Sari la conținut


Biasul optim la amplificator cu etaj final bipolar



Publicat de Marian78 , 30 iunie 2014 · 2.214 Vizualizari
* * * - - 4 voturi
Salutari.

De ceva vreme mi-am propus sa vin cu acest articol pentru a incerca sa lamuresc si sa detaliez anumite afirmatii proprii care poate au contrariat pe unii, afirmatii legate de curentul de mers in gol optim la etajele finale cu bipolari. Parerile sunt destul de impartite in acest subiect, cei mai experimentati pot ignora acest articol, sau il pot parcurge asa de curiozitate, insa am convingerea ca sunt destui cei care nu cunosc asazisele "chichite" ale reglarii curentului de mers in gol, dovada fiind intrebari repetate in genul "cum reglez biasul?". Din start voi mentiona ca sursa de inspiratie este Diy audio, in special Bob Cordell prin lucrarea sa Designing Audio Power Amplifiers. Articolul meu se vrea un soi de adaptare&traducere&interpretare a unor date deja elaborate de altii, meritele informatiilor prezentate evident ca nu-mi apartin, eu doar incerc sa le aduc in lumina si aici, in viziunea mea. Fac aceste mentiuni ca astfel incat ideea de "plagiat" sa nu poata intra in discutie, la urma urmei cam tot ce stim fiecare, stim de la altii in materie de teorie.
Mentionez ca acest articol discuta doar despre etajele finale cu bipolari in configuratie repetor pe emitor, fie ca este vorba despre dublet sau triplet, in clasa AB.



Ce este biasul optim?

Pentru a raspunde la aceasta intrebare este util cred eu a se preciza intai unele notiuni conexe:

1.-Vt este asanumitul Thermal Voltage ( nu stiu daca traducerea ajuta prea mult => Tensiunea Termica ), nu voi intra prea mult in detalii, voi preciza insa ca acest parametru influenteaza relatia dintre curentul electric si potentialul electrostatic intr-o jonctiune. Aflarea sa se bazeaza pe constanta lui Boltzmann ( mai multe detalii AICI ) si se calculeaza dupa formula:
Imagine postată
-Kb este constanta lui Boltzmann si are valoarea de 13,80648800E^-24, sau 1,380648800*10^-23;
-T este chiar temperatura exprimata in grade kelvin;
-q este sarcina electrica si are valoarea de 160,2176565E^-21, sau 1,602176565*10^-19;

La temperatura camerei ( aproximativ 300*K ) Vt este de cca 26mV.

2.-Gm este Transconductanta este raportul dintre variatia curentului de colector si variatia tensiunii din baza, se exprima in S=>Seimens, formula ei este:
Imagine postată
-Ic este curentul de colector;
-Vt este parametrul descris mai sus;

3.-Re' este rezistenta intrinseca a emitorului, si este inversul Transconductantei, adica 1/Gm.

4.-RE, vom numi astfel rezistenta de putere din emitorul tranzistorului final.

5.-Zout este impedanta de iesire a etajului final. In gol si la semnal mic unde curentul de varf pe sarcina este mai mic decat dublul curentului de repaos, ambii tranzistori contribuie cu transconductanta ( portiunea de clasa A ), astfel impedanta de iesire este ( RE+Re' )/2, la nivel de semnal mai mare unde se trece in clasa B si doar una din ramuri conduce, Zout este RE+Re' dar deoarece Re' devine prea mic pentru a mai conta, in aceasta zona Zout poate fi considerat practic ca fiind RE.

6.-Axv este amplificarea in tensiune a etajului final, aceasta este:
Imagine postată
Unde RL este rezistenta de sarcina.

7.-Static crossover distortion. Sa ne imaginam un etaj final cu rezistente de emitor de 100m Ohm, sau 0,1; presupunem un curent de mers in gol reglat la 50mA; se da o sarcina de 4 Ohm si se cere aflarea amplificarii in tensiune a etajului final atat in zona A de functionare cat si in zona B. Stim de la descrierile de mai sus faptul ca Axv este RL/(RL+Zout). Stim RL ca fiind 4 Ohm, mai trebuie Zout, respectiv impedanta de iesire si incepem cu zona de clasa A:

-In aceasta zona Zout este asa cum am zis mai sus (RE+Re')/2, stim RE dar trebuie sa aflam Re', acesta stim ca este inversul transconductantei, si ca aceasta din urma este IC/Vt, de aici este simplu, luand in calcul VT de la temperatura camerei de 26mV rezulta ca Gm=0,05/0,026=1,923S, deci Re'=1/Gm=1/1,923=0,52, asadar Zout=(0,1+0,52)/2=0,31, Axv=4/(4+0,31)=0,92.

-In zona de functionare B, Zout este RE+Re'. Sa presupunem un curent de varf pe sarcina de 10 ori mai mare decat curentul de repaos, adica de 0,5A, in atare situatie Gm este 0,5/0,026=19,23S; Re'=1/19,23=0,052; Zout=0,1+0,052=0,152; Axv=4/(4+0,152)=0,96

Intre cele 2 zone de functionare este o diferenta la amplificarea in tensiune pe sarcina de 4 procente, asta creeaza Static crossover distortion, adica diostorsiunile de trecere prin 0.

8.-Gm doubling. Sa presupunem un etaj final unde biasul este intentionat setat mai mare, suficient de mare incat Re' este foarte mic comparativ cu RE in zona de clasa A, in atare situatie Zout este aproximativ RE/2 ( Re' fiind suficient de mic incat sa poata fi practic ignorat ), transconductanta aici este 2/RE ( ambii tranzistori conduc ); la zona de functionare B unde doar un tranzistor conduce Zout este pur si simplu RE, iar transconductanta 1/RE, adica Gm practic s-a dublat in zona de trecere. Pentru aparitia acestui fenomen conditia primordiala este un curent de mers in gol suficient de mare, in practica foarte rar este setat atat de sus, deci si fenomenul descris rar apare, dar un curent de mers in gol mai mare decat valoarea optima rezulta totusi in variatiile Axv si deci in distorsiuni de cross.



Ok si atunci totusi Care este biasul optim?

Acum avem suficiente date pentru a face aceasta determinare. Revenim la punctul 7 unde am descoperit cum un curent mai mic decat cel optim rezulta in acele variatii ale Axv datorita variatiilor Zout, deci aici trebuie sa ne concentram asigurandu-ne ca atat in primul caz cat si in al 2-lea Zout este relativ acelasi, pentru asta se impune ca in zona de mers in gol ( zona "A" ) Re'=RE, avem acolo un exemplu de RE=0,1, deci trebuie sa ne asiguram ca si Re'=0,1; stiind ca Re' este inversul transconductantei determinam ca Gm trebuie sa fie 1/0,1, adica 10S, si stiind ca Gm=IC/Vt=IC/0,026 rezulta ca IC=0,026*10, adica 260mA, curent care provoaca o cadere de tensiune pe rezistenta din emitor ( care stim ca-i de 0,1 ) de 0,26*0,1=0,026V, sau 26mV. Acesta este teoretic biasul optim si este valabil la orice valoare a rezistentei de putere din emitor RE.

Cu alte cuvinte reglarea curentului de mers in gol la valoarea optima se face cautand sa obtinem o anume tensiune pe rezistenta de putere, si nu neaparat un anumit curent de mers in gol. Si ca sa verificam ca este valabil la orice valoare a RE, presupunem ca rezistenta de putere este de 0,47 Ohm, setam biasul astfel incat avem cei 26mV cadere pe ea, asta aduce un curent IC de cca 55mA; Gm=0,055/0,026=2,115; Re'=1/2,115=0,47. Asadar conditia ceruta ca la zona de functionare A, RE=Re' este indeplinita in ciuda faptului ca diferenta de curent de mers in gol intre cele 2 valori ale rezistentei de putere este de peste 200%.

In practica acest bias nu este intotdeauna usor de obtinut si presupune un curent de mers in gol destul de mare pentru rezistente de emitor mici ( au rezultat 260mA pentru 0,1 Ohm ), tot in practica Re' mai este influentat si de alti parametrii, cum ar fi rezistenta ohmica interna a bazei si a emitorului, dar influenta ar trebui sa fie suficient de mica incat sa nu afecteze prea mult performantele, in principiu o cadere de tensiune pe rezistenta de putere ( indiferent de valoarea ei ) intre 20 si 25mV "la rece" ( adica radiatorul la temperatura camerei ) ar trebui sa fie in regula, si sa asigure un curent de mers in gol optim.

Trebuie avut grija la stabilitatea termica a acestui bias, asta impune ca structura superdiodei sa tina cont de structura etajului final, varianta cea mai simpla presupune ca intreg etajul final sa fie fixat pe acelasi radiator ( adica toti tranzistorii care-l compun ), la dublet cu o singura pereche de finali asta presupune 4 tranzistori fixati pe acelasi radiator, la triplet tot cu o singura pereche de finali presupune faptul ca 6 tranzistori sa fie fixati pe acelasi radiator. Adica se impune conditia ca toate jonctiunile BE comandate de superdioda sa fie pe acelasi radiator, asta permite superdioda clasica si arhicunoscuta cu un tranzistor, una sau 2 rezistente si un remireglabil. Alte structuri de etaje finale unde nu toti tranzistorii pot fi fixati pe acelasi radiator impun modificarea in consecinta a superdiodei, spre exemplu daca doar 2 jonctiuni din 4 sunt fixate pe radiator comun cu elementul "senzor" al superdiodei, atunci si aceasta din urma trebuie sa fie configurata astfel incat sa compenseze doar 2 jonctiuni, variatii pe aceasta tema sunt destule, dar nu este scopul acestui articol sa dezbata variante de superdiode, poate intr-unul viitor... mai vedem.

Cu speranta ca v-am fost de folos in lamurirea unor aspecte mai putin clare, ma retrag si va doresc mult spor in realizarile voastre.
Marian.
  • tye și niksound like this



Bun articol,multumim.
Raman la parerea mea, umila, ca oricata filozofie am face, implicit calcule, un bias optim se poate obtine numai cu ajutorul unui osciloscop si generator de semnal. Spre exemplu, aducem amplificatorul la puterea nominala pe cea mai mica impedanta test suportata de acesta si micsoram curentul de mers in gol (stabilit initial, sa zicem, la 100mA - in multe cazuri, initial e suficient) pana cand observam aparitia distorsiunilor de racordare. Acela este punctul optim (cand trecem de momentul aparitiei distorsiunilor de racordare), punct care difera la aceeasi schema de amplificator in functie de componente folosite sau de cat de bine le-am imperecheat. Eu prefer sa ma indepartez mai mult (dar nu foarte mult) de punctul aparitiei distorsiunilor de racordare din cauza ca, in decursul anilor, se pot inregistra variatii ale punctelor statice de functionare.
Deci, teoria e buna pana intr-un anume punct, dupa aceea o dam prea mult in filozofie, repet, e doar parerea mea. Succese maxime!
    • zal și Barbos Radu like this
@Ciro, metoda sugerata desi presupune folosirea unor aparate de diagnoza si test destul de utile, este totusi deficitara din punctul meu de vedere, pentru un bias optim nu este de ajuns sa reglezi astfel incat sinusoida sa arate corect la punctul de trecere pe osciloscop, asta se vrea a sublinia acest articol, nu am mai apelat la scheme si nici simulari deoarece am considerat ca informatiile prezentate sunt totusi intuitive si usor de asimilat chiar si pentru amatori/incepatori. Dar in fine, fiecare cu conceptia lui, nu este scopul meu sa impun o mentalitate ci doar sa prezint intr-o maniera cat mai usor de inteles o metoda de reglare a curentului de mers in gol optim in general acceptata in cercurile mai marilor audiofili, frumusetea ei este ca nu cere aparatura sofisticata, doar un multimetru...

Toate cele bune.
Curentul optim de repaos se determina practic injectând 1khz la intrare si cu distorsiometru paralel pe sarcina marim progresiv pana factorul de distorsiuni nu mai descreste. Se pune o picatura de oja pe semireglabil si acolo ramane.
    • zal ii(le) place mesajul asta

Si ce fac cei care nu au distorsiometru?

emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc