WZMACNIACZE MOCY MAŁEJ CZĘSTOTLIWOŚCI

1. WSTĘP

We wzmacniaczach mocy małej częstotliwości występują trzy zasadnicze grupy problemów, od których pomyślnego rozwiązania zależy jakość wzmacniacza. Pierwsza z nich dotyczy sposobów uniknięcia zniekształcenia wzmacnianych sygnałów oraz likwidowania zniekształ­ceń, które jednak powstały we wzmacniaczu. Druga grupa obejmuje zagadnienia energetyczne - uzyskania dużej mocy wyjściowej i spraw­ności wzmacniacza. Trzecia - to grupa problemów konstrukcyj­nych.

W pierwszej części ćwiczenia badany jest model przeciwsobnego wzmacniacza mocy, w którym zademonstrowano typowe zniekształcenia sygnału występujące we wzmacniaczach mocy małej częstotliwości, oraz zagadnienie zmniejszania wprowadzanych przez wzmacniacz zniekształ­ceń za pomocą ujemnego sprzężenia zwrotnego.

W drugiej części ćwiczenia jest projektowany i badany typowy wzmacniacz mocy małej częstotliwości zbudowany z układem scalonym UL1481. Następnie mierzy się niektóre charakterystyki badanego układu, typowe dla wzmacniaczy mocy.

Celem ćwiczenia jest ugruntowanie znajomości zasad działania współczesnych wzmacniaczy mocy małej częstotliwości i ich istotnych parametrów, doświadczalne sprawdzenie wpływu sprzężenia zwrotnego na zniekształcenia sygnału oraz poznanie fizycznych mechanizmów działania sprzężenia zwrotnego powodujących zmniejszanie tych znie­kształceń.

1. OPIS TECHNICZNY BADANYCH UKŁADÓW

1. Model wzmacniacza mocy małej częstotliwości (wkładka DA051A)

Wkładka DA051A zawiera model przeciwsobnego wzmacniacza mocy, w którym można zlokalizować i poznać przyczyny powstawania zniekształceń sygnału oraz sprawdzić, w jaki sposób można je zmniejszyć, stosując ujemne sprzężenie zwrotne. Schemat ideowy badanego modelu przedstawiono na rys. 1. Model został tak zaprojektowany, aby zniekształcenia występujące w praktycznie stosowanych wzmacniaczach mocy małej częstotliwości były łatwo obserwowalne. Stąd np. tranzystory stopnia mocy pracują w klasie C, co nie jest stosowane w układach użytkowych.

Rys.1. Schemat ideowy modelu wzmacniacza małej częstotliwości (wkładka DA051A)

Badany model nie reprezentuje oczywiście wszystkich stosowanych rozwiązań układowych wzmacniaczy mocy małej częstotliwości. Wzmacniacz operacyjny μA741 pełni rolę wzmacniacza sterującego stopień mocy - wtórnik komplementarny T₁, T₂. Wzmocnienie wzmacniacza wynosi 1 dla składowych stałych, a dla napięć zmiennych małej częstotliwości 100 lub 5, zależnie od połączenia obwodu sprzężenia zwrotnego. Obciążeniem układu badanego jest rezystor R₀. Rezystory R₇ i R₈ reprezentują rezystancję wyjściową źródła sterującego stopień mocy. Pętlą sprzężenia zwrotnego można objąć:

• sam wzmacniacz scalony,

• wzmacniacz scalony wraz z rezystorami R₇ i R₈

• wzmacniacz, rezystory R₇ i R₈ oraz stopień mocy,

• wzmacniacz, rezystory R₇ i R₈, stopień mocy i kondensator sprzęgający C₃.

Rys.2.Płyty czołowe wkładek DA051A i DA051B

Rezystory R₆, R₉, R₁₁ i R₁₂ służą do zmniejszenia wpływu kabli połączeniowych na działanie układu badanego.

Na płycie czołowej wkładki DA051A znajdują się dwa wyjścia, które można niezależnie łączyć z pewnymi węzłami układu (p.rys.1). Pozwala to m.in. na obserwację kształtu prądów baz tranzystorów T₁ i T₂ oraz zmian napięcia na kondensatorze sprzęgającym C₃. Stałe czasowe obwodów wejściowego i sprzężenia zwrotnego zostały tak dobrane, aby o dolnej częstotliwości granicznej układu - a więc i o zniekształceniach liniowych sygnałów o widmie leżącym w dolnym zakresie pasma przenoszenia badanego modelu - decydowała jedynie wyjściowa stała czasowa C₃R₀.

Płytę czołową wkładki DA051A przedstawia rys. 2. Wciśnięcie klawisza przełącznika "loop" powoduje przyłączenie dzielnika sprzężenia zwrotnego (rezystory R₄ i R₅, punkt "f") do węzła układu oznaczonego tak jak klawisz. Przełączniki nad gniazdami wyjściowymi służą do łączenia gniazda pod wciśniętym klawiszem z odpowiednim węzłem układu badanego (zawsze przez rezystor separujący).

1. Scalony wzmacniacz mocy małej częstotliwości (wkładka DA051B)

Rys.3. Schemat ideowy wzmacniacza mocy małej częstotliwości (wkład­ka DA051B)

Wkładka DA051B zawiera kompletny układ wzmacniacza mocy małej częstotliwości z układem scalonym UL1481. Za pomocą przełączników suwakowych umieszczonych na płytce drukowanej można zmieniać pewne parametry wzmacniacza. Schemat ideowy układu badanego przedstawiono na rys.3. Elementy C₃, C₄, C₅, C₇ i R₄ tworzą układ kompensacji częstotliwościowej, proponowany przez producenta wzmacniacza scalonego. R₃ i C₁ służą do realizacji sprężenia zwrotnego typu "bootstrap". Kondensator C₂ oraz przełączany rezystor R₂ uzupełniają obwód ujemnego sprzężenia zwrotnego dla składowych zmiennych. Wzmocnienie układu, dla średnich częstotliwości pasma wzmacnianego, wynosi 90 V/V ± 20% dla R₂ = 43Ω oraz 30 V/V ± 20% dla R₂ = 130Ω.

Rys.4. Uproszczony schemat ideowy scalonego wzmacniacza mocy małej częstotliwości UL1481

Uproszczony sche­mat ide­owy scalonego wzma­c­niacza mocy UL1481 przed­stawiono na rys. 4. Wydajność źródła prą­do­we­go I₁ jest wprost pro­porcjonalna do napięcia zasilającego wzmac­niacz. Sygnał sprzężenia zwrot­nego jest pobierany z wyjścia wzmacniacza i przez rezystor R_f podawany na emiter tranzystora w stop­niu wejściowym.

Uproszczony sche­mat mon­tażowy płytki dru­ko­wanej wkładki DA051B przed­sta­wio­no na rys. 5.

Rys.5. Uproszczony schemat montażowy płytki drukowanej wkładki DA051B

1. WYKAZ APARATURY POMOCNICZEJ

Do wykonania ćwiczeń potrzebne są następujące przyrządy pomocnicze:

• generator sinusoidalny przestrajany SN2013

• przetwornik wartości szczytowej ac-dc SN5011

• automatyczny miernik zniekształceń nieliniowych MZN

• przełącznik czterokanałowy ac SN4222

• OBLICZENIA WSTĘPNE I PROJEKTOWE

Obliczenia wstępne dotyczą wzmacniacza mocy z układem scalonym UL1481 (wkładka DA051B). Ze schemat ideowego (rys.3), wynika, że w układzie możliwa jest zmiana wartości napięcia zasilającego U_CC oraz trzech elementów: R₂, R₀ i C₆.

Z tablicy 1 należy wybrać zestaw założeń (z każdego wiersza jedną liczbę), a następnie obliczyć odpowiednie wartości U_CC, R₂, R₀ i C₆, uwzględniając przy tym możliwość wyboru, jakie daje wkładka DA051B.

Tablica 1. Założenia do obliczeń wartości elementów wzmacniacza mocy.

UWEPP[V]	≤0.1		≤0.2
fd3dB[Hz]	≤450	≤200	≤100	≤50
PWY[mW]	≥50	≥300		≥600

oznaczenia:

U_WEPP i P_WY należy rozumieć następująco:

U_WEPP - maksymalna dysponowana wartość międzyszczytowa napięcia wej­ścio­wego,

P_WY - żądana maksymalna moc wyjściowa.

Jeżeli wybrany zestaw okaże się nierealizowalny w badanym układzie - należy zmienić przyjęte założenia na inne z tablicy 1.

1. OBSERWACJE I POMIARY

1. Obserwacje zniekształceń nieliniowych wzmacniacza mocy (wkładka DA051A)

Do wysterowania modelu wzmacniacza mocy zmontowanego na wkładce DA051A należy użyć przestrajanego generatora sinusoidalnego SN2013, którego częstotliwość pracy powinna wynosić około 1 kHz.

Wzmacniacz operacyjny praktycznie nie wnosi zniekształceń nieliniowych. Źródłem zniekształceń sygnału jest natomiast wtórnik komplementarny T₁, T₂. Obserwacje należy prowadzić w takich warunkach pracy stopnia mocy, aby badane zjawiska występowały szczególnie wyraźnie.

Badając każdy rodzaj zniekształceń należy tak wykorzystywać możliwości wkładki DA051A i oscyloskopu, aby jasno ustalić przyczynę obserwowanych zniekształceń. Należy zaobserwować i przerysować znie­kształ­cenia sygnału wyjściowego wynikające z:

• istnienia strefy nieczułości wtórnika komplementarnego (tzw. skrośne)

• niejednakowych wartości współczynników β₀ tranzystorów T₁ i T₂ (dwa rodzaje zniekształceń)

• obcięcia dużych sygnałów




Rys.6. Schemat połączeń układu do obserwacji zniekształceń sygnału w modelu wzmacniacza mocy małej częstotliwości

W czasie trwania tych obserwacji pętla sprzężenia zwrotnego powinna obejmować jedynie wzmacniacz operacyjny.

Przeprowadzić ponownie wszystkie obserwacje, minimalizując zauważone zniekształcenia przez odpowiednie połączenia obwodu sprzężenia zwrotnego i wybór rezystancji R₇, R₈. Jednocześnie obserwować kształt napięć w węzłach wewnętrznych układu badanego. Przerysować te przebiegi w węzłach wewnętrznych układu badanego, na podstawie których można wyjaśnić mechanizmy minimalizowania zniekształceń. Należy pamiętać o konieczności utrzymywania stałej amplitudy napięcia wyjściowego przy porównaniach zniekształceń w układach bez i ze sprzężeniem zwrotnym.

Schemat połączeń układu pomiarowego przestawiono na rys. 6.

Zagadnienia:

wyjaśnić, w jakich warunkach pracy układu badanego - i dlaczego - poszczególne zniekształcenia sygnału wyjściowego występują najwyraźniej;

wyjaśnić mechanizmy minimalizowania poszczególnych rodzajów zniekształceń w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

1. Pomiary charakterystyk wzmacniacza mocy z układem scalonym UL1481 (wkładka DA051B)

Przełączniki suwakowe na płytce drukowanej należy ustawić zgodnie z wynikami obliczeń z punktu 4. Jako źródła sygnału użyć generatora sinusoidalnego przestrajanego SN2013.

Należy zmierzyć i wykreślić następujące charakterystyki:

moc wyjściową i współczynnik zawartości harmonicznych wzmacniacza w funkcji częstotliwości sygnału, przy stałej amplitudzie napięcia wejściowego takiej, aby nie przesterować wzmacniacza;




Rys.7. Przykładowy schemat połączeń układu do pomiaru cha­ra­kte­rys­tyk częstotliwościowych wzmacniacza mocy (wkładka DA051B)

moc wyjściową i współczynnik zawartości harmonicznych wzmacniacza w funkcji wartości napięcia wejściowego, przy stałej częstotliwości sygnału leżącej w paśmie przenoszenia układu badanego.

Schematy połączeń układów pomiarowych przestawiono na rys. 7 i 8. Należy pamiętać, że z otrzymanych wyników można obliczyć moc wyjściową tylko dla nieodkształconego przebiegu sinusoidalnego.




Rys.8. Przykładowy schemat połączeń układu do pomiaru zależności mo­cy wyjściowej i współczynnika zawartości harmonicznych od napięcia wejściowego

Zagadnienia:

porównać wyniki pomiarów z założeniami projektowymi i wyjaśnić ewentualne niezgodności;

wyjaśnić przebieg zależności współczynnika zawartości harmonicz­nych od wartości napięcia wejściowego.

---