Wzmacniacze akustyczne Podstawy, układy i parametry Mgr Inż. Karol Kropidłowski

Plan prezentacji Co to jest tranzystor? Polaryzacja i klasy Wady i zalety poszczególnych klas Zastosowanie Podstawowe parametry wzmacniaczy Co to jest wzmacniacz różnicowy? Wzmacniacze operacyjne

Co to jest tranzystor? Tranzystor jest elementem o trzech końcówkach (elektrodach) służącym do wzmacniania lub przełączania sygnałów. http://www.tme.eu http://www.fuw.edu.pl/~pablo/s/projects/2004_2005/winda/stepmotor_idea.html

Jak działa tranzystor? Działanie prześledzimy na tranzystorze NPN Napięcie baza-emiter powoduje przepływ (wstrzykiwanie) nośników większościowych emitera przez to złącze do bazy – (elektrony w tranzystorach npn lub dziury w tranzystorach pnp). Nośników przechodzących w przeciwną stronę, od bazy do emitera jest niewiele, ze względu na słabe domieszkowanie bazy. Nośniki wstrzyknięte z emitera do obszaru bazy dyfundują do obszarów mniejszej ich koncentracji w kierunku kolektora. Trafiają do obszaru złącza baza-kolektor, a tu na skutek pola elektrycznego w obszarze zubożonym są przyciągane do kolektora. W rezultacie, po przyłożeniu do złącza emiterowego napięcia w kierunku przewodzenia, popłynie niewielki prąd między bazą a emiterem, umożliwiający przepływ dużego prądu między kolektorem a emiterem. Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywany jest wzmocnieniem prądowym tranzystora i oznacza się grecką literą β.

Symbol i diodowy model zastępczy Diodowy schemat zastępczy jest bardzo dużym uproszczeniem i nie wyjaśnia działania tranzystora lecz daje pewien pogląd na to jakie napięcia występują między jego elektrodami. http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/bipolarne.gif Symbole tranzystorów bipolarnych Diodowe model e zastępcze

Mamy tranzystor, co dalej? Aby tranzystor mógł pracować jako wzmacniacz musi zostać odpowiednio spolaryzowany. Prześledzimy poprawną polaryzacje dla tranzystora npn: potencjał kolektora musi być wyższy od potencjału emitera (musimy zasilić tranzystor) „dioda” baza-emiter musi być spolaryzowana w kierunku przewodzenia, a „dioda” kolektor-baza w kierunku zaporowym (musimy przyłożyć napięcie na bazę tranzystora wyższe od napięcia progowego oraz niższe od napięcia zasilania)

Polaryzacja Przykład polaryzacji tranzystora npn

Punkt i prosta pracy – Co to? http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif Punkt pracy tranzystora jest to punkt na charakterystyce wyjściowej tranzystora, w którym zachodzi jego działanie i w którym mogą zostać określone chwilowe parametry pracy. Parametry te to między innymi Uce oraz Ic. Prostą pracy tranzystora nazywamy prostą po której będzie poruszał się punkt pracy tranzystora kiedy na jego wejście zostanie podany sygnał.

Ustawienie punktu pracy, przykład obliczeniowy Załóżmy wzmocnienie tranzystora β=100 Obliczamy Uce = Uz-Uce_sat=12v-0,9V=11,1V Obliczamy maksymalny prąd Uce/Rc=11,1V/1kΩ=11,1mA Ustalmy punkt pracy po środku prostej pracy (Uwy=5,5V oraz Ic=5,5mA) Obliczamy prąd bazy Ib=Ic/ β =55nA oraz wartość opornika Rb=(Uz-Ube)/Ib= 205,45kΩ http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając punkt pracy po środku prostej pracy otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie A. Punkt P na rysunku z charakterystykami. Schemat: http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa A przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy

Klasa A wady i zalety Zalety: Brak zniekształceń skrośnych Bardzo małe zniekształcenia sygnału Niski koszt budowy(dla małych mocy) Wady: Niska sprawność poniżej 50% (praktycznie około 20%) Przy wyższych mocach problem z odprowadzaniem ciepła z tranzystorów Konieczność precyzyjnego ustawienia punktu pracy Konieczność kompensacji zmian parametrów tranzystora względem temperatury Waga, rozmiar i cena wzmacniacza rośnie wykładniczo razem z mocą wyjściową

Klasa A zastosowanie Leciwe urządzenia przenośne (np. walkman) Dopasowanie impedancyjne (obwody wejściowe) Przedwzmacniacze (audio i nie tylko) Audiofilskie wzmacniacze mocy audio Odsłuchy studyjne http://bonifaczuk.pl/retro3.html http://sound.eti.pg.gda.pl/student/elearning/sysnagkomwzm.htm

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając punkt pracy tranzystora tak aby prądu w stanie spoczynku był minimalny (Iceo) otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie B. Punkt A’ na rysunku z charakterystykami. Schemat: http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa B przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy

Klasa B wady i zalety Zalety: Wysoka sprawność (teoretycznie 78,5%) Bardzo niski prąd spoczynkowy, w stanie jałowym wzmacniacz praktycznie nie pobiera prądu. Wady: Olbrzymie zniekształcenia sygnału Wzmacniana jest tylko jedna połówka sygnału, druga jest obcinana

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Dodając drugi tranzystor pracujący z przeciwną połówką sygnału do układu klasy B otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie 2B. Przebiegi: Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy

Klasa 2B wady i zalety Zalety: Wysoka sprawność (teoretycznie 78,5%) Bardzo niski prąd spoczynkowy, w stanie jałowym wzmacniacz praktycznie nie pobiera prądu. Wady: Zniekształcenia skrośne „Metaliczne” brzmienie takiego wzmacnia

Klasa 2B zastosowanie -Wyjścia układów cyfrowych TTL Bardzo rzadko stosowana w praktyce audio ze względu na duże zniekształcenia nieliniowe Czasami spotykane w konstrukcjach „budżetowych” Stosowane we wzmacniaczach klasy D

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając punkt pracy tranzystora tak aby nie przewodził prądu w stanie spoczynku otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie C. Punkt A na rysunku z charakterystykami. Schemat: http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa C przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy

Klasa C wady i zalety Zalety: Wysoka sprawność Brak prądu spoczynkowego, w stanie jałowym wzmacniacz nie pobiera prądu. Wady: Olbrzymie zniekształcenia sygnału, większe niż w klasie B

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Dodając drugi tranzystor pracujący z przeciwną połówką sygnału do układu klasy C otrzymamy wzmacniacz pracujący w klasie 2C. Przebiegi: Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy

Klasa 2C wady i zalety Zalety: Wysoka sprawność Brak prądu spoczynkowego, w stanie jałowym wzmacniacz nie pobiera prądu. Wady: Zniekształcenia skrośne większe niż w klasie 2B

Klasa 2C zastosowanie Czasami spotykany przy megafonach Ultradźwiękowe myjki Niektóre alarmy samochodowe itp. http://nokautimg4.pl/p-37-86-37864b1c2422b059b32b72aca64db8f5500x500/megafon-bezprzewodowy-monacor-txm-48.jpg http://www.bionovo.pl/images/artykoly/image_00547.JPG

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Ustawiając polaryzację tranzystorów w układzie 2B tak aby w stanie spoczynku płynął przez nie niewielki prąd otrzymamy klasę 2AB. Punkt powyżej A’ ale poniżej punktu P na rysunku. Schemat: http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif http://zseii.edu.pl/archive/dydaktyka/elektronika/ua/t20.html

Punkt pracy a klasa wzmacniacza Klasa 2AB przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego Kolor zielony sygnał wejściowy Kolor czerwony sygnał wyjściowy

Klasa 2AB wady i zalety Zalety: Duża sprawność (teoretycznie około 78,5%) Niski prąd spoczynkowy Bardzo niskie zniekształcenia sygnału Wady: Wymaga precyzyjnego ustawienia punktów pracy tak aby prąd spoczynkowy tranzystorów był możliwie identyczny

Klasa 2AB zastosowanie Końcówki mocy (wzmacniaczy audio, generatorów, nadajników radiowo telewizyjnych) Występuje we wzmacniaczach operacyjnych, słuchawkowych od 0.1W przez car-audio do estradowych 4kW+ http://www.linear.biz.pl/zdjecia/4094.jpg http://www.autocentrum.pl/gfx/opisyaut/827564672/maj_art1004_02032009_3_s_m.jpg

Inne klasy wzmacniaczy Ustawiając polaryzację tranzystorów jak w układzie 2B i sterując nimi impulsowo (sygnałem PWM) otrzymamy wzmacniacz w klasie D. Idee zamiany sygnału audio na sygnał PWM sterujący tranzystorami przedstawia poniższy rysunek:

Inne klasy wzmacniaczy Przykładowy schemat ideowy wzmacniacza pracującego w klasie D:

Klasa D wady i zalety Zalety: Duża sprawność (teoretycznie 100%) Przy dużych częstotliwościach kluczowania małe zniekształcenia sygnału Wady: Duża ilość elementów Drogi Wraz ze wzrostem częstotliwości kluczowania rosną straty mocy na sterowanie bramkami tranzystorów Skomplikowane sterowanie tranzystorami

Klasa D zastosowanie Końcówki mocy (wzmacniaczy audio, sterowniki silników DC) Przenośne urządzenia (mp3, telefony komórkowe, tam gdzie sprawność jest istotna) Występuje we wzmacniaczach słuchawkowych od 0.1W przez car-audio 250W+ do estradowych od 1,2kW wzwyż http://carphotos.cardomain.com/ride_images/1/1412/501/3527750065_large.jpg http://opiniuj.pl/files/Pentagram%20Vanquish%20R%20USB%202GB.jpg

Inne klasy wzmacniaczy Klasa H- Przy małych sygnałach wzmacniacz pracuje jako zwykły wzmacniacz 2AB lecz gdy zbliżamy się do maksymalnego wysterowania wbudowana we wzmacniacz przetwornica podnosi zasilania końcówki mocy co pozwala uzyskać nawet 4 krotny wzrost mocy wyjściowej, przy tym samym doprowadzonym do układu scalonego napięciu zasilania. Występuje najczęściej w wzmacniaczach mocy stosowanych w samochodach gdzie ograniczeniem jest niskie napięcie zasilania (12V). http://www.proelectronic.rs/upload/thumbnails/400x400/7170_chip_tda1560q.jpg Warto zauważyć że napięcie zasilające zwiększane jest w takt sygnału tylko w tym kanale i tylko wtedy gdy jest to konieczne. Przykładem takiego układu jest np. TDA1560Q.

Klasa H wady i zalety Zalety: Takie jak 2AB Możliwość uzyskania większych mocy wyjściowych przy tym samym napięciu zasilania Wady:

Klasa H zastosowanie Końcówki mocy Występuje we wzmacniaczach car-audio i estradowych do około 1,5kW http://www.ads.com.pl/files/hxi_3000_big.jpg

Podstawowe parametry wzmacniaczy mocy Wzmocnienie mocy (Kp) Moc wyjściowa [W] THD- współczynnik zawartości harmonicznych [%] Impedancja wejściowa oraz wyjściowa Pasmo przenoszenia (BW band width [Hz]) Sprawność [%] Napięcie szumów na wyjściu [mV] Spoczynkowy prąd zasilania [mA]

Podstawowe parametry Wzmocnieniem mocy wzmacniacza nazywa się iloraz mocy wydzielonej na obciążeniu do mocy pobranej ze źródła sygnału wejściowego Moc wyjściowa jest to moc, którą wzmacniacz może wydzielić na znamionowej impedancji obciążenia przy danej częstotliwości lub w danym paśmie częstotliwości bez przekroczenia określonego współczynnika zniekształceń nieliniowych w przeciągu 10 minut.

Podstawowe parametry Zniekształcenia nieliniowe polegają na powstawaniu sygnału o częstotliwościach harmonicznych i kombinowanych. Sygnał na wyjściu urządzenia zawiera dodatkowe składowe, których nie było w sygnale wejściowym. Zniekształcenia nieliniowe wzmacniacza akustycznego, jeśli nie przekraczają 10%, są praktycznie niezauważalne przez słuchającego.

Podstawowe parametry Impedancja wejściowa wzmacniacza jest to impedancja, jaką przedstawia sobą wejście wzmacniacza dla znamionowych warunków pracy. Impedancja wyjściowa decyduje o wartości impedancji obciążenia, która może być dołączona przy określonej sprawności wzmacniacza.

Podstawowe parametry Pasmo przenoszenia jest to zakres częstotliwości przenoszonych przez wzmacniacz. Pasmo określa się dla 3dB spadku wzmocnienia w stosunku do części płaskiej charakterystyki. Zgodnie z normą PN-74/T-06251/07 dla wzmacniaczy Hi-Fi minimalne pasmo przenoszenia powinno wynosić 40Hz - 16kHz.

Podstawowe parametry Sprawność energetyczna definiuje się jako procentowy stosunek mocy użytecznej wzmacniacza do mocy pobranej ze źródła zasilania. Jest istotnym kryterium oceny jakości wzmacniacza mocy.

Podstawowe parametry Napięcie szumów na wyjściu jest to maksymalne amplituda szumów na wyjściu wzmacniacza przy wejściu wzmacniacza zwartym do masy Spoczynkowy prąd zasilania jest to prąd pobierany przez wzmacniacz ze źródła zasilania gdy nie ma podanego sygnału na wejście.

Obwody wejściowe wzmacniaczy mocy Jako obwód wejściowy wzmacniacza mocy stosowało się wzmacniacz w klasie A gdyż zapewniał on niskie zniekształcenia sygnału, oraz dopasowanie impedancyjne pomiędzy wejściem a wyjściem. Wysoka impedancja wejściowa, oraz niska wyjściowa. Jednakże taki obwód wejściowy został wyparty poprzez wzmacniacz różnicowy.

Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz , którego napięcie wyjściowe jest zależne od różnicy napięć między wejściami wzmacniacza. W najprostszej wersji składa się z dwóch tranzystorów sprzężonych ze sobą za pośrednictwem rezystora emiterowego Re. Rezystor ten stabilizuje punkty pracy obu tranzystorów i wymusza prąd emitera Ie płynącego we wspólnym obwodzie, który jest równy sumie prądów obu tranzystorów. Przy dużej rezystancji Re prąd Ie nie zależy od natężeń prądów na wejściach i jest stały.

Schemat prostego wzmacniacza różnicowego: Wzmacniacz różnicowy Schemat prostego wzmacniacza różnicowego:

Wzmacniacz różnicowy Przy budowie wzmacniaczy różnicowych dąży się do uzyskania dużego wzmocnienia różnicowego Kur, dużego współczynnika tłumienia sygnału sterującego Hs, dużej rezystancji wejściowej oraz małych sygnałów niezrównoważenia i ich dryftów. Tranzystory powinny być jak najbardziej zbliżone do siebie parametrami.

Wzmacniacz różnicowy Poprawa parametrów wzmacniacza wymaga zwiększenia współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystorów βo, zwiększenia rezystancji Re i zwiększenia rezystancji Rc. Zamiast rezystora Re oraz Rc stosuje się źródła prądowe, gdyż łatwiej jest wytworzyć źródło prądowe oraz lustro prądowe w jednym układzie scalonym niż opornik.

Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacze różnicowe wykorzystuje się jako obwód wejściowy wzmacniaczy mocy oraz wzmacniaczy operacyjnych Przykładowy rozwiązanie wzmacniacza operacyjnego: http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf

Wzmacniacz operacyjny Zagadka na plusa http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf

Bibliografia http://www.edw.com.pl/ea/bipolarne.html http://pl.wikipedia.org/wiki/Punkt_pracy http://wazniak.mimuw.edu.pl/index.php?title=Laboratorium_wirtualne_2/Modu%C5%82_2_-_%C4%87wiczenie_2 http://pl.wikipedia.org/wiki/Wzmacniacz_r%C3%B3%C5%BCnicowy http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf „Elektronika dla wszystkich” 11/96 „Praktyczny elektronik” 1/2001