Practicum Audioversterker H01M3 Elektronische Basisschakelingen

Vergelijkbare documenten
Practicum Audioversterker H01M3 Elektronische Basisschakelingen

Elektronische basisschakelingen: Oplossingen 1

Elektronische basisschakelingen: Oefenzitting 1

Universiteit Twente EWI. Practicum ElBas. Klasse AB Versterker

PROEF 1. FILTERS EN IMPEDANTIES. Naam: Stud. Nr.: Doos:

De overgang van een gelineariseerde schakeling naar signaalverwerkingsblok

Elektronische basisschakelingen: Oefenzitting 2

Trillingen & Golven. Practicum 1 Resonantie. Door: Sam van Leuven Jiri Oen Februari

Practicum complexe stromen

Hoofdstuk 5: Laagfrequent vermogenversterkers

Klasse B versterkers

Elektronische Basisschakelingen Oefenzitting 1

Een mogelijke oplossing verkrijgen we door het gebruik van gyratoren. In de volgende figuur zien we het basisschema van een gyrator.

Labo. Elektriciteit OPGAVE: Metingen op driefasige gelijkrichters. Sub Totaal :.../70 Totaal :.../20

Hoofdstuk 3: JFET-versterkerschakelingen

P ow er Quality metingen: Harmonischen

GESTABILISEERDE VOEDING

Fig. 5.1: Blokschema van de 555

EXAMENFOLDER maandag 26 januari 2015 OPLOSSINGEN. Vraag 1: Een gelijkstroomnetwerk (20 minuten - 2 punten)

1. Metingen aan weerstanden.

Zelf een hoogspanningsgenerator (9 kv gelijkspanning) bouwen

Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405-D2) 19 juni 2006, 14:00 17:00 uur

TENTAMEN Versterkerschakelingen en Instrumentatie (EE1C31)

Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405-D2) 25 augustus 2008, 14:00 17:00 uur. [Nienke, gefeliciteerd met je verjaardag!]

Bijlage 2: Eerste orde systemen

Harmonischen: een virus op het net? FOCUS

Benodigdheden Gloeilampje, spoel, condensator, signaalgenerator die een sinusvormige wisselspanning levert, aansluitdraden, LCR-meter

Tentamen Lineaire Schakelingen, 2 e deel (EE1300-B)

Labo. Elektriciteit OPGAVE: De driefasetransformator. Sub Totaal :.../90 Totaal :.../20

Voor de bouw van de BITX 20 Tranceiver zijn de volgende stappen handig. Het bordje is in secties ingedeeld (zie de afbeelding).

Module 1: werken met OPAMPS. Project 1 : Elementaire lineaire OPAMP schakelingen.

Digitaal is een magisch woord

Repetitie Elektronica (versie A)

Materialen in de elektronica Verslag Practicum 1

Versterking Principe van de versterking

Basisschakelingen en poorten in de CMOS technologie

Onderzoeken welke onderdelen noodzakelijk zijn om een PV-installatie autonoom te laten werken.

Practica bij het vak. Inleiding tot de Elektrotechniek: Practicum 2 Analoge versus digitale signalen en hun overdracht

Elektronische basisschakelingen Oefenzitting 3.

Hoofdstuk 4 Het schakelen van weerstanden.

Inleiding Vermogenversterkers en de Klasse A versterker

Combinatorische schakelingen

Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405-D2) 30 maart 2009, 14:00 17:00 uur

Lessen in Elektriciteit

Deel 1: Metingen Bouw achtereenvolgens de onderstaande schakelingen en meet de klemspanning en de stroomsterkte. VOORKOM STEEDS KORTSLUITING!!

Vak: Labo elektro Pagina 1 / /

Hoofdstuk 10: Speciale types transistoren

Deeltentamen Lineaire Schakelingen (EE1300), deel B

Hertentamen Lineaire Schakelingen (EE1300)

Elektronische basisschakelingen: Oplossingen 2

Hoe kun je de weerstand van voorwerpen vergelijken en bepalen?

Hoofdstuk 7: Algemene versterkingstechniek

Hoofdstuk 3: Praktische opampschakelingen 2

Power Amplifier Q2 - Q4 AUDAC PROFESSIONAL AUDIO EQUIPMENT. Power Amplifier Q2 Q4. Gebruikershandleiding & Installatiegids

Programmeren met Arduino

Meetverslag. Opdracht meetpracticum verbreding Elektrotechniek WINDESHEIM

Hydrofoon versterker. Een versterker voor de Aquarian H2a. Betreft: Hydrofoon versterker. Door: David Boelee,

Naam: Klas: Repetitie elektriciteit klas 2 1 t/m 6 HAVO (versie A)

Handleiding voor demonstratie multimeter

TENTAMEN Versterkerschakelingen en Instrumentatie (EE1C31)

Hoofdstuk 9: Transistorschakelingen

Uitwerkingen Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405- D2) 18 juni 2007, 14:00 17:00 uur

Het testen van led s en drivers

Labo. Elektriciteit. OPGAVE: De oscilloscoop. .../.../... Datum van afgifte: .../.../... Sub Totaal :.../100 Totaal :.../20

Elektrische huisinstallatie

LABO. Elektriciteit OPGAVE: De cos phi -meter Meten van vermogen in éénfase kringen. Totaal :.../ /.../ Datum van afgifte:

Tentamen Inleiding Meten Vakcode 8E april 2009, uur

Blackman: de impact van terugkoppeling op nodeimpedanties

520JHKHXJHQV -DQ*HQRH.+/LP

7. Hoe groot is de massa van een proton, van een neutron en van een elektron?

Sensoren Introductie Weerstandtechniek Brug van Wheatstone Basis Opamp schakelingen Opampschakelingen voor gevorderden

Toets 1 IEEE, Modules 1 en 2, Versie 1

9 PARALLELSCHAKELING VAN WEERSTANDEN

Uitwerkingen Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405- D2) 30 maart 2009, 14:00 17:00 uur

Meten met de multimeter Auteur: Wouter (Flush) [ ]

havo practicumboek natuurkunde

Schriftelijke zitting Systeem- en regeltechniek 2 (WB2207) 31 oktober 2006 van 14:00 tot 17:00 uur

Formularium Elektronische Systemen en Instrumentatie. Hanne Thienpondt

Uitwerkingen Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405- D2) 4 juli 2008, 14:00 17:00 uur

Uitwerkingen 1. Opgave 2 a. Ueff. 2 b. Opgave 3

Tentamen Elektronische Signaalbewerking (ET2405-D2) 18 juni 2007, 14:00 17:00 uur

Hoofdstuk 11: Praktische transistortoepassingen

EXAMENONDERDEEL ELEKTRONISCHE INSTRUMENTATIE (5GG80) gehouden op woensdag 27 juni 2007, van tot uur.

LABORATORIUM ELEKTRICITEIT

Geluidsnelheid. 1 Inleiding. VWO Bovenbouwpracticum Natuurkunde Practicumhandleiding

A-examen radioamateur : Zitting van 11 oktober Reglementering

Formuleblad Wisselstromen

Inleiding elektronica Presentatie 1

Elektriciteit Inhoud. Elektriciteit demonstraties

Besturing. 200W eindtrap. 28V Voeding db MHz db 2: MHz db db 4: MHz db. 3:

Leerling maakte het bord volledig zelf

Tentamen Lineaire Schakelingen (EE1300)

Extra opgaven. Bewijs de uitdrukking voor L V in de eerste figuur door Z V = Z 1 + Z 2 toe te passen.

NATUURKUNDE OLYMPIADE EINDRONDE 2015 PRACTICUMTOETS

Vak: Labo elektro Pagina 1 / /

Vak: Labo elektro Pagina 1 / /

Oefeningen Elektriciteit II Deel II

Elektronische Schakelingen. Opgave 1. (4 punten) Naam: Studienummer: Kwartaaltentamen 4 e kwartaal, 12 juni 2001, 14:00 16:00.

Ultrasone snelheidsmeting. Technischverslag Versterker

Transcriptie:

Faculteit Ingenieurswetenschappen Departement Elektrotechniek ESAT KATHOLIEKE UNIVERSITEIT LEUVEN Practicum Audioversterker H01M3 Elektronische Basisschakelingen Titularis: Steyaert, M. Assistenten: Pieter Gijsenbergh (ELEK B02.34) Nico De Clercq (ELEK B02.20) Hans Meyvaert (ELEK B02.22) Athanasios Sarafianos (ELEK B02.22) Nicolas Butzen (ELEK B02.29) 2015 2016

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. 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. 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 = 10 15 A (1.4) k.t/q = 26mV @300K (1.5) 1

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 www.esat.kuleuven.be/ h01m3/. Ga naar C:\Program Files (x86)\ltc\ltspiceiv en voer scad3.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

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 in de bovenste USB-poort vooraan. Start nu het programma C:\Program Files (x86)\tiepie\multichannel\multichannel.exe. Het programma toont een schermpje met daarop een signaal. Het is mogelijk dat er een foutmelding wordt gegeven. Sluit in dat geval het programma af en trek de scope even uit. De tweede keer zou het wel moeten werken. Als het nog steeds niet lukt, start je de computer opnieuw op, terwijl de scope al aangesloten is. Met een scope kunnen signalen in het tijdsdomein gemeten en gevisualiseerd worden. Deze scope heeft 2 kanalen die tegelijkertijd kunnen worden bekeken. De USB-scope heeft ook een generator. Hiermee kan je golfvormen creëren en aanleggen aan de ingang van het circuit. 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. Verbind met een coax-kabel de uitgang OUT met de scope CH1 (zo stuur je het gecreëerde signaal naar de scope-ingang) Stel de generator en de scope in vanuit het venster op de PC. 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

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. 4

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

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) 6

De parameter g m heeft enkel betekenis in het klein-signaalschema van het circuit. Stel het klein-signaalschema op van de spanningsversterker. 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 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 klein-

signaalschema getekend worden. Teken het klein-signaalschema en bereken de overdrachtsfunctie. Controleer of die ongeveer 1 is. 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

Vdd=9V 47r Vss=0V Figuur 5.3: Darlingtonpaar 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. 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) 5.4 Bode plot Sluit de meetsoftware af. Download en unzip nu de zip-file van de site www.esat.kuleuven.be/ h01m3/practicum.zip. Sluit de opstelling aan zoals aangegeven op figuur 5.4. Start bode.vi. Stel de grenzen voor de bodeplot in van 10 Hz tot 20 khz. Vervolgens start je de labview applicatie (in de menubalk). Nu kan de meting gestart worden.

scope ch1 ch2 out Audioversterker in out Figuur 5.4: Meten van het Bode plot Teken het bode plot hieronder over. Duid de polen en zeros aan op je figuur en verklaar welke knoop ze veroorzaakt. Voer de ac-simulatie van het volledige circuit uit en vergelijk het resultaat met het gemeten gedrag.

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. 12

Hoofdstuk 7 Invulblad Tabel 7.1: DC-niveaus Meetpunt Berekend Gesimuleerd Gemeten N1 N2 N3 N4 N5 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! 13