Wzmacniacze audio

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
2
Co to jest tranzystor?
Tranzystor jest elementem o trzech końcówkach
(elektrodach) służącym do wzmacniania lub
przełączania sygnałów.
http://www.fuw.edu.pl/~pablo/s/projects/2004_2005/winda/stepmotor_idea.html
http://www.tme.eu
3
Jak działa tranzystor?
Działanie prześledzimy na tranzystorze NPN
4
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.
Symbole
tranzystorów
bipolarnych
Diodowe model e
zastępcze
5
http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/bipolarne.gif
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)
6
Polaryzacja
Przykład polaryzacji tranzystora npn
7
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.
8
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
9
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
10
Punkt pracy a klasa
wzmacniacza
Klasa A przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego
Kolor zielony sygnał wejściowy
Kolor czerwony sygnał wyjściowy
11
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
12
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
13
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
14
Punkt pracy a klasa
wzmacniacza
Klasa B przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego
Kolor zielony sygnał wejściowy
Kolor czerwony sygnał wyjściowy
15
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
16
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
17
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
18
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
19
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
20
Punkt pracy a klasa
wzmacniacza
Klasa C przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego
Kolor zielony sygnał wejściowy
Kolor czerwony sygnał wyjściowy
21
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
22
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
23
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
24
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
25
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://zseii.edu.pl/archive/dydaktyka/elektronika/ua/t20.html
http://www.edw.com.pl/ea/tranzystory/probc.gif
26
Punkt pracy a klasa
wzmacniacza
Klasa 2AB przebiegi sygnałów wejściowego i wyjściowego
Kolor zielony sygnał wejściowy
Kolor czerwony sygnał wyjściowy
27
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
28
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
29
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:
30
Inne klasy wzmacniaczy
Przykładowy schemat ideowy wzmacniacza pracującego w klasie D:
31
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
32
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 caraudio 250W+ do estradowych od 1,2kW wzwyż
http://opiniuj.pl/files/Pentagram%20Vanquish%20R%20USB%202GB.jpg
http://carphotos.cardomain.com/ride_images/1/1412/501/3527750065_large.jpg
33
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).
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.
34
http://www.proelectronic.rs/upload/thumbnails/400x400/7170_chip_tda1560q
Klasa H wady i zalety
Zalety:
-Takie jak 2AB
-Możliwość uzyskania większych mocy wyjściowych przy
tym samym napięciu zasilania
Wady:
-Takie jak 2AB
35
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
36
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]
37
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.
38
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.
39
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.
40
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.
41
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.
42
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.
43
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.
44
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.
45
Wzmacniacz różnicowy
Schemat prostego wzmacniacza różnicowego:
46
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.
47
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.
48
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
49
Wzmacniacz operacyjny
Zagadka na plusa
http://www.national.com/ds/LM/LM124.pdf
50