Förstärkartyper av klass AB

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
Användarvisningsbild
Fritzell
Inlägg: 4531
Blev medlem: 29 januari 2004, 22:43:35

Förstärkartyper av klass AB

Inlägg av Fritzell »

Jag har länge velat lära mig hur dom här rackarna egentligen fungerar. Jag är med på att i ett bipolärt klass AB steg lägger man arbetspunkten så att varje transistor tar hand om varsin "våghalva", men hur funkar det egentligen med MOSFETs? Och hur fungerar egentligen LTP (Long tail pair) med feedback och varför har man en konstant strömkälla? :|
Har läst i flera böcker och på nätet men har inte hittat en enda som beskriver varje del grundligt och vad det är till för och vilken funktion den fyller :/

Slänger in en bild på vanligt förekommande kopplingar och hoppas att nån kan hjälpa mig att reda ut detta :)

Bild Bild

Tack på förhand!
Johan.o
EF Sponsor
Inlägg: 2387
Blev medlem: 18 juni 2003, 01:08:50
Ort: Jönköping

Inlägg av Johan.o »

Hur långt har du kommit med att förstå analog elektronik,; förstärkarekopplingar, vad för litteratur läser/har du läst, och läser du någon kurs i ämnet?

Förstår du till att börja med hur GE,GB,GC -steg fungerar?

Nu var det ett tag sedan för mig själv, och dethär är inte helt enkelt, tom i
fåkomponet-kopplingar kan bli mycket svårt att förstå.

konstant-ström, är intressant i differensförstärkare (bild1: Q1,Q2)
för att förbättra CMRR, Common Mode Rejection Ratio, dvs kvoten mellan
förstärkningen av likfasiga signaler och olikfasiga signaler.

bild1, bestämms förstärkningen av hela steget av ( Rb1/Rb2 ) +1.
pga av att man motkopplat tillbaka utsignalen till differens steget.

Det krävs en hel del räknande för att börja förstå hur allt hänger ihop.
Ofta är det bra att börja med lite enklare kopplingar, Helt enkelt från början.
Användarvisningsbild
Fritzell
Inlägg: 4531
Blev medlem: 29 januari 2004, 22:43:35

Inlägg av Fritzell »

Jo jag antar det. Jag har läst GC och GE och kan väl hjälpligt konstruera ett klass A steg. Har läst Ellära A,B, Elektronisk grundkurs mfl inom analogelektronik och ska börja med analoga kretsar nästa termin. sen har jag labbat rätt mycket också bla byggde en förstärkare av en singlechip och endel annat. Läser en bok just nu som heter "Elektra lågfrekvensteknik" som är rätt bra. Dock är jag inte helt bekant med PNP transistorn än :| Men det är viktigt att förstå dom enkla grejerna innan man kan sätta sig in i mer avancerade saker.
Intressant det du säger.. Skulle gärna vilja veta precis hur allt hänger ihop. Sen fattar jag inte hur Q1 funkar, den får ju ingen förspänning på basen, så signalen måste ju antingen vara överlagrad på en DC spänning eller så är det nått annat
..Det är krångligt detta :humm:
Johan.o
EF Sponsor
Inlägg: 2387
Blev medlem: 18 juni 2003, 01:08:50
Ort: Jönköping

Inlägg av Johan.o »

Tja, som du ser på Q1 basen är dragen mot jord med en resistor,
medans dens emitter har tillgång till negativ spänning.
0V är positivare än negativ spänningen -VEE här.

Då läser du elektronik på elprogrammet och går i tvåan, gissar jag?
Då kommer snart det du är ute efter, iochmed att du läser analoga kretsar
nästa termin så.

Vi hade Elektronik 2000 serien, just den för analoga kretsar tycker jag inte
är helt bra, förekommer även mycket fel i den har jag för mig.

Finns fakta om hur olika fetar fungerar i boken, men exempel förklaras
där man utgår från bipolära transistorer.

Något man får ha i baktanke är dock; elprogrammet är inte till
för att utbilda konstruktörer, utan mer reperatörer.
Därför förekommer det en hel del som helt del som man helt enkelt får svälja som det är: så är det, varför vet jag inte.
Det är oftast så läroböckerna är utformade.
Om du inte får nog och vill veta mer så rekomenderar jag högskolelitteratur
från bilioteket i ämnet. Men se till att lära dig allt grundligt nu när du läser analoga kretsar, innan du gapar efter mer.
pagge
EF Sponsor
Inlägg: 933
Blev medlem: 15 juni 2004, 00:15:08
Ort: Luleå
Kontakt:

Inlägg av pagge »

Eftersom jag nu sitter här helt sömnlös kanske jag kan försöka belysa ämnet :)

Först och främst är det en standard förstärkare bara en väldigt kraftig op amp med dålig slew rate, bandbredd och inspänningstolerans 8).
Vet du hur en op amp fungerar? jag utgår ifrån det tills vidare.

En klassisk op amp byggs i tre steg.

1) Differentialsteget.
2) Spänningsförstärkar steget
3) Spänningsföljar effekt steg.

Där det egentligen bara är effektsteget som skiljer sig mellan klass A och klass B

Såhär fungerar det första differentialsteget. Beakta bilden nedan

Bild

Tänk dig att V1 och V2 bägge är lika, säg 0V.
Då är ju kretsen helt symmetrisk och strömmen från strömgeneratorn på 5mA
fördelar sig helt jämt mellan bägge transistorerna. Exakt samma sak gäller om du har 2V eller nåt annat in på bägge bastransistorerna. Kopplingen reagerar alltså inte alls om man har samma signal in på bägge baserna.


anta å andra sidan att V1 är 2V och V2 är 0V. Då kommer transistorn vid V2 att vara helt i cutoff (övertyga dig om detta) och all ström går på vänstra sidan genom Q1. verkliheten skall det förstårs aldrig gå så långt att ena transistorn går helt i cutoff, då klipper förstärkaren.

kretsen reagerar alltså på, och förstärker SKILLNADEN mellan v1 och v2, men reagerar inte alls på en gemensam signal v1 och v2, därför kallas den DIFFERENTIALFRSTÄRKARE.

I A varianten jag ritat leder man strmmen genom motstånd, och får på så sätt ut en spänning som är K(V1-V2) dvs skillnaden mellan V1 och V2 (plus nån dc komponent naturligtvis)

B varianten är mycket roligare, där använder man en koppling som kallas strömspegel. Vad den gör är att den kollar hur mycket ström som går i vänstra sidan, och ser till att exakt samma ström går i högra sidan, "med alla till buds stående medel".

Hur blir det nu då?, jo om V1-V2 är 0, dvs det inte finns nån skillnad, då är ju kretsen symmetrisk, och 2.5mA går i vänstra ledet. Strömspegeln "kopierar" strömmen ner i högra ledet. eftersom kretsen är symmetrisk drar högra transistorn också 2.5mA, dvs exakt samma sak som
strömspegeln matar ner, och ingen ström måste gå ut via Iout...

Anta att vi höjer V1 potentialen lite, då matar vi Q1 så det går säg 4mA där och 1mA i Q2, Då kommer s strömspegeln att mata ner 4mA, den följer ju strömmen som Q1 drar på vänstra sidan. Men Q2 sväljer ju bara 1mA, 3mA blir ju över... Dessa går ut vidare till nästa steg.

Utsignalen från strömspegeln är alltså en STRÖM och inte en spänning som man kanske är van vid.


Slutliggen:

Räknar man lite algebra är utsignalen från A varianten: gm*Rc/2 (om jag inte kommer ihåg fel...)

utsignalen (ström) från B varianten (V1-V2)*gm

där gm är transistorn spänningsförstärkning, du kanske är van vid Beta, eller hfe som är strömförstärkningen, med spänningsförstärkning menas:
om jag höjer bas emitter spänningen med 1V, hur många ampere drar transistorn då? Dvs gm=Ic/Vbe till skillnad från beta som är B= Ic/Ibe

Är detta begripligt överhuvudtaget? Du får säga nä :)
Isåfall kan vi gå vidare till hur man skapar de strömkällor och strömspeglar jag har ritat ut symboliskt nu... en strömspegel är ju ingen komponent, utan nånting man bygger av transistorer.

Slutligen ser du att det är variant A som de har använt i de stegen du skickade bild på.
Användarvisningsbild
Fritzell
Inlägg: 4531
Blev medlem: 29 januari 2004, 22:43:35

Inlägg av Fritzell »

>>Johan.o
Japp går andra året på elprog. intriktning elektronik. Vi hade en Elektronik 2000 bok i ettan i kursen 'Elektronisk Grundkurs' men det är ju helt riktigt som du säger att de flesta böcker säger bara "Så här är det, så här blir det" osv, jag vill ju lära mig hur man kostruerar från början! Hursomhelst ska det bli kul att börja med analoga kretsar till vårterimen :)

>>pagge

Ahh Mycket intressant! Nu börjar det klarna lite med hur feedbacken funkar också. Om signalen från feedbacken blir större än insignalen blir strömmen genom Q1 mindre och likaså förstärkningen, rätt? Tror jag förstod det mesta faktiskt väldigt fiffig konstruktion Men egentligen kan man väl utesluta motståndet på Q1s kollektor för man tar väl ändå inte ut nån signal där samt strömmen är ju redan begränsad :?: .
Vet hur en op-amp funkar förresten men inte hur den funkar "inuti"
Tack för att du tog dig tid med att skriva detta mitt i natten :shock: :)
pagge
EF Sponsor
Inlägg: 933
Blev medlem: 15 juni 2004, 00:15:08
Ort: Luleå
Kontakt:

Inlägg av pagge »

En op amp (Med negativ återkoppling, dvs lite motstånd å prylar från utgången till minusbenet) strävar ju efter att hålla samma potential på minusbenet som på plusbenet.

Sätter man t.ex insignalen på plusbenet då och kopplar utsignalen från effektsteget in på minusbenet, då kommer opampen att reagera så att minusbenet (dvs utgången) är likadan som ingången. Häri ligger det fiffiga, eftersom utgångssteget ofta är ganska olineärt och utan återkoppling skulle låta kasst, så ser återkopplingen till att lineärisera din förstärkare så den låter bättre.

Du kan se det som att det sitter en gubbe i opampen som tittar på insignalen och vrider på en liten ratt så utsignalen ser likadan ut.

Nåväl, nästa lektion är strömkällor, vad äter och bor de, och hur gör de? :)

Först allmänt, vad är en spänningskälla?
Jo, en "sak" som oavsett ström uprätthåller konstant spänning.
En strömkälla är en doning som oavsett spänning över den, uprätthåller
konstant ström. Man kan säga att den anpassar sin spänning så den önskade strömmen uprätthålls.


Bild

Du ser 3 varianter. Enklast (och sämst :) är A

Funkar helt enkelt så att man via Ra skapar en basström, och vidare då får en Ic = B*Ib. Vad är det för fel på detta då? Vi har ju en strömkälla som är oberoende av spänningen på collectorn (annars hade det ju inte varit en strömkälla :).

Först och främst är man beroende av Beta som varierar väldigt mycket även mellan transistorer av samma typ och ännu värre är tempraturberoende så det går inte ens att trimma det rätt för en enskild transistor. när den blir varm så skenar den ändå.

Sen beror Ic av Ib, som i sin tur beror av spänningen över Ra vilket är matningsspänningen. Alltså beror Ic av matningsspänningen och det är dåligt då den oftast ripplar, samma rippel avspeglar sig på strömmen Ic.

=====================

Variant B

Hyffsat enkel, man tilsätter en lysdiod för att få en "konstant" referens spänning så man slipper ifrån matningsspänings beroendet som plågar A.

Emittermotståndet Re botar Beta beroendet. Man vet att det alltid faller c:a 0.65V från bas till emitter, då är det 1.35V kvar över Re. Men den allra största strömmen kommer ju från kollektorn så man kan säga att Re bestämmer kollektorströmmen. Ic = 1.35V/Re. För rimliga värden på Re.
I den formeln finns inget Beta beroende och det e sött. Sätter man Re = 270 ohm får man ett IC på 5mA. (förutsatt att lysdioden har Vf 2V)

Ic bestäms nu endast av Re och lysdiodens framspänning. Bägge värdena är relativt oberoende av tempratur och matningsspänning.

Slutligen nu vet vi att vi får en basström på c:a 50uA, ser vi till att det går en ström c:a 1mA genom Ra så kan man försumma basströmmen helt och hållet, därav det röda krysset.


========================
Version C

Varför detta då? Version B är ju snäll...

Jo det finns inga ideala strömkällor, de har utresistans precis som spänningskällor. Och variant C har bättre sådan.

Vad menas med utresistans på en strömkälla?
Jo man modelerar det som ett motstånd paralellt med en ideal strömkälla, då får man ju de oideala betendet att om man varierar spänningen över strömkällan så varieras även strömmen (vilket en ideal per definition inte kan) eftersom motståndet suger lite ström. En ideal strömkäla har då Oändlig utresistans till skillnad fårn en Ideal spänningskälla som har 0 utresistans.

Bild

Hur fungerar variant C då?

Ström kommer att ledas genom Ra genom den övre transistorn (Ja, genom krysset där det inte går nån ström :) ner genom Re. Allteftersom mer ström går stiger spänningen över Re, tills den nedre transistorn tänder vid 0.65, då rycker den till i basen på den övre så att all överflödig ström som går genom Ra leds ner och försumbar ström går nu in genom krysset.

Alltså har vi 0.65V över Re och Re bestämmer på samma sätt som tidigare strömmen Ic eftersom all (nästan) ström genom Re kommer från Ic eftersom försumbar ström går genom kryssen.

Vi är oberoende av matningsspänningen då detär Vf för nedre transistorn som tilsammans med Re bestämer strömmen

Vi är även oberoende av beta eftersom kretsen är så robust att den inte bryr sig om basströmmarna som är beta beroende (Vi har ju bestämt Ic, om Ic är bestämd så är ju Ib bestämd i termer av beta. Lite bakvänt gentemot hur man brukar se det där Ic bestäms av Beta och Ib.)

Rent allmänt blir man betaoberoende väldigt ofta om man lägger till emittermotstånd i sin krets på rätt ställe med rätt värde. Priset man får betala i förstärkarkretsar är ofta lägre gain, men vi bryr oss inte om gain i detta fall, vi vill ju ha konstant ström så det är bara en bonus.
Senast redigerad av pagge 31 december 2004, 21:34:25, redigerad totalt 1 gång.
Användarvisningsbild
Fritzell
Inlägg: 4531
Blev medlem: 29 januari 2004, 22:43:35

Inlägg av Fritzell »

Hehe okej =) förresten.. känns som det fattas nånting på C :wink:
Och en sak till. Det här med negativ återkoppling.. om jag har fattat det rätt så kommer altså utsignalen följa insignalen på det sättet att differentialen först förstärka signalen på + och ju starkare den blir kommer tillslut - (feedback) bli större och då kommer den förstärkas åt andra håller istället (minus) men då sjunker den precis under signalen på + och kommer fortsätta att förstärkas igen och detta håller på konstant och går väldigt fort. Stämmer det?

Edit: oj har inte hunnit läsa klart B och C än
edit: syftade mer på bilden C.. ska det inte vara nån spänningskälla?
Senast redigerad av Fritzell 31 december 2004, 21:55:07, redigerad totalt 2 gånger.
pagge
EF Sponsor
Inlägg: 933
Blev medlem: 15 juni 2004, 00:15:08
Ort: Luleå
Kontakt:

Inlägg av pagge »

mjae, tror d skall stämma :roll:
C är ju den koppling som sitter i ditt schema du pastade.
Där sitter den uppoch ner och är gjortd av pnp transistorer, men det är exakt samma princip.

Edit: Jo, precis så kan man tänka sig att feedback funkar.
Användarvisningsbild
Fritzell
Inlägg: 4531
Blev medlem: 29 januari 2004, 22:43:35

Inlägg av Fritzell »

Japp ser det ursäkta missförståndet, skrev det innan du hade skrivit klart om C :D. Mycket väl och lättförståeligt skrivet :tumupp: Fast din C var lättare att fatta med NPN transistorer än den i ritningen med PNP, känns ju fel att "börja" med 0V
Tack för lektionen :)
Kom att tänka på en sak ang feedbacken.. eftersom spänningsdelaren gör basspänningen på feedbacken blir så låg så kommer ju den aldrig bli högre än inspänningen och då kommer väl ingen stabilisering ske :humm:
pagge
EF Sponsor
Inlägg: 933
Blev medlem: 15 juni 2004, 00:15:08
Ort: Luleå
Kontakt:

Inlägg av pagge »

Jusstja, nedersta delen skall precis som i de andra exemplen vara kopplade till -12.
Jag sätter in siffror, ibland när man skall förstå principer tycker jag det illustreras enklast om man matar in exempelsiffror istället för bokstavssymboler. Ibland är det tvärt om... just nu tyckte jag siffror passar bättre än Vee, Vf m.m.

Sant att spänningsdelningen delar ner utspänngingen. Men eftersom opampen har så väldns hög differentiell förstärkning löser det sig ändå, såhär.

Vad op ampen då kommer att göra är att försöka hålla den neddelade utspänningen på samma nivå som insignalen. Man säger att det är en virtuell kortslutning mellan inbenen på opampen. Bägge benen är på "samma" potential, men olikt en vanlig kortslutning så går det ingen ström i denna. Anledningen till att benen är på samma potential är för att opampen anpassar sin utgång så att den virtuella kortslutningen upprätthålls.

Bild
pagge
EF Sponsor
Inlägg: 933
Blev medlem: 15 juni 2004, 00:15:08
Ort: Luleå
Kontakt:

Inlägg av pagge »

Så var det dags för nästa byggblock. Strömspegeln.
Hälften av förstärkaren avklarat nu :)

Iofs används inte spegeln i din ritning, men det är en praktisk krets att känna igen då många andra förstärkare använder såna.

Bild

Nyckeln här är symmetri. Som vanligt ignorerar vi basströmmen som är överkryssad :)

Vi matar ner en ström, på något sätt kanske en transistor i diffsteget (se det kapitlet variant B, på referenssidan). Först leder inte transistorn då knallar strömmen ner genom basen, alltetersom drar vänstra trissan mer collectorström tills jämvikt infinnes och referensströmmen till största del går ner genom collektorn.

Detta resulterar i en spänning över bas-emitter. Faktiskt EXAKT den spänning som krävs för att transistorn skall dra referensströmmen.
och EXAKT samma spänning ligger över andra transistorns bas-emitter. Eftersom bas-emitter spänningarna är lika, måste även basströmmarna vara lika, därför är collektorströmmarna lika. Slutsatsen blir att högra transistorn slaviskt försöker dra samma ström som den referensström som går i vänstra.

Strömmen SPEGLAS alltså i STRÖMSPEGELN :)

Det finns ett litet problem dock. Bas-emitter spänningen är väldigt tempraturberoende. 0.65V kan vid 25C ge 1mA och vid 75C ge 5mA (värden tagna ur luften, stor skillnad iaf.). Eftersom det är spänningen som speglas över (vilket resulterar i matchad basström) är det viktigt att bägge transistorerna har samma tempratur för att man skall få matchad basström. Det finns matchade transistorpar i samma kapsel, då får de ju mkt liknande tempraturförhållanden.

En annan variant är att trycka dit emittermotstånd, De motstånden kommer precis som tidigare att göra oss mindre beroende av transistorparametrar. Som en ren bonus kommer dessa även att öka utresistansen (vilket var bra för strömkällor, tvärt om mot spännings).

Räknar man lite granna kommer man fram till att om man håller 50mV eller mer över motstånden börjar man gå fri från tempberoendet. Varför inte mer? Du tappar output swing. Lägger du säg 2V över motstånden, då kan ju collectorn på speglsidan inte sjunka djupare än c:a -10V med -12V matning. Ibland har man swing att röra sig med så det räcker, då är det bara att kräma på, men 50mV duger rätt bra för att balansera.

dvs räknar du med att ha strömmar på c:a 1mA, då trycker du dit 50Ohms motstånd. Kanske ta till lite och dänga en 100Ohmare, då blir det ännu stabilare.
Användarvisningsbild
Fritzell
Inlägg: 4531
Blev medlem: 29 januari 2004, 22:43:35

Inlägg av Fritzell »

Invecklat det där men jag tror jag är med på noterna nu. Har suttit och begrundad strömkällan (C) ett tag nu. Jag vill lixom förstå allt med alla spänningar och strömmar överallt, gärna så mycket att jag tillslut kan konstruera ett själv :) Lite frågor...
1. Det där med op:ns negativa återkoppling är jag med på men en förstärkare har ju inte alls lika kraftig förstärkning som en op...men detta kan vi återkomma till (feedback)
2. Hur mycket ström är det rimligt att använda vid tex en LTP i strömkonstanten? Sen värdet på Ra kvittar ju nästan bara den inte begränsar basströmmen mer än att Ic(konstant) kan hållas :?:
3. Vilka är fördelar/nackdelar med mirror/ström och inte mirror/spänning?
pagge
EF Sponsor
Inlägg: 933
Blev medlem: 15 juni 2004, 00:15:08
Ort: Luleå
Kontakt:

Inlägg av pagge »

Det är bra att du försöker förstår allt, det måste man för att kunna designa egna kretsar sen. Fråga gärna om det är nåt du inte förstår :)

Svar:

1: Fel, förstärkaren har hög (Open loop, utan återkoppling) förstärkning precis som en Op amp.
Du tänker på att man bara förstärker audiosignalen säg 10-20 ggr, men det är ju pga återkopplingen. Utan återkoppling är det en effektopamp du har ritning på där. Tar du en op amp och kopplar den som ickeinverterande förstärkare så bestämmer du ju förstärkningen med motstånden, även om OPEN LOOP gain är 100000 ggr, så kan du får en förstärkning på 10 eller vad du vill CLOSED LOOP, med återkoppling.

2 LTP?... Helt sant att värdet på Ra är mer eller mindre oviktigt. Trevlig egenskap, ju mer man kan försumma ju bättre :)

3 Mirror ström mirror/spänning... Nu är jag inte riktigt med på vad du menar. Är det strömkällan eller strömspegeln du pratar om?.

EDIT: Läste ditt tidigare inlägg om LTP = Long tail pair. Har googlat lite på LTP och det verkar som om det bara är ett annat namn för det jag tidigare kallade för "differentialförstärkare".

Fast det kanske inte var det som var frågan :) I den förstärkare jag byggde tror jag det landade på 5-10mA. Det är inte jättekritiskt men det påverkar värmeutveckling (10mA vid 30V är 0.3W). Påverkar även drivförmågan för diffsteget. steget kan ju inte mata mer än vad strömkällan drar. Drivförmågan påverkar även slewraten som vi skall se senare när vi kommer till VASen (voltage aplification stage) som ger opampen (förstärkaren) sitt höga open loop gain.

Edit2: Jag säger helatiden att det är en opamp man bygger. Det är sant, men man har andra designkriterier. I en audioförstärkare bryr man sig int om Rail to rail input, Strömsnålhet eller Bandbredd. Slewrate bryr man sig inte så fasligt mycket om heller. Alla 4 kriterier är viktiga för komersiella opampar. Sen bryr man sig sjukligt mycket om distortionen och uteffekten, något komersiella opampstillverkar inte bryr sig så fasligt om. Detta leder till att man får andra värden på komponenterna när man optimerar än de som sitter i en IC opamp. Har för mig att en ua741 har tailström på 100uA och inte 10mA som min förstärkare t.ex.
Användarvisningsbild
Fritzell
Inlägg: 4531
Blev medlem: 29 januari 2004, 22:43:35

Inlägg av Fritzell »

Hmm okej intressant. Så en förstärkare har altså så hög spänningsfärstärkning.. Men det betyder ju att om man inte har på nån insiganl kommer all ström (säg 10mA) gå genom vänstra transistorn och ingen på högra eftersom den inte har öppnat än med en spänning från feedbacken. Säg att man matar in 1V och man vill begränsa spänningsförstärkningen till 10V. Skall man då dimensionera spänningsdelaren till feedbacken så att vid 10Vin blir 1Vut (lika stor som insignalen)? Då kommer det gå 5mA genom varje transistor? Betyder det att när det går 10mA genom vänstra transistorn ger det maximal förstärkning av steget, och vid 5mA ingen förstärkning alls :? Eller är det så att om den försöker förstärka MER än 10V kommer feedbacken blir så stor att högra transistorn kommer "Ta över" strömmen och förstärkningen minskar ner till 10V igen?

Menade differentialförstärkare när jag skrev LTP, borde kanske förtydligat mig lite. Jag tänkte vilken är skillnaden mellan att använda en mirror där man tar ut en Ström eller inte använda mirror och ta ut en spänning istället. Hur dimensionerar man då kollektormotståndet :humm:

Hittade förresten denna ritning där dom använt mirror
Skriv svar