. Eftersom denna text baserar sig på cut'n'paste tekniken från http://www.elektronikforumet.com/forum/ ... sc&start=0 så kan vissa meningar se skumma ut. Ber om överseende redan på förhand. Korrekturläsning uppskattas
. Kom gärna med kommentarer om annat också, oklarheter, felaktigheter m.m.Denna guide är i stort baserat på Power Amplifier Design Handbook av Douglas Self eftersom det är den bok jag själv hade när jag läste in mig på ämnet. Boken är relativt befriad från jobbigare matematik och tanken med denna guide är att den skall ta upp de viktiga principerna och vara begriplig även om man inte är så förtjust i matte.
Inledning.
Det kanske är på sin plats att lägga in ritning på en relativt "standard" förstärkare att ha som referens när man funderar på alla delar den är uppbygd av. Denna bild är "lånad" som exempel från http://sound.westhost.com/project101.htm
Först och främst är en standard förstärkare bara en väldigt kraftig op amp med dålig slew rate, bandbredd och inspänningstolerans
.Om du inte vet hur en opamp fungera så är det läge att ta reda på det och provräkna lite vanliga sådana kopplingar först.
En klassisk op amp byggs i tre steg.
1) Differentialsteget.
2) Spänningsförstärkar steget (Ger en förstärkning på c:a 1000-100'000 GGr vid DC)
3) Spänningsföljarsteget (även kallat effektsteget).
Där det egentligen bara är effektsteget som skiljer sig mellan klass A och klass B
Differentialsteg
Såhär fungerar det första differentialsteget. Beakta först bilden nedan
Tänk dig att V1 och V2 bägge är lika, säg 5V.
Då är kretsen helt symmetrisk och strömmen från strömgeneratorn på 5mA
fördelar sig helt jämt mellan bägge transistorerna. Exakt samma sak gäller om du har 2V eller nåt annat in på bägge bastransistorerna. Strömmen genom R1 är densamma vilket gör att Vout också är densamma. Kopplingen reagerar alltså inte alls om man har samma signal in på bägge baserna.
Anta å andra sidan att V1 är 5V och V2 är 3V. Då kommer transistorn vid V2 att vara helt i cutoff (övertyga dig om detta) och all ström går på vänstra sidan genom Q1 (I verkliheten skall det förstårs aldrig gå så långt att ena transistorn går helt i cutoff, då klipper förstärkaren).
Kretsen reagerar alltså på, och förstärker SKILLNADEN mellan v1 och v2, men reagerar inte alls på en gemensam signal v1 och v2, därför kallas den DIFFERENTIALFRSTÄRKARE.
Variant A
I A varianten jag ritat leder man strömmen genom motstånd, och får på så sätt ut en spänning som är
-K*(V1-V2) + Vbias
Dvs. Skillnaden förstärkns med en faktor K och adderas till en DC bias komponent (bägge kan beräknas, men jag låter bli detaljerna så principerna blir tydligare)
Variant B
B varianten är mycket roligare, där använder man en koppling som kallas strömspegel. Vad den gör är att den kollar hur mycket ström som går i hägra sidan, och ser till att exakt samma ström går ner på vänstra sidan, "med alla till buds stående medel".
Hur blir det nu då?, jo om V1-V2 är 0, dvs det inte finns nån skillnad, då är ju kretsen symmetrisk och 2.5mA går i högra ledet. Strömspegeln "kopierar" strömmen ner i vänstra ledet. Eftersom kretsen är symmetrisk drar vänstra transistorn också 2.5mA, dvs exakt samma sak som strömspegeln matar ner, och ingen ström blir utputtad via Iout.
Anta att vi höjer V1 potentialen lite, då matar vi Q3 så det går säg 4mA där och 1mA i Q4, Då kommer strömspegeln att mata ner 1mA på västra sidan, den följer ju strömmen som Q4 drar på högra sidan. Men Q2 vill ju svälja hela 4mA, 3mA till behövs nånstans ifrån... Dessa blir insugna från nästa steg via Iout. Notera inverterande effekten, positivt V1-V2 leder till en negativ ström Iout ut till nästa steg.
Utsignalen från strömspegeln har alltså karaktären av en STRÖM och inte en spänning som man kanske är mera van vid.
Beräkningar
Ställer man upp ett småsignalschema över detta är det ganska enkelt att räkna, vet man inte hur man gör det så serverar jag resultatet på en gång
Differentiell förstärkning för A varianten.
Gain-A = -gm * Rc*/2, dvs
Vout = Gain-A * (V1-V2) (småsignalmässigt, utan hänsyn tagen till DC)
Differentiell förstärkning för B varianten.
Gain-B = -gm, dvs
Iout = -gm * (V1-V2) (småsignalmässigt, utan hänsyn tagen till DC)
och slutligen är gm transistorernas spänningsförstärkning som är beroende av biaspunkten.
gm = Ic / Vt
Ic i detta fall är 2.5mA och Vt är en transistor parameter som ofta är 0.025.
Strömkällor
Nästa lektion är strömkällor, vad äter och bor de. Hur gör de?
Först allmänt, vad är en spänningskälla?
Jo, en "sak" som oavsett utström uprätthåller konstant spänning.
En strömkälla är en doning som oavsett spänning över den, uprätthåller
konstant ström. Man kan säga att den anpassar sin spänning så den önskade strömmen uprätthålls.
Du ser 3 varianter. Enklast (och sämst
är...Variant A
Funkar helt enkelt så att man via Ra skapar en basström, och vidare då får en Ic = B*Ib. Vad är det för fel på detta då? Vi har ju en strömkälla som är oberoende av spänningen på collectorn (annars hade det ju inte varit en strömkälla
.Först och främst är man beroende av Beta som varierar väldigt mycket även mellan transistorer av samma typ och ännu värre är tempraturberoende så det går inte ens att trimma det rätt för en enskild transistor. när den blir varm så skenar den ändå.
Sen beror Ic av Ib, som i sin tur beror av spänningen över Ra vilket är matningsspänningen. Alltså beror Ic av matningsspänningen och det är dåligt då den oftast ripplar, samma rippel avspeglar sig på strömmen Ic.
Variant B
Hyffsat enkel, man tilsätter en lysdiod för att få en "konstant" referens spänning så man slipper ifrån matningsspänings beroendet som plågar A.
Emittermotståndet Re botar Beta beroendet. Man vet att det alltid faller c:a 0.65V från bas till emitter, då är det 1.35V kvar över Re. Men den allra största strömmen kommer ju från kollektorn så man kan säga att Re bestämmer kollektorströmmen. Ic = 1.35V/Re. För rimliga värden på Re.
I den formeln finns inget Beta beroende och det e sött. Sätter man Re = 270 ohm får man ett IC på 5mA. (förutsatt att lysdioden har Vf 2V)
Ic bestäms nu endast av Re och lysdiodens framspänning. Bägge värdena är relativt oberoende av tempratur och matningsspänning.
Slutligen nu vet vi att vi får en basström på c:a 50uA, ser vi till att det går en ström c:a 1mA genom Ra så kan man försumma basströmmen helt och hållet, därav det röda krysset.
Variant C
Varför detta då? Version B är ju snäll...
Jo det finns inga ideala strömkällor, de har utresistans precis som spänningskällor. Och variant C har bättre sådan.
Vad menas med utresistans på en strömkälla?
Jo man modelerar det som ett motstånd paralellt med en ideal strömkälla, då får man ju de oideala betendet att om man varierar spänningen över strömkällan så varieras även strömmen (vilket en ideal per definition inte kan) eftersom motståndet suger lite ström. En ideal strömkälla har då oändlig utresistans till skillnad fårn en Ideal spänningskälla som har 0 utresistans.
Hur fungerar variant C då?
Ström kommer att ledas genom Ra genom den övre transistorn (Ja, genom krysset där det inte går nån ström
ner genom Re. Allteftersom mer ström går stiger spänningen över Re, tills den nedre transistorn tänder vid 0.65, då rycker den till i basen på den övre så att all överflödig ström som går genom Ra leds ner och försumbar ström går nu in genom krysset.Alltså har vi 0.65V över Re och Re bestämmer på samma sätt som tidigare strömmen Ic eftersom all (nästan) ström genom Re kommer från Ic eftersom försumbar ström går genom kryssen.
Vi är oberoende av matningsspänningen då detär Vf för nedre transistorn som tilsammans med Re bestämer strömmen
Vi är även oberoende av beta eftersom kretsen är så robust att den inte bryr sig om basströmmarna som är beta beroende (Vi har ju bestämt Ic, om Ic är bestämd så är ju Ib bestämd i termer av beta. Lite bakvänt gentemot hur man brukar se det där Ic bestäms av Beta och Ib.)
Rent allmänt blir man betaoberoende väldigt ofta om man lägger till emittermotstånd i sin krets på rätt ställe med rätt värde. Priset man får betala i förstärkarkretsar är ofta lägre gain, men vi bryr oss inte om gain i detta fall, vi vill ju ha konstant ström så det är bara en bonus.
Strömspegeln
Så var det dags för nästa byggblock. Strömspegeln.
Hälften av förstärkaren avklarad nu
Tar bara upp den vänstra strömspegeln, den högra fungerar likadant fast hänger
i "taket" istället för står på "marken".
Nyckeln här är symmetri. Som vanligt ignorerar vi basströmmen som är överkryssad
Vi matar ner en ström, på något sätt kanske en transistor i diffsteget (se det kapitlet variant B, på referenssidan). Först leder inte transistorn då knallar strömmen ner genom basen, alltetersom drar vänstra trissan mer collectorström tills jämvikt infinnes och referensströmmen till största del går ner genom collektorn.
Detta resulterar i en spänning över bas-emitter. Faktiskt EXAKT den spänning som krävs för att transistorn skall dra referensströmmen (självklart eftersom transistorn just nu drar referensströmmen). Det är även EXAKT samma spänning ligger över ANDRA transistorns bas-emitter. Eftersom bas-emitter spänningarna är lika, måste även basströmmarna vara lika, därför är collektorströmmarna lika. Slutsatsen blir att högra transistorn slaviskt försöker dra samma ström som den referensström som går i vänstra.
Strömmen SPEGLAS alltså i STRÖMSPEGELN
Det finns ett litet problem dock. Bas-emitter spänningen är väldigt tempraturberoende. 0.65V kan vid 25C ge 1mA och vid 75C ge 5mA (värden tagna ur luften, stor skillnad iaf.). Eftersom det är spänningen som speglas över (vilket resulterar i matchad basström) är det viktigt att bägge transistorerna har samma tempratur för att man skall få matchad basström. Det finns matchade transistorpar i samma kapsel, då får de ju mkt liknande tempraturförhållanden.
En annan variant är att trycka dit emittermotstånd, De motstånden kommer precis som tidigare att göra oss mindre beroende av transistorparametrar. Som en ren bonus kommer dessa även att öka utresistansen (vilket var bra för strömkällor, tvärt om mot spänningskällor).
Räknar man lite granna kommer man fram till att om man håller 50mV eller mer över motstånden börjar man gå fri från tempberoendet. Varför inte mer? Du tappar output swing. Lägger du säg 2V över motstånden, då kan ju collectorn på speglsidan inte sjunka djupare än c:a -10V med -12V matning. Ibland har man swing att röra sig med så det räcker, då är det bara att kräma på, men 50mV duger rätt bra för att balansera.
dvs räknar du med att ha strömmar på c:a 1mA, då trycker du dit 50 Ohms motstånd. Kanske ta till lite och dänga en 100 Ohmare, då blir det ännu stabilare.
Slutligen
Sammanfattningsvis ser vi att differentialsteget som används i exempeldesignen högst upp är ett NPN diffsteg. Följdaktligen måste det vara en npn strömkälla vid negativa matningen. Det är variant två som används dvs. diffsteg med strömspegel. Eftersom strömspegeln måste sitta vid positiva matningen blir det vara PNP varianten av strömspegel som används.
Spänningsförstärkar steget
Nu börjar det bli dags för nästa steg, Voltage Amplification Stage - VASen.
Diffsteget förstärker ju skillnaden precis som vi vill, och använder vi strömspegeln ger diffsteget en ström som utsignal.
Denna ström vill vi nu omvandla till en spänning samtidigt som vi vill förstärka lite. Den enklaste lösning man kankse tänker på är ju då A varianten ovan.
Vout = 30V - Rc*Ic = 30 - Rc*B*Iin
Struntar man i dc komponenter så blir det
Vout= -Rc*B*Iin
Gain = Vout/Iin = -Rc*B
Man ser att för att få stor förstärkning vill man ha högt Rc, men det gör ju å andra sidan att man måste ha en väldigt liten Biasström (Den DC ström som går när förstärkaren ligger i vila). Transistorn fungerar bättre när man matar lite mer ström igenom den, några mA iaf. Dessutom kommer vi att hänga på lite prylar efter som behöver lite drivström som vi kommer att se sen.
Detta är ett bekymmer, tradoffen mellan Biasström och stort Rc.
Nu är det så trevligt att man faktiskt kan äta kakan och ha den kvar.
En strömkälla skulle ju kunna ge den ström vi önskar, samtidigt som den har hög paralellresistens.
Vänstra bilden är kretsen, och högra är ett ekvivalentschema. Strömkällan är en PNP variant vilket det måste bli då den skall hänga i taket. Som du ser blir det strömkällans utresistans som blir det nya Rc, vilket är mkt stort.
Enligt superpositionsprincipen (Inte tagit upp den ännu...) ger en DC källa bara DC bidrag till utsignalen, alltså påverkar inte själva ideala strömkällan signal gainet (AC gainet) alls.
Gainet är alltså fortfarande -B*Rc, fast med ett högre Rc än tidigare. Vi har även fått den högre biasström som eftersöktes. Notera dock att det EJ är denna variant som används i exempeldesignen. De har använt en variant på strömkälla som kallas Boostrap och endast funkar om man har ett effektsteg hängt på direkt efter VASen, notera kondensatorn som ta kraft från effektutgången. Boostrap är lite överkurs, anser att en strömkälla är lättare att förstå konceptuellt även om effekten av dom blir nästan helt ekvivalenta i det här fallet.
Stabilitet
Allt väl så långt... nästan.
Tänk dig en mikrofon som du trycker mot din högtalare. Det är ett exempel på positiv feedback. Vad har det med oss att göra, vi använder negativ feedback juh...
Mjo, men vid högre frekvenser då transistorerna börjar ge upp under trycket av strökapacitanser överallt så sjunker förstärkningen. Vad värre är, då förstärkningen sjunker fasförskjuts även signalen.
Tänk dig ett vanligt lågpass RC filter. vid låga frekvenser går signalen rakt igenom, men vid höga frekvenser då kondensatorn börjar komma med i leken dämpas signalen, men samtidigt fasörskjuts den också. Det är en allmän tumregel att varje kapacitans ger upphov till 90 graders förskjutning när den väl träder i kraft.
Okej då, vad är det för farligt med det?. Jo
sin(wt + 180) = -sin(wt)
Alltså är en 180 graders fasförskjuten sinus lika med -sinus. Matar man in det på negativa benet tar minustecknen ut varandra och du får POSITIV återkoppling. Dvs din förstärkare självsvänger (förutsatt runt-i-loopen förstärkningen är större än ett) och är i själva verket en oscilator.
Kan tillägga att min första stärkare var en 10Mhz oscillator innan den brann nån minut senare =)
Hur kan man då undvika detta problem? Jo man sätter dit en dominant kondensator, som bryter mycket före alla andra strökapacitanser (Detta ger oss en förskjutning runt i loopen på 90 grader vilket är OK).
Man dimensionerar Cdom så att den tar ner runt-i-loopen förstärkningen under 1 före nån annan strökapacitans lyckas träda in och lägga in ytterligare förskjutning på 90 grader.
Cdom och dess inverkan
Det finns många tänkbara placeringar på denna dominanta kondensator (Cdom), men den här placeringen har många fördelar. Först och främst, övertyga dig om att den dämpar. De blå pilarna symboliserar ökande ström, och de röda en spänning som stiger eller sjunker.
I bilden så krämar diffsteget ut en signal ström. denna ström gör att trissan drar mer ström så Vout sjunker. När vout sjunker ökar spänningen över kondensatorn (den är negativ till att börja med såsom jag ritat ut +- tecknen), för att spänningen skall öka måste kondensatorn suga in ström. Ström som egentligen skulle gå till transistorn. Alltså dämpas förstärkningen av kondensatorn. Ju höre frekvens ju högre dämpning. Vid de frekvenser (ofta över 10-100Hz) som Cdom är verksam så går faktiskt STÖRRE delen av strömmen genom kondensatorn och bara en liten del ner i basen. Notera tjockleken på pilarna.
Om man räknar på det kommer man att få en ny förstärkning på
Gain = Vout/Iin = -1/(Cdom * 2*pi*f) istället för
Gain= Vout/Iin = -Rc*B som tidigare.
Detta är inte helt sant, vid DC gäller ju fortfarande gamla formeln, men ganska tidigt, (10-100Hz ofta) kommer den övre formeln att börja gälla istället. Det beror även på Rc, ju större Rc ju tidigare tar Cdom över.
Illustrerar det nedan.
Övre grafen: Plot över gainet vid olika frekvenser för två olika Rc.
Nedre grafen: Plot över gainet vid olika frekvenser för två olika Cdom.
Bägge graferna har LOG skala på axlarna dvs. värdena 10 dubblas hela tiden
Notera att eftersom Insignalen har amplitud 1 så blir gainet
Gain=Vout/Iin = Vout/1 = Vout
Alltså är det gain man ser på Y axel även om det har enheten volt (Faktiskt så är det absolutbeloppet av gainet man ser, dvs man struntar i teckent, ser endast till amplituden. Därför positiv axel fast gainet egentligen är negativt).
I övre grafen ser man tydligt att olika RC endast bestämmer när Cdom skall träda i kraft. När cdom väl trätt i kraft spelar värdet på RC ingen roll.
I nedre grafen ser man att om man ökar Cdom med en faktor 10 sänker man gainet med en faktor 10 då Cdom är aktiv, vilket är helt enligt förväntningarna om man studerar formeln för gainet då Cdom är aktiv.
Notera även att det krävdes lite DC trimmande för att få transistorn att operera i sitt linjära område, dvs inte vara bottnad eller avstängd. Detta spelar ingen roll för gainet i simuleringen då det är ett AC svep jag gjort sedan. Pscpice linjäriserar automatiskt och räknar med en väldigt ideal modell av kretsen (Notera den orealistiska utspänningen) och tar bara hänsyn till AC spänningar, ej DC. DC trimmningen var endast för att PSpice skulle linjärisera kring en trolig arbetspunkt. Så länge Arbetspunkten (DC nivån) är rimlig i ett AC svep så spelar det ingen som helst roll om AC komponenterna sedan är orimliga då det är en småsignalsmodell (fullständigt linjäraproximerad) som används.
Rent allmänt kan man säga att de komponenter som finns med i förstärkningsformeln påverkar egenskaperna mest i nån mening. Tidigare fanns B med. En opålitlig och olinjär faktor. Nu finns bara en kondensator (vid högre frekvenser). En mycket linjär och ideal komponent. Simulerar man märker man mycket riktigt att Cdom linjäriserar kretsen!!! Det är en bonus du får och en välbehövlig sån eftersom dämpningen sänker den globala negativa feedbacken som är den huvudsalkiga linjäriseraren.
Faktum är att man har en liten lokal feedback loop iochmed Cdom. Om utsignalen sjunker för fort, ser cdom till att subtrahera bort ström från insignalen. så utsignalen inte sjunker så fort. Det är negativ feedback.Den här feedbacken kan ökas för ytterligare linjärisering om man darlingtonkopplar VAS transistorn enligt bilden nedan.
Detta påverkar inte gainet alls, det är fortfarande Cdom som bestämmer, inte nåt Beta. Men det ger en märkbar linjärisering. Åtminståne vid simulering.
Har inte sett denna koppling nånstans på internet men den nämndes i Power Amplifier Design Handbook. Gör man ett klass B utgångssteg så spelar det kanske inte lika stor roll men jag sett klass A ritningar med klart undermåliga diffsteg och vasar. Eftersom jag är tondöv hör jag ändå ingen skillnad men skall man offra elräkningen på ett klass A steg skall man åtminståne trimma till det ordentligt tycker jag så att även om man inte HÖR nån skillnad så VET man att det ÄR en skillnad på bastuaggregatet man just byggt å vanliga stärkare
Fortsättning följer då jag får tid över att konvertera resten av tråden.....
