PROJEKTLABORATION i Analog Elektronik

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.

SPECIFIKATION:

Konstruera en effektförstärkare med följande specifikation:

Belastning: RL = 8 Ω

Max uteffekt: PUTmax = 10 W

Känslighet: Vin = 0.5 V (rms) för max uteffekt

Inresistans: Rin = 47 kΩ

Undre gränsfrekvens fu = 20 Hz I konstruktionen används följande transistorer:

Småsignaltransistorer Effekttransistorer npn: BC182B npn: TIP33C pnp: BC212B pnp: TIP34C

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.

DC-stabilitet uppnås bäst med en differentialförstärkare som ingångsteg och 100% negativ dc- återkoppling. 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 Vbe 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:

Diff- steg

GE- steg Effekt-

steg Belast-

v

ning

Kopplingsschema för den kompletta förstärkaren visas i figuren nedan.

C1 R1

Q1 ReRe

Q2

Rc1 Rf Ra Ca Q3 R2

CQ7Q9 Q6 Q5Q10Q8 Q11Q4 R3R5R9

RLRE

RE

R8 uin uut

VCC VEE

R7 R6

IREF IQ R4

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 VCC och VEE.

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.

VCEsat avläses ur effekttransistorernas datablad. Resistorerna RE, 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.

Q₉

Q₁₀ Q₈

Q₁₁ R₉

R_L R_E

R_E R₈

u_ut V_CC

V_EE

Effekttransistor Effekttransistor

Högtalare

u_in

i_in=i_bQ8

V_bias

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 Q9 och Q11 värms upp p.g.a. effektförlusterna så ökar strömmen i effekttransistorerna.

Motstånden R8 och R9 begränsar de negativa effekterna av läckströmmarna.

Välj R8 och R9 till 1kΩ!

Med en lämplig viloström genom effekttransistorerna minimeras övergångsdistorsionen i slutsteget. Sätt ICQ9=ICQ11=40 mA (viloströmmen kommer att justeras in med hjälp av Vbias).

RE 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 VCC och VEE (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.

v_in r_πQ9

R_E

R_L r_πQ8 B_Q8

E_Q8 CQ8

B_Q9

CQ9

E_Q9 R₈

i_in=i_bQ8

h_{feQ9 bQ9}*i

i_R

i_bQ9 h_{feQ8 bQ8}*i

3. GE-steget

R_c1

C

Q₇

Q₅

R₅ u_in

V_CC

V_EE R_B

V_bias ^Till_slutsteget i_bQ8

För att uppnå hög spänningsförstärkning i ett GE-steg måste kollektorbelastningen vara högohmig (pga Av=-gm*(Rc//r0)). 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 IREF. IREF kommer att sätta strömmen genom Q5 (och senare även Q3) och behöver därför väljas större än maximala basströmmen till Q8 och Q10. Beräkna därför maxvärdet av IBQ8,10! Välj IQ5>IBQ8,10 (bör kunna approximeras till 2 mA om man tar till lite marginal (~faktor >2)).

Välj R2, R3 och R5 enligt tumregler i kursboken (enklast är att använda samma värde på alla)!

Beräkna R4! RB betecknar totala resistansen mellan Q5:s bas och jord (Q5 ingår alltså inte i den resistansen). Bestäm RB m.h.a. ekvivalentschema! Q3:s inverkan kan försummas.

Bestäm Q5:s utgångsimpedans (dvs mellan Q5:s kollektor och jord, se s. 277 i kursboken)!

Q₅

R₅ V_CC

V_EE R₃

R₄

Q₄ Q₃

I_Q5 I_REF

I_Q

R₂

När vi nu vet Q7:s kollektorbelastning kan vi räkna ut GE-stegets spänningsförstärkning Av2. Rita upp ett ekvivalentschema för GE-steget och räkna ut Av2 för låga frekvenser (=i

passbandet, där C kan betraktas som öppen)!

Beräkna GE-stegets ingångsimpedans RinQ7 utan Rc1 (dvs sätt Rc1=∞)!

Beräkna RC1 (dc-analys)!

Millerkapacitansen C bestämmer förstärkarens dominerande pol. Varför behövs den? Välj fö

till 1kHz och beräkna ett värde på C!

Vbias bestämmer viloströmmen genom sluttransistorerna. Skriv upp ett samband mellan Vbias

och viloströmmen genom sluttransistorerna! Vbias skapas med en koppling som kallas för

”UBE-multiplikator” (se sid. 347 i kursboken), vars koppling visas nedan.

R₇

Q₇

Q₅ R₆

V_bias V⁺

V^- Q₆ U_BE

I_R

I_B

I_C

Motståndet R6 är sammansatt av ett fast motstånd och en trimpotentiometer (1 kΩ) för att kunna justera in Vbias på mätuppkopplingen. Strömmen genom R6 och R7 bör vara mycket större än basströmmen.

Härled förhållandet mellan Vbias och UBE!

Bestäm Vbias för en viloström genom effekttransistorerna på 40 mA! Tips: genomför potentialvandringen Q6:s kollektor-Q8-RE-RE-Q10-Q6:s emitter.

Dimensionera R6 och R7 för nyss bestämda Vbias samt så att IC>>IR>>IB!

Slutredogörelsen ska innehålla:

1. Dimensionering av RC1

2. Dimensionering av strömgeneratorn IREF

3. Dimensionering av strömgeneratorn IQ5

4. Beräkning av Q5:s utgångsimpedans Rut

5. Beräkning av GE-stegets ingångsimpedans RinQ7 i passbandet (låga frekvenser) 6. Beräkning av GE-stegets förstärkning Av2 i passbandet (låga frekvenser) 7. Dimensionering av C för given brytfrekvens

8. Härledning av uttrycket Vbias som funktion av UBE

9. Dimensionering av R6 och R7

4. Ingångssteget

V_CC

V_EE Q₁ Q₂

R_C1

R_e

I_Q

R_e R₁

C₁

R_inQ7

u_in u_ut

Ingångsteget studeras här utan återkoppling med Q2:s bas jordad.

Strömspegeln Q3, Q4 och Q5 ger enligt tidigare beräkningar IQ=2 mA som fördelas jämt på de två transistorerna Q1 och Q2. Re jämnar ut eventuella skillnader i Ube för Q1 och Q2,

lineariserar ingångssteget samt ökar stegets inresistans genom negativ återkoppling. Lämpligt värde på Re är 100 Ω (för ett spänningsfall över Re på 0.1V).

Beräkna stegets inresistans Rin!

Beräkna stegets förstärkning Av11 med GE-steget bortkopplat, d.v.s. RinQ7=∞!

Beräkna Av11 med GE-steget inkopplat!

Slutredogörelsen ska innehålla:

1. Beräkning av Rin

2. Beräkning av Av11 med bortkopplat GE-steg 3. Beräkning av Av11 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 Ra och Rf)

2. Sätta förstärkarens undre brytfrekvens enligt spec. (med hjälp av Ca och C1) 3. Sätta förstärkarens ingångsimpedans enligt spec. (med hjälp av R1)

Beräkna råförstärkningen A0 hos den totala förstärkaren så som den ser ut hittills (dvs utan återkoppling, C1 eller R1)!

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 R1. Sätt R1 till 47 kΩ för att möta spec.!

Bestäm Rf så att ingen offset-spänning hamnar på utgången!

Bestäm Ra för rätt motkopplingsgrad!

Beräkna förstärkarens ingångsimpedans (utan R1) med motkoppling!

Dimensionera kondensatorerna C1 och Ca för specificerad undre brytfrekvens!

C₁

A

u_in u_ut

R_a C_a R_f

R₁

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 AC-simulering kan samtliga DC-värden ses direkt i schemat genom att klicka på

”Simulate/Annotate DC 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 TIP34C är felaktig, pilen från basen till emittern är felvänd.

Utan återkoppling, utan last:

Simulera förstärkaren utan återkoppling eller last genom att AC-jorda Q2:s bas samt deaktivera lasten! Justera R6 och R7 i Vbe-multiplikatorn så att viloströmmen genom effekttransistorena är 40 mA, samt kontrollera att strömgeneratorerna fungerar enligt

beräkningar! Vad blir DC-offsetspänningen på utgången? Skriv ut en plott över kretsschemat med samtliga nodspänningar och strömmar! Stämmer de med beräknade värden?

Vad blir råförstärkningen A0, undre gränsfrekvens fu och övre gränsfrekvens fö? Med återkoppling, med last:

Simulera förstärkaren med återkoppling och last! Vad blev Av, fu och fö? 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 DC- och AC-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 AV11. 2. Kontrollera noga din koppling för eventuella kortslutningar. Öka försiktigt

matningsspänningen och ge samtidigt akt på strömförbrukningen. Observera att dc- återkopplingen måste finnas. Varför?

3. Kontrollera att utspänningen ligger på ca 0 Volt.

4. Är allt rätt kopplat justeras Vbias så att viloströmmen i slutsteget blir ca 40 mA.

5. Mät viloströmmen genom Q1 och Q2. 6. Mät strömmarna IQ och IQ5.

7. Mät DC 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 DC-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 DC-återkoppling. Förstärkarens uppbyggnad har som synes stora likheter med operationsförstärkaren, så vi använder dess i symbol i fortsättningen, d.v.s.

A₀

Med DC-återkoppling som stabiliserar arbetspunkten får vi

A

R_f

Vi använder följande koppling

C₁

A

u_ut

C_a R_f

R₁ R_g

u_g

Med tillräcklig noggrannhet kan vi i vårt fall betrakta förstärkaren som ideal, vilket förenklar våra beräkningar.

Vi får då att











 +

= ⁺

Cf f

ut X

v R

v 1

om det gäller att

1 Rg XC1

R >> +

kan vi sätta

vg

v⁺ = alltså är

Cf f g

ut

v X

R v

A = v =1+

Väljer vi ett stort värde på Cf går XCf mot noll och alltså Av mot oändligheten, eller i vårt fall mot A0, dvs. råförstärkningen.

Följande måste gälla för att bestämma ett lämpligt värde på Cf. Välj Cf = 1000 µF.

ωRfCf >> A0

och ω << ωc

där ωc = 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:

Teori Simulering Mätning

Råförstärkning A0

Övre brytfrekvens Undre brytfrekvens

Med återkoppling, med belastning:

Teori Simulering Mätning

Förstärkning Av

Undre brytfrekvens Övre brytfrekvens

Appendix - datablad

BC182 hfe = 300 VA = 80 V

BC212 hfe = 200 VA = 80 V

TIP33C & TIP 34C hfe = 20

VCesat = 1 V Tj = 150 ⁰C

C B E

C B

E

C B E

C B

E

C B

E C

B E

C B

E

UPPSALA TEKNISKA HÖGSKOLA, Magistern

PROJEKTLABORATION I ANALOG ELEKTRONIK Konstruktion av effektförstärkare för audiofrekvenser

Grupp:…….

Namn:……….

Namn: ……….

Inlämnad den:………..

Godkänd: ………..

Retur: ………..………..