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© Roland Küng, 2010

Power Amplifier

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Emitterschaltung:Ausgangssignal ist 1800 verschoben: Invertierender Amp

Repetition: Klasse A Verstärker

3

Klasse A Verstärker

Ruhestrom Verluste im BJT: PV = IC*VCE

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Maximales Ausgangssignal Klasse A ergibt sich mit Arbeitspunkt Q in der Mitte der AC-Lastgeraden

Repetition: Klasse A Verstärker

AC-Last: RC//RL

DC-Last: RC

Max. Aussteuerung

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Arbeitspunkt Q näher bei Cutoff des BJT (0 V über RC)

Repetition: Klasse A Verstärker

6

Arbeitspunkt Q näher bei BJT Sättigung (VCE ≈ 0)

Repetition: Klasse A Verstärker

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Klasse A für niederohmige Lasten

Emitterstufe als SpannungsverstärkerKollektorschaltung als Treiberstufe (Stromverstärker)

DC-Verluste in Kollektorschaltung Q3 stören am meisten (Kühlung)

PDC = ICQ*VCC

PAC =0.5(ICQ*VCC/2)

25%

Q3: Sinus

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Grundschaltung Klasse B (nicht-invertierend)

Klasse B Verstärker

Ziel: Ruhestrom = 0

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Kollektorschaltung: Beachte: kein RuhestromVin muss gross genug sein! >> 0.7 V

Klasse B Verstärker

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Beide Halbwellen: Push Pull Betrieb

Klasse B Verstärker

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Illustration der Verzerrung bei Klasse B Verstärkern: zwischen -0.7 V und 0.7 V leitet keiner der beiden BJT.

Die Verzerrung wird Crossover Distortion genannt

Klasse B Verstärker

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• Arbeitspunkt wird durch Stromspiegel Dioden gesetzt umdie Crossover Distortion zu eliminieren.

• Komplementäres Paar im Einsatz (npn und pnp).

Klasse AB Verstärker

IQ = ID1 = (VCC -0.7)/R1

Wahl:• R2 = R1

• D matched zu VBE

auch bez. Temperatur !

Geringer Ruhestrom:

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Klasse AB Verstärker

• In der Superposition beider Kennlinie liegt im Ruhepunkt VCC über jedem BJT• Die Lastspannung kann praktisch von 0 V bis VCC ausgesteuert werden.• Dioden und BJT sollten thermisch gekoppelt sein• Keine Spannungsverstärkung ! Nur Leistungsverstärkung.

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Wirkungsgrad

Max. Ansteuerung Sinussignal (Peak Amplitude VCC): ICsat = VCC / RL

Pout in der Last (Sinus): Pout = 0.5 · ICsat · VCC

Strom in Q1 pro Halbperiode gemittelt: ICC = ICsat / π

PDC = 2·VCC· ICsat / π

vernachlässigt: IQ = (VCC-0.7)/R1

79.02/5.0 =⋅== πηDC

out

P

P

• Für Teilaussteuerung mit VL: η = 0.79·VL/VCC

• Vergleich mit Klasse A: η = 0.25• Single Supply : VCC in Formeln ersetzen durch VCC/2

max.

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Beispiel

ICQ ?

ICsat ?

Rin ?

Pout ?

PDC ?

Rin = Rin(Emitterfolger)21)( RRRrR Lein += β

41 mA, 133 mA, 231 Ω, 1.33 W, 1.7 W

β = 100

(pro Halbwelle betrachtet)

470

470

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Simulation

Simulation mit VG1 = 2 Vpeak

Ausgangsamplitude ?Ströme in Kollektorzweigen?Strom Opamp Ausgang ?

T1 BD139

T2 BD140

D1

1N91

4D

2 1N

914

+

VS1 9

+

VS2 -9

R1 15k

R2 5k

+

VG1

R3

8

R4

470

R5

470

VF1

VF2

+

VS3 15

+VS4 -15

-

++

OP1 TL081C

VF

3

R4,R5 limitiert ib

17

Simulation

Verbesserte Schaltung: Vollaussteuerung

T1 BD139

T2 BD140

D1

1N91

4D

2 1N

914

+

VS1 9

+

VS2 -9

R1 40k

R2 10k

+

VG1

R3

8

R4

1kR

5 1k

VF1

VF2 -

++

OP1 TL081C

+

VS3 15

+

VS4 -15

C1 1u

C2 1u

R6 1k

Vin sinus 2 V

1 kHz

sim transient 10ms-20ms

Limitierend : iout OpAmp

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Single Supply Push-Pull Verstärker

Klasse AB Verstärker

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Beispiel

ICQ ?

ICsat ?

Rin ?

Pout ?

PDC ?

20 mA, 1.25 A, 187 Ω, 6.25 W, 8 W

β= 100

re = 1.25 Ω

20

Darlington class AB push-pull amplifier.

Verbesserung Rin

β = β1 · β2

21A Darlington/complementary Darlington class AB push-pull amplifier.

Variante

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Klasse C Verstärker

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Klasse C Signalformen

Klasse C Verstärker

• Wirkungsgrad nahe 100% erreichbar mit Resonanzkreis als Last• Geeignet für Signale mit konstanter Amplitude

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• Schwingkreis in Kollektor formt aus Pulssignal wieder eine Sinuswelle• Geeignet nur für schmalbandige Signale, z.B. HF-Verstärker

Klasse C Verstärker

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Zusammenfassung

Klasse A Verstärker sind für grosse Leistungen inneffizient: 25% Wirkungsgrad

Klasse B ist eine Variante von Kollektorstufe ohne Ruhestrom, geeignet für für grosse Signalspannungen

Klasse AB verhindert die Verzerrungen durch nichtleitende Diodenstrecken

Feedback für Vorverstärker am besten direkt über der Last abnehmen

Wirkungsgrad bis 79%

Schaltungen verlangen viel Optimierung durch Simulation + Schutz vor Überlastung

Lautsprecher dürfen keine DC Spannung abbekommen.

Klasse C für schmalbandige Signale ohne Amplitudeninformation am effizientesten

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Praktikum

Speaker2 W

einfach

T1 BD139

T2 BD140

+

VS1 9

+

VS2 -9

R1 39k

R2 10k

+

VG1

R3

8

R4

470

R5

470

VF1 VF2

D4

1N91

4D

3 1N

914

R6

2.2

R7

2.2

SW-SPST1

SW-SPST2

C1 1u C2 100u-

+

+

U1 TL081

27

Praktikum

Speaker2 W

verbessert

T1 BD139

T2 BD140

+

VS1 9

+

VS2 -9

R1 33k

R2 10k

+

VG1

R3

8

R4

1kR

5 1k

VF1 VF2

D4

1N91

4D

3 1N

914

R6

2.2

R7

2.2

SW-SPST1

SW-SPST2

R8 1k

C4 1u

C3 1u

C1 1u C2 100u-

+

+

U1 TL081