1

Plan du cours

Rozdział III-5 Wzmacniacze mocy
Chapter III-5 Power amplifiers

B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-5 Power Amplifiers

2

Z

e

G

v0

v

e

R

s

v

e

i

e

i

s

v

s

R

g

R

L

v

g

Obciążenie

(load)

By zwiększyć PS in orger to increase Ps :

1. Zwiększać Vs increase Vs=>

= ale V

s max

jest zawsze ograniczone

-2. Zmniejszyć R

L

co oznacza prace z dużym

prądem na wyjściu

Decreae of

R

L

, this induces

the output current increase

Wzmacniacze mocy Power amplifiers

L

eff

S

eff

s

eff

s

s

R

V

xV

i

P

2





L

seff

eff

R

V

i



L

eff

s

S

S

S

L

R

V

P

P

R

R

4

2

,

max









Dla R

s

o danej wartości , największą moc na wyjściu

osiągnie się gdy
For given Rs the highest output power is obtained when :

R

s

=R

L

=> warunek dopasowania matching condition

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power

Amplifiers

CEL goal / Uzyskanie dużej mocy na wyjściu To achieve a high output power

3

Moc a wyjściu

Output power

+

-

V

S

V

B

= -V

cc

V

H

= +V

cc

A

R

s

R

L

Należy szukać innych rozwiązań niż WOP

=>Wzmacniacze mocy

Zastosowanie Use

Moc W

Power W

Nadajnik radiowy FM, AM
FM ratio emitter

100 kW

Nagłośnienie koncertu
Concert hall

5 kW

Wzmacniacz Hi Fi
Hi FI amplifier

2x 50-300 W

Wzmacniacz radia samochodowego
Car Radio amplifier

4 x 50 W

Telefon komórkowy G3
Mobile output G3 power

2W

Telefon komórkowy GSM
Mobile output G3 power

1W

Ruter WIFI
Router WIFI

0.1W

Nadajnik Bluetooth (1 m)
Bluetooth emitter

1mW

B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-5 Power Amplifiers

Wzmacniacze mocy Power amplifiers

- OAP =>R

S

 100 W

- V

eff

max 10V

W

x

P

S

5

.

0

100

2

10

2

max





4

Sprawnosc, power efficiency

P

e

=P

wejscia input

P

s

=P

wyjscia output

P

a

=P

zasilania, supplied

P

d

=P

tracona dissipated

e

a

a

P

P

P





a

s

f

s

P

P

P

P











a

s

a

d

P

P

P

P











1

Moc dostraczona supplied power

Sprawność efficiency

Moc tracona na wzmacniaczu
Power dissipated

 Chłodzenie
 cooling

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Wzmacniacze mocy Power amplifiers

5

Rozwiazania solutions

- tranzystor bipolairny bipolar transistor

- tranzystorry transistors FET ,MOS

- na lampach tubes

• Na układach scalonych integrated circuits

A

m

p

li

A

u

d

io

H

IF

I

T

D

A

1

5

2

1

Wzmacniacz GSM PBL 40305

W

P

1000

100



W

P

s

50

1



B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-5 Power Amplifiers

6

Wzmacniacz Klasy A Class A

R

L

+E

I

c

I

B

V

CE

V

BE

I

C

I

B

Punkt pracy Operation point

Wejście Input

Wyjście Output

E

V

s

 

2

2

2

sin

)

(

)

(

max

max

0

E

V

E

V

t

V

V

t

V

t

V

seff

sm

sm

CE

CE

S













L

L

eff

S

s

R

E

R

V

P

8

2

max

2

max





 

25

.

0

2

2

2

sin

2

1

2

max

max

2

max

max

0

max



















a

s

L

L

moyT

a

f

f

L

T

L

L

moyT

f

P

P

n

R

E

R

E

E

i

x

U

P

R

E

dt

t

R

E

T

R

E

i



V

CEo

≈E/2

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

7

V

CE

V

BE

I

C

I

B

Punkty pracy
Operation point

R

L

+E

I

c

I

B

0 2p

q

T







B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Wzmacniacz Klasy B Amplifier Classe B

(

Wzmacniacz przeciwsobny, push-pull

Wejście
Input

Wyjście
Output

8

Wzmacniacz Klasy B tranzystory idealne

Amplifier Classe B perfect transistors

R

L

v

e

v

s

NPN

PNP

T

1

T

2

E

E

+

-

+

-

Wzmacniacz wtórnikowy
Current follower set up
R

e

 R

L

=>duże

R

s

 h

11

/  0

G

v

 1

G

i

≈ 

i1

I

B

is

i1

V

e

V

s

=i

s

R

L

is=i1-i2

i1

i2

L

2

L

2

max

2

max

max

2R

E

R

2

E

P

















L

seff

s

s

R

U

E

U

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

9

E

u

i

amax

=E/R

L

t

t

   

 





L

L

amoyT

R

E

dt

t

R

E

E

dt

t

i

t

u

2

sin

T

1

T

1

P











 

E



t

u

a

c

a

πR

E

P

2

2



Moc dostarczona przez jedno zrodlo

Power delivered by a supply source

Dla dwoch zrodel for two sources :

78

0

4

2

2

2

2

,

π

E

πR

R

E

P

P

η

c

c

a

s









Uwaga Attention :

- Zwykle typically V

smax

< E.:

-Sprawność się wtedy obniża
-Efficiency decreases :

c

2

smax

max

2R

V

P



s

78

.

0

4E

πV

smax







B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Wzmacniacz Klasy B tranzystory idealne

Amplifier Classe B perfect transistors

U

BE

=0

10

V

CE

V

BE

I

C

I

B

R

L

+E

I

c

I

B

0 2p

q

T







%

78

4

max

max

max











a

s

P

P

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Wzmacniacz Klasy AB amplifier class AB

Wejście

Wyjście

11

0.6 V

- 0.6 V

V

e

i

s

R

L

v

e

v

s

NPN

PNP

T

1

T

2

E

E

+

-

+

-

R

R

0,6 V

0,6 V

Rozwiazanie praktyczne dla klasy AB

practical solutions for AB class

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

U

A

U

A

U

B

U

B

Przesuwnik napiecia tension shift

i

s

12

Wzmocnienie mocy Power gain G

p

=G

v

xG

i

→ wtórniki zapewniają wzmocnienie prądowe followers provide current gain Gi= ale Gv=1
→ WOP zapewnia wzmocnienie napięciowe OPA assures tension gain G

v

R

L

v

s

NPN

PNP

T

1

T

2

E

E

+

-

+

-

R

R

r

r

+

-

A

v

s1

R

1

R

2

A

G

v

=1

+

-

R

1

R

2

1

2

1

R

R

G

v





V

e

V

e

V

s

Wzmacniacz klasy AB ze wzmacniaczem napięciowym i sprzężeniem zwrotnym
AB class amplifier with tension amplifier and negative feedback

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

13

V

CE

V

BE

I

C

I

B

R

+E

I

c

0 2p

q

A=f(q)

Druga harmoniczna
Second harmonic

-E

T

f

0 fo 2fo







L

C

o

wyjscia

f

LC

f

2

2

1







%

85

60

max







B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Wzmacniacz Klasy C Class C amplifier

Prosta obciążenia

Wejście

Wyjście

14

V

CE

V

BE

I

C

I

B

R

+E

I

c

I

B

t

ON

E

V

ce

Stan ON
V

ce

=0 V

s

=E, I

s

=I

c

=E/R

L

, P

s

=U

s

x i

s

=E x E/R

L,

=

E

2

/R

L

P

a

=U

a

x i

a

=E x E/R

L

,=

E

2

/R

L

Vs

h=100%

Wartośćteoretyczna theoretical value
zwykle typically 90%
bo czas przełączenia ON/OFF jest >0
Because swiching time is >0

Stan OFF
V

ce

=E V

s

=0, I

s

=I

c

=0, P

s

=U

s

x i

s

=

0

P

a

=U

a

x i

a

=E x 0,=

0

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Wzmacniacz Klasy D Class D amplifier

Input

Output

15

Zastosowanie klasy D

Use of D class

Wzmacniacz PWM (pulse width modulation

Input

Wyjscie

output

Moduator PWM

Wzmacniacz klasy D

Class D amplifier

Filtr dolno

przepustowy

Low pass filter

T

t

ON

t

ON

/ T = f(V

e

)

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-5 Power Amplifiers

16

http://www.maximintegrated.com/

wzmacniacz przeciwsobny klasy

D z uzyciem sygnalow PWM

D class push pull amplifier using pulse

using modulated signal (PWM)

17

NPN :

PNP :



1



2

i

B

2V

BE

2V

BE



eq

= 

1

+

2

+ 

1



2

 

1



2

i

B



1



2

2V

BE

2V

BE



eq

= 

1

+

2

+ 

1



2

 

1



2

Zwiększenie 
increase of  : układ setup of Darlington

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Sposob na zwiekszenie mocy wyjsciowej
How to increase power

18

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power Amplifiers

Use of Darlinton in order to control a DC motor

19

V

e

Ampli

1

E

Ampli

2

V

e1

V

s1

V

s2

V

e2

Sposob na zwiekszenie mocy wyjsciowej
How to increase output power

V

smax

-1

-E

V

smax

=E-(-E)=2E

P

s

X

4

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power

Amplifiers

20

V+

e

Ampli

1

+E

Ampli

2

-V+

e

V

smax

+E

V

smax

=E-(-E)=2E

P

s

X

4

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power

Amplifiers

Ampli

4

Ampli

3

-E

V-

e

- V-

e

Kazdy wzmacniacz dostracza 25% mocy
Each amplifier delivers 25% of power

Sposob na zwiekszenie mocy wyjsciowej uklad mostkowy
How to increase output power bridge set up

21

V+

e

+E

-V+

e

uklad mostkowy : klasa D driver silnikow krokowych
Bridge type D class step in motor driver

+E

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-5 Power

Amplifiers

-E

V-

e

- V-

e

-E

B.Piwakowski Ecole Centrale de

Pekin Electronic systems , Chapter

VI Power Amplifiers

22

Step in motor drivers => Bridge class D

4 x pnp darlington power transistors C

or 4 x FET bridge

Z=R+jwL

B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-5 Power Amplifiers

23

Bridge amplifier DC to motor control

+E

or -E

May operate as class B or D

B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-5 Power Amplifiers

24

http://www.maximintegrated.com/

Input = 1

Input =0

Mostkowy akustyczny wzmacniacz

klasy D z uzyciem sygnalow PWM

Bridge audio D class amplifier using pulse

width modulated signal (PWM)