Μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση ενισχυτών ισχύος

Διπλωματική εργασία του φοιτητή Θανάση Βγενή

Υπό την επίβλεψη του Λέκτορα Κώστα Ευσταθίου

Στόχοι της διπλωματικής εργασίας

• Μελέτη της λειτουργίας και των διαφόρων σταδίων των ενισχυτών

• Μελέτη των διαφόρων τοπολογιών για κάθε στάδιο

• Σχεδίαση ενισχυτή

• Υλοποίηση ενισχυτή

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

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

Απαιτήσεις από τους ενισχυτές

• Ενίσχυση του σήματος και παραγωγή μεγάλης ισχύος στην έξοδό τους

• Καμία επιπλέον επέμβαση στο σήμα

Προδιαγραφές Ενισχυτών

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

Σχήμα 3 σταδίων Lin

Στάδιο Εισόδου

• Πρέπει να έχει μεγάλη αντίσταση εισόδου

• Υψηλό PSRR

• Μειωμένη ευαισθησία στην πρόσληψη θορύβου

Στάδιο Εισόδου (2)

• Επιλέγουμε ενισχυτή διαγωγιμότητας

Διαφορικό στάδιο

• Προσφέρει τα παραπάνω

• Διαθέτει αναστρέφουσα είσοδο για την εφαρμογή της ολικής ανάδρασης

Τοπολογίες σταδιών εισόδου (1)

Απλό διαφορικό στάδιο

Τοπολογίες σταδιών εισόδου (2)

Διαφορικό στάδιο με φορτίο καθρέπτη ρεύματος

Τοπολογίες σταδιών εισόδου (3)

• Push- pull συμμετρικό διαφορικό στάδιο με διπλή έξοδο, που απαιτεί και συμμετρικό στάδιο ΕΤ

Φίλτρα εισόδου• Αποκοπή των DC• Αποκοπή των RF

Στάδιο Ενίσχυσης Τάσης (ΕΤ)

• Υλοποιεί το κυρίως κέρδος τάσης

• Ενισχυτής διαντίστασης

• Αντιστάθμιση συχνότητας

Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας

• Μεγάλο επιθυμητό Περιθώριο Φάσης

•Ανάγκη για επικρατούντα πόλο σε χαμηλότερη συχνότητα

Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας (2)

• Αντιστάθμιση Miller• GmVi το στάδιο

εισόδου

Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας (3)

• Υπολογισμοί

1)1()(

)(

]/1)1()[()(

ETo

om

i

a

oETaim

ACCsR

RG

sV

sV

RAsCCsVsVG

•Κέρδος σταδίου εξόδου= 1, άρα συνολική συνάρτηση μεταφοράς ενισχυτή

B

T

ETo

ET

ETm

i

aET

i

bV s

ACCRs

ACC

AG

sV

sVA

sV

sVsA

)1(1

)1(

)(

)(

)(

)()(

Στάδιο ΕΤ, αντιστάθμιση συχνότητας (4)

• Τελικά

• Και για μεγάλα κέρδη ΑΕΤ

• Εξάρτηση του ωΤ από την πόλωση του σταδίου εισόδου και τον πυκνωτή αντιστάθμισης

)1( ET

ETmT ACC

AG

CC

GmT

Τοπολογίες Σταδίων ΕΤ

Απλό στάδιο ΕΤ με φορτίο πηγή ρεύματος

Τοπολογίες Σταδίων ΕΤ (2)

Διαφορικό στάδιο ΕΤ, για συμμετρικά στάδια εισόδου

Τοπολογίες Σταδίων ΕΤ (3)

Push – pull στάδιο ΕΤ, με δυνατότητα αντιστάθμισης 2 πόλων

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

Τάξεις Σταδίων Εξόδου

Καθορίζονται από:

• Την γωνία αγωγής

• Την πόλωση

• Την τεχνική

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

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

Τάξη ΑΒ

Αύξηση της γωνίας αγωγής πέραν των 180ο με σκοπό την μείωση της παραμόρφωσης περάσματος

Τάξη D•Διαμόρφωση PWM

•Εξαιρετική απόδοση λόγω διακοπτικής λειτουργίας

•Μειωμένη δυνατότητα παροχής ισχύος

Υπόλοιπες Τάξεις

• Τάξεις C, EΑφορούν RF σχεδιάσεις• Τάξεις G, HΒελτιώσεις της απόδοσης Τάξης ΒΜεταβαλόμενες τάσεις τροφοδοσίαςΜεγάλη πολυπλοκότητα• Τάξη SΣυνδιασμός τάξης Α και Β

Τοπολογίες τάξης Α•Κέρδος 1

•Μέγιστη θετική τάση V1-VCE1sat

•Ελάχιστη αρνητική τάση V2+VCE2sat, ή –IRload

•Μέγιστη απόδοση 2

2

4 ccV

Vo

Τοπολογίες τάξης Α (2)

• Push-Pull κύκλωμα• Μέγιστη θεωρητική

απόδοση 50%

• Τάση Vbias ώστε μόνιμη αγωγή και των 2 τρανζίστορ

Τοπολογίες τάξης Α (3)

• Πρακτική υλοποίηση ΣΕ τάξης Α, push-pull

• Ενσωμάτωση κυκλώματος ρύθμισης πόλωσης

Σύνοψη Τάξης Α

• Συνήθως push-pull

• Απουσία παραμορφώσεων περάσματος και διακοπής

• Περιορισμένος εύρος χρήσης λόγω της μειωμένης απόδοσης

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

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

Στάδια Τάξης Β (1)

• Στάδιο Ακόλουθου Εκπομπού (ΑΕ)

• Vbias>4VBE

• Ανάγκη για θερμική παρακολούθηση

Στάδια Τάξης Β (2)

• Συμπληρωματικό με Ανάδραση (ΣΑ) στάδιο

• Ανάγκη θερμικής παρακολούθησης μόνο των οδηγούντων, λόγω της τοπικής ανάδρασης

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

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

Στάδια Τάξης Β (3)

• Ημισυμπληρωματικό ΣΕ

• Χρήση npn τρανζίστορ ισχύος

• Πρόσθεση της διόδου για εξισορρόπηση της ανομοιομορφίας των VBE

Στάδια Τάξης Β (3)

• Τριάδες εξόδου• Δυνατότητα χρήσης

τρανζίστορ υψηλών τάσεων-χαμηλού β

Στάδια Τάξης Β (4)

• Παράλληλα στάδια εξόδου

• Πολλαπλασιασμός της δυνατότητας παροχής ρεύματος

Πόλωση σταδίων εξόδου

• Πολλαπλασιαστής VBE

• Δυνατότητα ρύθμισης τάσης πόλωσης

• Δυναμική ρύθμιση μέσω της θερμικής παρακολούθησης

Θερμική Ανάλυση

• Τε-Τα=

Ρκ(θεκ+θκψ+θψα)• θ: θερμική αντίσταση

P κθ κψ

θψα

θ εκ

Τε

Τκ

Τψ

Τα

Σχεδίαση, Ανάλυση Ενισχυτή

• Στόχος οι υψηλές επιδόσεις με χρήση ευρέως διαθέσιμων υλικών

• Σχεδιάση τοπολογίας από Κώστα Ευσταθίου

Σχηματικό διάγραμμα

Στάδιο Εισόδου

• Διαφορικό με ενεργό φορτίο

• Πηγή σταθερού ρεύματος

• Ανωδιαβατό φίλτρο εισόδου (5 Hz)

• Αντίσταση εισόδου 1 kΩ

• Υψηλό PSRR (πηγή-διαφορικός)

Στάδιο Ενίσχυσης Τάσης

• Τοπολογία κοινού εκπομπού με ενεργό φορτίο τον καθρέπτη ρεύματος

• Δεσμευμένο κέρδος στην τιμή 2

Στάδιο Εξόδου (1)

• Τροποποιημένη εκδοχή τριάδων εξόδου και ΣΑ

• Χρήση ζευγών Darlington

• Τοπική ανάδραση που επιτρέπει την αξιοποίηση του κέρδους τάσης

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

Στάδιο Εξόδου (3)

• Κύκλωμα προστασίας με current limiters

• Ρύθμιση για περιορισμό ρεύματος στα 2.5 Α

Κύκλωμα Ανάδρασης

• Τοπική ανάδραση σταδίου εξόδου που ορίζει AVΣΕ = 9

• Ολική ανάδραση που ορίζει AVολ = 18

• Προκύπτει για το στάδιο ΕΤ:

ΑVολ=AVΕΤ&AVΣΕ, άρα AVET = 2

• Λειτουργία του σταδίου ΕΤ με μεγάλο περιθώριο κέρδους

Ρύθμιση και εξομοιώσεις

Ρύθμιση DC σημείου λειτουργίας με την βοήθεια προγραμμάτων εξομοίωσης (PSpice) και βελτιστοποίησης (Optimizer)

Προδιαγραφές:• 9mA ρεύμα πόλωσης για την κάθε πλευρά του

διαφορικού• 15mA ρεύμα πόλωσης για το στάδιο ΕΤ• 9mA ρεύμα πόλωσης για το οδηγούν στάδιο• 15mA ρεύμα πόλωσης για τα Darlington εξόδου• ελάχιστη δυνατή τάση εκτροπής εξόδου (Voutput

offset=0)• ελάχιστη δυνατή τάση εκτροπής της ενδιάμεσης τάσης

Voi

Ρεύματα DC σημείου λειτουργίας

Τάσεις DC σημείου λειτουργίας

Κατανάλωση ισχύος DC σημείου λειτουργίας

Ρύθμιση απόκρισης συχνότητας, αντιστάθμιση Miller

• Πολύ μικρό περιθώριο φάσης απουσία πυκνωτή αντιστάθμισης που οδηγεί σε αστάθεια

Ρύθμιση απόκρισης συχνότητας, αντιστάθμιση Miller (2)

• Χρήση Optimizer για επίτευξη περιθωρίου φάσης >45ο

• Εξάλειψη συντονισμών

Ρύθμιση απόκρισης συχνότητας, αντιστάθμιση Miller (3)

• Προκύπτουσα απόκριση συχνότητας

• Απόκριση συχνότητας χωρίς τους πυκνωτές C2, C3

Ρύθμιση απόκρισης συχνότητας, αντιστάθμιση Miller (3)

• Τελική απόκριση συχνότητας με την ενσωμάτωση και του φίλτρου εισόδου

Επιδόσεις σχεδίασης

Ισχύς εξόδου

• 20.3 W για τάση εισόδου 1 V, και τροφοδοσία 20 V

• 51.9 W για τάση εισόδου 1.6 V, τροφοδοσία 30 V και κατάλληλη ρύθμιση των current limiters

Επιδόσεις σχεδίασης (2) THD (1)Συχνότητα (kHz)

Πλάτος Εισόδου Vinp-p (Volt)

RMS Ισχύς εξόδου με φορτίο 8 Ohm (Watt)

Τάση τροφοδοσίας (Volt)

THD (%)

1 0.7 10 20 0.00851

10 0.7 10 20 0.0163

20 0.7 10 20 0.0634

1 0.9 16.5 20 0.00817

10 0.9 16.5 20 0.0251

20 0.9 16.5 20 0.0509

1 1 20.3 20 0.0128

10 1 20.3 20 0.0452

20 1 20.3 20 0.0944

Επιδόσεις σχεδίασης (2) THD (2)Συχνότητα (kHz) Πλάτος Εισόδου

Vinp-p (Volt)RMS Ισχύς εξόδου

με φορτίο 8 Ohm (Watt)

Τάση τροφοδοσίας (Volt)

THD (%)

1 1.1 21.5*1 20 3.04

10 1.1 21.5 20 3.09

20 1.1 21.5 20 3.13

1 1.1 23.3*2 30 1.22

10 1.1 23.3 30 1.28

20 1.1 23.3 30 1.34

1 1.5 45.7*3 30 0.0047

10 1.5 45.7 30 0.0078

20 1.5 45.7 30 0.0203

1 0.7 10*4 20 0.0187

10 0.7 10 20 0.107

20 0.7 10 20 0.207

Επιδόσεις σχεδίασης (3)

• Slew rate 17 V/μsec

Επιδόσεις σχεδίασης (4)

• Παραμόρφωση Περάσματος

• Λανθασμένη ρύθμιση πόλωσης για την παρουσίαση παραμόρφωσης περάσματος

Υλοποίηση

• Σχεδίαση PCB• Protel• Συμμετρία

Υλοποίηση (2)

• Διακλαδώσεις• Αποστάσεις αγωγών• Γωνίες• Πάχη αγωγών

Πρώτη λειτουργία και ρύθμιση

• Αρχική θέση ποτενσιομέτρων

• Παρακολούθηση ρευμάτων

• Αρχική ρύθμιση (Voffset, THD)

• Τελική ρύθμιση σε θερμοκρασία λειτουργίας

Μετρήσεις (1) THDTHD (%)(ρεύμα

πόλωσης 60mA συνολικά)

Pout (W) 1 2 5 10

Vinpk (mV) 295.5 415 665 935

fin (kHz)

1 0.186 0.194 0.189 0.233

2 0.267 0.275 0.273 0.277

5 0.253 0.266 0.263 0.261

10 0.366 0.398 0.384 0.372

20 0.605 0.65 0.572 0.528

THD (%)(ρεύμα

πόλωσης 300+mA συνολικά)

Pout (W) 1 2 5 10

Vinpk (mV) 295.5 415 665 935

fin (kHz)

1 0.03 0.1 0.141 0.19

2 0.077 0.115 0.21 0.18

5 0.12 0.15 0.2 0.25

10 0.14 0.213 0.27 0.35

20 0.19 0.295 0.42 0.45

Παρατηρήσεις (THD)

• Αύξηση THD με την άυξηση της ισχύος

• Αύξηση THD με την αύξηση της συχνότητας

• Μείωση THD με την αύξηση του ρεύματος πόλωσης (δυνατότητα επιπλέον βελτίωσης, αλλά θερμική καταπόνηση)

• Διαγράμματα αναλυτή φάσματος

Μετρήσεις (2)

• Αδυναμία συσκευής για σάρωση συχνοτήτων

• Προσέγγιση απόκρισης συχνότητας με είσοδο τυχαίο θόρυβο και πολλά δείγματα για μέση τιμή

Μετρήσεις (3)

Slew rate• Τιμή 10 V/μsec

• Αντίστοιχη fT=88.5kHz

Μετρήσεις (4)

Ισχύς εξόδου• Μέγιστο πλάτος 18.6

V (για 20 V τροφοδοσία)

• 21.6 W για 8 Ohm• Επιφυλάξεις για

αύξηση τροφοδοσίας στα 30 V, λόγω VCEmax = 60 V

Μετρήσεις (5)

Λόγος Σήματος προς Θόρυβο

• Στάθμη θορύβου -81 dB RMS

• Μέγιστη στάθμη σήματος 22 dB RMS

• SNR = 102 dB

Μετρήσεις (6)

Παραμόρφωση περάσματος

• Ομαλή καμπύλη με σωστή ρύθμιση πόλωσης

• Εμφάνιση παραμόρφωσης με εσκεμμένα λανθασμένη πόλωση

Τελική αξιολόγηση

• Επίτευξη του στόχου για υψηλή πιστότητα

• Εξαιρετικός λόγος απόδοσης προς τιμή

• Σύγκριση με εμπορικές συσκεύες

Ευχαριστίες

• Τον καθηγητή μου Κώστα Ευσταθίου για την έμπνευση, καθοδήγηση και υποστήριξη στα δύσκολα και εύκολα

• Τον καθηγητή μου κο Μουρτζόπουλο για τα μαθήματα ηλεκτρακουστικής

• Τον καθηγητή μου Γιάννη Κωνσταντινίδη για την βοήθεια στην κατασκευή

• Τους φίλους μου που συνέβαλαν ποικιλοτρόπως