Ενισχυτικές Διατάξεις 1 Βαθµίδες εξόδου Προκειµένου να αποδοθεί σηµαντική ισχύς στο φορτίο είναι απαραίτητη η χρήση ενισχυτών cascade. Η τελική βαθµίδα εξόδου είναι αυτή που αποδίδει την ισχύ στο φορτίο Για µέγιστη απόδοση ισχύος θα πρέπει να γίνεται εκµετάλλευση τόσο των ορίων της ενεργού περιοχής των τρανζίστορ εξόδου όσο και της µέγιστης επιτρεπόµενης κατανάλωσης τους Οι ενισχυτικές βαθµίδες ισχύος λειτουργούν ως ενισχυτές µεγάλων σηµάτων (>1W) και σε πολλούς από αυτούς ο τρόπος πόλωσης τους διαφέρει από τους ενισχυτές χαµηλών σηµάτων ( Ι c(pp) <10% I CQ ή πρακτικά <1W) που έχουµε συναντήσει ως τώρα. Συνεπώς οι προσεγγίσεις χαµηλών σηµάτων και τα αντίστοιχα µοντέλα δεν µπορούν να εφαρµοστούν ή πρέπει να εφαρµοστούν µε προσοχή.
Ενισχυτικές Διατάξεις 2 Βαθµίδες εξόδου (συν.) Κριτήριο της ποιότητας σχεδίασης του σταδίου εξόδου είναι η ολική αρµονική παραµόρφωση (THD). Αύξηση ισχύος εκθετική αύξηση THD Το κρισιµότερο σηµείο στη σχεδίαση σταδίου εξόδου είναι η µεταβίβαση της ισχύος στο φορτίο µε αποτελεσµατικό τρόπο. Αυτό σηµαίνει ότι η ισχύς που καταναλώνεται στα τρανζίστορ εξόδου πρέπει να είναι η χαµηλότερη δυνατή Αυτό υπαγορεύεται από το γεγονός ότι η ισχύς που καταναλώνεται επάνω σε ένα τρανζίστορ αυξάνει τη εσωτερική θερµοκρασία επαφής (max 200 o C για Si) πάνω από την οποία έχουµε καταστροφή άλλοι λόγοι που επιβάλλουν µέγιστη αποδοτικότητα στη µετατροπή ισχύος είναι η αύξηση διάρκειας µπαταριών (για φορητές συσκευές), η χρήση µικρότερων τροφοδοτικών και η αποφυγή χρήσης ανεµιστήρων ψύξης
Ενισχυτικές Διατάξεις 3 Χαρακτηριστικές µεταφοράς τρανζίστορ Περιγράφει τη σχέση µεταξύ του µεγέθους εισόδου και του µεγέθους εξόδου Χαρακτηριστική µεταφοράς (ΧΜ) ενίσχυσης ρεύµατος σε ενισχυτή CE: είσοδος ρεύµα βάσης, έξοδος ρεύµα συλλέκτη. Προκύπτει από τις χαρακτηριστικές του τρανζίστορ και τη γραµµή φορτίου (άρα εξαρτάται από στοιχεία που επηρεάζουν τη γραµµή φορτίου π.χ V CC, R C ) Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.
Ενισχυτικές Διατάξεις 4 Χαρακτηριστική µεταφοράς ενίσχυσης ρεύµατος Η ΧΜ διπολικού τρανζίστορ παρουσιάζει ένα σχετικά ευθύγραµµο τµήµα εκατέρωθεν του µέσου, ενώ παρουσιάζει καµπυλότητα στη περιοχή αποκοπής (µικρά ρεύµατα βάσης) και στη περιοχή κόρου (µεγάλα ρεύµατα βάσης Αν το Q βρίσκεται µέσα στο ευθύγραµµο τµήµα της ΧΜ τότε έχουµε γραµµική σχέση ρευµάτων βάσης-συλλέκτη το σήµα εισόδου ίδια µορφή µε σήµα εξόδου Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.
Ενισχυτικές Διατάξεις 5 Χαρακ/κή µεταφοράς ενίσχυσης ρεύµατος (συν) Αν το Q βρίσκεται σε ένα εκ των δύο καµπύλων τµηµάτων ή αν το πλάτος του είναι αρκετά µεγάλο παύει να ισχύει η καθολικά γραµµική σχέση ρευµάτων βάσης-συλλέκτη σήµα εξόδου παραµορφώνεται Άρα παραµόρφωση υπάρχει όταν το τρανζίστορ εισέρχεται στην περιοχή αποκοπής ή στην περιοχή κόρου Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.
Ενισχυτικές Διατάξεις 6 Γραµµή φορτίου στο συνεχές Γραµµή φορτίου στο συνεχές (γραφική απεικόνιση νόµου Kirchoff στο κύκλωµα εξόδου) γ.τ. των µόνιµων µετακινήσεων του Q από αλλαγή του Ι Β. i C V CE i C V CC R C I C Q" Q' Q g m i c I C Q' Q Q" 1 R C V' BE V BE V" BE V CE V BE v s v BE v ce V CC v CE CE χωρίς αντίσταση εκποµπου V = I R + V V = V IC= 0 CC C C CE CE CC 1 V V I = V + I = CC VCE= 0 CC C CE C RC RC RC CE Με αντίσταση εκποµπου V = I ( R + R ) + V V = V IC= 0 CC C C E CE CE CC 1 V I = V + I = CC VCE= 0 CC C CE C RC + RE RC + RE RC + RE V
Ενισχυτικές Διατάξεις 7 Γραµµή φορτίου στο εναλλασσόµενο Γραµµή φορτίου στο εναλλασσόµενο (γραφική απεικόνιση νόµου Kirchoff στο κύκλωµα εξόδου) γ.τ. των στιγµιαίων µετακινήσεων του Q από αλλαγή του i b. v = v = i R ' o ce c L ( ) v V = i I R ' CE CE C C L 1 VCE i = v + + I R ' R ' C CE C L L Αν i = 0 v = V + I R ' C CE CE C L VCE Αν v = 0 i = + I R ' Υπενθύµιση CE C C L DC+AC συνιστώσα (ολική στιγµιαία τιµή) Πεζό σύµβολο κεφαλαίος δείκτης AC συνιστώσα πεζό σύµβολο πεζός δείκτης DC συνιστώσα (τιµές ηρεµίας) Κεφαλαίο σύµβολο κεφαλαίος δείκτης Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.
Ενισχυτικές Διατάξεις 8 Γραµµή φορτίου στο εναλλασσόµενο (συν.) Γραµµή φορτίου στο συνεχές µόνιµες µετακινήσεις του Q Γραµµή φορτίου στο εναλλ/νο καθορίζει δυναµική συµπεριφορά ενισχυτή Οι δύο γραµµές φορτίου συναντώνται στο Q και καθορίζουν τη διαδροµή της v Ο Μέγιστη διαδροµή v Ο χωρίς να υπάρξει ψαλιδισµός είναι µεταξύ σηµείων α & β α V CE (sat) β τέρµα γραµµής φορτίου στο εναλλασσόµενο Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.
Ενισχυτικές Διατάξεις 9 Ενδοτικότητα & Ψαλιδισµός Ενδοτικότητα : Περιοχή τάσεων που λειτουργεί ο ενισχυτής Ψαλιδισµός αποκοπής Το Q βρίσκεται χαµηλότερα από το µέσο ευθείας φόρτου Μέγιστη έξοδος απαραµόρφωτης κορυφής (ΜΡ) ΜΡ=I CQ *R L Ψαλιδισµός κόρου Το Q βρίσκεται υψηλότερα από το µέσο ευθείας φόρτου Μέγιστη έξοδος απαραµόρφωτης κορυφής (ΜΡ) ΜΡ=V CEQ Γενικά Μέγιστη έξοδος απαραµόρφωτης κορυφής p-p (MPP) 2*Min { I CQ *R L, V CEQ } Μέγιστη ενδοτικότητα Το Q βρίσκεται στο µέσο της ευθείας φόρτου
Ενισχυτικές Διατάξεις 10 Παράδειγµα Ι Για τον ενισχυτή του σχήµατος να προσδιοριστεί το Q, οι γραµµές φόρτου στο συνεχές και στο εναλλασσόµενο και να καθοριστούν τα όρια της µέγιστης διαδροµής της τάσης εξόδου. ίνονται: β=200, V CC =10V, V CE(sat) =0.3V, V BE =0.73V R B =R 1 //R 2 =16.2KΩ R 2 VB = VCC = 1.9V R1 + R2 V = I R + V + ( I + I ) R = I R + V + ( β I + I ) R I = 10µ Α B B B BE C B E B B BE Β B E B I = β I = 2mA C V = I R + V + ( I + I ) R V = 5V CC C C CE C B E CE Q( V, I ) = Q(5 V,2 ma) CE Β C
Ενισχυτικές Διατάξεις 11 Χάραξη γραµµής φορτίου στο συνεχές ( ) V = I R + R + V I CC C C E CE C Παράδειγµα Ι (συν) 1 VCC = VCE + R + R R + R C E C E Χάραξη γραµµής φορτίου στο εναλλασσόµενο ( ) v V = i I R CE CE C C C 1 VCE i = v + + I R R C CE C C C i = 0 v = V + I R C CE CE C C v = 5V + 2mA 2KΩ= 9V CE
Ενισχυτικές Διατάξεις 12 Παράδειγµα ΙΙ Για τον ενισχυτή του σχήµατος να προσδιοριστεί το Q, οι γραµµές φόρτου στο συνεχές και στο εναλλασσόµενο, η κυµατοµορφή του σήµατος εξόδου και το άνω όριο του πλάτους του σήµατος εξόδου χωρίς ψαλιδισµό και να καθοριστούν τα όρια της µέγιστης διαδροµής της τάσης εξόδου. ίνονται: β=100, V CC =10V, V CE(sat) =0.3V, V BE =0.775V, hfe=100, hie=2.5kω, πλατος σήµατος εισόδου vs=30mv R B =R 1 //R 2 =12.86KΩ R 2 VB = VCC = 1.43V R1 + R2 V = I R + V + β I R I B B B BE Β E B = 10.3µ Α I = β I = 1.03mA C V = I R + V + I R V CC C C CE C E CE = 5.35V Q( V, I ) = Q(5.35 V,1.03 ma) CE Β C
Ενισχυτικές Διατάξεις 13 R i =R B //h ie =2.1KΩ R L=R L //R C =0.8KΩ Mέγιστο πλάτος v i Ri vi = vs = 20.3mV R + R i Mέγιστο πλάτος i b vi ib = 8µ Α h ie Mέγιστο πλάτος i c i = h i = 800µ Α c fe b s Παράδειγµα ΙΙ (συν) Mέγιστο πλάτος v ce v = i R = 640mV ce c L Ηλεκτρονικά ΙΙ, Χαριταντης Γ.
Ενισχυτικές Διατάξεις 14 Κατάταξη των Σταδίων Εξόδου Τάξη Α Τα στάδια εξόδου κατατάσσονται ανάλογα µε την κυµατοµορφή του ρεύµατος συλλέκτη που προκύπτει όταν στην είσοδο εφαρµόζεται κάποιο σήµα (εδώ ηµίτονο) Τάξη Α: Το ρεύµα εξόδου (συλλέκτη, για ενισχυτή κοινού εκποµπού) ρέει για όλη την περίοδο του AC σήµατος. Άρα γωνία αγωγής = 360 ο Το σηµείο Q είναι περίπου στη µέση της ΑC γραµµής φορτίου. Το πλάτος του AC σήµατος είναι µικρό ώστε να µη συναντά κόρο ή αποκοπή Αψαλίδιστο σήµα χωρίς παραµόρφωση. I c Q V ce
Ενισχυτικές Διατάξεις 15 Κατάταξη των Σταδίων Εξόδου Τάξη Β Τάξη Β: Το ρεύµα εξόδου ρέει για µια µόνο ηµιπερίοδο του AC σήµατος. Άρα γωνία αγωγής = 180 ο Το σηµείο Q είναι στην αποκοπή (άρα ρεύµα συλλέκτη εν ηρεµία ~0) Η έξοδος παραµορφώνει αλλά η απόδοση είναι µεγάλη (γιατί η κατανάλωση ενέργειας περιορίζεται µόνο σε µια ηµιπερίοδο).
Ενισχυτικές Διατάξεις 16 Κατάταξη των Σταδίων Εξόδου Τάξη ΑΒ Τάξη ΑΒ: Το ρεύµα εξόδου ρέει για λιγότερο από µια περίοδο αλλά για περισσότερο από µια ηµιπερίοδο του AC σήµατος. Άρα γωνία αγωγής 180 ο < α < 360 ο Το σηµείο Q είναι µεταξύ του µέσου της AC γραµµής φορτίου και της αποκοπής. Άρα υπάρχει ένα µικρό ρεύµα συλλέκτη εν ηρεµία. Η έξοδος είναι παραµορφωµένη (αλλά λιγότερο από την τάξη Β) και η απόδοση είναι µικρή (αλλά µεγαλύτερη από την τάξη Α).
Ενισχυτικές Διατάξεις 17 Κατάταξη των Σταδίων Εξόδου Τάξη C Τάξη C: Το ρεύµα εξόδου ρέει για λιγότερο από µια ηµιπερίοδο του AC σήµατος. Αρα γωνία αγωγής < 180 ο Το σηµείο Q είναι χαµηλότερα από την αποκοπή. Η έξοδος έχει τεράστια παραµόρφωση αλλά και τεράστια απόδοση. Γίνεται χρήση συντονισµένου κυκλώµατος για λήψη κυµατοµορφής εξόδου
Ενισχυτικές Διατάξεις 18 Κατάταξη των Σταδίων Εξόδου Τάξη D Τάξη D: ιακοπτική (switching) λειτουργία χρήση διαµόρφωσης PWM Θεωρητική απόδοση ~ 100% (στην πράξη ~ 92%). Τεράστια µείωση στην κατανάλωση ισχύος εν ηρεµία. Μειονεκτήµατα σχεδιαστικής υφής (λάθη κβαντισµού, µη γραµµικότητες LPF κ.λ.π) Introduction to Electroacoustics and Audio Amplifier Design, by W. Marshall Leach,