Μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση ενισχυτών ισχύος

1. Μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση ενισχυτών ισχύος Διπλωματική εργασία του φοιτητή Θανάση Βγενή Υπό την επίβλεψη του Λέκτορα Κώστα Ευσταθίου

2. Στόχοι της διπλωματικής εργασίας • Μελέτη της λειτουργίας και των διαφόρων σταδίων των ενισχυτών • Μελέτη των διαφόρων τοπολογιών για κάθε στάδιο • Σχεδίαση ενισχυτή • Υλοποίηση ενισχυτή

3. Διάρθρωση παρουσίασης • Γενικά περί ενισχυτών ήχου • Παρουσίαση των σταδίων των ενισχυτών • Επισκόπηση των τοπολογιών των διαφόρων σταδίων • Περιγραφή της σχεδίασης και ανάλυση του ενισχυτή • Περιγραφή της υλοποίησης και αξιολόγηση

4. Ανάγκη χρήσης ενισχυτών ήχου • Μικρές τάσεις εξόδου από τις πηγές • Πολύ μικρή απόδοση των ηχείων • Ανάγκη ενίσχυσης ήχου για πρακτικούς λόγους σε πραγματικό χρόνο • Ενεργειακό ισοζύγιο

5. Απαιτήσεις από τους ενισχυτές • Ενίσχυση του σήματος και παραγωγή μεγάλης ισχύος στην έξοδό τους • Καμία επιπλέον επέμβαση στο σήμα

6. Προδιαγραφές Ενισχυτών • Ισχύς • Απόκριση Συχνότητας • Παραμόρφωση • Λόγος σήματος προς θόρυβο • Αντίσταση εισόδου-εξόδου • Μέγιστος ρυθμός ανόδου • Μεταβολή φάσης • Θερμική σταθερότητα

7. Σχήμα 3 σταδίων Lin

8. Στάδιο Εισόδου • Πρέπει να έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου • Υψηλό PSRR • Μειωμένη ευαισθησία στην πρόσληψη θορύβου

9. Στάδιο Εισόδου (2) • Επιλέγουμε ενισχυτή διαγωγιμότητας Διαφορικό στάδιο • Προσφέρει τα παραπάνω • Διαθέτει αναστρέφουσα είσοδο για την εφαρμογή της ολικής ανάδρασης

10. Τοπολογίες σταδιών εισόδου (1) Απλό διαφορικό στάδιο

11. Τοπολογίες σταδιών εισόδου (2) Διαφορικό στάδιο με φορτίο καθρέπτη ρεύματος

12. Τοπολογίες σταδιών εισόδου (3) • Push- pull συμμετρικό διαφορικό στάδιο με διπλή έξοδο, που απαιτεί και συμμετρικό στάδιο ΕΤ

13. Φίλτρα εισόδου • Αποκοπή των DC • Αποκοπή των RF

14. Στάδιο Ενίσχυσης Τάσης (ΕΤ) • Υλοποιεί το κυρίως κέρδος τάσης • Ενισχυτής διαντίστασης • Αντιστάθμιση συχνότητας

15. Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας • Μεγάλο επιθυμητό Περιθώριο Φάσης • Ανάγκη για επικρατούντα πόλο σε χαμηλότερη συχνότητα

16. Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας (2) • Αντιστάθμιση Miller • GmVi το στάδιο εισόδου

17. Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας (3) • Υπολογισμοί • Κέρδος σταδίου εξόδου= 1, άρα συνολική συνάρτηση μεταφοράς ενισχυτή

18. Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας (4) • Τελικά • Και για μεγάλα κέρδη ΑΕΤ • Εξάρτηση του ωΤαπό την πόλωση του σταδίου εισόδου και τον πυκνωτή αντιστάθμισης

19. Τοπολογίες Σταδίων ΕΤ Απλό στάδιο ΕΤ με φορτίο πηγή ρεύματος

20. Τοπολογίες Σταδίων ΕΤ (2) Διαφορικό στάδιο ΕΤ, για συμμετρικά στάδια εισόδου

21. Τοπολογίες Σταδίων ΕΤ (3) Push – pull στάδιο ΕΤ, με δυνατότητα αντιστάθμισης 2 πόλων

22. Στάδιο Εξόδου (ΣΕ) • Χαρακτηρίζει την ενισχυτική διάταξη • Κύρια πηγή αλλοιώσεων του σήματος • Ανάγκη μέριμνας για θερμική σταθερότητα • Εισάγονται 3 είδη παραμορφώσεων • Παραμόρφωση περάσματος • Παραμόρφωση διακοπης • Μη γραμμικότητες beta- droop

23. Τάξεις Σταδίων Εξόδου Καθορίζονται από: • Την γωνία αγωγής • Την πόλωση • Την τεχνική

24. Τάξη Α • Αγωγή και για τις 360ο του σήματος • Εξάλειψη των παραμορφώσεων περάσματος και διακοπής • Ιδιαίτερα χαμηλή απόδοση (<15%) • Μετάβαση σε τάξη ΑΒ για μεγάλα πλάτη τάσης εισόδου

25. Τάξη Β • Συμπληρωματικά τρανζίστορ στην έξοδο που άγουν για 180ο το καθένα • Ενίσχυση των θετικών και αρνητικών τάσεων εκ περιτροπής • Πολύ καλή απόδοση => δυνατότητα μεγάλων τιμών ισχύος εξόδου • Αυξημένες παραμορφώσεις περάσματος και διακοπής

26. Τάξη ΑΒ Αύξηση της γωνίας αγωγής πέραν των 180ο με σκοπό την μείωση της παραμόρφωσης περάσματος

27. Τάξη D • Διαμόρφωση PWM • Εξαιρετική απόδοση λόγω διακοπτικής λειτουργίας • Μειωμένη δυνατότητα παροχής ισχύος

28. Υπόλοιπες Τάξεις • Τάξεις C, E Αφορούν RF σχεδιάσεις • Τάξεις G, H Βελτιώσεις της απόδοσης Τάξης Β Μεταβαλόμενες τάσεις τροφοδοσίας Μεγάλη πολυπλοκότητα • Τάξη S Συνδιασμός τάξης Α και Β

29. Τοπολογίες τάξης Α • Κέρδος 1 • Μέγιστη θετική τάση V1-VCE1sat • Ελάχιστη αρνητική τάση V2+VCE2sat, ή –IRload • Μέγιστη απόδοση

30. Τοπολογίες τάξης Α (2) • Push-Pull κύκλωμα • Μέγιστη θεωρητική απόδοση 50% • Τάση Vbiasώστε μόνιμη αγωγή και των 2 τρανζίστορ

31. Τοπολογίες τάξης Α (3) • Πρακτική υλοποίηση ΣΕ τάξης Α, push-pull • Ενσωμάτωση κυκλώματος ρύθμισης πόλωσης

32. Σύνοψη Τάξης Α • Συνήθως push-pull • Απουσία παραμορφώσεων περάσματος και διακοπής • Περιορισμένος εύρος χρήσης λόγω της μειωμένης απόδοσης

33. Τάξη ΑΒ • Βασίζεται στην ίδια τοπολογία push-pull • Διαφοροποιημένη τάση πόλωσης • Δυνατότητα αποκοπής του ενός τρανζίστορ σε μεγάλες τάσεις εξόδου • Μη γραμμικότητες λόγω gm doubling

34. Τάξη Β • Πάλι το ίδιο push –pull σχήμα, πλέον εκφυλισμός του ορου push-pull • Τάση πόλωση οριακά επαρκής ώστε αγωγή ακριβώς 180ο • Με μηδενική τάση πόλωσης θα είχαμε αγωγή μικρότερη από 180ο

35. Στάδια Τάξης Β (1) • Στάδιο Ακόλουθου Εκπομπού (ΑΕ) • Vbias>4VBE • Ανάγκη για θερμική παρακολούθηση

36. Στάδια Τάξης Β (2) • Συμπληρωματικό με Ανάδραση (ΣΑ) στάδιο • Ανάγκη θερμικής παρακολούθησης μόνο των οδηγούντων, λόγω της τοπικής ανάδρασης

37. Εκτίμηση σταδίων ΑΕ Πλεονεκτήματα • Εξαιρετική σταθερότητα • Μειωμένη παραμόρφωση διακοπής (με ειδική τεχνική) • Χαμηλότερη παραμόρφωση περάσματος σε χαμηλές στάθμες Μειονεκτήματα • Μικρή θερμική σταθερότητα ως προς την τάση πόλωσης • Μεγαλύτερη κατανάλωση ηρεμίας • Μεγαλύτερη αποδεκτικότητα σε beta-droop μη γραμμικότητες

38. Εκτίμηση σταδίων ΣΑ Πλεονεκτήματα • Βέλτιστη γραμμικότητα ανοικτού βρόχου από οποιαδήποτε σχεδίαση ΣΕ • Βέλτιστη γραμμικότητα σήματος από οποιαδήποτε σχεδίαση ΣΕ • Βελτιωμένη σταθερότητα ως προς την τάση πόλωσης για μεγάλες διαφορες θερμοκρασίας • Μικρότερη κατανάλωση ηρεμίας • Δυνατότητα κέρδους Μειονεκτήματα • Δύσκολη εφαρμογή κυκλώματος μείωσης της παραμόρφωσης διακοπής • Κάποια υψίσυχνά παράγωγα αστάθειας, μειωμένης σημασίας

39. Στάδια Τάξης Β (3) • Ημισυμπληρωματικό ΣΕ • Χρήση npn τρανζίστορ ισχύος • Πρόσθεση της διόδου για εξισορρόπηση της ανομοιομορφίας των VBE

40. Στάδια Τάξης Β (3) • Τριάδες εξόδου • Δυνατότητα χρήσης τρανζίστορ υψηλών τάσεων-χαμηλού β

41. Στάδια Τάξης Β (4) • Παράλληλα στάδια εξόδου • Πολλαπλασιασμός της δυνατότητας παροχής ρεύματος

42. Πόλωση σταδίων εξόδου • Πολλαπλασιαστής VBE • Δυνατότητα ρύθμισης τάσης πόλωσης • Δυναμική ρύθμιση μέσω της θερμικής παρακολούθησης

43. Θερμική Ανάλυση • Τε-Τα= Ρκ(θεκ+θκψ+θψα) • θ: θερμική αντίσταση

44. Σχεδίαση, Ανάλυση Ενισχυτή • Στόχος οι υψηλές επιδόσεις με χρήση ευρέως διαθέσιμων υλικών • Σχεδιάση τοπολογίας από Κώστα Ευσταθίου

45. Σχηματικό διάγραμμα

46. Στάδιο Εισόδου • Διαφορικό με ενεργό φορτίο • Πηγή σταθερού ρεύματος • Ανωδιαβατό φίλτρο εισόδου (5 Hz) • Αντίσταση εισόδου 1 kΩ • Υψηλό PSRR (πηγή-διαφορικός)

47. Στάδιο Ενίσχυσης Τάσης • Τοπολογία κοινού εκπομπού με ενεργό φορτίο τον καθρέπτη ρεύματος • Δεσμευμένο κέρδος στην τιμή 2

48. Στάδιο Εξόδου (1) • Τροποποιημένη εκδοχή τριάδων εξόδου και ΣΑ • Χρήση ζευγών Darlington • Τοπική ανάδραση που επιτρέπει την αξιοποίηση του κέρδους τάσης

49. Στάδιο Εξόδου (2) • Ζεύγη Darlington • Κέρδος τάσης 9 • Μείωση τάσης στους εκπομπούς των οδηγούντων • Μείωση τάσης στους συλλέκτες των οδηγούντων • Πρόσθεση αντιστάσεων επιτάχυνσης απομάκρυνσης φορτίων

50. Στάδιο Εξόδου (3) • Κύκλωμα προστασίας με current limiters • Ρύθμιση για περιορισμό ρεύματος στα 2.5 Α