z³a wynosi 5 pF, to wspó³czynnik SR dla te-

go stopnia bêdzie mia³ wartoœæ:

SR = I/C= 0,1 mA/5 pF = 20 V/

µ

s

Zbyt ma³a szybkoœæ narastania napiêcia bê-

dzie powodem powstawania zniekszta³ceñ

przebiegu wyjœciowego, dlatego producenci

d¹¿¹ do zwiêkszenia parametru SR co naj-

mniej do 100 V/

µ

s. Ma to zapobiec znacz¹-

cym opóŸnieniom w pêtli sprzê¿enia zwrotne-

go. Odnosi siê to szczególnie do stopni wej-

œciowych, które z ró¿nych wzglêdów pracuj¹

przy ma³ych pr¹dach spoczynkowych.

Na rys. 1a pokazano uproszczony uk³ad ty-

powego wzmacniacza mocy oraz efekt

pobudzania wzmacniacza przebiegiem

prostok¹tnym zmodulowanym sinusoid¹

w celu oceny, czy wzmacniacz traci w jakimœ

momencie mo¿liwoœæ wzmacniania czy

nie. Aby efekt by³ wyraŸniejszy, pojemnoœæ

kompensuj¹ca Ck zosta³a zwiêkszona z ty-

powych 100 pF do 1 nF.

Na rys. 1b efekt wy³¹czenia wzmacniacza

jest wyraŸnie widoczny. Zarówno zbocze

narastaj¹ce, jak i opadaj¹ce jest pozbawio-

ne przebiegu moduluj¹cego.

Podstawow¹ spraw¹ jest zbyt wolne prze-

³adowywanie pojemnoœci kompensuj¹cej,

która z drugiej strony jest niezbêdna, aby za-

pewniæ stabilnoœæ wzmacniacza. Nie nale-

¿y jednak zapominaæ i o innych pojemno-

œciach w poszczególnych wêz³ach, szcze-

gólnie o du¿ych pojemnoœciach z³¹czy ko-

lektor-baza, zmieniaj¹cych siê dodatkowo

wraz ze zmian¹ wartoœci napiêcia na z³¹czu.

Na rys. 2 przedstawiono udoskonalon¹ we-

rsjê wzmacniacza z wtórnikiem emitero-

wym umieszczonym pomiêdzy stopniem

wejœciowym a steruj¹cym. Zastosowanie

tego stopnia poprawia szybkoϾ narasta-

nia napiêcia na wyjœciu wzmacniacza dziê-

ki szybszemu prze³adowywaniu pojemnoœci

kolektor-baza stopnia nastêpnego. Przyk³a-

dowo wyznaczona zostanie maksymalna

szybkoœæ zmian napiêcia w charakterystycz-

nych punktach tego uk³adu. Poszczególne

wêz³y wzmacniacza opisane od w1 do w3

oznaczaj¹ miejsca bêd¹ce przedmiotem

zainteresowania.

Dla uk³adu przedstawionego na rys. 2 przy-

k³adowe pojemnoœci bêd¹ nastêpuj¹ce:

CA = 5 pF, Ck = 10 pF, Cc3 = 4 pF,

Cc4 = 30 pF, Cc5 = Cc6 = 70 pF

gdzie: CA _ pojemnoœæ Ÿród³a pr¹dowego,

Ck _ pojemnoœæ kompensuj¹ca, a Cc3

÷

Cc6

_ pojemnoœci odpowiednich z³¹czy kolektor-

baza tranzystorów.

Pominiêto tutaj pojemnoœci rozproszone

monta¿u oraz pojemnoœci z³¹czy baza-emi-

ter jako mniej istotne w tym przypadku.

r

ELEKTROAK

USTYKA

24

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 10/2003

SZYBKIE WZMACNIACZE MOCY

(1)

D¹¿enie do coraz lepszego

odtwarzania dŸwiêku

wymusza dalszy rozwój

wzmacniaczy mocy.

Dotychczas uwaga

konstruktorów by³a

zwrócona g³ównie

na stopieñ wyjœciowy,

okazuje siê jednak,

¿e stopnie wzmocnienia

wstêpnego s¹

nie mniej wa¿ne.

Z

niekszta³cenia przebiegu sygna-

³u powodowane przez wzmacnia-

cze mocy maj¹ zwi¹zek równie¿

z ograniczeniem szybkoœci nara-

stania napiêcia na wyjœciu. Parametr ten

okreœlany jest skrótem SR (slew rate) i wy-

ra¿any w V/

µ

s.

Szybkoœæ narastania napiêcia na wyjœciu

wzmacniacza wyznaczana jest jako stosu-

nek zmiany wartoœci poziomu sygna³u do

czasu, w jakim ta zmiana nast¹pi³a. Ten

parametr dotyczy du¿ych sygna³ów.

W rzeczywistym wzmacniaczu sprawê po-

garsza fakt, ¿e poszczególne stopnie maj¹

ró¿ne wartoœci tego parametru, a o ca³oœci

decyduje, jak zwykle, stopieñ najs³abszy

oraz, ¿e stosowane jest silne ujemne sprzê-

¿enie zwrotne. Konsekwencj¹ tego jest po-

jawianie siê zniekszta³ceñ wynikaj¹cych

z przesterowania stopni wejœciowych przez

szybkie zmiany sygna³u wejœciowego i

spowodowanych opóŸnieniem sygna³u

w pêtli sprzê¿enia zwrotnego (zniekszta³ce-

nia typu TIM). Stosowane s¹ oczywiœcie

pewne œrodki zaradcze, zapobiegaj¹ce prze-

sterowywaniu stopni wejœciowych jednak

najlepiej by by³o ¿eby ka¿dy stopieñ wzmac-

niacza by³ wystarczaj¹co szybki i wnoszo-

ne opóŸnienia by³y pomijalne.

Najwiêkszy wp³yw na szybkoœæ zmian na-

piêcia na wyjœciu ma czas ³adowania pojem-

noœci w poszczególnych wêz³ach wzmacnia-

cza. Dla pojedynczego wêz³a obowi¹zuje

zale¿noœæ: SR = I/C

gdzie: I _ pr¹d dostêpny w wêŸle, C _ po-

jemnoœæ w wêŸle.

Szybkoœæ narastania napiêcia zbocza do-

datniego i ujemnego mo¿e byæ ró¿na z uwa-

gi na ró¿n¹ wartoœæ pr¹dów prze³adowuj¹-

cych pojemnoœæ wêz³ow¹.

Przyk³adowo, je¿eli pr¹d w wêŸle stopnia

wejœciowego wyniesie 0,1 mA, co jest czê-

sto spotykan¹ wartoœci¹, a pojemnoœæ wê-

Rys. 1. Uk³ad typowego

wzmacniacza mocy (a).

Przebiegi przy pobudza-

niu sygna³em prostok¹t-

nym zmodulowanym sinu-

soid¹ (b)

a)

b)

U

wy

5 V/dz

U

A

50 mV/dz

U

we

0,5 V/dz

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 10/2003

Szybkoœæ zmian napiêcia w wêz³ach zwi¹-

zan¹ z podanymi wartoœciami pojemnoœci

mo¿na wyznaczyæ w nastêpuj¹cy sposób:

W wêŸle w1 maksymalny dostêpny pr¹d

wyznacza wydajnoœæ pr¹dowa Ÿród³a pr¹-

dowego Iz1 i wynosi 1,2 mA, st¹d:

SR(w1) = Iz1/CA = 1,2 mA/5pF = 240 V/

µ

s

Dla narastaj¹cego zbocza impulsu wejœcio-

wego maksymalna szybkoœæ zmian napiê-

cia w wêŸle w2 wynika z wartoœci prze³ado-

wywanej pojemnoœci, która jest sum¹ pojem-

noœci kompensuj¹cej Ck oraz pojemnoœci

Cc3 kolektor-baza tranzystora T3 oraz z ma-

ksymalnej wartoœci pr¹du, który j¹ prze³ado-

wuje. Ta wartoœæ to 0,5 Iz1, druga czêœæ p³y-

nie przez rezystor R2, st¹d:

SR(w2) = 0,5Iz1/(Ck+Cc3) = 0,6mA/14 pF

= 42,8 V/

µ

s

Dla tego przypadku maksymalna szybkoϾ

zmian napiêcia w wêŸle w3 wynikaj¹ca

z prze³adowywania pojemnoœci wêz³owej

pr¹dem kolektora tranzystora T4 jest wystar-

czaj¹co du¿a, aby mo¿na j¹ by³o pomin¹æ,

gdy¿ wydajnoœæ pr¹dowa dwóch tranzysto-

rów T3 i T4 jest rzêdu amperów (h21T3

x h21T4 x 0,6 mA), wiêc o szybkoœci naras-

tania sygna³u na wyjœciu ca³ego wzmac-

niacza bêdzie decydowaæ wêze³ w2.

Nale¿y zauwa¿yæ, ¿e bez wtórnika z tranzy-

storem T3 w miejsce niewielkiej pojemnoœci

Cc3 wesz³aby znacznie wiêksza Cc4, a od

pr¹du roz³adowania nale¿a³oby odj¹æ ju¿

znacz¹cy w tym przypadku pr¹d bazy tran-

zystora T4 (ok. 0,1 mA) i szybkoϾ zmian

mia³aby wartoœæ:

SR(w2) = 0,5 mA/40pF = 12,5 V/

µ

s

Wyznaczone wartoœci parametrów SR od-

powiadaj¹ uzyskanym w wyniku pomiarów

wartoœciom, które mo¿na wyznaczyæ na

podstawie rys. 3.

Dla zbocza ujemnego trzeba uwzglêdniæ

wiêcej pojemnoœci do prze³adowania. Poza

pojemnoœci¹ CA s¹ to wszystkie (oprócz

blokuj¹cych) pojemnoœci na schemacie na

rys. 2. Pr¹d, który ma prze³adowaæ pojem-

noœci jest pr¹dem Ÿród³a pr¹dowego Iz2

o wartoœci 6 mA, pomniejszonym o pr¹d

bazy tranzystora T6. Zak³adaj¹c wartoœæ

tego pr¹du na poziomie 1 mA szybkoœæ

zmian napiêcia w wêŸle w3 wyniesie:

SR = 5 mA/(10 pF+4 pF+30 pF+70 pF+

+ 70 pF) = 27,1 V/

µ

s

Jak widaæ jest ona mniejsza ni¿ dla po³ów-

ki dodatniej.

Z powy¿szych, nieco uproszczonych obli-

czeñ wynika, ¿e zwiêkszenie wartoœci para-

metru SR mo¿e byæ dokonane drog¹ zwiêk-

szenia wartoœci pr¹dów w wêz³ach oraz

zmniejszenia wartoœci odpowiednich po-

jemnoœci. Z uwagi na w³aœciwoœci elemen-

tów, ten drugi warunek jest trudniejszy do

spe³nienia, jakkolwiek dobór odpowiednich

elementów nie jest bez znaczenia.

Szczególnie istotna jest tutaj wydajnoœæ pr¹-

dowa stopnia wejœciowego. Wzrost pr¹du po-

laryzacji mo¿e prowadziæ jednak do zwiêk-

szenia poziomu szumów, wzrostu poboru

mocy, napiêcia niezrównowa¿enia itp.

Skuteczn¹ drog¹ przezwyciê¿enia tych

ograniczeñ jest zastosowanie stopnia wej-

œciowego pracuj¹cego w klasie AB.

n

Maciej Feszczuk

Rys. 2. Zastosowanie wtórnika emiterowego (tranzystor T3) w celu zmniejszenia wp³ywu pojemnoœci

z³¹cza kolektor-baza na pracê wzmacniacza

Rys. 3. Przebiegi na wyjœciu wzmacniacza

a _ przebieg wejœciowy

b _ przebieg wyjœciowy po zastosowaniu wtórnika

c _ przebieg wyjœciowy bez wtórnika