Date post: | 07-Feb-2018 |
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1
© Roland Küng, 2010
Power Amplifier
2
Emitterschaltung:Ausgangssignal ist 1800 verschoben: Invertierender Amp
Repetition: Klasse A Verstärker
3
Klasse A Verstärker
Ruhestrom Verluste im BJT: PV = IC*VCE
4
Maximales Ausgangssignal Klasse A ergibt sich mit Arbeitspunkt Q in der Mitte der AC-Lastgeraden
Repetition: Klasse A Verstärker
AC-Last: RC//RL
DC-Last: RC
Max. Aussteuerung
5
Arbeitspunkt Q näher bei Cutoff des BJT (0 V über RC)
Repetition: Klasse A Verstärker
6
Arbeitspunkt Q näher bei BJT Sättigung (VCE ≈ 0)
Repetition: Klasse A Verstärker
7
Klasse A für niederohmige Lasten
Emitterstufe als SpannungsverstärkerKollektorschaltung als Treiberstufe (Stromverstärker)
DC-Verluste in Kollektorschaltung Q3 stören am meisten (Kühlung)
PDC = ICQ*VCC
PAC =0.5(ICQ*VCC/2)
25%
Q3: Sinus
8
Grundschaltung Klasse B (nicht-invertierend)
Klasse B Verstärker
Ziel: Ruhestrom = 0
9
Kollektorschaltung: Beachte: kein RuhestromVin muss gross genug sein! >> 0.7 V
Klasse B Verstärker
10
Beide Halbwellen: Push Pull Betrieb
Klasse B Verstärker
11
Illustration der Verzerrung bei Klasse B Verstärkern: zwischen -0.7 V und 0.7 V leitet keiner der beiden BJT.
Die Verzerrung wird Crossover Distortion genannt
Klasse B Verstärker
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• Arbeitspunkt wird durch Stromspiegel Dioden gesetzt umdie Crossover Distortion zu eliminieren.
• Komplementäres Paar im Einsatz (npn und pnp).
Klasse AB Verstärker
IQ = ID1 = (VCC -0.7)/R1
Wahl:• R2 = R1
• D matched zu VBE
auch bez. Temperatur !
Geringer Ruhestrom:
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Klasse AB Verstärker
• In der Superposition beider Kennlinie liegt im Ruhepunkt VCC über jedem BJT• Die Lastspannung kann praktisch von 0 V bis VCC ausgesteuert werden.• Dioden und BJT sollten thermisch gekoppelt sein• Keine Spannungsverstärkung ! Nur Leistungsverstärkung.
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Wirkungsgrad
Max. Ansteuerung Sinussignal (Peak Amplitude VCC): ICsat = VCC / RL
Pout in der Last (Sinus): Pout = 0.5 · ICsat · VCC
Strom in Q1 pro Halbperiode gemittelt: ICC = ICsat / π
PDC = 2·VCC· ICsat / π
vernachlässigt: IQ = (VCC-0.7)/R1
79.02/5.0 =⋅== πηDC
out
P
P
• Für Teilaussteuerung mit VL: η = 0.79·VL/VCC
• Vergleich mit Klasse A: η = 0.25• Single Supply : VCC in Formeln ersetzen durch VCC/2
max.
15
Beispiel
ICQ ?
ICsat ?
Rin ?
Pout ?
PDC ?
Rin = Rin(Emitterfolger)21)( RRRrR Lein += β
41 mA, 133 mA, 231 Ω, 1.33 W, 1.7 W
β = 100
(pro Halbwelle betrachtet)
470
470
16
Simulation
Simulation mit VG1 = 2 Vpeak
Ausgangsamplitude ?Ströme in Kollektorzweigen?Strom Opamp Ausgang ?
T1 BD139
T2 BD140
D1
1N91
4D
2 1N
914
+
VS1 9
+
VS2 -9
R1 15k
R2 5k
+
VG1
R3
8
R4
470
R5
470
VF1
VF2
+
VS3 15
+VS4 -15
-
++
OP1 TL081C
VF
3
R4,R5 limitiert ib
17
Simulation
Verbesserte Schaltung: Vollaussteuerung
T1 BD139
T2 BD140
D1
1N91
4D
2 1N
914
+
VS1 9
+
VS2 -9
R1 40k
R2 10k
+
VG1
R3
8
R4
1kR
5 1k
VF1
VF2 -
++
OP1 TL081C
+
VS3 15
+
VS4 -15
C1 1u
C2 1u
R6 1k
Vin sinus 2 V
1 kHz
sim transient 10ms-20ms
Limitierend : iout OpAmp
18
Single Supply Push-Pull Verstärker
Klasse AB Verstärker
19
Beispiel
ICQ ?
ICsat ?
Rin ?
Pout ?
PDC ?
20 mA, 1.25 A, 187 Ω, 6.25 W, 8 W
β= 100
re = 1.25 Ω
20
Darlington class AB push-pull amplifier.
Verbesserung Rin
β = β1 · β2
21A Darlington/complementary Darlington class AB push-pull amplifier.
Variante
22
Klasse C Verstärker
23
Klasse C Signalformen
Klasse C Verstärker
• Wirkungsgrad nahe 100% erreichbar mit Resonanzkreis als Last• Geeignet für Signale mit konstanter Amplitude
24
• Schwingkreis in Kollektor formt aus Pulssignal wieder eine Sinuswelle• Geeignet nur für schmalbandige Signale, z.B. HF-Verstärker
Klasse C Verstärker
25
Zusammenfassung
Klasse A Verstärker sind für grosse Leistungen inneffizient: 25% Wirkungsgrad
Klasse B ist eine Variante von Kollektorstufe ohne Ruhestrom, geeignet für für grosse Signalspannungen
Klasse AB verhindert die Verzerrungen durch nichtleitende Diodenstrecken
Feedback für Vorverstärker am besten direkt über der Last abnehmen
Wirkungsgrad bis 79%
Schaltungen verlangen viel Optimierung durch Simulation + Schutz vor Überlastung
Lautsprecher dürfen keine DC Spannung abbekommen.
Klasse C für schmalbandige Signale ohne Amplitudeninformation am effizientesten
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Praktikum
Speaker2 W
einfach
T1 BD139
T2 BD140
+
VS1 9
+
VS2 -9
R1 39k
R2 10k
+
VG1
R3
8
R4
470
R5
470
VF1 VF2
D4
1N91
4D
3 1N
914
R6
2.2
R7
2.2
SW-SPST1
SW-SPST2
C1 1u C2 100u-
+
+
U1 TL081
27
Praktikum
Speaker2 W
verbessert
T1 BD139
T2 BD140
+
VS1 9
+
VS2 -9
R1 33k
R2 10k
+
VG1
R3
8
R4
1kR
5 1k
VF1 VF2
D4
1N91
4D
3 1N
914
R6
2.2
R7
2.2
SW-SPST1
SW-SPST2
R8 1k
C4 1u
C3 1u
C1 1u C2 100u-
+
+
U1 TL081