PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik.

Relevanta dokument
PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik

TSTE93 Analog konstruktion

DIFFERENTALFÖRSTÄRKARE

TSTE20 Elektronik Lab5 : Enkla förstärkarsteg

Signalbehandling, förstärkare och filter F9, MF1016

Tentamen i Elektronik fk 5hp

Figur 1 Konstant ström genom givaren R t.

Halvledare. Transistorer, Förstärkare

Laboration - Operationsfo rsta rkare

Umeå universitet Tillämpad fysik och elektronik Ville Jalkanen mfl Laboration Tema OP. Analog elektronik för Elkraft 7.

TRANSISTORER. Umeå universitet Institutionen för tillämpad. fysik och elektronik. Patrik Eriksson

Bygg en entransistors Booster till datorn eller MP3-spelaren

Operationsfo rsta rkarens parametrar

Videoförstärkare med bipolära transistorer

TRANSISTORER. Umeå universitet Institutionen för tillämpad fysik och elektronik

Målsättning: Utrustning och material: Denna laboration syftar till att ge studenten:

Laboration 4: Tidsplan, frekvensplan och impedanser. Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 17 dec 2007 klockan 8:00 13:00 för inskrivna på elektroteknik Ht 2007.

Vanliga förstärkarkopplingar med operationsförstärkaren

Laboration II Elektronik

Institutionen för tillämpad fysik och elektronik Umeå universitet. Agneta Bränberg TRANSISTORTEKNIK. Laboration.

Operationsförstärkare (OP-förstärkare) Kapitel , 8.5 (översiktligt), 15.5 (t.o.m. "The Schmitt Trigger )

TENTAMEN Elektronik för elkraft HT

Effektförstärkning efter en OP-förstärkare

Ljudförstärkarkrets för användning vid laboration - analys och förbättringar

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 3 Transistorförstärkare

5 OP-förstärkare och filter

Moment 1 - Analog elektronik. Föreläsning 1 Transistorn del 1

IDE-sektionen. Laboration 5 Växelströmsmätningar

Tentamen i Elektronik 5hp för E2/D2/Mek2

TENTAMEN Elektronik för elkraft

AKTIVA FILTER. Laboration E42 ELEKTRO. UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Rev 1.0.

OP-förstärkaren, INV, ICKE INV Komparator och Schmitt-trigger

Olika sätt att bygga förstärkare. Differentialförstärkaren (översikt) Strömspegeln. Till sist: Operationsförstärkaren

TSTE05 Elektronik och mätteknik ISY-lab 3: Enkla förstärkarsteg

För att skydda ett spänningsaggregat mot överbelastning kan man förse det med ett kortslutningsskydd som begränsar strömmen ut från aggregatet.

Strömförsörjning. Laboration i Elektronik 285. Laboration Produktionsanpassad Elektronik konstruktion

Laboration ( ELEKTRO

BV220. Bruksanvisning

1 Laboration 1. Bryggmätning

Förstärkning Large Signal Voltage Gain A VOL här uttryckt som 8.0 V/μV. Lägg märke till att förstärkningen är beroende av belastningsresistans.

Laborationsrapport. Kurs El- och styrteknik för tekniker ET1015. Lab nr. Laborationens namn Lik- och växelström. Kommentarer. Utförd den.

TSKS06 Linjära system för kommunikation Lab2 : Aktivt filter

BV440M. Bruksanvisning

Poler och nollställen, motkoppling och loopstabilitet. Skrivet av: Hans Beijner

Elektroteknikens grunder Laboration 3. OP-förstärkare

Laboration - Va xelstro mskretsar

Blinkande LED med 555:an, två typkopplingar.

Hambley avsnitt 12.7 (7.3 för den som vill läsa lite mer om grindar) sann 1 falsk 0

Tentamen i Elektronik för F, 13 januari 2006

Elektronik 2018 EITA35

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. Exempeltentamen

Tentamen i Elektronik för F, 2 juni 2005

Automationsteknik Laboration Givarteknik 1(6)

nmosfet och analoga kretsar

Laborationsrapport Elektroteknik grundkurs ET1002 Mätteknik

FÖRELÄSNING 3. Förstärkaren. Arbetspunkten. Olika lastresistanser. Småsignalsschemat. Föreläsning 3

Laboration N o 1 TRANSISTORER

Lokaloscillator för FM-rundradiobandet 98,7-118,7 MHz

LTK010, vt 2017 Elektronik Laboration

Elektronik grundkurs Laboration 1 Mätteknik

Föreläsning 9 Transistorn och OP-förstärkaren

Elektronik grundkurs Laboration 5 Växelström

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 16 dec 2008 klockan 8:00 13:00.

Strömdelning. och spänningsdelning. Strömdelning

Laborationsrapport. Kurs Elektroteknik grundkurs ET1002. Lab nr 3. Laborationens namn Halvledarkomponenter. Kommentarer. Namn. Utförd den.

Tentamen Elektronik för F (ETE022)

F1:13. 2 minutersövningar 2010 F1:30 F1:22. För att inte förlora signal kan följade göras: Analog elektronik Bertil Larsson

TSTE05 Elektronik & mätteknik Föreläsning 1 Introduktion och inledande likströmsteori

Ellära. Laboration 2 Mätning och simulering av likströmsnät (Thevenin-ekvivalent)

Operationsförstärkarens grundkopplingar.

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. den 14 jan :00-13:00

Föreläsning 5. Motkoppling och stabilitet bl. Stabilitetskriterier Stabilitetsmarginaler Kompensering Exempel. IE1202 Analog elektronik /BM

Systemkonstruktion LABORATION SWITCHAGGREGAT. Utskriftsdatum:

MÄTNING AV ELEKTRISKA STORHETER

Mät kondensatorns reaktans

Audioförstärkare. Gabriel Acquaye

Föreläsning 4/11. Lite om logiska operationer. Hambley avsnitt 12.7, 14.1 (7.3 för den som vill läsa lite mer om grindar)

Laboration 1: Aktiva Filter ( tid: ca 4 tim)

Rättade inlämningsuppgifter hämtas på Kents kontor Föreläsning 4 Må , Kent Palmkvist To ,

Tentamen i Elektronik för E (del 2), ESS010, 5 april 2013

Komponentfysik ESS030. Den bipolära transistorn

Tentamen i Elektronik, ESS010, del1 4,5hp den 19 oktober 2007 klockan 8:00 13:00 För de som är inskrivna hösten 2007, E07

MOSFET:ens in- och utimpedanser. Småsignalsmodeller. Spänning- och strömstyrning. Stora signaler. MOSFET:ens högfrekvensegenskaper

Tentamen i Grundläggande ellära och digitalteknik ETA 013 för D

Laborationshandledning

Svar till Hambley edition 6

Laborationsrapport. Kurs Elektroteknik grundkurs ET1002. Lab nr 5. Laborationens namn Växelström. Kommentarer. Namn. Utförd den. Godkänd den.

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 6 mars 2006 SVAR

Konstruktion av volt- och amperemeter med DMMM

Förstärkarens högfrekvensegenskaper. Återkoppling och stabilitet. Återkoppling och förstärkning/bandbredd. Operationsförstärkare.

2. Strömförstärkare: Både insignal och utsignal är strömmar. Förstärkarens inresistans

Lösningar till övningsuppgifter i

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 1 den 21 oktober 2008 klockan 8:00 13:00

DEL-LINJÄRA DIAGRAM I

Elektronik grundkurs Laboration 6: Logikkretsar

Antennförstärkare för UHF-bandet

Laboration 1: Styrning av lysdioder med en spänning

Isolationsförstärkare

Laboration 2 Instrumentförstärkare och töjningsgivare

Transkript:

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

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

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.

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.

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.

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.

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 30 60 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 5. 4. 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.

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.5. 5. Bestäm R inq7 och beräkna A V1 med GEsteget inkopplat. Q 2 :s bas är jordad enl. fig.5. 5. 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.

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 2. 6. Mät strömmarna I Q och I Q5. 7. Mät DC offsetspänningen på utgången. 8. Mät råförstärkning och övre brytfrekvens utan belastning.

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.

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

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