AB LUOKAN AUDIOVAHVISTIMEN SUUNNITTELUOHJEITA

Transkriptio

1 B LOKN DIOVHVISTIMEN SNNITTELOHJEIT H. Honkanen B luokassa toimiva vahvistinrakenne on käytetyin audiokäytössä ( lähes 00%. Komplementaaripariin perustuvassa rakenteessa ( B, B ja C luokan vahvistimet ongelmana on transistoreiden vaihtokohta. Vaihtokohtaan muodostuu ylimenosäröä. Linkki: Särö Ylimenosäröön vaikuttavat suunnittelulliset tekijät ja komponenttien nopeus ( Nopeammalla komponentilla vaihto tapahtuu nopeammin, jolloin särökin on pienempi. B luokan vahvistimessa molemmat transistorit ovat vaihtokohdan tuntumassa johtavana, jolloin ylimenosäröä saadaan merkittävästi pienennettyä. Yhtaikainen johtavuus saadaan aikaan jatkuvalla pienellä virralla, lepovirralla. Lepovirtaa kasvattamalla transistorit ovat yhtaikaa johtavana pidemmän aikaa, tämä pienentää ylimenosäröä, mutta heikentää hyötysuhdetta. Tämä luentomoniste käsittelee B luokan audiovahvistimen rakenneratkaisuja ja ominaisuuksia Linkki: vahvistinasteluokitukset Minimikomponentein toteutettu audiovahvistin Kuvassa on minimikomponentein toteutettu, toimiva B luokan audiovahvistinrakenneratkaisu. Toiminnalliset yksiköt jaoteltuna.

2 Eri yksiköiden toimintaperiaatteet ovat seuraavat :. Differentiaalivahvistin ja vakiovirtageneraattori. Jännitevahvistin- ja ohjainaste Kytkennässä käytetty differentiaalivahvistin on tehty differentiaaliasteen peruskytkennän mukaisesti. steen raakavahvistuksella ei ole suurtakaan merkitystä, koska rakenne on vastakytketty. Vahvistus saadaan kaavasta: OT IN + IN hfe h ie c c r Vakiovirtageneraattorin virta saadaan määritettyä: i Z BEQ I G i i Kollektorivastuksen ( c jännitehäviön tulee olla tasapainotilanteessa ( differentiaaliparin virrat samat yhtäsuuri, kuin ohjainasteen transistorin BE välin jännite Jännitevahvistin/ohjainasteena toimii yksinkertainen CE kytketty vahvistin. Booststrap kondensaattori: Ohjainasteen tulee syöttää virtaa päätetransistoreille. Yksinkertaisessa CE-asteessa asteen virta määräytyy kollektorivastuksen jännitehäviön ja resistanssiarvon suhteesta ( Ihan Ohmin lain mukaisesti. Myös ohjausvirta menee samaisen kollektorivastuksen läpi. Signaalin positiivisen huippuarvon aikana vastuksen yli jäävä jännite on hyvin pieni, joten sen läpi menevä virta on myös pieni. Tästä seuraa, että signaalitason noustua riittävästi, ei päätetransistorille saatava ohjausvirta enää olekaan riittävä. Parannuksena asiaan käytetään Booststrap kondensaattoria, jolloin C:n yläpään jännite seuraa lähtöjännitteen vaihteluita, jolloin ohjausvirta saadaan riittäväksi myös positiivisilla huippuarvoilla. d

3 steen vahvistukset: Jännitevahvistin- ja ohjainasteena toimii yksittäinen,ce-kytketty transistori. Virtavahvistus on Hfe:n suuruinen Maksimivirran määrää käytännössä C Jännitevahvistus: u h fe h ie C Jännitevahvistusta pienentää päätetransistoreiden vaatima ohjausvirta. Koska koko kytkentä on vastakytketty, ei jännitevahvistuksella ole juuri merkitystä. Linkkejä: Transistoriasteet-BJT Differentiaaliasteen ottoresistanssin määrittäminen Takaisinkytkennän vakavuus Särö Micro-Cap -kuvat 3. Pääteaste ja lepovirran säätöpiiri Pääteasteen rakenne ja lepovirtapiirin idea on seuraavanlainen: Bibolaaritransistorin BE-välin jännite ( n. 0.6 V darlingtontransistorilla n.. V pienenee lämpötilan kasvaessa. Lisäksi BJT:n BE-välin dynaaminen resistanssi on hyvin pieni ja erot eri yksilöiden välillä ovat suuret. Edellämainitun negatiivisen lämpötilakertoimen vuoksi bipolaaritransistorilla tulee aina olla vastukset emitterillä. Muutoin virta kasvaisi voimakkaasti lämpötilan kasvaessa ja muodostuva lisätehohäviö nostaisi lämpötilaa entisestään, jolloin virta kasvaisi lisää Emitterivastusten jännitehäviön avulla voidaan määrittää lepovirta, koskapa BE-välin jännitteenmuutos on hyvin pieni. V BEQ + E + BEQ E V ( BEQ I V E BEQ

4 be kertoja Vahvistinratkaisuissa ei käytetä erillisiä virtalähteitä ( aika mahdoton toteutettava, vaan käytetään be kertojaa. Kytkennän toinen nimitys on Zenerkytketty transistori - Toiminnan idea: Transistorin kantavirta oletetaan merkityksettömän pieneksi. CB CEQ cb + be CEQ BEQ ( + Kytkentään vaikuttaa ulkoinen jännite lkoinen jännite saa aikaan virran, joka saa jännitehäviön vastuksiin cb ja be Vastusten yli oleva jännite kasvaa, kunnes se ylittää transistorin kanta-emitterijännitteen BEQ Tällöin transistori alkaa johtaa ja virtaa kulkee CE- välin kautta. Virta vastusten läpi ei enää kasva, vaan virrankasvu siirtyy transistorin CE-välin kautta johtuvaksi. be:n jännitehäviö on täten BEQ :n suuruinen. cb:n jännitehäviö saadaan virran ja resistanssiarvon avulla ( Ohmin laki Transistori ( Q sijoitetaan päätetransistoreiden kanssa samaan jäähdytyslevyyn. Tällöin lepovirtapiirin transistorin kanta-emitterijännite ( BEQ seuraa päätetransistoreiden kantaemitterijännitteen muutosta. Lepovirralle tehdään rajoitettu säätöalue trimmerin avulla: BE Säätö yläasennossa : o Minimivirta CB o BE + o 3 Säätö ala-asennossa o Maximivirta CB + o o BE 3 Kondensaattori ( C on kytkennässä estämässä jännitteenvaihtelut muuttuvilla pääteransistoreiden kantavirroilla ( Jota ne vahvistimessa luonnollisesti ovat, koskapa signaali vaihtelee ja suuresti. Kondensaattori ei mitenkään vaikuta tasajännitepisteisiin.

5 Pääteasteen toiminta Pääteasteen toiminta perustuu pareina toimivaan NPN PNP pariin ( FET vahvistimessa N-FET ja P_FET pariin. Komplementaaripari tarkoittaa NPN PNP ( Tai N- ja P -FET komponenttiparia, joiden sähköiset ominaisuudet ovat hyvin lähellä toisiaan NPN transistori ( tai N-FET johtaa positiivisen puolijakson PNP transistori ( tai P-FET johtaa negatiivisen puolijakson Lepovirran määrällä voidaan määrittää transistoreiden yhtaikainen johtavuus 4. Vastakytkentäpiiri Negatiivinen takaisinkytkentä Vastakytkentä Vastakytkentäpiiri on kytketty vahvistimen lähdöstä differentiaalivahvistimen invertoivaan ottoon. Erikoisratkaisuna vastakytkentäpiirissä on tasajännitekomponentin vahvistuksen pienentäminen. Tällä ratkaisulla estetään tasajännitteellisten tasonsiirtojen kertaantuminen vahvistuksella.

6 Laskentakaavat ( Likiarvo Nämä kaavat eivät huomioi raakavahvistusta, eikä differentiaaliasteen ottoresistanssia o Vahvistus: C ( Signaalivahvistus : + + ( C DC : ( DC Laskentakaavat ( Tarkat o C vahvistus: Ottoresistanssi huomioituna: + ( i i + i aakavahvistus huomioituna: β ( + Molemmat huomioituna: i ( ( + i o larajataajuus: Vastakytkentäpiiri: Tulopiiri: Kokonaisuus: π C π ( f L f L Ltot 3 i C L f L f f + - Kaavoissa: on raakavahvistus i on differentiaaliasten ottoresistanssi β on takaisinkytkentäpiirin vaimennus Linkki: Diff. asteen ottoresist. Linkki: Takaisinkytkentäpiiri

7 5. Minimikomponentein toteutetun vahvistimen analyysi ja päätelmät Kuvassa on minimikomponentein toteutetun audiovahvistimen analyysi. Kytkentään on lisätty kompensointikondensaattori ( Cc Linkki: Micro-cap -kuva Kytkentä toimii, mutta siihen on tehtävä muutamia parannuksia mm. EMC määräyksistä johtuen ja virransyöttökyvyn lisäämiseksi. Parannettavia kohteita: EMC määräykset : Linkki: Viranomaisvaatimukset o Vahvistimen taajuuskaistaa tulee rajata Vahvistimen ylärajataajuus tule rajata Taajuuskompensointi adiotaajuisten häiriöiden johtuminen on estettävä ( Molempiin suuntiin Zobel -verkko Pääteasteen virransyöttökykyä on lisättävä ( Ei kestä pieni-impedanssisia kuormia o Darlinton kytkettyjen päätetransistoreiden käyttö o Ohjausasteen virransyöttökyvyn symmetrisyyttä voidaan parantaa virtapeiliperiaatteella Linkki: Virtapeili

8 Parannettu audiovahvistin llaolevassa kuvassa edellisessä kytkennässä mainitut ongelmakohdat on korjattu: Virransyöttökykyä on lisätty korvaamalla päätetransistorit Darlington- kytketyillä transistoreilla, lisäksi ohjainaste on muutettu toimimaan virtapeiliperiaatteella, jolloin se toimii symmetrisesti molemmilla puolijaksoilla Vahvistimen taajuuskaista on rajattu kompensointikondensaattorin avulla Johtuvat häiriöt on suodatetty ZOBEL verkon avulla Linkki: Micro-cap -kuva

9 nalyysi o nalyysi on tehty seuraavalle kytkennälle:

10 FET vahvistin o Kanavatransistoreita käytetään pääsääntöisesti pelkästään päätetransistoreina. Mikään ei estä käyttämästä myöskään muualla vahvistimessa FET:tejä, mutta kytkennän suunnittelu on tällöin paljon hankalampaa ( enää ei voida suunnitteluperustana käyttä BJT:n tapaan 0.6 V :n kynnysjännitettä o FET:n tarvitsema ohjausenergian tarve ei kasva lähtövirran mukaisesti, kuten BJT asteiden. Niinpä FET asteiden lähtöimpedanssi riippuukin virtalähteen lisäksi vain FET:n johtavan tilan resistanssiarvosta, kun se BJT asteissa riippuu kyllästymisarvojen, emitterivastusten ja virtalähteen lisäksi myös ohjausasteen virranantokyvystä. o FET aste ei vaadi välttämättä emitterivastusten käyttöä, kuten BJT aste. FET:n tulo/muunnoskäyrästä voimme havaita, että lämpötilan vaikutus on aika pientä ja sen vaikutus on lisäksi käänteinen Drain- virran suuruuden mukaan. Käyttäytyminen vaihtelee komponenttityyppikohtaisesti!. BJT:llähän ohjausjännitteen muutos noudattaa diodin ominaiskäyrää ja on rajapintaa kohden n. -. mv / K Kuva: MOSFET:n Tulo/muunnoskäyrä: o Lepovirran säätöasteessa käytetään yleensä aina BJT transistoria sen vakaan, negatiivisen lämpötilakäyttäytymisen ansiosta. Tämän ansiosta lepovirat pienenee lämpötilan kasvaessa ja vahvistin rajoittaa itse omaa lämpötilaansa ja tehonkulutustaan lepovirran avulla. o FET:n suuresta ohjausjännitteen tarpeesta johtuen Booststrap kondensaattorin käyttö on riittävän ohjausjännitteen saamiseksi välttämätöntä. Toisena vaihtoehtona olisi ottaa erillinen, korkeampi jännitesyöttö ohjainasteelle. Kytkentä: Vahvistimen kytkentä on mukailtu ensimmäisestä esimerkkivahvistimesta. Vahvistimeen on lisätty Zobel-verkko.

11 Kytkennästä: FET:n hilojen välinen jännite ( be kertojan jännite on 8.0 V, kun T 300K Lepovirta pienenee lämpötilan kasvaessa: o T 300K ( + 7 C I lepo 50 m o T 35K ( + 5 C I lepo 00 m o T 50K ( + 77 C I lepo 5 m o T 375K ( +0 C I lepo 0 ( Tulokset Micro-cap analyysillä FET asteilla lähtökuorma ei vaikuta ohjainasteeseen nalyysit: Linkki: Micro-cap -kuva Tehot ja Tehohäviöt ee -cc o Teoreettiset lähtötehot, ei huomioitu emitterivastuksia, eikä CE-välin saturaatiojännitettä: Lähtöjännitteen tehollisarvo: O max Lähtöteho: Hetkellinen maksimi: PO max Peak, piikkiteho Tehollinen: o Käytännön huippulähtöteho ( Tehollinen P O max P [ ( + ] CEsat E, L LOD OMX O max LOD ( LOD Hukkatehot ( max o Kokonaishukkateho, jakaantuu päätetransistoreiden kesken: P TOT π 4 ( E + o Lepovirran aiheuttama tehohäviö ( paljon pienempi, kuin P TOT P I LEPO Linkki: Lämpöresistanssi L LEPO ( EE E E ( E + L LOD

12 Siltakytkentä Siltakytkennässä kaiuttimen molemmat liitynnät ovat kytketty omaan pääteasteeseensa. Pääteasteet toimivat vastavaiheisesti. Saatava signaalijännite on kaksinkertainen peruskytkentään nähden. Saatava maksimiteho olisi teoriassa nelinkertainen. Käytännön kytkennässä emitterivastuksien jännitehäviöstä johtuen ( max. virta kaksinkertainen tehonnousu jää pienemmäksi. Myös transistorin CEsat kasvaa virran kasvaessa. Siltakytkentä vastaa aina puolta pienempää kuormitusimpedanssia vastaavaan peruskytkettyyn nähden Tehot ja Tehohäviöt ee -cc ( Kaksipuoleinen käyttöjännite o Käytännön huippulähtöteho ( Tehollinen [ ( CEsat + E ] PO max, L E E ( E + L

13 Yksipuoleinen käyttöjännite o Esimerkiksi autossa on käytettävissä vain yksi käyttöjännite maatasoa vasten. Maapotentiaalina toimii auton kori. Yksipuoleinen käyttöjännite vaatii lähtöön DC-erotuskondensaattorin. ee GND ( Yksipuolinen käyttöjännite o Käytännön huippulähtöteho ( Tehollinen EI siltakytketty! P O max [ ( + ] CEsat E, 8 L E E ( E + L Siltakytkentää käytettäessä erotuskondensaattoria ei tarvita o utoradioissa siltakytketty päätevahvistin on nykyisin 99% autoradioista. Erilliset tehovahvistimet perustuvat hakkuritekniikalla toteutettuun virtalähteeseen ja siitä saatavaan korkeampaan käyttöjännitteeseen. Teho siltakytkettynä: ee GND o Käytännön huippulähtöteho ( Tehollinen P O max [ ( + ] CEsat E, L E E 4 ( E + L Huom! Luentomonisteessa käytetyt Micro-Cap kuvat ovat saatavana myös Micro-Cap tiedostoina (.CI Linkki tästä

14 Esitetyt kytkennät ovat periaatteellisia ja niistä puuttuvat mm. ylikuormitussuojaukset. Ylikuormitussuojauksen tekniikoihin voi tutustua mm. operaatiovahvistimen sisäisen rakenteen selvityksestä, joista selviää virranrajoitukseen perustuvan ylikuormitussuojan periaatteet. Linkki aiheeseen tästä. seissa paremman luokan audiovahvistimissa ylikuormitussuojaus on toteutettu releratkaisulla, jossa vikatilanteessa kaiutinlinja erotetaan relekytkennällä. Ylikuormitus voidaan mitata esimerkiksi jännitehäviönä emitterivastusten yli. Samalla releellä voidaan toteuttaa myös kaiutinlinjan irrottaminen kytkentätilanteessa.