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Studienarbeit Audio-Leistungverstärker
Date post:30-Oct-2014
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Entwicklung eines rauscharmen Audioverstrker!
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InhaltInhalt .......................................................................................................................2 1 Einleitung .........................................................................................................3 2 Vorberlegungen fr das Schaltungskonzept ..................................................4 2.1 Das Rauschen ..........................................................................................4 2.2 Theorie des konventionellen rckgekoppelten Verstrkers.......................6 2.3 Stabilitt ....................................................................................................7 2.4 Grundstzliche Architektur von Leistungsverstrkern ...............................8 2.5 Die Verstrkerklassen...............................................................................9 2.6 Auswahl der Leistungstransistoren .........................................................11 2.7 Voltage Feedback vs. Current Feedback................................................14 2.8 Die Ausgangsstufe..................................................................................18 3 Schaltungsdimensionierung und Simulation ..................................................19 3.1 Auswahl der Komponenten.....................................................................19 3.2 Schaltplan PSpice Simulation .................................................................21 3.3 Symmetrisches Design ...........................................................................22 3.4 DC Offset Korrektur ................................................................................23 3.5 Der Current Feedback Verstrker ...........................................................23 3.6 Stromquellen fr den CFB Verstrker .....................................................24 3.7 Kaskodeschaltung zur Eliminierung des Miller-Effekts............................24 3.8 Ruhestromstabilisierung .........................................................................24 3.9 Transistor Sttigung................................................................................25 3.10 Simulation ...............................................................................................25 3.11 Stabilittsuntersuchung mit PSpice.........................................................27 4 PCB-Design ...................................................................................................30 4.1 Schaltplan ...............................................................................................30 4.2 Die Platine ..............................................................................................32 4.3 CLC Siebung ..........................................................................................36 5 Die Messung ..................................................................................................37 5.1 Bewertung...............................................................................................39 6 Abbildungsverzeichnis ...................................................................................40 7 Literaturverzeichnis ........................................................................................41

1 Einleitung

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1 EinleitungBei Hrversuchen werden oft Signale nahe der Hrschwelle prsentiert und sollen dann beurteilt werden. Leider ergibt sich bei der Verwendung herkmmlicher Leistungsverstrker das Problem, dass das Signal-Rausch-Verhltnis nicht ausreicht. Daraus ergibt sich die Motivation, einen Verstrker zu entwickeln, der dieser sehr hohen Anforderung auch in Verbindung mit wirkungsgradstarken Lautsprechern gengt. In der einschlgigen Literatur findet man sehr viele verschiedene Konzepte, die sich auch modular zusammensetzen lassen. Leider gewinnt man vor Aufbau der Schaltung keinen Aufschluss ber das Rauschverhalten und damit ber die Tauglichkeit fr die angestrebte Anwendung. Mithilfe von PSpice wurde versucht, sowohl die grundstzliche Funktion als auch die Qualitt des Leistungsverstrkers im vorhinein abzuschtzen. Mit dem anschlieenden Aufbau der realen Schaltung konnte dann die simulierte Performance verifiziert werden.

2 Vorberlegungen fr das Schaltungskonzept

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2 Vorberlegungen fr das SchaltungskonzeptBevor die Schaltung dimensioniert und simuliert werden kann, mssen erst einige Eckdaten festgelegt und grundstzliche Mechanismen erlutert werden, die fr das Rauschen und die Verzerrung des Verstrkers ausschlaggebend sind. Um mit kommerziellen Vorverstrkern kombiniert werden zu knnen, soll ein Eingangssignal von 0 dBU zur Vollaussteuerung fhren. Daher wurde ein Verstrkungsfaktor von 21 gewhlt, der 26 dB entspricht. Der Verstrker wird fr die Hrversuche vornehmlich an der digitalen Frequenzweiche HUGO betrieben werden, die schon bei guten Rauschwerten eine Ausgangsspannung von +20 dBU erreicht. Deshalb ist auch die geringere Spannungsverstrkung von +6 dB vorzusehen, bei der kein Abschwcher zum Einsatz kommt. Der vorgesehene symmetrische Eingang verbessert den Strabstand des Signals bei der bertragung vom Vorverstrker bis zur Endstufe, und die vollsymmetrische Auslegung wird Brummprobleme durch Erdschleifen reduzieren. Als Betriebsspannung werden 84VPP gewhlt, um eine ausreichende Leistungsreserve von 150W RMS an 4 Ohm zu erreichen.Tabelle 1: Angestrebte Eckdaten

Dynamikumfang: THD+N Verstrkung Leistung Wirkungsgrad

>120dB geringere Aussteuerung Hoher RDS-ON Widerstand sorgt fr schlechten Wirkungsgrad Parasitre Oszillationen Streuung der VGS macht Parallelschaltung nur mit separaten Treibern mglich Die Kosten sind 1,5 bis 2 mal so hoch wie bei Transistoren.

Die neuste Auswahlmglichkeit bietet der IGBT der aus einem durch einen FET angesteuerten Transistor besteht. Allerdings werden die Vorzge des FET und des Transistors, die hier scheinbar vereint sind, durch ein kritisches berlastverhalten abgewertet. Auerdem existiert leider erst ein komplementres Paar von Toshiba, das fr Audioanwendungen in Frage kommen knnte.

Abbildung 3: Save operating area, SOA

2 Vorberlegungen fr das Schaltungskonzept

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Daher wurden fr das anstehende Design bipolar Transistoren ausgewhlt. Auch hier gibt es noch Auswahlkriterien, die vom Gehuse, das die einfache Montage und zuverlssige Khlung garantiert, bis zu elektrischen Parametern reichen. Wichtige elektrische Parameter sind Grenzfrequenz, Betriebsspannung und Stromfestigkeit. Bei 150W an 4 Ohm flieen schlielich mehr als 6 A, die von den Leistungstransistoren geliefert werden mssen. So besitzt der ausgewhlte Transistor, wie aus der SOA in Abbildung 3 abzulesen ist, bei Spannungen bis 20V noch eine Stromfestigkeit von 15 A die allerdings aufgrund des secondbreakdowns bei 100V auf 1,5A abfllt. Um den ntigen Strom sicher tragen zu knnen, werden die Endtransistoren immer als Paar eingesetzt. Dadurch verbessert sich auerdem auch die Linearitt und damit die Verzerrung 1,9 fach [Self, 1996]. Aktuell ist auf dem Markt das komplementre Transistorenpaar 2SC3281 / 2SA1302 von Toshiba oder der Vergleichstyp von Motorola namens MJL3281 / MJL1302 erhltlich, das im Gegensatz zu vielen alten Transistoren fr Audioanwendungen optimiert wurden [Motorola MJL3281]. Ein besonderes Augenmerk liegt hier in der erhhten Linearitt aufgrund nur sehr geringen beta Verlustes mit steigendem Kollektorstrom, wie Abbildung 4 veranschaulicht.

Abbildung 4: Beta Verlust

2 Vorberlegungen fr das Schaltungskonzept

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So verringerte sich der Stromverstrkungsfaktor beta bei alten Transistoren wie 2N3055 von akzeptablen 100 bei 0,5A auf unter 20 bei Strmen grer 6A. Dieses Verhalten ist bei aktuellen Transistoren viel weniger ausgeprgt. Auerdem verfgt das Paar MJL3281 / MJL1302 ber das groe TO-264 Gehuse, das sich leicht isoliert auf dem Khlkrper montieren lsst und maximal 200W Verlustleistung abfhren kann. Ebenfalls spricht die hohe Transitfequenz von 30 MHz, das beta von minimal 45 sowie die hohe Betriebsspannung von 200V fr diesen Endtransistor. Auch der davor liegende Treibertransistor sollte eine hnlich hohe Transitfrequenz besitzen. Allerdings ist hier nicht ein so groer Kollektorstrom ntig. Fr den angenommenen Spitzenstrom von 6 A ist ein Steuerstrom von nur 133 mA aufzubringen. Mit dem Toshiba Paar 2SA1837 / 2SC4793, das mit einer Transitfequenz von sogar 70 MHz glnzt und maximal 1 A liefert, ist hier eine ausreichende Aussteuerung mglich. Insgesamt lsst sich die Endstufe von der davor liegenden Differenzstufe mit nur rund 1 mA voll aussteuern. Das verwendete vollisolierte TO-220 Gehuse ermglicht darber hinaus eine einfache isolierte Ankoppelung an den Khlkrper [Toshiba SA1837].

Abbildung 5: TO 264

2 Vorberlegungen fr das Schaltungskonzept

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2.7 Voltage Feedback vs. Current Feedback2.7.1 Ideale Verstrker Am Anfang des Schaltungsentwurfes stellt sich die Frage, welche Topologie fr die Differenzstufe besser geeignet ist, eine einfache Spannungsgegenkopplung (voltage feedback, VFB) oder eine Stromgegenkopplung (current feedback, CFB). Die folgende Tabelle zeigt einige globale Unterschiede auf.Tabelle 3: Vergleich VFB - CFB

VFB Kleineres Rauschen Besseres Geichspannungsverhalten Freiheit bei der Rckkopplungsgestaltung

CFB Geringere Anstiegszeiten Geringere Verzerrung Beschrnkung bei der Rckkopplung

Bei nherer Betrachtung stellen sich jedoch weitere Unterschiede heraus. So ist beim VFB Vo = a Ve mit der Fehlerspannung Ve = V p Vn . Whrend beim CFB Vo = ie Z t mit der offenen Schleifentransimpedanz Z t ist.

Abbildung 6: VFB vs. CFB

Der VFB besitzt zwei hochohmige Eingnge, whrend der CFB einen hochohmigen und einen niederohmigen Eingang hat. Die Eingangsstufe des CFB besteht aus einem Pufferverstrker mit der Verstrkung eins zwischen dem nichtinvertierenden und invertierenden Ein

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