PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik Uppgiften i denna laboration är att konstruera en effektförstärkare med HIFI-egenskaper för ljudåtergivning. Arbetet består av tre moment: 1. Teori - hemarbete 2. Simulering - vid labtillfälle 3. Mätning - vid labtillfälle 1. TEORI Teoretiska beräkningar görs som hemarbete och ska vara klara till laborationstillfället. I konstruktionsanvisningarna för delmomenten finns sidhänvisningar till kursboken (Analog Elektronik av Bengt Molin) där du hittar tillämplig teori. 2. SIMULERING Med simuleringsprogrammet Advanced Design System, ADS, verifierar du ditt teoretiska arbete och justerar eventuellt felaktiga komponentvärden. 3. MÄTNING I detta moment kopplas förstärkaren upp och nodspänningarna, strömgeneratorvärden, råförstärkning, förstärkning med återkoppling samt gränsfrekvenser mäts. SPEIFIKATION: Konstruera en effektförstärkare med följande specifikation: Belastning: R L = 8 Ω Max uteffekt: P UTmax = 10 W Känslighet: V in = 0.5 V (rms) för max uteffekt Inresistans: R in = 47 kω Undre gränsfrekvens f u = 20 Hz I konstruktionen används följande transistorer: Småsignaltransistorer npn: B182B pnp: B212B Effekttransistorer npn: TIP33 pnp: TIP34 Väsentliga data för dessa transistorer finns i appendix.
Allmänt En effektförstärkare för ljudåtergivning ska vara så linjär som möjligt för att förvrängningen (distorsionen) av insignalen ska bli så liten som möjligt. 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. D-stabilitet uppnås bäst med en differentialförstärkare som ingångsteg 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 HIFI-egenskaper består av ett differentialsteg på ingången följt av ett GE-steg med hög spänningsförstärkning samt ett slutsteg i klass AB med komplementära effekttransistorer i mottaktkoppling ( push-pull -koppling). Samtliga steg i förstärkaren är dc-kopplade, men insignalen ac-kopplas till ingången. Matningsspänningen kan antingen vara enkel eller dubbel. Med dubbel matningsspänning kan belastningen (högtalaren) dc-kopplas till förstärkarutgången vilket eliminerar en stor och dyr elektrolyt-kondensator 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
Kopplingsschema för den kompletta förstärkaren visas i figuren nedan. u ut R L R 8 Q 7 Q 9 Q 8 R 7 I Q R E REF 6 R 6 R E R 4 Q 5 Q10 Q 11 R 3 R 5 R 9 R f R a Q 4 a R c1 Q 1 Q 2 R e R e I Q Q 3 R 2 V R 1 V EE 1 u in Lägg märke till att förstärkarens uppbyggnad följer konstruktionen för en op-förstärkare!
Konstruktionsarbetet Eftersom uteffekten är given är det lämpligt att börja med att specificera matningsspänningarna V och V EE. Dimensioneringen av förstärkaren startar med effektsteget, därefter GE-steget och till sist differentialsteget. 1. Matningsspänningarna Med i specifikationen angivna värden bestäms utspänningarna och erforderlig strömkapacitet. V Esat avläses ur effekttransistorernas datablad. Resistorerna R E, vars syfte är att stabilisera viloströmmen i slutsteget, sätts till 0.47 Ω. 2. Effektsteget I figuren nedan visas kopplingsschemat för slutsteget, som arbetar i klass AB. V u in R 8 Q 9 Effekttransistor i in= i bq8 Q 8 R E Högtalare V bias R E R L u ut Q 10 Q 11 R 9 Effekttransistor V EE För att öka strömförstärkningen är en extra transistor kopplad till resp. effekttransistor. Kan du se någon fördel med denna koppling (en s.k. komplementär Darlington eller Sziklai, se sid. 271 i Molin) jämfört med en vanlig Darlingtonkoppling? När Q 9 och Q 11 värms upp p.g.a. effektförlusterna så ökar strömmen i effekttransistorerna. Motstånden R 8 och R 9 begränsar de negativa effekterna av läckströmmarna.
Välj R8 och R9 till 1kΩ! Med en lämplig viloström genom effekttransistorerna minimeras övergångsdistorsionen i slutsteget. Sätt I Q9 =I Q11 =40 ma (viloströmmen kommer att justeras in 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. Beräkning av matningsspänningarna V och V EE (approximeras till ±15V). 2. Definition av olika typer av förstärkarsteg: klass A, klass B och klass AB (t.ex. med hjälp av kurvan Ic=Ic(t) för effekttransistorerna) 3. För och nackdelar med respektive typ av förstärkarsteg (verkningsgrad, distorsion). 4. Diskussion av orsaken till övergångsdistorsionen och hur denna minimeras. 5. Härledning och beräkning av maximal verkningsgrad för ett klass B steg. 6. Härledning och beräkning av maximal effektförlust i effekttransistorerna. 7. Bestämning av maximal termisk resistans för kylning av effekttransistorerna. 8. Beräkning av slutstegets inresistans. Tips: endast en halva av effektsteget leder i taget (sånär som vid nollnivån), välj en halvperiod av insignalen och studera endast den halva som är aktiv. Ekvivalentschema för slutstegets övre halva ges i figuren nedan. B Q8 i in =i bq8 h feq8*ibq8 i bq9 Q9 Q8 r πq8 B Q9 h feq9*ibq9 E Q8 v in i R R E R 8 r πq9 R L E Q9
3. GE-steget V u in R c1 Q 7 i bq8 V bias Till slutsteget Q 5 R B R 5 V EE För att uppnå hög spänningsförstärkning i ett GE-steg måste kollektorbelastningen vara högohmig (pga A v =-g m *(R c //r 0 )). 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 börjar med att titta på strömgeneratorerna: Strömgeneratorerna är av typen strömspeglar (se sid. 344 i kursboken) med referensströmmen I REF. I REF kommer att sätta strömmen genom Q 5 (och senare även Q 3 ) och behöver därför väljas större än maximala basströmmen till Q 8 och Q 10. Beräkna därför maxvärdet av I BQ8,10! Välj I Q5 >I BQ8,10 (bör kunna approximeras till 2 ma om man tar till lite marginal (~faktor >2)). Välj R 2, R 3 och R 5 enligt tumregler i kursboken (enklast är att använda samma värde på alla)! Beräkna R 4! R B betecknar totala resistansen mellan Q 5 :s bas och jord (Q 5 ingår alltså inte i den resistansen). Bestäm R B m.h.a. ekvivalentschema! Q 3 :s inverkan kan försummas. Bestäm Q 5 :s utgångsimpedans (dvs mellan Q 5 :s kollektor och jord, se s. 277 i kursboken)! V I Q R 4 I REF I Q5 Q 3 Q 5 Q 4 R 2 R 3 R 5 V EE
När vi nu vet Q 7 :s kollektorbelastning kan vi räkna ut GE-stegets spänningsförstärkning A v2. Rita upp ett ekvivalentschema för GE-steget och räkna ut A v2 för låga frekvenser (=i passbandet, där kan betraktas som öppen)! Beräkna GE-stegets ingångsimpedans R inq7 utan R c1 (dvs sätt R c 1= )! Beräkna R 1 (dc-analys)! Millerkapacitansen bestämmer förstärkarens dominerande pol. Varför behövs den? Välj f ö till 1kHz och beräkna ett värde på! 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 U BE -multiplikator (se sid. 347 i kursboken), vars koppling visas nedan. V + Q 7 I R I R 7 I B Q 6 V bias U BE R 6 Q 5 V - Motståndet R 6 är sammansatt av ett fast motstånd och en trimpotentiometer (1 kω) för att kunna justera in V bias på mätuppkopplingen. Strömmen genom R 6 och R 7 bör vara mycket större än basströmmen. Härled förhållandet mellan V bias och U BE! Bestäm V bias för en viloström genom effekttransistorerna på 40 ma! Tips: genomför potentialvandringen Q 6 :s kollektor-q 8 -R E -R E -Q 10 -Q 6 :s emitter. Dimensionera R 6 och R 7 för nyss bestämda V bias samt så att I >>I R >>I B!
Slutredogörelsen ska innehålla: 1. Dimensionering av R 1 2. Dimensionering av strömgeneratorn I REF 3. Dimensionering av strömgeneratorn I Q5 4. Beräkning av Q 5 :s utgångsimpedans R ut 5. Beräkning av GE-stegets ingångsimpedans R inq7 i passbandet (låga frekvenser) 6. Beräkning av GE-stegets förstärkning A v2 i passbandet (låga frekvenser) 7. Dimensionering av för given brytfrekvens 8. Härledning av uttrycket V bias som funktion av U BE 9. Dimensionering av R 6 och R 7
4. Ingångssteget V R 1 1 Q 1 Q 2 RinQ7 u ut u in R 1 R e R e I Q V EE Ingångsteget studeras här utan återkoppling med Q 2 :s bas jordad. Strömspegeln Q 3, Q 4 och Q 5 ger enligt tidigare beräkningar I Q =2 ma som fördelas jämt på de två transistorerna Q 1 och Q 2. R e jämnar ut eventuella skillnader i U be för Q 1 och Q 2, lineariserar ingångssteget samt ökar stegets inresistans genom negativ återkoppling. Lämpligt värde på R e är 100 Ω (för ett spänningsfall över R e på 0.1V). Beräkna stegets inresistans R in! Beräkna stegets förstärkning A v11 med GE-steget bortkopplat, d.v.s. R inq7 =! Beräkna A v11 med GE-steget inkopplat! Slutredogörelsen ska innehålla: 1. Beräkning av R in 2. Beräkning av A v11 med bortkopplat GE-steg 3. Beräkning av A v11 med inkopplat GE-steg
5. Den kompletta förstärkaren Vid det här laget är dom individuella byggblocken i förstärkaren designade. Det som återstår att göra är att: 1. Bestämma graden av motkoppling (med hjälp av R a och R f ) 2. Sätta förstärkarens undre brytfrekvens enligt spec. (med hjälp av a och 1 ) 3. Sätta förstärkarens ingångsimpedans enligt spec. (med hjälp av R 1 ) Beräkna råförstärkningen A 0 hos den totala förstärkaren så som den ser ut hittills (dvs utan återkoppling, 1 eller R 1 )! Motkopplingsfaktorn β bestäms av hur stor förstärkning som behövs. Beräkna nödvändig förstärkning för att uppfylla specifikationen på känslighet! Vid återkoppling ökar ingångsresistansen hos den kompletta förstärkaren drastiskt (skall visas senare) och kommer till största del att bestämmas av R 1. Sätt R 1 till 47 kω för att möta spec.! Bestäm R f så att ingen offset-spänning hamnar på utgången! Bestäm R a för rätt motkopplingsgrad! Beräkna förstärkarens ingångsimpedans (utan R 1 ) med motkoppling! Dimensionera kondensatorerna 1 och a för specificerad undre brytfrekvens! R a a Rf 1 A 0 u in R 1 u ut
VERIFIERING Simuleringar För att verifiera de beräkningar som har gjorts manuellt används simuleringsprogrammet ADS (Advanced Design System). Denna del görs enklast under lab-tillfälle då handledning finns att tillgå. Av tidsbesparingsskäl har kretsen redan ritats upp, det som återstår är att fylla i komponentvärdena som har beräknades i teori-delen. Starta ADS och öppna projektet Analog_Elektronik_prj! Öppna networks/hifi_amplifier.dsn! Nu öppnas ett fönster innehållande ett schema över förstärkarkopplingen. Efter A-simulering kan samtliga D-värden ses direkt i schemat genom att klicka på Simulate/Annotate D solution från menyraden. Ändra komponentvärdena från de generiska värdena 1 Ω, 1 F, 1 H till de beräknade värdena genom att dubbelklicka på komponenterna. Transistorerna behöver ej ändras! OBS! Figuren för transistorn TIP34 är felaktig, pilen från basen till emittern är felvänd. Utan återkoppling, utan last: Simulera förstärkaren utan återkoppling eller last genom att A-jorda Q2:s bas samt deaktivera lasten! Justera R 6 och R 7 i V be -multiplikatorn så att viloströmmen genom effekttransistorena är 40 ma, samt kontrollera att strömgeneratorerna fungerar enligt beräkningar! Vad blir D-offsetspänningen på utgången? Skriv ut en plott över kretsschemat med samtliga nodspänningar och strömmar! Stämmer de med beräknade värden? Vad blir råförstärkningen A 0, undre gränsfrekvens f u och övre gränsfrekvens f ö? Med återkoppling, med last: Simulera förstärkaren med återkoppling och last! Vad blev A v, f u och f ö? Ta ut en plott på frekvens- och fasgång! Tidsdomän-analys: Byt ut signalkällan på ingången mot en tidsdomänkälla (finns inaktiverad bredvid ingången)! Aktivera Transientanalys-blocket (bredvid D- och A-blocken uppe till vänster)! Simulera schemat för olika storlekar på insignalen! Vid vilken insignal börjar förstärkaren klippa utsignalen? Stämmer det med förväntat värde?
Mätningar A. Utan belastning Alla strömmätningar görs indirekt, dvs. som spänningsmätningar. 1. Koppla upp endast differentialsteget inklusive nödvändiga strömgeneratorer. Kontrollera strömmar och spänningar. Om deras värden är enligt beräkningarna mäts förstärkningen A V11. 2. Kontrollera noga din koppling för eventuella kortslutningar. Öka försiktigt matningsspänningen och ge samtidigt akt på strömförbrukningen. Observera att dcåterkopplingen måste finnas. Varför? 3. Kontrollera att utspänningen ligger på ca 0 Volt. 4. Är allt rätt kopplat justeras V bia s så att viloströmmen i slutsteget blir ca 40 ma. 5. Mät viloströmmen genom Q 1 och Q 2. 6. Mät strömmarna I Q och I Q5. 7. Mät D offsetspänningen över utgången. 8. Mät råförstärkningen och övre brytfrekvens utan belastning. 9. Mät samtliga nodspänningar
Lite teori och praktiska tips för mätningen av råförstärkningen Mätningen av råförstärkningen A0 är en svår uppgift p.g.a. att A0 är så stor. Eftersom förstärkaren är D-kopplad medför ett stort värde på A0 att minsta obalans i ingångssteget förstärks och detta resulterar i att utgången bottnar i ena eller andra läget. Detta kan undvikas genom att använda D-återkoppling. Förstärkarens uppbyggnad har som synes stora likheter med operationsförstärkaren, så vi använder dess i symbol i fortsättningen, d.v.s. A 0 Med D-återkoppling som stabiliserar arbetspunkten får vi R f A 0 Vi använder följande koppling a Rf R g 1 A 0 u g R 1 u ut Med tillräcklig noggrannhet kan vi i vårt fall betrakta förstärkaren som ideal, vilket förenklar våra beräkningar. Vi får då att
= + v ut v 1 + R X f f om det gäller att kan vi sätta R >> R g + X 1 1 + v = v g alltså är v ut A v = = 1 + vg R X f f Väljer vi ett stort värde på f går X f mot noll och alltså Av mot oändligheten, eller i vårt fall mot A 0, dvs. råförstärkningen. Följande måste gälla för att bestämma ett lämpligt värde på f. Välj f = 1000 µf. ωr f f >> A 0 och ω << ω c där ω c = övre brytfrekvensen B. Mätningar med belastning 10. Mät förstärkningen med ac-återkoppling samt undre och övre brytfrekvens 11. Mät stegsvaret. Stämmer sambandet mellan stigtid och bandbredd? 12. Lyssningsprov med högtalare med 6 Ohms impedans. Slå av matningsspänningen och koppla högtalaren till förstärkaren. Signalkällan är en musikspelare (i någon form) utan slutsteg. Öka matningsspänningen till rätt värde. Vad tycker du om din konstruktion? Resultat Sammanställ resultaten från teori, simulering och mätning i tabellform (bifogad) för jämförelse! Skriv en sammanfattning av jämförelsen!
Utan återkoppling, utan belastning: Råförstärkning A 0 Övre brytfrekvens Undre brytfrekvens Teori Simulering Mätning Med återkoppling, med belastning: Förstärkning A v Undre brytfrekvens Övre brytfrekvens Teori Simulering Mätning
Appendix - datablad B182 h fe = 300 V A = 80 V E B B E B212 h fe = 200 V A = 80 V B B E E TIP33 & TIP 34 h fe = 20 V esat = 1 V T j = 150 0 B E B E B E
UPPSALA TEKNISKA HÖGSKOLA, Magistern PROJEKTLABORATION I ANALOG ELEKTRONIK Konstruktion av effektförstärkare för audiofrekvenser Grupp:. Namn:. Namn:. Inlämnad den:.. Godkänd:.. Retur:....