ΗΥ335: Προχωρημένη Ηλεκτρονική «Βαθμίδες Εξόδου» Φώτης Πλέσσας fplessas@inf.uth.gr ΤHMMY
Σκοπός διάλεξης Γιατί χρησιμοποιούμε στάδια εξόδου Ακόλουθος εκπομπού Παρουσίαση των βασικών προδιαγραφών του Ψαλιδισμός - αντίσταση εξόδου κατανάλωση γραμμικότητα - αποδοτικότητα (με όχημα τον ακόλουθο εκπομπού) Παρουσίαση άλλων σημαντικών σταδίων εξόδου ΤHMMY - 2
Το βασικό πρόβλημα Ας θυμηθούμε τον ενισχυτή κοινού εκπομπού. Δίνει καλό κέρδος, αλλά αποτυγχάνει να οδηγήσει ένα μικρό φορτίο. Τι συμβαίνει όταν το φορτίο R load είναι μόνο 10 ; ΤHMMY - 3
Λύση ΠΟΤΕ δεν «φορτώνουμε» απευθείας τον ενισχυτή CE! Χρησιμοποιούμε ένα στάδιο εξόδου ή έναν buffer. CE amplifier Στάδιο εξόδου Προδιαγραφές Πολύ μικρή αντίσταση εξόδου Η αντίσταση εισόδου πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από την αντίσταση εξόδου του ενισχυτή CE Gain = 1 ΤHMMY - 4
Στόχοι ενός σταδίου εξόδου Ένα στάδιο εξόδου σχεδιάζεται έτσι ώστε: Να δίνει συγκεκριμένη ισχύ στο φορτίο με όσο το δυνατό μικρότερη παραμόρφωση του σήματος (low distortion) Να έχει πολύ μικρή (R out << R load ) αντίσταση εξόδου έτσι ώστε το κέρδος τάσης να μη επηρεάζεται απο το φορτίο Να φορτώνει χωρίς να επηρεάζει το προηγούμενο στάδιο (R in >> R out του προηγούμενου σταδίου) ΤHMMY - 5
Στάδιο εξόδου Emitter follower (Class A power amplifier) ΤHMMY - 6
Ανάλυση μεγάλου σήματος του Class A power amplifier Για το Q 1 : αν το Q 1 είναι active Επίσης: αν το Q 2 είναι active Έτσι: Βλέπουμε ότι η τάση εξόδου σχετίζεται γραμμικά με την τάση εξόδου. Αυτό δίνει στον ενισχυτή τάξης Α μια πολύ επιθυμητή ιδιότητα που είναι η μικρή παραμόρφωση. ΤHMMY - 7
Ανάλυση μεγάλου σήματος του Class A power amplifier Παρατηρούμε ότι η καλή γραμμικότητα επιτυγχάνεται όταν τόσο το Q 1 όσο και το Q 2 βρίσκονται στην ενεργό περιοχή. Αν το Q 1 μπει στον κόρο, η τάση εξόδου ψαλιδίζεται στο ανώτερο σημείο. Αν το Q 2 μπει στον κόρο, η τάση εξόδου ψαλιδίζεται στο κατώτερο σημείο. Περιοχή λειτουργίας χωρίς ψαλιδισμό από κορεσμό: ΤHMMY - 8
Ψαλιδισμός λόγω πολύ μεγάλου voltage swing Όταν η v in μεγαλώνει πολύ, το Q 1 μπαίνει στον κόρο γύρω από την V cc V CE1(sat). Η κυματομορφή εξόδου ψαλιδίζεται σε αυτή τη μέγιστη τάση. Όταν η v in μικραίνει πολύ, το Q 1 μπαίνει στον κόρο γύρω από την (V cc V CE1(sat) ). Η κυματομορφή εξόδου ψαλιδίζεται σε αυτή την ελάχιστη τάση. ΤHMMY - 9
Σοβαρός ψαλιδισμός λόγω μεγάλου ρεύματος φορτίου Όταν τα ρεύμα εξόδου είναι πολύ μεγάλο (το φορτίο απαιτεί πολύ μεγάλο ρεύμα), το Q 1 θα μπαίνει στην αποκοπή κατά τη διάρκεια του αρνητικού κύκλου γιατί η πηγή ρεύματος δεν μπορεί να δώσει αρκετό αρνητικό ρεύμα εξόδου και ταυτόχρονα να διατηρήσει το Q 1 στην ενεργό περιοχή. Κατά τη διάρκεια του +ve swing: I out > 0, και το Q 1 πρέπει να δώσει I out + I Q οπότε βρίσκεται την ενεργό περιοχή. Κατά τη διάρκεια του -ve swing: I out < 0, και το Q 1 μπαίνει στην αποκοπή αν I out γίνει ίσο με το I Q. Στο σημείο αυτό έχουμε: Η έξοδος ψαλιδίζει στο I Q R L το οποίο είναι ένα μικρότερο αρνητικό swing από αυτό που οριοθετείται από τον κορεσμό! ΤHMMY - 10
Σοβαρός ψαλιδισμός λόγω μεγάλου ρεύματος φορτίου ΤHMMY - 11
Ανάλυση ψαλιδισμού Ο βασικός ψαλιδισμός εμφανίζεται λόγω του κορεσμού των Q 1 και Q 2. Αυτός εμφανίζεται σε κάθε περίπτωση περίπου γύρω από την ±(V cc V CE(sat) ) ± V cc (αφού συνήθως η V CE(sat) είναι περίπου 0.2V). Επιπλέον, αν το ρεύμα εξόδου είναι πολύ μεγάλο, μπορεί να εμφανιστεί σοβαρός ψαλιδισμός. Έτσι πρέπει να ελέγχουμε το φορτίο και να εξετάζουμε την πιθανότητα τέτοιου ψαλιδισμού. Διαισθητικά: CASE 1: CASE 2: ΤHMMY - 12
Γραφική ανάλυση ψαλιδισμού ΤHMMY - 13
Κυματομορφές στο τρανζίστορ Q 1 (a) Τάση μεταξύ collector και emitter για πλήρη έξοδο (b) Ρεύμα συλλέκτη (c) Κατανάλωση ισχύος ΤHMMY - 14
Μοντέλο μικρού σήματος (χαμηλές συχνότητες) Θυμηθείτε ότι: ΤHMMY - 15
Κατανάλωση ισχύος και αποδοτικότητα Θυμηθείτε την βασική εξίσωση της κατανάλωσης ισχύος σε οποιαδήποτε συσκευή: Για την αντίσταση φορτίου, αν υποθέσουμε πως δεν εμφανίζεται ψαλιδισμός, (i out και v out ημιτονοειδείς κυματομορφές), έχουμε την μέση ισχύ εξόδου: Στο μέγιστο φορτίο (χωρίς σοβαρό ψαλιδισμό), η μέγιστη ισχύς είναι: ΤHMMY - 16
Κατανάλωση ισχύος και αποδοτικότητα Για να βρούμε την συνολική ισχύ που καταναλώνεται από μια πηγή: Το μέσο ρεύμα και τάση που καταναλώνεται από το class A στάδιο εξόδου είναι: Έτσι, η ισχύς που τροφοδοτείται στο στάδιο εξόδου είναι: Οπότε η μέγιστη αποδοτικότητα είναι: ΜΟΝΟ 25%!! Ο Class A ενισχυτής έχει φτωχή αποδοτικότητα, αλλά πολύ μικρή παραμόρφωση υψηλή πιστότητα! ΤHMMY - 17
Παράδειγμα υπολογισμού αποδοτικότητας Υποθέτουμε ότι θέλουμε να βρούμε την αποδοτικότητα του παρακάτω Class A ενισχυτή ισχύος. Εδώ, I Q = 500 ma, V cc = 15 V και V CE(sat) = 0.2 V Υποθέτοντας R L = 80 Ω και v in(peak) = 12 V Τότε, v out(peak) = 12 V i out(peak) = 150 ma που είναι μικρότερο από το I Q ; Οπότε δεν εμφανίζεται ψαλιδισμός. P out = 0.5 x 12 x 0.15 = 0.9 W P in = 2 x 15 x 0.5 = 15 W Efficiency η = 6 % ΤHMMY - 18
Ενισχυτής ισχύος Class B push-pull Το κύριο μειονέκτημα του ενισχυτή ισχύος Class A είναι η φτωχή αποδοτικότητα λόγω της μεγάλης κατανάλωσης ακόμα και με μηδενική έξοδο. Για να βελτιώσουμε την αποδοτικότητα, πρέπει να ελαχιστοποιήσουμε την κατανάλωση για μηδενική έξοδο. Αυτό σημαίνει πως πρέπει να σχεδιάσουμε έναν ενισχυτή με μηδενική κατανάλωση όταν v in = 0. Συμπληρωματικός push-pull amplifier Λύση: Στάδιο εξόδου Class B push-pull Χρήση δύο συμπληρωματικών ενεργών στοιχείων. Κάθε ένα άγει για μισό κύκλο. Βασικά είναι ένα κύκλωμα emitter follower circuit. Q 1 και Q 2 είναι σε αποκοπή για v in = 0. Στην πραγματικότητα, Q 1 και Q 2 είναι σε αποκοπή για v in < 0.7V Q 1 άγει όταν v in > 0.7V Q 2 άγει όταν v in < 0.7V Ο ψαλιδισμός συμβαίνει παρομοίως με τον class A αν η v out είναι πολύ μεγάλη, υπερβαίνοντας την V cc V CE(sat) ΤHMMY - 19
Ενισχυτής ισχύος Class B push-pull Παρατηρήστε τι συμβαίνει όταν 0.7 < v in < 0.7!! νεκρή ζώνη Όταν η είσοδος είναι σε αυτή την περιοχή, η έξοδος είναι 0. Έτσι ένα ημιτονοειδές σήμα στην είσοδο θα παραμορφώνεται κοντά στο vin = 0. Αυτό ονομάζεται crossover distortion. ΤHMMY - 20
Χαρακτηριστική μεταφοράς και κυματομορφές εξόδου ΤHMMY - 21
Crossover distortion στον ενισχυτή Class Β ΤHMMY - 22
Κατανάλωση ισχύος και αποδοτικότητα Κάθε συσκευή άγει για μισό κύκλο π.χ. 180 o. Έτσι, η κυματομορφή του ρεύματος για κάθε συσκευή είναι μισό ημίτονο. Βασικά, για να υπολογίσουμε την αποδοτικότητα, πρέπει να βρούμε: - Το ρεύμα που καταναλώνεται από την ±V cc (ισχύς εισόδου) - Την ισχύ που δίνεται στο φορτίο (ισχύς εξόδου) ΤHMMY - 23
Για απλότητα αγνοούμε την παραμόρφωση crossover. Το ρεύμα τροφοδοσίας είναι: Κατανάλωση ισχύος και αποδοτικότητα Προσοχή, i c1 στον μισό κύκλο! Οπότε, η ισχύς εισόδου: Η ισχύς που δίδεται στο φορτίο είναι: Άρα, η αποδοτικότητα είναι: ΤHMMY - 24
Βέλτιστη αποδοτικότητα Βέλτιστη αποδοτικότητα έχουμε όταν η τάση εξόδου είναι μεγαλύτερη δυνατή χωρίς ψαλιδισμό. Τότε, η μέγιστη αποδοτικότητα είναι: Πολύ καλύτερη από αυτή του ενισχυτή CLASS A! ΤHMMY - 25
Πρακτική υλοποίηση ενισχυτή Class B (1/2) Για V o = 0 η V 1 = 0 Άρα τα Q 1 και Q 2 είναι off και δεν υπάρχει ρεύμα βάσης Όσο η V i αυξάνει η V 1 μειώνεται μέχρι το Q 3 να μπει στον κόρο. Τότε: Όσο η V i μειώνεται το ρεύμα στο Q 3 μειώνεται επίσης και η V 1 αυξάνει ανοίγοντας το Q 1. Όταν το Q 3 μπει σε αποκοπή η βάση του Q 1 τροφοδοτείται από την V CC μέσω της R 1. Τότε: ΤHMMY - 26
Πρακτική υλοποίηση ενισχυτή Class B (2/2) Αν το β F1 είναι αρκετά μεγάλο: Έτσι, Οπότε, ΤHMMY - 27
Ενισχυτής ισχύος Class AB Για να περιορίσουμε την παραμόρφωση crossover, πολώνουμε τα τρανζίστορ έτσι ώστε να άγουν ένα μικρό ρεύμα ηρεμίας κοντά στο σημείο crossover v in = 0. Δεν τα αφήνουμε να μπουν σε αποκοπή! Ένα σήμα εισόδου θα αναγκάσει το τρανζίστορ να λειτουργήσει στην ενεργό περιοχή και έτσι θα ελαχιστοποιηθεί η παραμόρφωση crossover. Ένα μικρό ρεύμα θα ρέει στον συλλέκτη όταν δεν υπάρχει σήμα στην είσοδο αλλά αυτό είναι πολύ μικρότερο από αυτό του ενισχυτή Class Α. Αυτό σημαίνει ότι το τρανζίστορ παραμένει ανοικτό για περισσότερο από μισό κύκλο. Η αποδοτικότητα είναι η ίδια με αυτή του Class B. ΤHMMY - 28
Βελτίωση Crossover distortion σε Class AB Class B: Ένα από τα Q1 ή Q2 είναι σε αποκοπή. Μόνο ένας τρανζίστορ είναι στην ενεργό περιοχή. Class AB: Τόσο το Q1 όσο και το Q2 είναι στην ενεργό περιοχή συνεχώς με διαφορετικές vbe. Για μεγάλες +vin, το Q1 πολώνεται σε ένα μεγάλο ρεύμα Ic1 ενώ το Q2 πολώνεται σε ένα μικρό ρεύμα Ic2. Το αντίθετο για vin. ΤHMMY - 29
Quasi-complementary push-pull στάδιο εξόδου Πολύ δημοφιλής! Αφού τα pnp τρανζίστορ έχουν περιορισμένη δυνατότητα οδήγησης ρεύματος, ο ενισχυτής Class B ή AB δεν είναι κατάλληλος για ισχύς μεγαλύτερες από μερικά watt. Λύση: χρήση ενός σύνθετου pnp που αποτελείται από ένα pnp και ένα μεγάλης ισχύος npn. Ένα pnp μεγάλου ρεύματος ΤHMMY - 30
Ενισχυτές ισχύος Class A Class B Class AB ΤHMMY - 31
Ανακεφαλαίωση Class A: μία συσκευή σε active linear region max efficiency = 25% παραμόρφωση λόγω ψαλιδισμού και μεγάλης ισχύος εξόδου, πολύ γραμμικός. Class B: δύο συσκευές σε συνδεσμολογία push-pull, κάθε μία άγει για μισό κύκλο max efficiency = 78% παραμόρφωση λόγω crossover, νεκρής ζώνης και ψαλιδισμού Class AB: δύο συσκευές σε συνδεσμολογία push-pull, κάθε μία άγει για μισό κύκλο και παραμένει ανοικτή μεταφέροντας μικρό ρεύμα ακόμα και αν η είσοδος είναι 0. max efficiency = 78% παραμόρφωση λόγω ψαλιδισμού και λόγω crossover (λιγότερο) ΤHMMY - 32