Dificultades con el sesgo del amplificador clase B

Question

Aquí me refiero al amplificador de potencia de salida clase B.

Este circuito debería ser fácil de construir y entender, pero estoy teniendo problemas con el sesgo, ya que no sé realmente cómo sesgar las bases de la Q1 y la Q2, de modo que la Q1 sólo conduciría señales de polaridad positiva y el Q2 sólo llevaría a cabo señales de polaridad negativa .

Parece que sólo logré sesgar adecuadamente el amplificador de clase A, pero no el de clase B.

• ¿Cómo tendría que sesgar el circuito superior para lograr un funcionamiento de clase B de un amplificador?

Answer 1

En primer lugar, hay que entender que se trata de un seguidor de emisor doble que utiliza un darlington en cada lado. El voltaje en la salida será más o menos el voltaje en la salida del opamp. El propósito de los seguidores de emisor es proporcionar la ganancia de corriente.

Si cada transistor tiene una ganancia de 50, por ejemplo, entonces la corriente que el amplificador óptico tiene que suministrar y absorber es aproximadamente 50 * 50 = 2.500 veces menor que la que consume la carga. Por ejemplo, si la carga consume 1 A, el amplificador óptico sólo necesita alimentar 400 µA.

Uno de los problemas de un seguidor de emisor es que la tensión de salida difiere de la de entrada por la caída B-E del transistor. Digamos, por ejemplo, que es de unos 700 mV cuando los transistores funcionan normalmente. Para un seguidor de emisor NPN, tienes que empezar con 1,7 V de entrada si quieres 1 V de salida. Del mismo modo, para un seguidor de emisor PNP, tienes que poner -1,7 V de entrada si quieres -1 V de salida.

Debido a que hay dos transistores en cascada, este circuito tiene dos caídas de 700 mV desde el amplificador óptico hasta la salida. Esto significa que para conducir la salida hacia arriba, el amplificador óptico tiene que estar a 1,4 V más alto. Para conducir la salida hacia abajo, el amplificador óptico tiene que estar 1,4 V más bajo.

No querrás que el amplificador óptico tenga que saltar repentinamente 2,8 V cuando la forma de onda cambie entre positivo y negativo. El amplificador óptico no puede hacerlo repentinamente, por lo que habría un pequeño tiempo muerto en el cruce del cero, lo que añadiría distorsión a la señal de salida.

La solución utilizada por este circuito es poner una fuente de 2,8 V entre las entradas de los drivers del lado alto y bajo. Con una diferencia de 2,8 V en el nivel de accionamiento, los dos controladores de salida estarán justo al borde de estar encendidos a 0 de salida. Una entrada un poco más alta y el driver superior empezará a suministrar una corriente significativa. Un poco más bajo, y el conductor inferior comenzará a hundir la corriente significativa.

Uno de los problemas es conseguir este desplazamiento justo para eliminar el salto de entrada necesario en los cruces de cero, pero sin encender tanto los dos drivers que acaben impulsándose mutuamente. Esto causaría un flujo de corriente inútil y disiparía la energía que no va a la carga. Tenga en cuenta que 700 mV es sólo un valor aproximado para la caída B-E. Es razonablemente constante, pero cambia con la corriente y también con la temperatura. Incluso si pudieras ajustar la fuente de 2,8 V exactamente, no hay un único valor exacto al que ajustarlo.

Para eso están RE1 y RE2. Si el offset de 2,8 V es demasiado alto y empieza a fluir una corriente de reposo significativa a través de los drivers superior e inferior, estas resistencias tendrán una caída de tensión a través de ellas. Cualquier voltaje que aparezca a través de RE1+RE2 resta directamente del offset de 2,8 V desde el punto de vista de los dos drivers.

Incluso 100 mV pueden suponer una diferencia significativa. Eso será causado por 230 mA de corriente de reposo. Tenga en cuenta también que 700 mV es probablemente en el lado bajo, especialmente para los transistores de potencia cuando llevan una corriente significativa.

En definitiva, la fuente de 2,8 V está pensada para mantener cada uno de los drivers superiores e inferiores "listos", sin encenderlos lo suficiente como para que empiecen a pelearse entre ellos y disipar mucha energía.

Por supuesto, todo es un intercambio. En este caso, puedes cambiar más corriente de reposo por un poco menos de distorsión.

Lo ideal es que en la clase B un lado se apague completamente cuando el otro empiece a tomar el control. Eso casi nunca ocurre en la práctica, pero este esquema se acerca razonablemente a ello.

Answer 2

Existe un circuito sencillo conocido que funciona como un "zener programable". A continuación se muestra el diagrama de principio:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Para una aplicación real, la resistencia variable puede dividirse en tres partes para obtener un control más preciso. Variando la resistencia se puede ajustar la tensión "zener" entre las bases de los dos transistores Q1 y Q2 y así controlar la corriente de reposo.

Olvidado: Al igual que un zener real necesita una resistencia en la parte superior.

En los buenos tiempos, ese transistor estaba montado físicamente en el disipador, por lo que también había compensación térmica. Me tomó un tiempo para encontrar una imagen en la www, pero aquí es uno:

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Edición del puesto
Como se menciona en el comentario de abajo hay que tener cuidado con este circuito. Antes de usarlo por primera vez, debes asegurarte de que la resistencia variable esté ajustada de tal manera que la base esté en el voltaje del colector. Así hay una mínima caída de voltaje. Entonces giras la resistencia hasta que la polarización sea "correcta", lo que normalmente significa que ya no ves (ámbito) oyes (oídos) la distorsión en la señal de salida. Puedes girarla un poco más, lo que aumentará la corriente de reposo en la etapa de salida. (Obtendrá más la característica de un amplificador de clase A).

Answer 3

La diferencia entre la clase A y la clase B es la corriente de reposo a través de la última etapa.

Si haces que la corriente de reposo cero entonces sólo Q3 o Q4 suministra corriente cuando hay una señal. Esto es clase B.

Si haces que la corriente de reposo tan grande que para señales muy grandes (incluso las más grandes) tanto Q3 como Q4 nunca tienen una Ic = 0 (nunca están apagadas), tenemos la clase A.

También existe la clase AB, que puede estar entre la clase A y la clase B.

¿Cómo se ajusta esta corriente de reposo?

Eso lo hace Vbias.

Algunos ejemplos de cómo se puede implementar Vbias:

• el "Zener" de la respuesta de oldfart

• un verdadero diodo Zener

o esto:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

La fuente de corriente se puede hacer fácilmente con un espejo de corriente PNP y una resistencia de polarización.

Answer 4

Hay que entender bien la topología de salida para saber cómo crear la polarización para ella.

Aunque alguien mencionó que su ejemplo esquemático tiene los BJTs dispuestos en forma de Darlington (con aceleración de la desconexión resistencias), no te dijeron que esa disposición casi siempre tiene una mejor topología. Así que, para empezar, casi nunca usarías esa topología. O, en pocas palabras, no tiene sentido esforzarse por entenderla para sesgarla.

Por qué utilizar un Darlington:

1. Alta ganancia de corriente, que es útil en los circuitos de controladores de salida como este, ya que reduce significativamente la corriente de reposo del circuito de polarización y que puede ser una gran ayuda cuando se trata de slug alrededor de grandes oscilaciones de corriente en una pequeña carga como esta.

Por qué no utilizar un Darlington:

1. Apagado lento a menos que se añada una resistencia (como en tu ejemplo de circuito).
2. No puede saturar por debajo de aproximadamente una gota de diodo (más un poco) debido a la disposición. Esto puede significar una sobrecarga de tensión añadida para el amplificador (que para los circuitos de baja tensión puede ser inaceptable) y que también puede significar una disipación general añadida para el amplificador.
3. Parece que requiere dos gotas de diodo entre la base y el emisor, lo que aumenta el intervalo de tensión de polarización necesario.
4. La temperatura afecta a las dos uniones base-emisor, que se suman en serie. Por lo tanto, la variación de temperatura del intervalo de tensión de polarización incluye ahora al menos cuatro caídas de diodo en serie, todas las cuales experimentan variaciones con la temperatura. La complejidad de la compensación es probablemente mayor, como resultado.
5. Hay mejores alternativas.

La última razón es la principal de por qué no usar un Darlington aquí. Si no hubiera alternativas, entonces simplemente te quedarías con la idea si quisieras su única ventaja.

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Si quieres la alta ganancia de corriente del arreglo Darlington, entonces casi siempre es mejor usar el arreglo Sziklai, en su lugar. Se ve así:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Esto también proporciona una alta ganancia de corriente similar y tampoco puede saturar por debajo de una caída de diodo, pero también incluye lo siguiente:

• Sólo una caída de diodo base-emisor por cuadrante.
• \$R_3\$ y \$R_4\$ se puede organizar de manera que \$Q_2\$ y \$Q_4\$ recoger una parte significativa de las corrientes de pico (¿digamos un 25-30%?) Esto ayuda a estabilizar la variación base-emisor de \$Q_1\$ y \$Q_3\$ . Esta opción no está disponible con el arreglo Darlington.

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Ya tienes algunos comentarios sobre cómo polarizar tu circuito. También se pueden utilizar ideas similares con el circuito conductor Sziklai mostrado arriba, pero no necesitarás tanta diferencia de voltaje de polarización.

Además, ninguno de los comentarios sobre los circuitos de polarización aquí se han dirigido a los impactos en su circuito debido a las variaciones de temperatura, mientras que el funcionamiento. Y esto puede ser bastante importante a considerar. Una resistencia de colector añadido a la más simple \$V_{BE}\$ El multiplicador (y la derivación en el lado del colector de esa resistencia añadida, ahora) puede proporcionar un mecanismo por el cual usted puede hacer ajustes para igualar los comportamientos del multiplicador con las variaciones en la etapa de salida para que la corriente de reposo sea relativamente estable a través de la temperatura. (Suponiendo que se acople térmicamente el BJT multiplicador a los BJT de salida.) Y también puede añadir una compensación para el Efecto Temprano, también.

Como modelo aproximado, el esquema podría tener ahora el siguiente aspecto:

simular este circuito

Ajustarías \$R_7\$ y \$R_8\$ y \$R_9\$ para establecer la diferencia de tensión de polarización necesaria (dispuesta de forma que, en reposo, la caída de tensión a través de \$R_1\$ y \$R_2\$ sería de unos \$50\:\textrm{mV}\$ cada uno -- después de decidir cómo dimensionarlos en primer lugar -- no se discute aquí, todavía). También ajustaría \$R_7\$ (y, como consecuencia de ello, tal vez también \$R_8\$ ) con el fin de ajustar el comportamiento de la variación térmica para mantener esa caída de tensión a través de \$R_1\$ y \$R_2\$ cuando se utiliza un secador de pelo o alguna otra fuente de calor en toda esta etapa de salida. (He asumido que has acoplado térmicamente los BJT en un único disipador de calor). \$C_1\$ proporciona algunos datos útiles de arranque y \$C_3\$ proporciona una derivación de CA a través del \$V_{BE}\$ multiplicador de las bases en los dos cuadrantes Sziklai de salida.

\$C_2\$ proporciona la compensación de Miller para el SVA ( \$Q_6\$ ), aunque esta no es la única manera de manejar el circuito - un opamp podría ser utilizado en su lugar (por lo tanto, no \$Q_6\$ en ese caso).

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Lo anterior supone que realmente tienes raíles de alimentación bipolares y una carga acoplada a CC con conexión a tierra. Tampoco he mostrado la retroalimentación negativa que probablemente será necesaria, eventualmente. Las cosas serían algo diferentes si la carga está acoplada a la CA y usted tiene sólo un carril de suministro para trabajar.

Answer 5

En realidad, el amplificador de clase B no tiene un sesgo de base. El sesgo se produce en la clase AB. Pero se puede sesgar la base de muchas maneras.

Si usas un amplificador óptico como el de la imagen, podrías usar simplemente la retroalimentación. Hace que la salida sea igual a la entrada, como un buffer pero con una etapa de potencia.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

También puedes utilizar dos fuentes de tensión.

simular este circuito

Podrías utilizar diodos y una fuente de corriente constante.

simular este circuito

Y por último el multiplicador Vbe. Toma la idea de @oldfart. La corriente de las resistencias R1, R2 y R3 viene dada por aproximadamente $$ I_r=\frac{V_{be2}}{R_3} $$ Y, $$ V_{BB} = I_r(R_1+R_2+R_3) = V_{be2}(\frac{R1+R2+R3}{R3}) $$ .

simular este circuito

NOTA: La resistencia R2 es para el ajuste fino.