Difficoltà con polarizzazione dell'amplificatore di classe B.

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Qui mi riferisco all'amplificatore di potenza in uscita di classe B.

Questo circuito dovrebbe essere facile da costruire e da capire, ma sto avendo problemi di polarizzazione poiché non so davvero come influenzare le basi di Q1 e Q2, in modo che Q1 conduca solo segnali di polarità positivi e Q2 conduca solo polarità negativa segnali .

Sembra che sono riuscito a distorcere correttamente solo l'amplificatore di classe A, ma non la classe B.

Come avrei dovuto polarizzare il circuito superiore per ottenere il funzionamento in classe B di un amplificatore?

biasing class-b-amplifier power-output-stage

— Keno
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C'è qualche discussione relativa alla messa a punto dei vbias qui: amplificatore batteria 9V . Nota che discute anche del bootstrap, a cui oldfart fa riferimento nel suo commento aggiunto a te.

— Jon

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Esiste un semplice circuito noto che funziona come uno "zener programmabile". Di seguito è riportato il diagramma principale:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Per un'applicazione reale il resistore variabile può essere diviso in tre parti per ottenere un controllo più accurato. Variando il resistore è possibile impostare la tensione "zener" tra le basi dei due transistor Q1 e Q2 e come tale controllare la corrente di riposo.

Dimenticato: proprio come un vero zener ha bisogno di un resistore nella parte superiore.

Ai vecchi tempi quel transistor era fisicamente montato sul dissipatore di calore, quindi si aveva anche una compensazione termica. Mi ci è voluto un po 'per trovare un'immagine sul sito Web, ma eccone una:

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Come menzionato nel commento qui sotto devi fare attenzione con questo circuito. Prima del primo utilizzo è necessario assicurarsi che il resistore variabile sia impostato in modo tale che la base sia alla tensione del collettore. Quindi c'è una caduta di tensione minima. Quindi si ruota la resistenza fino a quando la polarizzazione non è "corretta", il che significa normalmente che non si vede più (portata) udire (orecchie) la distorsione nel segnale di uscita. Puoi spostarlo un po 'più in là, il che aumenterà la corrente di riposo nello stadio di uscita. (Otterrà più le caratteristiche di un amplificatore di classe A.)

— Vecchio bacucco
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Invece di quel Vbias nel mio circuito, questo dovrebbe sostituirlo?

— Keno,

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Sì, ma è necessario un resistore da V + in quanto deve ricevere corrente da qualche parte. Fai attenzione se la tensione di zener è impostata su un valore troppo alto la prima volta che la usi, entrambi i transistor dello stadio finale saranno condotti, quindi avrai un corto da V + a V-. Assicurarsi che la base sia collegata al collettore! Quindi, abbassalo lentamente e misura la corrente nelle fasi finali.

— Oldfart

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Innanzitutto, capisci che si tratta solo di un follower a doppio emettitore che utilizza un darlington su ciascun lato. La tensione all'uscita sarà praticamente la tensione all'uscita opamp. Lo scopo dei follower degli emettitori è fornire il guadagno attuale.

Se ogni transistor ha un guadagno di 50, ad esempio, allora la corrente che l'opamp deve generare e affondare è circa 50 * 50 = 2.500 volte inferiore a quella che il carico assorbe. Ad esempio, se il carico sta disegnando 1 A, l'opamp deve solo generare 400 µA.

Un problema con un follower di emettitori è che la tensione di uscita differisce dalla tensione di ingresso per la caduta BE del transistor. Diciamo ad esempio che sono circa 700 mV quando i transistor funzionano normalmente. Per un follower di emettitori NPN, devi iniziare con 1,7 V in ingresso se vuoi 1 V in uscita. Allo stesso modo, per un follower di emettitori PNP, devi inserire -1,7 V se vuoi -1 V in uscita.

A causa della cascata di due transistor, questo circuito ha due cadute da 700 mV dall'opamp all'uscita. Ciò significa che l'output deve essere elevato, l'opamp deve essere 1,4 V più alto. Per abbassare l'uscita, l'opamp deve essere inferiore di 1,4 V.

Non vorrai che l'opamp debba saltare improvvisamente a 2,8 V quando la forma d'onda passa tra positivo e negativo. L'opamp non può farlo all'improvviso, quindi ci sarebbe un piccolo tempo morto all'incrocio zero, che aggiungerebbe distorsione al segnale di uscita.

La soluzione utilizzata da questo circuito è quella di mettere una sorgente da 2,8 V tra gli ingressi ai driver lato alto e basso. Con una differenza di 2,8 V nel livello di azionamento, i due driver di uscita saranno appena al limite di essere accesi a 0 uscita. Un input leggermente più alto e il driver in alto inizierà a fornire corrente significativa. Un po 'più in basso, e il driver in basso inizierà a sprofondare corrente significativa.

Un problema è ottenere questo offset giusto per eliminare il salto in ingresso richiesto a zero incroci, ma non accendere entrambi i driver così tanto che finiscono per guidarsi a vicenda. Ciò causerebbe un flusso di corrente inutile e dissiperebbe energia che non andava al carico. Si noti che 700 mV è solo un valore approssimativo per la caduta BE. È ragionevolmente costante, ma cambia con la corrente e anche con la temperatura. Anche se è possibile regolare esattamente la sorgente da 2,8 V, non esiste un singolo valore esatto su cui regolarla.

Ecco a cosa servono RE1 e RE2. Se l'offset da 2,8 V è un po 'troppo alto e una corrente di riposo significativa inizia a fluire attraverso entrambi i driver superiore e inferiore, questi resistori avranno una caduta di tensione attraverso di essi. Qualunque tensione appaia su RE1 + RE2 sottrae direttamente dall'offset 2,8 V dal punto di vista dei due driver.

Anche 100 mV possono fare la differenza. Ciò sarà causato da 230 mA di corrente di riposo. Si noti inoltre che 700 mV è probabilmente sul lato inferiore, in particolare per i transistor di potenza quando portano una corrente significativa.

Tutto sommato, la sorgente da 2,8 V ha lo scopo di mantenere "pronti" ciascuno dei driver superiore e inferiore, senza accenderli abbastanza da iniziare a combattere l'un l'altro e a dissipare molta potenza.

Certo, tutto è un compromesso. In questo caso puoi scambiare più corrente di riposo per un po 'meno distorsione.

Idealmente, in classe B un lato si spegne completamente quando l'altro inizia a subentrare. Ciò non accade quasi mai in pratica, ma questo schema è ragionevolmente vicino ad esso.

— Olin Lathrop
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È questo il punto in cui prende il posto la distorsione di commutazione ? Nel mio libro, se l'ho capito correttamente, è descritto come entrambi i lati (npn e pnp) conducono più di 180 gradi di segnale?

— Keno,

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@Keno: la distorsione crossover può avvenire in entrambi i modi. Il peggio di solito è quando i piloti high e low conducono meno della metà delle volte. L'opamp deve saltare oltre la banda morta, il che richiede tempo finito. Ogni direzione per più della metà del tempo non causa necessariamente distorsione. Dipende da quanto si dissolvono e si dissolvono l'uno rispetto all'altro. Entrambi conducono sempre in classe A, ad esempio, e più della metà del tempo in classe AB. Questo è il punto della classe AB contro la classe B. Qualche dissolvenza rappresenta un potere sprecato ma non necessariamente una distorsione. Una banda morta si distorce.

— Olin Lathrop il

Sono d'accordo con te! Ma il più vicino possibile alla classe B più efficiente sarebbe l'amplificatore, giusto?

— Keno,

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@Keno: Sì, la classe B è l'efficienza ottimale per un sistema di elementi a passaggio lineare. Fare in modo che i due lati cambino esattamente è molto difficile. Ecco perché classe AB. Consentire una leggera dissolvenza per ridurre la distorsione crossover, a un prezzo ridotto in termini di efficienza.

— Olin Lathrop,

Un'altra cosa. Il punto / l'area di conduzione in cui entrambi i lati npn e pnp conducono simultaneamente, può aggiungere ulteriore distorsione all'amplificatore o quell'area di conduzione simultanea non è oggetto di distorsione?

— Keno,

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La differenza tra la classe A e la classe B è la corrente di quiescenza attraverso l'ultimo stadio.

Se si azzera la corrente di riposo, solo Q3 o Q4 fornisce corrente quando è presente un segnale. Questa è la classe B.

Se rendi la corrente di riposo così grande che per segnali molto grandi (anche il più grande) sia Q3 che Q4 non hanno mai un Ic = 0 (non sono mai spenti), abbiamo classe A.

C'è anche la classe AB che può trovarsi ovunque tra la classe A e la classe B.

Come impostare questa corrente di riposo?

Questo è fatto da Vbias.

Alcuni esempi di come Vbias può essere implementato:

lo "Zener" dalla risposta di oldfart
un vero diodo Zener

o questo:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

La sorgente corrente può essere facilmente creata con un mirror corrente PNP e un resistore biasinf.

— Bimpelrekkie
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Hai qualche idea su come sapere con certezza, se il circuito funziona in classe A o in classe B o in mezzo, ovvero in classe AB? Ho modificato l'output durante la modifica del bias ma tutto ciò che ottengo è un'onda sinusoidale normale. Potrei verificare la classe misurando la corrente di riposo attraverso ciascuno dei transistor, ma esiste un altro modo? Forse con o'scope?

— Keno,

Puoi facilmente misurare la corrente attraverso Q3 e Q4 attraverso i resistori dell'emettitore. Quindi non applicare alcun segnale e misurare la corrente. La mia ipotesi è che con VBias = 2,8 V questo sarà un amplificatore di classe AB. Anche in classe B ci sarà una distorsione crossover agli incroci zero.

— Bimpelrekkie,

@Bimpelrekkie ha disegnato due esempi di uno stadio di uscita di classe AB. Una piccola corrente scorre sempre attraverso Q1 e Q2, Q3 e Q4. Con una corrente a vuoto sufficiente la distorsione può essere molto bassa, forse 0,05% o meno, ma il compromesso è che lo stadio di uscita dissipa molto calore. Cerca sul web amplificatori da 1.500 watt e vedrai progetti di polarizzazione simili ma più elaborati.

— Sparky256,

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Devi comprendere bene la topologia di output per sapere come creare la distorsione per esso.

Sebbene qualcuno abbia menzionato che il tuo esempio schematico ha i BJT disposti in modo Darlington (con resistori di accelerazione di spegnimento aggiunti ), non ti hanno detto che un tale accordo ha quasi sempre una topologia migliore. Quindi non useresti quasi mai quella topologia per cominciare. O, in breve, non ha senso lottare per capirlo al fine di influenzarlo.

Perché usare un Darlington:

Elevato guadagno di corrente, utile in circuiti del driver di uscita come questo perché riduce in modo significativo la corrente di riposo del circuito di polarizzazione e può essere di grande aiuto quando si tenta di infilare grandi oscillazioni di corrente in un piccolo carico come questo.

Perché non usare un Darlington:

Spegnimento lento a meno che non venga aggiunta una resistenza (come nell'esempio del circuito).
Impossibile saturare al di sotto di circa una goccia di diodo (più un po ') a causa della disposizione. Ciò può comportare un sovraccarico di tensione aggiuntiva richiesto per l'amplificatore (che per i circuiti a bassa tensione può essere inaccettabile) e può anche significare una dissipazione complessiva aggiuntiva per l'amplificatore.
Funziona come se richiedesse due cadute di diodi tra la base e l'emettitore, il che aumenta l'intervallo di tensione di polarizzazione richiesto.
La temperatura influenza entrambe le giunzioni dell'emettitore di base, che si sommano in serie. Quindi la variazione di temperatura dell'intervallo di tensione di polarizzazione ora include almeno quattro cadute di diodi in serie, tutte con variazioni di temperatura. La complessità della compensazione è probabilmente aumentata, di conseguenza.
Ci sono alternative migliori.

L'ultima ragione è la ragione principale per cui non usare un Darlington qui. Se non ci fossero alternative, ti limiteresti a rimanere bloccato con l'idea se volessi il suo unico vantaggio.

Se si desidera l'alto guadagno di corrente dell'accordo di Darlington, è quasi sempre meglio usare l'accordo di Sziklai. Sembra così:

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Ciò fornisce anche un guadagno di corrente elevato simile e inoltre non può saturare al di sotto di una caduta di diodo, ma include anche quanto segue:

Solo una goccia di diodi emettitori di base per quadrante.
$R_3$ $R_4$ $Q_2$ $Q_4$ $Q_1$ $Q_3$

Hai già alcuni commenti su come influenzare il tuo circuito. Idee simili possono essere utilizzate anche con il circuito del driver Sziklai mostrato sopra, ma non è necessaria una differenza di tensione di polarizzazione.

$V_{BE}$

Proprio come un modello approssimativo, lo schema potrebbe ora apparire come:

schematico

^{simula questo circuito}

$R_7$ $R_8$ $R_9$ $R_1$ $R_2$ $50\:\textrm{mV}$ $R_7$ $R_8$ $R_1$ $R_2$ $C_1$ $C_3$ $V_{BE}$ moltiplicatore per le basi nei due quadranti di output di Sziklai.

$C_2$ $Q_6$ $Q_6$

Quanto sopra presuppone che tu abbia davvero binari di alimentazione bipolari e un carico accoppiato CC collegato a terra. Inoltre, non ho mostrato il feedback negativo che probabilmente sarà richiesto, alla fine. Le cose sarebbero in qualche modo diverse se il carico fosse accoppiato in corrente alternata e si avesse a disposizione una sola linea di alimentazione.

— Jonk
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Bello! Ma perché il C3 è collegato al collezionista di Q5? E C1 che è considerato "bootstrap" qualcosa (?) - Non riesco ancora a ottenere la sua funzione, anche se finora ho letto alcuni dei post che mi hai consigliato.

— Keno,

R_{7}

$R_7$

50 Ω

$50\:\Omega$

C_{3}

$C_3$

R_{6}

$R_6$

R_{7}

$R_7$

Q_{2}

$Q_2$

C_{1}

$C_1$

R_{6}

$R_6$

Q_{6}

$Q_6$

r_{e} = \frac{k T}{q I_{C_{6}}}

$r_e=\frac{k T}{q I_{C_6}}$

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@Keno Hai cose da imparare. Penso che uno dei punti principali qui sia che progettare un buon stadio di output da parti discrete richiede un certo livello e ampiezza di conoscenza sui vari effetti . La temperatura è una delle più importanti, se si vuole essere un buon driver di potenza. Spesso non trovi trattamenti dettagliati di progetti discreti (anche se vedi gli schemi) perché con l'avvento di circuiti integrati buoni ed economici non c'è più molto bisogno. Tranne per imparare. I vecchi libri sono più spesso l'unico posto in cui trovi queste informazioni, purtroppo.

— Jon

3

In realtà l'amplificatore di classe B non ha un bias di base. La distorsione si verifica alla classe AB. Ma puoi influenzare la base in molti modi.

Se stai usando un amplificatore operazionale proprio come nell'immagine, potresti semplicemente usare il feedback. Rende l'uscita uguale all'ingresso, proprio come un buffer ma con uno stadio di potenza.

schematico

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

È inoltre possibile utilizzare due sorgenti di tensione.

schematico

^{simula questo circuito}

È possibile utilizzare diodi e una fonte di corrente costante.

schematico

^{simula questo circuito}

{io}_{r} = \frac{V_{B e 2}}{R_{3}}

$I_r=\frac{V_{be2}}{R_3}$

V_{B B} = {io}_{r} (R_{1} + R_{2} + R_{3}) = V_{B e 2} (\frac{R 1 + R 2 + R 3}{R 3})

$V_{BB} = I_r(R_1+R_2+R_3) = V_{be2}(\frac{R1+R2+R3}{R3})$

schematico

^{simula questo circuito}

NOTA: la resistenza R2 serve per la regolazione fine.

— Francisco Gomes
fonte

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Non avere resistori di emettitore sui transistor di uscita finali è una cattiva idea se non nel tuo primo circuito. Anche se si regola l'offset di tensione tra le basi per non causare molta corrente di uscita in sospensione, si sta ancora chiedendo una fuga termica. Man mano che i transistor di uscita diventano più caldi, le loro gocce BE diminuiscono. Ciò provoca più corrente di riposo con lo stesso offset di polarizzazione in ingresso. Ciò provoca un maggiore riscaldamento, che provoca un calo di BE inferiore ... ecc.

— Olin Lathrop il

Hai ragione. Ho risposto teoricamente perché il secondo e il terzo circuito non sono quasi mai utilizzati. L'ultimo circuito è possibile accoppiare termicamente Q1, Q2 e Q3 e risolve la fuga termica.

— Francisco Gomes,

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la classe B è definita come angolo di conduzione di 180 gradi, quindi la classe B è distorta rispetto al punto di conduzione, altrimenti è proprio la classe C (specialmente per i piccoli segnali). Le resistenze dell'emettitore sono fondamentali sia per la stabilità di polarizzazione che per consentire a ciascun dispositivo di spegnersi durante il mezzo ciclo opposto.

la classe AB è quando l'angolo di conduzione è compreso tra 180 e 360

— Mark Tillotson
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