Sari la conținut


Amplificatorul audio => Generalitati, ep.5



Publicat de Marian78 , 07 iulie 2017 · 136 Vizualizari
* * * - - 2 voturi
Salutari tuturor.

Dupa o asteptare mai lunga, revin cu continuarea subiectului, in episoadele anterioare am incercat sa descriu elemente distincte de circuit pentru a le face cunoscute la modul elementar, de acum este momentul sa intram in tema cu primul etaj al amplificatorului audio = diferentialul. Cum subiectul este foarte vast, voi incerca sa fiu succint, sunt multe de spus, asa ca prezentarea va fi mai lunga, nu intru in capitolul performante si optimizarea lor decat foarte sumar, voi trata in schimb mai mult principiile elementare ce stau la baza functionarii sale, voi incerca sa-l pun intr-o alta lumina, sa contribui la o mai buna intelegere a sa, daca am reusit sau nu, ramane la aprecierea cititorului.


Ce este diferentialul?

Amplificatorul diferential este esenta oricarui AO ( Amplificator Operational ), impune regulile elementare de functionare pentru orice operational, tot ceea ce este in plus, sunt elemente de circuit menite sa optimizeze performantele. In amplificatorul audio este primul etaj, este cel care primeste semnalul, il proceseaza, si-l transmite catre etajele urmatoare, pe care le si comanda direct sau indirect, asa cum veti observa in episoadele urmatoare, este asadar intrarea unui amplificator. Iata o schema simplificata a sa:
Imagine postată\

Este un diferential simplu PNP ( i se spune PNP gratie tranzistorilor folositi ).
Comparatia cu AO nu este deloc exagerata, din contra, pentru ca orice AO contine o forma de diferential pe intrare, are 2 intrari, una neinversoare ( IN+ ) si una inversoare ( IN- ), are o iesire, si 2 alimentari.
Diferentialul este compus din 2 emitoare comune cuplate impreuna in oglinda, si i se spune asa pentru ca amplifica diferenta dintre cele 2 intrari, si o reda la iesire, o sa intelegeti indata ce si cum.

R1 asigura alimentarea in curent in emitoare, valolarea sa se calculeaza in functie de tensiunea de alimentare de pe ramura sa ( cea pozitiva aici ) si curentul total dorit prin diferential ( suma curentilor de colector pentru cei 2 tranzistori ), deci Imagine postată.
R2 si R3 sunt sarcinile in colectoare ( R3 optionala ), R2 comanda etajul VAS, deci valoarea sa trebui sa tina cont de structura acestuia, si este raportul dintre tensiunea necesara in baza VAS si curentul prin R2 la echilibru ( jumatate din IDif ), adica Imagine postată

Regula principala la fel ca la oricare AO este ca el face tot ce-i sta in putinta ca sa mentina cele 2 intrari la acelasi potential.
Stim de la emitorul comun ca orice variatie de tensiune in baza, se traduce intr-o variatie de curent in colector, si implicit intr-o variatie mai mare de tensiune pe sarcina din colector, deci orice variatie de tensiune in baza, este reprodusa amplificata la iesire. Diferentialul in schimb amplifica diferenta de potential dintre cele 2 intrari, nu tensiunea de pe intrare asa cum face emitorul comun, nu mai lungesc vorba ci-l pun in simulator, va fi mai usor de observat ce si cum.
Imagine postată

Am ales o alimentare de +/-30Vcc, si pe R1 pentru 2mA ( o sa va intrebati probabil de ce nu este de 15k, e din cauza Vbe care se sustrage din +30V ).
In chenarul de jos se observa ca IR1 este 2mA, se mai observa si curentii prin R2 si R3, si aici o sa va intrebati poate de ce oare nu-i cate 1mA?, asta se intampla pentru ca o parte din curentul de emitor se duce in baza, adica IE=IC+IB, sau altfel spus IC=IE-IB. IR2=IR3 deci cei 2 tranzistori sunt intr-un echilibru perfect pentru ca nu exista nici o diferenta intre cele 2 intrari ( bazele sunt la acelasi potential ).

Ce se intampla daca una din intrari este pusa la un potential usor diferit fata de cealalta?
Pai raspunsul este insasi modul de functionare al diferentialului, daca spre exemplu IN+ este usor mai pozitiva decat IN- atunci Q1 fiind PNP va conduce ceva mai putin curent in colector, decat Q2, pe R2 caderea de tensiune va fi mai mica. Cu alte cuvinte o variatie a tensiunii pe IN+ cauzeaza o variatie de curent pe sarcina R2, si deci o variatie de tensiune la bornele ei, aceasta este amplificarea in tensiune a diferentialului, si este:
Imagine postată

Unde Remitor este rezistenta totala dintre cele 2 emitoare.
In cazul de fata nu exista rezistente in emitoare, deci Remitor este compusa doar din Re' ( rezistenta intrinseca, vezi AICI ). La 1mA prin fiecare tranzistor, aceasta este cate 26 Ohm, deci 52 in total.
Deci amplificarea in tensiune ar trebui sa fie:
Imagine postată

Simularea:
Imagine postată

Se observa ca prin R2 curentul s-a redus la 809,977uA, fata de 996,371uA cat era anterior, deci o variatie de 186,39uA, pe care daca-i inmultim cu valoarea R2 de 1k, obtinem o variatie de 186mV, amplificarea in tensiune este deci:
Imagine postată

De ce valoarea obtinuta este diferita de ce am calculat anterior?
Tocmai datorita Re' care variaza functie de curentul de colector, deci variaza si Remitor de la formula de mai sus.
In simulare cei 2 teranzistori conduc acum curenti diferiti, recalculam Re' pentru fiecare in parte:
Imagine postată

Si
Imagine postată

Deci Remitor este:
Imagine postată

Si amplificarea:
Imagine postată

Am spus ca ceea ce se amplifica este diferenta de potential dintre cele 2 intrari, nu tensiunea aplicata la una din ele, asta se intampla pentru ca diferentialul "cauta" intotdeauna echilibrul intre cei 2 tranzistori, si asta se poate intampla numai cand intrarile sunt la acelasi potential, oricare ar fi el, iata:
Imagine postată

Avem in continuare 809uA pe R2, avem in continuare aceeasi "iesire", dar amplificarea nu s-a redus la jumatate ci a ramas la fel asta pentru ca desi la IN+ avem acum 20mV ( dublu fata de anterior ), IN- a fost ridicata la 10mV, deci diferenta dintre ele a ramas tot 10mV.


Erori

Ca orice circuit, si performantele diferentialului sunt afectate de diverse neajunsuri, unul dintre ele si poate cel mai important este exact diferenta aia de amplificare intre amplificarea calculata de 19,2x si cea obtinuta de 18,6x, asta se intampla datorita influentei decisive a Re' asupra amplificarii diferentialului, pentru ca rezistenta intrinseca este invers proportionala cu IC, deci variaza cu acesta, si variaza inevitabil si amplificarea, iata:
Imagine postată

Acum curentul prin R2 a scazut la 636uA, adica 360uA mai putin fata de echilibru, deci o variatie de 360mV pe R2, si o amplificare de 18x, adica o scadere a amplificarii cu 6,25% fata de zona de echilibru ( acei 19,2x ). Asta indica faptul ca semnalul are o influenta directa asupra amplificarii diferentialului, si nu numai amplitudinea semnalului in sine, ci insasi cursa lui, chiar si cu un semnal fix aplicat pe intrare, totusi acesta variaza de la 0 la xV in fiecare semiperioada, deci in fiecare semiperioada amplificarea variaza in ritm cu semnalul, influenta asta directa a semnalului asupra amplificarii mareste THD-ul ( mareste armonica a 2-a ), este deci de nedorit.

Rezolvarea ei se face la fel ca la emitorul comun simplu prin degenerare in emitor, adica adaugarea a cate o rezistenta in emitoare pentru a reduce influenta Re' asupra amplificarii. Iata:
Imagine postată

Recalculam amplificarea la echilibru, intai aflam Re' care este acelasi pentru ambii tranzistori devreme ce amandoi conduc acelasi curent, deci:
Imagine postată

Remitor este acum:
Imagine postată

Si amplificarea:
Imagine postată

Amplificarea s-a redus pentru ca rezistenta totala in emitoare a crescut.
Acum punem 20mV la IN+:
Imagine postată

Avem acum 955,626uA pe R2, adica o variatie de 40,745uA, si deci de 40,745mV pe R1, care inseamna o amplificare de 2,037x, adica o variatie de doar 0,3%, fata de peste 6 procente la varianta fara degenerare.
Asta pentru ca Re' a devenit foarte mica in comparatie cu rezistenta totala dintre emitoare, deci si variatiile ei influenteaza mult mai putin valoarea totala a rezistentei dintre emitoare, si implicit variatiile amplificarii cu semnalul scad foarte mult, deci performantele diferentialului cresc foarte mult doar prin adaugarea a 2 rezistente.


Adaugarea degenerarii in emitoare ne-a rezolvat in mare masura problema variatiilor amplificarii cu semnalul, insa ne-a redus mult amplificarea, si pentru ca performanta diferentialului sa fie mai buna, este de preferat ca si amplificarea sa sa fie mai mare, valoarea ei se adauga la ceea ce se numeste "bucla deschisa" a amplificatorului, si cu cat aceasta este mai mare, cu atat efectul reactiei negative asupra THD-ului este mai benefic. O varianta relativ simpla ar putea fi marirea sarcinii in colectoare, deci marirea R2 si R3, valori mai mari aici duc automat la amplificare mai mare. Insa nu se pot pune oricat pentru ca asa cum am spus valoarea lor tine cont de necesarul in baza VAS, care are o valoare predefinita, deci daca nu poti mari caderea de tensiune pe sarcina, atunci reduci curentul de alimentare in emitoarele diferentialului, insa nici aici nu poti umbla foarte mult pentru ca un curent mai mic aici inseamna si un SR mai mic al amplificatorului. Cu ceva calcule se poate ajunge la un oarecare compromis, diferentele insa nu vor fi foarte mari, exista in schimb o solutie care cu pretul catorva componente suplimentare, rezolva foarte elegant aspectul amplificarii diferentialului, si contribuie la un mai bun echilibru intre cei 2 tranzistori ( deci THD mai mic ).


Oglinda de curent

Este un tip de sarcina activa utilizata in special in audio, dar si in alte aplicatii, este compusa in principiu din 2 tranzistori conectati in oglinda si care isi copiaza ( "oglindesc" ) curentul unul altuia.
Avantajul evident consta tocmai in curentii egali cu care ea incarca circuitul pentru care actioneaza ca sarcina, oglinda de curent nu impune valoarea acelui curent, ci doar il copiaza de la un element la altul, preaia un curent numit IPROG si-l copiaza.

Un alt avantaj este impedanta foarte mare cu care aceasta incarca circuitul aservit ( diferentialul in cazul de fata ), mult peste valoarile tipice de rezistente pe care le inlocuiesc ( sute de k Ohm sau chiar cativa M ohm ), ceea ce faciliteaza o amplificare a diferentialului exponential mai mare. Iata diferentialul cu oglinda de curent:
Imagine postată

Q3 si Q4 sunt tranzistorii ce alcatuiesc oglinda de curent, curentul de colector de la Q2 ( si implicit Q3 ) se numeste Iprog, si este copiat de Q4.
Modul cum se face asta este destul de simplu daca ne amintim ca pentru orice curent de colector exista si o anumita polarizare directa baza-emitor.
Conectarea lor impune o deschidere baza-emitor identica la amandoi, si daca tranzistorii sunt identici atunci curentii de colector nu pot fi decat identici.
Se observa deci necesitatea imperecherii lor.

R2 si R3 devin acum degenerare in emitoarele oglinzii, si rolul lor este de a compensa eventuale diferente ale polarizarii baza-emitor dintre cele 2 tranzistoare, valorile lor nu-s batute in cuie, uneori sunt alese functie de structura etajului VAS pe care il comanda.

Daca va uitati in imaginea de mai sus, o sa observati in acel chenar de jos, o diferenta de ceva mai mult de 6uA intre cele 2 ramuri, asta se intampla deoarece IB pentru Q4 se preia din Iprog ( ICQ2 ), deci este o eroare asumata, insa cu cat hfe este mai mare, cu atat IB este mai mic, si deci cu atat eroarea asta este mai mica. Exista solutii pentru combaterea si mai eficienta a ei, dar nu le dezbat aici.

Revenim la simulare si retinem valoarea VoutA ( de aici limitarea platformei ma obliga sa pun doar link-uri catre imagini ):
https://s6.postimg.o...8da3zvl/010.png

Este potentialul de la "iesire", si la echilibru este -9,51497V asa cum se poate observa.
Refacem simularea cu 20mV la intrare si observam cum evolueaza:
https://s6.postimg.o...48tc4f5/011.png

VoutA a devenit acum -29,8544V, deci pentru o variatie de 20mV la intrare, s-a obtinut la iesire o variatie de 20,339V, si o amplificare de:
https://s6.postimg.o...f49t/Diff17.gif

Adica mult peste ce aveam fara oglinda de curent ( cam de 500 de ori mai mult ).
In amplificatorul complet amplificarea nu va fi atat datorita impedantei de intrare in etajul VAS care se pune in paralel cu cea a oglinzii de curent, si un etaj VAS simplu poate avea o impedanta de intrare destul de redusa, poate cobora pana la cativa kOhm, si domina deci in impedanta totala pe care diferentialul o vede in colectoare, astfel incat si amplificarea sa este mult mai mica. Exista insa solutii pentru a mari impedanta de intrare a etajului VAS pe care le vom vedea intr-un episod urmator.


Rejectie

Este un termen nelipsit atunci cand se vorbeste despre performantele unui amplificator ( este ceea ce se numeste PSRR = Power Supply Rejection Ratio ), n-o sa intru in formule de calcul complexe si valori in decibeli si alte minuni, ma voi limita strict la diferential si voi incerca sa simplific atat cat se poate intelegerea conceptului.

Ce se intampla in circuitul de mai sus daca alimentarea creste cu 5V ( adica +/-35V )? Stim ca valoarea ramurii de sus se imparte la R1 si se obtine curentul din emitoare pentru diferential, daca alimentarea creste, si curentul asta creste o data cu ea devreme ce R1 ramane neschimbata. Daca marim curentul din emitoare atunci creste si curentul de colector pentru fiecare tranzistor in parte, si se reduce valoarea Re', ceea ce altereaza amplificarea diferentialului, efect cu atat mai semnificativ la lipsa degenerarii in emitor, insa mai mult decat atat, insasi variatia asta de curent de colector pentru fiecare tranzistor in parte, se traduce intr-o variatie de tensiune pe sarcina din colector. Cu alte cuvinte un riplu semnificativ pe alimentare ( inevitabil la alimentarile nestabilizate ) va fi reprodus fidel ca forma la iesirea diferentialului chiar daca bazele sunt la echilibru perfect ( amandoua la masa spre exemplu ), riplul asta ia frecventa retelei ( la alimentarea cu traf de retea ) si este suprapus peste semnalul util cu care se comanda etajul VAS. Este un efect nedorit dar inevitabil atunci cand alimentarea diferentialului se face cu o simpla rezistenta. Iata-l in simulator:
https://s6.postimg.o...66ebwbl/012.png

Am pus din nou bazele la masa ( deci echilibru perfect pe intrari ), si am inseriat o sursa sinus de 5V si 100hz cu ramura pozitiva ( ca aia ne intereseaza ), si iata ce apare pe iesire:
https://s6.postimg.o...5xp7fc1/013.png

O unda sinus de 100hz perfecta!
Asta este rejectia, este capabilitatea unui circuit de a ignora riplul de pe alimentare, si cazul de fata denota o rejectie foarte slaba tocmai datorita modulul cum diferentialul este alimentat.

Ce-i de facut?

Pai umblam tocmai la cauza acestui neajuns, si asiguram o alimentare in curent mai performanta.
Am explicat deja in episodul 3 sursele de curent constant:
http://www.tehnium-a...neralitati-ep3/

O sursa de curent constant ofera acelasi curent pe o gama foarte larga de tensiune de alimentare, deci variatiile alimentarii devin nesemnificative cat priveste curentul cu care diferentialul este alimentat.
Nu mai intru in detalii pentru ca am explicat deja destul in episodul 3, ci pun direct o sursa de curent in simulator:
https://s6.postimg.o...pbmynoh/014.png

Sursa este I1 si a inlocuit R1. Este o sursa ideeala de curent constant oferita de LT spice, si am setat-o aici la 0,002A ( 2mA ). Iata rezultatul:
https://s6.postimg.o...lto2s0x/015.png

Riplul de pe iesire a disparut cu desavarsire desi pe alimentare este acelasi ca si mai devreme.
Asta se intampla pentru ca sursa de curent ofera o alimentare constanta indiferent de variatiile tensiunilor.
In amplificatorul practic exista totusi ceva influente ale riplului functie de structura SCC-ului folosit, unele sunt mai performante dar mai complexe, altele mai simple dar mai usor influentabile de catre riplu, insa oricum prezenta lor inbunatateste dramatic rejectia diferentialului, indiferent ce forma iau ele. Prezentarea mea din episodul 3 descrie o gama destul de variata de SCC-uri, pentru versiuni mai performante va puteti usor documenta, informatii pe gugle sunt arhisuficiente.


Concluzii
Diferentialul este asadar baza oricarui AO, este un element de circuit care amplifica diferenta dintre 2 intrari si o foloseste pentru a comanda etajele urmatoare.
Este compus din 2 tranzistori care trebuiesc imperecheati cat priveste Hfe-ul deoarece IB este o sursa de eroare in polarizarea intrarilor ( circula prin rezistentele ce dau impedanta intrarilor ), nu poate fi eliminat cu desavasire, dar poate fi redus prin folosirea de tranzistori cu beta mare, si prin imperecherea lor se reduce diferenta dintre polarizarea intrarilor, deci si eroarea nedorita.
Am incercat sa structurez totul cat mai intuitiv, sa pun intr-o viziune proprie, nu m-a interesat sa intru foarte mult in detalii ci mai degraba niste principii elementare de functionare, schema diferentialului nu-i nici macar completa, dar nici nu trebuia sa fie in ceea ce priveste scopul propus aici.
In ce masura am reusit sa ajut la o intelegere mai diferita a sa, ramane ca voi sa va pronuntati in comentarii care sunt la liber pentru oricine.

Toate cele bune.
Marian.
  • d-david și gadrianno like this



emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc