ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ

ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ

ΤΙΤΛΟΣ: Ενισχυτής τάξης AD

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ

Παναγάκου Κωνσταντίνα (ΑΜ:6600)

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:____________

ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Κ. ΕΥΣΤΑΘΙΟΥ

ΠAΤΡΑ 2012

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:__________________

Θέμα: «Ενισχυτής τάξης AD»

Φοιτήτρια: ΠΑΝΑΓΑΚΟΥ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΑ (Α.Μ. 6600)

Επιβλέπων:Κ. Ευσταθίου

ΠΕΡΙΛΗΨΗ

Αντικείμενο αυτής της διπλωματικής υπήρξε η μελέτη μιας νέας

μεθόδου ενίσχυσης ακουστικών συχνοτήτων, που μπορεί να αναπαράγει τον ήχο με την υψηλή ποιότητα των ενισχυτών τάξης Α και ταυτόχρονα με υψηλή απόδοση ισχύος, που χαρακτηρίζει τους

ενισχυτές τάξης D.

ABSTRACT

This Diploma Thesis studies a new method of audio amplifying that can reproduce sound with both high fidelity as found in a class A amplifier and high efficiency which is characteristic of class D amplifier.

Ευχαριστίες

Ευχαριστώ πολύ τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ.Κ.Ευσταθίου για την πολύτιμη και αμέριστη

βοήθεια του καθώς και για την υπομονή και το χρόνο που αφιέρωσε για την εκπόνηση της παρούσας

διπλωματικής εργασίας. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ.Ι.Μουρτζόπουλο για την πρόταση του

θέματος και το ενδιαφέρον που μου μετέδωσε για την ηλεκτροακουστική.

Τελειώνοντας θα ήθελα να ευχαριστήσω πολύ την οικογένεια μου τόσο για τη ψυχολογική όσο και για

την οικονομική στήριξη, καθώς και τους φίλους και συναδέλφους μου, που με βοήθησαν με διάφορους

τρόπους.

Περιεχόμενα

9

Περιεχόμενα

Περιεχόμενα.............................................................................................................................................................9

1 Εισαγωγή........................................................................................................................................................11

2 Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου......................................................................................................................13

2.1 Τι είναι ενίσχυση ....................................................................................................................................13

2.2 Κοινωνική και οικονομική σημασία των ενισχυτών ..............................................................................13

2.3 Ακουστικός ενισχυτής ισχύος.................................................................................................................14

2.4 Απαιτήσεις από έναν ενισχυτή ..............................................................................................................14

2.5 Ενισχυτές ac-coupled και dc-coupled ....................................................................................................15

3 Ενισχυτής Τάξης Α ..........................................................................................................................................17

3.1 Εισαγωγή................................................................................................................................................17

3.2 Στάδια Ενισχυτή .....................................................................................................................................17

3.3 Στάδια Εξόδου........................................................................................................................................18

3.4 Θεωρητική Ανάλυση ..............................................................................................................................19

3.4.1 Αντίσταση Εισόδου ........................................................................................................................19

3.4.2 Υπολογισμός Κέρδους Τάσης Ανοιχτού Βρόχου ............................................................................19

3.4.3 Αντίσταση Εξόδου ..........................................................................................................................20

3.4.4 CMRR ..............................................................................................................................................20

3.4.5 DC ανάλυση....................................................................................................................................21

3.4.6 Ανάδραση.......................................................................................................................................21

3.5 Ανάλυση Κυκλώματος............................................................................................................................23

3.5.1 Περιγραφή Κυκλώματος ................................................................................................................23

3.5.2 Υπολογισμός Βασικών Παραμέτρων..............................................................................................24

3.5.3 Περιγραφή Λειτουργίας .................................................................................................................26

4 Ενισχυτής Τάξης D ..........................................................................................................................................29

4.1 Διαμόρφωση ΔΣ .....................................................................................................................................29

4.2 Το κύκλωμα του ΔΣ διαμορφωτή...........................................................................................................29

4.3 Αριθμητικό παράδειγμα.........................................................................................................................30

4.4 Ενισχυτής τάξης D με ΔΣ διαμόρφωση ..................................................................................................31

4.5 Διάταξη Mosfet ......................................................................................................................................32

4.5.1 Νεκρός Χρόνος ...............................................................................................................................34

4.5.2 Ενέργεια επιστρεφόμενη από τον ενισχυτή ..................................................................................34

4.6 Κύκλωμα.................................................................................................................................................35

Περιεχόμενα

10

4.6.1 Υλοποίηση στο Pspice.................................................................................................................... 36

4.7 Λειτουργία ............................................................................................................................................. 36

4.8 Θόρυβος υπερδειγματοληψίας (oversampling noise shaping) ............................................................ 38

5 Ενισχυτής AD ................................................................................................................................................. 41

5.1 Εισαγωγικά ............................................................................................................................................ 41

5.2 Περιγραφή λειτουργίας......................................................................................................................... 41

5.2.1 Δομή ενισχυτή AD.......................................................................................................................... 41

5.2.2 Ανάλυση λειτουργίας .................................................................................................................... 42

5.2.3 Υπολογισμός αντίστασης εξόδου.................................................................................................. 42

5.3 Προσομοιώσεις στο Pspice.................................................................................................................... 44

5.3.1 Προσομοίωση με ιδανικές πηγές .................................................................................................. 44

5.3.2 Προσομοίωση με μη ιδανικές πηγές............................................................................................. 45

5.3.3 Μετρήσεις βασικών χαρακτηριστικών.......................................................................................... 46

5.4 Φίλτρο ................................................................................................................................................... 55

5.5 Βελτίωση απόδοσης ενισχυτή τάξης D ................................................................................................. 56

5.6 Τοπολογία ενισχυτή με αντικατάσταση της τάξης Α από ΑΒ................................................................ 58

5.7 Ενισχυτής τάξης D με ΔΣ διαμόρφωση πολλών φάσεων...................................................................... 59

6 Αποδόσεις...................................................................................................................................................... 61

6.1 Απόδοση ενισχυτή τάξης Α.................................................................................................................... 61

6.2 Απόδοση ενισχυτή τάξης D ................................................................................................................... 62

6.3 Απόδοση ενισχυτή τάξης AD ................................................................................................................. 63

7 Μεγάφωνο..................................................................................................................................................... 65

7.1 Εισαγωγικά ............................................................................................................................................ 65

7.2 Ισοδύναμο Μεγαφώνου........................................................................................................................ 65

7.3 Απόδοση ................................................................................................................................................ 67

7.4 Απόκριση συχνότητας SPL(sound pressure level): ................................................................................ 68

7.5 Μέτρο συνολικής εμπέδησης................................................................................................................ 68

7.6 Γωνία φάσης.......................................................................................................................................... 69

Βιβλιογραφία......................................................................................................................................................... 71

Ξένη ................................................................................................................................................................... 71

Ελληνική ............................................................................................................................................................ 71

Διαδίκτυο........................................................................................................................................................... 71

Εισαγωγή

11

1 Εισαγωγή Η παρούσα διπλωματική, που εκπονήθηκε στο πλαίσιο των προπτυχιακών μου σπουδών στο τμήμα

Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στον τομέα Ηλεκτρονικής και Υπολογιστών,

πραγματεύεται τη μελέτη και το σχεδιασμό ενός ενισχυτή ακουστικών συχνοτήτων τοπολογίας AD. Αυτή η

τοπολογία συνδυάζει έναν ενισχυτή τάξης Α και έναν ενισχυτή τάξης D, με αποτέλεσμα να παρουσιάζει τα

πλεονεκτήματα και των δύο αυτών τάξεων. Έτσι εμφανίζει υψηλή γραμμικότητα παράλληλα με ιδιαίτερα

υψηλή απόδοση.

Ο ενισχυτής τάξης Α που χρησιμοποιείται, υλοποιείται από μία κλασική τοπολογία τριών σταδίων με

το στάδιο εξόδου κατάλληλα πολωμένο, ώστε τα τρανζίστορ να βρίσκονται στην πιο γραμμική περιοχή

λειτουργίας τους. Έτσι λοιπόν και με την εφαρμογή τοπικής και ολικής ανάδρασης παρουσιάζεται η ελάχιστη

δυνατή παραμόρφωση. Ενώ έχει υψηλή γραμμικότητα, μειονεκτεί ο ενισχυτής τάξης Α στην απόδοση, αφού η

κατανάλωση του είναι μεγάλη, μιας και τα τρανζίστορ του άγουν συνεχώς.

Σε αντίθεση ο ενισχυτή τάξης D παρουσιάζει υψηλή απόδοση, χρησιμοποιώντας ΔΣ διαμόρφωση, για

μετατροπή του σήματος σε ψηφιακό. Η μετατροπή του ψηφιακού σήματος σε αναλογικό στο στάδιο εξόδου

γίνεται με ιδιαίτερα χαμηλές απώλειες ενέργειας. Αυτή όμως η μετατροπή του σήματος προσθέτει θόρυβο ο

οποίος απαιτείται να φιλτραριστεί, ώστε να ανακτηθεί το σήμα. Παρά ταύτα η διαδικασία αυτή δεν είναι

δυνατόν να αφαιρέσει το σύνολο του θορύβου, γι’ αυτό και ο ενισχυτής τάξης D παρουσιάζει αυξημένη

παραμόρφωση.

Στη τοπολογία ενισχυτή τάξης AD, ο ενισχυτής τάξης Α χρησιμοποιείται ως πηγή τάσης για να

καθορίζει την τάση στην έξοδο, ενώ ο ενισχυτής τάξης D ως πηγή ρεύματος, παρέχοντας το μεγαλύτερο

ποσοστό της ισχύος στο φορτίο. Έτσι εξασφαλίζεται η ελάχιστη δυνατή παραμόρφωση στην έξοδο και η

παροχή ισχύος στο φορτίο με υψηλή απόδοση.

Στο 2ο

κεφάλαιο γίνεται μία προσπάθεια εξήγησης της χρησιμότητας των ενισχυτών ήχου,

ακολουθούμενη από τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και τις απαιτούμενες προδιαγραφές.

Στο 3ο

κεφάλαιο εξετάζεται και αναλύεται η δομή και λειτουργία του ενισχυτή τάξης Α και γίνεται

υπολογισμός των βασικών παραμέτρων του κυκλώματος που υλοποιήθηκε.

Στο 4ο

κεφάλαιο μελετάται η ΔΣ διαμόρφωση και γίνεται η περιγραφή του ενισχυτή τάξης D που την

χρησιμοποιεί. Επίσης γίνονται υπολογισμοί χαρακτηριστικών μεγεθών του ενισχυτή.

Στο 5ο

κεφάλαιο παρουσιάζεται η μελέτη και ο σχεδιασμό της τοπολογίας AD συνοδευόμενη από

θεωρητική ανάλυση, αλλά και με παρουσίαση αποτελεσμάτων προσομοιώσεων.

Στο 6ο

κεφάλαιο υπάρχει θεωρητικός υπολογισμός των αποδόσεων των ενισχυτών τάξης Α, D και AD.

Στο 7ο

κεφάλαιο αναλύεται το μοντέλο του μεγαφώνου αντιστοιχίζοντας τα μηχανικοακουστικά

μεγέθη με ηλεκτρικά.

Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου

13

2 Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου

2.1 Τι είναι ενίσχυση Οποιαδήποτε ακουστική πληροφορία καταγραφεί έχει αρχικά πολύ χαμηλό επίπεδο ηλεκτρικής

στάθμης. Για παράδειγμα, τα επίπεδα σήματος που αποτελούν έξοδο από μικρόφωνα, μουσικά όργανα, πικ-

απ ή κεφαλές από μαγνητόφωνα έχουν τυπικά στάθμη που περιορίζεται στα μερικά milliVolt. Σε σήματα με

τόσο χαμηλές στάθμες πρέπει να αυξηθεί το πλάτος τους για να γίνουν χρήσιμα. Ενισχυτές τάσεις έχουν

σχεδιαστεί ώστε να πραγματοποιούν ακριβώς αυτή την ενίσχυση, που καλείται προενίσχυση. Για τυπικές

εφαρμογές ήχου, το επίπεδο σήματος θα προενισχυθεί στα 1 με 2 Volt RMS. Αυτό το επίπεδο καλείται στάθμη

γραμμής και είναι το επίπεδο εξόδου σχεδόν κάθε συσκευής εξοπλισμού ήχου(π.χ. κασετόφωνα, CD players,

ραδιόφωνα). Σε μερικούς ενισχυτές μουσικών οργάνων, η στάθμη γραμμής καλείται έξοδος προενισχυτή.

Επιπροσθέτως, οι προενισχυτές περιλαμβάνουν επιπλέον κύκλωμα, που μπορεί και διαμορφώνει το

σήμα ή το προσαρμόζει ανάλογα με τις ακουστικές προτιμήσεις του ακροατή, την ακουστική δωματίου και τα

χαρακτηριστικά του συστήματος. Παραδείγματα από τέτοια κυκλώματα είναι οι ρυθμιστές τόνου, οι

ισοσταθμιστές, η ενίσχυση μπάσων, η εισαγωγή αντήχησης, διάφορα φίλτρα ή και εισαγωγή φάσης. Οι

προενισχυτές που χρησιμοποιούνται για επαγγελματικές ηχογραφήσεις και για δημόσιες ανακοινώσεις,

μπορούν επίσης να ενσωματώνουν ρυθμιστές κατεύθυνσης ήχου, γραμμές εισαγωγής καθυστέρησης και

ικανότητα για διαμόρφωση αρμονικών. Συσκευές εισόδου μπορούν να ρυθμίζονται να είναι σε λειτουργία και

να μην είναι σε λειτουργία μέσω των κυκλωμάτων των προενισχυτών.

Όλοι οι προενισχυτές είναι ενισχυτές τάσεις και η λειτουργία τους είναι να προετοιμάζουν και να

ενισχύουν τη στάθμη της τάσης σε στάθμη γραμμής, για να το στείλουν στον ενισχυτή ισχύος. Σε αντίθεση

ένας ακουστικός ενισχυτής ισχύος είναι σχεδιασμένος να ενισχύει το σήμα που βρίσκεται σε στάθμη γραμμής,

σε αντίστοιχο υψηλού επιπέδου τάσης και ρεύματος, ικανό να οδηγήσει ένα χαμηλής εμπέδησης ηχείο

(τυπικά στα 4 ή 8 ohms).

Ένας υψηλής ποιότητας ενισχυτής ήχου πρέπει να είναι «διαφανής». Αυτό σημαίνει ότι η τάση στην

έξοδο να είναι σχεδόν ακριβώς αναπαραγωγή της τάσης εισόδου, χωρίς να έχει γίνει καμία διαμόρφωση στις

φάσεις, στην ακεραιότητα των αρμονικών, στην απόκριση στο χρόνο ή στη συχνότητα. Αν ένας τέλειος

ενισχυτής ήχου θα μπορούσε να κατασκευαστεί η μόνη διαφορά ανάμεσα στο σήμα στάθμης γραμμής και στο

σήμα που πάει στο ηχείο, θα ήταν απλά η αύξηση του πλάτους του. Κάθε άλλη διαφορά ανάμεσά τους

αποτελεί παραμόρφωση.

2.2 Κοινωνική και οικονομική σημασία των ενισχυτών Είναι πολύ δύσκολο να φανταστεί κανείς τον κόσμο χωρίς την ενίσχυση ήχου. Κάθε ραδιόφωνο,

τηλέφωνο και στερεοφωνικό σύστημα εμπεριέχει τουλάχιστον έναν ενισχυτή ήχου. Χωρίς αυτές τις συσκευές

οι συνθήκες της κοινωνίας θα ήταν πολύ διαφορετικές.

Χωρίς ενισχυτές ήχου διάσημοι τραγουδιστές θα μπορούσαν να ακούγονται μέχρι εκεί που φτάνει η

δυνατότητα της φωνής τους και το κοινό τους σε κάθε συναυλία θα ήταν περιορισμένο. Κάποια είδη μουσικής

μπορεί να μην υπήρχαν και όλα τα μουσικά όργανα θα έπρεπε να είναι ακουστικά και δεν θα υπήρχε λόγος να

τα ηχογραφούμε, αφού δεν θα υπήρχε ενισχυτής για να τα αναπαράγει.

Οι συνέπειες στην οικονομία θα ήταν ιδιαίτερα εμφανείς, αφού οι ακουστικοί ενισχυτές

καταλαμβάνουν ουσιαστική θέση στην αγορά. Οι άνθρωποι στην σημερινή κοινωνία έχουν εκπαιδευτεί στον

καλό ήχο και η ευαισθησία τους έχει αυξηθεί λογαριθμικά, έχοντας ολοένα και περισσότερες απαιτήσεις από

ένα ακουστικό σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι είναι πρόθυμοι να καταβάλουν αρκετό χρηματικό ποσό για να

έχουν αυτό που επιθυμούν.

Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου

14

2.3 Ακουστικός ενισχυτής ισχύος Το 1950 ο μεγαλύτερος ενισχυτής ισχύος ήταν ικανός να δώσει περίπου 80Watts RMS σε φορτίο

8ohm. Αυτοί ήταν οι κοινοί λαμπάτοι ενισχυτές, που χρησιμοποιούνταν στα θέατρα. Με το σωστό είδος

ηχείων τα 80Watt ήταν περισσότερο από επαρκές για να ζωντανέψει ένα μεγάλο θέατρο. Το ίδιο ισχύει και

σήμερα, με έναν αποδοτικό υψηλής ισχύος ενισχυτή ήχου με κατάλληλη ηχητική εγκατάσταση, ένας 50Watt

RMS ενισχυτής μπορεί να παράγει ήχο στάθμης που φτάνει τα όρια της καταστροφής.

Για έναν ενισχυτή ισχύος δεν έχει σημασία μόνο η ισχύς που μπορεί να δώσει, αυτό είναι ένα από τα

χαρακτηριστικά του που λαμβάνονται υπόψη σε συνδυασμό με άλλα, που είναι η αξιοπιστία του, η απόδοση

του και άλλα που θα αναφερθούν λεπτομερώς παρακάτω.

2.4 Απαιτήσεις από έναν ενισχυτή Ανάλογα με την εφαρμογή, ο κάθε ενισχυτής πρέπει να πληροί ορισμένες προδιαγραφές. Κατά την

διάρκεια σχεδιασμού ενός ενισχυτή σε γενικές γραμμές λοιπόν, θα πρέπει να πληρούνται τα παρακάτω.

Αρχικά ένας ενισχυτής, όπως άλλωστε κάθε ηλεκτρονική συσκευή, οφείλει να είναι ασφαλής για τον χρήστη

καθώς επίσης και να είναι αξιόπιστη, δηλαδή να προσφέρει αυτό για το οποίο σχεδιάστηκε.

Όσον αφορά την ισχύ εξόδου, η σχεδίαση θα πρέπει να γίνεται λαμβάνοντας υπόψη την απαιτούμενη

ισχύ, τη φύση του φορτίου αλλά και το κόστος που συνδέεται άμεσα με αυτή. Είναι γνωστό ότι όσο η ισχύς

αυξάνεται τόσο πιο δύσκολη είναι η απαγωγή της θερμότητας, επομένως απαιτούνται παράλληλα ζεύγη

εξόδου. Συγχρόνως όσο η ισχύς εξόδου αυξάνεται χρειάζονται μεγαλύτεροι μετασχηματιστές τροφοδοσίας, οι

οποίοι κοστίζουν. Οι οικιακοί ενισχυτές hi-fi κυμαίνονται συνήθως από 20W έως 150W στα 8 Ω και μπορούν

να φτάσουν πολύ υψηλότερα. Οι ενισχυτές ήχου για επαγγελματική χρήση κυμαίνονται από 50 W, γι’ αυτούς

που προορίζονται για χρήση πάνω στην σκηνή, ως 1kW ή και περισσότερο. Οι ενισχυτές πολύ υψηλής ισχύος

δεν είναι πολύ δημοφιλείς, επειδή στηριζόμαστε σε μία μόνο συσκευή και η περίπτωση αποτυχίας θα ήταν

καταστροφική. Αυτό δεν είναι στατιστικά αποδεδειγμένο, αλλά στηρίζεται σε μία καθολικά διαδεδομένη

άποψη ότι οι υψηλής ισχύος ενισχυτές είναι εγγενώς λιγότερο αξιόπιστοι από άλλους.

Εάν ένας ενισχυτής δίνει μία συγκεκριμένη μέγιστη ισχύ σε φορτίο 8Ω δεν θα δώσει ακριβώς την

διπλάσια σε 4Ω φορτίο, όπως αναμένεται από μια ιδανική πηγή τάσης. Στην πραγματικότητα θα δώσει πολύ

λιγότερο από αυτό λόγω των αυξημένων απωλειών στην δεύτερη περίπτωση, αφού η μέγιστη ισχύς είναι

ανάλογη του τετραγώνου της τάσης. Τυπικά ένας ενισχυτής που δίνει 180W σε 8Ω, αναμένεται να αποδώσει

260W σε 4Ω και 350W σε 2Ω, αν μπορεί να οδηγήσει τόσο χαμηλό φορτίο. Αυτά είναι προσεγγιστικά νούμερα

ανάλογα με την τροφοδοσία.

Ο ενισχυτής πρέπει να σχεδιαστεί κατάλληλα, ώστε να μπορεί να αντιμετωπίσει την εμπέδηση του

ηχείου που προορίζεται. Να σημειωθεί ότι, για ένα ηχείο ονομαστικής τιμής 8Ω, η εμπέδηση του κυμαίνεται

έως τα 6Ω ανάλογα τη συχνότητα. Το πιο σημαντικό γεγονός που πρέπει να τονισθεί σχετικά με την ισχύ είναι

ότι ο άνθρωπος δεν αντιλαμβάνεται την ακουστική ισχύ αλλά την πίεση. Επομένως θα πρέπει να

τετραπλασιαστεί η ισχύς ώστε να διπλασιαστεί η ηχοστάθμη SPL (Sound Pressure Level):

51020log , 2 10rms

refref

pSPL dB p Pa

p−

= = ⋅

Όσον αφορά στην απόκριση συχνότητας αυτό που απαραιτήτως χρειάζεται είναι να υπάρχει μικρή

διακύμανση 0.5dB± στις ακουστικές συχνότητες δηλαδή από 20Hz έως 20kHz. Μεγαλύτερο εύρος ζώνης

είναι επιθυμητό, διότι σε αρκετά μουσικά κομμάτια υπάρχουν υψηλότερες συχνότητες εξαιτίας απότομων

(κρουστικών) φαινομένων, που εάν αποκοπούν είναι δυνατόν να προκαλέσουν παραμόρφωση αντιληπτή από

το ανθρώπινο αυτί. Παρόλο που μία ηχητική πηγή μπορεί να περιέχει πληροφορία για πολύ χαμηλή

συχνότητα μέχρι και 0Hz, συνηθίζεται η απόκριση να περιορίζεται περίπου στα 10Hz για λόγους προστασίας

των ηχείων.

Βασικές αρχές ενισχυτών ήχου

15

Θα πρέπει η σχεδίαση να είναι τέτοια, ώστε να υπάρχει όσον δυνατόν λιγότερος θόρυβος στην έξοδο

χωρίς να θέτει σε κίνδυνο άλλες παραμέτρους. Το επίπεδο του θορύβου μετριέται από τον λόγο του σήματος

προς θόρυβο: 1020log Signal

noise

VSNR

V= .

Η παραμόρφωση πρέπει να είναι όσο δυνατόν λιγότερη, χωρίς αυτό να έχει επιπτώσεις κάπου αλλού.

Η παραμόρφωση είναι ανεπιθύμητη και μέτρο της είναι THD (Total Harmonic Distortion).

0

2( )

2( )

% 100 RMS i

RMS f

UTHD

U=

∑, όπου ( )RMS iU είναι η RMS τιμή της i αρμονικής και

0( )RMS fU η RMS τιμή της

θεμελιώδους αρμονικής.

Tα ψηφιακά σήματα ήχου είναι σε θέση να αποδίδουν λιγότερο από 0.002% THD παραμόρφωση και

δεν θα ήταν καλό να υποβαθμίζεται η ποιότητα στα τελευταία στάδια της ακουστικής αλυσίδας.

Ο βαθμός ανύψωσης χαρακτηρίζει τη δυνατότητα του κυκλώματος να ανταποκριθεί γρήγορα στις

αλλαγές του σήματος εισόδου. Μετριέται σε Volt/μsec και η μέγιστη τιμή της παραμέτρου είναι και η πλέον

επιθυμητή και κυμαίνονται πρακτικά οι τιμές από 1 Volt/μsec έως 3000Volt/μsec.

Η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή πρέπει να είναι όσο γίνεται μεγάλη, ώστε να το μεγαλύτερο

ποσοστό της τάσης της πηγής να περάσει στην είσοδο του ενισχυτή. Επίσης, πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη

για να μην απαιτείται μεγάλο ρεύμα από την πηγή.

Οι ενισχυτές ήχου επιδιώκουν να έχουν μηδενική αντίσταση εξόδου σε όλο το φάσμα των συχνοτήτων,

ώστε να λειτουργούν ως ιδανικές πηγές τάσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι η έξοδος του ενισχυτή μένει

ανεπηρέαστη από το φορτίο, οπότε η εξαρτώμενη από την συχνότητα εμπέδηση των ηχείων δεν δίνει εξίσου

μεταβλητή απόκριση συχνότητας. Μία πραγματικά μηδενική εμπέδηση είναι αδύνατη, ενώ μία προσέγγιση

μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μεγάλη αρνητική ανάδραση. Ο συντελεστής απόσβεσης είναι το

κλάσμα της εμπέδησης φορτίου προς την εμπέδηση εξόδου. load

out

RDamping factor

R =

Τέλος ένας ενισχυτής θα πρέπει να έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να μην επηρεάζεται η

λειτουργία του από μεταβολές της θερμοκρασίας. Πολλές παράμετροι των τρανζίστορ είναι ευαίσθητες στις

μεταβολές της θερμοκρασίας, οπότε μία τέτοια συσκευή που διαχειρίζεται μεγάλα ποσά ισχύος θα πρέπει να

μπορεί να αποβάλλει την θερμοκρασία και να μην αλλοιώνουν οι μεταβολές της τη λειτουργία του.

2.5 Ενισχυτές ac-coupled και dc-coupled Όλοι οι ενισχυτές ισχύος είναι είτε AC-συζευγμένοι (coupled) είτε DC-coupled. Στο πρώτο είδος

υπάρχει μία τροφοδοσία με την έξοδο πολωμένη στο μισό ανάμεσα στη τροφοδοσία και τη γη, ώστε να δίνει

το μέγιστο δυνατό συμμετρικό πλάτος τάσης, γι΄ αυτό χρησιμοποιείται ένας μεγάλος πυκνωτής σε σειρά με

την έξοδο για να αποβάλλει την dc συνιστώσα. Το δεύτερο είδος έχει και αρνητική και θετική τροφοδοσία και

η έξοδος είναι πολωμένη στα 0 Volt, άρα δεν απαιτείται αποβολή της dc συνιστώσας.

Τα πλεονεκτήματα του ac-coupled ενισχυτή είναι:

1. Το offset της εξόδου είναι πάντα μηδέν εκτός κι αν εμφανίζει μικρή διαρροή ο πυκνωτής.

2. Είναι πολύ απλό να εμποδίσει μεταβατικά φαινόμενα να συμβούν μέσω καθαρά ηλεκτρονικών

μέσων. Η έξοδος του ενισχυτή πρέπει να φτάσει μέχρι το μισό της τροφοδοσίας κατά το άνοιγμα και

δεδομένου ότι αυτό γίνεται αρκετά αργά, δεν υπάρχει ηχητικά αντιληπτό μεταβατικό φαινόμενο.

3. Δεν απαιτείται προστασία απέναντι στα dc σφάλματα, δεδομένου ότι ο πυκνωτής εξόδου είναι

επιλεγμένος να αντέχει την τάση τροφοδοσίας, ενώ στους dc-coupled απαιτείται ένα ακριβό και

πιθανώς μη αξιόπιστο ρελέ εξόδου για προστασία των ηχείων.

16

Τα πλεονεκτήματα του dc-coupled ενισχυτή είναι:

1. Δεν απαιτείται μεγάλος και ακριβός πυκνωτής εξόδου. Από την άλλη πλευρά η διπλή τροφοδοσία θα

χρειαστεί έναν επιπλέον πυκνωτή όμοια ακριβό και μερικά ακόμα στοιχεία.

2. Κανονικά δεν θα έπρεπε να υπάρχει μεταβατικό φαινόμενο στην έξοδο κατά το άνοιγμα, εφόσον η

συμμετρική τάση τροφοδοσίας δεν δημιουργεί την ανάγκη μετάβασης της εξόδου σε μία

συγκεκριμένη τάση πόλωσης. Όμως πρακτικά οι διάφοροι πυκνωτές που χρησιμοποιούνται, για να

διατηρήσουν τις τάσεις πόλωσης σταθερές και χωρίς κύμανση, είναι πιθανόν να κάνουν τις τάσεις σε

διάφορα τμήματα του ενισχυτή να πάρουν την τελική τους τιμή σε διαφορετικό χρόνο και η

μεταβατική απόκριση της εξόδου να γίνει αρκετά σημαντική. Αυτό μπορεί πολύ εύκολα να

αντιμετωπιστεί με ένα ρελέ προστασίας, το οποίο θα συνδέει τον ενισχυτή με το φορτίο μετά από

συγκεκριμένο χρονικό διάστημα μέχρι να παύσουν τα μεταβατικά φαινόμενα.

3. Παραμόρφωση που μπορεί να υπάρχει από τον πυκνωτή εξόδου, αποφεύγεται. Έχει αποδειχθεί ότι

απαιτείται πολύ μεγάλος πυκνωτής εξόδου (τάξης 100000μF), ώστε να μην υπάρχει πρόσθετη

παραμόρφωση. Σε κάθε άλλη περίπτωση, υπάρχει παραμόρφωση κυρίως στις χαμηλές συχνότητες,

αλλά και πιθανόν και στις μεσαίες.

4. Τα ρεύματα τροφοδοσίας είναι συμμετρικά, οπότε μικρό ποσοστό αυτών περνά στη γείωση. Έτσι

αποφεύγεται σημαντική παραμόρφωση και φαινόμενα παρεμβολών.

Ενισχυτής Τάξης Α

17

3 Ενισχυτής Τάξης Α

3.1 Εισαγωγή Υπάρχει μία ελκυστική απλότητα και καθαρότητα στον τάξης Α ενισχυτή, γι’ αυτό δεν υπάρχουν πολλά

είδη παραμορφώσεων που συναντώνται σε άλλους τύπους. Η γραμμικότητά του οφείλεται κυρίως στο

γεγονός ότι τα τρανζίστορ άγουν συνεχώς και είναι πολωμένα στο πιο γραμμικό τμήμα της χαρακτηριστικής

τους καμπύλης. Όπως φαίνεται από το σχήμα 3-1, που δείχνει το ρεύμα συλλέκτη ενός τρανζίστορ συναρτήσει

της τάσης συλλέκτη εκπομπού, το τρανζίστορ πολώνεται στη μέση της γραμμικής περιοχή λειτουργιάς.

Το μόνο πραγματικό μειονέκτημά του είναι ότι δεν είναι αποδοτικός. Αυτό του το μειονέκτημα όμως

καθιστά απαγορευτική τη χρήση του σε εφαρμογές που απαιτείται μεγάλη ισχύ ή χαμηλή κατανάλωση.

3.2 Στάδια Ενισχυτή Η συντριπτική πλειοψηφία

ενισχυτών ήχου χρησιμοποιούν την

συμβατική αρχιτεκτονική, που

παρουσιάζεται στο δίπλα σχήμα 3-2.

Υπάρχουν τρία στάδια, το πρώτο

είναι ένα στάδιο εισόδου/διαγωγιμότητας

(παίρνει τάση, βγάζει ρεύμα), το δεύτερο

είναι το στάδιο διαντίστασης (παίρνει

ρεύμα, βγάζει τάση) και το τρίτο είναι το

στάδιο εξόδου. Το δεύτερο στάδιο έχει

αποκλειστικά το ρόλο παροχής του κέρδους

τάσης και καλείται στάδιο ενίσχυσης τάσης.

Αυτή η αρχιτεκτονική τριών σταδίων έχει

αρκετά πλεονεκτήματα και κυρίως είναι

εύκολο να ρυθμιστούν οι παράμετροι, ώστε

να υπάρχει αμελητέα αλληλεπίδραση

μεταξύ των τριών σταδίων.

3-2 Αρχιτεκτονική τριών σταδίων

3-1 Χαρακτηριστική καμπύλη τρανζίστορ

Ενισχυτής Τάξης Α

18

Στα τρανζίστορ εμφανίζονται μη-γραμμικότητες που

οφείλονται στη μετάβαση αυτών από την περιοχή αποκοπής στην

ενεργό περιοχή. Όμως στον ενισχυτή τάξης Α αυτές

αποφεύγονται μιας και το ρεύμα ρέει συνεχώς προς τα

τρανζίστορ εξόδου. Υπάρχουν δύο είδη ενισχυτών και αν και

συνήθως δεν αναφέρεται ποιος από τους δύο χρησιμοποιείται,

δουλεύουν εντελώς διαφορετικά. Η πρώτη κατηγορία έχει στο

στάδιο εξόδου ένα τάξης Β στάδιο (δηλαδή δύο κοινού συλλέκτη

τρανζίστορ δουλεύοντας back-to-back), που με αυξανόμενη

θετική πόλωση τάσης το ρεύμα ρέει επαρκώς, έτσι ώστε κανένα

τρανζίστορ να μην είναι στην αποκοπή, κάτω από φυσιολογικό

φορτίο. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτής της προσέγγισης

είναι ότι δεν θα ξεμείνει ποτέ από ρεύμα η έξοδος. Αν όμως η

εμπέδηση του φορτίου γίνει πολύ χαμηλή το τάξης Β στάδιο

εξόδου γίνεται τάξης ΑΒ, ελπίζοντας ότι θα υπάρχει η λιγότερη

δυνατή παραμόρφωση.

Το άλλο είδος μπορεί να ονομαστεί πηγής ελεγχόμενου ρεύματος, που είναι ουσιαστικά ένας

ακόλουθος εκπομπού, ένας κοινός συλλέκτης με ενεργό φορτίο, που προσφέρει επαρκές ρεύμα. Αν αυτό το

τελευταίο ξεμείνει από την δυνατότητα να παρέχει ρεύμα οδηγεί την έξοδο σε ψαλιδισμό σαν να μην έχει την

δυνατότητα να φτάσει την απαιτούμενη τάση. Αυτό το στάδιο εξόδου απαιτεί μία σαφή ιδέα για το πόσο

χαμηλά μπορεί να φτάσει η εμπέδηση του φορτίου, που θα κληθεί να οδηγήσει. Παρακάτω αναφέρονται τρία

πιθανά στάδια εξόδου.

3.3 Στάδια Εξόδου Η πιο απλή δομή σταδίου εξόδου φαίνεται στο σχήμα 3-3 με ένα μόνο τρανζίστορ και φορτίο

αντίσταση. Όσο το ρεύμα εξόδου αυξάνεται, υπάρχει μια αναπόφευκτη πτώση τάσης στην αντίσταση

εκπομπού περιορίζοντας την αρνητική τάση, που μπορεί να εμφανιστεί στην έξοδο. Η απόδοση που

παρουσιάζει αυτή η τοπολογία περιορίζεται στο 12,5%, ιδιαίτερα

χαμηλή χωρίς πρακτικό ενδιαφέρον.

Μία εναλλακτική τοπολογία παρουσιάζεται στο σχήμα 3-4,

είναι μία καλύτερη μέθοδος από την προηγούμενη με τη χρήση πηγής

συνεχούς ρεύματος στη θέση της αντίστασης εκπομπού. Το ρεύμα που

ρέει μέσα από την πηγή ρεύματος, δεν εξαρτάται από την τάση στα

άκρα της πηγής και έτσι η τάση εξόδου μπορεί να προσεγγίζει την

αρνητική τάση τροφοδοσίας

με ένα πρακτικό ρεύμα

ηρεμίας (ΙQ). Η μέγιστη

απόδοση που επιτυγχάνεται

μπορεί να φτάσει 25% για

μέγιστη έξοδο.

Μια επόμενη

τοπολογία που παρουσιάζει

περισσότερα πλεονεκτήματα είναι μία συμπληρωματική λειτουργία

(push-pull) σχήμα 3-5. Λειτουργεί αποτελεσματικά σε καθαρό

στάδιο τάξης Α εάν η τάση πόλωσης, άρα και το ρεύμα ηρεμίας

αυξηθεί αρκετά. Το μεγάλο πλεονέκτημα του είναι ότι εάν έρθει

αντιμέτωπος με απρόσμενα μικρή τιμή εμπέδησης φορτίου θα

λειτουργεί ως τάξης ΑΒ με αποτέλεσμα να αποφευχθεί ο

ψαλιδισμός της τάσης εξόδου.

3-3 Στάδιο εξόδου με αντίσταση εκπομπού

V+

V‐

IQ RLOAD

3-4 Στάδιο εξόδου με πηγή συνεχούς

ρεύματος

3-5 Στάδιο εξόδου push-pull

Ενισχυτής Τάξης Α

19

3.4 Θεωρητική Ανάλυση Για να πραγματοποιηθεί η ανάλυση των

σημαντικών παραμέτρων του ενισχυτή,

χρησιμοποιείται το εξής απλοποιημένο μοντέλο

ενισχυτή τριών σταδίων, που φαίνεται στο σχήμα

3-6. Θεωρείται ότι οι πηγές ρεύματος είναι

ιδανικές, ότι έχουν δηλαδή άπειρη αντίσταση

εισόδου.

3.4.1 Αντίσταση Εισόδου Για να υπολογιστεί η αντίσταση εισόδου, γίνεται ac

ανάλυση με τη βοήθεια του σχήματος 3-7. Η διαφορική

αντίσταση εισόδου IDR του ενισχυτή είναι ίση με την αντίσταση

εισόδου του διαφορικού ζεύγους, η οποία δίνεται από τη σχέση:

22id

IDid

vR r

i π= =

2 12 2IDR r rπ π

= =

3.4.2 Υπολογισμός Κέρδους Τάσης Ανοιχτού Βρόχου Με βάση το μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος, που ακολουθεί στο σχήμα 3-8, η ολική απολαβή του

ενισχυτή μπορεί να εκφραστεί: 1 2 3A A A A= ⋅ ⋅

Το πρώτο στάδιο είναι στάδιο

διαγωγιμότητας, δέχεται είσοδο τάση και έχει έξοδο

ρεύμα. Το κέρδος είναι ο λόγος ρεύματος προς τάση:

11 2

mgA = −

Στο δεύτερο στάδιο, μέσω του καθρέφτη

ρεύματος, που υλοποιείται από τα 3Q και 4Q , το

ρεύμα του συλλέκτη του 1Q , το 1CQI καθρεφτίζεται

στο ρεύμα του συλλέκτη του 4Q , το 4CQI . Ο λόγος

των ρευμάτων μπορεί να καθοριστεί από τις

αντιστάσεις aR και bR .

Η τάση στην έξοδο του δεύτερου σταδίου

καθορίζεται από την αντίσταση που βλέπει στο συλλέκτη το 4Q . Το κέρδος του δεύτερου σταδίου είναι:

U2 U1

Ra

RL

Q2Q1

Q3

Q4

Uo

+VCC

‐VEE

I1 I2 I3

Rb

Q5

3-6 Απλοποιημένο μοντέλο ενισχυτή τριών σταδίων

3-7 Μοντέλο μικρού σήματος

3-8 Απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα για υπολογισμό

αντίστασης συλλέκτη δεύτερης βαθμίδας

Ενισχυτής Τάξης Α

20

2 2 4 5 3 5 4 5( ( )) ( ( 1)( || )) ( ( ( 1) ))o b L o o LA a R r R r R R r a r r Rπ πβ β= + + + = + +

Οι 2 3,R R θεωρούνται άπειρες. Όπου a ο λόγος των ρευμάτων του καθρέφτη ρεύματος που υλοποιείται από

τα 3 4,Q Q .

Το τρίτο στάδιο έχει κέρδος περίπου 53

5 5

( 1)1

( 1)o L

o L

RA

r Rπ

β

β

+= ≈

+ +

.

Συνολικά είναι: 104 5( ( ( 1) )

2m

L

gA a r r R

πβ= − ⋅ + + . Η απολαβή του ενισχυτή δεν εξαρτάται άμεσα από την

επιλογή των τάσεων τροφοδοσίας, θα πρέπει όμως η τάση της τροφοδοσίας να είναι επαρκής ώστε να μην

υπάρχει ψαλιδισμός.

3.4.3 Αντίσταση Εξόδου Για να υπολογιστεί η αντίσταση εξόδου

θεωρούμε το διπλανό απλοποιημένο ac μοντέλο του

σταδίου εξόδου, του σχήματος 3-9. Έστω ότι υπάρχει

μία τάση testU στον εκπομπό του 5Q , το ρεύμα που θα

περάσει testI θα είναι:

5 4 5

5

5 4 5 4 5

5 4 5 4 5

( ) ||

( ) ( ) ||

11

( ) ||

testtest m

o o

testtest m test

o o o

test

test

o o o

UI g U

r r r

r UI g U

r r r r r

U

Ir r r r r

π

π

π

π π

π π

β

= − + ⇒

+

= + ⇒

+ +

=

+

+ +

Η outR πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη.

3.4.4 CMRR CMRR (Common mode rejection ratio) είναι ο

λόγος του κέρδους για διαφορική είσοδος προς το

κέρδος για κοινή είσοδο μετρούμενο σε dB.

Από το διπλανό σχήμα 3-10, το ισοδύναμο για ac ανάλυση γίνονται οι παρακάτω υπολογισμοί:

1 1c mI g Uπ

=

ic eU U Uπ

= +

1 11

( )2e m

UU g U R

rπ

π

π

= +

3-9 Απλοποιημένο ac μοντέλο του σταδίου εξόδου

3-10 Απλοποιημένο ac ισοδύναμο για εύρεση

κέρδους κοινού τρόπου

Ενισχυτής Τάξης Α

21

11 1

111 1

1

2(1 2 )

21 2

icic m

m

URU U g R U

Rr g Rr

π π

π

π

= + + ⇒ =

+ +

1 1 1 11 1 1

1 11 11

2 1 1 21 2 (1 )1 2

ic ic icc m m m

mmm

U U UI g g g

R R gR gg Rrπ

β

= = ≈

++ ++ +

1

1 1

1

1 1

1 222

1 2

m

m

m

m

gR g

CMRRg

R g

+

= =

+

Όσο μεγαλύτερο είναι το CMRR τόσο πιο πολύ απορρίπτεται η κοινή είσοδος, γι’ αυτό χρειάζεται

μεγάλη αντίσταση εξόδου πηγής ρεύματος.

3.4.5 DC ανάλυση Ο σκοπός της dc ανάλυσης είναι να καθοριστούν οι τάσεις και τα ρεύματα πόλωσης. Όπως έχει φανεί

από την ac ανάλυση, το σημείο λειτουργίας των τρανζίστορ των διαφόρων σταδίων, παίζει σημαντικό ρόλο

στον καθορισμό βασικών παραμέτρων λειτουργίας του ενισχυτή.

Εφόσον ο ενισχυτής συνδέεται με το φορτίο απευθείας και όχι μέσω πυκνωτή σύζευξης πρέπει να

προσδιοριστούν τα dc ρεύματα και τάσεις, ώστε η τάση στην έξοδο να είναι μηδέν για μηδενική είσοδο.

Η ανάλυση γίνεται σύμφωνα με το σχήμα 3-6. Με δεδομένο το ρεύμα πόλωσης του τρανζίστορ 1Q ,

γίνεται γνωστό το ρεύμα στο συλλέκτη του 4Q .

Για να είναι η τάση εξόδου 0oV = πρέπει 5 3EQI I= . Έτσι υπολογίζεται το επιθυμητό ρεύμα βάσης του

5Q . Με γνωστά τα ρεύματα βάσης του 5Q και συλλέκτη του 3Q ρυθμίζεται κατάλληλα το ρεύμα της πηγής

2I .

3.4.6 Ανάδραση Στους ενισχυτές χρησιμοποιείται αρνητική ανάδραση για να επιτύχουμε τα εξής αποτελέσματα:

1. Απευαισθητοποίηση του κέρδους. Η τιμή του κέρδους γίνεται λιγότερο ευαίσθητη στις μεταβολές των

τιμών των κυκλωματικών στοιχείων.

2. Μείωση της μη γραμμικής παραμόρφωσης. Η έξοδος γίνεται ανάλογη της εισόδου, το κέρδος γίνεται

σταθερό, ανεξάρτητο από το επίπεδο του σήματος.

3. Μείωση του θορύβου. Έτσι ελαχιστοποιείται η συνεισφορά στην έξοδο μη επιθυμητών ηλεκτρικών

σημάτων, που μπορεί να προέρχονται από τα στοιχεία του κυκλώματος ή και από εξωτερικές

παρεμβολές.

4. Έλεγχος των αντιστάσεων εισόδου και εξόδου. Μπορούμε να αυξήσουμε ή να μειώσουμε τις

αντιστάσεις εισόδου και εξόδου με επιλογή της κατάλληλης τοπολογίας ανάδρασης.

5. Αύξηση του εύρους ζώνης ενός ενισχυτή.

Στο σχήμα 3-11, που ακολουθεί, φαίνεται η βασική δομή ενός ενισχυτή με ανάδραση. Είναι ένα

διάγραμμα ροής, όπου το κάθε x μπορεί να αντιπροσωπεύει είτε ένα σήμα τάσης είτε ένα σήμα ρεύματος.

Ενισχυτής Τάξης Α

22

Ο ενισχυτής ανοιχτού βρόχου έχει κέρδος Α. Επομένως η έξοδος ox συνδέεται με την είσοδο ix με τη

σχέση: o ix Ax=

Η έξοδος ox τροφοδοτείται όχι μόνο στο φορτίο, αλλά και στο δίκτυο ανάδρασης, το οποίο παρέχει

ένα δείγμα του σήματος εξόδου. Αυτό το δείγμα fx σχετίζεται με το ox μέσω του συντελεστή ανάδρασης β:

f ox xβ=

Το σήμα ανάδρασης fx αφαιρείται από το σήμα της πηγής sx , που είναι το σήμα εισόδου στον

πλήρη ενισχυτή με ανάδραση, για να δημιουργήσει το σήμα ix , το οποίο είναι και το σήμα εισόδου στο

βασικό ενισχυτή: i s fx x x= −

Στην ουσία, η αρνητική ανάδραση μειώνει το σήμα που εμφανίζεται στην είσοδο του βασικού

ενισχυτή. Το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση είναι: 1

of

s

x AA

x Aβ= =

+

Η ποσότητα βΑ καλείται κέρδος βρόχου. Για να είναι η ανάδραση αρνητική, το κέρδος βρόχου βΑ

πρέπει να είναι θετικό, πρέπει δηλαδή το σήμα ανάδρασης fx να έχει το ίδιο πρόσημο με το sx και να δίνει

μετά την αφαίρεση ένα μικρότερο σήμα διαφοράς ix . Για θετικό βΑ το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση

είναι μικρότερο του κέρδους ανοιχτού βρόχου A κατά την ποσότητα 1 Aβ+ , η οποία καλείται ποσό

ανάδρασης.

Παρακάτω στο σχήμα 3-12 που ακολουθεί είναι το ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή με

ανάδραση σειρά-παράλληλα.

3-12 Ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο του ενισχυτή με ανάδραση

σειράς-παράλληλα

3-11 Ενισχυτής με ανάδραση

Ενισχυτής Τάξης Α

23

Οι ifR και ofR αντιπροσωπεύουν τις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου όταν υπάρχει η ανάδραση.

Παρατηρώντας το σχήμα προκύπτει η παρακάτω σχέση για την ifR και την ofR .

s s s i iif i i

ii i i

i

V V V V AVR R R

VI V VR

β+= = = =

Επομένως: (1 )if iR R Aβ= +

Στην περίπτωση που έχουμε αρνητική ανάδραση η αντίσταση εισόδου αυξάνεται κατά έναν

παράγοντα ίσο με το ποσό της ανάδρασης 1 Aβ+ .

Για να βρεθεί η αντίσταση εξόδου ofR του ενισχυτή με ανάδραση, θέτουμε τη sV στο μηδέν και

εφαρμόζουμε μία τάση ελέγχου tV στην έξοδο.

tof

VR

I=

Και από το σχήμα 3-12 μπορούμε να γράψουμε: t i

o

V AVI

R

−

= και αφού 0sV = είναι:

i f o tV V V Vβ β= − = − = −

Άρα: i t

o

V A VI

R

β+= που οδηγεί στην:

1o

of

RR

Aβ=

+

Στην περίπτωση που έχουμε αρνητική ανάδραση η αντίσταση εξόδου ελαττώνεται κατά έναν

παράγοντα ίσο με το ποσό της ανάδρασης 1 Aβ+ .

3.5 Ανάλυση Κυκλώματος

3.5.1 Περιγραφή Κυκλώματος Σύμφωνα με το σχήμα 3-13 που ακολουθεί, γίνεται περιγραφή του κυκλώματος του ενισχυτή που

σχεδιάστηκε στο pspice.

Τα τρανζίστορ 4 5,Q Q αποτελούν το διαφορικό ζεύγος εισόδου. Το 8Q τρανζίστορ παίζει το ρόλο του

σταδίου ενίσχυσης τάσης. Το ζεύγος 12 13,Q Q , που είναι τα τρανζίστορ εξόδου, είναι ένα ζεύγος Darlington

που δίνουν υψηλό κέρδος ρεύματος.

Το κύκλωμα γύρω από τρανζίστορ 9Q με την χρήση των τεσσάρων διόδων υλοποιεί μία πηγή

σταθερού ρεύματος. Τα τρανζίστορ 11 6,Q Q υλοποιούν ένα καθρέφτη ρεύματος, που αναπαράγουν το

σταθερό ρεύμα της πηγής που υλοποιείται με το 9Q , όπως αναφέρθηκε. Το ρεύμα του συλλέκτη του

τρανζίστορ 6Q είναι το ρεύμα του διαφορικού ζεύγους. Τα τρανζίστορ 11 15,Q Q υλοποιούν επίσης ένα

καθρέφτη ρεύματος, όπου καθρεφτίζεται το ρεύμα της σταθερής πηγής. Το ρεύμα του συλλέκτη του

τρανζίστορ 15Q είναι το ρεύμα πόλωσης του σταδίου ενίσχυσης τάσης. Το τρανζίστορ 10Q όπως και το

9Q είναι μια πηγή σταθερού ρεύματος. Με βάση το ρεύμα του 10Q τα τρανζίστορ 3Q μαζί με τα 1 2,Q Q που

είναι ένα ζεύγος Darlington λειτουργούν ως πηγή σταθερού ρεύματος και παράγουν το επιθυμητό ρεύμα του

σταδίου εξόδου.

Ενισχυτής Τάξης Α

24

Οι αντιστάσεις 12 13,R R αποτελούν το δίκτυο ανάδρασης και μέσω αυτών καθορίζεται το κέρδος του

ενισχυτή. Η εφαρμογή ανάδρασης σε έναν ενισχυτή μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα αστάθειας. Η

θετική ανάδραση προκαλεί ανεπιθύμητες ταλαντώσεις. Ακόμα όμως και στην περίπτωση εφαρμογής

αρνητικής ανάδρασης υπάρχει το ενδεχόμενο αστάθειας, εάν η έξοδος είναι μετατοπισμένη κατά 180o, σε

σχέση με την είσοδο, κάτι που ισοδυναμεί με θετική ανάδραση. Για να αποφευχθεί η αστάθεια σε αυτήν την

περίπτωση, πρέπει να εξασφαλισθεί ότι στη συχνότητα που η φάση θα έχει γίνει 180o− , το κέρδος θα είναι

μικρότερο από 0dB . Γι’ αυτό στο δίκτυο της ανάδρασης τοποθετείται ο πυκνωτής xC με τέτοιο τρόπο, ώστε

στις συχνότητες μέχρι το επιθυμητό εύρος ζώνης το κέρδος να είναι το προσδοκώμενο, ενώ στις υψηλές

συχνότητες να εμφανίζεται συνεχόμενη μείωση του κέρδους.

3.5.2 Υπολογισμός Βασικών Παραμέτρων

Υπολογισμός ανοιχτού βρόχου: 1 0.282mg A

AV

= − = −

2 04 5( || ( ( 1) )) 4.2L

VA a r r R k

Aπβ= + + = −

Για τον υπολογισμό τους κέρδους δευτέρου σταδίου χρησιμοποιήθηκαν οι σχέσεις για Darlington ζεύγος:

13 122r rπ ο πβ= , 13

1212

|| oo o

rr r

οβ

=

3 1A =

Συνολικά το κέρδος είναι: 1176V

AV

=

3-13 Σχέδιο ενισχυτή τάξης Α

Ενισχυτής Τάξης Α

25

Αντίσταση εισόδου: 2 2 1321min

gr r

π

β= = = Ω

Αντίσταση εξόδου:

5 4 5 4 5

11.76

1( ) ||

out

o o o

r

r r r r rπ π

β= = Ω

++ +

Το σχήμα 3-14 χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί η επίδραση του φορτίου του δικτύου ανάδρασης.

Η επίδραση του φορτίου του δικτύου ανάδρασης ( 11R ) λαμβάνεται στην είσοδο βραχυκυκλώνοντας τη θύρα

δύο του δικτύου ανάδρασης. Αντίστοιχα η επίδραση του φορτίου του δικτύου ανάδρασης ( 22R ) λαμβάνεται

στην έξοδο ανοιχτοκυκλώνοντας τη θύρα ένα του δικτύου ανάδρασης.

11 909.1R = Ω 22 11R k= Ω

Είναι: _11

696.6in Lopen loop

in L out

r RA A

r R R r= =

+ +

13

13 12

0.09R

R Rβ = =

+

Οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου: inf 11( )(1 ) 142inR r R A kβ= + + = Ω

22|| ||22

1out L

outf

r R RR m

Aβ= = Ω

+

Το κέρδος του ενισχυτή με ανάδραση γίνεται: 10.91f

AA

Aβ= =

+

Το CMRR υπολογίζεται: 1 11 220log 113

2mR g

CMRR dB+

= =

Όπου 1 (1 ( || )) 580m E oR g R r r kπ

= + = Ω

3-14 Επίδραση του δικτύου ανάδρασης στις θύρες του ενισχυτή

Ενισχυτής Τάξης Α

26

3.5.3 Περιγραφή Λειτουργίας Στο παρακάτω σχήμα 3-15 φαίνεται τάση της εξόδου και της εισόδου του ενισχυτή τάξης Α στο χρόνο.

Παρατηρείται η υψηλή γραμμικότητα που παρουσιάζει ενισχυτής.

Ακολουθεί στο σχήμα 3-16 η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή, το κέρδος του δηλαδή και η φάση.

Το κέρδος γίνεται 0dB περίπου στα 47 ΜΗz όπου η φάση είναι στα 155ο

− .

Τέλος φαίνεται στο σχήμα 3-17 το κέρδος δικτύου ανάδρασης. Παρατηρείται ότι η απόκριση

συχνότητας που παρουσιάστηκε παραπάνω, οφείλεται στον περιορισμό του κέρδους στις υψηλές συχνότητες

από τον πυκνωτή του δικτύου ανάδρασης.

Frequency

10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHz

db(v(out)/v(in)) p(v(out)) -400

-300

-200

-100

-0

100

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0ms

3-15 Η είσοδος και η έξοδος του ενισχυτή

v(in) v(out) -3.0V

-2.0V

-1.0V

-0.0V

1.0V

2.0V

3.0V

3-16 Απόκριση συχνότητας και φάση του ενισχυτή

Ενισχυτής Τάξης Α

27

Frequency

10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHz

db(v(out)/vb(q5)) -40

-20

0

20

40

3-17 Κέρδος δικτύου ανάδρασης

Ενισχυτής Τάξης D

29

4 Ενισχυτής Τάξης D

4.1 Διαμόρφωση ΔΣ

Η ΔΣ ή ΣΔ διαμόρφωση είναι μία μέθοδος μετατροπής ενός αναλογικού σήματος σε ψηφιακό σήμα,

σε ακολουθία από μηδενικά και άσσους. Ο διαμορφωτής λειτουργεί χρησιμοποιώντας ανάδραση, ώστε με τη

μέτρηση της διαφοράς των δυο σημάτων να βελτιώνεται το σφάλμα της μετατροπής. Το ψηφιακό σήμα στην

έξοδο αλλάζει πιο γρήγορα από το αναλογικό και μπορεί να φιλτραριστεί για να πάρει την αρχική του μορφή

με μικρή παραμόρφωση. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται στα σύγχρονα ηλεκτρονικά κυκλώματα, όπως

αναλογικοψηφιακούς μετατροπείς (ADCs, DACs), συνθέτες συχνοτήτων, παλμοτροφοδοτικά.

Μία πολύ διαδεδομένη εφαρμογή του ΔΣ-διαμορφωτή είναι σε ακουστικές εφαρμογές, όπου το

ψηφιακό ακουστικό σήμα μετατρέπεται σε αναλογικό, το οποίο ενισχύεται και οδηγείται στο μεγάφωνο.

Επειδή το μεγαλύτερο τμήμα του διαμορφωτή αποτελείται από ψηφιακά κυκλώματα, έχει μικρό κόστος

κατασκευής. Εξαιτίας του γεγονότος ότι η έξοδος του διαμορφωτή έχει δύο στάθμες συνήθως, η δημιουργία

του αναλογικού σήματος εξόδου έχει υψηλή ενεργειακή απόδοση, κάτι που θα εξηγηθεί σε επόμενο

κεφάλαιο.

Οι ΔΣ-διαμορφωτές παρουσιάζουν χαμηλό κόστος, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και υψηλή πιστότητα,

αιτίες που τους κάνουν ιδιαίτερα δημοφιλείς.

Οι ψηφιακοί παλμοί που παράγονται στην έξοδο του ΔΣ-διαμορφωτή έχουν διάρκεια ανάλογη με την

αναλογική τιμή στην είσοδο. Η μέση τιμή των παλμών αυτών σε συγκεκριμένο διάστημα χρόνου είναι και

αυτή λοιπόν ανάλογη με την τιμή της εισόδου.

4.2 Το κύκλωμα του ΔΣ διαμορφωτή Η βασική δομή του ΔΣ διαμορφωτή είναι αυτή που φαίνεται στο σχήμα 4-1.

Τα δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελείται είναι ένας αφαιρέτης, ένας ολοκληρωτής, ένας

κβαντοποιητής και ένας δειγματολήπτης. Στο παραπάνω διάγραμμα το flip-flop παίζει το ρόλο του

κβαντοποιητή καθώς και του δειγματολήπτη μιας και σε κάθε κύκλο του ρολογιού βγάζει στην έξοδό του

λογική στάθμη 0 ή 1. Ο αφαιρέτης υπολογίζει τη διαφορά της εξόδου από την είσοδο και στη συνέχεια η

διαφορά αυτή, δηλαδή το σφάλμα, περνάει στον ολοκληρωτή. Άρα η νέα τιμή της εξόδου του διαμορφωτή

εξαρτάται κάθε φορά από το ολοκλήρωμα του σφάλματος μέχρι την τρέχουσα στιγμή. Επειδή οι στάθμες

τάσης των κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται είναι διαφορετικές γίνεται αναπροσαρμογή στα επίπεδα τάσης

που πρέπει και το κύκλωμα παίρνει την εξής μορφή που φαίνεται στο σχήμα 4-2:

4-1 Βασική δομή του ΔΣ

Ενισχυτής Τάξης D

30

Έχει προστεθεί ένας συγκριτής, ο οποίος λειτουργεί ως μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό

του ενός bit. Συγκρίνει την αναλογική τιμή με μία σταθερή τάση και ανάλογα βγάζει στην έξοδό του λογική

στάθμη μηδέν ή ένα. Ο μετατροπέας ενός bit ψηφιακού σε αναλογικό που προστέθηκε, έχει σκοπό να

προσαρμόσει την τάση εξόδου του flip-flop στα επίπεδα τάσης της εισόδου.

4.3 Αριθμητικό παράδειγμα Γίνεται η υπόθεση ότι ο ολοκληρωτής έχει σταθερά χρόνου την περίοδο του ρολογιού. Οπότε για

είσοδο του ολοκληρωτή ίση με 1, μετά από μία περίοδο ρολογιού προκαλείται αύξηση της εξόδου του

ολοκληρωτή κατά 1. Ο συγκριτής συγκρίνει με τα 0V και βγάζει στην έξοδο λογική στάθμη 1 για θετικές τιμές

εισόδου και λογική στάθμη 0 για αρνητικές τιμές. Ο συγκριτής πριν την έξοδο μετατρέπει την στάθμη του flip-

flop από 0/1 σε -25V/+25V.

Έστω ότι η είσοδος έχει την τιμή 5V, η έξοδος του ολοκληρωτή είναι 0 και η έξοδος του flip-flop επίσης

0. Μία περίοδο του ρολογιού αργότερα η είσοδος του ολοκληρωτή θα είναι 5, θα προστεθεί σε αυτή η τιμή 0

4-2 Δομή ΔΣ με συγκριτή

4-3 Δομή ΔΣ

Ενισχυτής Τάξης D

31

και θα βγάλει έξοδο 5V, τα οποία θα είναι είσοδος στο flip-flop και τα θα συγκριθούν με τα 0V και θα

προκύψει η τιμή 1 στην έξοδο του flip-flop και τελικά 25V στην έξοδο. Αυτά τα 25V θα πάνε στον αφαιρετή να

αφαιρεθούν από την είσοδο. Με τον ίδιο τρόπο συνεχίζει και ενδεικτικά παρουσιάζονται κάποιες τιμές στον

πίνακα 1.

Sum Integrator Out Flip-flop new output Output

5 5 1 25

-20 -15 0 -25

30 15 1 25

-20 -5 0 -25

30 25 1 25

-20 5 1 25

…

…

…

…

Πίνακας 1 Αριθμητικό παράδειγμα

Παρατηρείται ότι η ακολουθία «10101» επαναλαμβάνεται ίδια στη συνέχεια. Αυτό είναι λογικό καθώς

αν υπολογιστεί η μέση τιμή αυτής της ακολουθίας (κατωδιαβατό φίλτρο) τότε προκύπτει τιμή ίση με την

είσοδο στην οποία αντιστοιχεί.

0

1 1(25 25 25 25 25) 5

5

T

FilteredOutput Output dt V VT= = − + − + =∫

4.4 Ενισχυτής τάξης D με ΔΣ διαμόρφωση Η ΔΣ διαμόρφωση βρίσκει εφαρμογή και στην κατασκευή ενισχυτών τάξεως-D. Για να οδηγήσει ένας

ενισχυτής ένα μεγάφωνο, το οποίο εμφανίζει μικρή εμπέδηση χρειάζεται σχεδίαση κατάλληλου σταδίου

εξόδου. Στους ενισχυτές τάξεως-D χρησιμοποιείται μία διάταξη διακοπτικών στοιχείων.

Το ρόλο των διακοπτικών στοιχείων παίζουν

συνήθως τα mosfet, παλιότερα χρησιμοποιήθηκαν λυχνίες

και bipolar τρανζίστορ. Τα mosfet θα βρίσκονται μεταξύ των

καταστάσεων cut-off και saturation, όπου εμφανίζεται πολύ

μικρή αντίσταση αγωγής, κάτι που παρατηρείται και στο

σχήμα 4-5 που ακολουθεί. Έτσι, επιτυγχάνεται η μεγάλη

ενεργειακή απόδοση λόγω των μικρών ωμικών απωλειών. Η

απόδοση του ενισχυτή τάξεως-D θα εξηγηθεί σε επόμενο

κεφάλαιο.

4-4 Διάταξη διακοπτικών στοιχείων

Ενισχυτής Τάξης D

32

4.5 Διάταξη Mosfet Οι τάξης D ενισχυτές μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο τοπολογίες, μισής γέφυρας και

ολόκληρης γέφυρας, ανάλογα με την τοπολογία των διακοπτικών στοιχείων στην έξοδο. Στην half-bridge

τοπολογία είτε άγει το Q1 είτε το Q2. Στην full-bridge τοπολογία άγουν είτε το Q1 και το Q3 και είτε το Q2 και το

Q4.

Κάθε τοπολογία έχει τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματά της. Η half-bridge τοπολογία είναι

ουσιαστικά πιο απλή, ενώ η full-bridge είναι ιδανικότερη για ακουστικές εφαρμογές. Η full-bridge τοπολογία

απαιτεί δύο half-bridge, επομένως περισσότερα στοιχεία άρα και υλικό.

Ωστόσο η διαφορετική δομή εξόδου της τοπολογίας full-bridge μπορεί να ακυρώσει παραμορφώσεις,

όπως τις αρμονικές συνιστώσες άρτιας τάξης και τα DC offsets. Μία full-bridge τοπολογία επιτρέπει τη χρήση

4-5 Χαρακτηριστική καμπύλη αντίστασης των MOSFET

4-6 Τοπολογία μισής γέφυρας

4-7 Τοπολογία ολόκληρης γέφυρας

Ενισχυτής Τάξης D

33

μιας καλύτερης PWM διαμόρφωσης, όπως π.χ. τρία επίπεδα PWM, γεγονός που προσφέρει λιγότερα

σφάλματα κατά την διαδικασία της κβαντοποίησης.

Στην half-bridge τοπολογία ενδεχομένως να επηρεάζεται η τροφοδοσία λόγω της ενέργειας που

επιστρέφεται πίσω από τον ενισχυτή, με αποτέλεσμα σοβαρές διακυμάνσεις της τάσης στις γραμμές

τροφοδοσίας, όταν ο ενισχυτής στέλνει χαμηλής συχνότητας σήματα στο φορτίο. Αυτή η επιστρεφόμενη

ενέργεια είναι ένα βασικό χαρακτηριστικό του τάξης-D ενισχυτή.

Σε αντίθεση στην full-bridge τοπολογία τα συμπληρωματικά mosfet τείνουν να καταναλώνουν την

ενέργεια αυτή που γυρίζει πίσω και έτσι αυτή δεν γυρίζει πίσω στην τροφοδοσία.

Συνολικά τα χαρακτηριστικά κάθε περίπτωσης συνοψίζονται στον παρακάτω πίνακα-2.

ΗΒ FB

Απαιτούμενη τροφοδοσία Συμμετρική Απλή

Προδιαγραφές για ένταση

ρεύματος

1 2

Αριθμός τρανζίστορ 2 ανά κανάλι 4 ανά κανάλι

Γραμμικότητα - Δεν εμφανίζει άρτιες αρμονικές

Τάση DC στην έξοδο Απαιτείται ρύθμιση Μπορεί να εξαλειφθεί εύκολα

Χρήση με PWM 2ου

επιπέδου Όλοι οι δυνατοί τρόποι

διαμόρφωσης κατά PWM

μπορούν να υλοποιηθούν

Για βέλτιστη απόδοση

απαιτείται χρήση ανάδρασης

Κατάλληλη για ενισχυτές

ανοιχτού βρόχου

Πίνακας 2 Χαρακτηριστικά μισής γέφυρας και ολόκληρης γέφυρας

4-8 Τοπολογία μισής γέφυρας και ολόκληρης γέφυρας

Ενισχυτής Τάξης D

34

4.5.1 Νεκρός Χρόνος Τα δύο mosfet έχουν πολύ χαμηλή αντίσταση όταν άγουν. Είναι όμως πολύ σημαντικό να

αποφεύγονται καταστάσεις όπου άγουν και τα δύο ταυτόχρονα, διότι μπορεί να δημιουργηθεί μονοπάτι

χαμηλής αντίστασης από την VDD στην VSS διαμέσου των τρανζίστορ συνεπώς και μεγάλο ρεύμα (ρεύμα

βραχυκύκλωσης). Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα το ρεύμα βραχυκύκλωσης δημιουργείται κατά την

μετάβαση αγωγής από το ένα τρανζίστορ στο άλλο και οφείλεται στις πεπερασμένες τάσεις κατωφλίου.

Στην καλύτερη περίπτωση τα τρανζίστορ θα ζεσταθούν πολύ και θα έχουν μεγάλες απώλειες, ενώ

στην χειρότερη μπορεί να καταστραφούν. Για αποφυγή αυτής της περίπτωσης πριν ξεκινήσει να άγει ένα από

τα δύο τρανζίστορ, θα πρέπει να υπάρχει ένα ελάχιστο χρονικό διάστημα όπου δεν άγει κανένα. Ο χρόνος

κατά την διάρκεια του οποίου είναι και τα δύο κλειστά αναφέρεται ως νεκρός χρόνος.

Εισάγοντας λοιπόν νεκρό χρόνο

για να αποφευχθούν τα μεγάλα

ρεύματα, δημιουργείται μία χρονική

καθυστέρηση στους παλμούς, που

εισάγει μη γραμμικότητες στο κύκλωμα,

προκαλώντας επιπλέον παραμόρφωση

ανάλογη της διαφοράς του νεκρού

χρόνου από το πλάτος του παλμού. Η

χρυσή τομή είναι να επιτευχθεί ο

ελάχιστος νεκρός χρόνος, που

εξασφαλίζει ότι δεν θα υπάρξει ρεύμα

βραχυκύκλωσης.

4.5.2 Ενέργεια επιστρεφόμενη από τον ενισχυτή Όταν η half-bridge τοπολογία τροφοδοτεί με χαμηλή συχνότητα στην έξοδο το φορτίο, τότε ένα

ποσοστό της ενέργειας γυρίζει στην τροφοδοσία. Το κέρδος ενός ενισχυτή τάξης D εξαρτάται άμεσα από την

τάση τροφοδοσίας. Η ενέργεια που επιστρέφει στην τροφοδοσία δημιουργεί διακυμάνσεις σε αυτή και

επομένως προκαλεί παραμόρφωση στην έξοδο. Από την στιγμή που η ενέργεια στον τάξης D ρέει αμφίδρομα

και προς τις δύο κατευθύνσεις, μεταφέρεται η ενέργεια και πίσω στην τροφοδοσία. Το μεγαλύτερο μέρος της

ενέργειας αυτής προέρχεται από την ενέργεια που αποθηκεύεται στο πηνίο του κατωδιαβατού φίλτρου.

Συνήθως η τροφοδοσία δεν έχει τρόπο να απορροφήσει αυτό το ποσό ενέργειας που στέλνει πίσω ο

ενισχυτής, οπότε αυτό μεταφράζεται σε διακυμάνσεις της τροφοδοσίας. Αυτή η ενέργεια δεν εμφανίζεται

στην full-bridge τοπολογία, αφού βρίσκει διέξοδο στον άλλο διακοπτικό «δρόμο» κάθε φορά.

4-9 Ρεύμα βραχυκύκλωσης

4-10 Νεκρός χρόνος

Ενισχυτής Τάξης D

35

max8

BUSBUS

LOAD BUS

VV

f R Cπ

∆ =

Το παραπάνω φαινόμενο είναι ιδιαίτερα εμφανές όταν έχουμε σήμα στην έξοδο χαμηλής συχνότητας,

όταν το φορτίο έχει χαμηλή εμπέδηση και χαμηλές χωρητικότητες στις γραμμές τροφοδοσίας. Το φαινόμενο

είναι πιο έντονο για duty cycle 25% και 75%.

4.6 Κύκλωμα

Στο σχήμα 4-14 φαίνεται η δομή του ενισχυτή τάξης D, o τελεστικός ενισχυτής ενισχύει την είσοδο

χωρίς να απαιτείται μεγάλο ρεύμα γι αυτήν την ενίσχυση, εφόσον οδηγεί τον ΔΣ διαμορφωτή που έχει μεγάλη

αντίσταση εισόδου. Η ακολουθία bit στην έξοδο του ΔΣ χρησιμοποιείται για το άνοιγμα και το κλείσιμο των

διακοπτικών στοιχείων. Τα mosfet οδηγούν το μεγάφωνο μέσω ενός κατωδιαβατού φίλτρου. Το φίλτρο

4-11 Φαινόμενο διακύμανσης τάσης τροφοδοσίας

4-12 Ρεύματα που προκαλούν το φαινόμενο στην τοπολογία μισής

γέφυρας

4-13 Ρεύματα που προκαλούν το φαινόμενο στην τοπολογία

ολόκληρης γέφυρας

4-14 Δομή ενισχυτή τάξης D

Ενισχυτής Τάξης D

36

χρησιμοποιείται για να οδηγήσουμε πιο ομαλά το μεγάφωνο αλλά και για να αφαιρέσουμε το θόρυβο λόγω

της κβαντοποίησης και τις συχνότητες πάνω από το ακουστικό φάσμα.

4.6.1 Υλοποίηση στο Pspice Το κύκλωμα του ενισχυτή τάξης D που περιγράφηκε προηγουμένως, υλοποιήθηκε στο pspice για

προσομοίωση της λειτουργίας του (σχήμα 4-15).

Ο τελεστικός ενισχυτής U3 υλοποιεί τον ολοκληρωτή του ΔΣ διαμορφωτή, ο τελεστικός ενισχυτής U4

είναι ένας συγκριτής και στην έξοδό του βγάζει στάθμες τάσης που αντιστοιχούν στις λογικές τιμές 0 και 1.

Αυτές μπαίνουν ως είσοδο στο flip-flop το οποίο με το επόμενο clock τα βγάζει στην έξοδό του. Η συχνότητα

του flip-flop είναι 1,25MHz. Η έξοδος του flip-flop μέσω του U5 αναπροσαρμόζεται στο εύρος τάσης της

εισόδου. Το σήμα αυτό επιστρέφει στην είσοδο του ολοκληρωτή, όπου προστίθεται με το σήμα της εισόδου.

Να σημειωθεί ότι οι τρεις τελεστικοί είναι αναστρέφοντες, οπότε ουσιαστικά η πρόσθεση των δύο σημάτων

ισοδυναμεί με υπολογισμό του σφάλματος της εξόδου από την είσοδο. Το σήμα στην έξοδο του U5 οδηγεί την

διάταξη των mosfet μεταξύ της οποίας και του φορτίου παρεμβάλλεται ένα κατωδιαβατό φίλτρο.

4.7 Λειτουργία Ενδεικτικά για να φανεί η λειτουργία του ενισχυτή τάξεως D παραθέτονται τρεις καταστάσεις

λειτουργίας και για κάθε μία από αυτές φαίνεται η τάση στην έξοδο του συγκριτή, του ολοκληρωτή και των

mosfet. Η είσοδος μεταβάλλεται πολύ πιο αργά από την έξοδο γι’ αυτό θεωρείται ως σταθερή. Στην πρώτη

κατάσταση τίθεται η είσοδος στα 0V. Όπως φαίνεται στο αντίστοιχο σχήμα 4-16 τα mosfet άγουν εναλλάξ για

ένα κύκλο το καθένα και η έξοδός τους έχει μέση τιμή μηδέν. Αυτή η κατάσταση είναι η χειρότερη ενεργειακά,

αφού εμφανίζεται μηδενική απόδοση. Στη δεύτερη περίπτωση η είσοδος είναι για +20V και στο αντίστοιχο

σχήμα 4-17 παρατηρείται ότι άγει περισσότερο χρόνο το p-mos και η μέση τιμή της εξόδου είναι +20V.

Ομοίως για είσοδο -20V , όπως φαίνεται στο σχήμα 4-18 άγει περισσότερο χρόνο το n-mos.

4-15 Υλοποίηση ενισχυτή τάξης D στο pspice.

Ενισχυτής Τάξης D

37

4-16 Τάσεις στον συγκριτή, ολοκληρωτή και στην έξοδο για είσοδο 0V

4-17 Τάσεις στον συγκριτή, ολοκληρωτή και στην έξοδο για είσοδο 20V

4-18 Τάσεις στον συγκριτή, ολοκληρωτή και στην έξοδο για είσοδο -20V

Ενισχυτής Τάξης D

38

Παρακάτω ακολουθεί μία χαρακτηριστική περίπτωση λειτουργίας για ημιτονοειδή είσοδο 4KHz. Στο

σχήμα 4-19 φαίνεται η είσοδος και η έξοδος του ΔΣ διαμορφωτή. Στο σχήμα 4-20 φαίνεται η είσοδος και η

έξοδος του ΔΣ διαμορφωτή φιλτραρισμένη με LC κατωδιαβατό φίλτρο πρώτης τάξης.

4-19 Είσοδος και έξοδος του διαμορφωτή ΔΣ

4.8 Θόρυβος υπερδειγματοληψίας (oversampling noise shaping) Υποθέτοντας ότι το σήμα έχει συχνότητα 20f kHz= , την μέγιστη ακουστική συχνότητα και η συχνότητα

που κάνει δειγματοληψία ο ΔΣ διαμορφωτής είναι 1sf MHz= , είναι δηλαδή 50 φορές μεγαλύτερη από τη

4-21 ΔΣ διαμορφωτής πρώτης τάξης

Time

260us 280us 300us 320us 340us 360us 380us 400us 420us 440us 460us 480us250us 500usV(IN) V(OUT)

-20V

0V

20V

40V

4-20 Η είσοδος και η έξοδος φιλτραρισμένη με LC κατωδιαβατό φίλτρο πρώτης τάξης

Ενισχυτής Τάξης D

39

μέγιστη συχνότητα που παρουσιάζεται, πολύ μεγαλύτερη από την Nyquist συχνότητα. Ο ΔΣ διαμορφωτής δρα

ως ένα “φίλτρο” για τον θόρυβο. Στο παραπάνω σχήμα 4-21 φαίνεται ένας πρώτης τάξης ΔΣ διαμορφωτής.

Το flip-flop λειτουργεί σαν ένας κβαντοποιητής που εισάγει σφάλμα. Παρακάτω αναλύεται ποια είναι η

συνάρτηση μεταφοράς για έναν πρώτης τάξης ΔΣ διαμορφωτή.

Με βάση το μοντέλο του ΔΣ διαμορφωτή που παρουσιάζεται στο σχήμα 4-22 ισχύει:

1 1 11 1

1 1 1( ) (1 )

1 1 1Q Q Q

Q

a x y

z z zb a y a e y x y e y z x z e

z z zy b e

− − −

− −

− − −

= −

= ⇒ = + ⇒ = − + ⇒ = + −− − −

= +

Άρα για έναν πρώτης τάξης ΔΣ διαμορφωτή, ο θόρυβος παίρνει σχήμα με βάση ένα φίλτρο που έχει

συνάρτηση μεταφοράς: 1( ) [1 ]nH z z −= − . Ο κβαντισμένος θόρυβος για το επιθυμητό εύρος συχνοτήτων

μπορεί να υπολογιστεί:

3

20 0(2 )

3rmsn e f

π

τ=

Όπου:

0 0

1( )

2 2sf

OSR oversampling ratiof f τ

= =

Σφάλμα κβαντοποίησης:

22

2

1

2 3rmse e de

∆+

∆−

∆= =

∆∫

Για N-τάξης ΔΣ διαμορφωτή η συνάρτηση μεταφοράς είναι: 1( ) [1 ]NnH z z −= − και ο κβαντισμένος θόρυβος

είναι:

2 1

20 0(2 )

2 1

nn

rmsn e fn

π

τ

+

=

+

.

4-22 Μοντέλο ΔΣ διαμορφωτή πρώτης τάξης

Ενισχυτής Τάξης D

40

Στη συνέχεια ακολουθεί μία ανάλυση στο matlab για το θόρυβο πρώτης, δεύτερης και τρίτης τάξης

διαμορφωτή.

Στο σχήμα 4-23 βλέπουμε πως διαμορφώνεται ο θόρυβος για τις διάφορες τάξεις του ΔΣ. Η κάθετη

διακεκομμένη είναι στα 20kHz, την μέγιστη ακουστική συχνότητα και η οριζόντια μπλε γραμμή είναι λευκός

θόρυβος. Οπότε εφαρμόζοντας ένα φίλτρο που κόβει πάνω από 20kHz μπορεί να παρατηρηθεί ότι ο θόρυβος

μετά από έναν ΔΣ είναι αισθητά μικρότερος από το να μην υπήρχε ο ΔΣ. Εφαρμόζοντας το φίλτρο προκύπτει

το σχήμα 4-24:

Το εμβαδόν που ορίζεται από την πράσινη

γραμμή, που είναι ο φιλτραρισμένος θόρυβος της ΔΣ

διαμόρφωσης είναι κατά πολύ μικρότερο από την μπλε

γραμμή, που είναι ο φιλτραρισμένος λευκός θόρυβος.

Κάθε φορά που η συχνότητα δειγματοληψίας

διπλασιάζεται, ο θόρυβος βελτιώνεται κατά 2 110 log(2 )N dB+

για Ν-τάξης ΔΣ. Όσο μεγαλώνει ο

ρυθμός δειγματοληψίας (OSR), τόσο μεγαλώνει ο

λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR).

4-23 Θόρυβος για τις διαφορετικές τάξεις διαμόρφωσης ΔΣ

4-24 Φιλτραρισμένος λευκός θόρυβος και φιλτραρισμένος

θόρυβος ΔΣ διαμόρφωσης πρώτης τάξης

Ενισχυτής AD

41

5 Ενισχυτής AD

5.1 Εισαγωγικά Οι απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιεί ένας ενισχυτής ήχου είναι να έχει υψηλή απόδοση και μικρή

παραμόρφωση.

Ο ενισχυτής τάξης AD, που εξετάζεται, περιέχει μια πηγή τάσης που παρουσιάζει μεγάλη

γραμμικότητα και πολύ χαμηλή εμπέδηση εξόδου. Ακόμη περιέχει μια πηγή ρεύματος που έχει συνδεδεμένη

την έξοδό της στην έξοδο της πηγής τάσης, απευθείας χωρίς να παρεμβάλλεται καμία αντίσταση μεταξύ

αυτών. Τέλος υπάρχει ένα στάδιο ελέγχου της πηγής ρεύματος μέσω του ρεύματος της πηγής τάσης.

Οι ενισχυτές τάξης Α έχουν χαμηλή απόδοση, αλλά μεγάλη γραμμικότητα. Μεγάλη γραμμικότητα

σημαίνει χαμηλή παραμόρφωση. Αντιστρόφως οι ενισχυτές τάξης D έχουν υψηλή απόδοση χρησιμοποιώντας

PWM διαμόρφωση, αλλά υψηλότερα επίπεδα παραμόρφωσης. Στον ενισχυτή τάξης AD γίνεται προσπάθεια

για ένωση των δυο ενισχυτών με σκοπό την εκμετάλλευση των θετικών τους, με αποτέλεσμα τη δημιουργία

ενός ενισχυτή με υψηλή απόδοση και υψηλή αξιοπιστία.

5.2 Περιγραφή λειτουργίας

5.2.1 Δομή ενισχυτή AD Σκοπός της σχεδίασης είναι να εφοδιάσει τον ενισχυτή με υψηλή γραμμικότητα, δηλαδή χαμηλό

επίπεδο θορύβου, αλλά ταυτόχρονα με χαμηλή εμπέδηση εξόδου και μεγάλη απόδοση.

Παρακάτω στο σχήμα 5-1 φαίνεται ένα διάγραμμα της δομής του ενισχυτή.

Όπως φαίνεται και από το σχήμα 5-1 η τάση εξόδου εξαρτάται από την πηγή τάσης αποκλειστικά.

Συνεπώς το ρεύμα που ρέει προς το φορτίο καθορίζεται από την πηγή τάσης. Άρα πρέπει η πηγή τάσης να

είναι όσο το δυνατόν πιο γραμμική. Γι’ αυτό χρησιμοποιείται ως πηγή τάσης ενισχυτής τάξης Α.

Οι ενισχυτές τάξης Α αν και χαρακτηρίζονται από υψηλή γραμμικότητα έχουν χαμηλή απόδοση, όπως

έχει ήδη αναφερθεί. Τοποθετώντας την πηγή ρεύματος έτσι ώστε η έξοδος της να είναι ανάλογη του ρεύματος

της πηγής τάσης, εξασφαλίζεται ότι το μεγαλύτερο ποσοστό ρεύματος, άρα και της ισχύος, που παρέχεται στο

5-1 Δομή ενισχυτή AD

Ενισχυτής AD

42

φορτίο προέρχεται από την πηγή ρεύματος. Αν λοιπόν η πηγή ρεύματος έχει υψηλή απόδοση τότε θα έχει και

το συνολικό κύκλωμα υψηλή απόδοση. Οπότε χρησιμοποιείται ως πηγή ρεύματος ενισχυτής τάξης D.

Έτσι με τον συνδυασμό των δύο επιτυγχάνεται η γραμμικότητα ενός ενισχυτή τάξης Α συνδυασμένη

με την υψηλή απόδοση ενός ενισχυτή τάξης D.

5.2.2 Ανάλυση λειτουργίας Οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία της παραπάνω σχεδίασης είναι:

out V inV G V= ⋅ με VG συμβολίζεται το κέρδος της πηγής τάσης

outL

L

VI

Z=

1L A D C

D LD C A C

I I I GI I

I G I G

= + ⇒ =

= + με CG συμβολίζεται το κέρδος της πηγής ρεύματος

Στην περίπτωση που η πηγή ρεύματος εισάγει κάποια παραμόρφωση όπως και συμβαίνει,

προστίθεται ένα ρεύμα IE που συμβολίζει το σφάλμα της πηγής ρεύματος. Οι εξισώσεις παίρνουν την εξής

μορφή.

1

1 1

1 1

EA L

C CL A D

D C A E C ED L

C C

II I

G GI I I

I G I I G II I

G G

= −+ += +

⇒= + = +

+ +

Όπως φαίνεται από τις εξισώσεις η πηγή τάσης αναιρεί το σφάλμα της πηγής ρεύματος, αρκεί να είναι

καλά σχεδιασμένη ώστε να το κάνει. Αυτό θα αναλυθεί και πιο κάτω.

5.2.3 Υπολογισμός αντίστασης εξόδου Έχει μοντελοποιηθεί η τοπολογία του ενισχυτή στο σχήμα 5-2 με μία ιδανική πηγή ρεύματος, με μία

πεπερασμένη εν σειρά αντίσταση εξόδου AR και με μία εξαρτημένη πηγή ρεύματος με αντίσταση εξόδου

5-2 Ισοδύναμο τοπολογίας AD για υπολογισμό αντιστάσεων

Ενισχυτής AD

43

.DR Η AR είναι σχετικά μικρή και η DR σχετικά μεγάλη. Για να υπολογιστεί η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή

χρησιμοποιείται το παραπάνω σχήμα μηδενίζοντας την πηγή τάσης.

1(1 )

11

||1

test test test test testtest C A test C

CA D A D test

D A

Aout D

C

U U U U UI G I I G

GR R R R IR R

RR R

G

= − + + ⇒ = + + ⇒ = ⇒+

+

=

+

Όπως φαίνεται από το αποτέλεσμα η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή AD είναι μικρότερη από την

αντίσταση εξόδου του ενισχυτή Α. Το επιθυμητό, όπως έχει αναφερθεί, είναι η αντίσταση εξόδου να είναι

μικρή για να πέφτει όσο γίνεται μεγαλύτερο μέρος της τάσης εξόδου στο φορτίο και η σχεδίαση αυτή

βελτιώνει και την αντίσταση εξόδου.

Στη συνέχεια υπολογίζεται η αντίσταση που βλέπει σε αυτήν την τοπολογία ο Α.

11 11 1

(1 )( || )

test test test Ctest C A test C test test

D L D A test

D L

LA C D L

U U U GI G I I G I

R R R R IR R

R G R R

+= − + + ⇒ = − + + ⇒ = ⇒

+

= +

U

Όπως παρατηρείται, η αντίσταση που βλέπει ο A μέσα στην τοπολογία αυτή, είναι μεγαλύτερη από

ότι όταν είναι μόνος του. Η αντίσταση που βλέπει ο Α πρέπει να είναι μεγάλη, ώστε να είναι πιο εύκολο για

αυτήν να δώσει μεγαλύτερο ποσοστό της τάσης.

Τέλος υπολογίζεται η αντίσταση που βλέπει η πηγή ρεύματος.

||testLD L A

test

UR R R

I= =

Η αντίσταση που βλέπει ο D είναι μικρότερη μέσα στην τοπολογία του AD, επομένως βλέπει πιο

εύκολο φορτίο.

Παρακάτω αιτιολογείται γιατί ο ενισχυτής τάξης D δουλεύει

ως πηγή ρεύματος. Με την βοήθεια του σχήματος 5-3 αναπαριστούμε

το pmos με μία αντίσταση R (rds),που έχει μικρή τιμή και το ότι δεν

άγει το nmos με έναν διακόπτη ανοιχτό. Έτσι το κύκλωμα είναι σαν

μία πηγή τάσης σε σειρά με μία αντίσταση. Το ισοδύναμο Norton

είναι μία πηγή ρεύματος V

R+ παράλληλα με την R. Όμως μία πηγή

ρεύματος για να λειτουργεί ικανοποιητικά πρέπει η αντίσταση εξόδου

της να είναι μεγάλη σε σχέση με την αντίσταση φορτίου της, γεγονός

που συμβαίνει αφού όπως περιγράφηκε, η αντίσταση φορτίου του

ενισχυτή τάξης D είναι ||L AR R και η AR είναι μικρή ως αντίσταση

εξόδου της πηγής τάσης.

5-3 Ισοδύναμο μοντέλο σταδίου εξόδου

Ενισχυτής AD

44

5.3 Προσομοιώσεις στο Pspice

5.3.1 Προσομοίωση με ιδανικές πηγές Εξετάστηκε το μοντέλο του κυκλώματος στο pspice, σχήμα 5-4, στην περίπτωση που η πηγή ρεύματος

δεν εισάγει σφάλμα.

Το στοιχείο V1 είναι η είσοδος του κυκλώματος και παράγει μια ημιτονοειδή τάση. Το Ε1

προσομοιώνει μια πηγή τάσης ελεγχόμενη από τάση, που θα αντικατασταθεί αργότερα από τον ενισχυτή

τάξης Α. Το G2 αναπαριστά μια πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση, το ρόλο της οποίας θα παίξει ο

ενισχυτής τάξης D. Τα Ε2, Ε3 λειτουργούν ως μετρητικές διατάξεις του ρεύματος που ρέει προς το φορτίο και

του ρεύματος της πηγής ρεύματος. Τέλος, οι αντιστάσεις R4, R3 και R6 χρησιμοποιούνται για την μέτρηση του

ρεύματος φορτίου και των πηγών τάσης και ρεύματος αντίστοιχα.

Επίσης στην προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο του μεγαφώνου που θα αναλυθεί σε

επόμενο κεφάλαιο.

5.3.1.1 Παραγόμενες κυματομορφές

Οι κυματομορφές του σχήματος 5-5 προέκυψαν από την προσομοίωση και είναι τα ρεύματα του

ενισχυτή τάξης Α, του ενισχυτή τάξης D και το συνολικό ρεύμα του φορτίου. Παρατηρείται λοιπόν ότι το

μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος φορτίου, άρα και τις ισχύος, προέρχεται από την πηγή ρεύματος.

Στη συνέχεια έγινε προσομοίωση για μη ιδανική πηγή ρεύματος που προσθέτει θόρυβο (ο θόρυβος

που προστέθηκε ήταν της ίδιας τάξης μεγέθους με την είσοδο ± 5V):

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0ms I(A) I(D) I(load)

-5.0A

0A

5.0A

5-5 Κυματομορφή ρευμάτων

5-4 Ιδανικό μοντέλο κυκλώματος στο pspice

Ενισχυτής AD

45

Στο σχήμα 5-6 φαίνεται ότι αν και η πηγή ρεύματος προσθέτει τόσο θόρυβο, το ρεύμα εξόδου

παραμένει ημιτονοειδές. Επίσης το ποσοστό του θορύβου που χρειάζεται τελικά να αναιρεθεί από την πηγή

τάσης είναι πολύ μικρότερο λόγω της ανάδρασης.

5.3.2 Προσομοίωση με μη ιδανικές πηγές Στο παρακάτω σχήμα 5-7 φαίνεται το κύκλωμα του ενισχυτή με τις πηγές υλοποιημένες με μη ιδανικά

στοιχεία.

Στο στοιχείο με ονομασία ClassA μοντελοποιείται η πηγή τάσης τάξης Α, που αναλύθηκε νωρίτερα και

στο στοιχείο με ονομασία ds η πηγή ρεύματος τάξης D, που αναλύθηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Στο

στοιχείο filter περιέχεται το φίλτρο αποκοπής του θορύβου λόγω της ΔΣ διαμόρφωσης. Οι αντιστάσεις

μέτρησης του ρεύματος του φορτίου και της πηγής τάσης επιλέχθηκαν 0.1Ω, ώστε να είναι αρκετά μικρές.

Αρχικά για την προσομοίωση δεν έχει τοποθετηθεί το ισοδύναμο μεγαφώνου, αλλά ένα απλό φορτίο των 8Ω.

Η συχνότητα του ρολογιού του ΔΣ διαμορφωτή επιλέχθηκε στα 1.25MHz, τιμή που ανταποκρίνεται στις

Time

0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0ms

I(A) I(D) I(load) -5.0A

0A

5.0A

5-6 Κυματομορφή ρευμάτων με πηγή θορύβου

5-7 Κύκλωμα ενισχυτή με μη ιδανικά στοιχεία

Ενισχυτής AD

46

πραγματικές ικανότητες των τρανζίστορ εξόδου. Το πλάτος της εισόδου για την προσομοίωση επιλέχθηκε στα

0.2Volt.

5.3.3 Μετρήσεις βασικών χαρακτηριστικών Για να φανεί η λειτουργία του ενισχυτή μετρήθηκαν κάποια βασικά χαρακτηριστικά του, μέσω

προσομοίωσης στο pspice.

5.3.3.1 Προσομοίωση στο χρόνο Πραγματοποιήθηκε προσομοίωση και φαίνεται στο σχήμα 5-8, η τάση εισόδου και η τάση εξόδου

συναρτήσει του χρόνου. Όπως παρατηρείται ενισχύεται η είσοδος κατά ένα σταθερό κέρδος με πολύ μικρή

παραμόρφωση, όπως θα φανεί και από τις μετρήσεις του THD. Αυτό συμβαίνει γιατί η τάση στην έξοδο

καθορίζεται από την πηγή τάσης τάξης Α, που είναι πολύ γραμμική.

Παρακάτω ακολουθούν κυματομορφές στο χρόνο με είσοδο 0.2inV V= , σε συχνότητες 100Hz, 1kHz,

10kHz (σχήματα 5-8, 5-9, 5-10) αντιπροσωπευτικές του κάθε εύρους, χαμηλές, μεσαίες και υψηλές.

Έχει ήδη αναφερθεί ότι το μεγαλύτερο ποσοστό του ρεύματος στην τοπολογία του AD ενισχυτή

παρέχεται από την πηγή ρεύματος class D, ενώ η τάση, άρα και το ρεύμα φορτίου καθορίζεται από την πηγή

τάσης τάξης Α. Στις κυματομορφές ρευμάτων στο χρόνο φαίνεται αυτή η σχέση των ρευμάτων .

Time

6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms 22ms 24ms 5ms 25ms I(Α) I(Load) I(D)

-400mA

-200mA

0A

200mA

400mA

Time

2.0ms 2.2ms 2.4ms 2.6ms 2.8ms 3.0ms 3.2ms 3.4ms 3.6ms 3.8ms 4.0ms V(out) V(Vin)

-3.0V

-2.0V

-1.0V

-0.0V

1.0V

2.0V

3.0V

5-8 Κυματομορφές εισόδου εξόδου για είσοδο 1kHz

5-9 Κυματομορφές ρευμάτων για είσοδο 100Hz

Ενισχυτής AD

47

( )I A είναι το ρεύμα της πηγής τάσης, ( )I D το ρεύμα της πηγής ρεύματος και ( )I Load το

συνολικό ρεύμα του ενισχυτή που πάει στο φορτίο. Όπως παρατηρείται το ρεύμα του φορτίου δίνεται σχεδόν

εξολοκλήρου από την πηγή ρεύματος και το ρεύμα της πηγής τάσης είναι τόσο μικρό, ώστε να διορθώνει

επαρκώς το σφάλμα της πηγής ρεύματος. Παρατηρείται ότι το συνολικό ρεύμα έχει ημιτονοειδή μορφή χωρίς

εύκολα αντιληπτή παραμόρφωση.

Για να φανεί καλύτερα η συμπεριφορά του ενισχυτή σε πραγματικό φορτίο έγινε προσομοίωση στο

pspice χρησιμοποιώντας μοντέλο μεγαφώνου ως φορτίο του ενισχυτή. Το μοντέλο του μεγαφώνου που

χρησιμοποιήθηκε θα εξηγηθεί σε αντίστοιχο κεφάλαιο. Για είσοδο 0.8inV V= και συχνότητα 1KHz

παρουσιάζονται οι παραγόμενες κυματομορφές τάσεως εξόδου και ρευμάτων. Στο σχήμα 5-12 φαίνεται η

τάση εισόδου και εξόδου συναρτήσει του χρόνου, στο 5-13 τα ρεύματα των πηγών τάσης, του φορτίου και της

πηγής ρεύματος. Τέλος στο 5-14 η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή για φορτίο ισοδύναμο μεγαφώνου. Η

3dB− συχνότητα είναι στα 300kHz. Η απόκριση του ενισχυτή έχει περιοριστεί μέσω του πυκνωτή της

ανάδρασης για να εξασφαλιστεί η ευστάθεια του συστήματος ακόμα και για μεγάφωνο ως φορτίο. Μέσα στο

ακουστικό εύρος συχνοτήτων η απόκριση έχει μέγιστη απόκλιση 0,6dB .

Time

2.10ms 2.12ms 2.14ms 2.16ms 2.18ms 2.20ms 2.22ms 2.24ms 2.26ms 2.28ms 2.30ms I(A) I(Load) I(D)

-300mA

-200mA

-100mA

0mA

100mA

200mA

300mA

Time

2.0ms 2.2ms 2.4ms 2.6ms 2.8ms 3.0ms 3.2ms 3.4ms 3.6ms 3.8ms 4.0ms I(A) I(Load) I(D)

-400mA

-200mA

0A

200mA

400mA

5-10 Κυματομορφές ρευμάτων για είσοδο 1kHz

5-11 Κυματομορφές ρευμάτων για είσοδο 10kHz

Ενισχυτής AD

48

Frequency

10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz db(V(out)/V(vin:+))

0

10

20

30

Time

1.5ms 1.6ms 1.7ms 1.8ms 1.9ms 2.0ms 2.1ms 2.2ms 2.3ms 2.4ms 2.5ms i(Α) i(ΑD) i(D)

-500mA

0A

500mA

Time

1.5ms 1.6ms 1.7ms 1.8ms 1.9ms 2.0ms 2.1ms 2.2ms 2.3ms 2.4ms 2.5ms V(out) V(in)

-3.0V

-2.0V

-1.0V

-0.0V

1.0V

2.0V

3.0V

5-13 Ρεύμα πηγών τάσης, ρεύματος και φορτίου

5-12 Τάση εισόδου και τάση εξόδου με φορτίο ισοδύναμο μεγαφώνου

5-14 Απόκριση συχνότητας με ισοδύναμο μεγαφώνου

Ενισχυτής AD

49

5.3.3.2 Θόρυβος λόγω ΔΣ διαμόρφωσης Με την χρήση του μετασχηματισμού Fourier μπορεί να βρεθεί το συχνοτικό περιεχόμενο ενός

σήματος. Όπως αναλύθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, η ΔΣ διαμόρφωση προσθέτει θόρυβο στο σήμα, η

μορφή του οποίου εξαρτάται από την τάξη του διαμορφωτή ΔΣ. Παρατηρείται από το ακόλουθο σχήμα 5-15

ότι το σήμα στην έξοδο του ενισχυτή τάξης D έχει την μορφή (στο πεδίο της συχνότητας) που αναμένεται από

έναν ΔΣ διαμορφωτή πρώτης τάξης. Ο θόρυβος είναι αυξανόμενος μέχρι τη συχνότητα δειγματοληψίας

(1.25MHz). Ο θόρυβος αυτός φιλτράρεται και στην έξοδο φτάνει μόνο ένα ποσοστό αυτού, όπου στη συνέχεια

διορθώνεται από την πηγή τάσης με τον τρόπο που έχει αναφερθεί. Θα πρέπει η πηγή τάσης να είναι

σχεδιασμένη κατάλληλα, ώστε να έχει αρκετά μεγάλο εύρος ζώνης για να αναιρεί όσο δυνατόν μεγαλύτερο

ποσοστό του θορύβου.

5.3.3.3 Απόκριση συχνότητας Στο παρακάτω σχήμα 5-16 φαίνεται η απόκριση συχνότητας (κέρδος σε dB) και η φάση του ενισχυτή

AD. Η απόκριση συχνότητας του ενισχυτή τάξης AD είναι ακριβώς ίδια με αυτήν του ενισχυτή τάξης Α, αφού

από αυτόν καθορίζεται η τάση στην έξοδο.

5.3.3.4 Μέγιστη κλίση εξόδου Για τον υπολογισμό της μέγιστης κλίσης εξόδου (slew rate) του ενισχυτή τέθηκε στην είσοδο σήμα

τετραγωνικής μορφής 0 έως 0,8V.

Frequency

10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHzdb(V(out)/v(vin:+)) p(V(out))

-200

-150

-100

-50

-0

50

100

Frequency

10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz V(out) V(ds:OUT)

1.0nV

1.0uV

1.0mV

1.0V

1.0KV

5-16 Απόκριση συχνότητας

5-15 Θόρυβος λόγω ΔΣ διαμορφωτή

Ενισχυτής AD

50

Το slew rate υπολογίστηκε από την απόκριση της εξόδου περίπου 104V/μs. Η τιμή που μετρήθηκε

είναι αρκετά υψηλή και αυτό οφείλεται στο υψηλό εύρος ζώνης του ενισχυτή. Αξίζει να σημειωθεί ότι πιθανόν

περιορισμός του εύρους ζώνης του ενισχυτή τάξης Α, για αποφυγή αστάθειας, θα έχει αρνητική επίδραση στο

slew rate.

Μελετήθηκαν τα ρεύματα κατά την διάρκεια της μεταβατικής απόκρισης για βηματική είσοδο στο

σχήμα 5-18.

Παρατηρείται ότι η απόκριση του ενισχυτή τάξης D είναι αρκετά περιορισμένη, οπότε ο ενισχυτής

τάξης Α καλύπτει το μεταβατικό ρεύμα. Η περιορισμένη κλίση του ρεύματος του ενισχυτή τάξης D οφείλεται

κυρίως στο φίλτρο εξόδου του το οποίο έχει αρκετά μεγάλη σταθερά χρόνου ώστε να αποκόπτει όσο το

δυνατόν περισσότερο θόρυβο.

5.3.3.5 Συνολική αρμονική παραμόρφωση (THD) Είναι γνωστό ότι ο ενισχυτής τάξης D στις υψηλές συχνότητες δεν λειτουργεί το ίδιο καλά όπως στις

χαμηλές. Επίσης και ο ενισχυτής τάξης Α εισάγει παραμόρφωση που αυξάνεται στις υψηλές συχνότητες.

Εξετάστηκε λοιπόν αρχικά η παραμόρφωση της τάσης εξόδου συναρτήσει της συχνότητας, σχήμα 5-19.

Time 1.5ms 1.6ms 1.7ms 1.8ms 1.9ms 2.0ms 2.1ms 2.2ms 2.3ms 2.4ms 2.5ms

i(Α) i(ΑD) i(D) -0.5A

0A

0.5A

1.0A

1.5A

5-18 Μεταβατικά ρεύματα για βηματική είσοδο

Time 1.99990ms 1.99995ms 2.00000ms 2.00005ms 2.00010ms 2.00015ms 2.00020ms 2.00025ms 2.00030ms 2.00035ms 2.00040ms 2.00045ms 2.00050ms 2.00055ms 2.00060ms v(out)

0V

2.00V

4.00V

6.00V

8.00V

9.04V

5-17 Απόκριση εξόδου για βηματική είσοδο

Ενισχυτής AD

51

5-19 Παραμόρφωση του ενισχυτή AD

Για τον υπολογισμό του THD συμπεριλήφθησαν οι έξι πρώτες αρμονικές του σήματος για είσοδο 0.2V.

Παρατηρείται ότι υπάρχει αύξηση της παραμόρφωσης στις υψηλές συχνότητες, όπως ήταν αναμενόμενο.

Στη συνέχεια ακολουθεί σύγκριση της παραμόρφωσης του ενισχυτή τάξης Α με του ενισχυτή AD,

σχήμα 5-20.

5-20 Σύγκριση παραμόρφωσης ενισχυτή AD με ενισχυτή Α

Όπως παρατηρείται η παραμόρφωση του ενισχυτή AD είναι μικρότερη από του ενισχυτή τάξης Α.

Δεδομένου η τάση στην έξοδο καθορίζεται από τον ενισχυτή τάξης Α, θα ήταν αναμενόμενο να υπάρχει η ίδια

παραμόρφωση. Όπως αναλύθηκε παραπάνω, μέσα στην τοπολογία του AD, ο ενισχυτής τάξης Α βλέπει ένα

πιο εύκολο φορτίο, παρέχοντας μικρότερο ρεύμα. Αυτό δικαιολογεί την μείωση στη παραμόρφωση.

Στη συνέχεια εξετάστηκε η παραμόρφωση του ενισχυτή AD, αλλά και του ενισχυτή Α συναρτήσει της

ισχύος εξόδου. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν για συχνότητα 1kΗz, σχήμα 5-21.

Ενισχυτής AD

52

Η παραμόρφωση για μικρή ισχύ εξόδου είναι ιδιαίτερα μειωμένη, ενώ καθώς αυτή αυξάνει αυξάνεται

και η παραμόρφωση σταδιακά. Όταν ισχύς εξόδου ξεπεράσει την μέγιστη δυνατή, όπου και συμβαίνει

ψαλιδισμός στην έξοδο τότε η παραμόρφωση αυξάνει πολύ. Όπως και προηγουμένως η παραμόρφωση του

ενισχυτή τάξης Α είναι μεγαλύτερη από την παραμόρφωση της τοπολογίας AD.

Αξίζει να σημειωθεί ότι ο υπολογισμός της παραμόρφωσης μέσω του μετασχηματισμού Fourier που

γίνεται από το pspice είναι σε μεγάλο βαθμό ευαίσθητος από παραμέτρους της προσομοίωσης, όπως η

ακρίβεια υπολογισμού των ρευμάτων και των τάσεων, αλλά και το χρονικό βήμα της προσομοίωσης.

5.3.3.6 Απόδοση Σε συστήματα υψηλής ισχύος, η απόδοση αποτελεί σημαντική παράμετρο. Ένα σύστημα με μεγάλη

ισχύ εξόδου και μικρή απόδοση παρουσιάζει μεγάλη έκλυση θερμότητας, γεγονός που καθιστά απαγορευτική

την κατασκευή του. Ακόμη και στα συστήματα με όχι υψηλή ισχύ εξόδου η μικρή απόδοση απαιτεί

εξειδικευμένη σχεδίαση για την ευσταθή λειτουργία του, αλλά και μεγάλες ψύκτρες σε σχέση με το μέγεθος

του κυκλώματος, που προσθέτουν κόστος και βάρος στην κατασκευή.

Για την επίτευξη της υψηλής απόδοσης η τοπολογία του ενισχυτή που εξετάζεται χρησιμοποιεί έναν

ενισχυτή τάξης D, ο οποίος θα παρέχει το μεγαλύτερο ποσοστό της ισχύος. Όπως αναφέρθηκε στο αντίστοιχο

κεφάλαιο, ο ενισχυτής τάξης D παρουσιάζει ιδιαίτερα υψηλή απόδοση χρησιμοποιώντας PWM διαμόρφωση.

Αρχικά υπολογίστηκε μέσω προσομοίωσης η απόδοση του ενισχυτή τάξης D, σχήμα 5-22. Η ισχύς

εξόδου μεταβλήθηκε σταδιακά μέχρι την μέγιστη και το σήμα εισόδου ήταν συχνότητας 1kHz.

5-21 Παραμόρφωση συναρτήσει της ισχύος εξόδου

Ενισχυτής AD

53

5-22 Απόδοση ενισχυτή τάξης D

Στον οριζόντιο άξονα φαίνεται η ισχύς εξόδου κανονικοποιημένη. Είναι φανερό ότι η απόδοση του

ενισχυτή τάξης D είναι αρκετά υψηλή και παραμένει σε υψηλά επίπεδα μέχρι και σε πολύ χαμηλά επίπεδα

ισχύος εξόδου.

Στη συνέχεια υπολογίστηκε μέσω προσομοιώσεων η απόδοση του ενισχυτή τάξης A, σχήμα 5-23. Ο

ενισχυτής τάξης Α σχεδιάστηκε έτσι ώστε να έχει υψηλή γραμμικότητα. Γι΄ αυτό το λόγο το ρεύμα ηρεμίας

είναι ιδιαίτερα υψηλό, γεγονός που οδηγεί σε μία μόνιμη κατανάλωση αρκετά υψηλή. Παρόλο που το ρεύμα

εξόδου του ενισχυτή τάξης Α είναι σχετικά χαμηλό, η κατανάλωση του παραμένει υψηλή, υποβαθμίζοντας την

συνολική απόδοση του ενισχυτή.

Η απόδοση υπολογίστηκε σε συχνότητα 1kHz μέχρι την μέγιστη ισχύ εξόδου, που μπορεί να δώσει ο

ενισχυτής χωρίς παραμόρφωση.

5-23 Απόδοση ενισχυτή τάξης Α

Η θεωρητική μέγιστη απόδοση του ενισχυτή αυτής της τοπολογίας τάξης Α είναι 25%. Σε πρακτικές

σχεδιάσεις η απόδοση αυτή μειώνεται λόγω περιορισμών της σχεδίασης.

Ενισχυτής AD

54

Τέλος υπολογίστηκε η απόδοση της τοπολογίας του ενισχυτή AD με προσομοιώσεις, σχήμα 5-24. Οι

προσομοιώσεις έγιναν με σήμα συχνότητας 1kHz και η τάση εξόδου μεταβλήθηκε σταδιακά μέχρι την μέγιστη

δυνατή χωρίς παραμόρφωση.

5-24 Απόδοση ενισχυτή τάξης AD

Η απόδοση της τοπολογίας AD θα ήταν μεγαλύτερη εάν η μόνιμη κατανάλωση του ενισχυτή τάξης A,

που οφείλεται στο ρεύμα πόλωσης, ήταν μικρότερη.

Για να φανεί το ποσοστό της ισχύος του κάθε ενισχυτή σε σχέση με την συνολική ισχύ εξόδου

παρατίθεται το παρακάτω διάγραμμα σχήμα 5-25.

5-25 Ισχύες των ενισχυτών τάξης A και τάξης D

Η καταναλισκόμενη ισχύς του ενισχυτή τάξης Α έχει σχεδόν σταθερή τιμή, ενώ η καταναλισκόμενη

ισχύς του ενισχυτή τάξης D αυξάνεται με την αύξηση της ισχύος εξόδου. Όσο χαμηλότερο επίπεδο σταθερής

κατανάλωσης μπορεί να επιτευχθεί από τον ενισχυτή τάξης Α, τόσο μεγαλύτερη απόδοση μπορεί να

επιτευχθεί.

Ενισχυτής AD

55

Οι παραπάνω προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν για ισχύ εξόδου μέχρι 10Watt. Στη συνέχεια

ακολούθησε μία προσομοίωση με ισχύ εξόδου μεγαλύτερη μέχρι τα 33Watt, ώστε να φανεί η επίδραση στην

συνολική απόδοση, σχήμα 5-26.

Όπως παρατηρείται η απόδοση έχει αυξηθεί αρκετά, αφού η κατανάλωση του ενισχυτή τάξης Α

αυξήθηκε λίγο σε σχέση με την συνολική κατανάλωση, οπότε αποτελεί μικρότερο ποσοστό αυτής. Όσο

μεγαλύτερη είναι μέγιστη ισχύς εξόδου τόσο μεγαλύτερη θα είναι και η μέγιστη απόδοση του συστήματος.

5.4 Φίλτρο Στην έξοδο του ενισχυτή τάξης D τοποθετήθηκε φίλτρο, ώστε να αποκόψει τις υψηλές συχνότητες που

δημιουργούνται από την ΔΣ διαμόρφωση. Τοποθετήθηκε ένα τ-φίλτρο. Οι τιμές που επιλέχθηκαν είναι

150L uH= και 8C p= με βάση τη βέλτιστη απόκριση. Σε σειρά με τα πηνία τοποθετήθηκαν ενδεικτικά

αντιστάσεις μικρής τιμής, για να προσομοιωθεί η μικρή εν σειρά αντίσταση που παρουσιάζουν τα πηνία.

Επιλέχθηκε T-φίλτρο και όχι ένα απλό LC ώστε να είναι μεγαλύτερη η κλίση της απόκρισης του φίλτρου στις

υψηλές συχνότητες.

5-27 Φίλτρο T

5-26 Απόδοση ενισχυτή τάξης AD με αυξημένη ισχύ εξόδου

Ενισχυτής AD

56

Παρακάτω στο σχήμα 5-28 ακολουθεί η απόκριση συχνότητας του φίλτρου καθώς και η φάση που

προσθέτει.

Όπως φαίνεται ο πρώτος πόλος όπου αρχίζει να κόβει είναι σε συχνότητα 30kHz και η κλίση είναι

20dB/decade μέχρι τους επόμενους δύο πόλους όπου η κλίση γίνεται 60dB/decade.

5.5 Βελτίωση απόδοσης ενισχυτή τάξης D Στις μετρήσεις που παρουσιάστηκαν παραπάνω, για την απόδοση του ενισχυτή τάξης D

χρησιμοποιήθηκε το κύκλωμα που ήδη αναφέρθηκε στο αντίστοιχο κεφάλαιο με μία μικρή βελτίωση. Στο

κύκλωμα που ήδη σχεδιάστηκε, το άνοιγμα και το κλείσιμο των δύο mosfet ρυθμιζόταν από το ίδιο σήμα,

ρισκάροντας έτσι τα δύο τρανζίστορ να άγουν ταυτόχρονα για λίγο κατά την αλλαγή, κάτι που είχε

αξιοσημείωτη κατανάλωση. Έτσι εισάχθηκε ένα κύκλωμα, ώστε να παρεμβάλλεται ο απαιτούμενος ελάχιστος

νεκρός χρόνος. Ο έλεγχος τώρα για το αν ένα από τα τρανζίστορ άγει ή όχι γίνεται για το καθένα με

διαφορετικό σήμα, εξασφαλίζοντας έτσι ότι δεν θα υπάρχει χρονική στιγμή που θα άγουν και τα δύο, και αυτή

η χρονική στιγμή είναι η ελάχιστη δυνατή για να επιτευχθεί και την ελάχιστη δυνατή εισαγόμενη

παραμόρφωση.

Frequency

10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz 1.0GHzdb(V(out)) p(V(out))

-300

-250

-200

-150

-100

-50

-0

5-29 Ο ενισχυτής τάξης D με μειωμένο ρεύμα βραχυκύκλωσης

5-28 Απόκριση συχνότητας φίλτρου

Ενισχυτής AD

57

Στο σχήμα 5-29 φαίνεται ποια παρέμβαση γίνεται στο κύκλωμα του ενισχυτή τάξης D.

Το κάθε τρανζίστορ οδηγείται ξεχωριστά από διαφορετικό σήμα και έτσι μπορεί να αποκλειστεί η

πιθανότητα να άγουν ταυτόχρονα. Το κύκλωμα που παράγει τον νεκρό χρόνο είναι μία γεννήτρια ρολογιού

δύο φάσεων μη επικαλυπτόμενες μεταξύ τους. Η δομή αυτού του κυκλώματος φαίνεται παρακάτω στο σχήμα

5-30.

Ο αντιστροφέας μαζί με τις πύλες nor υλοποιούν ένα latch, μέσω του δικτύου RC στην έξοδο της κάθε

nor εισάγεται μία καθυστέρηση, που εξαρτάται από τις τιμές R και C. Έτσι εξασφαλίζεται ότι κατά τις αλλαγές

στάθμης του σήματος ρολογιού τα σήματα που θα οδηγούν τα τρανζίστορ έχουν ένα μη επικαλυπτόμενο

χρόνο αγωγής. Οι τελεστικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται ώστε να γίνει προσαρμογή της τάσης στα επίπεδα

που είναι απαραίτητα για να άγουν τα mosfet. Οι τελεστικοί αυτοί δεν έχουν μεγάλες απαιτήσεις ρεύματος

αλλά θα πρέπει να είναι σε θέση να φορτίζουν τη χωρητικότητα πύλης των mosfet γρήγορα.

Ο νεκρός χρόνος σε αυτήν την περίπτωση είναι όση ώρα χρειάζεται ένα RC να μεταβεί από την τάση

που αντιστοιχεί στη μία στάθμη μέχρι της μισή αυτής. Δηλαδή ο χρόνος αυτός είναι: 0,69RC.

Time

0s 0.5us 1.0us 1.5us 2.0us 2.5us 3.0us 3.5us 4.0us 4.5us 5.0us VG(nmos)

-20V

0V

20V VG(pmos) -20V

0V

20V

Clock N1 N2

5-30 Κύκλωμα εισαγωγής νεκρού χρόνου

5-31 Λειτουργία κυκλώματος εισαγωγής νεκρού χρόνου

Ενισχυτής AD

58

5.6 Τοπολογία ενισχυτή με αντικατάσταση της τάξης Α από ΑΒ Στη συνέχεια εξετάστηκε η ίδια τοπολογία με αντικατάσταση του ενισχυτή τάξης Α με έναν ενισχυτή

τάξης ΑΒ. Η ιδέα προέκυψε λόγω του ότι ο ενισχυτής τάξης Α παρουσιάζει μία σημαντική μόνιμη κατανάλωση,

ενώ η κατανάλωση του ΑΒ είναι σημαντικά μικρότερη.

Υπολογίστηκε μέσα από προσομοιώσεις η απόδοση αυτού του ενισχυτή και φαίνεται στο σχήμα 5-32.

Η τάση εισόδου αυξανόταν συνεχώς έως την μέγιστη ισχύ εξόδου. Για σήμα εισόδου συχνότητας 1kHz με ισχύ

μέγιστη εξόδου 34Watt.

5-32 Απόδοση ενισχυτή συναρτήσει της ισχύος εξόδου

Συγκριτικά με την προηγούμενη τοπολογία που είχε τον ενισχυτή τάξης Α, παρατηρείται ότι για ίδια

μέγιστη ισχύ εξόδου η απόδοση φτάνει ψηλότερα μέχρι το 80%. Ο ενισχυτής τάξης ΑΒ έχει πολωθεί

κατάλληλα ώστε να έχει υψηλή γραμμικότητα με την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση.

Στο σχήμα 5-33 φαίνεται το ποσοστό ισχύος που δίνει ο κάθε ενισχυτής, τάξης ΑΒ και τάξης D,

συναρτήσει της ισχύος εξόδου.

5-33 Ποσά ισχύος του κάθε ενισχυτή συναρτήσει της ισχύος εξόδου

Ενισχυτής AD

59

Παρατηρούμε ότι η ισχύς του ενισχυτή τάξης ΑΒ παραμένει σε χαμηλά επίπεδα καθώς επίσης ότι

μεταβάλλεται με την μεταβολή της ισχύος εξόδου. Αυτό αυξάνει περισσότερο την απόδοση ακόμα και στα

χαμηλότερα επίπεδα ισχύος εξόδου.

Για να μελετηθεί η επιρροή της αντικατάστασης του ενισχυτή τάξης Α από ενισχυτή τάξης ΑΒ

μετρήθηκε και η παραμόρφωση του ενισχυτή. Μέσω των προσομοιώσεων υπολογίστηκε η παραμόρφωση

THD% του ενισχυτή συναρτήσει της ισχύος εξόδου για είσοδο συχνότητας 1KHz αθροίζοντας τις πρώτες έξι

αρμονικές και φαίνεται στο σχήμα 5-34.

5-34 Παραμόρφωση του ενισχυτή συναρτήσει της ισχύος εξόδου

Παρατηρείται ότι σε μεγάλη ισχύ η παραμόρφωση παραμένει σε πολύ χαμηλά επίπεδα και αυξάνεται

ελάχιστα για χαμηλή ισχύ εξόδου. Η μεγάλη αύξηση που παρατηρείται στο τέλος είναι εξαιτίας του

ψαλιδισμού της τάσης.

5.7 Ενισχυτής τάξης D με ΔΣ διαμόρφωση πολλών φάσεων Όπως μελετήθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο για να μειωθεί ο θόρυβος λόγω της διαμόρφωσης

πρέπει να αυξηθεί η συχνότητα δειγματοληψίας. Αυτό όμως δεν είναι πάντα εύκολο καθώς τα τρανζίστορ

εξόδου εισάγουν περιορισμούς στη μέγιστη συχνότητα λειτουργίας. Για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα

έχει προταθεί η διαμόρφωση ΔΣ πολλών φάσεων. Σε αυτή την τοπολογία χρησιμοποιούνται Ν ΔΣ

διαμορφωτές οι οποίοι δειγματοληπτούν με την ίδια συχνότητα fS/N, αλλά με καθυστέρηση φάσης ο καθένας

5-35 Μοντέλο λειτουργίας διαμορφωτή ΔΣ πολλών φάσεων

Ενισχυτής AD

60

ως προς τους προηγούμενους. Η χρήση Ν δειγματοληπτών παράγει στην έξοδο του ΔΣ μία λέξη μήκους N bit.

Με τη χρήση κατάλληλης λογικής υπολογίζεται η τιμή που εισέρχεται στο βρόχο ανάδρασης του διαμορφωτή.

Ο θόρυβος της διαμόρφωσης ΔΣ πολλών φάσεων αναμένεται να είναι μεγαλύτερος από την

περίπτωση που θα χρησιμοποιούνταν συχνότητα δειγματοληψίας fS αλλά αρκετά χαμηλότερος από την

περίπτωση που θα χρησιμοποιούνταν απλή ΔΣ διαμόρφωση με συχνότητα δειγματοληψίας fS/N.

Αποδόσεις

61

6 Αποδόσεις

6.1 Απόδοση ενισχυτή τάξης Α Στο παρακάτω σχήμα 6-1, φαίνεται το στάδιο εξόδου ενισχυτή τάξης Α. Το τρανζίστορ άγει σε όλο το

κύκλο του σήματος. Το Q1 λειτουργεί σαν

ακόλουθος εκπομπού με ρεύμα πόλωσης που

παρέχεται από το Q2. Η μέγιστη θετική τάση

εξόδου εξαρτάται από την τάση κορεσμού

του Q1. Η μέγιστη αρνητική τάση εξόδου

εξαρτάται είτε από τον κορεσμό του Q2 είτε

από την αποκοπή του Q1, που εξαρτάται από

την αντίσταση φορτίου RL και το σταθερό

ρεύμα I.Ισχύουν οι σχέσεις:

Για την απόδοση:

_ ( )

sup _ ( )L

AS

load power Pn

ply power P=

20

0

1,

2LL

VP V average voltage

R=

2S CCP V I=

2

0 0 01 1

4 4AL CC L CC

V V Vn

IR V IR V

= =

Η μέγιστη απόδοση που μπορεί να επιτευχθεί είναι για 0 0CC LV V V IR= = .Το διάγραμμα που προκύπτει για

την απόδοση του ενισχυτή τάξης Α με βάση τους υπολογισμούς φαίνεται στο σχήμα 6-2.

6-2 Απόδοση ενισχυτή τάξης Α συναρτήσει της ισχύος εξόδου

6-1 Στάδιο εξόδου ενισχυτή τάξης Α

Αποδόσεις

62

6.2 Απόδοση ενισχυτή τάξης D Για να υπολογιστεί η απόδοση του ενισχυτή τάξης-D, υπολογίζουμε τις απώλειες του σταδίου εξόδου,

καθώς οι απώλειες των προηγούμενων σταδίων θεωρούνται αμελητέες. Επομένως οι συνολικές απώλειες

ισχύος σε ένα τάξης-D ενισχυτή δίνονται:

total SW cond gdP P P P= + +

SWP είναι οι απώλειες που προκύπτουν από τα διακοπτικά στοιχεία:

2SW OSS BUS PWM D DS f PWMP C V f I V t f= +

condP είναι οι απώλειες λόγω πεπερασμένης αγωγιμότητας. Θεωρώ ότι το pmos και το nmos έχουν το ίδιο

( )DS ONR .

( )DS ON

cond oL

RP P

R=

gdP είναι οι απώλειες λόγω οδήγησης των mosfet και δίνονται:

2gd g gs PWMP Q V f=

Όπως μπορεί να παρατηρηθεί σε έναν τάξης-D ενισχυτή οι απώλειες του σταδίου εξόδου εξαρτώνται

από τις παραμέτρους των mosfet που χρησιμοποιούνται, έτσι απαιτείται βελτιστοποίηση ως προς την επιλογή

των mosfet που χρησιμοποιούνται βασιζόμενη στα εκάστοτε ( ),,g DS ON OSSQ R C και ft .

Αν out

bus

VK

V= , οι απώλειες συναρτήσει του Κ φαίνονται στο σχήμα 6-3:

Φαίνεται ότι και για μηδενική έξοδο υπάρχουν απώλειες λόγω της συνεχόμενης εναλλαγής των

διακοπτικών στοιχείων. Όσο αυξάνεται η τάση εξόδου, αυξάνονται και οι απώλειες με μικρότερο όμως ρυθμό

και έτσι αυξάνεται η απόδοση.

Στη συνέχεια έγιναν υπολογισμοί σύμφωνα με τους παραπάνω τύπους και τιμές τυπικές από mosfet

ισχύος. Προέκυψε το παρακάτω διάγραμμα στο σχήμα 6-4.

6-3 Απώλειες ενισχυτή τάξης D συναρτήσει του Κ

Αποδόσεις

63

6-4 Απόδοση ενισχυτή τάξης D συναρτήσει της ισχύος εξόδου

Από τους υπολογισμούς που πραγματοποιήθηκαν παρατηρήθηκε ότι η αντίσταση DSR επηρεάζει

αρκετά την απόδοση όπως επίσης επηρεάζει η εμπέδηση του ηχείου. Όσο πιο δύσκολο είναι το ηχείο, δηλαδή

όσο πιο μικρή είναι η αντίστασή του, τόσο πέφτει και η απόδοση. Σε γενικές γραμμές προκύπτει δηλαδή ότι η

απόδοση ενός τάξης-D ενισχυτή είναι πολύ υψηλή.

6.3 Απόδοση ενισχυτή τάξης AD

Έστω OUTP η ισχύς εξόδου και OUTPa το ποσοστό της ισχύος εξόδου που δίνει ο ενισχυτή τάξης D,

επομένως ο ενισχυτής τάξης A δίνει OUT(1 )Pa− . Αν An η απόδοση του ενισχυτή τάξης Α, τότε η συνολική

ισχύς που καταναλώνεται από τον ενισχυτή τάξης Α είναι OUT(1 )P

A

a

n

−

. Και αντίστοιχα η συνολική ισχύς που

καταναλώνει ο ενισχυτής τάξης D είναι OUTP

D

a

n.

Συνολικά η απόδοση του ενισχυτή AD είναι ο λόγος της ισχύος εξόδου προς την συνολική καταναλισκόμενη.

OUT OUT

1(1 )P P (1 )

OUTAD

A DA D

Pn

a a a a

n nn n

= =

− −++

Αποδόσεις

64

Ενδεικτικά αν η ισχύς του ενισχυτή τάξης Α είναι το ένα εικοστό της συνολικής ισχύος, το α είναι 95%

και αν είναι 10%An = και 90%Dn = . Η συνολική απόδοση υπολογίζεται: 64%ADn = .

Στο σχήμα 6-5 φαίνονται συγκεντρωτικά οι αποδόσεις των ενισχυτών τάξης Α, D και AD.

6-5 Αποδόσεις συναρτήσει της ισχύος εξόδου

Μεγάφωνο

65

7 Μεγάφωνο

7.1 Εισαγωγικά Ένα μεγάφωνο αποτελεί ένα σχετικά πολύπλοκο ηλεκτρικό φορτίο. Παρουσιάζει ωμική συμπεριφορά

καθώς και επαγωγική καθώς η κίνηση του κώνου γίνεται με χρήση ενός πηνίου. Επιπλέον η κίνηση του κώνου

αυτού μέσα στο μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί το μαγνητικό σύστημα (μαγνήτης και τα ελάσματα που

οδηγούν τη μαγνητική ροή στο διάκενο που κινείται το πηνίο) περιπλέκει περισσότερο την κατάσταση καθώς

δημιουργεί πρόσθετα χαρακτηριστικά στο φορτίο αυτό. Έτσι λοιπόν ένα μεγάφωνο παρουσιάζει εμπέδηση

που αφενός το μέτρο της και αφετέρου η φάση της εξαρτάται από τη συχνότητα του σήματος. Απέχει από τη

συμπεριφορά μιας απλής ωμικής αντίστασης. Αυτό δημιουργεί υψηλότερες απαιτήσεις από τον ενισχυτή που

καλείται να οδηγήσει το μεγάφωνο.

Τα μεγάφωνα είναι ηλεκτροακουστικές πηγές που μετασχηματίζουν ηλεκτρικό σήμα στάθμης ισχύος,

σε ακουστικό σήμα υψηλής στάθμης. Γι’ αυτό ακολουθείται μία σειρά μετασχηματισμών που περιλαμβάνει

την μετάδοση του ηλεκτρικού σήματος σε ένα ή περισσότερα μεγάφωνα που μετατρέπουν το ηλεκτρικό σήμα

σε μηχανικό, την μετατροπή του μηχανικού σήματος σε ακουστικό και την τελική προσαρμογή της ακουστικής

εκπομπής μέσα από ένα ακουστικό σύστημα, το ηχείο, όπως φαίνεται στο σχήμα 7-1.

7.2 Ισοδύναμο Μεγαφώνου Το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα μεγαφώνου που χρησιμοποιείται παρουσιάζεται στο σχήμα 7-2.

7-1 Στάδια μετασχηματισμού ενέργειας σε μεγάφωνα/ηχεία

7-2 Ισοδύναμο μεγαφώνου

Μεγάφωνο

66

Για να εξηγηθούν τα παραπάνω μεγέθη βοηθάει το σχήμα 7-3.

Το ηλεκτρικό μέρος ΖΕΒ αποτελείται από τα καθαρά ηλεκτρικά στοιχεία 0 0EBZ R j Lω= + , δηλαδή την

αντίσταση του πηνίου και την επαγωγή του πηνίου. Ακολουθεί η μηχανική εμπέδηση του συστήματος:

( )MO M

kZ R j mω

ω

= + − , όπου σαν αντίσταση λειτουργεί η αντίσταση του αποσβεστήρα. Σαν πηνίο

λειτουργεί η μάζα του κώνου και σαν χωρητικότητα το ελατήριο πάνω στον κώνο. Η ακουστική εμπέδηση του

κώνου είναι: ME MER j XωΜΕ

Ζ = + .

Η συνολική μηχανο-ακουστική εμπέδιση: MI MO MEZ Z Z= + .

Η συνολική ηλεκτρικο-μηχανο-ακουστική εμπέδιση:

22 2, ( )EI EB

MI

TZ Z T Bl

Z= + = .

Όπου Β είναι η πυκνότητα μαγνητικής ροής στο πηνίο και l είναι το μήκος του πηνίου.

7-4 Ηλεκτρικό ισοδύναμο κυκλώματος μεγαφώνου για λειτουργία σε άπειρο αποσβεστήρα ή

και κλειστό ηχείο

7-3 Βασικά ηλεκτρο-μηχανικο-ακουστικά μεγέθη σε μεγάφωνο/ηχείο

Μεγάφωνο

67

Για τον ενισχυτή χρησιμοποιήθηκε το ισοδύναμο ηλεκτρικού κυκλώματος του μεγαφώνου για λειτουργία σε

άπειρο αποσβεστήρα ή και σε κλειστό ηχείο.

Οι τιμές των παραπάνω στοιχείων δίνονται από τις σχέσεις:

2 2

2, ,EM EM EM

m

T m TR C L

R T k= = =

2

2

8,

3EA EA

p aS TC R

T pcSπ

= =

όπου 2 2( )S mπα= ,

2 2( )T Bl=

Οι τιμές για τα μεγέθη που χρησιμοποιήθηκαν είναι:

Ακτίνα διαφράγματος 0.1a m=

Ηλεκτρική αντίσταση πηνίου 0 5R = Ω

Ηλεκτρική επαγωγή πηνίου 0 0.2L mH=

Μηχανική αντίσταση (απόσβεση ανάρτησης) 1 /mR Ns m=

Μηχανική σκληρότητα ανάρτησης 2000 /k N m=

Μηχανική μάζα διαφράγματος 310 10m x kg−

=

Ταχύτητα του ήχου c 343m / s=

Πυκνότητα του αέρα 3p 1.21kg / m=

Έγιναν υπολογισμοί για τρία διαφορετικά Bl. Για Bl=1.2(πράσινο), Bl=4.5 (κόκκινο) και Bl=22(μπλε).

7.3 Απόδοση

Η ακουστική εκπομπή ισοδυναμεί με την ηλεκτρική ισχύ που καταναλώνεται στην αντίσταση REA και

επειδή η τιμή του LEA μειώνεται με την μείωση της συχνότητας, όσο χαμηλώνει η συχνότητα, όλο και λιγότερο

Frequency

10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz W(Rea)/W(V1)

1.0u

100u

10m

1.0

100n

10

7-5 Απόδοση μεγαφώνου

Μεγάφωνο

68

ρεύμα διοχετεύεται στην αντίσταση REA και έτσι πρακτικά η ακουστική ισχύς περιορίζεται κάτω από την

συχνότητα συντονισμού, με ταχύτερο ρυθμό, δηλαδή 24 dB/οκτάβα. Η απόδοση υπολογίζεται από το πηλίκο

AKW

Wη

ΗΛ

= και φαίνεται στο σχήμα 7-5.

7.4 Απόκριση συχνότητας SPL(sound pressure level):

Για ένα επίπεδο κύμα με ένταση

2PI

pc= και ακουστική ισχύ

2 2 22 2 /AKW r I r P pcπ π= = , η

παραγόμενη ηχοστάθμη dB-SPL ισούται με2220log

AK

pref

W pc

rLPπ

= , για ημισφαιρική εκπομπή (στερεά γωνία

2π), με τον δίσκο να λειτουργεί σε άπειρο αποσβεστήρα και για 415pc rayls= ,52 10refP Pa−

= ⋅ και

εφαρμόζοντας 1W WattΗΛ

= .

7.5 Μέτρο συνολικής εμπέδησης Για υπολογισμό της εμπέδησης και της φάσης μετρήθηκε το πηλίκο τάση προς ρεύμα.

Frequency

10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz V(V1:+)/I(Ro)

1.0

10

100

1.0K

7-6 Απόκριση συχνότητας SPL

Frequency 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz

20*log10(sqrt(66*W(Rea))/0.00002) 20

40

60

80

100

7-7 Μέτρο συνολικής εμπέδησης μεγαφώνου

Μεγάφωνο

69

7.6 Γωνία φάσης

Τελικά για τις προσομοιώσεις

επιλέχθηκε το Bl=4.5 (κόκκινο). Φαίνεται

και το σχέδιο στο PSpice στο σχήμα 7-9.

Frequency

10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz p(V(V1:+)/I(Ro))

-100d

-50d

0d

50d

100d

7-9 Ισοδύναμο μεγαφώνου στο pspice

7-8 Γωνία φάσης μεγαφώνου

Βιβλιογραφία

71

Βιβλιογραφία

Ξένη 1. Pierre-Emmanuel Calmel, Class AD Audio Amplifier, Patent No: US 7,545,212 B2 (2009)

2. Sedra/Smith, Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα, Παπασωτηρίου (1994)

3. N.H.Weste, K.Eshraghian, Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων CMOS VLSI, Παπασωτηρίου (1996)

4. Richard C.Jaeger, Μικροηλεκτρονική, Τζιόλα (2003)

5. C.Randy Slone, High-Power Audio Amplifier Construction Manual, McGraw-Hill (1999)

6. Douglas Self, Audio Power Amplifier Design Handbook, Newnes (2002)

7. Engel Roza, “Poly-Phase Sigma–Delta Modulation”, IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—II:

ANALOG AND DIGITAL SIGNAL PROCESSING, VOL. 44, NO. 11, (1997)

Ελληνική 1. Ιωάννης Μουρτζόπουλος, Ηλεκτροακουστική I, Πανεπιστήμιο Πατρών (2009)

2. Ιωάννης Μουρτζόπουλος, Ηλεκτροακουστική IΙ, Πανεπιστήμιο Πατρών (2009)

Διαδίκτυο 1. http://en.wikipedia.org/wiki/Delta-sigma_modulation

2. http://skywired.net/blog/2011/05/introducing-the-delta-sigma-modulator/

3. http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1071.pdf

4. http://www.eeweb.com/blog/andrew_carter/using-transistor-as-a-switch