Kesulitan dengan Biasing Amplifier Kelas B

9

Di sini saya mengacu pada power amplifier kelas B output.

Sirkuit ini harus mudah dibangun dan dipahami tetapi saya mengalami masalah dengan biasing karena saya tidak benar-benar tahu bagaimana bias basis Q1 dan Q2, sehingga Q1 akan melakukan hanya sinyal polaritas positif dan Q2 hanya akan melakukan polaritas negatif sinyal .

Tampaknya saya hanya berhasil dengan benar bias penguat kelas A, tetapi tidak kelas B.

Bagaimana saya harus membiasakan sirkuit atas untuk mencapai operasi B kelas penguat?

biasing class-b-amplifier power-output-stage Keno
sumber

1

Ada beberapa diskusi terkait dengan tweaker vbias di sini: penguat baterai 9V . Perhatikan bahwa ini juga membahas bootstrap, yang mengacu pada komentar lama kepada Anda.

jonk

10

Ada sirkuit sederhana yang dikenal yang berfungsi sebagai 'zener yang dapat diprogram'. Di bawah ini adalah diagram prinsip:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Untuk aplikasi nyata, resistor variabel dapat dibagi menjadi tiga bagian untuk mendapatkan kontrol yang lebih akurat. Dengan memvariasikan resistor, Anda dapat mengatur tegangan 'zener' antara basis dari dua transistor Q1 dan Q2 dan dengan demikian mengontrol arus diam.

Lupa: Sama seperti zener sungguhan, ia membutuhkan resistor di bagian atas.

Di masa lalu yang baik bahwa transistor dipasang secara fisik di heatsink sehingga Anda juga memiliki kompensasi termal. Butuh waktu beberapa saat untuk menemukan gambar di www tapi di sini ada satu:

Posting edit
Seperti yang disebutkan dalam komentar di bawah ini Anda harus berhati-hati dengan sirkuit ini. Sebelum penggunaan pertama kali, Anda harus memastikan resistor variabel diatur sedemikian rupa sehingga basis berada pada tegangan kolektor. Jadi ada penurunan tegangan minimal. Kemudian Anda memutar resistor sampai bias 'benar' yang biasanya berarti Anda tidak lagi melihat (lingkup) mendengar (telinga) distorsi pada sinyal output. Anda dapat mengubahnya sedikit lebih jauh yang akan meningkatkan arus diam di tahap output. (Ini akan mendapatkan lebih banyak karakteristik dari amplifier kelas A.)

Tua bangka
sumber

Alih-alih itu Vbias di sirkuit saya, ini harus menggantinya?

Keno

3

Ya, tetapi Anda memerlukan resistor dari V + karena perlu mendapatkan arus dari suatu tempat. Hati-hati jika voltase zener disetel terlalu tinggi saat pertama kali Anda menggunakannya, kedua transistor tahap akhir akan bekerja sehingga Anda memiliki kekurangan dari V + ke V-. Pastikan pangkalan terhubung ke kolektor! Kemudian perlahan-lahan turunkan dan ukur arus pada tahap akhir.

Oldfart

11

Pertama, pahami bahwa ini hanyalah pengikut emitor ganda yang menggunakan darlington di setiap sisi. Tegangan pada keluaran akan cukup banyak tegangan pada keluaran opamp. Tujuan dari pengikut emitor adalah untuk memberikan keuntungan saat ini.

Jika masing-masing transistor memiliki gain 50, misalnya, maka saat ini opamp harus sumber dan tenggelam kira-kira 50 * 50 = 2.500 kali lebih sedikit dari apa yang menarik beban. Sebagai contoh, jika bebannya menggambar 1 A, maka opamp hanya perlu sumber 400 μA.

Satu masalah dengan pengikut emitor adalah bahwa tegangan keluaran berbeda dari tegangan input oleh drop transistor BE. Katakanlah misalnya itu sekitar 700 mV ketika transistor beroperasi secara normal. Untuk pengikut emitor NPN, Anda harus mulai dengan 1,7 V jika Anda ingin 1 V keluar. Demikian pula, untuk pengikut emitor PNP, Anda harus memasukkan -1.7 V jika Anda ingin -1 V keluar.

Karena dua transistor yang mengalir, sirkuit ini memiliki dua tetes 700 mV dari opamp ke output. Itu berarti untuk mendorong output tinggi, opamp harus 1,4 V lebih tinggi. Untuk menggerakkan output rendah, opamp harus lebih rendah 1,4 V.

Anda tidak ingin opamp tiba-tiba melompat 2,8 V ketika gelombang beralih antara positif dan negatif. Opamp tidak bisa melakukan itu secara tiba-tiba, jadi akan ada waktu mati kecil di persimpangan nol, yang akan menambah distorsi pada sinyal output.

Solusi yang digunakan oleh sirkuit ini adalah menempatkan sumber 2,8 V antara input ke driver sisi tinggi dan rendah. Dengan selisih level drive 2,8 V, kedua driver output akan berada di ujung yang aktif pada 0 output. Masukan sedikit lebih tinggi dan penggerak atas akan mulai sumber arus signifikan. Sedikit lebih rendah, dan driver bawah akan mulai menenggelamkan arus yang signifikan.

Satu masalah adalah mendapatkan offset ini tepat untuk menghilangkan lompatan input yang diperlukan pada penyeberangan nol, tetapi tidak terlalu banyak menyalakan kedua driver sehingga mereka akhirnya saling mengemudi. Itu akan menyebabkan arus yang tidak berguna mengalir dan menghilangkan daya yang tidak mengalir ke beban. Perhatikan bahwa 700 mV hanyalah nilai kasar untuk drop BE. Itu cukup konstan, tetapi itu berubah dengan arus, dan juga dengan suhu. Bahkan jika Anda dapat menyesuaikan sumber 2.8 V dengan tepat, tidak ada nilai pasti untuk menyesuaikannya.

Inilah gunanya RE1 dan RE2. Jika offset 2,8 V sedikit terlalu tinggi dan arus diam yang signifikan mulai mengalir melalui driver atas dan bawah, maka resistor ini akan memiliki drop tegangan di atasnya. Tegangan apa pun yang muncul pada RE1 + RE2 langsung mengurangi dari offset 2.8 V dari sudut pandang kedua driver.

Bahkan 100 mV dapat membuat perbedaan yang signifikan. Itu akan disebabkan oleh 230 mA dari arus diam. Perhatikan juga bahwa 700 mV mungkin berada di sisi rendah, terutama untuk transistor daya ketika mereka membawa arus signifikan.

Semua dalam semua, sumber 2,8 V dimaksudkan untuk menjaga masing-masing driver atas dan bawah "siap", tanpa menyalakannya cukup sehingga mereka mulai saling bertarung dan menghabiskan banyak daya.

Tentu saja, semuanya adalah tradeoff. Dalam hal ini Anda dapat memperdagangkan lebih banyak arus diam untuk sedikit distorsi.

Idealnya, di kelas B satu sisi mati sepenuhnya ketika yang lain mulai mengambil alih. Itu hampir tidak pernah terjadi dalam praktek, tetapi skema ini cukup dekat dengannya.

Olin Lathrop
sumber

Apakah ini titik di mana pengalihan distorsi terjadi? Dalam buku saya, jika saya memahaminya dengan benar, ini digambarkan sebagai kedua sisi (npn dan pnp) melakukan lebih dari 180 derajat sinyal?

Keno

1

@ Koeno: Distorsi crossover dapat terjadi dua arah. Yang terburuk biasanya ketika driver sisi tinggi dan rendah melakukan kurang dari separuh waktu. Opamp harus melompati deadband, yang membutuhkan waktu terbatas. Setiap melakukan selama lebih dari setengah waktu tidak selalu menyebabkan distorsi. Itu tergantung pada seberapa halus mereka memudar masuk dan keluar relatif satu sama lain. Keduanya melakukan semua waktu di kelas A, misalnya, dan lebih dari separuh waktu di kelas AB. Itulah poin dari kelas AB versus kelas B. Beberapa fade over mewakili kekuatan yang terbuang tetapi tidak selalu distorsi. Deadband mendistorsi.

Olin Lathrop

Saya setuju dengan kamu! Tetapi sedekat mungkin dengan kelas B, penguat akan lebih efisien, bukan?

Keno

2

@ Koeno: Ya, kelas B adalah efisiensi optimal untuk sistem elemen lulus linier. Mendapatkan kedua belah pihak untuk beralih tepat benar sangat sulit. Itu sebabnya kelas AB. Biarkan sedikit pudar untuk mengurangi distorsi crossover, dengan harga murah dalam efisiensi.

Olin Lathrop

Satu hal lagi. Titik / area konduksi di mana sisi npn dan pnp melakukan secara bersamaan, dapatkah ini menambah distorsi tambahan ke amplifier atau apakah area konduksi simultan bukan subjek distorsi?

Keno

7

Perbedaan antara kelas A dan kelas B adalah arus diam melalui tahap terakhir.

Jika Anda membuat arus diam nol maka hanya Q3 atau Q4 yang memasok arus bila ada sinyal. Ini kelas B.

Jika Anda membuat arus diam begitu besar sehingga untuk sinyal yang sangat besar (bahkan yang terbesar) baik Q3 dan Q4 tidak pernah memiliki Ic = 0 (tidak pernah mati), kami memiliki kelas A.

Ada juga kelas AB yang bisa berada di mana saja antara kelas A dan kelas B.

Bagaimana cara mengatur diam saat ini?

Itu dilakukan oleh Vbias.

Beberapa contoh bagaimana Vbias dapat diimplementasikan:

"Zener" dari jawaban oldfart
dioda Zener nyata

atau ini:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Sumber arus dapat dengan mudah dibuat dengan cermin arus PNP dan resistor biasinf.

Bimpelrekkie
sumber

Apakah Anda punya ide bagaimana mengetahui dengan pasti, apakah sirkuit beroperasi di kelas A atau kelas B atau di antaranya, yaitu kelas AB? Saya mencakup output sambil mengubah bias tetapi yang saya dapatkan hanyalah gelombang sinus normal. Saya dapat memverifikasi kelas dengan mengukur arus diam melalui masing-masing transistor, tetapi apakah ada cara lain? Mungkin dengan o'scope?

Keno

Anda dapat dengan mudah mengukur arus melalui Q3 dan Q4 melintasi resistor emitor. Jadi jangan berikan sinyal dan ukur arus. Dugaan saya adalah bahwa dengan VBias = 2,8 V ini akan menjadi penguat kelas AB. Juga di kelas B akan ada distorsi crossover di persimpangan nol.

Bimpelrekkie

@Bimpelrekkie telah menggambar dua contoh tahap output kelas AB. Arus kecil selalu mengalir melalui Q1 dan Q2, Q3 dan Q4. Dengan arus idle yang cukup, distorsi bisa sangat sangat rendah, mungkin 0,05% atau kurang, tetapi trade-offnya adalah bahwa tahap output menghilangkan banyak panas. Carilah amplifier 1.500 watt di web dan Anda akan melihat desain bias serupa tetapi lebih rumit.

Sparky256

6

Anda harus memahami topologi output dengan baik untuk mengetahui cara membuat bias untuknya.

Meskipun seseorang memang menyebutkan bahwa contoh skematis Anda mengatur BJT sesuai mode Darlington (dengan tambahan resistor penambah kecepatan ), mereka tidak memberi tahu Anda bahwa pengaturan seperti itu hampir selalu memiliki topologi yang lebih baik. Jadi Anda hampir tidak akan pernah menggunakan topologi itu untuk memulai. Atau, singkatnya, tidak ada gunanya berjuang untuk memahaminya untuk membuatnya bias.

Mengapa menggunakan Darlington:

Gain arus tinggi, yang berguna dalam rangkaian driver keluaran seperti ini karena ini secara signifikan mengurangi arus diam sirkuit biasing dan itu bisa sangat membantu ketika mencoba menyelinap di sekitar ayunan arus besar menjadi beban kecil seperti ini.

Mengapa tidak menggunakan Darlington:

Lambatkan mematikan kecuali jika resistor ditambahkan (seperti pada contoh rangkaian Anda.)
Tidak bisa jenuh di bawah sekitar satu tetes dioda (ditambah sedikit) karena pengaturannya. Ini mungkin berarti beberapa overhead tegangan tambahan yang diperlukan untuk amplifier (yang untuk sirkuit tegangan rendah mungkin tidak dapat diterima) dan itu juga dapat berarti beberapa disipasi keseluruhan tambahan untuk amplifier.
Bertindak seolah-olah membutuhkan dua tetes dioda antara basis dan emitor, yang meningkatkan rentang tegangan biasing yang diperlukan.
Temperatur memengaruhi kedua sambungan basis-emitor, yang menambahkan secara seri. Jadi variasi suhu dari rentang tegangan biasing sekarang termasuk setidaknya empat tetes dioda secara seri, yang semuanya mengalami variasi suhu. Kompleksitas kompensasi kemungkinan meningkat, sebagai akibatnya.
Ada alternatif yang lebih baik.

Alasan terakhir adalah alasan utama mengapa tidak menggunakan Darlington di sini. Jika tidak ada alternatif, maka Anda hanya akan terjebak dengan ide jika Anda menginginkan satu-satunya keuntungan.

Jika Anda menginginkan gain tinggi dari pengaturan Darlington, maka hampir selalu lebih baik menggunakan pengaturan Sziklai. Ini terlihat seperti ini:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Ini juga memberikan gain arus tinggi yang serupa dan juga tidak bisa jenuh di bawah sekitar satu penurunan dioda, tetapi juga mencakup yang berikut:

Hanya satu penurunan dioda basis-emitor per kuadran.
$R_3$ $R_4$ $Q_2$ $Q_4$ $Q_1$ $Q_3$

Anda sudah memiliki beberapa komentar tentang cara membiasakan sirkuit Anda. Gagasan serupa juga dapat digunakan dengan rangkaian driver Sziklai yang ditunjukkan di atas, tetapi Anda tidak akan memerlukan perbedaan tegangan bias yang cukup banyak.

$V_{BE}$

Sama seperti model kasar, skema sekarang mungkin terlihat seperti:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

$R_7$ $R_8$ $R_9$ $R_1$ $R_2$ $50\:\textrm{mV}$ $R_7$ $R_8$ $R_1$ $R_2$ $C_1$ $C_3$ $V_{BE}$ pengganda untuk basis ke dua kuadran keluaran Sziklai.

$C_2$ $Q_6$ $Q_6$

Di atas mengasumsikan bahwa Anda benar-benar memiliki rel suplai bipolar dan beban DC yang dibumikan. Saya juga tidak menunjukkan umpan balik negatif yang mungkin akan dibutuhkan, pada akhirnya. Hal-hal akan agak berbeda jika beban AC digabungkan dan Anda hanya memiliki satu rel pasokan untuk bekerja dengannya.

jonk
sumber

Bagus! Tetapi mengapa C3 terhubung ke kolektor Q5? Dan C1 yang dianggap "bootstrap" sesuatu (?) - Saya masih belum mendapatkan fungsinya, meskipun telah membaca beberapa posting yang Anda rekomendasikan kepada saya sejauh ini.

Keno

R_{7}

$R_7$

50 Ω

$50\:\Omega$

C_{3}

$C_3$

R_{6}

$R_6$

R_{7}

$R_7$

Q_{2}

$Q_2$

C_{1}

$C_1$

R_{6}

$R_6$

Q_{6}

$Q_6$

r_{e} = \frac{k T}{q I_{C_{6}}}

$r_e=\frac{k T}{q I_{C_6}}$

1

@Keno Anda punya banyak hal untuk dipelajari. Saya pikir salah satu poin utama di sini adalah bahwa merancang tahap keluaran yang baik dari bagian-bagian terpisah membutuhkan tingkat dan luasnya pengetahuan tertentu tentang berbagai efek . Suhu menjadi salah satu yang lebih penting, jika ingin menjadi penggerak daya yang baik. Anda sering tidak menemukan perawatan terperinci dari desain diskrit (meskipun Anda memang melihat skematiknya) karena dengan munculnya IC yang baik dan murah, hanya ada sedikit kebutuhan. Kecuali belajar. Buku-buku lama lebih sering menjadi satu-satunya tempat Anda menemukan info ini, sayangnya.

Jonk

3

Sebenarnya penguat kelas B tidak memiliki bias dasar. Bias terjadi pada kelas AB. Tapi Anda bisa membiasakan basis dengan banyak cara.

Jika Anda menggunakan op amp seperti pada gambar, Anda bisa menggunakan umpan balik. Itu membuat output sama dengan input, sama seperti buffer tetapi dengan power stage.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Anda juga bisa menggunakan dua sumber tegangan.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Anda dapat menggunakan dioda dan sumber arus konstan.

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

{saya}_{r} = \frac{V_{b e 2}}{R_{3}}

$I_r=\frac{V_{be2}}{R_3}$

V_{B B} = {saya}_{r} (R_{1} + R_{2} + R_{3}) = V_{b e 2} (\frac{R 1 + R 2 + R 3}{R 3})

$V_{BB} = I_r(R_1+R_2+R_3) = V_{be2}(\frac{R1+R2+R3}{R3})$

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

CATATAN: resistor R2 adalah untuk pengaturan halus.

Francisco Gomes
sumber

1

Tidak memiliki resistor emitor pada transistor keluaran akhir adalah ide yang buruk kecuali di sirkuit pertama Anda. Sekalipun Anda mengatur offset voltase antara basis-basis agar tidak menyebabkan banyak arus keluaran diam, Anda masih meminta pelarian termal. Ketika transistor output semakin panas, tetes BE mereka turun. Hal ini menyebabkan lebih banyak arus diam dengan offset input bias yang sama. Itu menyebabkan lebih banyak pemanasan, yang menyebabkan penurunan BE lebih rendah ... dll.

Olin Lathrop

Kamu benar. Saya menjawabnya secara teoritis karena sirkuit kedua dan ketiga hampir tidak pernah digunakan. Sirkuit terakhir yang Anda dapat pasangan termal Q1, Q2 dan Q3 dan itu memecahkan pelarian termal.

Francisco Gomes

2

kelas B didefinisikan sebagai sudut konduksi 180 derajat - sehingga kelas B bias ke titik konduksi - jika tidak, sebenarnya kelas C (terutama untuk sinyal kecil). Resistor emitor adalah kunci untuk stabilitas biasing dan memungkinkan setiap perangkat mati selama setengah siklus yang berlawanan.

kelas AB adalah ketika sudut konduksi adalah antara 180 dan 360

Mark Tillotson
sumber

Kesulitan dengan Biasing Amplifier Kelas B

Jawaban: