클래스 B 오디오 증폭기

부품 및 재료

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6볼트 배터리 4개

이중 연산 증폭기, 모델 TL082 권장(Radio Shack 카탈로그 번호 276-1715)

TO-220 패키지의 NPN 전력 트랜지스터 1개—(Radio Shack 카탈로그 # 276-2020 또는 동급)

TO-220 패키지에 PNP 전력 트랜지스터 1개—(Radio Shack 카탈로그 # 276-2027 또는 동급)

1N914 스위칭 다이오드 1개(Radio Shack 카탈로그 번호 276-1620)

1개의 커패시터, 47µF 전해, 35WVDC(Radio Shack 카탈로그 # 272-1015 또는 동급)

2개의 커패시터, 0.22µF, 무극성(Radio Shack 카탈로그 번호 272-1070)

10kΩ 전위차계 1개, 선형 테이퍼(Radio Shack 카탈로그 번호 271-1715)

슬루율이 높은 연산 증폭기를 사용해야 합니다. . 이러한 이유로 LM741 또는 LM1458을 피하십시오.

두 트랜지스터가 가까울수록 더 좋습니다. 가능하면 각각 65와트의 소산 등급을 가진 NPN 및 PNP 전력 트랜지스터와 밀접하게 일치하는 TIP41 및 TIP42 트랜지스터를 얻으십시오. TIP41 NPN 트랜지스터를 구할 수 없다면 TIP3055(Radio Shack에서 구입 가능)가 좋은 대안이 됩니다. 매우 큰(예:TO-3 케이스) 전력 트랜지스터를 사용하지 마십시오. 연산 증폭기가 제대로 작동하기 위해 베이스에 충분한 전류를 공급하는 데 문제가 있을 수 있기 때문입니다.

상호 참조

전기 회로의 교훈 , 3권, 4장:"바이폴라 접합 트랜지스터"

전기 회로의 교훈 , 3권, 8장:"연산 증폭기"

학습 목표

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상보적 바이폴라 트랜지스터를 사용하여 "푸시-풀" 클래스 B 증폭기를 구축하는 방법을 설명하기 위해

푸시-풀 증폭기 회로에서 "크로스오버 왜곡"의 영향을 설명하기 위해

회로 비선형성을 수정하기 위해 연산 증폭기를 통해 네거티브 피드백을 사용하는 방법을 설명하기 위해

개략도

그림

지침

이 프로젝트는 소형 라디오, 테이프 플레이어, CD 플레이어 또는 기타 오디오 신호 소스의 출력 신호를 증폭하는 데 적합한 오디오 증폭기입니다. 스테레오 작동을 위해서는 두 개의 동일한 증폭기를 구축해야 합니다. 하나는 왼쪽 채널용이고 다른 하나는 오른쪽 채널용입니다. 증폭할 이 증폭기의 입력 신호를 얻으려면 다음과 같이 라디오 또는 기타 오디오 장치의 출력에 연결하기만 하면 됩니다.

이 증폭기 회로는 "라인 레벨 " 고품질의 모듈식 스테레오 구성 요소의 오디오 신호. 그것은 큰 스피커를 통해 재생될 때 놀라운 양의 사운드 파워를 제공하며 트랜지스터에 방열판 없이 실행될 수도 있습니다(그러나 방열판을 사용하지 않기로 결정하기 전에 약간의 실험을 해야 합니다. 방열판은 스피커 유형에 따라 다르기 때문입니다. 사용).

모든 증폭기 회로의 목표는 입력 파형을 가능한 한 정확하게 재현하는 것입니다. 물론 완벽한 재생은 불가능하며 출력 파형과 입력 파형의 차이를 왜곡이라고 합니다. . 오디오 증폭기에서 왜곡으로 인해 실제 사운드에 불쾌한 톤이 중첩될 수 있습니다. 각각의 장점과 단점이 있는 오디오 증폭기 회로의 다양한 구성이 있습니다. 이 특정 회로를 "클래스 B", 푸시-풀이라고 합니다. 회로.

대부분의 오디오 "파워 ” 증폭기는 하나의 트랜지스터가 파형 주기의 절반 동안 부하에 전력을 제공하는 클래스 B 구성을 사용합니다(푸시 ) 두 번째 트랜지스터는 사이클의 나머지 절반 동안 부하에 전력을 제공합니다(이는 당깁니다 ). 이 방식에서 트랜지스터는 모두 "켜진 상태로 유지되지 않습니다. " 전체 주기 동안 각자에게 "쉼 "하고 파형 주기 동안 냉각합니다. 이것은 전력 효율적인 증폭기 회로를 만들지만 "크로스오버 왜곡으로 알려진 독특한 유형의 비선형성으로 이어집니다. .”

다음은 일정한 볼륨의 일정한 오디오 톤에 해당하는 사인파 모양입니다.

푸시풀 증폭기 회로에서 2개의 트랜지스터는 다음과 같이 파형의 교대 반주기를 교대로 증폭합니다.

"인계 두 트랜지스터 사이의 "정확하게 동기화되지는 않았지만 증폭기의 출력 파형은 순수한 사인파 대신 다음과 같이 보일 수 있습니다.

여기서 왜곡은 하나의 트랜지스터가 꺼지고 다른 트랜지스터가 켜지는 시간 사이에 지연이 있기 때문에 발생합니다. 파형이 "평탄화되는 이러한 유형의 왜곡 양의 반주기와 음의 반주기 사이의 교차 지점에서 "크로스오버 왜곡이라고 합니다. . 크로스오버 왜곡을 완화하는 한 가지 일반적인 방법은 켜기/끄기 지점이 실제로 겹치도록 트랜지스터를 바이어스하여 둘 다 트랜지스터는 크로스오버 기간 동안 짧은 시간 동안 전도 상태에 있습니다.

이러한 형태의 증폭은 기술적으로 클래스 AB로 알려져 있습니다. 각 트랜지스터가 "on되어 있기 때문에 클래스 B보다는 " 완전한 파형 주기 동안 시간의 50% 이상 동안. 그러나 이렇게 할 때의 단점은 증폭기 회로의 전력 소비가 증가한다는 것입니다. 두 트랜지스터가 모두 전도되는 순간에는 전도되지 않은 트랜지스터를 통해 전도되는 전류가 있기 때문입니다. 부하를 통과하지만 한 전원 공급 장치 레일에서 다른 전원 공급 장치 레일로 "단락"되고 있습니다(-V에서 +V로).

이것은 에너지 낭비일 뿐만 아니라 트랜지스터에서 더 많은 열 에너지를 발산합니다. 트랜지스터의 온도가 상승하면 특성이 변합니다(V_be 순방향 전압 강하, β, 접합 저항 등), 적절한 바이어싱을 어렵게 만듭니다.

이 실험에서 트랜지스터는 순수 클래스 B 모드에서 작동합니다. 즉, 그들은 동시에 수행하지 않습니다. 이것은 에너지를 절약하고 열 발산을 줄이지만 크로스오버 왜곡에 적합합니다. 이 회로에서 취한 솔루션은 네거티브 피드백이 있는 연산 증폭기를 사용하여 "데드 " 영역이 교차 왜곡을 생성하고 "플랫닝의 양을 줄입니다. "는 크로스오버 동안의 파형입니다.

회로도에 표시된 첫 번째(가장 왼쪽) 연산 증폭기는 버퍼에 불과합니다. 버퍼는 입력 신호에서 DC 바이어스 전압을 걸러내기 위해 회로에 배치되어 DC 전압이 회로에 의해 증폭되어 스피커로 전송되는 것을 방지하기 위해 회로에 배치된 입력 커패시터/저항 네트워크의 부하를 줄이는 데 도움이 됩니다. 손상을 일으킬 수 있는 곳입니다.

버퍼 연산 증폭기가 없으면 커패시터/저항 필터링 회로가 저주파("저음 ”) 앰프의 응답과 고주파수(“고음 ").

두 번째 연산 증폭기는 이득이 10kΩ 전위차계에 의해 제어되는 반전 증폭기로 기능합니다. 이것은 앰프의 볼륨 컨트롤을 제공하는 것 이상은 아닙니다. 일반적으로 반전 연산 증폭기 회로에는 다음과 같이 연산 증폭기 출력 단자에서 반전 입력 단자로 직접 연결된 피드백 저항이 있습니다.

하지만 결과 출력 신호를 사용하여 푸시-풀 트랜지스터 쌍의 기본 단자를 구동하면 "데드 기본 전압이 + 0.7볼트에서 - 0.7볼트로 이동함에 따라 트랜지스터 작동의 "영역:

증폭기 회로를 최종 형태로 이미 구성했다면 이 형태로 단순화하여 음질의 차이를 들어볼 수 있습니다. 아직 회로 구성을 시작하지 않았다면 위에 표시된 개략도가 좋은 출발점이 될 것입니다. 오디오 신호를 증폭하지만 끔찍하게 들릴 것입니다!

크로스오버 왜곡의 이유는 연산 증폭기 출력 신호가 + 0.7볼트와 - 0.7볼트 사이일 때 두 트랜지스터 모두 전도되지 않고 스피커에 대한 출력 전압은 베이스의 전체 1.4볼트 스팬 동안 0볼트가 되기 때문입니다. 전압 스윙. 따라서 "영역이 있습니다. " 스피커 출력 전압의 변화가 발생하지 않는 입력 신호 범위에서. 여기에서 복잡한 바이어싱 기술이 일반적으로 이 1.4볼트 "갭을 줄이기 위해 회로에 도입됩니다. " 트랜지스터 입력 신호 응답에서. 일반적으로 다음과 같은 작업이 수행됩니다.

두 개의 직렬 연결된 다이오드는 결합된 V_be에 해당하는 약 1.4볼트를 강하합니다. 두 트랜지스터의 순방향 전압 강하로 인해 입력 신호가 0볼트일 때 각 트랜지스터가 켜지기 직전의 시나리오가 발생하여 1.4볼트 "데드가 제거됨 ” 이전에 존재했던 신호 구역.

그러나 불행히도 이 솔루션은 완벽하지 않습니다. 트랜지스터가 전도 전력에서 부하로 가열됨에 따라 트랜지스터의 V_be 순방향 전압 강하는 0.7V에서 0.6V 또는 0.5V와 같이 더 낮은 값으로 감소합니다. 상당한 전류를 전도하지 않기 때문에 동일한 가열 효과를 받지 않는 다이오드는 순방향 전압 강하에서 동일한 변화를 경험하지 않습니다.

따라서 트랜지스터는 가열로 인해 더 적은 바이어스 전압이 필요하더라도 다이오드는 동일한 1.4볼트 바이어스 전압을 계속 제공합니다. 결과는 회로가 클래스 AB 작동으로 표류하는 것입니다. 여기서 둘 다 트랜지스터는 시간의 일부로 전도 상태에 있게 됩니다. 물론 이것은 트랜지스터를 통한 더 많은 열 발산을 초래하여 순방향 전압 강하 변화 문제를 악화시킵니다.

이 문제에 대한 일반적인 해결책은 온도 보상 "피드백을 삽입하는 것입니다. 푸시풀 트랜지스터 회로의 에미터 다리에 있는 "저항:

이 솔루션은 두 트랜지스터의 동시 켜짐을 방지하는 것이 아니라 문제의 심각성을 줄이고 열 폭주를 방지할 뿐입니다. 또한 부하 전류 경로에 저항을 삽입하여 증폭기의 출력 전류를 제한하는 불행한 효과가 있습니다. 이 실험에서 내가 선택한 솔루션은 푸시풀 트랜지스터 출력 회로의 고유한 한계를 극복하기 위해 연산 증폭기 네거티브 피드백의 원리를 활용하는 솔루션입니다. 푸시풀 쌍에 0.7볼트 바이어스 전압을 제공하기 위해 하나의 다이오드를 사용합니다. 이것은 "죽은 " 신호 영역이 있지만 최소 50% 감소합니다.

단일 다이오드의 전압 강하는 항상 두 트랜지스터의 베이스-이미터 접합의 결합된 전압 강하보다 작기 때문에 트랜지스터가 동시에 켜지지 않아 클래스 AB 작동이 방지됩니다. 다음으로 남은 크로스오버 왜곡을 제거하기 위해 다음과 같이 증폭기의 출력 단자(트랜지스터의 이미터 단자)에서 연산 증폭기의 피드백 신호를 가져옵니다.

연산 증폭기의 기능은 두 입력 단자를 동일한 전압(0볼트 차동)으로 유지하기 위해 필요한 모든 전압 신호를 출력하는 것입니다. 피드백 와이어를 푸시풀 트랜지스터의 이미터 단자에 연결함으로써 연산 증폭기는 "데드 " 어느 트랜지스터도 전도하지 않는 영역을 만들고 트랜지스터의 베이스에 적절한 전압 신호를 출력하여 "유지 "와 함께 입력 신호 파형.

이를 위해서는 슬루율이 높은 연산 증폭기가 필요합니다. (빠르게 상승하거나 빠르게 떨어지는 출력 전압을 생성하는 능력), 이것이 TL082 이 회로에 대해 연산 증폭기가 지정되었습니다. LM741 과 같은 느린 연산 증폭기 또는 LM1458 높은 dv/dt 를 따라가지 못할 수 있습니다. (시간에 따른 전압 변화율, de/dt라고도 함) ) 저왜곡 동작에 필요합니다.

이 회로에 몇 개의 커패시터만 추가하여 최종 형태로 만듭니다. 다이오드와 병렬로 연결된 47µF 커패시터는 연산 증폭기 출력의 큰 전압 스윙에도 불구하고 0.7V 바이어스 전압을 일정하게 유지하는 데 도움이 됩니다. NPN 트랜지스터의 베이스와 이미터 사이에 연결된 0.22μF 커패시터는 낮은 볼륨 설정에서 크로스오버 왜곡을 줄이는 데 도움이 됩니다.

관련 워크시트:

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클래스 B BJT 증폭기 워크시트