PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik.

Transkript

1 PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik. Uppgiften i denna laboration är att konstruera en effektförstärkare med HIFIegenskaper för ljudåtergivning. Arbetet består av tre moment: 1. TEORI. 1. Teori 2. Simulering 3. Verifiering Teoretiska beräkningar görs som hemarbete och ska vara klara till första laborationsdagen. I konstruktionsanvisningarna för delmomenten finns angivet avsnitt i kursboken, där du hittar tillämplig teori och angivna problem som ska lösas och redovisas i redogörelsen. 2. SIMULERING. Med simuleringsprogrammet multisim verifierar du ditt teoretiska arbete. Ta ut en lista eller anteckna följande värden: nodspänningar, strömgeneratorer, råförstärkning, förstärkning med återkoppling, gränsfrekvenser, för att jämföras med teoretiska och senare uppmätta värden. Ta ut en plott på frekvens och fasgång. 3. VERIFIERING. I detta moment kopplas förstärkaren upp och nodspänningar, strömgeneratorvärden, råförstärkning, förstärkning med återkoppling, gränsfrekvenser, total harmonisk distorsion mäts. SPECIFIKATION: Konstruera en effektförstärkare med följande specifikation: Belastning: R L = 8 ohm Max.uteffekt: P UTmax = 10 Watt Känslighet: V in = 0.5 Volt för max uteffekt Inresistans: R in = 47 kohm Undre gränsfrekvens: f u = 20 Hz I konstruktionen används följande transistorer: Småsignaltransistorer npn: BC182B pnp: BC212B Effekttransistorer npn: TIP33C pnp: TIP34C

2 Allmänt. En effektförstärkare för ljudåtergivning ska vara så linjär som möjligt för att förvrängningen, (distorsionen), av insignalen ska bli så liten som möjligt. I audiosammanhang brukar olika typer av distorsion definieras t.ex. a) Harmonisk distorsion b) Intermodulationsdistorsion c) Transient Intermodulationsdistorsion Vanligen anges a) och b) i en förstärkares specifikation. För att minimera distorsionen i den färdiga förstärkaren konstrueras den för minsta möjliga distorsion utan återkoppling. Med negativ återkoppling reduceras distorsionen till låga värden. Olika principkopplingar för effektförstärkare finns, där största skillnaden ligger i ingångsstegets konstruktion. Detta kan vara ett enkelt transistorsteg eller ett differentialsteg. DCstabilitet uppnås bäst med en differentialförstärkare som ingångssteg och 100 % negativ dcåterkoppling. Om differentialsteget är balanserat elimineras alla jämna övertoner i utsignalen, vilket leder till lägre distorsion. Detta förutsätter att ingångstransistorerna är identiska. I praktiken är detta omöjligt, men bra resultat uppnås genom matchning av transistorerna med avseende på V be och β. En annan variant är att använda en dubbeltransistor, där båda transistorerna är integrerade på samma kiselbricka och monterade i samma kåpa. I laborationen används slumpmässigt valda transistorexemplar. Dagens effektförstärkare med HIFIegenskaper består av ett differentialsteg på ingången följt av ett GEsteg med hög spänningsförstärkning samt ett slutsteg i klass AB med komplementära effekttransistorer i mottaktkoppling. Samtliga steg i förstärkaren är dckopplade, men insignalen ackopplas till ingången. Matningsspänningen kan antingen vara enkel eller dubbel. Med dubbel matningsspänning kan belastningen, (högtalaren), dckopplas till förstärkarutgången vilket eliminerar en stor och dyr elektrolytkondensator som kopplingskondensator till belastningen. Det krävs dock att förstärkarens utgång ligger stabilt på 0 Volt, annars går en icke önskvärd likström genom högtalaren. Förstärkaren kommer att bestå av följande block v in Diffsteg GEsteg Effektsteg Belastning

3 Kopplingsschema för den kompletta förstärkaren visas i fig. 1. V CC R C1 R 8 C Q 7 Q 9 C 1 Q 1 Q 2 R f Q 8 R 1 R e R e R a Q 6 R 7 R E I Q C a I REF R 6 R E R L R 4 Q 10 Q 3 Q 5 Q 4 Q 11 R 9 R 2 R 3 R 5 V EE Fig.1 Lägg märke till att förstärkarens uppbyggnad följer konstruktionen för en operationsförstärkare.

4 Konstruktionsarbetet. Eftersom uteffekten är given är det lämpligt att börja med en specifikation av matningsspänningarna. Dimensioneringen av förstärkaren startar med effektsteget, därefter GEsteget och till sist differentialsteget. 1. Matningsspänningarna. Med i specifikationen angivna värden bestäms utspänningarna och erforderlig strömkapacitet. V CEsat avläses ur effekttransistorernas datablad. Välj R E = 0.47 ohm. 2. Effektsteget Fig. 2 visar kopplingsschemat för slutsteget, som arbetar i klass AB. V CC R 8 Q 9 i b Q8 Q 8 R E (R in ) pow V bias v ut R E R L Q 10 Q 11 R 9 V EE Fig. 2.

5 För att öka strömförstärkningen är en extra transistor kopplad till resp. effekttransistor. Kan du se någon fördel med denna koppling jämfört med en vanlig Darlingtonkoppling? När Q 9 och Q 11 uppvärms p.g.a. effektförlusterna ökar läckströmmen i effekttransistorerna. Motstånden R 8 och R 9 begränsar de negativa effekterna av läckströmmarna Välj R 8, R 9 till 1kΩ. Med en lämplig viloström genom slutsteget minimeras övergångsdistorsionen i slutsteget. Viloströmmen justeras med hjälp av V bias. R E stabiliserar viloströmmen och kan dessutom användas för att bygga in ett kortslutningsskydd av slutsteget. Effekttransistorerna är monterade på kylflänsar. Slutredogörelsen ska innehålla: 1. Definition av olika typer av förstärkarsteg: klass A, klass B och klass AB, (t.ex. med belastningslinjer, kurvor etc.). 2. För och nackdelar med respektive typ av förstärkarsteg, (effekt, distorsion). 3. Diskussion av orsaken till övergångsdistorsionen och hur denna minimeras. 4. Härledning och beräkning av verkningsgraden för ett klass B steg. 5. Härledning och beräkning av max effektförlust i sluttransistorerna. 6. Bestämning av maximal termisk resistans för kylning av effekttransistorerna. 7. Beräkning av slutstegets inresistans.

6 3. GEsteget. V CC R C 1 C Q 7 V bias i b Q8 Till Slutsteg Q 5 R B R 5 V EE Fig. 3. För att uppnå hög spänningsförstärkning i ett GEsteg måste kollektorbelastningen vara högohmig. Enda sättet att uppnå detta, med låga matningsspänningar, är att använda en aktiv belastning, som vanligen utgörs av en transistor, t.ex. en BJT eller en FET, kopplad som en strömgenerator. Vi ska använda en BJT. Strömgeneratorerna är av typen strömspeglar med referensströmmen I REF. Det är lämpligt att välja den nu för att kunna gå vidare med beräkningarna. Beräkna maxvärdet av I BQ8,10. Rita ett ekvivalentschema för fig.3. Välj I Q5 > I BQ8,10. Definiera och beräkna effektiva kollektorbelastningen för Q 7. R B betecknar totala resistansen mellan Q 5 :s bas och jord. Bestäm R B. Beräkna stegets spänningsförstärkning, A v2. Millerkapacitansen C bestämmer förstärkarens dominerande pol. Varför behövs den? Välj f ö ung. 1kHz och beräkna ett värde på C.

7 V bias bestämmer viloströmmen genom sluttransistorerna. Skriv upp ett samband mellan V bias och viloströmmen genom sluttransistorerna. V bias skapas med en koppling, som kallas för V be multiplikator, vars koppling visas i fig. 4. V Q 7 I R I o I C R 7 I B R 6 V be Q 6 V bias Q 5 V Fig. 4. Motståndet R 6 är sammansatt av ett fast motstånd och en trimpotentiometer,(1kω), för att kunna variera V bias. Strömmen genom R 6 och R 7 bör vara mycket större än basströmmen. Dimensionera R 6 och R 7 för en viloström genom effekttransistorerna på ma. Slutredogörelsen ska innehålla: 1. Dimensionering av strömgeneratorn I REF 2. Dimensionering av strömgeneratorn I Q3. 3. Beräkning av R ut för Q 3 resp. strömgeneratorn Q Beräkning av stegets förstärkning,a v2, i passbandet. 5. Dimensionering av C för en lämplig brytfrekvens. 6.Härledning av uttrycket för V bias som funk. av V be. Dimensionering av R 6 och R 7.

8 4. Ingångssteget. V CC R C 1 v in C 1 R 1 Q 1 Q 2 R e R e v ut R in Q7 I Q 2 ma V EE Fig. 5. Dimensionera I Q för I Q1 = I Q2 =1 ma. R e jämnar ut ev. skillnader i V be för Q 1 och Q 2, lineariserar ingångssteget samt ökar stegets inresistans genom negativ återkoppling. Slutredogörelsen ska innehålla: 1. Dimensionering av I Q. 2. Dimensionering av R C1. 3. Beräkning av ingångsstegets inresistans, R in. 4. Beräkning av A V11 med GEsteget bortkopplat, dvs. R inq7 =. Q 2 :s bas är jordad enl. fig Bestäm R inq7 och beräkna A V1 med GEsteget inkopplat. Q 2 :s bas är jordad enl. fig Den kompletta förstärkaren. Slutredogörelsen ska innehålla: 1. Beräkning av den färdiga förstärkarens råförstärkning. 2.Beräkning av totala förstärkarens R in utan återkoppling. 3. Beräkning av ett lämpligt återkopplingsmotstånd för att få erforderlig förstärkning. 4.Beräkning av totala förstärkarens R in med återkoppling. 5. Dimensionering av kondensatorerna för given undre gränsfrekvens.

9 VERIFIERING. Mätningar. A. Utan belastning: Alla strömmätningar görs indirekt, dvs. som spänningsmätningar. 1. Koppla upp bara differentialsteget inklusive nödvändiga strömgeneratorer. Kontrollera strömmar och spänningar. Om deras värden är enligt beräkningarna mäts förstärkningen A V11. När detta är klart kompletterar du kopplingen till en fullständig förstärkare. 2. Kontrollera noga din koppling för eventuella kortslutningar. Öka försiktigt matningsspänningen och ge samtidigt akt på strömförbrukningen. Observera att dcåterkoppling måste finnas. Varför? 3. Kontrollera att utspänningen ligger på ca 0 Volt. 4. Är allt rätt kopplat justeras V bias så att viloströmmen i slutsteget blir ca 40 ma. 5. Mät viloströmmen genom Q 1 och Q Mät strömmarna I Q och I Q5. 7. Mät DC offsetspänningen på utgången. 8. Mät råförstärkning och övre brytfrekvens utan belastning.

10 Lite teori och praktiska tips för mätning av råförstärkningen. Mätning av råförstärkningen A 0 är en svår uppgift p.g.a. att A 0 är så stor. Eftersom förstärkaren är DCkopplad medför ett stort värde på A 0 att minsta obalans i ingångssteget förstärks och detta resulterar i att utgången bottnar i ena eller andra läget. Detta kan undvikas genom att använda DCåterkoppling. Förstärkarens uppbyggnad har som synes stora likheter med operationsförstärkaren, så vi använder dess symbol i fortsättningen, d.v.s. A 0 Med DCåterkoppling som stabiliserar arbetspunkten får vi R f A 0 Vi använder följande koppling. C f R f v g ~ R g C 1 R 1 A 0 v ut Med tillräcklig noggrannhet kan vi i vårt fall betrakta förstärkaren som ideal, vilket förenklar våra beräkningar.

11 Vi får då att v ut = v 1 R X f C f om det gäller att kan vi sätta R >> R X 1 g C1 v = v g alltså är A v vut = = 1 v g R X f C f Väljer vi ett stort värde på C f går X Cf mot noll och alltså A v mot oändligheten. Detta går ju inte utan A v :s största värde blir A 0,dvs. råförstärkningen. Följande måste gälla för att bestämma ett lämpligt värde på C f. Välj C f = 1000µF. B. Mätningar med belastning. 9. Mät förstärkning med acåterkoppling samt undre och övre brytfrekvens. 10. Mät stegsvaret. Stämmer sambandet mellan stigtid och bandbredd? 11. Lyssningsprov med högtalare med 6 ohms impedans. Slå av matningsspänningen och koppla högtalaren till förstärkaren. Signalkällan är en radiomottagare utan LFförstärkare. Öka matningsspänningen till rätt värde. Vad tycker du om din konstruktion?. Resultat. Sammanställ resultaten från teori, simulering och verifiering i tabellform för jämförelse. Skriv en sammanfattning av jämförelsen. ω R f C f > > A 0 o c h ω < < ω c d ä r ω c = ö v r e b r y t f r e k v e n s e n

12 UPPSALA TEKNISKA HÖGSKOLA, Magistern PROJEKTLABORATION I ANALOG ELEKTRONIK. Konstruktion av effektförstärkare för audiofrekvenser. Grupp:... Namn:... Namn:... Inlämnad den:... Godkänd:... Retur:...