Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora (14). Wzmacniacze w klasach A, B i AB

Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora (14). Wzmacniacze w klasach A, B i AB

O klasach wzmacniaczy napisano już tyle publikacji, że trudno dodać coś nowego. Wydaje się, że najmniej materiałów można znaleźć na temat symulacji wzmacniaczy w kontekście ich pracy w różnych klasach. Niniejszy cykl artykułów doskonale wpisuje się więc w tę tematykę. Po wstępnych symulacjach z zastosowaniem programu LTspice jak zwykle zweryfikujemy pomiary w układzie rzeczywistym. Zajmiemy się jedynie klasami A, B i AB.

Spis treści

Mówiąc o klasach wzmacniaczy, nie mamy bynajmniej na myśli ich konfiguracji układowej. Klasa definiuje punkt pracy elementów czynnych (tranzystory, lampy). Jest to równoznaczne z określeniem kąta przepływu prądu przez pojedynczy element czynny przy sterowaniu wzmacniacza sygnałem sinusoidalnym. W artykule zajmujemy się wzmacniaczami zbudowanymi w oparciu na tranzystorach bipolarnych.

Symulacja wzmacniacza w klasie A

Zaczynamy od podstawowej klasy wzmacniaczy, jaką jest klasa A. Chociaż spotykane są wzmacniacze mocy pracujące w klasie A, to jednak pomimo ogólnie niezłych parametrów należą do rzadkości, o czym będzie jeszcze mowa w dalszej części artykułu. W klasie A pracuje natomiast większość typowych wzmacniaczy napięciowych.

Rysunek 1. Ustalenie punktu pracy wzmacniacza klasy A

Kąt przepływu prądu przez element czynny wzmacniacza klasy A jest równy 360°. Oznacza to, że tranzystor musi być przez cały czas pracy utrzymywany w stanie aktywnym, a więc musi przez niego płynąć prąd, nawet w stanie spoczynku, czyli bez sygnału sterującego. Ze względu na minimalizację zniekształceń nieliniowych punkt pracy tranzystora (PP) powinien być obierany na liniowym odcinku charakterystyki Ic=f(Ube) (rysunek 1). Może się to wiązać z koniecznością przepuszczania względnie dużego prądu spoczynkowego. Działanie wzmacniacza klasy A sprawdzimy na prostym przykładzie. Podobny problem był już rozpatrywany w 1. odcinku cyklu, w którym zajmowaliśmy się wzmacniaczem w konfiguracji OE (WE, wspólny emiter). Obliczenia nie są jednak skomplikowane, szybko więc je powtórzymy. Schemat wzmacniacza zamieszono na rysunku 2.

Rysunek 2. Schemat ideowy wzmacniacza pracującego w klasie A

Zakładamy zastosowanie tranzystora NPN małej mocy typu 2N3904. Przyjmiemy prąd kolektora równy 11 mA i spoczynkowe napięcie na kolektorze równe 2,5 V. Wzmocnienie powinno wynosić ok. 10 V/V. Zatem rezystor kolektorowy R3 jest równy:

Przyjmujemy 220 Ω. Wzmocnienie jest równe w przybliżeniu stosunkowi rezystora kolektorowego do emiterowego, przy założonym wzmocnieniu rezystancja RE jest równa 22 Ω. Napięcie na emiterze wyniesie w przybliżeniu:

Z charakterystyki tranzystora 2N3904 wynika, że dla prądu emitera 11 mA napięcie UBE jest równe 0,712 V. Napięcie na bazie wyniesie zatem UE+UBE=0,242+0,712=0,954 V. Na podstawie danych katalogowych przyjmujemy, że wzmocnienie prądowe zastosowanego tranzystora jest równe 300, co daje prąd bazy:

Przez rezystor R1 polaryzujący bazę tranzystora przepuścimy prąd 10-krotnie większy od prądu bazy. R1 będzie więc równy:

Przyjmujemy R1=10 kΩ. Prąd płynący przez R1 wyniesie:

Pozostało obliczenie R2:

Przyjmujemy 2,7 kΩ.

Rysunek 3. Parametry stałoprądowe rozpatrywanego wzmacniacza klasy A

Sprawdzamy, na ile obliczenia potwierdzą się w LTspice. Uruchamiamy symulację .OP. Na rysunku 3 mamy wyniki ze wszystkimi parametrami stałoprądowymi. Jeśli porównamy je z wartościami zakładanymi, okazuje się, że nie różnią się o więcej niż 7%. Pamiętając, że przyjmowaliśmy wartości elementów z szeregu, należy uznać, że jest to wynik bardzo dobry.

Teraz sprawdzimy parametry wzmacniacza dla prądu zmiennego. W celu określenia wzmocnienia napięciowego wprowadzamy trzy polecenia:

.meas TRAN uwepp PP V(we)
.meas TRAN uwypp PP V(wy)
.meas TRAN ku PARAM uwypp/uwepp

Zmierzymy również zawartość harmonicznych, w tym współczynnik THD. W celu uzyskania jak największej dokładności obliczeń, wprowadzamy opcje:

.options plotwinsize=0 – blokada kompresji danych,
.options numdgt=7 – włączenie podwójnej precyzji obliczeń,
.four 1000 10 200 v(we) v(wy) – włączenie analizy harmonicznych.

Dodatkowo w poleceniu uruchamiającym symulację skracamy krok obliczeń do 100 ns, godząc się na nieco wydłużony czas oczekiwania na wyniki:

.tran 0 200m 100m 100n

Obliczone parametry odczytujemy typowo, tj. otwierając okno logów błędów („View → SPICE Error Log”). Na końcu wszystkich widocznych w tym oknie danych znajdujemy pozycję ku. Jest to wzmocnienie napięciowe, które w symulacji wyniosło 8,91548 V/V wobec zakładanego 10 V/V. Nie mniej niż wzmocnienie interesują nas oczywiście zniekształcenia harmoniczne. Współczynnik THD dla sygnału wyjściowego osiągnął wartość 0,830591%. Całkiem nieźle jak na wzmacniacz zaprojektowany w 5 minut.

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik listopad 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio grudzień 2020

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje listopad 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich listopad 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów