Sari la conținut


Amplificatorul audio => Generalitati, ep.1



Publicat de Marian78 , 26 iunie 2016 · 440 Vizualizari
* * * - - 2 voturi
Salutari.

Intentionam demult sa deschid acest subiect, insa lipsa timpului m-a facut sa tot aman discutia asta. Subiectul este mult prea vast ca sa poata fi dezbatut intr-un singur articol, motiv pentru care va fi impartit in "episoade", fiecare dezbatand mai mult sau mai putin detaliat, un segment anume. Scopul meu nu este sa "invat invatatii", motiv pentru care am adaugat in mod explicit expresia "generalitati" la titlu, pentru ca doresc sa prezint tocmai generalitati despre amplificatoare, in stilul propriu, asazisele "chichite" care fac diferenta dintre un montaj functional si decent, si unul care "merge si asa". Telul final este de a ajuta pe cei care sunt la inceput de drum sa inteleaga mai usor anumite aspecte elementare, nu veti vedea in articol ecuatii complicate, sau definitii greu de priceput, ci voi incerca sa prezint totul cat mai asimilabil astfel incat atunci cand se analizeaza o schema, sa poata fi privita cu alti ochi. Seria asta de articole se va axa pe amplificatorul audio in structura clasica cu 3 etaje si cu finali bipolari, adica asa cum inca este cazul in majoritatea amplificatoarelor din comert. Mentionez in incheiere ca meritele informatiilor prezentate aici nu-mi apartin, nu eu am inventat elementele de circuit ce se vor prezenta si nici teoria adiacenta lor, toate astea au fost dezvoltate si dezbatute de altii la timpul lor, eu doar prezint aici pe forum in acest articol un soi de sumar al celor mai importante informatii necesare, totul sper eu cat mai util structurat si prezentat.


Ce este amplificatorul audio?

Daca ar fi sa definesc amplificatorul audio in cateva cuvinte, atunci as putea spune ca in principiu acesta este montajul care preia un semnal audio si-i mareste puterea, amplificandu-i atat amplitudinea cat si intensitatea curentului disponibil. Face asta folosindu-se de mai multe elemente de circuit distincte, fiecare cu un scop precis, unele indeplinesc amplificarea in tensiune, altele pe cea in curent, unele optimizeaza performantele altele asigura stabilitate, etc... Unul din elementele de circuit, de baza si nelipsit din orice amplificator va fi prezentat in continuare.


Emitorul comun

Este una dintre cele mai intalinite configuratii ale tranzistorului bipolar si totodata cea care face de obicei amplificarea in tensiune, observam schema de baza:Imagine postată

Si vom analiza cativa parametrii esentiali:
-Transconductanta, pe care o vom nota cu GM
-Rezistenta intrinseca a emitorului, pe care o vom nota cu Re'
-Impedanta de intrare, pe care o vom nota cu ZIN
-Impedanta de iesire, pe care o vom nota cu ZOUT
-Amplificarea in tensiune, pe care o vom nota cu AXV

Transconductanta a fost prezentata in ACEST articol al meu, aici reiau doar formula:
Imagine postată
Tot ACOLO gasiti si explicatia referitoare la Vt aici vom retine doar valoarea sa de 26mV.

Rezistenta intrinseca a emitorului poate fi vazuta ca o rezistenta inseriata intern cu emitorul tranzistorului, ceva in genul:
Imagine postată

Este inversul transconductantei:
Imagine postată

Impedanta de intrare este impedanta vazuta de semnalul aplicat la intrare ( sau altfel spus, sarcina vazuta de acesta ), aceasta este combinatia in paralel dintre rezistentele din baza R1, R2 si impedanta de intrare in baza tranzistorului, ( ZB ) care este produsul dintre rezistenta totala din emitor si amplificarea in curent a tranzistorului, in cazul de fata nu avem rezistenta externa in emitor, ci avem doar rezistenta intrinseca a sa:
Imagine postată
Impedanta de iesire este sarcina in colector, in gol aceasta este chiar valoarea R3.

Amplificarea in tensiune este raportul dintre rezistenta din colector si cea din emitor, si este acea amplificare in bucla deschisa, cum in emitor avem momentan doar Re' aceasta este:
Imagine postată
Se observa sper ca nu am pus la numarator R3 asa cum poate v-ati fi asteptat ci am pus RC si asta deoarece in circuitul practic aceasta este combinatia in paralel dintre impedanta de intrare a etajului urmator si R3 din schema de sus. Deindata realizam un neajuns important al acestei configuratii, si anume acela ca amplificarea in tensiune este direct influentata de impedanta de intrare a etajului urmator.

Sa luam un exemplu practic si sa-i calculam parametrii:
Imagine postată

Retineti parametrii notati in schema, sunt importanti. Cu IC la cca 1mA, transconductanta este:
Imagine postată

Si rezistenta intrinseca este:
Imagine postată

Pentru a afla impedanta de intrare intai trebuie sa aflam ZB :
Imagine postată

Impedanta de intrare:
Imagine postată

Vedem ca este destul de mica, si ca este puternic influentata de ZB , si asta este o alta problema a configuratiei, dar nu conteaza pentru moment.

Impedanta de iesire este chiar valoarea R3 pentru ca nu avem sarcina pe iesire si nu stim ce impedanta de intrare are etajul urmator, deci il ignoram si luam in calcul doar R3 si pentru aflarea amplificarii:
Imagine postată

In practica amplificarea mai este influentata si de efectul "early" care simplist spus, pune o rezistenta in paralel CE la tranzistor, ceva in genul:
Imagine postată

Este practic o rezistenta ( Ro' ) in paralel cu sarcina de iesire ( impedanta de intrare a etajului urmator ), si este o functie a variatiei tensiunii din colector, pentru calcularea careia trebuie cunoscut parametrul "Early voltage", din cate stiu nu este prezentat in pdf-uri, o vom ignora in acest articol, insa am amintit-o pentru ca este totusi un factor important.

Alegerea C1 trebuie sa tina cont de zero-ul pe care acesta il formeaza impreuna cu impendanta de intrare ZIN si deci de filtrul trece sus astfel creeat, si frecventa minim dorita a fi reprodusa, deci daca alegem Fmin la 20hz atunci C1 trebuie sa fie:
Imagine postată

C2 se alege dupa aceleasi criterii, diferenta constand in impedanta luata in calcul care este cea de intrare a etajului urmator, nu stim care este dar presupunand ca este oricum mai mare decat cea de intrare din schema noastra, putem pune si C2 tot la 3,3uF.

Acesta este punctul static de functionare al schemei. Aplicarea unui semnal la intrare modifica acesti parametrii, deoarece variatia semnalului de pe intrare provoaca variatii ale curentului de colector si este de fapt una dintre cele mai importante probleme ale configuratiei, si anume dependenta in mod direct a amplificarii in bucla deschisa, de semnalul aplicat la intrare. Motivul pentru care se intampla asta este destul de usor de inteles, sa ne imaginam ca IC nu este 1mA ci 1,5mA, si sa calculam din nou totul:
Imagine postată

Dar cu IC la 0,5mA?:
Imagine postată

Variatia amplitudinii semnalului de pe intrare, duce la variatii ale curentului de colector, IC, si deci asa cum s-a aratat, in final duce la variatii mari ale amplificarii, si implicit la performante foarte slabe, cursa semnalului in sine provoaca acelasi variatii mari ale amplificarii. O alta problema este rejectia slaba, variatii ale alimentarii afecteaza in mod direct punctul static de functionare si deci se evidentiaza necesitatea folosirii unei alimentari stabilizate asa cum este notat in schema.

Degenerarea in emitor

Este o solutie indispensabila in optimizarea emitorului comun, si consta doar in adaugarea unei simple rezistente in emitor, aceasta este aleasa astfel incat sa domine rezistenta totala din emitor, astfel incat variatiile Re' sa conteze mult mai putin in curba amplificarii circuitului. Iata schema discutata pana acum la care s-a adaugat degenerare in emitor:
Imagine postată

Exista in continuare Re' si deci influenta sa asupra amplificarii, dar s-a adaugat R4 care se alege la o valoare mult mai mare decat Re' si cum R4 are o valoare fixa ce nu depinde de regimul dinamic, rezulta ca si variatia amplificarii in functie de acest regim este mai redusa ( ea evident inca exista ). Probabil veti observa undeva, candva spunandu-se ceva de genul "factor de degenerare", sau poate "raport degenerare" acest termen se refera la cat de mare este rezistenta externa care realizeaza degenerarea, fata de Re' , spre exemplu un raport de degenerare de 15 presupune o rezistenta externa mai mare de 15 ori decat Re' . Pun niste valori in schema care sa puna punctul static tot cam pe la 1mA la IC, o degenerare ceva mai mica de 10, si apoi calculam din nou amplificarea:
Imagine postată

GM si Re' sunt la fel ca si la primele calcule, adica tot 38,46mS si respectiv 26 Ohm, pentru ca IC este la aceeasi valoare, se schimba insa impendanta in baza ZB datorita modificarii rezistentei din emitor, si tot ea modifica si impedanta de intrare ZIN a circuitului, tot ZIN mai este modificata si de catre valoarea diferita a R1, asadar sa vedem impedantele:
Imagine postată

Se observa ca ZB este mult mai mare acum, si deci si influenta sa asupra ZIN este mult mai redusa, adica un alt beneficiu al degenerarii. Dar cel mai important beneficiu este o liniarizare destul de substantiala a amplificarii, iata care este aceasta la punctul static de functionare:
Imagine postată

Acum amplificarea este mult mai mica adevarat, si este evident efectul adaugarii degenerarii, dar iata beneficiul la celelalte 2 valori ale IC, 1,5 si respectiv 0,5mA, unde stim de mai devreme ca Re' este 17,3 Ohm si respectiv 52 Ohm ( s-a atins limita de imagini afisabile, deci click pe link ):
http://s6.postimg.or...m8bl/Form15.gif

Fata de situatia anterioara, variatiile amplificarii cu semnalul sunt acum aproape nesemnificative, si deci circuitul este mult mai performant. Amplificarea in sine se poate mari aici simplu prin marirea rezistentei din colector, valoarea de 2k2 din schema este una aleasa aleator, evident ea nu se poate mari oricat, deci si amplificarea maxima pare a fi plafonata, si totusi asa cum veti observa in articole ulterioare, amplificarea se poate duce pana la valori enorme prin folosirea unei sarcini active in colector, care mareste exponential impedanta de colector, in anumite situatii pana la peste 1M ( mega Ohm ) ceea ce in mod evident duce amplificarea la cote foarte mari.


Concluzii:
Emitorul comun este un element de circuit esential amplificatorului audio, el realizeaza amplificarea in tensiune, insa are mai multe aspecte care trebuiesc optimizate pentru maxim de performanta, imunizarea punctului static fara de variatiile alimentarii, atenuarea influentelor semnalului si a sarcinii asupra amplificarii, atenuarea efectului "early", etc... Un circuit atat de simplu, si totusi face obiectul unui articol cum este cel de fata, si totusi am trecut relativ sumar prin el, variatii pe tema asta pot fi multe, dar nu este scopul meu sa deviez prea mult de la subiect, motiv pentru care ma opresc aici urmand ca intr-un articol urmator sa tratez o alta configuratie a tranzistorului bipolar, esentiala amplificatorului audio. Daca micul meu articol v-a ajutat cumva, sau v-a placut, atunci misiunea mea a fost indeplinita, daca v-am plictisit, va cer scuze.

Marian.
  • flomar și gsabac like this



Ca o completare, această schemă face parte din istoria trz cu siliciu începînd cu 1960, fiind o adaptare a celei precedente cu trz cu germaniu, ambele fiind o reeditare a unei scheme clasice cu triode. S-a folosit pînă prin 1975 în industria audio, apoi au apărut schemele complexe cu trz complementari şi alimentate simetric care au corectat lipsa de performanţă, zgomotul şi dependenţa severă de caracteristicile etajelor dinainte şi după el. 

Minunata postare pentru cei interesati ca sa invete ceva. Le recomand sa deseneze schemele si sa le recalculeze cu alte valori.

Ar fi bine ca alaturi de modelul Early autorul sa expuna si modelul Giacoletto, iar amplificarea sa se calculze si cu generator real.

Deasemenea tinind cont de importanta simularilor poate o scurta prezentare a modelului Gummel-Poon si a principalelor marimi

 poate s-ar impune mai spre sfirsit.

Succes !

@gsabac

    • Marian78 ii(le) place mesajul asta

Multumesc.

 

Nu am dorit sa complic prea mult articolul ( si implicit intreaga serie, una probabil ceva mai lunga ) datorita target-ului.

emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc