Vbias går direkt via drivtransistorns VBE till last 6 8 7

8 Generell klass B förstärkare Liknande implementering Tre delar Negativ återkoppling via RF1, RF och 47u Ingångssteg (differentialsteg) Cdom för att få stabil förstärkare Spänningsförstärkning (GE-steg) Utgångssteg (klass B) Tr1 och Tr3 är strömkällor 9 31 Exempel på implementering Problemområden i förstärkaren T1 T differentialsteg Olinjärt ingångsteg Olinjärt förstärkarsteg (VAS) T3 GE-steg Olinjärt utgångssteg T7-T10 utgångssteg Olinjär belastning på spänningsförstärkaren T4 likspänningsgenerator Överhörning från spänningsmatning till signaljord T5 T6 strömbegränsning Felaktigt vald kopplingspunkt för återkoppling

9 Korrigering av olinjärt ingångssteg Överhörning, forts. Lägg till strömkälla istället för gemensamt emittermotstånd Minimera Loop area Tar bort effekt av gemensam signal Varje ledning nära retur mot jordpunkt Lägg till strömspegel för bättre strömsymmetri och förstärkning Tvinna matningsledningarna Håll dom långt borta från jordledning Effektförstärkare för låg matningsspänning Överhörning från spänningsmatning En gemensam jordpunkt Får bara ut matningsspänningen/ över lasten för enkel matningssspänning Punkt B dåligt val Bryggkoppling kan dubbla maximal spänningen över last Stor ström genom kapacitanserna Max effekt fyrdubblas! (P = U*U/R) Kortaste vägen inte alltid det bästa