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
Pobierz PDF Download icon

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

Symulacja wzmacniacza w klasie B

Schemat wzmacniacza w klasie B przygotowany do symulacji pokazano już na rysunku 5. Wyjaśnień wymagają użyte opcje i polecenia. Źródło sygnału wejściowego V3 generuje przebieg sinusoidalny o częstotliwości 500 Hz i amplitudzie 1,2 V. Jest on załączany z opóźnieniem 10-milisekundowym od chwili startu symulacji, co pozwoli ewentualnie zbadać zachowanie się wzmacniacza bez sygnału.

Pojawia się tu dodatkowy problem sprzężenia generatora z wejściem wzmacniacza. Na wejściu, w punkcie „we”, panuje napięcie równe 0 V. Dołączenie kondensatora elektrolitycznego, np. 10 μF, przy zerowym offsecie napięcia wyjściowego generatora skutkowałoby brakiem polaryzacji elektrolitu, co nie jest stanem prawidłowym. Można tego uniknąć, stosując kondensator monolityczny, ale rozsądna pojemność, np. 1 μF, dość znacznie obcięłaby pasmo wzmacniacza w zakresie dolnych częstotliwości.

Dolna częstotliwość 3-decybelowa przesunęłaby się z ok. 34 Hz do 140 Hz. Pozostawimy zatem kondensator elektrolityczny 10 μF i zastosujemy sygnał generatora z offsetem 2-woltowym.

Ze względu na planowane badanie widma sygnałów funkcją FFT oraz analizę harmonicznych poleceniem .four ustawiamy takie same opcje, jak czyniliśmy to dla wzmacniacza klasy A (.options numdgt=7,.options plotwinsize=0). Zmniejszono również krok obliczeń do 100 ns w poleceniu .tran.

Na uwagę zasługuje też możliwość ustawienia temperatury wybranych elementów. Zakładając, że tranzystory będą się lekko podgrzewać w czasie pracy, warto sprawdzić, na ile wpłynie to na pracę wzmacniacza. Ustawianie temperatury elementu jest realizowane przez dodanie opcji temp=tt w polu typu elementu. Temperatura jest zadawana parametrycznie poleceniem .param tt=25 (25°C na sztywno) lub .step param tt 20 100 2 płynnie od 20 do 100°C co 2°C. Wszystko już jest chyba jasne, zaczynamy.

Po uruchomieniu symulacji wprowadzamy w oknie wykresów 3 panele (prawy przycisk myszki w oknie wykresów, a następnie wskazanie opcji „Add Plot Pane i tak 3 razy). Klikamy na pierwszy (górny) panel i na schemacie wskazujemy kolektor tranzystora Q1. Chcielibyśmy obserwować przebieg prądu kolektora na tle sygnału wejściowego, klikamy więc dodatkowo na wejście wzmacniacza (punkt „we”). Podobnie postępujemy z panelem 2.

Po kliknięciu na niego wprowadzamy prąd kolektora tranzystora Q2 i napięcie wejściowe. W 3. panelu umieszczamy przebieg wyjściowy (punkt „wyB”). Będziemy go obserwować w pomiarach układu rzeczywistego. Wynik symulacji przedstawiono na rysunku 8.

Rysunek 8. Przebiegi prądów kolektora oraz napięcia wejściowego i wyjściowego symulowanego wzmacniacza klasy B

Patrzymy na dolny wykres. Hm, czy coś poszło nie tak? Nie. Wszystko jest w porządku. Niestety, zniekształcenia sygnału wyjściowego wynikają z przesunięcia punktu pracy poza obszar przewodzenia tranzystora. Do jego otwarcia konieczne jest napięcie ok. 0,6 V i jest to taka strefa martwa, w której nic się nie dzieje. Dopiero po przekroczeniu napięcia wejściowego powyżej ok. 0,6 V tranzystor zaczyna wzmacniać. W sygnale wyjściowym pojawiają się tzw. zniekształcenia skrośne. Aż boję się zajrzeć do wyników pomiaru zniekształceń, ale cóż – lepsza zła prawda niż żadna. Wyniki uzyskujemy po wybraniu opcji „View → SPICE Error Log”.

W pierwszej części wyników podane są parametry dla sygnału wejściowego. Tu wszystko jest w porządku: THD=0%. Kolejna porcja danych dotyczy sygnału wyjściowego i tu jest prawdziwa tragedia: THD=44,8% (rysunek 9). Tego chyba nie da się słuchać. Z ciekawości szybko zmontowałem układ rzeczywisty i sprawdziłem brzmienie wzmacniacza na mocnym uderzeniu. Z pewnością nikt z Czytelników nie chciałby słuchać „Highway to hell” na takim sprzęcie.

Rysunek 9. Pomiar zawartości harmonicznych wzmacniacza klasy B

Sprawdźmy jeszcze z ciekawości, jak wygląda widmo sygnału wyjściowego. Teraz już chyba nie będzie zaskoczenia. Uruchamiamy okno FFT („View → FFT”), a następnie wskazujemy sygnały V(web) i V(wyb). W oknie FFT uaktywniamy dwa panele i do górnego wprowadzamy widmo sygnału wejściowego, a do dolnego wyjściowego. Możemy ponadto ograniczyć zakres obserwacji do 100 kHz. Wprowadzamy kursor myszki na opis osi częstotliwości, klikamy prawym przyciskiem i wprowadzamy parametr Right=100 kHz. Wykresy przedstawiono na rysunku 10. Co tu komentować?

Rysunek 10. Widmo sygnału wyjściowego symulowanego wzmacniacza klasy B

Harmonicznych jest niemal tyle samo co sygnału podstawowego. Można zaobserwować, że wyraźnie silniejsze są harmoniczne nieparzyste, ale parzystych też jest sporo.

Wniosek z tego eksperymentu jest jeden. Lepsze jest wrogiem dobrego. Chcieliśmy usprawnić wzmacniacz klasy A pod kątem niepotrzebnego zużycia energii, i to się udało, ale własności użytkowe, przynajmniej z punktu widzenia zastosowań w akustyce, są opłakane. Wzmacniacze pracujące w klasie B zupełnie nie nadają się dla koneserów muzyki słuchanej w dobrej jakości. Mogą być natomiast stosowane w układach sterowania mocą w systemach automatyki itp., gdzie jakość sygnału nie ma istotnego znaczenia.

Pomiary wzmacniacza w klasie B

Po wstępnej symulacji wzmacniacza klasy B przyszła kolej na pomiary układu rzeczywistego. Już wiemy, jakich wyników możemy się spodziewać.

Nie robimy więc sobie wielkiej nadziei na spektakularny efekt, przynajmniej w pozytywnym znaczeniu. Dla porządku jednak sprawdzimy, na ile wyniki symulacji potwierdzą się w pomiarach.

Schemat jest dokładnie taki sam jak w symulacji. Dodatkowo zastosowano kondensatory filtrujące zasilanie: 10 μF i 100 nF dla każdego napięcia.

Układ ma tendencję do wzbudzania się. Źródłem sygnału wejściowego będzie kanał 1. generatora arbitralnego Analog Discovery 2. Ustawiamy amplitudę 1,2 V i częstotliwość 500 Hz, tak jak w symulacji. Przebiegi oglądamy na oscyloskopie. Kanał 1. mierzy sygnał wejściowy, kanał 2. sygnał wyjściowy. Niespodzianki nie ma, przebiegi przypominają te z symulacji, choć widoczne są pewne asymetrie (rysunek 11).

Rysunek 11. Przebiegi wejściowe i wyjściowe wzmacniacza klasy B

Celowe będzie zdefiniowanie kanału użytkownika, na którym zmierzymy moc oddawaną do obciążenia. Nie jest to pomiar bardzo wiarygodny, gdyż zakłada stałą oporność obciążenia, gdy tymczasem impedancja użytego głośnika może ulegać nawet dość znacznym zmianom w funkcji częstotliwości. Wyniki pomiarów potwierdziły te z symulacji. Moc wydzielana w głośniku jest równa 9,13 mW, wobec zakładanej ok. 10 mW.

Pozostaje jeszcze to najgorsze, czyli pomiar zniekształceń harmonicznych THD i sprawdzenie widma sygnału wyjściowego. Do określenia tych parametrów korzystamy z narzędzia Spectrum Analyzer Analog Discovery 2. Sygnał nadal jest pobierany z kanału 1. generatora AD2. Jego parametry nie ulegają zmianie. W celu uzyskania współczynników THD uruchamiamy opcję „Measurements”, a w niej dodajemy pozycje: Trace1 → Dynamic → THD” (pomiar zniekształceń sygnału wejściowego) oraz Trace2 → Dynamic → THD” (pomiar zniekształceń sygnału wyjściowego) – rysunek 12.

Rysunek 12. Widmo sygnału wyjściowego wzmacniacza rzeczywistego

Aby upodobnić wykres pomiaru widma z wykresem z symulacji, wybieramy opcję „Scale=Logarithmic”. Wyniki zamieniamy z jednostek dBc na procenty, podobnie jak to robiliśmy w przypadku wzmacniacza klasy A:

  • sygnał wejściowy: –42,74 dBc = 0,73%
  • sygnał wyjściowy: –8,692 dBc = 36,76%

Wyraźnie zauważalny wzrost harmonicznych sygnału wejściowego wynika ze względnie niskiej impedancji wejściowej wzmacniacza i ograniczonej wydajności prądowej generatora. Jego sygnał jest minimalnie obcinany od dołu, co powoduje wzrost harmonicznych. Sygnał nieobciążonego generatora ma THD na poziomie –78,8 dBc (0,01%). Zawartość harmonicznych na wyjściu (37%) nie dziwi, choć jest mniejsza, niżby to wynikało z symulacji.

Rysunek 13. Pomiar pasma przenoszenia rzeczywistego wzmacniacza klasy B

Dla formalności pozostaje jeszcze sprawdzenie pasma przenoszenia, do czego używamy narzędzia Network Analyzer (rysunek 13). Okazuje się, że dolna 3-decybelowa częstotliwość wynosi ok. 34 Hz, natomiast górna sięga zakresów megahercowych, nawet z podbiciem dla ok. 1,9 MHz. Nie dziwi więc tendencja do wzbudzania się wzmacniacza.

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2020
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik październik 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio wrzesień - październik 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje październik 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna październik 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich październik 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów