ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΙΤΛΟΣ: Ενισχυτής τάξης AD ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ Παναγάκου Κωνσταντίνα (ΑΜ:6600) Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Κ. ΕΥΣΤΑΘΙΟΥ ΠAΤΡΑ 2012

2

3

4

5 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Ενισχυτής τάξης AD» Φοιτήτρια: ΠΑΝΑΓΑΚΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ (Α.Μ. 6600) Επιβλέπων:Κ. Ευσταθίου ΠΕΡΙΛΗΨΗ Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής υπήρξε η μελέτη μιας νέας μεθόδου ενίσχυσης ακουστικών συχνοτήτων, που μπορεί να αναπαράγει τον ήχο με την υψηλή ποιότητα των ενισχυτών τάξης Α και ταυτόχρονα με υψηλή απόδοση ισχύος, που χαρακτηρίζει τους ενισχυτές τάξης D. ABSTRACT This Diploma Thesis studies a new method of audio amplifying that can reproduce sound with both high fidelity as found in a class A amplifier and high efficiency which is characteristic of class D amplifier.

6

7 Ευχαριστίες Ευχαριστώ πολύ τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ.κ.ευσταθίου για την πολύτιμη και αμέριστη βοήθεια του καθώς και για την υπομονή και το χρόνο που αφιέρωσε για την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ.ι.μουρτζόπουλο για την πρόταση του θέματος και το ενδιαφέρον που μου μετέδωσε για την ηλεκτροακουστική. Τελειώνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω πολύ την οικογένεια μου τόσο για τη ψυχολογική όσο και για την οικονομική στήριξη, καθώς και τους φίλους και συναδέλφους μου, που με βοήθησαν με διάφορους τρόπους.

8

9 Περιεχόμενα Περιεχόμενα Περιεχόμενα Εισαγωγή Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου Τι είναι ενίσχυση Κοινωνική και οικονομική σημασία των ενισχυτών Ακουστικός ενισχυτής ισχύος Απαιτήσεις από έναν ενισχυτή Ενισχυτές ac-coupled και dc-coupled Ενισχυτής Τάξης Α Εισαγωγή Στάδια Ενισχυτή Στάδια Εξόδου Θεωρητική Ανάλυση Αντίσταση Εισόδου Υπολογισμός Κέρδους Τάσης Ανοιχτού Βρόχου Αντίσταση Εξόδου CMRR DC ανάλυση Ανάδραση Ανάλυση Κυκλώματος Περιγραφή Κυκλώματος Υπολογισμός Βασικών Παραμέτρων Περιγραφή Λειτουργίας Ενισχυτής Τάξης D Διαμόρφωση ΔΣ Το κύκλωμα του ΔΣ διαμορφωτή Αριθμητικό παράδειγμα Ενισχυτής τάξης D με ΔΣ διαμόρφωση Διάταξη Mosfet Νεκρός Χρόνος Ενέργεια επιστρεφόμενη από τον ενισχυτή Κύκλωμα

10 Περιεχόμενα Υλοποίηση στο Pspice Λειτουργία Θόρυβος υπερδειγματοληψίας (oversampling noise shaping) Ενισχυτής AD Εισαγωγικά Περιγραφή λειτουργίας Δομή ενισχυτή AD Ανάλυση λειτουργίας Υπολογισμός αντίστασης εξόδου Προσομοιώσεις στο Pspice Προσομοίωση με ιδανικές πηγές Προσομοίωση με μη ιδανικές πηγές Μετρήσεις βασικών χαρακτηριστικών Φίλτρο Βελτίωση απόδοσης ενισχυτή τάξης D Τοπολογία ενισχυτή με αντικατάσταση της τάξης Α από ΑΒ Ενισχυτής τάξης D με ΔΣ διαμόρφωση πολλών φάσεων Αποδόσεις Απόδοση ενισχυτή τάξης Α Απόδοση ενισχυτή τάξης D Απόδοση ενισχυτή τάξης AD Μεγάφωνο Εισαγωγικά Ισοδύναμο Μεγαφώνου Απόδοση Απόκριση συχνότητας SPL(sound pressure level): Μέτρο συνολικής εμπέδησης Γωνία φάσης Βιβλιογραφία Ξένη Ελληνική Διαδίκτυο

11 Εισαγωγή 1 Εισαγωγή Η παρούσα διπλωματική, που εκπονήθηκε στο πλαίσιο των προπτυχιακών μου σπουδών στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στον τομέα Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών, πραγματεύεται τη μελέτη και το σχεδιασμό ενός ενισχυτή ακουστικών συχνοτήτων τοπολογίας AD. Αυτή η τοπολογία συνδυάζει έναν ενισχυτή τάξης Α και έναν ενισχυτή τάξης D, με αποτέλεσμα να παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα και των δύο αυτών τάξεων. Έτσι εμφανίζει υψηλή γραμμικότητα παράλληλα με ιδιαίτερα υψηλή απόδοση. Ο ενισχυτής τάξης Α που χρησιμοποιείται, υλοποιείται από μία κλασική τοπολογία τριών σταδίων με το στάδιο εξόδου κατάλληλα πολωμένο, ώστε τα τρανζίστορ να βρίσκονται στην πιο γραμμική περιοχή λειτουργίας τους. Έτσι λοιπόν και με την εφαρμογή τοπικής και ολικής ανάδρασης παρουσιάζεται η ελάχιστη δυνατή παραμόρφωση. Ενώ έχει υψηλή γραμμικότητα, μειονεκτεί ο ενισχυτής τάξης Α στην απόδοση, αφού η κατανάλωση του είναι μεγάλη, μιας και τα τρανζίστορ του άγουν συνεχώς. Σε αντίθεση ο ενισχυτή τάξης D παρουσιάζει υψηλή απόδοση, χρησιμοποιώντας ΔΣ διαμόρφωση, για μετατροπή του σήματος σε ψηφιακό. Η μετατροπή του ψηφιακού σήματος σε αναλογικό στο στάδιο εξόδου γίνεται με ιδιαίτερα χαμηλές απώλειες ενέργειας. Αυτή όμως η μετατροπή του σήματος προσθέτει θόρυβο ο οποίος απαιτείται να φιλτραριστεί, ώστε να ανακτηθεί το σήμα. Παρά ταύτα η διαδικασία αυτή δεν είναι δυνατόν να αφαιρέσει το σύνολο του θορύβου, γι αυτό και ο ενισχυτής τάξης D παρουσιάζει αυξημένη παραμόρφωση. Στη τοπολογία ενισχυτή τάξης AD, ο ενισχυτής τάξης Α χρησιμοποιείται ως πηγή τάσης για να καθορίζει την τάση στην έξοδο, ενώ ο ενισχυτής τάξης D ως πηγή ρεύματος, παρέχοντας το μεγαλύτερο ποσοστό της ισχύος στο φορτίο. Έτσι εξασφαλίζεται η ελάχιστη δυνατή παραμόρφωση στην έξοδο και η παροχή ισχύος στο φορτίο με υψηλή απόδοση. Στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται μία προσπάθεια εξήγησης της χρησιμότητας των ενισχυτών ήχου, ακολουθούμενη από τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και τις απαιτούμενες προδιαγραφές. Στο 3 ο κεφάλαιο εξετάζεται και αναλύεται η δομή και λειτουργία του ενισχυτή τάξης Α και γίνεται υπολογισμός των βασικών παραμέτρων του κυκλώματος που υλοποιήθηκε. Στο 4 ο κεφάλαιο μελετάται η ΔΣ διαμόρφωση και γίνεται η περιγραφή του ενισχυτή τάξης D που την χρησιμοποιεί. Επίσης γίνονται υπολογισμοί χαρακτηριστικών μεγεθών του ενισχυτή. Στο 5 ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη και ο σχεδιασμό της τοπολογίας AD συνοδευόμενη από θεωρητική ανάλυση, αλλά και με παρουσίαση αποτελεσμάτων προσομοιώσεων. Στο 6 ο κεφάλαιο υπάρχει θεωρητικός υπολογισμός των αποδόσεων των ενισχυτών τάξης Α, D και AD. Στο 7 ο κεφάλαιο αναλύεται το μοντέλο του μεγαφώνου αντιστοιχίζοντας τα μηχανικοακουστικά μεγέθη με ηλεκτρικά. 11

12

13 Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου 2 Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου 2.1 Τι είναι ενίσχυση Οποιαδήποτε ακουστική πληροφορία καταγραφεί έχει αρχικά πολύ χαμηλό επίπεδο ηλεκτρικής στάθμης. Για παράδειγμα, τα επίπεδα σήματος που αποτελούν έξοδο από μικρόφωνα, μουσικά όργανα, πικαπ ή κεφαλές από μαγνητόφωνα έχουν τυπικά στάθμη που περιορίζεται στα μερικά millivolt. Σε σήματα με τόσο χαμηλές στάθμες πρέπει να αυξηθεί το πλάτος τους για να γίνουν χρήσιμα. Ενισχυτές τάσεις έχουν σχεδιαστεί ώστε να πραγματοποιούν ακριβώς αυτή την ενίσχυση, που καλείται προενίσχυση. Για τυπικές εφαρμογές ήχου, το επίπεδο σήματος θα προενισχυθεί στα 1 με 2 Volt RMS. Αυτό το επίπεδο καλείται στάθμη γραμμής και είναι το επίπεδο εξόδου σχεδόν κάθε συσκευής εξοπλισμού ήχου(π.χ. κασετόφωνα, CD players, ραδιόφωνα). Σε μερικούς ενισχυτές μουσικών οργάνων, η στάθμη γραμμής καλείται έξοδος προενισχυτή. Επιπροσθέτως, οι προενισχυτές περιλαμβάνουν επιπλέον κύκλωμα, που μπορεί και διαμορφώνει το σήμα ή το προσαρμόζει ανάλογα με τις ακουστικές προτιμήσεις του ακροατή, την ακουστική δωματίου και τα χαρακτηριστικά του συστήματος. Παραδείγματα από τέτοια κυκλώματα είναι οι ρυθμιστές τόνου, οι ισοσταθμιστές, η ενίσχυση μπάσων, η εισαγωγή αντήχησης, διάφορα φίλτρα ή και εισαγωγή φάσης. Οι προενισχυτές που χρησιμοποιούνται για επαγγελματικές ηχογραφήσεις και για δημόσιες ανακοινώσεις, μπορούν επίσης να ενσωματώνουν ρυθμιστές κατεύθυνσης ήχου, γραμμές εισαγωγής καθυστέρησης και ικανότητα για διαμόρφωση αρμονικών. Συσκευές εισόδου μπορούν να ρυθμίζονται να είναι σε λειτουργία και να μην είναι σε λειτουργία μέσω των κυκλωμάτων των προενισχυτών. Όλοι οι προενισχυτές είναι ενισχυτές τάσεις και η λειτουργία τους είναι να προετοιμάζουν και να ενισχύουν τη στάθμη της τάσης σε στάθμη γραμμής, για να το στείλουν στον ενισχυτή ισχύος. Σε αντίθεση ένας ακουστικός ενισχυτής ισχύος είναι σχεδιασμένος να ενισχύει το σήμα που βρίσκεται σε στάθμη γραμμής, σε αντίστοιχο υψηλού επιπέδου τάσης και ρεύματος, ικανό να οδηγήσει ένα χαμηλής εμπέδησης ηχείο (τυπικά στα 4 ή 8 ohms). Ένας υψηλής ποιότητας ενισχυτής ήχου πρέπει να είναι «διαφανής». Αυτό σημαίνει ότι η τάση στην έξοδο να είναι σχεδόν ακριβώς αναπαραγωγή της τάσης εισόδου, χωρίς να έχει γίνει καμία διαμόρφωση στις φάσεις, στην ακεραιότητα των αρμονικών, στην απόκριση στο χρόνο ή στη συχνότητα. Αν ένας τέλειος ενισχυτής ήχου θα μπορούσε να κατασκευαστεί η μόνη διαφορά ανάμεσα στο σήμα στάθμης γραμμής και στο σήμα που πάει στο ηχείο, θα ήταν απλά η αύξηση του πλάτους του. Κάθε άλλη διαφορά ανάμεσά τους αποτελεί παραμόρφωση. 2.2 Κοινωνική και οικονομική σημασία των ενισχυτών Είναι πολύ δύσκολο να φανταστεί κανείς τον κόσμο χωρίς την ενίσχυση ήχου. Κάθε ραδιόφωνο, τηλέφωνο και στερεοφωνικό σύστημα εμπεριέχει τουλάχιστον έναν ενισχυτή ήχου. Χωρίς αυτές τις συσκευές οι συνθήκες της κοινωνίας θα ήταν πολύ διαφορετικές. Χωρίς ενισχυτές ήχου διάσημοι τραγουδιστές θα μπορούσαν να ακούγονται μέχρι εκεί που φτάνει η δυνατότητα της φωνής τους και το κοινό τους σε κάθε συναυλία θα ήταν περιορισμένο. Κάποια είδη μουσικής μπορεί να μην υπήρχαν και όλα τα μουσικά όργανα θα έπρεπε να είναι ακουστικά και δεν θα υπήρχε λόγος να τα ηχογραφούμε, αφού δεν θα υπήρχε ενισχυτής για να τα αναπαράγει. Οι συνέπειες στην οικονομία θα ήταν ιδιαίτερα εμφανείς, αφού οι ακουστικοί ενισχυτές καταλαμβάνουν ουσιαστική θέση στην αγορά. Οι άνθρωποι στην σημερινή κοινωνία έχουν εκπαιδευτεί στον καλό ήχο και η ευαισθησία τους έχει αυξηθεί λογαριθμικά, έχοντας ολοένα και περισσότερες απαιτήσεις από ένα ακουστικό σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι είναι πρόθυμοι να καταβάλουν αρκετό χρηματικό ποσό για να έχουν αυτό που επιθυμούν. 13

14 Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου 2.3 Ακουστικός ενισχυτής ισχύος Το 1950 ο μεγαλύτερος ενισχυτής ισχύος ήταν ικανός να δώσει περίπου 80Watts RMS σε φορτίο 8ohm. Αυτοί ήταν οι κοινοί λαμπάτοι ενισχυτές, που χρησιμοποιούνταν στα θέατρα. Με το σωστό είδος ηχείων τα 80Watt ήταν περισσότερο από επαρκές για να ζωντανέψει ένα μεγάλο θέατρο. Το ίδιο ισχύει και σήμερα, με έναν αποδοτικό υψηλής ισχύος ενισχυτή ήχου με κατάλληλη ηχητική εγκατάσταση, ένας 50Watt RMS ενισχυτής μπορεί να παράγει ήχο στάθμης που φτάνει τα όρια της καταστροφής. Για έναν ενισχυτή ισχύος δεν έχει σημασία μόνο η ισχύς που μπορεί να δώσει, αυτό είναι ένα από τα χαρακτηριστικά του που λαμβάνονται υπόψη σε συνδυασμό με άλλα, που είναι η αξιοπιστία του, η απόδοση του και άλλα που θα αναφερθούν λεπτομερώς παρακάτω. 2.4 Απαιτήσεις από έναν ενισχυτή Ανάλογα με την εφαρμογή, ο κάθε ενισχυτής πρέπει να πληροί ορισμένες προδιαγραφές. Κατά την διάρκεια σχεδιασμού ενός ενισχυτή σε γενικές γραμμές λοιπόν, θα πρέπει να πληρούνται τα παρακάτω. Αρχικά ένας ενισχυτής, όπως άλλωστε κάθε ηλεκτρονική συσκευή, οφείλει να είναι ασφαλής για τον χρήστη καθώς επίσης και να είναι αξιόπιστη, δηλαδή να προσφέρει αυτό για το οποίο σχεδιάστηκε. Όσον αφορά την ισχύ εξόδου, η σχεδίαση θα πρέπει να γίνεται λαμβάνοντας υπόψη την απαιτούμενη ισχύ, τη φύση του φορτίου αλλά και το κόστος που συνδέεται άμεσα με αυτή. Είναι γνωστό ότι όσο η ισχύς αυξάνεται τόσο πιο δύσκολη είναι η απαγωγή της θερμότητας, επομένως απαιτούνται παράλληλα ζεύγη εξόδου. Συγχρόνως όσο η ισχύς εξόδου αυξάνεται χρειάζονται μεγαλύτεροι μετασχηματιστές τροφοδοσίας, οι οποίοι κοστίζουν. Οι οικιακοί ενισχυτές hi-fi κυμαίνονται συνήθως από 20W έως 150W στα 8 Ω και μπορούν να φτάσουν πολύ υψηλότερα. Οι ενισχυτές ήχου για επαγγελματική χρήση κυμαίνονται από 50 W, γι αυτούς που προορίζονται για χρήση πάνω στην σκηνή, ως 1kW ή και περισσότερο. Οι ενισχυτές πολύ υψηλής ισχύος δεν είναι πολύ δημοφιλείς, επειδή στηριζόμαστε σε μία μόνο συσκευή και η περίπτωση αποτυχίας θα ήταν καταστροφική. Αυτό δεν είναι στατιστικά αποδεδειγμένο, αλλά στηρίζεται σε μία καθολικά διαδεδομένη άποψη ότι οι υψηλής ισχύος ενισχυτές είναι εγγενώς λιγότερο αξιόπιστοι από άλλους. Εάν ένας ενισχυτής δίνει μία συγκεκριμένη μέγιστη ισχύ σε φορτίο 8Ω δεν θα δώσει ακριβώς την διπλάσια σε 4Ω φορτίο, όπως αναμένεται από μια ιδανική πηγή τάσης. Στην πραγματικότητα θα δώσει πολύ λιγότερο από αυτό λόγω των αυξημένων απωλειών στην δεύτερη περίπτωση, αφού η μέγιστη ισχύς είναι ανάλογη του τετραγώνου της τάσης. Τυπικά ένας ενισχυτής που δίνει 180W σε 8Ω, αναμένεται να αποδώσει 260W σε 4Ω και 350W σε 2Ω, αν μπορεί να οδηγήσει τόσο χαμηλό φορτίο. Αυτά είναι προσεγγιστικά νούμερα ανάλογα με την τροφοδοσία. Ο ενισχυτής πρέπει να σχεδιαστεί κατάλληλα, ώστε να μπορεί να αντιμετωπίσει την εμπέδηση του ηχείου που προορίζεται. Να σημειωθεί ότι, για ένα ηχείο ονομαστικής τιμής 8Ω, η εμπέδηση του κυμαίνεται έως τα 6Ω ανάλογα τη συχνότητα. Το πιο σημαντικό γεγονός που πρέπει να τονισθεί σχετικά με την ισχύ είναι ότι ο άνθρωπος δεν αντιλαμβάνεται την ακουστική ισχύ αλλά την πίεση. Επομένως θα πρέπει να τετραπλασιαστεί η ισχύς ώστε να διπλασιαστεί η ηχοστάθμη SPL (Sound Pressure Level): p rms 5 SPL = 20log 10 db, pref = 2 10 Pa p ref Όσον αφορά στην απόκριση συχνότητας αυτό που απαραιτήτως χρειάζεται είναι να υπάρχει μικρή διακύμανση ± 0.5dB στις ακουστικές συχνότητες δηλαδή από 20Hz έως 20kHz. Μεγαλύτερο εύρος ζώνης είναι επιθυμητό, διότι σε αρκετά μουσικά κομμάτια υπάρχουν υψηλότερες συχνότητες εξαιτίας απότομων (κρουστικών) φαινομένων, που εάν αποκοπούν είναι δυνατόν να προκαλέσουν παραμόρφωση αντιληπτή από το ανθρώπινο αυτί. Παρόλο που μία ηχητική πηγή μπορεί να περιέχει πληροφορία για πολύ χαμηλή συχνότητα μέχρι και 0Hz, συνηθίζεται η απόκριση να περιορίζεται περίπου στα 10Hz για λόγους προστασίας των ηχείων. 14

15 Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου Θα πρέπει η σχεδίαση να είναι τέτοια, ώστε να υπάρχει όσον δυνατόν λιγότερος θόρυβος στην έξοδο χωρίς να θέτει σε κίνδυνο άλλες παραμέτρους. Το επίπεδο του θορύβου μετριέται από τον λόγο του σήματος VSignal προς θόρυβο: SNR= 20log10. V noise Η παραμόρφωση πρέπει να είναι όσο δυνατόν λιγότερη, χωρίς αυτό να έχει επιπτώσεις κάπου αλλού. Η παραμόρφωση είναι ανεπιθύμητη και μέτρο της είναι THD (Total Harmonic Distortion). U % THD= 100, όπου U RMS ( i) είναι η RMS τιμή της i αρμονικής και U U θεμελιώδους αρμονικής. 2 RMS ( i) 2 RMS ( f0 ) RMS ( f0 ) η RMS τιμή της Tα ψηφιακά σήματα ήχου είναι σε θέση να αποδίδουν λιγότερο από 0.002% THD παραμόρφωση και δεν θα ήταν καλό να υποβαθμίζεται η ποιότητα στα τελευταία στάδια της ακουστικής αλυσίδας. Ο βαθμός ανύψωσης χαρακτηρίζει τη δυνατότητα του κυκλώματος να ανταποκριθεί γρήγορα στις αλλαγές του σήματος εισόδου. Μετριέται σε Volt/μsec και η μέγιστη τιμή της παραμέτρου είναι και η πλέον επιθυμητή και κυμαίνονται πρακτικά οι τιμές από 1 Volt/μsec έως 3000Volt/μsec. Η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή πρέπει να είναι όσο γίνεται μεγάλη, ώστε να το μεγαλύτερο ποσοστό της τάσης της πηγής να περάσει στην είσοδο του ενισχυτή. Επίσης, πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη για να μην απαιτείται μεγάλο ρεύμα από την πηγή. Οι ενισχυτές ήχου επιδιώκουν να έχουν μηδενική αντίσταση εξόδου σε όλο το φάσμα των συχνοτήτων, ώστε να λειτουργούν ως ιδανικές πηγές τάσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι η έξοδος του ενισχυτή μένει ανεπηρέαστη από το φορτίο, οπότε η εξαρτώμενη από την συχνότητα εμπέδηση των ηχείων δεν δίνει εξίσου μεταβλητή απόκριση συχνότητας. Μία πραγματικά μηδενική εμπέδηση είναι αδύνατη, ενώ μία προσέγγιση μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μεγάλη αρνητική ανάδραση. Ο συντελεστής απόσβεσης είναι το Rload κλάσμα της εμπέδησης φορτίου προς την εμπέδηση εξόδου. Damping factor = R Τέλος ένας ενισχυτής θα πρέπει να έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να μην επηρεάζεται η λειτουργία του από μεταβολές της θερμοκρασίας. Πολλές παράμετροι των τρανζίστορ είναι ευαίσθητες στις μεταβολές της θερμοκρασίας, οπότε μία τέτοια συσκευή που διαχειρίζεται μεγάλα ποσά ισχύος θα πρέπει να μπορεί να αποβάλλει την θερμοκρασία και να μην αλλοιώνουν οι μεταβολές της τη λειτουργία του. 2.5 Ενισχυτές ac-coupled και dc-coupled Όλοι οι ενισχυτές ισχύος είναι είτε AC-συζευγμένοι (coupled) είτε DC-coupled. Στο πρώτο είδος υπάρχει μία τροφοδοσία με την έξοδο πολωμένη στο μισό ανάμεσα στη τροφοδοσία και τη γη, ώστε να δίνει το μέγιστο δυνατό συμμετρικό πλάτος τάσης, γι αυτό χρησιμοποιείται ένας μεγάλος πυκνωτής σε σειρά με την έξοδο για να αποβάλλει την dc συνιστώσα. Το δεύτερο είδος έχει και αρνητική και θετική τροφοδοσία και η έξοδος είναι πολωμένη στα 0 Volt, άρα δεν απαιτείται αποβολή της dc συνιστώσας. Τα πλεονεκτήματα του ac-coupled ενισχυτή είναι: 1. Το offset της εξόδου είναι πάντα μηδέν εκτός κι αν εμφανίζει μικρή διαρροή ο πυκνωτής. 2. Είναι πολύ απλό να εμποδίσει μεταβατικά φαινόμενα να συμβούν μέσω καθαρά ηλεκτρονικών μέσων. Η έξοδος του ενισχυτή πρέπει να φτάσει μέχρι το μισό της τροφοδοσίας κατά το άνοιγμα και δεδομένου ότι αυτό γίνεται αρκετά αργά, δεν υπάρχει ηχητικά αντιληπτό μεταβατικό φαινόμενο. 3. Δεν απαιτείται προστασία απέναντι στα dc σφάλματα, δεδομένου ότι ο πυκνωτής εξόδου είναι επιλεγμένος να αντέχει την τάση τροφοδοσίας, ενώ στους dc-coupled απαιτείται ένα ακριβό και πιθανώς μη αξιόπιστο ρελέ εξόδου για προστασία των ηχείων. out 15

16 Τα πλεονεκτήματα του dc-coupled ενισχυτή είναι: 1. Δεν απαιτείται μεγάλος και ακριβός πυκνωτής εξόδου. Από την άλλη πλευρά η διπλή τροφοδοσία θα χρειαστεί έναν επιπλέον πυκνωτή όμοια ακριβό και μερικά ακόμα στοιχεία. 2. Κανονικά δεν θα έπρεπε να υπάρχει μεταβατικό φαινόμενο στην έξοδο κατά το άνοιγμα, εφόσον η συμμετρική τάση τροφοδοσίας δεν δημιουργεί την ανάγκη μετάβασης της εξόδου σε μία συγκεκριμένη τάση πόλωσης. Όμως πρακτικά οι διάφοροι πυκνωτές που χρησιμοποιούνται, για να διατηρήσουν τις τάσεις πόλωσης σταθερές και χωρίς κύμανση, είναι πιθανόν να κάνουν τις τάσεις σε διάφορα τμήματα του ενισχυτή να πάρουν την τελική τους τιμή σε διαφορετικό χρόνο και η μεταβατική απόκριση της εξόδου να γίνει αρκετά σημαντική. Αυτό μπορεί πολύ εύκολα να αντιμετωπιστεί με ένα ρελέ προστασίας, το οποίο θα συνδέει τον ενισχυτή με το φορτίο μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα μέχρι να παύσουν τα μεταβατικά φαινόμενα. 3. Παραμόρφωση που μπορεί να υπάρχει από τον πυκνωτή εξόδου, αποφεύγεται. Έχει αποδειχθεί ότι απαιτείται πολύ μεγάλος πυκνωτής εξόδου (τάξης μF), ώστε να μην υπάρχει πρόσθετη παραμόρφωση. Σε κάθε άλλη περίπτωση, υπάρχει παραμόρφωση κυρίως στις χαμηλές συχνότητες, αλλά και πιθανόν και στις μεσαίες. 4. Τα ρεύματα τροφοδοσίας είναι συμμετρικά, οπότε μικρό ποσοστό αυτών περνά στη γείωση. Έτσι αποφεύγεται σημαντική παραμόρφωση και φαινόμενα παρεμβολών. 16

17 Ενισχυτής Τάξης Α 3 Ενισχυτής Τάξης Α 3.1 Εισαγωγή Υπάρχει μία ελκυστική απλότητα και καθαρότητα στον τάξης Α ενισχυτή, γι αυτό δεν υπάρχουν πολλά είδη παραμορφώσεων που συναντώνται σε άλλους τύπους. Η γραμμικότητά του οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι τα τρανζίστορ άγουν συνεχώς και είναι πολωμένα στο πιο γραμμικό τμήμα της χαρακτηριστικής τους καμπύλης. Όπως φαίνεται από το σχήμα 3-1, που δείχνει το ρεύμα συλλέκτη ενός τρανζίστορ συναρτήσει της τάσης συλλέκτη εκπομπού, το τρανζίστορ πολώνεται στη μέση της γραμμικής περιοχή λειτουργιάς. 3-1 Χαρακτηριστική καμπύλη τρανζίστορ Το μόνο πραγματικό μειονέκτημά του είναι ότι δεν είναι αποδοτικός. Αυτό του το μειονέκτημα όμως καθιστά απαγορευτική τη χρήση του σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ισχύ ή χαμηλή κατανάλωση. 3.2 Στάδια Ενισχυτή 3-2 Αρχιτεκτονική τριών σταδίων Η συντριπτική πλειοψηφία ενισχυτών ήχου χρησιμοποιούν την συμβατική αρχιτεκτονική, που παρουσιάζεται στο δίπλα σχήμα 3-2. Υπάρχουν τρία στάδια, το πρώτο είναι ένα στάδιο εισόδου/διαγωγιμότητας (παίρνει τάση, βγάζει ρεύμα), το δεύτερο είναι το στάδιο διαντίστασης (παίρνει ρεύμα, βγάζει τάση) και το τρίτο είναι το στάδιο εξόδου. Το δεύτερο στάδιο έχει αποκλειστικά το ρόλο παροχής του κέρδους τάσης και καλείται στάδιο ενίσχυσης τάσης. Αυτή η αρχιτεκτονική τριών σταδίων έχει αρκετά πλεονεκτήματα και κυρίως είναι εύκολο να ρυθμιστούν οι παράμετροι, ώστε να υπάρχει αμελητέα αλληλεπίδραση μεταξύ των τριών σταδίων. 17

18 Ενισχυτής Τάξης Α Στα τρανζίστορ εμφανίζονται μη-γραμμικότητες που οφείλονται στη μετάβαση αυτών από την περιοχή αποκοπής στην ενεργό περιοχή. Όμως στον ενισχυτή τάξης Α αυτές αποφεύγονται μιας και το ρεύμα ρέει συνεχώς προς τα τρανζίστορ εξόδου. Υπάρχουν δύο είδη ενισχυτών και αν και συνήθως δεν αναφέρεται ποιος από τους δύο χρησιμοποιείται, δουλεύουν εντελώς διαφορετικά. Η πρώτη κατηγορία έχει στο στάδιο εξόδου ένα τάξης Β στάδιο (δηλαδή δύο κοινού συλλέκτη τρανζίστορ δουλεύοντας back-to-back), που με αυξανόμενη θετική πόλωση τάσης το ρεύμα ρέει επαρκώς, έτσι ώστε κανένα τρανζίστορ να μην είναι στην αποκοπή, κάτω από φυσιολογικό φορτίο. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης είναι ότι δεν θα ξεμείνει ποτέ από ρεύμα η έξοδος. Αν όμως η εμπέδηση του φορτίου γίνει πολύ χαμηλή το τάξης Β στάδιο εξόδου γίνεται τάξης ΑΒ, ελπίζοντας ότι θα υπάρχει η λιγότερη δυνατή παραμόρφωση. Το άλλο είδος μπορεί να ονομαστεί πηγής ελεγχόμενου ρεύματος, που είναι ουσιαστικά ένας ακόλουθος εκπομπού, ένας κοινός συλλέκτης με ενεργό φορτίο, που προσφέρει επαρκές ρεύμα. Αν αυτό το τελευταίο ξεμείνει από την δυνατότητα να παρέχει ρεύμα οδηγεί την έξοδο σε ψαλιδισμό σαν να μην έχει την δυνατότητα να φτάσει την απαιτούμενη τάση. Αυτό το στάδιο εξόδου απαιτεί μία σαφή ιδέα για το πόσο χαμηλά μπορεί να φτάσει η εμπέδηση του φορτίου, που θα κληθεί να οδηγήσει. Παρακάτω αναφέρονται τρία πιθανά στάδια εξόδου. 3.3 Στάδια Εξόδου Η πιο απλή δομή σταδίου εξόδου φαίνεται στο σχήμα 3-3 με ένα μόνο τρανζίστορ και φορτίο αντίσταση. Όσο το ρεύμα εξόδου αυξάνεται, υπάρχει μια αναπόφευκτη πτώση τάσης στην αντίσταση εκπομπού περιορίζοντας την αρνητική τάση, που μπορεί να εμφανιστεί στην έξοδο. Η απόδοση που παρουσιάζει αυτή η τοπολογία περιορίζεται στο 12,5%, ιδιαίτερα χαμηλή χωρίς πρακτικό ενδιαφέρον. 18 IQ V+ V RLOAD 3-4 Στάδιο εξόδου με πηγή συνεχούς ρεύματος Μια επόμενη τοπολογία που παρουσιάζει περισσότερα πλεονεκτήματα είναι μία συμπληρωματική λειτουργία (push-pull) σχήμα 3-5. Λειτουργεί αποτελεσματικά σε καθαρό στάδιο τάξης Α εάν η τάση πόλωσης, άρα και το ρεύμα ηρεμίας αυξηθεί αρκετά. Το μεγάλο πλεονέκτημα του είναι ότι εάν έρθει αντιμέτωπος με απρόσμενα μικρή τιμή εμπέδησης φορτίου θα λειτουργεί ως τάξης ΑΒ με αποτέλεσμα να αποφευχθεί ο ψαλιδισμός της τάσης εξόδου. 3-3 Στάδιο εξόδου με αντίσταση εκπομπού Μία εναλλακτική τοπολογία παρουσιάζεται στο σχήμα 3-4, είναι μία καλύτερη μέθοδος από την προηγούμενη με τη χρήση πηγής συνεχούς ρεύματος στη θέση της αντίστασης εκπομπού. Το ρεύμα που ρέει μέσα από την πηγή ρεύματος, δεν εξαρτάται από την τάση στα άκρα της πηγής και έτσι η τάση εξόδου μπορεί να προσεγγίζει την αρνητική τάση τροφοδοσίας με ένα πρακτικό ρεύμα ηρεμίας (Ι Q ). Η μέγιστη απόδοση που επιτυγχάνεται μπορεί να φτάσει 25% για μέγιστη έξοδο. 3-5 Στάδιο εξόδου push-pull

19 Ενισχυτής Τάξης Α 3.4 Θεωρητική Ανάλυση Για να πραγματοποιηθεί η ανάλυση των σημαντικών παραμέτρων του ενισχυτή, χρησιμοποιείται το εξής απλοποιημένο μοντέλο ενισχυτή τριών σταδίων, που φαίνεται στο σχήμα 3-6. Θεωρείται ότι οι πηγές ρεύματος είναι ιδανικές, ότι έχουν δηλαδή άπειρη αντίσταση εισόδου. U2 Ra Q1 Q3 Q2 U1 Rb Q4 Q5 +VCC Uo R L I1 I2 I3 VEE 3-6 Απλοποιημένο μοντέλο ενισχυτή τριών σταδίων Αντίσταση Εισόδου 3-7 Μοντέλο μικρού σήματος Για να υπολογιστεί η αντίσταση εισόδου, γίνεται ac ανάλυση με τη βοήθεια του σχήματος 3-7. Η διαφορική αντίσταση εισόδου R του ενισχυτή είναι ίση με την αντίσταση ID εισόδου του διαφορικού ζεύγους, η οποία δίνεται από τη σχέση: R ID vid = = 2r i id π 2 R = 2r = 2r ID π 2 π Υπολογισμός Κέρδους Τάσης Ανοιχτού Βρόχου Με βάση το μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος, που ακολουθεί στο σχήμα 3-8, η ολική απολαβή του ενισχυτή μπορεί να εκφραστεί: A = A1 A2 A3 Το πρώτο στάδιο είναι στάδιο διαγωγιμότητας, δέχεται είσοδο τάση και έχει έξοδο ρεύμα. Το κέρδος είναι ο λόγος ρεύματος προς τάση: 3-8 Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα για υπολογισμό αντίστασης συλλέκτη δεύτερης βαθμίδας A= 1 g m 1 2 Στο δεύτερο στάδιο, μέσω του καθρέφτη ρεύματος, που υλοποιείται από τα Q 3 και Q 4, το ρεύμα του συλλέκτη του Q 1, το καθρεφτίζεται ICQ 1 στο ρεύμα του συλλέκτη του Q 4, το I CQ 4. Ο λόγος των ρευμάτων μπορεί να καθοριστεί από τις αντιστάσεις R και R. Η τάση στην έξοδο του δεύτερου σταδίου καθορίζεται από την αντίσταση που βλέπει στο συλλέκτη το Q 4. Το κέρδος του δεύτερου σταδίου είναι: a b 19

20 Ενισχυτής Τάξης Α A= a( R ( r + R )) ( r + ( β+ 1)( R R r )) = a( r ( r + ( β+ 1) R )) 2 2 o4 b π 5 3 L o5 o4 π 5 L R, R θεωρούνται άπειρες. Όπου a Οι 2 3 τα Q3, Q 4. ο λόγος των ρευμάτων του καθρέφτη ρεύματος που υλοποιείται από ( β o5 + 1) RL Το τρίτο στάδιο έχει κέρδος περίπου A3 = 1. r + ( β + 1) R π 5 o5 gm 1 Συνολικά είναι: A = a( r04 ( rπ 5 + ( β + 1) RL ). Η απολαβή του ενισχυτή δεν εξαρτάται άμεσα από την 2 επιλογή των τάσεων τροφοδοσίας, θα πρέπει όμως η τάση της τροφοδοσίας να είναι επαρκής ώστε να μην υπάρχει ψαλιδισμός. L Αντίσταση Εξόδου Για να υπολογιστεί η αντίσταση εξόδου θεωρούμε το διπλανό απλοποιημένο ac μοντέλο του σταδίου εξόδου, του σχήματος 3-9. Έστω ότι υπάρχει μία τάση Utest στον εκπομπό του Q 5, το ρεύμα που θα περάσει Itest θα είναι: I I test Utest = gmu π + ( r + r ) r π 5 o4 o5 π 5 test test = gmu test + ( rπ 5 + ro 4) ( rπ 5 + ro 4) ro 5 U I Η test test r 1 = β 1 + r + r ( r + r ) r U π 5 o4 π 5 o4 o5 R out πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη CMRR CMRR (Common mode rejection ratio) είναι ο λόγος του κέρδους για διαφορική είσοδος προς το κέρδος για κοινή είσοδο μετρούμενο σε db. Από το διπλανό σχήμα 3-10, το ισοδύναμο για ac ανάλυση γίνονται οι παρακάτω υπολογισμοί: I = g U π c1 m1 U = U + U ic π U U = ( g U + )2R e e π m1 π 1 rπ Απλοποιημένο ac μοντέλο του σταδίου εξόδου 3-10 Απλοποιημένο ac ισοδύναμο για εύρεση κέρδους κοινού τρόπου 20

21 Ενισχυτής Τάξης Α 2R1 Uic Uic = Uπ (1 + gm 12 R1 + ) Uπ = r 2R π 1 1+ gm 12R1 + r U U U I = g = g g ic ic ic c1 m1 m1 m1 2R g (1 ) R gm m R + + R gm + + r π 1 β gm R g CMRR= = gm R g 1 m1 1 m1 1 π1 Όσο μεγαλύτερο είναι το CMRR τόσο πιο πολύ απορρίπτεται η κοινή είσοδος, γι αυτό χρειάζεται μεγάλη αντίσταση εξόδου πηγής ρεύματος DC ανάλυση Ο σκοπός της dc ανάλυσης είναι να καθοριστούν οι τάσεις και τα ρεύματα πόλωσης. Όπως έχει φανεί από την ac ανάλυση, το σημείο λειτουργίας των τρανζίστορ των διαφόρων σταδίων, παίζει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό βασικών παραμέτρων λειτουργίας του ενισχυτή. Εφόσον ο ενισχυτής συνδέεται με το φορτίο απευθείας και όχι μέσω πυκνωτή σύζευξης πρέπει να προσδιοριστούν τα dc ρεύματα και τάσεις, ώστε η τάση στην έξοδο να είναι μηδέν για μηδενική είσοδο. Η ανάλυση γίνεται σύμφωνα με το σχήμα 3-6. Με δεδομένο το ρεύμα πόλωσης του τρανζίστορq 1, γίνεται γνωστό το ρεύμα στο συλλέκτη του Q 4. Για να είναι η τάση εξόδου V o= 0 πρέπει IEQ5= I3. Έτσι υπολογίζεται το επιθυμητό ρεύμα βάσης του Q 5. Με γνωστά τα ρεύματα βάσης του Q 5 και συλλέκτη του Q 3 ρυθμίζεται κατάλληλα το ρεύμα της πηγής I Ανάδραση Στους ενισχυτές χρησιμοποιείται αρνητική ανάδραση για να επιτύχουμε τα εξής αποτελέσματα: 1. Απευαισθητοποίηση του κέρδους. Η τιμή του κέρδους γίνεται λιγότερο ευαίσθητη στις μεταβολές των τιμών των κυκλωματικών στοιχείων. 2. Μείωση της μη γραμμικής παραμόρφωσης. Η έξοδος γίνεται ανάλογη της εισόδου, το κέρδος γίνεται σταθερό, ανεξάρτητο από το επίπεδο του σήματος. 3. Μείωση του θορύβου. Έτσι ελαχιστοποιείται η συνεισφορά στην έξοδο μη επιθυμητών ηλεκτρικών σημάτων, που μπορεί να προέρχονται από τα στοιχεία του κυκλώματος ή και από εξωτερικές παρεμβολές. 4. Έλεγχος των αντιστάσεων εισόδου και εξόδου. Μπορούμε να αυξήσουμε ή να μειώσουμε τις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου με επιλογή της κατάλληλης τοπολογίας ανάδρασης. 5. Αύξηση του εύρους ζώνης ενός ενισχυτή. Στο σχήμα 3-11, που ακολουθεί, φαίνεται η βασική δομή ενός ενισχυτή με ανάδραση. Είναι ένα διάγραμμα ροής, όπου το κάθε x μπορεί να αντιπροσωπεύει είτε ένα σήμα τάσης είτε ένα σήμα ρεύματος. 21

22 Ενισχυτής Τάξης Α 3-11 Ενισχυτής με ανάδραση Ο ενισχυτής ανοιχτού βρόχου έχει κέρδος Α. Επομένως η έξοδος x o συνδέεται με την είσοδο x i με τη σχέση: xo= Axi Η έξοδος x o τροφοδοτείται όχι μόνο στο φορτίο, αλλά και στο δίκτυο ανάδρασης, το οποίο παρέχει ένα δείγμα του σήματος εξόδου. Αυτό το δείγμα x f σχετίζεται με το x o μέσω του συντελεστή ανάδρασης β: x = β x f o Το σήμα ανάδρασης x f αφαιρείται από το σήμα της πηγής x s, που είναι το σήμα εισόδου στον πλήρη ενισχυτή με ανάδραση, για να δημιουργήσει το σήμα x i, το οποίο είναι και το σήμα εισόδου στο βασικό ενισχυτή: xi= xs x f Στην ουσία, η αρνητική ανάδραση μειώνει το σήμα που εμφανίζεται στην είσοδο του βασικού xo A ενισχυτή. Το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση είναι: Af= = x 1 + Aβ Η ποσότητα Αβ καλείται κέρδος βρόχου. Για να είναι η ανάδραση αρνητική, το κέρδος βρόχου Α β πρέπει να είναι θετικό, πρέπει δηλαδή το σήμα ανάδρασης x f να έχει το ίδιο πρόσημο με το xs και να δίνει μετά την αφαίρεση ένα μικρότερο σήμα διαφοράς x i. Για θετικό Α β το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση είναι μικρότερο του κέρδους ανοιχτού βρόχου A κατά την ποσότητα 1+ Aβ, η οποία καλείται ποσό ανάδρασης. Παρακάτω στο σχήμα 3-12 που ακολουθεί είναι το ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή με ανάδραση σειρά-παράλληλα. s 3-12 Ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή με ανάδραση σειράς-παράλληλα 22

23 Οι Rif και Ενισχυτής Τάξης Α R of αντιπροσωπεύουν τις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου όταν υπάρχει η ανάδραση. Παρατηρώντας το σχήμα προκύπτει η παρακάτω σχέση για την V V V V+β AV R = = = R = R s s s i i if i i I V i i Vi Vi R i Επομένως: R = R (1 + Aβ ) if i R if και την Στην περίπτωση που έχουμε αρνητική ανάδραση η αντίσταση εισόδου αυξάνεται κατά έναν παράγοντα ίσο με το ποσό της ανάδρασης 1+ Aβ. Για να βρεθεί η αντίσταση εξόδου εφαρμόζουμε μία τάση ελέγχου V t στην έξοδο. R of Vt = I R of. R of του ενισχυτή με ανάδραση, θέτουμε τη V s στο μηδέν και Vt AVi Και από το σχήμα 3-12 μπορούμε να γράψουμε: I= και αφού V= s 0 είναι: R V= V = βv = βv i f o t Vi+ AβVt Άρα: I= που οδηγεί στην: R R o of Ro = 1 + Aβ Στην περίπτωση που έχουμε αρνητική ανάδραση η αντίσταση εξόδου ελαττώνεται κατά έναν παράγοντα ίσο με το ποσό της ανάδρασης 1+ Aβ. 3.5 Ανάλυση Κυκλώματος Περιγραφή Κυκλώματος Σύμφωνα με το σχήμα 3-13 που ακολουθεί, γίνεται περιγραφή του κυκλώματος του ενισχυτή που σχεδιάστηκε στο pspice. Τα τρανζίστορ Q4, Q 5 αποτελούν το διαφορικό ζεύγος εισόδου. Το Q8 τρανζίστορ παίζει το ρόλο του σταδίου ενίσχυσης τάσης. Το ζεύγος Q12, Q 13, που είναι τα τρανζίστορ εξόδου, είναι ένα ζεύγος Darlington που δίνουν υψηλό κέρδος ρεύματος. Το κύκλωμα γύρω από τρανζίστορ Q 9 με την χρήση των τεσσάρων διόδων υλοποιεί μία πηγή σταθερού ρεύματος. Τα τρανζίστορ Q11, Q 6 υλοποιούν ένα καθρέφτη ρεύματος, που αναπαράγουν το σταθερό ρεύμα της πηγής που υλοποιείται με το Q 9, όπως αναφέρθηκε. Το ρεύμα του συλλέκτη του τρανζίστορ Q 6 είναι το ρεύμα του διαφορικού ζεύγους. Τα τρανζίστορ Q11, Q 15 υλοποιούν επίσης ένα καθρέφτη ρεύματος, όπου καθρεφτίζεται το ρεύμα της σταθερής πηγής. Το ρεύμα του συλλέκτη του τρανζίστορ Q 15 είναι το ρεύμα πόλωσης του σταδίου ενίσχυσης τάσης. Το τρανζίστορ Q 10 όπως και το Q9 είναι μια πηγή σταθερού ρεύματος. Με βάση το ρεύμα του Q10 τα τρανζίστορ Q3 μαζί με τα Q1, Q2 που είναι ένα ζεύγος Darlington λειτουργούν ως πηγή σταθερού ρεύματος και παράγουν το επιθυμητό ρεύμα του σταδίου εξόδου. o 23

24 Ενισχυτής Τάξης Α 3-13 Σχέδιο ενισχυτή τάξης Α Οι αντιστάσεις R12, R 13 αποτελούν το δίκτυο ανάδρασης και μέσω αυτών καθορίζεται το κέρδος του ενισχυτή. Η εφαρμογή ανάδρασης σε έναν ενισχυτή μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα αστάθειας. Η θετική ανάδραση προκαλεί ανεπιθύμητες ταλαντώσεις. Ακόμα όμως και στην περίπτωση εφαρμογής αρνητικής ανάδρασης υπάρχει το ενδεχόμενο αστάθειας, εάν η έξοδος είναι μετατοπισμένη κατά 180 o, σε σχέση με την είσοδο, κάτι που ισοδυναμεί με θετική ανάδραση. Για να αποφευχθεί η αστάθεια σε αυτήν την περίπτωση, πρέπει να εξασφαλισθεί ότι στη συχνότητα που η φάση θα έχει γίνει 180 o, το κέρδος θα είναι μικρότερο από 0dB. Γι αυτό στο δίκτυο της ανάδρασης τοποθετείται ο πυκνωτής C με τέτοιο τρόπο, ώστε στις συχνότητες μέχρι το επιθυμητό εύρος ζώνης το κέρδος να είναι το προσδοκώμενο, ενώ στις υψηλές συχνότητες να εμφανίζεται συνεχόμενη μείωση του κέρδους Υπολογισμός Βασικών Παραμέτρων gm A Υπολογισμός ανοιχτού βρόχου: A1= = V = + β+ = A2 a( r04 ( rπ 5 ( 1) RL )) 4.2k A 24 V Για τον υπολογισμό τους κέρδους δευτέρου σταδίου χρησιμοποιήθηκαν οι σχέσεις για Darlington ζεύγος: ro 13 r = 2β r, r= r π ο13 π12 A= 3 1 o o12 Συνολικά το κέρδος είναι: β ο 12 A= 1176 V V x

25 Ενισχυτής Τάξης Α gm Αντίσταση εισόδου: rin = 2r π = 2 = 1321Ω β Αντίσταση εξόδου: r out = β 1 = Ω + r + r ( r + r ) r π 5 o4 π 5 o4 o Επίδραση του δικτύου ανάδρασης στις θύρες του ενισχυτή Το σχήμα 3-14 χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί η επίδραση του φορτίου του δικτύου ανάδρασης. Η επίδραση του φορτίου του δικτύου ανάδρασης ( R 11 ) λαμβάνεται στην είσοδο βραχυκυκλώνοντας τη θύρα δύο του δικτύου ανάδρασης. Αντίστοιχα η επίδραση του φορτίου του δικτύου ανάδρασης ( R 22 ) λαμβάνεται στην έξοδο ανοιχτοκυκλώνοντας τη θύρα ένα του δικτύου ανάδρασης. R 11 = 909.1Ω R22 = 11kΩ Είναι: r R A = A = r R R r R R + R β= 13 = in L open _ loop in + 11 L + out 0.09 Οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου: Rinf = ( r + R11 )(1 + Aβ ) = 142kΩ R r R R 1+ Aβ out L 22 outf = = 22mΩ A Το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση γίνεται: Af= = Aβ 1+ 2R1 g 1 Το CMRR υπολογίζεται: CMRR= 20 log m = 113dB 2 Όπου R1 = (1 + g ( R r )) r = 580kΩ m E π o in 25

26 Ενισχυτής Τάξης Α Περιγραφή Λειτουργίας Στο παρακάτω σχήμα 3-15 φαίνεται τάση της εξόδου και της εισόδου του ενισχυτή τάξης Α στο χρόνο. Παρατηρείται η υψηλή γραμμικότητα που παρουσιάζει ενισχυτής. 3.0V 2.0V 1.0V -0.0V -1.0V -2.0V -3.0V 0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0ms v(in) v(out) Time Ακολουθεί στο σχήμα 3-16 η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή, το κέρδος του δηλαδή και η φάση. Το κέρδος γίνεται 0dB περίπου στα 47 ΜΗz όπου η φάση είναι στα 155 ο Η είσοδος και η έξοδος του ενισχυτή Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHz db(v(out)/v(in)) p(v(out)) Frequency 3-16 Απόκριση συχνότητας και φάση του ενισχυτή Τέλος φαίνεται στο σχήμα 3-17 το κέρδος δικτύου ανάδρασης. Παρατηρείται ότι η απόκριση συχνότητας που παρουσιάστηκε παραπάνω, οφείλεται στον περιορισμό του κέρδους στις υψηλές συχνότητες από τον πυκνωτή του δικτύου ανάδρασης. 26

27 Ενισχυτής Τάξης Α Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHz db(v(out)/vb(q5)) Frequency 3-17 Κέρδος δικτύου ανάδρασης 27

28

29 Ενισχυτής Τάξης D 4 Ενισχυτής Τάξης D 4.1 Διαμόρφωση ΔΣ Η ΔΣ ή ΣΔ διαμόρφωση είναι μία μέθοδος μετατροπής ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό σήμα, σε ακολουθία από μηδενικά και άσσους. Ο διαμορφωτής λειτουργεί χρησιμοποιώντας ανάδραση, ώστε με τη μέτρηση της διαφοράς των δυο σημάτων να βελτιώνεται το σφάλμα της μετατροπής. Το ψηφιακό σήμα στην έξοδο αλλάζει πιο γρήγορα από το αναλογικό και μπορεί να φιλτραριστεί για να πάρει την αρχική του μορφή με μικρή παραμόρφωση. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται στα σύγχρονα ηλεκτρονικά κυκλώματα, όπως αναλογικοψηφιακούς μετατροπείς (ADCs, DACs), συνθέτες συχνοτήτων, παλμοτροφοδοτικά. Μία πολύ διαδεδομένη εφαρμογή του ΔΣ-διαμορφωτή είναι σε ακουστικές εφαρμογές, όπου το ψηφιακό ακουστικό σήμα μετατρέπεται σε αναλογικό, το οποίο ενισχύεται και οδηγείται στο μεγάφωνο. Επειδή το μεγαλύτερο τμήμα του διαμορφωτή αποτελείται από ψηφιακά κυκλώματα, έχει μικρό κόστος κατασκευής. Εξαιτίας του γεγονότος ότι η έξοδος του διαμορφωτή έχει δύο στάθμες συνήθως, η δημιουργία του αναλογικού σήματος εξόδου έχει υψηλή ενεργειακή απόδοση, κάτι που θα εξηγηθεί σε επόμενο κεφάλαιο. Οι ΔΣ-διαμορφωτές παρουσιάζουν χαμηλό κόστος, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και υψηλή πιστότητα, αιτίες που τους κάνουν ιδιαίτερα δημοφιλείς. Οι ψηφιακοί παλμοί που παράγονται στην έξοδο του ΔΣ-διαμορφωτή έχουν διάρκεια ανάλογη με την αναλογική τιμή στην είσοδο. Η μέση τιμή των παλμών αυτών σε συγκεκριμένο διάστημα χρόνου είναι και αυτή λοιπόν ανάλογη με την τιμή της εισόδου. 4.2 Το κύκλωμα του ΔΣ διαμορφωτή Η βασική δομή του ΔΣ διαμορφωτή είναι αυτή που φαίνεται στο σχήμα Βασική δομή του ΔΣ Τα δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται είναι ένας αφαιρέτης, ένας ολοκληρωτής, ένας κβαντοποιητής και ένας δειγματολήπτης. Στο παραπάνω διάγραμμα το flip-flop παίζει το ρόλο του κβαντοποιητή καθώς και του δειγματολήπτη μιας και σε κάθε κύκλο του ρολογιού βγάζει στην έξοδό του λογική στάθμη 0 ή 1. Ο αφαιρέτης υπολογίζει τη διαφορά της εξόδου από την είσοδο και στη συνέχεια η διαφορά αυτή, δηλαδή το σφάλμα, περνάει στον ολοκληρωτή. Άρα η νέα τιμή της εξόδου του διαμορφωτή εξαρτάται κάθε φορά από το ολοκλήρωμα του σφάλματος μέχρι την τρέχουσα στιγμή. Επειδή οι στάθμες τάσης των κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται είναι διαφορετικές γίνεται αναπροσαρμογή στα επίπεδα τάσης που πρέπει και το κύκλωμα παίρνει την εξής μορφή που φαίνεται στο σχήμα 4-2: 29

30 Ενισχυτής Τάξης D 4-2 Δομή ΔΣ με συγκριτή Έχει προστεθεί ένας συγκριτής, ο οποίος λειτουργεί ως μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό του ενός bit. Συγκρίνει την αναλογική τιμή με μία σταθερή τάση και ανάλογα βγάζει στην έξοδό του λογική στάθμη μηδέν ή ένα. Ο μετατροπέας ενός bit ψηφιακού σε αναλογικό που προστέθηκε, έχει σκοπό να προσαρμόσει την τάση εξόδου του flip-flop στα επίπεδα τάσης της εισόδου. 4-3 Δομή ΔΣ 4.3 Αριθμητικό παράδειγμα Γίνεται η υπόθεση ότι ο ολοκληρωτής έχει σταθερά χρόνου την περίοδο του ρολογιού. Οπότε για είσοδο του ολοκληρωτή ίση με 1, μετά από μία περίοδο ρολογιού προκαλείται αύξηση της εξόδου του ολοκληρωτή κατά 1. Ο συγκριτής συγκρίνει με τα 0V και βγάζει στην έξοδο λογική στάθμη 1 για θετικές τιμές εισόδου και λογική στάθμη 0 για αρνητικές τιμές. Ο συγκριτής πριν την έξοδο μετατρέπει την στάθμη του flipflop από 0/1 σε -25V/+25V. Έστω ότι η είσοδος έχει την τιμή 5V, η έξοδος του ολοκληρωτή είναι 0 και η έξοδος του flip-flop επίσης 0. Μία περίοδο του ρολογιού αργότερα η είσοδος του ολοκληρωτή θα είναι 5, θα προστεθεί σε αυτή η τιμή 0 30

31 Ενισχυτής Τάξης D και θα βγάλει έξοδο 5V, τα οποία θα είναι είσοδος στο flip-flop και τα θα συγκριθούν με τα 0V και θα προκύψει η τιμή 1 στην έξοδο του flip-flop και τελικά 25V στην έξοδο. Αυτά τα 25V θα πάνε στον αφαιρετή να αφαιρεθούν από την είσοδο. Με τον ίδιο τρόπο συνεχίζει και ενδεικτικά παρουσιάζονται κάποιες τιμές στον πίνακα 1. Sum Integrator Out Flip-flop new output Output Πίνακας 1 Αριθμητικό παράδειγμα Παρατηρείται ότι η ακολουθία «10101» επαναλαμβάνεται ίδια στη συνέχεια. Αυτό είναι λογικό καθώς αν υπολογιστεί η μέση τιμή αυτής της ακολουθίας (κατωδιαβατό φίλτρο) τότε προκύπτει τιμή ίση με την είσοδο στην οποία αντιστοιχεί. T 1 1 FilteredOutput= Output dt ( ) V 5 V T = + + = Ενισχυτής τάξης D με ΔΣ διαμόρφωση Η ΔΣ διαμόρφωση βρίσκει εφαρμογή και στην κατασκευή ενισχυτών τάξεως-d. Για να οδηγήσει ένας ενισχυτής ένα μεγάφωνο, το οποίο εμφανίζει μικρή εμπέδηση χρειάζεται σχεδίαση κατάλληλου σταδίου εξόδου. Στους ενισχυτές τάξεως-d χρησιμοποιείται μία διάταξη διακοπτικών στοιχείων. Το ρόλο των διακοπτικών στοιχείων παίζουν συνήθως τα mosfet, παλιότερα χρησιμοποιήθηκαν λυχνίες και bipolar τρανζίστορ. Τα mosfet θα βρίσκονται μεταξύ των καταστάσεων cut-off και saturation, όπου εμφανίζεται πολύ μικρή αντίσταση αγωγής, κάτι που παρατηρείται και στο σχήμα 4-5 που ακολουθεί. Έτσι, επιτυγχάνεται η μεγάλη ενεργειακή απόδοση λόγω των μικρών ωμικών απωλειών. Η απόδοση του ενισχυτή τάξεως-d θα εξηγηθεί σε επόμενο κεφάλαιο. 4-4 Διάταξη διακοπτικών στοιχείων 31

32 Ενισχυτής Τάξης D 4-5 Χαρακτηριστική καμπύλη αντίστασης των MOSFET 4.5 Διάταξη Mosfet Οι τάξης D ενισχυτές μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο τοπολογίες, μισής γέφυρας και ολόκληρης γέφυρας, ανάλογα με την τοπολογία των διακοπτικών στοιχείων στην έξοδο. Στην half-bridge τοπολογία είτε άγει το Q 1 είτε το Q 2. Στην full-bridge τοπολογία άγουν είτε το Q 1 και το Q 3 και είτε το Q 2 και το Q Τοπολογία μισής γέφυρας Κάθε τοπολογία έχει τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματά της. Η half-bridge τοπολογία είναι ουσιαστικά πιο απλή, ενώ η full-bridge είναι ιδανικότερη για ακουστικές εφαρμογές. Η full-bridge τοπολογία απαιτεί δύο half-bridge, επομένως περισσότερα στοιχεία άρα και υλικό. Ωστόσο η διαφορετική δομή εξόδου της τοπολογίας full-bridge μπορεί να ακυρώσει παραμορφώσεις, όπως τις αρμονικές συνιστώσες άρτιας τάξης και τα DC offsets. Μία full-bridge τοπολογία επιτρέπει τη χρήση Τοπολογία ολόκληρης γέφυρας

33 Ενισχυτής Τάξης D μιας καλύτερης PWM διαμόρφωσης, όπως π.χ. τρία επίπεδα PWM, γεγονός που προσφέρει λιγότερα σφάλματα κατά την διαδικασία της κβαντοποίησης. Στην half-bridge τοπολογία ενδεχομένως να επηρεάζεται η τροφοδοσία λόγω της ενέργειας που επιστρέφεται πίσω από τον ενισχυτή, με αποτέλεσμα σοβαρές διακυμάνσεις της τάσης στις γραμμές τροφοδοσίας, όταν ο ενισχυτής στέλνει χαμηλής συχνότητας σήματα στο φορτίο. Αυτή η επιστρεφόμενη ενέργεια είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό του τάξης-d ενισχυτή. Σε αντίθεση στην full-bridge τοπολογία τα συμπληρωματικά mosfet τείνουν να καταναλώνουν την ενέργεια αυτή που γυρίζει πίσω και έτσι αυτή δεν γυρίζει πίσω στην τροφοδοσία. Συνολικά τα χαρακτηριστικά κάθε περίπτωσης συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα-2. Απαιτούμενη τροφοδοσία Συμμετρική Απλή Προδιαγραφές για ένταση ρεύματος ΗΒ FB 1 2 Αριθμός τρανζίστορ 2 ανά κανάλι 4 ανά κανάλι Γραμμικότητα - Δεν εμφανίζει άρτιες αρμονικές Τάση DC στην έξοδο Απαιτείται ρύθμιση Μπορεί να εξαλειφθεί εύκολα Χρήση με PWM 2 ου επιπέδου Όλοι οι δυνατοί τρόποι διαμόρφωσης κατά PWM μπορούν να υλοποιηθούν Για βέλτιστη απόδοση απαιτείται χρήση ανάδρασης Πίνακας 2 Χαρακτηριστικά μισής γέφυρας και ολόκληρης γέφυρας Κατάλληλη για ενισχυτές ανοιχτού βρόχου 4-8 Τοπολογία μισής γέφυρας και ολόκληρης γέφυρας 33

34 Ενισχυτής Τάξης D Νεκρός Χρόνος Τα δύο mosfet έχουν πολύ χαμηλή αντίσταση όταν άγουν. Είναι όμως πολύ σημαντικό να αποφεύγονται καταστάσεις όπου άγουν και τα δύο ταυτόχρονα, διότι μπορεί να δημιουργηθεί μονοπάτι χαμηλής αντίστασης από την V DD στην V SS διαμέσου των τρανζίστορ συνεπώς και μεγάλο ρεύμα (ρεύμα βραχυκύκλωσης). Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα το ρεύμα βραχυκύκλωσης δημιουργείται κατά την μετάβαση αγωγής από το ένα τρανζίστορ στο άλλο και οφείλεται στις πεπερασμένες τάσεις κατωφλίου. 4-9 Ρεύμα βραχυκύκλωσης Στην καλύτερη περίπτωση τα τρανζίστορ θα ζεσταθούν πολύ και θα έχουν μεγάλες απώλειες, ενώ στην χειρότερη μπορεί να καταστραφούν. Για αποφυγή αυτής της περίπτωσης πριν ξεκινήσει να άγει ένα από τα δύο τρανζίστορ, θα πρέπει να υπάρχει ένα ελάχιστο χρονικό διάστημα όπου δεν άγει κανένα. Ο χρόνος κατά την διάρκεια του οποίου είναι και τα δύο κλειστά αναφέρεται ως νεκρός χρόνος. Εισάγοντας λοιπόν νεκρό χρόνο για να αποφευχθούν τα μεγάλα ρεύματα, δημιουργείται μία χρονική καθυστέρηση στους παλμούς, που εισάγει μη γραμμικότητες στο κύκλωμα, προκαλώντας επιπλέον παραμόρφωση ανάλογη της διαφοράς του νεκρού χρόνου από το πλάτος του παλμού. Η χρυσή τομή είναι να επιτευχθεί ο ελάχιστος νεκρός χρόνος, που εξασφαλίζει ότι δεν θα υπάρξει ρεύμα βραχυκύκλωσης Νεκρός χρόνος Ενέργεια επιστρεφόμενη από τον ενισχυτή Όταν η half-bridge τοπολογία τροφοδοτεί με χαμηλή συχνότητα στην έξοδο το φορτίο, τότε ένα ποσοστό της ενέργειας γυρίζει στην τροφοδοσία. Το κέρδος ενός ενισχυτή τάξης D εξαρτάται άμεσα από την τάση τροφοδοσίας. Η ενέργεια που επιστρέφει στην τροφοδοσία δημιουργεί διακυμάνσεις σε αυτή και επομένως προκαλεί παραμόρφωση στην έξοδο. Από την στιγμή που η ενέργεια στον τάξης D ρέει αμφίδρομα και προς τις δύο κατευθύνσεις, μεταφέρεται η ενέργεια και πίσω στην τροφοδοσία. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας αυτής προέρχεται από την ενέργεια που αποθηκεύεται στο πηνίο του κατωδιαβατού φίλτρου. Συνήθως η τροφοδοσία δεν έχει τρόπο να απορροφήσει αυτό το ποσό ενέργειας που στέλνει πίσω ο ενισχυτής, οπότε αυτό μεταφράζεται σε διακυμάνσεις της τροφοδοσίας. Αυτή η ενέργεια δεν εμφανίζεται στην full-bridge τοπολογία, αφού βρίσκει διέξοδο στον άλλο διακοπτικό «δρόμο» κάθε φορά. 34

35 Ενισχυτής Τάξης D VBUS max = 8π V f R BUS LOAD C BUS 4-11 Φαινόμενο διακύμανσης τάσης τροφοδοσίας 4-12 Ρεύματα που προκαλούν το φαινόμενο στην τοπολογία μισής γέφυρας 4-13 Ρεύματα που προκαλούν το φαινόμενο στην τοπολογία ολόκληρης γέφυρας Το παραπάνω φαινόμενο είναι ιδιαίτερα εμφανές όταν έχουμε σήμα στην έξοδο χαμηλής συχνότητας, όταν το φορτίο έχει χαμηλή εμπέδηση και χαμηλές χωρητικότητες στις γραμμές τροφοδοσίας. Το φαινόμενο είναι πιο έντονο για duty cycle 25% και 75%. 4.6 Κύκλωμα 4-14 Δομή ενισχυτή τάξης D Στο σχήμα 4-14 φαίνεται η δομή του ενισχυτή τάξης D, o τελεστικός ενισχυτής ενισχύει την είσοδο χωρίς να απαιτείται μεγάλο ρεύμα γι αυτήν την ενίσχυση, εφόσον οδηγεί τον ΔΣ διαμορφωτή που έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου. Η ακολουθία bit στην έξοδο του ΔΣ χρησιμοποιείται για το άνοιγμα και το κλείσιμο των διακοπτικών στοιχείων. Τα mosfet οδηγούν το μεγάφωνο μέσω ενός κατωδιαβατού φίλτρου. Το φίλτρο 35

36 Ενισχυτής Τάξης D χρησιμοποιείται για να οδηγήσουμε πιο ομαλά το μεγάφωνο αλλά και για να αφαιρέσουμε το θόρυβο λόγω της κβαντοποίησης και τις συχνότητες πάνω από το ακουστικό φάσμα Υλοποίηση στο Pspice Το κύκλωμα του ενισχυτή τάξης D που περιγράφηκε προηγουμένως, υλοποιήθηκε στο pspice για προσομοίωση της λειτουργίας του (σχήμα 4-15) Υλοποίηση ενισχυτή τάξης D στο pspice. Ο τελεστικός ενισχυτής U 3 υλοποιεί τον ολοκληρωτή του ΔΣ διαμορφωτή, ο τελεστικός ενισχυτής U 4 είναι ένας συγκριτής και στην έξοδό του βγάζει στάθμες τάσης που αντιστοιχούν στις λογικές τιμές 0 και 1. Αυτές μπαίνουν ως είσοδο στο flip-flop το οποίο με το επόμενο clock τα βγάζει στην έξοδό του. Η συχνότητα του flip-flop είναι 1,25MHz. Η έξοδος του flip-flop μέσω του U 5 αναπροσαρμόζεται στο εύρος τάσης της εισόδου. Το σήμα αυτό επιστρέφει στην είσοδο του ολοκληρωτή, όπου προστίθεται με το σήμα της εισόδου. Να σημειωθεί ότι οι τρεις τελεστικοί είναι αναστρέφοντες, οπότε ουσιαστικά η πρόσθεση των δύο σημάτων ισοδυναμεί με υπολογισμό του σφάλματος της εξόδου από την είσοδο. Το σήμα στην έξοδο του U 5 οδηγεί την διάταξη των mosfet μεταξύ της οποίας και του φορτίου παρεμβάλλεται ένα κατωδιαβατό φίλτρο. 4.7 Λειτουργία Ενδεικτικά για να φανεί η λειτουργία του ενισχυτή τάξεως D παραθέτονται τρεις καταστάσεις λειτουργίας και για κάθε μία από αυτές φαίνεται η τάση στην έξοδο του συγκριτή, του ολοκληρωτή και των mosfet. Η είσοδος μεταβάλλεται πολύ πιο αργά από την έξοδο γι αυτό θεωρείται ως σταθερή. Στην πρώτη κατάσταση τίθεται η είσοδος στα 0V. Όπως φαίνεται στο αντίστοιχο σχήμα 4-16 τα mosfet άγουν εναλλάξ για ένα κύκλο το καθένα και η έξοδός τους έχει μέση τιμή μηδέν. Αυτή η κατάσταση είναι η χειρότερη ενεργειακά, αφού εμφανίζεται μηδενική απόδοση. Στη δεύτερη περίπτωση η είσοδος είναι για +20V και στο αντίστοιχο σχήμα 4-17 παρατηρείται ότι άγει περισσότερο χρόνο το p-mos και η μέση τιμή της εξόδου είναι +20V. Ομοίως για είσοδο -20V, όπως φαίνεται στο σχήμα 4-18 άγει περισσότερο χρόνο το n-mos. 36

37 Ενισχυτής Τάξης D 4-16 Τάσεις στον συγκριτή, ολοκληρωτή και στην έξοδο για είσοδο 0V 4-17 Τάσεις στον συγκριτή, ολοκληρωτή και στην έξοδο για είσοδο 20V 4-18 Τάσεις στον συγκριτή, ολοκληρωτή και στην έξοδο για είσοδο -20V 37

38 Ενισχυτής Τάξης D Παρακάτω ακολουθεί μία χαρακτηριστική περίπτωση λειτουργίας για ημιτονοειδή είσοδο 4KHz. Στο σχήμα 4-19 φαίνεται η είσοδος και η έξοδος του ΔΣ διαμορφωτή. Στο σχήμα 4-20 φαίνεται η είσοδος και η έξοδος του ΔΣ διαμορφωτή φιλτραρισμένη με LC κατωδιαβατό φίλτρο πρώτης τάξης. 38

39 Ενισχυτής Τάξης D μέγιστη συχνότητα που παρουσιάζεται, πολύ μεγαλύτερη από την Nyquist συχνότητα. Ο ΔΣ διαμορφωτής δρα ως ένα φίλτρο για τον θόρυβο. Στο παραπάνω σχήμα 4-21 φαίνεται ένας πρώτης τάξης ΔΣ διαμορφωτής. Το flip-flop λειτουργεί σαν ένας κβαντοποιητής που εισάγει σφάλμα. Παρακάτω αναλύεται ποια είναι η συνάρτηση μεταφοράς για έναν πρώτης τάξης ΔΣ διαμορφωτή Μοντέλο ΔΣ διαμορφωτή πρώτης τάξης Με βάση το μοντέλο του ΔΣ διαμορφωτή που παρουσιάζεται στο σχήμα 4-22 ισχύει: a = x y z z z b = a y = a + e y = x y + e y = z x + z e 1 z 1 z 1 z y = b + eq ( ) 1 (1 1 ) 1 1 Q 1 Q Q Άρα για έναν πρώτης τάξης ΔΣ διαμορφωτή, ο θόρυβος παίρνει σχήμα με βάση ένα φίλτρο που έχει 1 συνάρτηση μεταφοράς: H ( z) = [1 z ]. Ο κβαντισμένος θόρυβος για το επιθυμητό εύρος συχνοτήτων π μπορεί να υπολογιστεί: n0= erms (2 f0τ ) 3 1 Όπου: OSR( oversampling ratio) = = 2 f 2 f τ n f s Σφάλμα κβαντοποίησης: erms = e de = Για N-τάξης ΔΣ διαμορφωτή η συνάρτηση μεταφοράς είναι: n π είναι: n0= erms (2 f0τ ) 2n+ 1 2n H z = z και ο κβαντισμένος θόρυβος 1 ( ) [1 ] N n 39

40 Ενισχυτής Τάξης D Στη συνέχεια ακολουθεί μία ανάλυση στο matlab για το θόρυβο πρώτης, δεύτερης και τρίτης τάξης διαμορφωτή Θόρυβος για τις διαφορετικές τάξεις διαμόρφωσης ΔΣ Στο σχήμα 4-23 βλέπουμε πως διαμορφώνεται ο θόρυβος για τις διάφορες τάξεις του ΔΣ. Η κάθετη διακεκομμένη είναι στα 20kHz, την μέγιστη ακουστική συχνότητα και η οριζόντια μπλε γραμμή είναι λευκός θόρυβος. Οπότε εφαρμόζοντας ένα φίλτρο που κόβει πάνω από 20kHz μπορεί να παρατηρηθεί ότι ο θόρυβος μετά από έναν ΔΣ είναι αισθητά μικρότερος από το να μην υπήρχε ο ΔΣ. Εφαρμόζοντας το φίλτρο προκύπτει το σχήμα 4-24: Το εμβαδόν που ορίζεται από την πράσινη γραμμή, που είναι ο φιλτραρισμένος θόρυβος της ΔΣ διαμόρφωσης είναι κατά πολύ μικρότερο από την μπλε γραμμή, που είναι ο φιλτραρισμένος λευκός θόρυβος. Κάθε φορά που η συχνότητα δειγματοληψίας διπλασιάζεται, ο θόρυβος βελτιώνεται κατά 2 N log(2 ) db για Ν-τάξης ΔΣ. Όσο μεγαλώνει ο ρυθμός δειγματοληψίας (OSR), τόσο μεγαλώνει ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR) Φιλτραρισμένος λευκός θόρυβος και φιλτραρισμένος θόρυβος ΔΣ διαμόρφωσης πρώτης τάξης 40

41 Ενισχυτής AD 5 Ενισχυτής AD 5.1 Εισαγωγικά Οι απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιεί ένας ενισχυτής ήχου είναι να έχει υψηλή απόδοση και μικρή παραμόρφωση. Ο ενισχυτής τάξης AD, που εξετάζεται, περιέχει μια πηγή τάσης που παρουσιάζει μεγάλη γραμμικότητα και πολύ χαμηλή εμπέδηση εξόδου. Ακόμη περιέχει μια πηγή ρεύματος που έχει συνδεδεμένη την έξοδό της στην έξοδο της πηγής τάσης, απευθείας χωρίς να παρεμβάλλεται καμία αντίσταση μεταξύ αυτών. Τέλος υπάρχει ένα στάδιο ελέγχου της πηγής ρεύματος μέσω του ρεύματος της πηγής τάσης. Οι ενισχυτές τάξης Α έχουν χαμηλή απόδοση, αλλά μεγάλη γραμμικότητα. Μεγάλη γραμμικότητα σημαίνει χαμηλή παραμόρφωση. Αντιστρόφως οι ενισχυτές τάξης D έχουν υψηλή απόδοση χρησιμοποιώντας PWM διαμόρφωση, αλλά υψηλότερα επίπεδα παραμόρφωσης. Στον ενισχυτή τάξης AD γίνεται προσπάθεια για ένωση των δυο ενισχυτών με σκοπό την εκμετάλλευση των θετικών τους, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός ενισχυτή με υψηλή απόδοση και υψηλή αξιοπιστία. 5.2 Περιγραφή λειτουργίας Δομή ενισχυτή AD Σκοπός της σχεδίασης είναι να εφοδιάσει τον ενισχυτή με υψηλή γραμμικότητα, δηλαδή χαμηλό επίπεδο θορύβου, αλλά ταυτόχρονα με χαμηλή εμπέδηση εξόδου και μεγάλη απόδοση. Παρακάτω στο σχήμα 5-1 φαίνεται ένα διάγραμμα της δομής του ενισχυτή. 5-1 Δομή ενισχυτή AD Όπως φαίνεται και από το σχήμα 5-1 η τάση εξόδου εξαρτάται από την πηγή τάσης αποκλειστικά. Συνεπώς το ρεύμα που ρέει προς το φορτίο καθορίζεται από την πηγή τάσης. Άρα πρέπει η πηγή τάσης να είναι όσο το δυνατόν πιο γραμμική. Γι αυτό χρησιμοποιείται ως πηγή τάσης ενισχυτής τάξης Α. Οι ενισχυτές τάξης Α αν και χαρακτηρίζονται από υψηλή γραμμικότητα έχουν χαμηλή απόδοση, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Τοποθετώντας την πηγή ρεύματος έτσι ώστε η έξοδος της να είναι ανάλογη του ρεύματος της πηγής τάσης, εξασφαλίζεται ότι το μεγαλύτερο ποσοστό ρεύματος, άρα και της ισχύος, που παρέχεται στο 41