Salida altamente distorsionada de un amplificador de potencia de clase B

Question

Este es el circuito que hice:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Este sencillo circuito incorpora etapa diferencial - etapa VA (amplificación de tensión) - OPS (etapa de potencia de salida). La ganancia en bucle abierto es alta, la ganancia en bucle cerrado es aproximadamente el valor de 10. El efecto Miller de la etapa VA se compensa a través de Cc, que hace la retroalimentación local. Q4 se utiliza para la polarización de la OPS - cuando Vce = 2,4V, la corriente a través de Q6 y Q8 debe ser de aproximadamente 10 mA y la corriente a través de Q5 y Q7 debe ser de aproximadamente C1 se utiliza para que la CA pase por Q4 para ser alimentada en la base de Q7. 1 mA. El NFB global (retroalimentación negativa) se toma de la salida y se lleva de nuevo a la entrada no inversora de la etapa diferencial. Al principio quería que este amplificador fuera cargado por un altavoz de 8 Ohm, pero luego cambié de opinión a una carga de 100 Ohm, ya que habría una caída de ganancia de voltaje demasiado alta (la corriente a través de la última etapa debería ser mayor en mi opinión). La corriente a través de Q3 y Q4 es de aproximadamente 10 mA, mientras que las corrientes de colector a través de Q1 y Q2 son de aproximadamente 1 mA

El amplificador sin carga se comporta como se espera, pero el amplificador con carga tiene una gran cantidad de distorsión entre su señal de salida. No puedo averiguar qué es lo que está tan mal en este amplificador para producir tales cantidades de distorsión en la salida.

Esta es la señal del amplificador sin carga frente al amplificador con carga (5V por división):

Lo que está mal aquí sigue siendo un misterio para mí, pero tal vez usted pueda descubrirlo.

Aquí hay una pequeña prueba para el circuito que acabo de hacer:

Answer 1

La verdad es que no he leído toda la pregunta (demasiado larga, y no he llegado a un punto claro lo suficientemente rápido), pero esto no es lo que pareces querer decir con "distorsión":

Esto es claramente el amplificador oscilando por sí mismo cuando se le da una pequeña patada por la señal de entrada.

Un breve vistazo al esquema muestra por qué esto no debería ser una sorpresa. No hay ninguna capacitancia en los raíles de alimentación. La salida está cargando los rieles de potencia, lo que cambia su voltaje un poco. Ese pequeño cambio es recogido por la etapa de entrada, y luego amplificado a través del resto del amplificador.

Para arreglar esto:

3. Poner una capacitancia decente a tierra en cada carril de alimentación. Debería ser de varios 100 µF como mínimo.

4. Rompe los carriles de alimentación a la izquierda de Q5 para el positivo, y a la izquierda de Q7 para el negativo. Pon una pequeña resistencia en serie, seguida de otras pocas de 100 µF a tierra. Esta vez, sin embargo, añade algo de bypass de alta frecuencia también, algo así como 10 µF de cerámica a tierra en cada línea de alimentación.

Creo recordar que ya te lo dije antes, pero no tengo ganas de rebuscar en la historia antigua ahora mismo.

Creo que también te han dicho antes que los Darlington no son una buena idea aquí. Requieren una tensión de accionamiento mayor que la de salida, y tienen una tensión de saturación bastante alta. Hay mejores formas, como usar un PNP de potencia para el elemento de paso superior de la etapa final, y luego un NPN de potencia para el inferior. Estos pueden ser controlados por transistores NPN y PNP más pequeños, respectivamente. Sin embargo, eso está fuera del alcance de esta pregunta.

Answer 2

Lo que ves no es una distorsión. Es el amplificador oscilando a alta frecuencia porque los +20/-20V no tienen capacitancia de masa. Esto hace que tengan una alta impedancia a alta frecuencia debido a la inductancia de los cables que van a su fuente de alimentación y la respuesta de frecuencia limitada de la fuente de alimentación.

Aquí hay una simulación:

1uH es aproximadamente la inductancia de 1 metro de cable. Los 100pF unidos a la salida podrían proceder de la capacitancia parásita de la protoboard.

También: He redibujado tu esquema de una forma un poco más clara.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 3

Acabo de redactar esto rápidamente, la última hora más o menos. Estoy de acuerdo en que con cables en una protoboard como la que estás usando, es importante tener mucha capacidad de bypass justo en la propia protoboard. Incluye eso. Sin embargo, creo que también puedes haber tenido problemas debido al hecho de que hay mucha capacitancia (unos pocos pF) entre cada agujero cercano en la protoboard, también. Y no añadiste algo de capacitancia en la resistencia de retroalimentación (que puede ser necesaria.) Los valores aquí están diseñados alrededor de la idea de que puedes entregar quizás tanto como \$2\:\text{A}\$ pico en un \$8\:\Omega\$ carga, así que traté de tenerlo en cuenta. Dicho esto, realmente no he hecho nada aquí más que "sacar esto", de forma rápida y brusca. No hay tiempo para más que eso.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Aquí configuré la disposición del conductor de salida Sziklai con el añadido \$V_{BE}\$ multiplicador presente como debe ser. He utilizado dos resistencias variables, una manteniendo su \$2\:\text{k}\Omega\$ valor (que supongo que tiene) y otro ser \$100\:\Omega\$ . \$P_1\$ le permite ajustar la corriente de reposo (que puede medir comprobando la tensión entre los colectores de \$Q_{12}\$ y \$Q_{13}\$ .) \$P_2\$ le permite ajustar las cosas para la compensación de la temperatura y el efecto temprano. Pero siéntase libre de eliminar completamente \$P_2\$ y \$R_3\$ haciendo un cortocircuito, si quieres. NO son críticos. Sólo una oferta. Si los ignoras (cortocircuitos), entonces puede que tengas que elegir un valor diferente para \$R_2\$ (Sabrás si es necesario cuando veas que no puedes ajustar la corriente de reposo al rango correcto con \$P_1\$ . Si es así, elija un valor cercano para \$R_2\$ e intente ajustar \$P_1\$ de nuevo.

Siéntase libre de hacer preguntas, Keno. Intentaré responderlas en la medida de mis posibilidades. A los demás, siéntanse libres de criticar y criticar.

Intenta conseguir una corriente de reposo (sin señal de entrada) de un miliamperio, más o menos. Ajuste \$P_1\$ para ello y leerlo como he mencionado anteriormente. Puedes calcular el voltaje que necesitarías leer. (Siéntase libre de aumentar los valores de \$R_{E_3}\$ y/o \$R_{E_4}\$ para que sea más fácil de elegir esto - sólo que no caiga más de unas pocas décimas de voltios mientras se ajustan las cosas allí).

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Suponiendo que necesites mucha ganancia de corriente (y la necesitas) para la sección del driver de salida, la disposición Sziklai tiene algunas ventajas sobre la disposición Darlington:

1. Sólo hay dos \$V_{BE}\$ gotas con las que lidiar.
2. Estos dos \$V_{BE}\$ gotas están sometidas a un calentamiento mucho menor, por lo que su \$V_{BE}\$ Las caídas son más estables, lo que facilita la planificación de la \$V_{BE}\$ comportamiento del multiplicador.

En el caso de Darlington, aunque sigue siendo cierto que dos de los cuatro BJTs tienen menos calentamiento, el hecho es que incluye los cuatro \$V_{BE}\$ gotas en lo que se requiere para ser controlado a través de la \$V_{BE}\$ multiplicador. Así que esto complica el diseño del multiplicador o bien disminuye la estabilidad térmica. De cualquier manera, no es algo bueno a favor del Darlington. Así que uno no suele utilizarlo para casos como este.

(En resumen, no conozco una buena razón para utilizar Darlington, aparte de los problemas de disponibilidad de piezas, quizás. Así que, por ejemplo, si los PNP de alta corriente son horribles y/o no están disponibles, podría reemplazar \$Q_{10}+Q_{12}\$ con una alternativa Darlington utilizando sólo NPN. Pero probablemente seguiría manteniendo el Sziklai en el cuadrante inferior del conductor).

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Veamos la fuente de corriente despojada de algunos de los "extras". (No son importantes para entender el funcionamiento básico de la CC).

simular este circuito

Ignorando la carga que pueda haber para el \$Q_5\$ Si el circuito no es un colector, deberías ser capaz de imaginar que este circuito se polariza a sí mismo de alguna manera. En \$+20\:\text{V}\$ hay una ruta de CC a través de \$RSET_1\$ el emisor de \$Q_5\$ hasta su base, luego a través de \$R_{11}\$ que está conectado a tierra. Así que no hay duda de que habrá algo de corriente activa a través de ese camino. Si \$Q_6\$ fueron sacados del circuito, y asumiendo que \$Q_5\$ tenía una carga de colector a tierra (o \$-20\:\text{V}\$ ) que, por lo demás, no provocó \$Q_5\$ para saturar, entonces podríamos calcular la corriente de la base como:

$$I_B=\frac{20\:\text{V}-V_{BE}}{R_{11}+\left(\beta+1\right)\cdot RSET_1}$$

Y esto sería poco diferente del cálculo estándar del amplificador CE.

Pero en este caso hay un añadido \$Q_6\$ . ¿Qué hace? Antes de que se añada, no hay ningún límite particular a la caída de tensión a través de \$RSET_1\$ . Podrían ser varios voltios, o más. Pero con \$Q_6\$ añadido, que es sensible a su tensión base-emisor, cualquier caída de tensión a través de \$RSET_1\$ que sea mayor que una \$V_{BE}\$ causará \$Q_6\$ para que se genere mucha más corriente a través de su colector, toda la cual debe ser conducida a tierra a través de \$R_{11}\$ . Esta corriente añadida provoca una mayor caída de tensión a través de \$R_{11}\$ . (Tenga en cuenta que al añadir sólo un \$60\:\text{mV}\$ a la caída de tensión a través de \$RSET_1\$ el recaudador de \$Q_6\$ será fuente diez veces más corriente de colector en \$R_{11}\$ lo que significará también 10 veces la caída de tensión a través de \$R_{11}\$ !) Este aumento de la caída de tensión a través de \$R_{11}\$ también significa que la base de \$Q_5\$ es empujado hacia arriba (hacia el carril positivo) y esto provoca \$Q_5\$ 's \$V_{BE}\$ se "pellizque", reduciendo así su corriente de colector.

¿Qué es exactamente? es \$Q_5\$ ¿la corriente del colector? Bueno, es más o menos la corriente en \$RSET_1\$ . Eso es todo. Y como también estamos bastante seguros de la tensión a través de ella (una \$V_{BE}\$ ), podemos calcular la corriente del colector en \$Q_5\$ con bastante fiabilidad. \$Q_6\$ supervisará constante y cuidadosamente su propia \$V_{BE}\$ y responder inmediatamente a cualquier cambio ajustando las cosas en \$Q_5\$ 's base y "empujando en / hundiendo la corriente en" \$R_{11}\$ para que esos cambios vayan en la dirección correcta.

Al final, hay unos dos \$V_{BE}\$ cae desde su carril positivo hasta la base de \$Q_5\$ . Su colector puede "llegar" más o menos a esa altura hacia el carril positivo antes de empezar a saturarse (causando otros problemas.) Y esto da bastante conformidad rango para el colector de \$Q_5\$ . Lo cual es bueno.

En esta versión abreviada del circuito que se encuentra al principio de mi respuesta, he eliminado \$RB_1\$ . No es estrictamente necesario para explicar el circuito. Pero se añade para ayudar con la posible oscilación cuando el circuito es parte de un sistema más grande y hay una señal de CA que se amplifica. No deja caer mucho voltaje, así que puedes "ignorarlo en su mayor parte". En general, una resistencia de unos cientos de ohmios a tal vez mil ohmios hace el trabajo, pero el mejor valor a utilizar depende de la corriente de base (por supuesto.) Sólo que no es particularmente crítico-valorado.