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TP Audio Profesional 2015 Farinati Matias
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UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES
FACULTAD DE INGENIERÍA Año 2015 – 1
er Cuatrimestre
Departamento de Electrónica
Audio Profesional 66.48 Curso 01 - Sinnewald - Vechiatti - Gomez - Rubinstein
Trabajo práctico
Amplificador de audio de potencia Clase B
Fecha de la práctica: lunes 18 de mayo.
Alumno:
- Farinati, Matias Eduardo - 91852
Departamento de Electrónica – Audio Profesional – 66.48
Segundo cuatrimestre 2015.
Amplificador de potencia Clase B.
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Amplificador de potencia Clase B
1. Seleccionar los transistores adecuados y determinar el valor de los componentes
para obtener los siguientes valores de corrientes de reposo: a. Par diferencial: 2 mA c/u, Buffer: 1 mA, Vas: 6 mA, Salida: 110 mA b. Ganancia: 27 db.
2. Determinar el valor del capacitor de compensación relevando módulo y fase de la transferencia a lazo abierto.
3. Calcular la THD a 1 KHz y 10 KHz para 30 V pico a la salida. 4. Determinar la corriente de reposo para el funcionamiento del equipo en clase A
para una salida de 30V pico y el valor de la THD. 5. Reemplazar los transistores Q10 y Q12 por MJE3055 y MJE2955 y calcular la
THD a 1 KHz y 10 KHz para 30 V pico a la salida y corriente de salida 110 mA. 6. Realizar una tabla comparativa de los valores de los puntos 3,4 y 5
Utilizar valores de componentes Standard convencionales para los resistores y capacitores que den los parámetros más próximos a los deseados. Calcular la THD utilizando el gráfico de la simulación y teniendo en cuenta hasta la componente de orden 7 del espectro
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1. Seleccionar los transistores adecuados y determinar el valor de los componentes
para obtener los siguientes valores de corrientes de reposo: a. Par diferencial: 2 mA c/u, Buffer: 1 mA, Vas: 6 mA, Salida: 110 mA b. Ganancia: 27 dB.
Los transistores son: Par diferencial: 2N3906 General purpose PNP amplifier x2. Fuente de corriente: 2N3906 General purpose PNP amplifier. Carga activa (fuente espejo): 2N3904 General purpose PNP amplifier x2. Seguidor o buffer: 2N3904 General purpose PNP amplifier. Amplificador emisor común: BD135 NPN Power transistor. Carga activa: BD136 PNP Power transistor. Seguidor de potencia Darlington: BD135 NPN Power transistor y MJL3281A Seguidor de potencia Darlington: BD136 PNP Power transistor y MJL1302A Si se quiere 2mA en cada rama del par diferencial, la fuente de corriente que los alimenta debe ser de 4mA. Esta está determinada por la fuente , la caída de
y la resistencia a determinar. Físicamente es un diodo LED de color rojo el cual tiene una tensión de forward .
Para hacer funcionar al diodo como fuente de tensión sin quemarlo, necesitamos añadir una resistencia:
La corriente del buffer se controla gracias a la tensión fija de la juntura BE de Q8:
Seguido a esto tenemos un amplificador emisor común con carga activa. Esta carga es la que le impone la corriente de reposo. También por medio del LED:
Esta fuente de tensión se implementará físicamente con un multiplicador de típico. El mismo tiene que alimentar las cuatro junturas de los transistores de potencia. En un cálculo aproximado:
Se debe realizar un ajuste manual hasta encontrar la tensión precisa que genere los
110mA en la salida. En un circuito real, se comienza desde y con un preset (que forma parte del multiplicador) se aumenta gradualmente el valor de . Mediante simulaciones, se vio que esta corriente de reposo es la óptima para una baja THD. Una corriente por arriba hace crecer la armónica más significativa. Y una corriente por debajo genera un incremento y estabilización de la amplitud de las armónicas superiores.
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Junto con se forma la realimentación negativa que fija la ganancia a lazo cerrado. Una ganancia de 27dB es lo mismo que amplificar
El amplificador toma la configuración no inversor de la figura y su ganancia es:
En continua todo el circuito debe velar por que las corrientes del par diferencial sean lo
más parecidas posible. Para esto las bases de y necesitan la misma resistencia hasta llegar a la referencia. Para continua es un circuito abierto y desacopla . Entonces ve a en su base.
Más adelante necesitaremos en la salida. Para esto la tensión pico de la entrada debe ser:
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El punto de polarización nos queda como muestra la figura:
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2. Determinar el valor del capacitor de compensación relevando módulo y fase de la
transferencia a lazo abierto. Primero analizamos la respuesta en frecuencia del amplificador a lazo abierto. Esto se simula en Spice con el siguiente circuito:
Podemos ver que a se llega a un giro de fase de con ganancia de tensión
de . Así como está el amplificador es inestable. Debemos colocar un polo dominante de forma tal que la nueva curva de ganancia pase por justo a la frecuencia del primer polo natural del circuito.
De esta forma a la nueva frecuencia de tendremos un de giro de fase gracias a nuestro polo de compensación y gracias al polo natural.
En total son de giro en , o lo que es lo mismo, un margen de fase de . Con este margen de fase aseguramos estabilidad y una respuesta al escalón rápida y sin sobrepicos.
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Sin compensación.
Con compensación.
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El polo dominante que agregamos se encuentra en una frecuencia cercana a los . Un polo en esta frecuencia supondría un capacitor muy grande. Para realizar la compensación con un capacitor de un valor aceptable, se utiliza el efecto Miller. El mismo consiste en colocar el capacitor entre la entrada y la salida de un bloque amplificador. Utilizamos los transistores de la etapa . En un circuito real es conveniente dejar sin soldar el capacitor para luego hacer prueba y error con el valor de capacidad definitiva. En nuestra simulación encontramos para un margen de fase de . Esta capacidad es pequeña y se debe ser muy cuidadoso a la hora de armar el circuito impreso. Sin darnos cuenta podemos agregar capacidades parásitas que modifiquen nuestra compensación.
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3. Calcular la THD a 1 KHz y 10 KHz para 30 V pico a la salida.
Por definición la THD es una medida de la distorsión que genera un bloque no lineal. Se calcula como la relación entre la suma de las potencias de todas las componentes armónicas y la potencia de la frecuencia fundamental. La misma ecuación en función de los valores de tensión es:
√∑
√
Consideraremos las primeras siete armónicas. Para que la FFT realizada por Spice sea lo suficientemente precisa debemos modificar la resolución de cálculo de la simulación. Realizamos ciclos de la onda senoidal y en cada ciclo tomamos muestras o puntos.
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4. Determinar la corriente de reposo para el funcionamiento del equipo en clase A para una salida de 30V pico y el valor de la THD.
En la etapa de salida funcionando como Clase A se tiene una corriente de reposo igual para cada transistor. A partir de esta, la corriente debe realizar la excursión para el semiciclo positivo hacia arriba y para el negativo hacia abajo. Los transistores nunca
llegan al corte y conduce los de la señal.
En un semiciclo positivo de la carga consume y son entregados por el transistor NPN. Además entrega una corriente adicional, para mantener al PNP en
conducción. Llegando a los .
En el semiciclo negativo de la corriente del NPN baja pero sin llegar a y entrar
en corte. Con logramos mantenerlo en conducción. Por lo tanto la corriente de reposo tiene que estar en el valor intermedio de estos dos extremos.
Para asegurarnos que ningún transistor corte podemos llevar esta corriente a .
Para fijar esta corriente de reposo necesitamos en la salida del multiplicador de En la figura vemos las excursiones de corriente de cada transistor y la corriente en la carga.
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5. Reemplazar los transistores Q10 y Q12 por MJE3055 y MJE2955 y calcular la THD a 1 KHz y 10 KHz para 30 V pico a la salida y corriente de salida 110 mA.
El par que analizamos anteriormente son transistores para un “High-end customer audio products”. Tienen características excepcionales en los distintos aspectos que hacen a un transistor amplificador de potencia. Por ejemplo la hoja de datos nos relata sus virtudes:
Gran zona segura de operación.
Coincidencia de ganancia NPN/PNP con error menor a 10%
Excelente linealidad.
Alta . Alta frecuencia.
Libre de plomo. o Performance asegurada en altas potencias. o Características simétricas en configuraciones complementarias. o Reproducción precisa de la señal de entrada. o Mayor rango dinámico.
Es notorio como para nuestro amplificador la etapa de salida queda sobredimensionada. El valor actual de estos transistores en Electrónica Liniers es: NPN 16,53$ y PNP 14,08$. Un total de 30,61$. Ahora analizaremos como funciona nuestro amplificador con los modestos transistores MJE3055 y MJE2955.
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Estos transistores no tienen especificaciones tan extremas. Y su hoja de datos no puede mostrarnos tantos beneficios como antes. No obstante, están bien dimensionados para la etapa de salida. La simulación nos muestra que en términos de THD, obtenemos la misma performance. El valor actual de estos transistores en Electrónica Liniers es: NPN 7,9$ y PNP 9,57$. Un total de 17,47$. En síntesis ahorramos un en el costo de la etapa de salida sin perjudicar la distorsión del amplificador.
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6. Realizar una tabla comparativa de los valores de los puntos 3,4 y 5
Componente Armónica
MJL3281A y MJL1302A MJE3055 y MJE2955
Clase A Clase B Clase B
1KHz 10KHz 1KHz 10KHz 1KHz 10KHz
V1 30 30 30 30 30 30
V2 5,88E-06 2,16E-05 7,67E-06 1,29E-05 8,08E-06 6,20E-05
V3 8,76E-06 5,81E-05 7,75E-06 4,59E-05 1,02E-05 2,57E-05
V4 1,70E-06 8,30E-06 3,86E-06 3,02E-05 1,37E-06 1,71E-05
V5 4,00E-06 2,14E-05 4,66E-06 5,99E-05 4,34E-06 2,26E-05
V6 0,00E+00 2,60E-06 1,59E-06 1,91E-05 7,20E-07 1,55E-05
V7 2,85E-06 8,33E-06 1,18E-06 3,76E-05 1,90E-06 2,93E-06
THD% 0,000039 0,00022 0,000042 0,00031 0,000047 0,00025 Para todos los casos es común el aumento de la THD junto con el aumento de la frecuencia. No se ven diferencias significativas al pasar a Clase A. Si bien se puede ver una pequeñísima mejora, el costo es muy alto. ¡En reposo, cada transistor disipa ! Nos veremos obligados a sobredimensionar nuestro disipador (uno de los componentes más costosos del amplificador) o hasta pensar en ventilación forzada para no dañar los transistores. En cambio en Clase B sin señal solo se disipan y la THD no sufre grandes cambios. Lo mismo sucede con los nuevos transistores, logramos un buen beneficio al bajar el costo sin modificar la THD. Como conclusión podemos decir que lo más influyente en la THD de un amplificador de este tipo es la topología de sus distintas etapas. Utilizar fuente de corriente transistorizada para alimentar el par diferencial, carga espejo
activa, resistencias de realimentación local en el par diferencial, buffer antes de , carga activa para y multiplicador de , etc. ayuda a mejorar la linealidad del amplificador.
