Difficultés avec le biais d'amplificateur de classe B

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Ici, je me réfère à l'amplificateur de puissance de sortie de classe B.

Ce circuit devrait être facile à construire et à comprendre, mais j'ai des problèmes de polarisation car je ne sais pas vraiment comment polariser les bases de Q1 et Q2, de sorte que Q1 ne conduirait que des signaux de polarité positive et Q2 ne conduirait que de la polarité négative signaux .

Il semble que je n'ai réussi qu'à polariser correctement un amplificateur de classe A, mais pas de classe B.

Comment aurais-je dû polariser le circuit supérieur pour obtenir un fonctionnement de classe B d'un amplificateur?

biasing class-b-amplifier power-output-stage Keno
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Il y a une discussion concernant le réglage des vbias ici: amplificateur de batterie 9V . Notez qu'il traite également du bootstrapping, auquel oldfart fait référence dans son commentaire ajouté.

jonk

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Il existe un simple circuit connu qui fonctionne comme un «zener programmable». Voici le schéma de principe:

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Pour une application réelle, la résistance variable peut être divisée en trois parties pour obtenir un contrôle plus précis. En variant la résistance, vous pouvez régler la tension «zener» entre les bases des deux transistors Q1 et Q2 et ainsi contrôler le courant de repos.

Oublié: Tout comme un vrai zener, il a besoin d'une résistance au sommet.

Au bon vieux temps, le transistor était physiquement monté sur le dissipateur thermique, vous disposiez donc également d'une compensation thermique. Cela m'a pris du temps pour trouver une image sur le www mais en voici une:

Post edit
Comme mentionné dans le commentaire ci-dessous, vous devez être prudent avec ce circuit. Avant la première utilisation, vous devez vous assurer que la résistance variable est réglée de sorte que la base soit à la tension du collecteur. Il y a donc une chute de tension minimale. Ensuite, vous tournez la résistance jusqu'à ce que la polarisation soit `` correcte '', ce qui signifie normalement que vous ne voyez plus (portée) entendre (oreilles) la distorsion du signal de sortie. Vous pouvez le tourner un peu plus, ce qui augmentera le courant de repos dans l'étage de sortie. (Il obtiendra plus la caractéristique d'un amplificateur de classe A.)

Oldfart
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Au lieu de ce Vbias dans mon circuit, cela devrait le remplacer?

Keno

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Oui, mais vous avez besoin d'une résistance de V + car elle doit être alimentée quelque part. Attention si la tension zener est trop élevée la première fois que vous l'utilisez, les deux transistors de phase terminale seront conducteurs donc vous aurez un court-circuit de V + à V-. Assurez-vous que la base est connectée au collecteur! Ensuite, baissez-le lentement et mesurez le courant dans les étapes finales.

Oldfart

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Tout d'abord, comprenez qu'il ne s'agit que d'un suiveur à double émetteur utilisant un darlington de chaque côté. La tension à la sortie sera à peu près la tension à la sortie opamp. Le but des émetteurs suiveurs est de fournir un gain de courant.

Si chaque transistor a un gain de 50, par exemple, alors le courant que l'amplificateur opérationnel doit fournir et absorber est environ 50 * 50 = 2500 fois moins que ce que la charge consomme. Par exemple, si la charge consomme 1 A, l'ampli-op n'a besoin que de 400 µA de source.

Un problème avec un émetteur suiveur est que la tension de sortie diffère de la tension d'entrée par la chute BE du transistor. Disons par exemple que c'est environ 700 mV lorsque les transistors fonctionnent normalement. Pour un émetteur suiveur NPN, vous devez commencer avec 1,7 V en entrée si vous voulez 1 V en sortie. De même, pour un émetteur suiveur PNP, vous devez mettre -1,7 V si vous voulez que -1 V soit sorti.

En raison de la mise en cascade de deux transistors, ce circuit a deux gouttes de 700 mV de l'ampli-op à la sortie. Cela signifie que pour augmenter la sortie, l'ampli-op doit être supérieur de 1,4 V. Pour réduire la sortie, l'ampli-op doit être inférieur de 1,4 V.

Vous ne voudriez pas que l'ampli op doive sauter soudainement de 2,8 V lorsque la forme d'onde passe du positif au négatif. L'ampli-op ne peut pas le faire soudainement, il y aurait donc un petit temps mort au passage par zéro, ce qui ajouterait de la distorsion au signal de sortie.

La solution utilisée par ce circuit est de mettre une source 2,8 V entre les entrées des haut-parleurs côté haut et bas. Avec une différence de 2,8 V au niveau du variateur, les deux pilotes de sortie seront sur le point d'être allumés à 0 sortie. Une entrée un peu plus élevée et le pilote supérieur commencera à rechercher un courant important. Un peu plus bas, et le pilote du bas commencera à couler un courant important.

Un problème est d'obtenir ce décalage juste pour éliminer le saut d'entrée requis aux passages à zéro, mais ne pas allumer les deux pilotes tellement qu'ils finissent par se conduire. Cela ferait circuler un courant inutile et dissiperait une puissance qui ne va pas à la charge. Notez que 700 mV n'est qu'une valeur approximative pour la chute BE. C'est raisonnablement constant, mais cela change avec le courant et aussi avec la température. Même si vous pouviez régler exactement la source 2,8 V, il n'y a pas une seule valeur exacte pour l'ajuster.

C'est à cela que servent RE1 et RE2. Si le décalage de 2,8 V est un peu trop élevé et qu'un courant de repos important commence à circuler à travers les haut et les bas, alors ces résistances auront une chute de tension à travers elles. Quelle que soit la tension apparaissant aux bornes de RE1 + RE2, elle soustrait directement le décalage de 2,8 V du point de vue des deux pilotes.

Même 100 mV peuvent faire une différence significative. Cela sera causé par 230 mA de courant de repos. Notez également que 700 mV est probablement du côté bas, en particulier pour les transistors de puissance lorsqu'ils transportent un courant important.

Dans l'ensemble, la source 2,8 V est destinée à garder chacun des pilotes haut et bas "prêt", sans les allumer suffisamment pour qu'ils commencent à se battre et à dissiper beaucoup de puissance.

Bien sûr, tout est un compromis. Dans ce cas, vous pouvez échanger plus de courant de repos pour un peu moins de distorsion.

Idéalement, en classe B, un côté s'arrête complètement lorsque l'autre commence à prendre le relais. Cela ne se produit presque jamais dans la pratique, mais ce schéma en est raisonnablement proche.

Olin Lathrop
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Est-ce le point où la distorsion de commutation prend sa place? Dans mon livre, si j'ai bien compris, il est décrit comme les deux côtés (npn et pnp) conduisent plus de 180 degrés de signal?

Keno

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@Keno: La distorsion croisée peut se produire dans les deux sens. Le pire est généralement lorsque les pilotes côté haut et bas conduisent moins de la moitié du temps. L'opamp doit sauter par-dessus la zone morte, ce qui prend un temps fini. Chaque conducteur pendant plus de la moitié du temps ne provoque pas nécessairement de distorsion. Cela dépend de la fluidité de leur entrée et de leur sortie les unes par rapport aux autres. Les deux conduisent tout le temps en classe A, par exemple, et plus de la moitié du temps en classe AB. C'est le point de la classe AB par rapport à la classe B. Certains fondus représentent une puissance gaspillée mais pas nécessairement une distorsion. Une bande morte déforme.

Olin Lathrop

Je suis d'accord avec toi! Mais aussi proche que possible de la classe B, l'amplificateur serait plus efficace, non?

Keno

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@Keno: Oui, la classe B est l'efficacité optimale pour un système d'élément de passage linéaire. Il est très difficile de faire basculer les deux côtés exactement à droite. C'est pourquoi la classe AB. Laisser un petit fondu pour réduire la distorsion de croisement, à un petit prix en efficacité.

Olin Lathrop

Encore une chose. Le point / la zone de conduction où les côtés npn et pnp conduisent simultanément, cela peut-il ajouter une distorsion supplémentaire à l'amplificateur ou cette zone de conduction simultanée n'est-elle pas le sujet de la distorsion?

Keno

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La différence entre la classe A et la classe B est le courant de repos à travers la dernière étape.

Si vous mettez le courant de repos à zéro, alors seulement Q3 ou Q4 fournit du courant lorsqu'un signal est présent. C'est la classe B.

Si vous rendez le courant de repos si grand que pour les très gros signaux (même les plus gros) Q3 et Q4 n'ont jamais Ic = 0 (ne sont jamais éteints), nous avons la classe A.

Il y a aussi la classe AB qui peut être n'importe où entre la classe A et la classe B.

Comment régler ce courant de repos?

Cela est fait par Vbias.

Quelques exemples sur la façon dont Vbias peut être implémenté:

le "Zener" de la réponse de oldfart
une vraie diode Zener

ou ca:

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

La source de courant peut facilement être réalisée avec un miroir de courant PNP et une résistance de polarisation.

Bimpelrekkie
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Avez-vous des idées pour savoir avec certitude, si le circuit fonctionne en classe A ou en classe B ou entre les deux, c'est-à-dire la classe AB? J'ai scopé la sortie tout en changeant le biais mais tout ce que j'obtiens est une onde sinusoïdale normale. Je pourrais vérifier la classe en mesurant le courant de repos à travers chacun des transistors, mais y a-t-il une autre manière? Peut-être avec o'scope?

Keno

Vous pouvez facilement mesurer le courant à travers Q3 et Q4 à travers les résistances d'émetteur. N'appliquez donc aucun signal et mesurez le courant. Je suppose qu'avec VBias = 2,8 V, ce sera un amplificateur de classe AB. Toujours en classe B, il y aura une distorsion de croisement aux passages à zéro.

Bimpelrekkie

@Bimpelrekkie a dessiné deux exemples d'étage de sortie de classe AB. Un petit courant traverse toujours Q1 et Q2, Q3 et Q4. Avec un courant de repos suffisant, la distorsion peut être très très faible, peut-être 0,05% ou moins, mais le compromis est que l'étage de sortie dissipe beaucoup de chaleur. Recherchez des amplificateurs de 1 500 watts sur le Web et vous verrez des conceptions de polarisation similaires mais plus élaborées.

Sparky256

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Vous devez bien comprendre la topologie de sortie afin de savoir comment créer le biais pour elle.

Bien que quelqu'un ait mentionné que votre exemple schématique a les BJT disposés à la manière de Darlington (avec des résistances d' accélération supplémentaires ), ils ne vous ont pas dit qu'un tel arrangement a presque toujours une meilleure topologie. Donc, vous n'utiliseriez presque jamais cette topologie pour commencer. Ou, en bref, il est inutile de lutter pour le comprendre afin de le biaiser.

Pourquoi utiliser un Darlington:

Gain de courant élevé, qui est utile dans les circuits de commande de sortie comme celui-ci, car il réduit considérablement le courant de repos du circuit de polarisation et cela peut être d'une grande aide lorsque vous tentez de contourner de grandes fluctuations de courant dans une petite charge comme celle-ci.

Pourquoi ne pas utiliser un Darlington:

Arrêt lent à moins qu'une résistance ne soit ajoutée (comme c'est le cas dans votre exemple de circuit.)
Impossible de saturer en dessous d'environ une chute de diode (plus un peu) à cause de la disposition. Cela peut signifier une surcharge de tension supplémentaire requise pour l'amplificateur (ce qui peut être inacceptable pour les circuits à tension inférieure) et cela peut également signifier une dissipation globale supplémentaire pour l'amplificateur.
Agit comme si cela nécessitait deux gouttes de diode entre la base et l'émetteur, ce qui augmente la plage de tension de polarisation requise.
La température affecte les deux jonctions base-émetteur, qui s'ajoutent en série. Ainsi, la variation de température de la plage de tension de polarisation comprend maintenant au moins quatre gouttes de diode en série, qui subissent toutes une variation au cours de la température. En conséquence, la complexité de la compensation est probablement augmentée.
Il existe de meilleures alternatives.

La dernière raison est la principale raison de ne pas utiliser un Darlington ici. S'il n'y avait pas d'alternatives, alors vous seriez simplement coincé avec l'idée si vous vouliez son seul avantage.

Si vous voulez le gain de courant élevé de l'arrangement Darlington, il est presque toujours préférable d'utiliser l'arrangement Sziklai à la place. Cela ressemble à ceci:

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Cela fournit également un gain de courant élevé similaire et ne peut pas non plus saturer en dessous d'une chute de diode, mais comprend également les éléments suivants:

Une seule chute de diode base-émetteur par quadrant.
$R_3$ $R_4$ $Q_2$ $Q_4$ $Q_1$ $Q_3$

Vous avez déjà quelques commentaires sur la façon de biaiser votre circuit. Des idées similaires peuvent également être utilisées avec le circuit pilote Sziklai illustré ci-dessus, mais vous n'aurez pas besoin d'autant de différence de tension de polarisation.

$V_{BE}$

Tout comme un modèle approximatif, le schéma pourrait maintenant ressembler à:

schématique

^{simuler ce circuit}

$R_7$ $R_8$ $R_9$ $R_1$ $R_2$ $50\:\textrm{mV}$ $R_7$ $R_8$ $R_1$ $R_2$ $C_1$ $C_3$ $V_{BE}$ multiplicateur pour les bases dans les deux quadrants de sortie de Sziklai.

$C_2$ $Q_6$ $Q_6$

Ce qui précède suppose que vous avez vraiment des rails d'alimentation bipolaires et une charge couplée CC mise à la terre. Je n'ai pas non plus montré la rétroaction négative qui sera probablement nécessaire, à terme. Les choses seraient quelque peu différentes si la charge était couplée au courant alternatif et que vous n'aviez qu'un seul rail d'alimentation avec lequel travailler.

jonk
la source

Agréable! Mais pourquoi le C3 est-il connecté au collecteur du Q5? Et C1 qui est considéré comme "bootstrap" quelque chose (?) - Je ne comprends toujours pas sa fonction, bien que j'aie lu quelques-uns des messages que vous m'avez recommandés jusqu'à présent.

Keno

R_{7}

$R_7$

50 Ω

$50\:\Omega$

C_{3}

$C_3$

R_{6}

$R_6$

R_{7}

$R_7$

Q_{2}

$Q_2$

C_{1}

$C_1$

R_{6}

$R_6$

Q_{6}

$Q_6$

r_{e} = \frac{k T}{q I_{C_{6}}}

$r_e=\frac{k T}{q I_{C_6}}$

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@Keno Vous avez des trucs à apprendre. Je pense que l'un des principaux points ici est que la conception d'un bon étage de sortie à partir de parties discrètes nécessite un certain niveau et une certaine connaissance des différents effets . La température étant l'une des plus importantes, pour être un bon moteur. Souvent, vous ne trouvez pas de traitements détaillés de conceptions discrètes (bien que vous en voyiez les schémas) car avec l'avènement de bons circuits intégrés bon marché, il n'y a plus vraiment besoin. Sauf pour apprendre. Malheureusement, les vieux livres sont le plus souvent le seul endroit où trouver ces informations.

jonk

3

En fait, l'amplificateur de classe B n'a pas de polarisation de base. Le biais se produit à la classe AB. Mais vous pouvez biaiser la base de plusieurs façons.

Si vous utilisez un ampli op comme sur l'image, vous pouvez simplement utiliser le feedback. Il rend la sortie égale à l'entrée, tout comme un tampon mais avec un étage de puissance.

schématique

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Vous pouvez également utiliser deux sources de tensions.

schématique

^{simuler ce circuit}

Vous pouvez utiliser des diodes et une source de courant constant.

schématique

^{simuler ce circuit}

{je}_{r} = \frac{V_{b e 2}}{R_{3}}

$I_r=\frac{V_{be2}}{R_3}$

V_{B B} = {je}_{r} (R_{1} + R_{2} + R_{3}) = V_{b e 2} (\frac{R 1 + R 2 + R 3}{R 3})

$V_{BB} = I_r(R_1+R_2+R_3) = V_{be2}(\frac{R1+R2+R3}{R3})$

schématique

^{simuler ce circuit}

REMARQUE: La résistance R2 est destinée à un réglage fin.

Francisco Gomes
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Ne pas avoir de résistances d'émetteur sur les transistors de sortie finale est une mauvaise idée sauf dans votre premier circuit. Même si vous ajustez le décalage de tension entre les bases pour ne pas causer beaucoup de courant de sortie au repos, vous demandez toujours l'emballement thermique. À mesure que les transistors de sortie chauffent, leurs baisses BE diminuent. Cela provoque plus de courant de repos avec le même décalage de polarisation d'entrée. Cela provoque plus d'échauffement, ce qui provoque des baisses de BE plus faibles ... etc.

Olin Lathrop

Tu as raison. J'y ai répondu théoriquement car les deuxième et troisième circuits ne sont presque jamais utilisés. Le dernier circuit, vous pouvez coupler thermiquement les Q1, Q2 et Q3 et il résout l'emballement thermique.

Francisco Gomes

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la classe B est définie comme un angle de conduction de 180 degrés - donc la classe B est polarisée au point de conduction - sinon c'est vraiment la classe C (en particulier pour les petits signaux). Les résistances d'émetteur sont essentielles à la fois pour la stabilité de polarisation et pour permettre à chaque appareil de s'éteindre pendant le demi-cycle opposé.

la classe AB est lorsque l'angle de conduction est compris entre 180 et 360

Mark Tillotson
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Difficultés avec le biais d'amplificateur de classe B

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