Practicum Audioversterker H01M3 Elektronische Basisschakelingen

Transcriptie

1 Faculteit Ingenieurswetenschappen Departement Elektrotechniek ESAT KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN Practicum Audioversterker H01M3 Elektronische Basisschakelingen Titularis: Steyaert, M. Assistenten: Elly De Pelecijn (ELEK B02.22) Nicolas Butzen (ELEK B02.29) Ariane De Vroede (ELEK B02.17) Steven Colleman (ELEK B02.32) Lynn Verschueren (IMEC)

2

3 Hoofdstuk 1 Inleiding Dit practicum sluit aan bij het vak H01M3. Het is bedoeld als een eerste kennismaking met een aantal praktische aspecten van elektronica. Gelieve deze opgave goed te lezen en de verschillende stappen nauwkeurig te volgen. In dit practicum wordt een geluidsversterker stap voor stap geanalyseerd. Na de DC-analyse volgt een AC-analyse met behulp van het klein-signaal equivalent schema. De analyse volgt de methodiek zoals die is aangeleerd in oefenzittingen 1 t.e.m. 4. Doorheen de zitting wordt de theorie aan de praktijk getoetst door simulaties en door metingen met behulp van een scope en op het einde door het geproduceerde signaal te beluisteren. Hieronder staat een beknopt formularium met de componentvergelijkingen nodig in dit practicum. Doorheen het practicum is het de bedoeling om steeds volgende Design Flow te hanteren: 1. Berekeningen: doe een berekening voor het desbetreffende onderdeel (DC-spanningen, AC-versterking,...). Deze dienen als eerste indicatie voor de werking van het circuit. 2. Simulatie: simuleer het gevraagde in LTSpice en vergelijk met de berekeningen. 3. Meten: meet het gevraagde op. Vergelijk dit met de berekeningen en simulatie. Kan je de eventuele afwijking logisch verklaren? 1.1 Formularium De npn bipolaire transistor: I c = I s.e V be k.t/q (1.1) I b = I c β g m = di c 1 = I c. VbeDC k.t/q dv be (1.2) (1.3) waarbij: I s = A (1.4) k.t/q = (1.5) 1

4 Hoofdstuk 2 Simulatie Alvorens over te gaan tot de metingen zullen de berekende resultaten vergeleken worden met gesimuleerde resultaten. Zorg hiervoor dat u in WINDOWS opgestart bent. Download het bestand H01M3.asc van de website h01m3/. Ga naar C:\Program Files\LTC\LTspiceXVII en voer XVIIx64.exe uit. Open vanuit het programma de gedownloadde netlist H01M3.asc. Volgende commando s kunnen van pas komen. Simulate>Edit Sim Command Simulate>Run knoop aanklikken Ctrl+c r c F2>misc>jumper simulatie instellen simulatie starten Golfvorm visualiseren kopiëren weerstand invoegen capaciteit invoegen jumper invoegen Tabel 2.1: Nuttige commando s Doorheen de volgende hoofdstukken zal de simulator gebruikt worden om de berekeningen te staven. 2

5 Hoofdstuk 3 Installatie meetopstelling Tijdens dit practicum wordt gewerkt met een USB-scope om het circuit op te meten. Sluit de scope via USB aan op je computer. Start nu het programma C:\Program Files\TiePie\Multichannel\Multichannel.exe. Met een scope kunnen signalen in het tijdsdomein gemeten en gevisualiseerd worden. Deze scope heeft 2 kanalen die tegelijkertijd kunnen worden bekeken. Je kan van een weergegeven signaal eenvoudig verschillende eigenschappen opvragen door in het scope-scherm rechts te klikken en Value Window te activeren. De USB-scope heeft ook een generator. Hiermee kan je golfvormen creëren en aanleggen aan de ingang van het circuit. De generator kan je instellen door eerst op een zwart pijltje uiterst links in het MultiChannel venster te klikken waardoor een zijvenster openvouwt, en vervolgens te klikken op de generator naam. Testen scope zonder PCB Om te testen of de scope goed aangesloten is, voer je volgende stappen uit. Laat bij wijze van test de generator een signaal van 1 khz en een amplitude van 0.2 V uitzenden en controleer of je het signaal ook kunt opmeten via een scope-kanaal. Verbindmeteencoax-kabel deuitgangoutmetdescopech1(zostuurjehetgecreëerde signaal naar de scope-ingang) Stel de generator en de scope in vanuit het venster op de PC. Als je klaar bent om te meten, druk dan op de AAN-knop links onderaan, zo activeer je de signaalgenerator. Instellen PCB Steek de adaptor van het Printed Circuit Board (PCB) in het stopcontact. Verbind de terminal SUPPLY van het PCB met de scope en controleer of de voedingsspanning 9V is. Zet ten slotte de schakelaars en de jumper op het PCB in de juiste stand zoals aangegeven in de tabel. Schakelaar Oriëntatie Tabel 3.1: Startinstellingen Functie S1 boven Aan- en afkoppelen van de capaciteit S2 rechts Aan- en uitschakelen van de Darlington transistor S3 boven Aan- en uitschakelen van de volledige Power Stage J1 links Aan- en afschakelen van de lastweerstand 3

6 Hoofdstuk 4 DC-analyse Het versterkercircuit dat we hier analyseren is afgebeeld in figuur 4.1. Het bestaat uit een AC-koppeling (hoogdoorlaatfilter), een spanningsversterker, een emittervolger en een last. Vdd=9V IN 22u 33k N1 11k 2.4k N3 N2 820r S1 S2 1u N4 N5 47r S3 220u 8r OUT Vss=0V Figuur 4.1: Schakeling van de versterker De eerste stap bij de analyse van een circuit is altijd de berekening van de DC-instelling. Van zodra die gekend is, kan het circuit dan gelineariseerd worden in dat DC werkingspunt tot een model voor kleine AC signalen. Controleer dat de schakelaars in de juiste positie geschakeld zijn. TODO: Thuis Maak gebruik van weerstandsdelingen en van de 0 e -orde benadering voor bipolaire transistoren (V BE = 0.7V) om de DC-niveaus van de knooppunten 1 t.e.m. 5 van figuur 4.1 te berekenen. Je mag de I b van de transistoren verwaarlozen. Vul de berekende spanningen aan in tabel 4.1. Practicum Simuleer eerst de operating points. Dit zijn de DC waarden van alle spanningen en stromen. Meet vervolgens op het PCB de spanningen van knooppunten N1-N5 door ze om de beurt aan de scope te hangen met een coax-kabel. Vul hiermee tabel 4.1 verder aan. 4

7 Tabel 4.1: DC-niveaus Meetpunt Berekend N1 N2 N3 N4 N5 Gesimuleerd Gemeten Bestudeer de verschillen tussen je DC berekeningen en simulaties en je DC metingen. Welke benaderingen in je berekening veroorzaken die verschillen?

8 Hoofdstuk 5 AC-analyse De transconductantie g m van een transistor is een klein-signaalparameter. g m = di c dv be VbeDC (5.1) De waarde ervan hangt af van de DC-instelling van de transistor. Men kan dus ook pas starten aan een AC-analyse wanneer de DC-instelling gekend is. In dit hoofdstuk wordt overgegaan van het DC-model naar het klein-signaal AC-model van de audioversterker. 5.1 De spanningsversterker Vdd=9V 2.4k uit in 820r Vss=0V Figuur 5.1: Spanningsversterker Figuur 5.1 toont de eerste trap van de versterker. De DC-spanningen van collector, base en emitter van de transistor zijn in hoofdstuk 4 berekend. Pas formule 5.1 toe op de componentvergelijking van een npn-transistor en bereken g m voor dit werkingspunt. g m = (5.2) De parameter g m heeft enkel betekenis in het klein-signaalschema van het circuit. Stel het klein-signaalschema op van de spanningsversterker. 6

9 Bereken vervolgens de overdrachtsfunctie van de spanningsversterker. A V = (5.3) Intermezzo: AC-gedrag van een condensator Wanneer een knoop in een netwerk een capaciteit C en een AC-weerstand R ziet, hangt het gedrag af van de aangelegde frequentie. De impedantie van de parallelschakeling van een weerstand R en een capaciteit C in een circuit wordt bepaald door de frequentie. Om het gedrag te beredeneren berekenen we de impedantie van de parallelschakeling van R en C. R C 1 R // C = R. 1+j. f (5.4) f 0 Afhankelijk van of de aangelegde frequentie f groter of kleiner is dan de 3dBfrequentie f 0 weegt een andere term in de formule door. Voor lage frequenties is de tweede term in de noemer verwaarloosbaar. Voor hoge frequenties is de tweede term doorslaggevend en streeft de impedantie naar 0. Een impedantie van 0 betekent dat er tussen de knoop en de grond geen weerstand is en bijgevolg kunnen we spreken over een kortsluiting. Daarom vervangt men voor hoge frequenties een capaciteit vaak onmiddellijk door een kortsluiting. Practicum Pas de simulatieopdracht aan voor een AC-analyse. Laat het AC-gedrag berekenen voor frequenties van 10Hz tot 100kHz. Controleer of je simulatieresultaten overeenstemmen met de berekende waarden voor de versterking van de knooppunten N1-5 en de uitgang. Op het PCB is een schakelaar S1 voorzien die een capaciteit parallel met de onderste weerstand kan verbinden. Deze capaciteit verandert niets voor de DC-instellingen, maar wel voor het AC-model. De capaciteit gedraagt zich als een kortsluiting voor hoog-frequente signalen (zie intermezzo). Bijgevolg verdwijnt de weerstand in het klein-signaalschema wanneer de capaciteit wordt aangesloten. Teken het nieuwe equivalent schema en bereken de nieuwe

10 overdrachtsfunctie. A Vcap = (5.5) De techniek die in de Amplifier Stage wordt toegepast heet emitter degeneratie (in CMOS: source degeneratie). Door een weerstand onder de emitter te plaatsen wordt de overdrachtsfunctie onafhankelijk van de parameter g m. De versterking kan dan vlot gekozen worden als de verhouding van 2 weerstanden. Door de capaciteit te verbinden wordt deze weerstand omzeild en ontstaat er een veel grotere maar minder nauwkeurige versterking. Dit kan je controleren door de schakelaar te verzetten op het PCB. Voer in de simulator dezelfde bewerking uit en bekijk het resultaat. Vul alle resultaten aan in tabel 5.1, gebruik hiervoor de versterking bij 100kHz tot node N3. Capaciteit Aangesloten Afgesloten Gemeten A V Gesimuleerde A V Tabel 5.1: Effect van emitter degeneratie 5.2 De vermogentrap Vdd=9V in uit 47r 8r Vss=0V Figuur 5.2: Vermogentrap De vermogentrap bestaat uit een transistor en een weerstand. Zij zijn geschakeld als emittervolger. Ook van deze trap zijn de DC-instellingen volledig gekend. Dus kan het kleinsignaalschema getekend worden. Teken het klein-signaalschema en bereken de overdrachtsfunctie. Controleer of die ongeveer 1 is.

11 A Vev = (5.6) De functie van deze trap is niet om het spanningssignaal te versterken. Het kopieert echter dit spanningssignaal over een veel kleinere weerstand. In dat geval vloeit er meer stroom en wordt er dus meer vermogen geleverd aan de uitgang. Met schakelaar S3 kan je de Power Stage aan- en afschakelen. Schakel op het PCB de schakelaar S3 naar beneden. Nu staat de Power Stage af. Vul de versterking, ditmaal tot OUT, aan in de tabel. Vergelijk het resultaat met de situatie waar de Power Stage aanstaat. Verklaar wat er gebeurt. Voer dezelfde bewerking uit in de simulator en kijk of het gedrag overeenstemt met de gemeten waarde. Vermogentrap Aangeschakeld Uitgeschakeld Gemeten A V Gesimuleerde A V Tabel 5.2: Effect van de vermogentrap 5.3 De darlingtontransistor Tussen de spanningsversterker en de vermogentrap staat nog een derde transistor. Ook deze transistor heeft geen versterkersfunctie. De functie moet echter gezocht worden op DC-niveau. Bij bipolaire transistoren vloeit er aan de base, in tegenstelling tot MOS transistoren aan de gate, een stroom. Die stroom is typisch een factor 100 kleiner dan de collector stroom. Bovendien is de spanning V be ongeveer 0.7 V. We besluiten hieruit dat er aan de base geen oneindige weerstand gezien wordt. Bereken de DC stroom die door de base van de powertransistor vloeit. I b = (5.7) Met Schakelaar S2 kan de Darlingtontransistor worden aan- en afgeschakeld. Wanneer de darlingtontransistor afgeschakeld is zuigt de vermogentrap dus een DC stroom I b uit de spanningsversterkingstrap. Bijgevolg beïnvloedt de powertrap daarom de instelling van de spanningsversterker. Die wordt dan uit het werkingspunt getrokken waarvoor hij ontworpen is en gaat zich anders gedragen. Dit kan zich bijvoorbeeld uiten in distortie en minder versterking.

12 Vdd=9V 47r Vss=0V Figuur 5.3: Darlingtonpaar Bereken nu op gelijkaardige manier als hierboven de stroom I bd die door de base van de darlingtontransistor vloeit. I bd = (5.8) Meet en simuleer het effect van het afschakelen van de darlingtontransistor op het DC-niveau van N3 en op het uitgangssignaal. Is er distortie zichtbaar? V amp = (5.9)

13 Hoofdstuk 6 Auditieve tests In dit laatste deel kan je oortjes (van een ipod, mp3,...) aansluiten op het PCB. Verzet dan wel de jumper naar rechts. Met behulp van enkele proefjes kan je het effect beluisteren van de niet-idealiteiten van het circuit. Meet en luister wat er gebeurt als je de amplitude van het ingangssignaal vergroot. Op welke amplitude ontstaat er distortie? Aan welk effect is die te wijten? gebruik eventueel ook andere meetpunten op de scope om de oorzaak te vinden. Beluister het effect van het aanschakelen van de capaciteit in de spanningsversterker. Controleer of je bevindingen overeenkomen met de voorspellingen uit de analyse. Beluister het effect van het aan- en uitschakelen van de powertrap. Controleer of je bevindingen overeenkomen met de voorspellingen uit de analyse. Beluister het effect van het aan- en uitschakelen van de darlingtontransistor. Controleer of je bevindingen overeenkomen met de voorspellingen uit de analyse. Varieer de frequentie van het ingangssignaal over het gehele gehoorbereik (20Hz tot 20kHz) en controleer in hoeverre de versterker een vlak verloop kent in de audioband. 11

14 Hoofdstuk 7 Invulblad Tabel 7.1: DC-niveaus Meetpunt Berekend N1 N2 N3 N4 N5 Gesimuleerd Gemeten Capaciteit Aangesloten Afgesloten Gemeten A v Gesimuleerde A v Tabel 7.2: Effect van emitter degeneratie Vermogentrap Aangeschakeld Uitgeschakeld Gemeten A v Gesimuleerde A v Tabel 7.3: Effect van de vermogentrap Als je bedenkingen, bemerkingen of tips hebt om dit practicum nog interessanter te maken, mag je die op de achterkant van dit blad noteren. dankuwel! 12