ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΜΕΛΕΤΗ, ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΙΣΧΥΟΣ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΜΕΛΕΤΗ, ΣΧΕ ΙΑΣΗ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΙΣΧΥΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥ ΒΓΕΝΗ ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΤΟΥ ΙΩΑΝΝΟΥ Α.Μ. 4499 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΛΕΚΤΟΡΑΣ ΕΥΣΤΑΘΙΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ: ΜΑΡΤΙΟΣ 2005

2

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωµατική εργασία µε θέµα Μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή ενισχυτών ισχύος Του φοιτητή του τµήµατος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Βγενή Αθανασίου του Ιωάννου (ΑΜ:4499) Παρουσιάστηκε δηµόσια στο τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 7/3/2005 Ο επιβλέπων Ο ιευθυντής του Τοµέα Η/Υ Λέκτορας Καθηγητής Κ. Ευσταθίου Σ.Κουµπιάς 3

4

Αρ. ιπλωµατικής Εργασίας Τίτλος: Μελέτη, σχεδίαση και κατασκευή ενισχυτών ισχύος Φοιτητής: Βγενής Αθανάσιος (4499) Επιβλέπων: Λέκτορας Κ. Ευσταθίου Περίληψη Αντικείµενο αυτής της διπλωµατικής υπήρξαν οι ενισχυτές ηχητικών συχνοτήτων, συσκευές που υπάρχουν σε οποιοδήποτε προϊόν οικιακής ή επαγγελµατικής οπτικοακουστικής εφαρµογής. Μας απασχόλησαν οι ενισχυτές εκείνοι µε υψηλή πιστότητα και αυξηµένες επιδόσεις. Τέθηκαν οι προδιαγραφές λειτουργίας τους, έγινε περιγραφή των σταδίων από τα οποία αποτελούνται, και ανάλυση της λειτουργίας και των συνηθέστερων τοπολογιών του κάθε σταδίου. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκε εξ αρχής ένας ενισχυτής, µελετήθηκε και ρυθµίστηκε µε την βοήθεια προγράµµατος εξοµοίωσης και τέλος κατασκευάστηκε και µετρήθηκε. Το αποτέλεσµα ήταν µία συσκευή που πληροί σε µεγάλο βαθµό τις προκαθορισµένες απαιτήσεις, έχει ικανοποιητικές κατ απόλυτο βαθµό επιδόσεις, και εξαιρετικό λόγο απόδοσης προς κόστος. 5

6

Ευχαριστίες Χωρίς τον καθηγητή µου Κώστα Ευσταθίου δεν θα µπορούσε να είχε ολοκληρωθεί αυτή η διπλωµατική εργασία ούτε στον δεδοµένο χρόνο, ούτε µε αυτή την ποιότητα. Τον ευχαριστώ θερµά για την υποστήριξη που µου προσέφερε, την εµπειρία και την τεχνογνωσία του που µοιράστηκε µαζί µου µε µεγάλη προθυµία ακόµα και σε πιεστικά χρονοδιαγράµµατα. Ευχαριστώ επίσης τον καθηγητή µου Γίαννη Κωνσταντινίδη για τις συµβουλές του και την ιδιαίτερη συµβολή του στην κατασκευή της συσκευής. Ευχαριστώ τον καθηγητή µου Κο. Ιωάννη Μουρτζόπουλο για τα µαθήµατα Ηλεκτροακουστικής που µου παρέδωσε και την υλικοτεχνική του υποστήριξη. Ευχαριστώ τέλος τους φίλους και συναδέλφους µου που µε διάφορους τρόπους συνέβαλαν ο καθένας στην ολοκλήρωση της παρούσας εργασίας. 7

8

Κεφάλαιο 1 Γενικά περί ενισχυτών...13 1.1 Απαίτηση για ενισχυτικές διατάξεις ήχου...13 1.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά ενισχυτών ήχου...15 Κεφάλαιο 2 Στάδια ενισχυτώv...21 2.1 Στάδιο εισόδου...22 2.1.1 Περιγραφή λειτουργίας του σταδίου εισόδου...22 2.1.2 Τοπολογίες σταδίων εισόδου...22 2.1.3 Κυκλώµατα φιλτραρίσµατος εισόδου...24 2.2 Στάδιο ενίσχυσης τάσης (ΕΤ)...27 2.2.1 Λειτουργία του σταδίου ΕΤ...27 2.2.2 Τοπολογίες σταδίων ΕΤ...30 2.3 Στάδιο Εξόδου (ΣΕ)...33 2.3.1 Περιγραφή σταδίων εξόδου...33 2.3.2 Τάξεις Σταδίων Εξόδου...34 2.3.3 Ανάλυση των τάξεων σταδίων εξόδου...38 2.3.3.1 Στάδια Εξόδου Τάξης Α...38 2.3.3.2 Στάδια Εξόδου Τάξης ΑΒ...45 2.3.3.3 Στάδια Εξόδου Τάξης Β...46 2.3.3.3.1 Περιγραφή λειτουργίας ΣΕ τάξης Β...46 2.3.3.3.2 Τοπολογίες ΣΕ τάξης Β...47 2.3.3.3.3 Επισκόπηση σταδίων τάξης Β...54 2.3.4 Πόλωση των σταδίων εξόδου...55 2.3.5 Θερµική συµπεριφορά και ανάλυση...57 Κεφάλαιο 3 Σχεδιασµός και ανάλυση ενισχυτή...59 3.1 Περιγραφή- Ανάλυση...60 3.1.1 Στάδιο Εισόδου...60 3.1.2 Στάδιο Ενίσχυσης Τάσης...63 3.1.3 Στάδιο εξόδου...64 3.2 Ρύθµιση και εξοµοιώσεις...67 3.2.1 DC σηµείο πόλωσης...67 3.2.2 Ρύθµιση απόκρισης συχνότητας και έλεγχος καλής λειτουργίας...72 3.3 Πρόβλεψη και εκτίµηση επιδόσεων...76 3.3.1 Παραµόρφωση περάσµατος...76 3.3.2 Υπολογισµός THD...78 9

3.3.3 Ισχύς εξόδου...80 3.3.4 Slew rate...81 3.3.5 ιαφοροποίηση στο κύκλωµα της τροφοδοσίας....81 3.3.6 Λόγος σήµατος προς θόρυβο (SNR)...82 Κεφάλαιο 4 Υλοποίηση...85 4.1 Κατασκευή της πλακέτας...85 4.2 Πρώτη λειτουργία και ρύθµιση...88 4.3 Μετρήσεις και αξιολόγηση επιδόσεων...89 4.3.1 Ολική Αρµονική Παραµόρφωση (THD)...89 4.3.2 Απόκριση συχνότητας...96 4.3.3 Slew rate...97 4.3.4 Παραµόρφωση περάσµατος...98 4.3.5 Ισχύς εξόδου...100 4.3.6 Λόγος σήµατος προς θόρυβο (SNR)...101 4.4 Τελική αξιολόγηση...102 Παράρτηµα...104 Π1. Ασφαλής λειτουργία των διπολικών τρανζίστορ...104 Γλωσσάρι...106 Παραποµπές...108 Βιβλιογραφία...112 10

Εισαγωγή Το θέµα της παρούσας διπλωµατικής εργασίας αποτέλεσαν οι ενισχυτές ισχύος ακουστικών συχνοτήτων. Οι συσκευές αυτές υπάρχουν, σε διάφορες µορφές, σε όλα τα οπτικοακουστικά συστήµατα που µας περιβάλλουν και χρησιµοποιούµε καθηµερινά. Είτε πρόκειται για συστήµατα τηλεπικοινωνιών, είτε για συστήµατα ψυχαγωγίας, υπάρχει η ανάγκη για ενίσχυση των ηχητικών σηµάτων. Το ρόλο αυτό αναλαµβάνουν οι ενισχυτικές διατάξεις ήχου, σε αυτόνοµη συσκευασία ή ενσωµατωµένοι σε άλλες συσκευές. Επίσης, οι ενισχυτές ήχου µπορούν να έιναι υλοποιηµένοι µε διακριτά ηλεκτρονικά στοιχεία, ή να χρησιµοποιούν και ολοκληρωµένα κυκλώµατα ή ακόµα να είναι σε εξ ολοκλήρου ολοκληρωµένη µορφή, σε chip που υλοποιούν ενισχυτές ισχύος. Βέβαια, το κόστος που προκύπτει ως αντιστάθµισµα για την οικονοµία χώρου και εξαρτηµάτων στις ολοκληρωµένες προτάσεις, δεν είναι άλλο παρά υποβάθµιση στην ποιότητα του ενισχυτή, γι αυτό και σε αυτή την εργασία θα µας απασχολήσουν µόνο οι ενισχυτές µε διακριτά εξαρτήµατα. Μέτρο της ποιότητας µια ενισχυτικής διάταξης ήχου είναι η ηχητική πιστότητα, το κατά πόσον δηλαδή το ενισχυµένο σήµα µοιάζει µε το αρχικό, εξαιρώντας την αύξηση του πλάτους. Η επίτευξη της απόλυτης ηχητικής πιστότητας είναι µη εφικτός στόχος λόγω της λειτουργίας των ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων τα οποία επιφέρουν αναπόφευκτες µεταβολές στο ηχητικό σήµα, γνωστές και καθορισµένες. Αυτές οι µεταβολές ονοµάζονται µηχανισµοί παραµόρφωσης. Η επίδραση αυτών των παραµορφώσεων στο ηχητικό σήµα εξαρτάται από την επιλογή και την ποιότητα των εξαρτηµάτων, αλλά κυρίως από την σχεδίαση του ηλεκτρονικού σχεδίου του ενισχυτή. Κάθε σχεδίαση- τοπολογία συνδυάζεται µε κάποιους µηχανισµούς παραµόρφωσης στους οποίους είναι επιρρεπής, ενώ εµφανίζει µειωµένη την επίδραση κάποιων άλλων. Οπότε, η επιλογή της σχεδίασης και η σωστή εφαρµογή των διαφόρων τεχνικών για µέγιστη εξάλειψη των εκάστωτε παραµορφώσεων, θα έχει ως αποτέλεσµα την υλοποίηση µίας ενισχυτικής µονάδας ήχου που θα ξεπερνά τις προδιαγραφές της υψηλής πιστότητας. Αυτή την οδό θα ακολουθήσουµε και στην διάρθρωση της διπλωµατικής εργασίας, µε περιγραφή των διαφόρων τοπολογιών, επιλογή και εφαρµογή κάποιας από αυτές σε συνδυασµό µε διάφορες τεχνικές βελτίωσης και τέλος την υλοποίηση και αξιολόγηση της τελικής συσκευής. Στο 1 ο κεφάλαιο γίνεται µία προσπάθεια εξήγησης της χρησιµότητας των ενισχυτών ήχου, ακολουθούµενη από τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και τις προδιαγραφές υψηλής πιστότητας. Στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται µία παρουσίαση των σταδίων που αποτελούν έναν ενισχυτή ήχου, µία επισκόπηση των διαφόρων τοπολογιών αυτών των σταδίων και τέλος µία ανάλυση των σηµαντικότερων τοπολογιών. Στο 3 ο κεφάλαιο γίνεται η περιγραφή της σχεδίασης του ενισχυτή ήχου, η επιλογή των διαφόρων τοπολογιών, η ρύθµιση και η αξιολόγηση µέσω εξοµοιώσεων των επιδόσεων του σχεδίου. Στο 4 ο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται η περιγραφή της κατασκευής της ενισχυτικής διάταξης, παρατίθενται οι προκύψασες µετρήσεις και γίνεται αξιολόγηση της υλοποίησης. 11

12

Κεφάλαιο 1 Γενικά περί ενισχυτών 1.1 Απαίτηση για ενισχυτικές διατάξεις ήχου Οι ενισχυτές ήχου αποτελούν αναπόσπαστο µέρος της οικιακής ή επαγγελµατικής αλυσίδας αναπαραγωγής ήχου. Μια τέτοια ηλεκτρακουστική εγκατάσταση λειτουργεί σήµερα ως το ενδιάµεσο στάδιο που µεσολαβεί µεταξύ του δηµιουργού ενός ηχητικού σήµατος και του ακροατή. Αυτό συµβαίνει είτε για λόγους φυσικής και χρονικής απόστασης, αφορά δηλαδή στην αποθήκευση και αναπαραγωγή του ήχου σε άλλο τόπο και χρόνο από αυτούς της δηµιουργίας του, είτε για άλλους λόγους που αφορούν σε εφαρµογές πραγµατικού χρόνου, και όπου υπάρχουν απαιτήσεις για τροποποίηση, µεταφορά σε µεγαλύτερη απόσταση και κυρίως ενίσχυση των παραγόµενων ηχητικών σηµάτων. Η αλυσίδα της οικιακής ή επαγγελµατικής αναπαραγωγής ήχου περιλαµβάνει αρχικά την πηγή, στη συνέχεια προενισχυτική και ρυθµιστική συσκευή, ακολούθως τον ενισχυτή και τέλος τους ηλεκτροακουστικούς µετατροπείς, τα ηχεία. Οι πηγές περιλαµβάνουν τα µουσικά όργανα, µικρόφωνα και οποιαδήποτε άλλη συσκευή παραγωγής ήχου σε πραγµατικό χρόνο, και επίσης όλες τις συσκευές αναπαραγωγής αποθηκευµένου ήχου. Αυτές µπορεί να βασίζονται σε αναλογική τεχνολογία όπως οι δίσκοι pick-up, οι αναλογικές κασέτες, ή οι ραδιοφωνικοί δέκτες, ή ψηφιακή όπως οι δίσκοι CD, DVD, MD, οι κασέτες DAT και DCC, και βέβαια όλα τα πρότυπα ψηφιακή κωδικοποίησης wav, mp3, wma Η σηµασία της ύπαρξης πηγών αναπαραγωγής αποθηκευµένου ήχου είναι ανεκτίµητη και αφορά εκτός από τον χώρο της ψυχαγωγίας, τον χώρο των τηλεπικοινωνιών, της ενηµέρωσης, της επιστήµης. Με διάφορες µεθοδολογίες και τεχνικές, οι παραπάνω πηγές µετατρέπουν το πραγµατικού χρόνου, ή αποθηκευµένο ηχητικό κοµµάτι σε τάση στην έξοδό τους, τάση που κυµαίνεται µεταξύ 1 και 2 Volt RMS, και λέγεται επιπέδου γραµµής (line level). Το επόµενο βήµα είναι η µετατροπή του ηλεκτρικού σήµατος της πηγής, που φέρει το προς αναπαραγωγή ηχητικό περιεχόµενο, σε ακουστικά σήµατα που θα διεγείρουν το ανθρώπινο ακουστικό αισθητήριο. Το µέσο για αυτή την µετατροπή δεν είναι άλλο από τους ηλεκτροακουστικούς µετατροπείς, τα ηχεία δηλαδή (µε πιο ακριβείς όρους τα ηχεία πρόκεινται για ηλεκτροµηχανικούς µετατροπείς, µε την ηλεκτρική ενέργεια να µετατρέπεται σε µηχανική ώστε να επιτευχθεί κίνηση των διαφραγµάτων των µεγαφώνων). υστυχώς, τα ηχεία µπορούν να χαρακτηριστούν ως κάποιοι από τους µετατροπείς µε τις µικρότερες αποδόσεις στον σηµερινό τεχνικό κόσµο, που κυµαίνονται µεταξύ 0.05 έως 1.5%. Ως εκ τούτου, για την παράδοση στην έξοδό τους ικανής ακουστική ισχύος για την επίτευξη ρεαλιστικής αναπαραγωγής απαιτούν συγκριτικά τεράστια ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. εδοµένης µίας τυπικής απαιτούµενης ακουστικής ισχύος της τάξης του 1 ή 2 Watt χρειάζεται ηλεκτρική ισχύς της τάξης των 100 Watt κατά µέσο όρο. Για µία τιµή της εµπέδησης του ηχείου της τάξης των 10 Ohm, απαιτείται τάση στην είσοδο του ηχείου της τάξης των 30 Volt RMS, και αντίστοιχη δυνατότητα παροχής ρεύµατος ώστε να µπορέσει να παραχθεί η επιθυµητή ηλεκτρική ισχύς. Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω, εκ φύσεως του µέσου αποθήκευσης, οι τάσεις που παράγουν στην έξοδό τους οι πηγές είναι τουλάχιστον µία τάξη µεγέθους χαµηλότερες από αυτές που απαιτούνται για να οδηγήσουν ένα ηχείο σε ρεαλιστικές 13

ηχοστάθµες. Εδώ υπεισέρχεται η ανάγκη για τον ενισχυτή ακουστικών συχνοτήτων, ο οποίος θα παραλάβει την τάση εξόδου της ηχητικής πηγής, και θα την παραδώσει ενισχυµένη κατά τον παράγοντα του κέρδους τάσης του στην έξοδό του, στο ηχείο δηλαδή, προσφέροντάς του παράλληλα τις ποσότητες ρεύµατος που θα χρειαστεί ώστε η τάση να µπορεί ανά πάσα στιγµή να φθάνει στις µέγιστες επιτρεπόµενες τιµές κορυφής της. Σύµφωνα βέβαια µε την αρχή διατήρησης της ενέργειας, η επιπλέον ενέργεια που θα διαθέτει το ενισχυµένο σήµα πρέπει να προσληφθεί εξωτερικά, και συγκεκριµένα από το εξωτερικό τροφοδοτικό. Ως προδιαγραφή αυτή της ενίσχυσης, για την σύγχρονη τεχνολογία είναι σχετικά απλή, στον δρόµο όµως για την υλοποίηση προκύπτουν δευτερεύοντα ζητήµατα. Ο στόχος της ενίσχυσης δεν πρέπει να επιτυγχάνεται σε βάρος της ακεραιότητας του ηχητικού σήµατος, δεν πρέπει δηλαδή ο ενισχυτής ως βαθµίδα της αλυσίδας αναπαραγωγής να προσθέτει ή να αφαιρεί τίποτα στο σήµα, να το παραµορφώνει δηλαδή κατ οποιονδήποτε τρόπο. Το σήµα εισόδου µε το τµήµα εξόδου του ενισχυτή πρέπει να είναι απολύτως ίδια αν εξαιρέσουµε την παράµετρο του πλάτους. υστυχώς όµως αυτό δεν είναι απολύτως εφικτό, και κάθε ενισχυτής επηρεάζει το ηχητικό σήµα που δέχεται στην είσοδό του, παραδίδοντας το στην έξοδο µε µικροαλλαγές που περιγράφονται µε τον γενικό όρο παραµορφώσεις. Επίσης, σηµαντικά µέρη µιας ηλεκτρακουστικής εγκατάστασης είναι οι συσκευές προενίσχυσης και ρύθµισης του ήχου. Πρόκεινται για διατάξεις που συνδέονται µεταξύ της πηγής και του ενισχυτή, και παρέχουν συνήθως ένα µικρό κέρδος τάσης ώστε να ενισχύσουν το µικρού πλάτους σήµα εξόδου της πηγής (που σε κάποιες περιπτώσεις δεν επαρκεί για να διεγείρει πλήρως τον ενισχυτή ισχύος). Επιπλέον, στις προενισχυτικές συσκευές βρίσκει συχνά κανείς κυκλώµατα ισοστάθµισης, τα οποία λειτουργούν ως φίλτρα εξαρτώµενου από την συχνότητα κέρδους, και τα οποία χρησιµεύουν για την εξάλειψη τυχόν ελαττωµάτων της ηχογράφησης, των συσκευών αναπαραγωγής ή του χώρου ακρόασης. Σχήµα 1.1 Παρουσίαση της ηχητικής αλυσίδας αναπαραγωγής, µε έµφαση στο ενεργειακό ισοζύγιο 14

1.2 Τεχνικά χαρακτηριστικά ενισχυτών ήχου Τα κυριότερα τεχνικά χαρακτηριστικά που περιγράφουν τις δυνατότητες και την πιστότητα µιας ενισχυτικής διάταξης, φαίνονται παρακάτω: 1. Ισχύς εξόδου 2. Απόκριση συχνότητας 3. Παραµόρφωση 4. Λόγος σήµατος προς θόρυβο 5. Ευαισθησία 6. Αντίσταση εισόδου 7. Αντίσταση εξόδου - Συντελεστής απόσβεσης 8. Υπερφόρτωση 9. Μέγιστος ρυθµός ανόδου 10. Στροφή Φάσης 11. Αξιοπιστία-θερµική σταθερότητα Αναλυτικότερα 1. Ισχύς εξόδου Η πρωτογενής, όπως αναφέραµε και πιο πάνω, και για πολλούς η σηµαντικότερη από τις προδιαγραφές ενός ενισχυτή, είναι η ισχύς εξόδου. Μετράται συνήθως σε Watt(RMS), µετρώντας την τάση V(RMS), και υπολογίζοντας κατάλληλα ανάλογα µε την τιµή του φορτίου. Υπάρχουν βέβαια περιορισµοί και προδιαγραφές όσον αφορά την µέτρηση και τον υπολογισµό της ισχύος εξόδου (κυρίως µε βάση την ελάχιστή παραµόρφωση κατά την µέτρηση της ισχύος), ώστε να αποφεύγονται παραπλανήσεις που γίνονται για εµπορικούς σκοπούς. Έτσι, σύµφωνα µε τις προδιαγραφές της οµοσπονδιακής επιτροπής εµπορίου των Ηνωµένων Πολιτειών (FCC) [1], και οι οποίες χρησιµοποιούνται πλέον από τους περισσότερους κατασκευαστές και σχεδιαστές ενισχυτών, η ισχύς εξόδου ενός ενισχυτή ισχύος ακουστικών συχνοτήτων πρέπει να γίνεται ως εξής: i. Πάντοτε αναφέρεται η τιµή της αντίστασης φορτίου κατά την µέτρηση ii. Πάντοτε αναφέρεται το όριο της παραµόρφωσης, κάτω από το οποίο επιτεύχθηκε η µετρούµενη ισχύς. Το συγκεκριµένο όριο παραµόρφωσης, δεν επιτρέπεται να ξεπερνάται για καµία τιµή της ισχύος του ενισχυτή από 0.2 W έως την µέγιστη, και για όλο το φάσµα των ακουστικών συχνοτήτων. iii. Η ισχύς που δηµοσιεύεται, πρόκειται για την χαµηλότερη τιµή της ισχύος που µετρήθηκε στο φάσµα των συχνοτήτων 20-20000Hz για το δεδοµένο όριο παραµόρφωσης. 15

iv. Πριν από κάθε µέτρηση, ο ενισχυτής πρέπει να έχει λειτουργήσει στο ένα τρίτο της ισχύος του, και σε συχνότητα 1kHz, επί µισή ώρα. Η ισχύς ενός ενισχυτή, έχει άµεση σχέση µε το πόσο «δυνατά» θα µπορεί να κάνει ένα ηχείο να παίξει, αφού το ηχείο, ως µετατροπέας ηλεκτρικής σε ακουστική ενέργεια, µε κάποιες απώλειες θα παραλάβει αυτή την ισχύ και θα την παραδώσει ως ακουστική. Η σχέση αυτή βέβαια, δεν είναι αναλογική (δηλαδή δεν αρκεί ένας ενισχυτής 2πλάσιας ισχύος για να κάνει ένα ηχείο να ακουστεί 2 φορές πιο δυνατά στο ανθρώπινο αυτί), αφού ο άνθρωπος αντιλαµβάνεται την µεταβολή της έντασης του ήχου διαφορετικά για διαφορετικές συχνότητες, ακόµα και για διαφορετικά επίπεδα έντασης.(άλλη ευαισθησία έχει το αυτί στις µεταβολές έντασης όταν αυτή είναι χαµηλή, και άλλη όταν αυτή είναι υψηλή). Συνήθως απαιτείται από έναν ενισχυτή να έχει «περίσσευµα ισχύος», δηλαδή η µέγιστη ονοµαστική του ισχύς εξόδου να είναι µερικές φορές υψηλότερη (µία ή δύο) από αυτήν στην οποία καλείται να λειτουργήσει υπό φυσιολογικές συνθήκες, ώστε να έχει ικανοποιητική απόδοση των υψηλής έντασης µεταβατικών στο ηχητικό σήµα. [2] Συχνά βρίσκεται κανείς αντιµέτωπος και µε άλλους ορισµούς της ισχύος ενός ενισχυτή, όπως: Μουσική ισχύς: ίνεται µία τυπική τιµή της ισχύος του ενισχυτή για ένα ακαθόριστο σήµα εισόδου µε διακύµανση των τιµών του πλάτους του, ανάλογη µε αυτή που παρατηρείται κατά τη διάρκεια ενός µουσικού κοµµατιού. Η διάρκεια της µέτρησης µε σήµα τέτοιας στατιστικής κατανοµής ελαχίστων/µεγίστων πρέπει να είναι της τάξης του λεπτού. Ισχύς µέγιστου σήµατος: Αφορά την ικανότητα µέγιστης στιγµιαίας παροχής ισχύος και µετράται µε την εφαρµογή της µέγιστης δυνατής τιµής του σήµατος εισόδου για λιγότερο από 0.1 sec. Έχει νόηµα η µελέτη µίας τέτοιας προδιαγραφής µόνο σε σύγκριση µε µία αντίστοιχη ενός ηχείου για αποφυγή υπερφόρτωσης του ηχείου. Συνήθως, οι παραπάνω ορισµοί ισχύος ενός ενισχυτή δίνουν αριθµητικές τιµές µεγαλύτερες από την RMS τιµή της ισχύος για τον ίδιο ενισχυτή, και χρησιµοποιούνται από τους κατασκευαστές χάριν εντυπωσιασµού. [3] 2. Απόκριση Συχνότητας Όπως και στις περισσότερες ενισχυτικές διατάξεις, µας ενδιαφέρει το κέρδος να παραµένει σταθερό για ένα επιθυµητό εύρος συχνοτήτων. Για τον άνθρωπο οι ακουστές συχνότητες είναι από 20 έως 20000Hz, συνεπώς οι -3dB συχνότητες στην απόκριση του ενισχυτή πρέπει να εξασφαλίζουν τουλάχιστον αυτό το εύρος. Στην πραγµατικότητα, ακόµα και αν πρόκειται για µη ακουστές συχνότητες, η απόκριση συχνότητας ενός ενισχυτή, πρέπει να επεκτείνεται και σε µεγαλύτερες συχνότητες. Αυτό συµβαίνει, γιατί στα µουσικά κοµµάτια που καλείται να αναπαράγει ένας ενισχυτής υπάρχουν και συχνότητες αρκετά υψηλότερες των 20kHz, µε την µορφή υψηλότερων αρµονικών, οι οποίες αν αποκοπούν από µία ενισχυτική διάταξη περιορισµένης απόκρισης υπάρχει περίπτωση να επηρεάσουν το ακουστικό αποτέλεσµα παράγοντας ακουστή παραµόρφωση. Το φαινόµενο ονοµάζεται slew-induced distortion (SID), και µας αναγκάζει να απαιτούµε 16

τουλάχιστον 60kHz απόκριση συχνότητας από έναν ενισχυτή, µε τα 100kHz να αποτελούν µία πολύ καλή τιµή για το άνω όριο. Για το κάτω όριο, παρ όλο που οι σύγχρονες ψηφιακές ηχητικές πηγές έχουν επίπεδη απόκριση συχνότητες έως και τα 0Hz (DC), για λόγους προστασίας του εξοπλισµού (ενισχυτής και ηχεία), αλλά και εξαιτίας της απουσίας µεγαφώνων που µπορούν να αναπαράγουν τις µη ακουστές πολύ χαµηλές συχνότητες, συνήθως οι σχεδιαστές αρκούνται στα 5-10Hz. [4] 3. Παραµόρφωση Με τον όρο παραµόρφωση στους ενισχυτές ακουστικών συχνοτήτων, εννοούµε την Ολική Αρµονική Παραµόρφωση (THD: Total Harmonic Distortion), δηλαδή την ισχύ που µεταφέρουν ανώτερες αρµονικές, σε σχέση µε την ισχύ της κεντρικής συχνότητας την στιγµή της µέτρησης. U % THD 100 U 2 RMS ( i) =, 2 RMS ( BasicFreq) όπου URMS (CenterFreq) είναι η τάση της εκάστοτε κεντρικής συχνότητας, και U RMS(i) η τάση των ανώτερων, τάξης i, αρµονικών. ίνεται σε % ποσοστό µε το µέγιστο µη ακουστό όριο να θεωρείται τυπικά το 0.3%, άλλα στην πράξη οι καλοί ενισχυτές να έχουν τουλάχιστον µια τάξη µεγέθους χαµηλότερη. Οι µηχανισµοί παραµόρφωσης θα παρουσιαστούν σε επόµενο κεφάλαιο. 4. Λόγος σήµατος προς θόρυβο Ο λόγος σήµατος προς θόρυβο (SNR), υπολογίζεται από την σχέση SNR = 20log10 V V NOISE MAX όπου V NOISE είναι η τάση στην έξοδο του ενισχυτή για µηδενική είσοδο, και V MAX είναι η µέγιστη τάξη εξόδου. Τυπικές τιµές είναι τα -100dB. Περιγράφει τον θόρυβο που γεννάται από τα ενεργά και παθητικά στοιχεία κυρίως του σταδίου εισόδου του ενισχυτή. [5] 5. Ευαισθησία Ως ευαισθησία ενός ενισχυτή ορίζεται η ελάχιστη απαιτούµενη τάση εισόδου (µετριέται σε V) που επαρκεί ώστε η τάση εξόδου να πάρει την µέγιστη δυνατή τιµή της. 6. Αντίσταση εισόδου Η αντίσταση εισόδου ενός ενισχυτή πρέπει να είναι αρκετά µεγάλη, ώστε ο ενισχυτής να φορτίζει στο ελάχιστο την πηγή που τον τροφοδοτεί µε σήµα (πρέπει δηλαδή να λαµβάνει στην είσοδό του σήµα τάσης και όχι ρεύµατος), αλλά όχι εξαιρετικά µεγάλη γιατί θα έκανε το στάδιο εισόδου του ενισχυτή ευαίσθητο στην πρόσληψη θορύβου από τα καλώδια ή τα ηλεκτρικά πεδία του περιβάλλοντος. Τυπικές τιµές είναι 10-100kΩ, µε το κάτω άκρο των 10kΩ να συνηθίζεται περισσότερο. Η τιµή αυτή µπορεί να χρειαστεί να µεταβληθεί (αυξηθεί) για την περίπτωση που πρόκειται να συνδεθεί ρυθµιστικό έντασης στην είσοδο του ενισχυτή. [6] 17

7. Αντίσταση εξόδου- Συντελεστής απόσβεσης Για την αντίσταση εξόδου συµβαίνει το αντίθετο, πρέπει δηλαδή να είναι όσο το δυνατό µικρότερη, ώστε ο ενισχυτής να λειτουργεί ως ιδανική πηγή τάσης. Σε αντίθετη περίπτωση, όχι µόνο η τάση εξόδου θα επηρεαζόταν από την τιµή του φορτίου (και γενικά τα ηχεία ως φορτία δεν έχουν εντελώς σταθερή τιµή), αλλά και ποσοστό της ισχύος του ενισχυτή θα καταναλωνόταν από τον ίδιο αντί να µεταφέρεται στο φορτίο. Η τιµή της αντίστασης εξόδου σχετίζεται µε την παράµετρο του συντελεστή απόσβεσης (damping factor-df) που δίνεται από τον τύπο: Z DF = Z LOAD OUT Θεωρητικά µας ενδιαφέρει ο λόγος αυτός να παίρνει την µεγαλύτερη δυνατή τιµή, αλλά στην πράξη τιµές άνω του 40 δεν φαίνεται να εµφανίζουν κάποια ακουστή διαφορά. [7] 8. Υπερφόρτωση Ο όρος υπερφόρτωση περιγράφει το όριο της τάσης στην είσοδο του ενισχυτή, η οποία αν ξεπεραστεί θα αυξηθεί η παραµόρφωση πέρα από το φράγµα του 0.3%. 9. Μέγιστος ρυθµός ανόδου (slew rate) Ο όρος ρυθµός ανόδου, ή slew rate, µετράει την ικανότητα του ενισχυτή να µεταβάλλει γρήγορα την τάση στην έξοδό του. Μετριέται σε Volt/µsec, για βηµατικές τάσεις στην είσοδο, και αναµένεται έχει τέτοια τιµή ώστε να µην δρα περιοριστικά ως προς την απόκριση συχνότητας του ενισχυτή. Πρέπει να είναι επαρκώς µεγάλο, ούτως ώστε να επιτρέπει τον µέγιστο ρυθµού ανόδου τάσης που µπορεί να εµφανιστεί στην έξοδο. Αν ο ενισχυτής διατηρεί σταθερό κέρδος µέχρι µία συχνότητα f T, και εµφανίζει µέγιστο πλάτος τάσης εξόδου V max, τότε ο µέγιστος ρυθµός αύξησης της τάσης εξόδου που µπορεί να παρατηρηθεί είναι: 2πf T V max (για ηµιτονοειδή σήµατα). Αυτή είναι η κατώτατη τιµή για το slew rate του ενισχυτή, ώστε να µην υποβαθµίζεται η απόκριση συχνότητας.(το φαινόµενο δεν λειτουργεί αντίστροφα, δηλαδή µεγάλο slew rate δεν θα εξασφαλίσει εκτεταµένη απόκριση συχνότητας). Το slew rate επηρεάζεται κυρίως από το είδος των εξαρτηµάτων (τρανζίστορ) εξόδου που θα επιλεγούν, αλλά και από την τοπολογία και τις εφαρµοζόµενες τεχνικές σχεδίασης. 10. Στροφή Φάσης Η παραµόρφωση φάσης αφορά την µεταβολή της φάσης του ηχητικού σήµατος µεταξύ εισόδου και εξόδου του ενισχυτή. Κατά την κοινή αντίληψη δεν θα είχε ακουστό αποτέλεσµα στην ποιότητα του αναπαραγόµενου ήχου µόνο στην περίπτωση που θα ήταν µία απλή µετατόπιση φάσης, σταθερή για όλες τις συχνότητες( ακόµα και αυτό βέβαια θα επηρέαζε την λειτουργία των διαφόρων πολυκαναλλικών συστηµάτων ήχου, στα οποία γίνεται προσπάθεια εικονικής ανάπλασης διαφορετικών χώρων ακρόασης χρησιµοποιώντας τεχνικές που 18

περιλαµβάνουν εκούσιες µεταβολές της φάσης του σήµατος). Συνήθως όµως, η µεταβολή της φάσης ενός ηχητικού σήµατος κατά τη διαδροµή του µέσα από έναν ενισχυτή δεν είναι σταθερή για όλες τις συχνότητες, µε αποτέλεσµα κατά την µετατροπή το ηλεκτρικού σήµατος σε ακουστικά κύµατα, και σε συνδυασµό µε τις διαφορετικές ταχύτητες µετάδοσης του ήχου στον αέρα ανάλογα µε τη συχνότητα, οι διάφορες συχνοτικές συνιστώσες του σήµατος δεν ταξιδεύουν στον χώρο σε κοινό µέτωπο, και φθάνουν µε διαφορετικές καθυστερήσεις στον ακροατή, υποβαθµίζοντας το ηχητικό αποτέλεσµα.[8] 11. Αξιοπιστία- θερµική σταθερότητα Λόγω της χρήσης τρανζίστορ τα οποία έχουν αναπόφευκτες ενεργειακές απώλειες, και αντιστάσεων που καταναλώνουν ενέργεια και την αποδίδουν υπό µορφή θερµότητας, η θερµοκρασία ενός ενισχυτή αυξάνεται κατά την λειτουργία του. Η αύξηση αυτή της θερµοκρασίας είναι ικανή να προκαλέσει αλλαγές στην πόλωση του ενισχυτή, οι οποίες ενδέχεται να επιδεινώσουν τον αναπαραγόµενο ήχο προσθέτοντας παραµορφώσεις. Πρέπει συνεπώς ένας ενισχυτής να είναι σχεδιασµένος και εφοδιασµένος µε τα κατάλληλα εξαρτήµατα ώστε η θερµοκρασία του να παραµένει όσο το δυνατόν σταθερή, αλλά και να έχει λόγω σχεδίασης την δυνατότητα να αυτορυθµίζεται σε περίπτωση θερµοκρασιακών αλλαγών, για βέλτιστες επιδόσεις. 19

20

Κεφάλαιο 2 Στάδια ενισχυτώv Από τις παραπάνω προδιαγραφές, πρωτογενής είναι µόνο αυτή που αφορά την ισχύ εξόδου, αφού αυτή η απαίτηση οδήγησε πρωταρχικά στη δηµιουργία των ενισχυτών. υστυχώς, δεν υπάρχει τρόπος να γίνει αυτό άµεσα µε ένα εξάρτηµα, και ο σχεδιαστής είναι αναγκασµένος να καταφεύγει σε διάφορες τοπολογίες µε µεγάλο αριθµό ηλεκτρονικών στοιχείων. Με την πάροδο του χρόνου, και τις δοκιµές από τους σχεδιαστές, υιοθετήθηκε σχεδόν καθολικά η τοπολογία τριών σταδίων που αναπτύχθηκε από τον Lin της δισκογραφικής εταιρίας RCA [9]. Ο πιο συνηθισµένος καταµερισµός έργων γίνεται µε καταµερισµό της ίδιας της λειτουργίας ενίσχυσης ισχύος. Αναθέτουµε δηλαδή ξεχωριστή λειτουργία σε κάθε ένα από τα στάδια ενίσχυσης, ώστε να έχουµε το συνολικό επιθυµητό αποτέλεσµα, αλλά και µεγαλύτερη ελεγξιµότητα των επιµέρους λειτουργιών και χαρακτηριστικών του ενισχυτή. Έτσι συνήθως στους καλούς ενισχυτές ακουστικών συχνοτήτων βρίσκουµε τα εξής στάδια: 1. Στάδιο εισόδου 2. Στάδιο ενίσχυσης τάσης (ΕΤ) 3. Στάδιο εξόδου (ΣΕ) Σχήµα 2.1 Το βασικό σχήµα Lin 3 σταδίων Το κάθε στάδιο επιτελεί διαφορετική λειτουργία, και έχει διαφορετικά χαρακτηριστικά. Αναλυτικότερα: 21

2.1 Στάδιο εισόδου 2.1.1 Περιγραφή λειτουργίας του σταδίου εισόδου Το πρώτο αυτό στάδιο λειτουργεί ως ενισχυτής διαγωγιµότητας (transconductance), ως ενισχυτής δηλαδή τάσης σε ρεύµα. Πρέπει να δρα ως αποµονωτής της εισόδου (υψηλή αντίσταση εισόδου), που παίρνει την τάση εισόδου και την παραδίδει ως ενισχυµένο ρεύµα στο επόµενο, χαµηλής εµπέδησης, στάδιο. Επίσης πρέπει να µην επηρεάζεται από µεταβολές της τάσης τροφοδοσίας (να έχει δηλαδή υψηλό λόγο απόρριψης τροφοδοσίας), να είναι όσο πιο γραµµικό γίνεται, και να έχει τη χαµηλότερη δυνατή παραγωγή θορύβου (µια και η παράµετρος SNR του ενισχυτή καθορίζεται κυρίως από αυτή τη βαθµίδα) [10] Οι λόγοι που επιλέγεται ένας ενισχυτής διαγωγιµότητας για το στάδιο εισόδου είναι οι εξής: ιευκολύνει τον διαχωρισµό πόλων (pole splitting), όπως θα δούµε και αργότερα, κάτι που είναι ιδιαίτερα σηµαντικό για την απόδοση και την σταθερότητα στις υψηλές συχνότητες. Αντικαθιστά την ευµετάβλητη και ασταθή παράµετρο β των τρανζίστορ µε την παράµετρο gm της διαγωγιµότητας (που εξαρτάται από την πόλωση I / 2 g m =, I: το ρεύµα πόλωσης του σταδίου εισόδου). [11] V T Μένει απαθής στις µεταβολές του φορτίου του, κάτι ιδιαίτερα σηµαντικό γιατί η εµπέδηση εισόδου του επόµενου σταδίου (ΕΤ), µειώνεται αρκετά µε την αύξηση της συχνότητας. [12] Με δεδοµένες αυτές τις απαιτήσεις, πρακτικά πάντοτε ως στάδιο εισόδου επιλέγεται κάποια µορφή διαφορικού ενισχυτή, ο οποίος ανταποκρίνεται στα παραπάνω, και επιπλέον προσφέρει και την αναστρέφουσα είσοδό του για την εφαρµογή του κυκλώµατος αρνητικής ανάδρασης. 2.1.2 Τοπολογίες σταδίων εισόδου Υπάρχουν διάφορες επιλογές για την χρησιµοποίηση διαφορικών ενισχυτών στο στάδιο εισόδου. Είτε ένας απλός διαφορικός πολωµένος µε αντιστάσεις, είτε πολωµένος από κάποια πηγή ρεύµατος, µε παθητικό, ενεργό, ή ακόµα και καθρέπτη ρεύµατος για φορτίο, µε τρανζίστορ npn ή pnp. Επίσης, χρησιµοποιούνται και cascode τοπολογίες µε διπολικά ή και υβριδικές µε fet τρανζίστορ, όπως και πλήρως συµµετρικές push-pull τοπολογίες µε 2 διαφορικούς ενισχυτές µε πλεονεκτήµατα την ελαχιστοποίηση της επίδρασης του µη ταιριάσµατος των εξαρτηµάτων και της προστιθέµενης παραµόρφωσης, µε απαίτηση όµως για επίσης συµµετρικό push-pull επόµενο στάδιο(ετ). [13] 22

Σχήµα 2.2 Το απλούστερο διαφορικό στάδιο εισόδου Σχήµα 2.3 ιαφορικό στάδιο εισόδου µε καθρέπτη ρεύµατος για φορτίο 23

Σχήµα 2.4 Push-Pull στάδιο εισόδου µε 2 διαφορικούς και διπλή έξοδο Πρέπει να σηµειωθεί, ότι η έξοδος του σταδίου εισόδου είναι ανεστραµµένη σε σχέση µε την είσοδο, δηλαδή είναι σε διαφορά φάσης 180 ο. 2.1.3 Κυκλώµατα φιλτραρίσµατος εισόδου Μέχρι αυτό το σηµείο υποθέσαµε ότι το ηχητικό σήµα που εισέρχεται στον ενισχυτή είναι καθαρό από παρεµβολές, όπως ακριβώς θέλουµε να το µεταφέρουµε ενισχυµένο στην έξοδο. Στην πραγµατικότητα όµως, το σήµα εισόδου βρίθει παρεµβολών που προσλαµβάνονται από τον αέρα, την τροφοδοσία, τα προηγούµενα στάδια επεξεργασίας του ήχου. Ειδικά ζηµιογόνα είναι τα RF σήµατα που παρεµβάλλονται στο ηχητικό σήµα εισόδου, και προέρχονται από ανεπαρκώς προστατευµένα καλώδια µεταφοράς σήµατος, ή προβληµατικούς ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές. Για την εξάλειψη των ανεπιθύµητων αυτών συνιστωσών του σήµατος εισόδου παρεµβάλουµε µεταξύ της πηγής µας και της εισόδου του διαφορικού ενισχυτή ρυθµιστικά κυκλώµατα, τυπικά 1 ης ή 2 ης τάξης παθητικά ζωνοδιαβατά φίλτρα. Η κάτω συχνότητα αποκοπής των φίλτρων αυτών είναι περίπου τα 5Hz (γιατί όπως προείπαµε πρέπει να κόψουµε και τα DC), ενώ ή άνω ξεπερνά τα 100kHz. [14] 24

Σχήµα 2.5 Φίλτρο εισόδου 1 ης τάξης Σχήµα 2.6 Bode διάγραµµα φίλτρου εισόδου 1 ης τάξης Στο σχήµα 2.5 βλέπουµε ένα απλό ζωνοδιαβατό φίλτρο 1 ης τάξης, µε τον πυκνωτή σύζευξης C1 να δίνει µία κάτω συχνότητα -3dB db περίπου στα 2 Hz, και µε την άνω συχνότητα -3dB να βρίσκεται περίπου στα 3 MHz, όπως φαίνεται στο Σχήµα 2.6. Σχήµα 2.7 Φίλτρο εισόδου 2 ης τάξης 25

Σχήµα 2.8 Bode διάγραµµα φίλτρου εισόδου 2 ης τάξης Για την περίπτωση του 2 ης τάξης ζωνοδιαβατού φίλτρου (Σχήµα 2.7, 8) παρατηρεί κανείς την βελτίωση στην αποκοπή των ανεπιθύµητων συχνοτήτων, αφού στα 100ΜHz καταφέρνει να φέρει την έξοδό του 56dB κάτω από την είσοδό του, ενώ το παραπάνω 1 ης τάξης φίλτρο, στην ίδια συχνότητα παρουσιάζει πολύ φτωχότερη επίδοση επιτυγχάνοντας µόνο -16dB. Πιο πολύπλοκα ρυθµιστικά κυκλώµατα εισόδου χρησιµοποιούνται για την περίπτωση που απαιτείται και ποτενσιόµετρο για την µείωση της έντασης του αναπαραγόµενου ήχου. Σχήµα 2.9 Φίλτρο εισόδου µε ποτενσιόµετρο 26

2.2 Στάδιο ενίσχυσης τάσης (ΕΤ) 2.2.1Λειτουργία του σταδίου ΕΤ Όπως αναφέρθηκε και πιο πάνω, το στάδιο αυτό είναι που προσφέρει το κυρίως κέρδος τάσης του ενισχυτή. Λαµβάνει ως είσοδο το σήµα ρεύµατος που προέρχεται από το στάδιο εισόδου, και παράγει στην έξοδό του σήµα τάσης που φθάνει σχεδόν ως τα όρια της τροφοδοσίας. Λειτουργεί συνεπώς ως ενισχυτής διαντίστασης (transimpedance), δηλαδή ενισχυτής ρεύµατος-τάσης. Κύρια χαρακτηριστικά αυτού του σταδίου είναι ότι παρέχει την αντιστάθµιση κέρδους που εξασφαλίζει την ευστάθεια του συνολικού κυκλώµατος, και ταυτόχρονα παρουσιάζει ισχυρό παράγοντα τοπικής αρνητικής ανάδρασης που συµβάλει στην γραµµικότητα του σταδίου. [15] Σχήµα 2.10 Βασικό σχέδιο σταδίου ΕΤ Θα δείξουµε πώς σε αυτό το στάδιο εξασφαλίζεται η ευστάθεια του ενισχυτή και η απόκριση του στις υψηλές συχνότητες. Ας θεωρήσουµε το γνωστό κύκλωµα Lin των 3 σταδίων, από το οποίο όµως έχει αφαιρεθεί ο πυκνωτής αντιστάθµισης CC (Compensation Capacitor), αλλά και η αρνητική ανάδραση από την αναστρέφουσα είσοδο του διαφορικού ενισχυτή. Ο ενισχυτής θα παρουσιάσει υψηλότατο κέρδος (κέρδος χαµηλών συχνοτήτων), το οποίο από µία συχνότητα και πάνω, την συχνότητα του επικρατούντα πόλου (Ρ1), θα αρχίσει να µειώνεται µε 6dB ανά οκτάβα (κέρδος υψηλών συχνοτήτων). Η συχνότητα Ρ1 καθορίζεται από τις παρασιτικές χωρητικότητες των τρανζίστορ του κυκλώµατος. Η επίδραση λοιπόν των χωρητικοτήτων αυτών έχει ως αποτέλεσµα τέτοια µετατόπιση φάσης, η οποία κατά την εφαρµογή ανάδρασης στο κύκλωµα, θα το οδηγήσει σε 27

αυτοσυντηρούµενη ταλάντωση, δηλαδή αστάθεια. Η λύση στο πρόβληµα ονοµάζεται «αντιστάθµιση Miller» (επικρατούντα πόλου), και συνιστάται στην τοποθέτηση του πυκνωτή αντιστάθµισης CC. Η κύρια λειτουργία του CC είναι να χαµηλώσει την συχνότητα επικρατούντα πόλου Ρ1, ώστε το κέρδος ανοικτού βρόχου να έχει πέσει κάτω από την µονάδα, αρκετά πριν η φάση µειωθεί τόσο (-180 ο ) ώστε να µπορεί να προκαλέσει αστάθεια (να µετατρέψει δηλαδή την αρνητική ανάδραση σε θετική). Ο στόχος είναι η φάση να είναι πάνω από τις -135 ο όταν το κέρδος ανοικτού βρόχου γίνεται 1. Αν θεωρήσουµε το στάδιο εισόδου ως πηγή ρεύµατος τιµής G m U i µε αντίσταση εξόδου R o και το ΕΤ στάδιο µας µε ένα υψηλό κέρδος -Α ΕΤ, έχουµε: Σχήµα 2.11 Σχηµατική απεικόνιση σταδίου ΕΤ για εφαρµογή θεωρήµατος Miller και µε εφαρµογή του θεωρήµατος Miller: 28

Σχήµα 2.12 Εφαρµογή του θεωρήµατος Miller ισχύουν: G V ( s) = V Va ( s) GmRo = V ( s) sr CC(1 + A i m i o a ( s)[ scc(1 + A ET ) + 1 ET ) + 1/ R o ] απ όπου παίρνουµε την ολική συνάρτηση µεταφοράς του ενισχυτή (µια και το στάδιο εξόδου έχει µοναδιαίο κέρδος όπως θα φανεί και αργότερα): Vb ( s) AV ( s) = V ( s) i = AETVa ( s) V ( s) i GmRo AET = 1+ sr CC(1 + A o ET ) = o G m A ET CC(1 + AET ) 1 s + R CC(1 + A ET ) = ωt s + ω B µε ω B = 1 R CC(1 + o A ET ) και ω T Gm AET = CC( 1+ AET, απ όπου προκύπτει πως για µεγάλα κέρδη του σταδίου ) G ΕΤ, έχουµε ω m T =, δηλαδή η συχνότητα που καθορίζει το περιθώριο φάσης του CC ενισχυτή, καθορίζεται µόνο από τον πυκνωτή αντιστάθµισης CC και την πόλωση του σταδίου εισόδου. [16] 29

Η επίδραση όµως του πυκνωτή αντιστάθµισης CC δεν περιορίζεται στην ρύθµιση της ευστάθειας, αλλά και στην βελτίωση της γραµµικότητας του κυκλώµατος. Με την αύξηση της συχνότητας παραπάνω από την συχνότητα του επικρατούντα πόλου Ρ1, λόγω της µείωσης της χωρητικής αντίδρασης του πυκνωτή CC, ελαττώνεται και το κέρδος τάσης, κάτι που έχει ως αποτέλεσµα την µείωση του ποσού της ολικής αρνητικής ανάδρασης που εφαρµόζεται στο στάδιο εισόδου. Αυτό κανονικά θα οδηγούσε σε προβλήµατα µη γραµµικότητας τα οποία όµως στην πραγµατικότητα δεν παρατηρούνται. Η εξήγηση βρίσκεται στον ίδιο τον πυκνωτή CC, ο οποίος κατά την µείωση της χωρητικής του αντίδρασης, αρχίζει να τροφοδοτεί την είσοδο του σταδίου ΕΤ (την βάση του αντίστοιχου τρανζίστορ) µε όλο και µεγαλύτερα ποσά τοπικής αρνητικής ανάδρασης από την έξοδο του ίδιου σταδίου. [17] Ο βρόχος αυτός ανάδρασης, λόγω της τοπικής του φύσης, δεν παρουσιάζει αστάθεια. [18] 2.2.2Τοπολογίες σταδίων ΕΤ Οι διάφορες τοπολογίες που είναι διαθέσιµες για το στάδιο ΕΤ ποικίλουν από τον απλό κοινό εκποµπό µε παθητικό φορτίο, τον κοινό εκποµπό µε πηγή ρεύµατος για ενεργό φορτίο που είναι αρκετά συνηθισµένη διάταξη, έως βελτιώσεις όπως cascode ή darlington διατάξεις, διαφορικά στάδια (που διευκολύνουν σε περίπτωση που το στάδιο εισόδου έχει υλοποιηθεί µε FET), push-pull κυκλώµατα, και τέλος κυκλώµατα µε αντιστάθµιση 2 πόλων. Η ιδανικότερη διάταξη µπορεί να θεωρηθεί ένα darlington push-pull κύκλωµα µε αντιστάθµιση 2 πόλων, το οποίο διαθέτει τα πλεονεκτήµατα του ζεύγους darlington όπως αυξηµένη παράµετρο β οπότε και αυξηµένο κέρδος (που ενισχύει και το ποσό τοπικής ανάδρασης µέσω του CC), και δυνατότητα χρήσης χαµηλότερου β τρανζίστορ, τα πλεονεκτήµατα της push-pull τοπολογίας µε αυξηµένους λόγους απόρριψης µεταβολών της τροφοδοσίας (PSRR) ( σε συνδυασµό µε συµµετρικό στάδιο εισόδου), αλλά και το πλεονέκτηµα της αντιστάθµισης 2 πόλων, που δίνει την δυνατότητα στον επικρατούντα πόλο να βρίσκεται σε υψηλότερη συχνότητα (και έτσι το κέρδος να παραµένει σταθερό για µεγαλύτερο εύρος συχνοτήτων) αφού οι 2 πόλοι δίνουν πιο απότοµη µείωση του κέρδους (-12dB ανά οκτάβα). 30

Σχήµα 2.13 Απλό ΕΤ στάδιο µε πηγή ρεύµατος για ενεργό φορτίο Σχήµα 2.14 Στάδιο ΕΤ µε Darlington τρανζίστορ 31

Σχήµα 2.15 ιαφορικό στάδιο ΕΤ Σχήµα 2.16 Αντιστάθµιση 2 πόλων σε ΕΤ στάδιο µε ζεύγος Darlington 32

Σχήµα 2.17 Push-Pull ΕΤ στάδιο 2.3 Στάδιο Εξόδου (ΣΕ) 2.3.1Περιγραφή σταδίων εξόδου Αναµφίβολα, αυτό που χαρακτηρίζει έναν ενισχυτή ήχου είναι το στάδιο εξόδου (ΣΕ) που φέρει, και αυτό δίκαια γιατί αποτελεί το στάδιο που φέρνει τα περισσότερα εµπόδια στην τέλεια αναπαραγωγή του ήχου, αλλά και γιατί εξαιτίας της κατηγοριοποίησης των σταδίων εξόδου σε τάξεις, συνηθίζεται να ονοµατίζει αντίστοιχα την συνολική ενισχυτική διάταξη. Έτσι, όταν αναφερόµαστε σε έναν ενισχυτή Τάξης Α (Class A amplifier), υπονοούµε ενισχυτή µε στάδιο εξόδου που λειτουργεί σε Τάξη Α. Ο σκοπός του ΣΕ είναι να παραλάβει την υψηλού επιπέδου τάσης έξοδο του προηγουµένου σταδίου (ΕΤ), και να την παραδώσει αποτελεσµατικά στο χαµηλής εµπέδησης φορτίο εξόδου (το µεγάφωνο). Πρόκειται δηλαδή για µοναδιαίου κέρδους τάσης ενισχυτή ρεύµατος. (ιδιαίτερα σπάνιες είναι οι διατάξεις ενσωµάτωσης του ενισχυτή τάσης στο στάδιο εξόδου, λόγω της πολύ ικανοποιητικής απόδοσης των υφισταµένων σταδίων ΕΤ) Κατά τη λειτουργία του το ΣΕ είναι εκτεθειµένο σε 3 µηχανισµούς παραµόρφωσης του σήµατος, οι οποίοι ανάλογα µε την επιλογή τοπολογίας παίζουν µεγάλο ρόλο ή εξαλείφονται τελείως: 33

Παραµόρφωση περάσµατος Εµφανίζεται κατά το πέρασµα από το µηδέν της τάσης εξόδου, και οφείλεται στο ότι σε εκείνη την περιοχή τάσεων γίνεται η µετάβαση µεταξύ της αγωγής ενός τρανζίστορ και του συµπληρωµατικού του. Παραµόρφωση διακοπής Εµφανίζεται πάλι στην περιοχή γύρω από το µηδέν και οφείλεται στην αδράνεια που εµφανίζουν ορισµένες φορές τα τρανζίστορ εξόδου και δεν καταφέρνουν να σβήσουν άµεσα όταν παρέλθει ο χρόνος αγωγής που τους αντιστοιχεί. Beta droop- Πτώση της παραµέτρου β Αφορά τα διπολικά τρανζίστορ και εµφανίζεται ως µείωση της παραµέτρου β των τρανζίστορ όταν αυτά διαρρέονται από µεγάλα ρεύµατα. Συνεπάγεται την µείωση του κέρδους ρεύµατος για υψηλές τιµές ρεύµατος, υποβαθµίζοντας την γραµµικότητα µεγάλου σήµατος. Είναι βασική παράµετρος αύξησης της παραµόρφωσης κατά τη λειτουργία σε µεγάλες ισχείς, ή κατά την οδήγηση πολύ χαµηλών σε εµπέδηση φορτίων. [19] Εκτός από τις ρυθµίσεις για µείωση των παραπάνω παραµορφώσεων, ειδική µέριµνα πρέπει να δοθεί και στην θερµική προστασία του ΣΕ που θα εξασφαλίσει σταθερότητα και αξιοπιστία της συσκευής. Ακόµα και τα πιο αποδοτικά ΣΕ έχουν αρκετές απώλειες ώστε να θερµαίνονται σε βαθµό που να απειλεί την ακεραιότητα των τρανζίστορ εξόδου. Η θερµότητα που δεν αποβάλλεται στο περιβάλλον αυξάνει την θερµοκρασία της ένωσης συλλέκτη-βάσης (όπου υπάρχει και η µεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος από το τρανζίστορ). Αν η θερµοκρασία αυτή ξεπεράσει µία µέγιστη τιµή T Jmax (που κυµαίνεται µεταξύ 150 και 200 ο C για τα συµβατικά τρανζίστορ πυριτίου), η ένωση και συνεπώς το εξάρτηµα θα καταστραφεί µόνιµα. [20] Πρέπει συνεπώς ο σχεδιαστής µε υποβοηθήσει την αποβολή της παραγόµενης θερµότητας µε τους αποδέκτες θερµότητας, τις γνωστές ψήκτρες. 2.3.2Τάξεις Σταδίων Εξόδου Η πρώτη απόφαση που πρέπει να πάρει κάποιος πριν την σχεδίαση ενός ενισχυτή είναι η επιλογή της τάξης του σταδίου εξόδου. Η επιλογή γίνεται ανάλογα µε την επιθυµητή ισχύ εξόδου, την κατανάλωση ισχύος (την απόδοση δηλαδή της συσκευής), αλλά και λαµβάνοντας υπ'όψιν τις ηχητικές ιδιαιτερότητες της κάθε τάξης, δηλαδή τις παραµορφώσεις που αναπόφευκτα προσθέτει στο ηχητικό σήµα. Η κατάταξη των σταδίων εξόδου σε τάξεις, αποτελεί κάπως οµιχλώδες τοπίο, και µε επιφύλαξη θα προσπαθήσουµε να το ξεκαθαρίσουµε. Τα ΣΕ κατατάσσονται σε τάξεις ανάλογα µε την πόλωσή τους, τη γωνία αγωγής (για ηµιτονικές εισόδους), αλλά πλέον και την τεχνική.(γιατί υπάρχουν τάξεις, για τις οποίες δεν ορίζονται οι 2 πρώτες προδιαγραφές). Η γωνία αγωγής περιγράφει το ποσοστό της περιόδου ενός ηµιτονικού σήµατος, κατά το οποίο άγει το τρανζίστορ εξόδου. Γωνία αγωγής 180 ο υποδηλώνει ότι το τρανζίστορ εξόδου άγει για την µισή περίοδο του σήµατος αγωγής (για τις θετικές ή τις αρνητικές τιµές). Για τους αναλογικούς ενισχυτές ήχου στερεάς κατάστασης (µε διακριτά τρανζίστορ) κοινός τόπος είναι επιλογή κάποιας από τις τρεις πρώτες τάξεις, οι οποίες 34

και θα αναλυθούν διεξοδικά αργότερα. Για λόγους πληρότητας, αναφέρονται και οι υπόλοιπες τάξεις σταδίων εξόδου: [21] Τάξη Α Τα ενεργά στοιχεία εξόδου είναι πολωµένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε να άγουν και για τις 360 ο ενός ηµιτονικού σήµατος εισόδου. Αυτό προσφέρει ελαχιστοποίηση των παραµορφώσεων περάσµατος και διακοπής, αλλά υποφέρει από µειονεκτήµατα όπως ιδιαίτερα χαµηλή ενεργειακή απόδοση. Σχήµα 2.18 Τάξη Α Τάξη Β Τα τρανζίστορ εξόδου στην τάξη Β άγουν µόνο για την µισή περίοδο (180 ο ) ενός ηµιτονικού σήµατος εισόδου το καθένα (για τις θετικές ή αρνητικές τιµές αντίστοιχα), µε αποτέλεσµα πολύ καλύτερη απόδοση, αλλά αυξηµένες παραµορφώσεις περάσµατος και διακοπής. 0 π 2π 3π Σχήµα 2.19 Τάξη Β 35

Τάξη ΑΒ Πρόκειται για µία τάξη µε στοιχεία από την Α και την Β. Το ΣΕ είναι έτσι πολωµένο, ώστε τα ενεργά στοιχεία να άγουν για παραπάνω από 180 ο το καθένα, µε σκοπό την µείωση της παραµόρφωσης περάσµατος. Σχήµα 2.20 Τάξη ΑΒ Τάξη C Στην τάξη C τα τρανζίστορ εξόδου είναι πολωµένα ώστε να άγουν για λιγότερο από 50% της περιόδου ενός ηµιτονικού σήµατος εισόδου (<180 ο ). Χρησιµοποιούνται σε RF εφαρµογές και καθόλου στην ενίσχυση ηχητικών σηµάτων. [22] Σχήµα 2.21 Τάξη C Τάξη D Τα ενισχυτικά στάδια που ανήκουν στην τάξη D, λειτουργούν µε εντελώς διαφορετικό τρόπο, και υπόσχονται µεγάλη βελτίωση στον τοµέα της ενεργειακής απόδοσης, χρησιµοποιώντας τα τρανζίστορ εξόδου ως διακόπτες. Η ονοµασία D καµία σχέση δεν έχει µε τη λέξη Digital - ψηφιακός, µια και τέτοιοι ενισχυτές δεν εµπλέκουν κανενός είδους ψηφιακή κωδικοποίηση του ηχητικού σήµατος, απλά το γράµµα D ήταν το επόµενο διαθέσιµο κατά την στιγµή της ονοµασίας της τάξης αυτής. Άλλωστε οι πρώτες υλοποιήσεις είχαν εµφανιστεί πριν την δεκαετία του 1950 οπότε δεν είχε νόηµα ο όρος ψηφιακός ήχος. 36

Τα στάδια τάξης D, µετατρέπουν το αναλογικό ηχητικό σήµα σε ακολουθία παλµών τους οποίους παλµούς οδηγούν σε συµπληρωµατικό στάδιο εξόδου (συνήθως µε mosfet) τα οποία εξαναγκάζονται να άγουν ή να µην άγουν ανάλογα µε το πλάτος και το πρόσηµο των παλµών, και να διακόπτουν ή να οδηγούν την τάση τροφοδοσίας στην έξοδό τους και στο φορτίο µέσα από ένα χαµηλοπερατό φίλτρο. Η µετατροπή του σήµατος σε παλµούς γίνεται σύµφωνα µε την µέθοδο PWM-Pulse Width Modulation, µε χρήση τριγωνικής κυµατοµορφής αναφοράς, της οποίας η συχνότητα για ικανοποιητικά αποτελέσµατα πρέπει να είναι τάξεις υψηλότερη της µέγιστης συχνότητας του σήµατος, των 20kHz δηλαδή. Οι PWM παλµοί ενισχύονται µέχρι τα όρια της τροφοδοσίας, και στη συνέχεια ένα χαµηλοπερατό φίλτρο αναλαµβάνει να επανασχηµατίσει το ενισχυµένο σήµα. Σχήµα 2.22 Στάδιο Εξόδου Τάξης D Οι ενισχυτές σε τάξη D, πράγµατι καταφέρνουν να επιτύχουν τις υπερυψηλές αποδόσεις που υπόσχονται (>90%!), έχοντας όµως σχετικά αυξηµένες παραµορφώσεις σε σχέση µε τις προηγούµενες υλοποιήσεις (ειδικά όταν µιλάµε για µεγάλης ισχύος διατάξεις), κάτι που οφείλεται στην αδυναµία των mosfet τρανζίστορ να ανάβουν και να σβήνουν σε τόσο υψηλές συχνότητες όταν λειτουργούν ως διακόπτες µεταξύ τόσο µεγάλων τάσεων. [23], [24] Τάξη Ε Το στάδιο τάξης Ε αφορά τρόπους µείωσης της κατανάλωσης των τρανζίστορ για RF συχνότητες, και όπως και η τάξη C είναι µη εφαρµόσιµη σε µηχανήµατα αναπαραγωγής ήχου. [25] Τάξη G Τα στάδια της τάξης G χρησιµοποιούν µία µέθοδο για την µείωση της κατανάλωσης σε στάδια τάξης Β, επιστρατεύοντας 2 στάδια τάξης Β, µε το ένα να λειτουργεί µε χαµηλή τάση τροφοδοσίας και το άλλο µε υψηλότερη. Υπό κανονικές συνθήκες το στάδιο χαµηλής τάσης (και συνεπώς και χαµηλής κατανάλωσης) αναλαµβάνει την οδήγηση του φορτίου, ενώ το άλλο στάδιο βρίσκεται σε αναµονή επεµβαίνοντας σε περιπτώσεις µεγάλων απαιτήσεων σε ρεύµα λόγω αυξηµένης στάθµης εξόδου, ή κορυφών και δυναµικών µεταβάσεων. Για να πετύχουν την διπλή 37

αυτή λειτουργία τέτοιοι ενισχυτές απαιτούν την χρήση εκτός της τετραπλής πλέον τροφοδοσίας, και ενός δικτυώµατος διόδων επιτελεί την µεταγωγή µεταξύ των σταδίων. υστυχώς, η βελτίωση στην απόδοση µε τα σηµερινά εξαρτήµατα δεν είναι αρκετή ώστε να δικαιολογήσει το επιπλέον κόστος και την πολυπλοκότητα τέτοιων σταδίων. [26] Τάξη Η Τα στάδια τάξης Η έχουν τον ίδιο στόχο µε αυτά της τάξης G, την µείωση δηλαδή των απωλειών, αλλά αντί για την χρησιµοποίηση διαφορετικών γραµµών τροφοδοσίας µεταβάλλουν δυναµικά την τιµή της υφιστάµενης γραµµής τροφοδοσίας, µειώνοντας την όταν δεν υπάρχουν ανάλογες απαιτήσεις, µειώνοντας έτσι και την κατανάλωση ισχύος. Πάλι πρόκειται για µία προσπάθεια η οποία προσφέρει βελτιώσεις δυσανάλογες της πολυπλοκότητας της. [27] Τάξη S Η τάξη S µειγνύει στάδια τάξης Α και τάξης Β. Χρησιµοποιείται στάδιο τάξης Α χαµηλής ισχύος που οδηγεί φορτίο υποστηριζόµενο από στάδιο τάξης Β. Το στάδιο τάξης Β κάνει την αντίσταση του φορτίου να φαίνεται υψηλότερη και επιτρέπει στο στάδιο τάξης Α να το οδηγήσει πιο αποδοτικά. [28] 2.3.3Ανάλυση των τάξεων σταδίων εξόδου Όπως φαίνεται και από τα παραπάνω, στο πεδίο του ήχου κυριαρχούν διατάξεις των πρώτων 3 τάξεων και γι αυτό θα αναλυθούν µε λεπτοµέρεια παρακάτω. Θα ακολουθήσει ο παραδοσιακός ορισµός των 3 αυτών τάξεων, και στη συνέχεια θα επαναοριστούν µε βάση µία πιο γενική παράµετρο. Οι τοπολογίες που θα ακολουθήσουν, είναι οι συνηθέστερες που ακολουθούνται από τους περισσότερους σχεδιαστές καλών ενισχυτών ήχου. Όπως προαναφέρθηκε, θα αναφερθούµε σε σχεδιάσεις «στερεάς κατάστασης», δηλαδή τοπολογίες όπου τα ενεργά στοιχεία είναι διακριτά transistor, διπολικά ή FET. εν παρουσιάζονται διατάξεις µε τελεστικούς ενισχυτές ή ολοκληρωµένα κυκλώµατα, λύσεις που χρησιµοποιούνται κυρίως σε οικονοµικές σχεδιάσεις χαµηλής πιστότητας ή ισχύος. 2.3.3.1 Στάδια Εξόδου Τάξης Α Το βασικό χαρακτηριστικό των ενισχυτικών βαθµίδων Τάξης Α, είναι ότι άγουν ρεύµα και κατά την περίοδο ηρεµίας (για µηδενική είσοδο δηλαδή), κάτι που έχει ως αποτέλεσµα τις αυξηµένες θερµικές απώλειες, και συνεπώς χαµηλή απόδοση. Τυπική τοπολογία σταδίου Τάξης Α, είναι ο ακόλουθος εκποµπού [29]. 38

Σχήµα 2.23 Απλό κύκλωµα τάξης Α Η πηγή ρεύµατος πολώνει το τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή, και η τάση εξόδου Vout ακολουθεί την τάση εισόδου Vin, µε Vout=Vin-0.7V. Με ένα πολύ απλό κύκλωµα πόλωσης που φαίνεται στο παρακάτω σχήµα, το κύκλωµα µπορεί να αναλυθεί ως εξής: 39

Σχήµα 2.24 Κύκλωµα τάξης Α µε απλή πηγή ρεύµατος Η πηγή ρεύµατος πολώνει το τρανζίστορ Q1 µε ένα µόνιµό ρεύµα Ι, το οποίο πρέπει να είναι τόσο µεγάλο ώστε όταν η τάση εξόδου φθάσει την χαµηλότερη αρνητική τιµή της το Q1 να εξακολουθήσει να τροφοδοτείται µε ρεύµα ώστε να µην αποκοπεί. Άρα, αφού i E1 =I+i L, όταν οριακά i E1 =0 πρέπει Ι=-i L =V cc /R load. Με εξασφαλισµένη λοιπόν την αγωγή του Q1, η αύξηση στην τάση εισόδου (βάση του Q1), προκαλεί αντίστοιχη αύξηση στην τάση εξόδου (µε ένα µικρό offset λόγω της τάσης V BE : V out =V in =V BE ), οπότε η χαρακτηριστική µεταφοράς του ΣΕ είναι µία ευθεία µε κέρδος 1. Με την αύξηση την τάσης εισόδου, η τάση εξόδου θα φθάσει µέχρι λίγο πριν την τροφοδοσία (στον κόρο του Q1: V max =V cc -V CE1sa t), ενώ µειούµενη η τάση εισόδου θα παρασύρει και την τάση εξόδου µέχρι πριν την αρνητική τροφοδοσία (στον κόρο του Q2: V min =-V cc +V CE2sa t), ή αν δεν έχει εξασφαλιστεί η προδιαγραφή για ρεύµα πηγής µεγαλύτερο από το µέγιστο ρεύµα του φορτίου, µέχρι την τάση Ι*R load. 40

Σχήµα 2.25 Συνάρτηση µεταφοράς κυκλώµατος Τάξης Α Το γεγονός της συνεχούς ροής ρεύµατος από το τρανζίστορ της τάξης Α, ακόµα και απουσία σήµατος, είναι που έχει ως αποτέλεσµα την πολύ χαµηλή απόδοση αυτής της τοπολογίας: Υποθέτουµε ότι η έξοδος είναι ένα ηµιτονικό σήµα πλάτους Vo: Vout=Vosinωt, και Pload η ισχύς που αποδίδεται στο φορτίο, ενώ PS η ισχύς που αποδίδουν τα τροφοδοτικά στο κύκλωµα. Λόγω της ηµιτονικής φύσης της εξόδου, το µέσο ρεύµα που θα τραβάει το κύκλωµα από την τροφοδοσία θα είναι Ι, και συνεπώς η µέση ισχύς PS=2VccI. Επίσης λόγω της ηµιτονικής εξόδου, η µέση ισχύς που θα καταναλώνει το φορτίο θα είναι P load = Vo 2 R load 2 = Vo 2 R 2 load Άρα ο συντελεστής απόδοσης 2 Vo 2 Pload 2Rload Vo η = = =, PS 2V I 4R V I cc load επειδή όµως έχουµε απαιτήσει Ι=Vcc/Rload, τότε: cc 41

η = Vo 2 4V cc 2 Παρατηρούµε λοιπόν, ότι στην καλύτερη περίπτωση, ο συντελεστής απόδοσης αυτής της τοπολογίας τάξης Α, είναι 25%, και µάλιστα όταν το κύκλωµα οδηγείται στα όριά του, µε την πλάτος τάσης εξόδου να ισούται µε την τιµή της τροφοδοσίας (Vo=Vcc)! [30], [31]. Για την βελτίωση της απόδοσης, και την προσέγγιση του θεωρητικού ορίου του 50%, οι σχεδιαστές κατέφυγαν στη χρήση push- pull τοπολογίας µε την χρήση συµπληρωµατικού ζεύγους npn και pnp τρανζίστορ: Σχήµα 2.26 Κύκλωµα Τάξης Α push-pull Το ζεύγος των τρανζίστορ πολώνεται από την τάση Vbias, έτσι ώστε τα τρανζίστορ εξόδου να διαρρέονται από ισχυρό ρεύµα ηρεµίας. Όταν η είσοδος του σταδίου εξόδου ( η έξοδος δηλαδή του σταδίου ΕΤ) αρχίζει να µεγαλώνει, το Q1 αρχίζει να διαρρέεται από όλο και µεγαλύτερο ρεύµα το οποίο αποδίδει στο φορτίο, ενώ αντίθετα το ρεύµα που ρέει στο συλλέκτη του Q2 συνεχώς µειώνεται. Παρ όλα αυτά, το στάδιο εξόδου τάξης Α είναι πολωµένο σε τέτοιο ρεύµα, ώστε το κάθε τρανζίστορ να άγει για εύρος τάσης στον εκποµπό του ίσο µε το άθροισµα των τάσεων τροφοδοσίας. ηλαδή, η τάση εξόδου µεταβάλλεται από (V-) volts σε (V+) volts, και τα τρανζίστορ άγουν αµφότερα για όλο το εύρος της µεταβολής, βρισκόµενα στην ενεργό τους περιοχή. Τα κύρια πλεονεκτήµατα της συµµετρικής push- pull τοπολογίας είναι 3. Αρχικά, η απόδοση µπορεί να φθάσει το θεωρητικό ποσοστό 50%: κατά την µεταβολή της τάσης εισόδου, παρ όλο που τα τρανζίστορ άγουν συνεχώς, το ρεύµα που άγουν αυξοµειώνεται και µάλιστα εναλλάξ. Όταν δηλαδή το Q1, εξαιτίας της αύξησης της τάσης εισόδου, αρχίζει να άγει περισσότερο ρεύµα, το ρεύµα που διαρρέεται µέσω του Q2 αρχίζει και µειώνεται. Μάλιστα, το τρανζίστορ που οδεύει προς την εγκατάλειψη της ενεργού περιοχής και τείνει να αποκοπεί εµφανίζει συνεχώς αυξανόµενη αντίσταση στον εκποµπό του, αναγκάζοντας το συµπληρωµατικό του τρανζίστορ να ωθήσει ακόµα περισσότερο ρεύµα προς το φορτίο. Επιτυγχάνεται έτσι έως και διπλασιασµός του ρεύµατος µέσω του φορτίου (για την ακραία περίπτωση 42

της µέγιστης εξόδου), και κατά συνέπεια και διπλασιασµός θεωρητικά της απόδοσης (έως το 50%), σε σχέση µε τον απλό ακόλουθο εκποµπού [32]. Βέβαια, αυτές οι αποδόσεις είναι θεωρητικές και για έναν άλλο λόγο. Για την αποφυγή του κορεσµού των τρανζίστορ και των µη γραµµικών παραµορφώσεων που αυτή συνεπάγεται [33], αλλά και την δυνατότητα του κυκλώµατος να ανταπεξέλθει σε µεγάλες στιγµιαίες απαιτήσεις για ρεύµα (έντονα δυναµικά), το λειτουργούµε µε την τάση εξόδου αρκετά χαµηλότερα της µέγιστης δυνατής τιµής της, κάτι που οδηγεί σε ακόµα χαµηλότερες τιµές απόδοσης. Το άλλο πλεονέκτηµα της διάταξης push-pull, µπορεί να ανταπεξέλθει σε ακραίες µεταβολές του φορτίου σε συνάρτηση µε µεγάλο σήµα στην είσοδο, χωρίς οδηγηθεί σε ψαλιδισµό του σήµατος. Αν οι παραπάνω συνθήκες στερήσουν το συµπληρωµατικό ζεύγος από το επαρκές ρεύµα πόλωσης, το ένα τρανζίστορ απλά θα οδηγηθεί στην αποκοπή, αφήνοντας στο άλλο την οδήγηση του φορτίου. Όπως θα δούµε στην συνέχεια, απλά σε αυτή την περίπτωση το κύκλωµα µεταπίπτει σε τάξης ΑΒ [34]. Τέλος, τα στάδια τάξης Α πλεονεκτούν έναντι των υπολοίπων (τάξη Β), εξαιτίας της µικρότερης ευαισθησίας που επιδεικνύουν στην ακρίβεια της πόλωσης. Ενώ στην τάξη Β απαιτείται ακρίβεια στην τάση πόλωσης της τάξης των εκατοστών του Volt, σε τοπολογίες τάξης Α αρκεί να εξασφαλίζεται ότι τα στοιχεία εξόδου παραµένουν συνεχώς στην γραµµική τους περιοχή [35]. Στην πράξη, ένα κύκλωµα push- pull τάξης Α είναι πιο πολύπλοκο από το παραπάνω βασικό σκαρίφηµα, περιλαµβάνοντας και διατάξεις δυναµικής µεταβολής της πόλωσης µε σκοπό την δυνατότητα παροχής του βέλτιστου ρεύµατος πόλωσης στα τρανζίστορ εξόδου.: 43

Σχήµα 2.27 Στάδιο εξόδου Τάξης Α µε το κύκλωµα πόλωσής του Το ρεύµα πόλωσης IBias που διαρρέει τα τρανζίστορ Q1, Q2 και τα διατηρεί πολωµένα, ρυθµίζεται µέσω των τρανζίστορ Q5, Q6 ως εξής: η τάση που βλέπουν τα Q5, Q6 στις βάσεις τους είναι αυτή που δηµιουργείται στα άκρα των αντιστάσεων RE1 και RE2 συνολικά. Η τάση αυτή, έστω V BB, είναι προφανώς ανάλογη του ρεύµατος που διαρρέει τις αντιστάσεις RE1, RE2, δηλαδή του ρεύµατος πόλωσης I Bias. Όταν το IBias αυξηθεί τόσο ώστε η τάση V BB να ξεπεράσει το άθροισµα V BE των τρανζίστορ Q5, Q6, αυτά άγουν µε αποτέλεσµα την µείωση της τάσης πόλωσης και συνεπώς και του ρεύµατος πόλωσης I Bias. Αντίστροφη αντίδραση θα έχει το κύκλωµα σε περίπτωση µείωσης του ρεύµατος πόλωσης, και συνεπώς της V BB. Η ρύθµιση δηλαδή του ρεύµατος πόλωσης IBias γίνεται µε αναφορά τις τάσεις V BE των τρανζίστορ Q5, Q6. (η τάση V BB είναι πράγµατι ανάλογη του ρεύµατος I Bias, παρ όλο που οι αντιστάσεις RE1, RE2 διαρρέονται και από το ρεύµα σήµατος. Αυτό ισχύει γιατί τα Q1, Q2 λειτουργούν συµπληρωµατικά, σε αντιστροφή φάσης, έτσι ώστε το αλγεβρικό άθροισµα των τάσεων που προκαλούν τα ρεύµατα σήµατος πάνω στις RE1, RE2 να είναι πάντοτε 0, για ίσες τιµές των αντιστάσεων RE1, RE2. Για την πράξη, όπου δεν είναι εύκολο να πετύχουµε απόλυτα ταιριασµένες αντιστάσεις αλλά και τρανζίστορ, τοποθετείται ο πυκνωτής C BB, που αναλαµβάνει να εξοµαλύνει τέτοιες δυναµικές µεταβολές) [36]. 44