Zadanie c. 30

PRÍKLAD:

Príklad zosilňovača triedy AB je na obrázku. Vstupný signál je odoberaný z napäťového zdroja VIN. Rezistory R1 a R2 nastavuju zisk a šírku pásma zosilňovača. Diody D1 a D2 minimalizujú vytvorené skreslenie, keď vstupný signál prechádza cez oblasť v čase, keď NPN tranzistor (Q5) sa zatvára a súčasne PNP tranzistor (Q7) sa otvára (a obratene). Rezistory R9 a R10 obmedzujú prúdový výkon z Q5 a Q7. R7 a R8 nastavujú pracovný prúd pre Q5 a Q7. Rezistror (R_LOAD) je použitý ako obrazová záťaž.

OBVOD:

Obr. Zosilňovač triedy AB.

Teória

Obecné úvahy o spojitých koncových stupňoch.
Podľa polohy pracovného bodu sa rozlišujú zosilňovače triedy A,AB,B,C. Trieda A je charakterizovaná tým, že sa signál obidvoch polarít zosilňuje približne lineárne jediným tranzistorom. Pre veľký pokojový prúd majú zosilňovače triedy A nízku účinnosť(h< 25% až 50% ). To je príčina prečo ich možno použiť len pri malých výstupných výkonoch P_a< 1W. Účinnosť zosilňovačov triedy AB a B je podstatne vyššia ako v triede A (h < 78% ),pretože pokojový prúd je omnoho menší ako maximálna amplitúda výstupného prúdu. Zosilňovače triedy C sa v analógovej nízkofrekvenčnej technike používajú len výnimočne, pretože pre veľmi nelineárny pracovný režim je výstupný prúd extrémne skreslený

Obr.2. pole vstupných charakteristík s hranicami prípustného rozsahu vybudenia

časové priebehy kolektorového prúdu pri harmonicky budenom signálywidth=

Obr.1. časové priebehy kolektorového prúdu pri harmonicky budenom signály

Dvojčinné zosilňovače triedy A a AB.
Dvojčinné stupne triedy A a AB majú predovšetkým nasledujúce výhody:
- Veľmi veľký výstupný výkon
- Dobrá účinnosť
- Takmer žiadny kľudový stratový príkon
To má za následok ,že zosilňovače pracujúce v triede A a AB sa takmer vo všetkých oblastiach využitia uprednostňujú pred zosilňovačmi pracujúcimi v triede A a to najmä pre ich vysokú účinnosť. Keď treba zosilňovať signály oboch polarít, musia sa použiť dvojčinné zapojenia, v ktorých sa pre každú polaritu využíva samostatný tranzistor. Pre takéto zosilňovacie stupne je vhodný najmä emitorový sledovač a emitorový sledovač v Darlingtonovom zapojení.

obrazok

Sériové napájanie koncových tranzistorov (komplementárne koncové stupne)
Tieto zapojenia umožňujú vynechať transformátory. Najelegantnejšie riešenie dvojčinných stupňov predstavujú komplementárne koncové stupne. Využíva sa v nich kombinácia výkonových tranzistorov NPN a PNP. V zapojení 11.8a pracujú obidva tranzistory t1 a T2 ako emitorové sledovače. Ak je komplementárne zapojenie symetrické s rovnakými charakteristikami obidvoch tranzistorov, tak sú silne potlačené nelineárne skreslenia. obrazok

Emitorové prúdy tranzistorov t₁ a T₂ tečú cez R_z opačnými smermi. Diódy d₁ a D₂ súpolarizované v priamom smere a spôsobia posun napätí medzi bázami o U_D =1,2V. Tým sa odstráni "prechodové " skreslenie, ktoré v triede B vzniká tak, že tranzistorom tečie prúd až vtedy, keď napätie medzi bázou a emitorom prekročí hodnotu = 0.5V až = 0.6V(mŕtve pásmo rozkmitu vstupného signálu). Ďalšou výhodou komplementárne zapojeného emitorového sledovača je jeho veľký vstupný odpor. Rozsah vybudenia zapojenia na obr.4 je približne

. Vzniká tu nebezpečenstvo preťaženia tranzistorov ti a T₂. Preto sa často požaduje prídavné obvodové opatrenie ochraňujúce tranzistory pred prípadným skratom záťaže. Koncový stupeň môžeme budiť do bázy tranzistora ti a T₂. Úlohou prúdových zdrojov je dodávať počas vybudenia potrebný prúd do bázy tranzistorov T₁ a T₂. Tento prúd rastie s narastajúcou veľkosťou signálu. Napäťové zosilnenie medzi svorkami l a 2 je

prúdové zosilnenie

Vstupný odpor medzi l a ľ je približne βR_Z, výstupný odpor medzi 2 a 2' má hodnotu

Príkon zo zdroja sa vypočíta analogicky ako dvojnásobok príkonu jednocestne pracujúcich jednotlivých tranzistorov

. Maximálny výkon na záťaži je

. Prúd

RIEŠENIE:

Obr. 5

Priebeh vstupného napätia V(1), výstupného napätia z operačného zosilnovača V(4) a výstupného napätia zosilnovaca V(3)

Obr. 6

Amplitúdová frekvenčná charakteristika výstupného napätia v(3)

Obr. 7

Fázová frekvenčná charakteristika výstupného napätia V(3)

Obr.8

Frekvenčné spektrum vstupného V(1) a výstupného napätia

Záver:

V tomto zadaní sme analyzovali dvojčinný zosilňovač triedy AB. Shému sme prepísali do programu Spice. Súčiastky sú vybrané z knižnice Eval.lib, ktorá obsahovala všetky potrebné súčiastky. Na základe analýz programu Spice sme overili správnosť činnodti tohto zosilnovača. Vstupný signál sa privádza na vstup invertujúceho operačného zosilnovača, ktorý ho na výstupe zosilní takmer 23 násobne.Toto zosilnenie sa určuje linearizačným odporom R2. Zosilnený signál sa privádza na diódy D1 a D2 zapojené v priamom smere,ktoré zabezpečujú striedavé otváranie tranzistorov Q5 a Q7. Kladnou polvlnou je otváraný tranzistor Q5, tranzistor Q7 otvára záporná polvlna. Na výstupe sa obidve polvlny sčítajú. Na vykreslenie amplitúdovej a fázovej frekvenčnej charakteristiky sme použili AC analýzu. Priebehy sú zobrazené na obr.6 a obr.7 . Na vykreslenie časových priebehov vstupných a výstupných napäti sme použili analýzu TRAN (obr.1). Túto istú analýzu sme použili na vykreslenie frekvenčného spektra, ale na x-ovej osi sme zvolili Fourierove zobrazenie (obr.8).

CIR:

Zosilnovac triedy AB
V1 1 0 AC 1
*VIN 1 0 SIN(0 0.05 1K)
VEE 6 0 DC -9
VCC 5 0 DC 9
R1 1 2 1K
R2 2 3 22K 
R7 5 7 1K
R6 9 6 1K
R10 8 3 2.2
R9 3 10 2.2
Rzat 3 0 50
Q5 5 7 8 Q2N2222A
Q7 6 9 10 Q2N2907A
D1 7 4 D1N4148
D2 4 9 D1N4148
X1 0 2 5 6 4 uA741
.LIB C:\Pspice\Lib\Eval.lib
.AC DEC 20 10 150000
*.DC VIN 20U 200U 10U 
.PRINT AC VM(3) VP(3)
.PLOT AC VM(3) VP(3) 
*.TRAN 10uS 4MS 1uS 
*.TF V(3) VIN 
.END

OUT:

**** 05/27/103 12:01:35 ********** Evaluation PSpice (July 1991) *************

Zosilnovac triedy AB


**** CIRCUIT DESCRIPTION


******************************************************************************
*V1 1 0 AC 1
VIN 1 0 SIN(0 0.05 1K)
VEE 6 0 DC -9
VCC 5 0 DC 9
R1 1 2 1K
R2 2 3 22K 
R7 5 7 1K
R6 9 6 1K
R10 8 3 2.2
R9 3 10 2.2
Rzat 3 0 50
Q5 5 7 8 Q2N2222A
Q7 6 9 10 Q2N2907A
D1 7 4 D1N4148
D2 4 9 D1N4148
X1 0 2 5 6 4 uA741
.LIB e:\janik\Pspice5\Eval.lib
*.AC DEC 20 10 150000
*.DC VIN 20U 200U 10U 
*.PRINT AC VM(3) VP(3)
*.PLOT AC VM(3) VP(3) 
.TRAN 10uS 4MS 1uS 
.TF V(3) VIN 
.END

**** 05/27/103 12:01:35 ********** Evaluation PSpice (July 1991) *************

Zosilnovac triedy AB


**** Diode MODEL PARAMETERS


******************************************************************************
D1N4148 X1.dx 
IS 100.000000E-15 800.000000E-18 
BV 100 
IBV 100.000000E-15 
RS 16 1 
TT 12.000000E-09 
CJO 2.000000E-12 

**** 05/27/103 12:01:35 ********** Evaluation PSpice (July 1991) *************

Zosilnovac triedy AB


**** BJT MODEL PARAMETERS


******************************************************************************
Q2N2222A Q2N2907A X1.qx 
NPN PNP NPN 
IS 14.340000E-15 650.600000E-18 800.000000E-18 
BF 255.9 231.7 93.75 
NF 1 1 1 
VAF 74.03 115.7 
IKF .2847 1.079 
ISE 14.340000E-15 54.810000E-15 
NE 1.307 1.829 
BR 6.092 3.563 1 
NR 1 1 1 
RB 10 10 
RBM 10 10 
RC 1 .715 
CJE 22.010000E-12 19.820000E-12 
MJE .377 .3357 
CJC 7.306000E-12 14.760000E-12 
MJC .3416 .5383 
TF 411.100000E-12 603.700000E-12 
XTF 3 1.7 
VTF 1.7 5 
ITF .6 .65 
TR 46.910000E-09 111.300000E-09 
XTB 1.5 1.5 

**** 05/27/103 12:01:35 ********** Evaluation PSpice (July 1991) *************

Zosilnovac triedy AB


**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C


******************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE
( 1) 0.0000 ( 2) 19.49E-06 ( 3) .0022 ( 4) -.0384 

( 5) 9.0000 ( 6) -9.0000 ( 7) .7426 ( 8) .0312 

( 9) -.8181 ( 10) -.0267 ( X1.6) 4.516E-06 ( X1.7) -.0415 

( X1.8) -.0415 ( X1.9) 0.0000 (X1.10) -.6077 (X1.11) 8.9603 

(X1.12) 8.9603 (X1.13) -.5938 (X1.14) -.5938 (X1.53) 8.0000 

(X1.54) -8.0000 (X1.90) -.0625 (X1.91) 40.0000 (X1.92) -40.0000 

(X1.99) 0.0000 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT

VIN 1.949E-08
VEE 2.229E-02
VCC -2.240E-02
X1.vb 4.516E-11
X1.vc 8.039E-12
X1.ve 7.963E-12
X1.vlim -6.246E-05
X1.vlp -4.006E-11
X1.vln -3.994E-11

TOTAL POWER DISSIPATION 4.02E-01 WATTS
**** SMALL-SIGNAL CHARACTERISTICS

V(3)/VIN = -2.200E+01

INPUT RESISTANCE AT VIN = 1.000E+03

OUTPUT RESISTANCE AT V(3) = 4.102E-04

**** 05/27/103 12:01:35 ********** Evaluation PSpice (July 1991) *************

Zosilnovac triedy AB


**** INITIAL TRANSIENT SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C


******************************************************************************

NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE

( 1) 0.0000 ( 2) 19.49E-06 ( 3) .0022 ( 4) -.0384 

( 5) 9.0000 ( 6) -9.0000 ( 7) .7426 ( 8) .0312 

( 9) -.8181 ( 10) -.0267 ( X1.6) 4.516E-06 ( X1.7) -.0415 

( X1.8) -.0415 ( X1.9) 0.0000 (X1.10) -.6077 (X1.11) 8.9603 

(X1.12) 8.9603 (X1.13) -.5938 (X1.14) -.5938 (X1.53) 8.0000 

(X1.54) -8.0000 (X1.90) -.0625 (X1.91) 40.0000 (X1.92) -40.0000 

(X1.99) 0.0000 

VOLTAGE SOURCE CURRENTS
NAME CURRENT

VIN 1.949E-08
VEE 2.229E-02
VCC -2.240E-02
X1.vb 4.516E-11
X1.vc 8.039E-12
X1.ve 7.963E-12
X1.vlim -6.246E-05
X1.vlp -4.006E-11
X1.vln -3.994E-11

TOTAL POWER DISSIPATION 4.02E-01 WATTS
JOB CONCLUDED
TOTAL JOB TIME .38