Nízkofrekvenčný zosilňovač

Nízkofrekvenčný zosilňovač je zosilňovač, ktorého úlohou je zosilniť akýkoľvek audio signál pre ďalšie spracovanie (napríklad budiť reprosústavu, výkonový zosilňovač alebo napäťový predzosilňovač).
Výkonové zosilňovače (Power amplifier).
Výkonové zosilňovače sa skladajú z niektorých hlavných častí, ktoré tvoria bloky (z obvodového hľadiska):
"Typické zapojenie blokov výkonového zosilňovača:"
Je to príklad zapojenia koncového zosilňovača, ktorý môže ale nemusí obsahovať vyššie popísané bloky.
"Skutočná schéma výkonového zosilňovača:"
Názorne ukazuje usporiadanie blokov v skutočnosti. (PA 200 BP, Prz=200 W/4 Ω)
Vstupný oddeľovací stupeň.
Slúži na impedančné oddelenie vstupu zosilňovača od napájacieho signálového zdroja (aby ho nezaťažoval). Obvykle býva min. 10-násobne väčší ako výstupný odpor signálového zdroja. Vstupný odpor všeobecne: formula_1. Tento odpor má imaginárnu zložku (kapacitnú a induktívnu), teda sa hovorí o vstupnej impedancii. Je zložený z paralelného vstupného odporu diferenčného stupňa, vstupnej kapacity a impedancií dolnej priepuste, ktorá zamedzuje prieniku vysokých frekvencií do zosilňovača.
Diferenčný stupeň.
V preklade "porovnávací stupeň". Je založený na princípe matematického porovnávania signálov.
Je zložený obyčajne z dvoch tranzistorov, ktoré sú napájané obvykle zdrojom prúdu (z dôvodu linearity na prenosovej charakteristike tranzistorov). Jeden je zapojený ako zosilňovač so spoločným kolektorom a druhý so spoločnou bázou. Toto usporiadanie má dôležité výhody. Zapojenie zo spoločným kolektorom má malý výstupný odpor a veľký vstupný, skoro jednotkové zosilenie, zapojenie zo spoločnou bázou má malý vstupný odpor a veľký výstupný a veľké napäťové zosilenie, čo je prioritné pre ďalšie stupne.
Jeho úlohou je porovnať a vyhodnotiť vstupný signál s výstupným. Na základe matematického odčítania sa vyhodnocuje napäťové zosilnenie ďalších stupňov. Diferenčný zosilňovač je dôležitou súčasťou vstupu zosilňovača. Od neho závisí kvalita zosilňovača a ďalšie dôležité vlastnosti. Rozoznávame symetrické a nesymetrické budenie. Pri symetrickom všeobecne platí: formula_2. Pri nesymetrickom zase formula_3. Diferenčný stupeň býva často spojený so spätnou väzbou, buď priamo alebo nepriamo cez oddeľovač. Pre diferenčný stupeň sa odvádza diferenčné zosilnenie, ktoré by malo byť čo najväčšie, aby nebol ovplyvňovaný iným blokom.:
Aus=-(h21e*Rc)/(2*h11e)
Aun=Rc/(2*Re)
Rozkmitový stupeň.
Jeho úlohou je napäťovo zosilniť diferenčné napätie z rozdielového zosilňovača tak, aby malo vhodnú napäťovú úroveň pre koncový stupeň. Býva často doplnený kompenzačným obvodom (obvod zložený z RC členov slúži na udržanie stability NF zosilňovača. Tvorí zápornú spätnú väzbu pre frekvencie vyššie ako hraničná frekvencia NF zosilňovača). Obvykle býva tvorený tranzistormi v zapojení so spoločným emitorom s prúdovou zápornou frekvenčne nezávislou spätnou väzbou. Býva často napájaný zo zdroja prúdu a tvorí s ním tzv. prúdové zrkadlo. Jeho úlohou je napájať rozkmitový stupeň konštantným prúdom, na ktorý je presne navrhnutý. Toto usporiadanie spĺňa požiadavku linearity použitého zosilňovacieho prvku, čiže rozkmitového tranzistora. Prúdový zdroj obvykle býva zapojený ako ZPRN (zdroj prúdu riadený napätím) alebo ZPRP (zdroj prúdu riadený prúdom). Toto zapojenie je väčšinou použité v OZ, teda operačnom zosilňovači, kde má väčšie uplatnenie pre jeho inú koncepciu návrhu.
Stabilizačný stupeň.
Jeho úlohou je stabilizovať potrebný pracovný prúd cez koncové tranzistory. Tento prúd sa často nazýva priečny prúd alebo pokojový pretože tečie priečne cez výkonové koncové tranzistory. Je typický pre AB triedu zapojenia koncového stupňa. Tento prúd je nesmierne dôležitý pre prekonanie prechodového skreslenia, ktoré vzniká pri striedavom otváraní koncových tranzistorov v dvojčinnom zapojení. Aby nedošlo k tomuto skresleniu koncové tranzistory sú stále (to znamená aj pri striedavom otváraní a zatváraní) budené konštantným jednosmerným napätím, ktoré zabezpečuje stabilizačný stupeň. Toto napätie sa volá -predpätie- pre koncové tranzistory. Obvykle býva 0,5 – 0,7 V pre bipolárne a 4 – 6 V pre unipolárne závisí od použitých koncových tranzistorov. Stabilizačný stupeň tvorí obvykle Jeden až dva tranzistory (niekedy až štyri tranzistory, ich počet závisí od potrebného predpätia) zapojené tak aby vytvárali tzv. tranzistorovú Zenerovu diódu. Toto usporiadanie má lepšie stabilizačné vlastnosti ako samotná Zenerova dióda. Jeho výhodou je že umožňuje jednoduchú reguláciu predpätia. Čo je veľmi dôležité pre nastavenie vhodného pracovného bodu koncových tranzistorov. Ďalšou dôležitou výhodou je, že umožňuje teplotnú kompenzáciu zmeny pokojového prúdu, ktorý sa zväčšuje pri zvyšujúcej sa teplote PN prechodu tranzistora, to pri konštantnom budiacom napätí, ktoré zabezpečuje stabilizačný stupeň. Tento jav je spôsobený väčším uvoľnením voľných nosičov náboja v PN prechode v závislosti od teploty. Tento jav sa u niektorých unipolárnych tranzistorov uplatňuje veľmi málo, alebo dokonca majú tzv. záporný teplotný koeficient. To znamená že pri stúpajúcej teplote PN prechodu klesá pokojový prúd cez koncové tranzistory. Túto vlastnosť majú len unipolárne tranzistory, preto sa pri realizácii koncového stupňa unipolárnymi tranzistormi používa ako stabilizátor predpätia len samotná Zenerova dióda, alebo len rezistor napájaný zo zdroja prúdu. Odhliadnuc od tejto skvelej vlastnosti unipolárnych koncových tranzistorov sa v kvalitnejšej koncepcii koncového zosilňovača používajú bipolárne. Bipolárne tranzistory majú naproti unipolárnym viacero výhod ktoré prevyšujú, a predurčujú ich pre častejšie použitie v zosilňovačoch. Niektoré z nechcených vlastností unipolárnych tranzistorov sú:
Toto sú jedny z najdôležitejších dôvodov, prečo výrobcovia používajú viac bipolárne koncové tranzistory. Nevýhoda bipolárnych tranzistorov je kladný teplotný koeficient, ktorý sa ale dá potlačiť vhodným konštrukčným usporiadaním stabilizačného tranzistora. Zlá vlastnosť kladného teplotného koeficientu u koncových tranzistorov sa stáva výhodou pre stabilizačný tranzistor, ktorý je umiestnený priamo na chladič s koncovými tranzistormi. 
Funkcia tohoto zapojenia je nasledovná: 
Ak stúpne teplota koncových tranzistorov, stúpne aj pokojový prúd, čo je neprijateľné. To môže spôsobiť ďalšie oteplenie čo spôsobí ďalší nárast pokojového prúdu čo spôsobí ďalšie oteplenie. Tento dej sa opakuje až na hranicu tepelného prierazu koncového tranzistora, ktorý sa zničí a môže spôsobiť spálenie kmitacej cievky repro-sústavy. Toto je absolútne neprijateľné a z toho dôvodu zosilňovač obsahuje ďalšie ochranné obvody, ktoré chránia repro-sústavu a koncový stupeň. Ale to už je externá ochrana. Internú ochranu tvorí práve náš stabilizačný tranzistor ktorý sa zohrieva spolu s výkonovými a aj u neho sa uplatní tento efekt. To spôsobí že sa viac otvorí, tým napätie na kolektore a emitore poklesne. Tento pokles spôsobí pokles predpätia koncových tranzistorov a ten zase následný pokles pokojového prúdu, ktorý stúpol pri teplote. Ten spôsobí pokles jednosmerného výkonu na tranzistore a tým aj pokles teploty. Tento dej sa opakuje a tak automaticky chráni koncové tranzistory proti tepelnému prierazu. Napriek tomuto premyslenému samo-ochrannému obvodu zosilňovača, sa kvalitné zosilňovače chránia ďalšími ochrannými obvodmi, ktoré chránia repro-sústavu proti istému zničeniu ak by sa dostalo napájacie napätie na výstup pri tepelnom prieraze koncových tranzistorov.
Ochranný stupeň (limiter).
Slúži na ochranu repro-sústavy pri prebudení zosilňovača. To znamená, že pri každej väčšej amplitúde na vstupe zosilňovača, ktorá spôsobí tzv. odrezanie (obmedzenie) výstupnej amplitúdy. Tento jav často nastáva u výkonových zosilňovačov, a je sprevádzaný veľkým skreslením signálu na výstupe, čo je nechcený jav. Ochranný limiter sa nazýva preto, lebo pri limitácii môže dôjsť k prerazeniu koncových tranzistorov a on ich dokáže v určitom prípade ochrániť. Pretože tranzistor v limitácii stráca schopnosť riadenia a spätná väzba nedokáže riadiť výstupné napätie. Tento jav je sprevádzaný priečnym prúdom, ktorý má všetky nechcené vlastnosti opísané vyššie, ktoré vedú k zničeniu tranzistorov.
Oddeľovací stupeň koncových tranzistorov.
Nachádza sa medzi rozkmitovým stupňom a koncovým stupňom. Slúži na prispôsobenie vysokej výstupnej impedancie rozkmitového stupňa k nízkej vstupnej impedancie koncových tranzistorov koncového stupňa.
Oddeľovací stupeň koncových tranzistorov je tvoria väčšinou komplementárne dvojice tranzistorov zapojených podobne ako koncové čiže so spoločným kolektorom. Zapojenie zo spoločným kolektorom nie je náhodné pretože má vynikajúce vlastnosti pre toto použitie. To znamená vysoký vstupný odpor a nízky výstupný, ktorý môže spoľahlivo vybudiť koncový stupeň. Oddeľovací stupeň sa preto často nazýva budič.
Budič a koncový stupeň majú približne jednotkové zosilnenie! Obvykle je zaužívané pravidlo že výkon incidujúceho budiaceho tranzistora má byť približne desatinou výkonu koncového tranzistora, ale nie vždy je to potrebné.
Koncový stupeň.
Jeho úlohou je zosilniť signál prúdovo. V zapojení tranzistora SC (so spoločným kolektorom).Má tiež ako budiaci stupeň skoro jednotkové zosilnenie. Všeobecne je tvorený bipolárnymi alebo unipolárnymi tranzistormi v dvojčinnom zapojení. Bližšie o vlastnostiach je v časti: stabilizačný stupeň.
Koncové stupne sa rozdeľujú podľa zapojenia na:
Komplementárne.
Sú tvorené minimálne dvomi komplementárnymi tranzistormi. To znamená že sú použité tranzistory typu PNP a NPN. Toto zapojenie sa v súčasnosti veľmi často používa.
Kvazikomplementárne.
Sú tvorené tak isto minimálne dvomi tranzistormi, ale rovnakého typu, teda 2*NPN alebo 2*PNP, ale väčšinou NPN, pretože toto usporiadanie vzniklo z dávnej minulosti, kde bol nedostatok komplementárnych dvojíc s rovnakými parametrami. Toto usporiadanie sa v súčasnosti už menej používa.
Prúdové zrkadlo ako koncový stupeň.
Toto zapojenie tvorí jeden tranzistor NPN alebo PNP a druhý, ktorý tvorí zdroj prúdu. Jeden tranzistor NPN alebo PNP tvorí zosilňovač so spoločným emitorom a má podiel na celkovom zosilnení.
Toto zapojenie sa menej často používa. Nájsť ho môžeme len ako zosilňovač v triede A s výkonom najviac do 100 W i keď sú známe aj 500 W. Pretože toto zapojenie má nízku účinnosť najviac 20 %, používa sa len v tých najdrahších aplikáciach na trhu, kde cena pri kvalite nehrá takú veľkú úlohu. Má nulové prechodové skreslenie typické pre triedu A.
V súčasnosti je na trhu dostatok vhodných tranzistorov na pozíciu koncových s výkonom najviac cca 250 W. Z toho dôvodu a z dôvodu zníženia výstupnej impedancie, sa pri stavbe zosilňovača viac ako cca 150 W používajú dva a viac komplementárnych tranzistorov. Tieto páry sú zapojené paralelne, pri vyššom napájacom napätí sériovo-paralelne. Tieto páry mávajú obyčajne v emitoroch zapojené tzv. kompenzačné alebo aj párovacie rezistory. Tieto majú obyčajne malú hodnotu odporu 0,1 – 0,47 Ω. Majú niektoré dôležité vlastnosti: pomáhajú pri párovaní koncových tranzistorov, tvoria zápornú prúdovú spätnú väzbu, tvoria ochranný obvod proti skrate na výstupe. Z nich sa často napája obvod ochrán pri prebudení popísaný vyššie.
Spätná väzba (SV).
Je to jeden z najdôležitejších blokov v ľubovoľnom tranzistorovom nízkofrekvenčnom zosilňovači.
Záporná spätná väzba všeobecne potláča zosilnenie. Na prvý pohľad by sa mohlo zdať, že je nechcená, pretože potláča zosilnenie, a my chceme, aby zosilňovač zosilňoval tak ako chceme. Je to logická úvaha, ale keď si bližšie uvedomíme, aké vlastnosti má spätná väzba, pochopíme jej význam v každej regulovanej sústave, to jest aj v zosilňovači.
Záporná spätná väzba pôsobí na viacero vlastností NF zosilňovača. Niektoré z nich sú:
Okrem prvej priaznivo vplýva skoro na všetky vlastnosti zosilňovača.
Pri výkonových zosilňovačoch sa všeobecne volí napäťové zosilnenie 10 – 30.
Čím má zosilňovač vyššie zosilnenie, tzn. že tranzistorové bloky majú veľký rozkmit napätia pohybujú sa ich pracovné body nie po priamke ale (vo väčšom rozkmite) po krivke. Každý pohyb pracovného bodu je nechcený a pri jeho nelineárnom pohybe vzniká v ňom zhluk vyšších harmonických, ktoré spôsobujú nelineárne skreslenie. Z toho vyplýva jedna dôležitá vlastnosť:
Preto pri návrhu zosilňovača sa snažíme rozdeliť napäťové zosilnenie na viac zosilňovacích blokov a znížiť celkové zosilnenie. To znamená použiť viac tranzistorov a tým stúpa aj zložitosť zapojenia. Ale uvedomme si, že extra jednoduchý zosilňovač nemôže dosiahnuť excelentných vlastností, či už chceme alebo nie. Preto nie je tajomstvom, že kvalitné koncové zosilňovače obsahujú aj 70 tranzistorov na kanál.
Rozdelenie SV:
V koncovom zosilňovači sa využíva: 100%-ná, záporná, frekvenčne závislá, paralelná napäťová. Samozrejme aby sme dosiahli najlepšie vlastnosti NF zosilňovača, snažíme sa pri návrhu okrem celkovej vonkajšej spätnej väzby použiť aj tzv. vnútorné, ktoré pôsobia priamo v zdroji skreslenia-to t. j. v tranzistore.
Poznámky k blokovej schéme.
Pozri obrázok: VŠEOBECNÁ BLOKOVÁ SCHÉMA NF KONCOVÉHO STUPŇA
Základné vzorce potrebné pre návrh koncového stupňa.
U výkonových zosilňovačov je prioritný Výkon, ktorý je všeobecne daný vzťahom:
Prz=(+-Uzd*π)^2/(32*Rz)
Výkon zdroja potrebný pre požadovaný výkon na záťaži Rz je všeobecne daný:
Dosť podstatné pri návrhu je poznať stratový výkon (kolektorová strata) na tranzistore. Tu sa zaužíval vzťah, ktorý je dosť obťažne odvodiť pre nespojitý signál. Tento výkon je rovný integrálu súčinu plochy napätia a prúdu v jednej perióde tohoto priebehu. Pre jednoduchosť výpočtu sa zvolil sin signál. Tento vytvára na jednom tranzistore stratu:
Prúd cez 1 tranzistor:
Minimálne symetrické napätie zdroja na dosiahnutie požadovaného výkonu na Rz:
Vysvetlenie použitých skratiek:
Použité vzorce sú len teoretické a v skutočnom zapojení sa môžu líšiť.
Napájacie zdroje pre zosilňovače.
Sú určené na napájanie zosilňovačov potrebným prúdom.
Blokové usporiadanie:
Transformátor.
Zabezpečuje zníženie a úpravu napätia a prúdu pre použitie napájania zosilňovača zo siete.
Od neho závisí potrebný max. výkon odovzdaný zo zosilňovača (o koncových).
Rozoznávame
Usmerňovač.
Jeho úlohou je usmerniť striedavý prúd z transformátora. Všeobecne sa na to používajú usmerňovacie diódy alebo usmerňovacie mostíky. Zapojenie sa najčastejšie používa Gratzovo (4 diódy do mostíka), alebo uzlové (stačia 2 diódy ale potrebuje transformátor zo stredovým vývodom – uzlom).
Filter.
Jeho úlohou je zamedziť poklesu napájacieho napätia na nulu, z dôvodu pulzujúceho usmerneného napätia. Na to sa používajú elektrické filtre, ktoré tvoria kapacitory (kondenzátory) a indukčnosti. Využíva sa vlastnosť integračného a derivačného článku tvoreného prvkami RC, RL alebo RLC. Pre napájanie zosilňovačov stačí zapojenie len s kapacitormi RC, pričom R-je odpor sekundárneho vinutia transformátora. Dôležitá je časová konštanta tohto RC obvodu (usporiadania).
T = R * C, kde T je čas, za ktorý poklesne napätie na hodnotu (1−2/π)=0,36-násobok maximálnej hodnoty. Tu je dôležité poznať maximálnu hodnotu striedavého sínusového napätia. Ak efektívnu hodnotu označíme u, potom maximálna hodnota napätia Um po prechode filtrom bude:
Um=u*sqrt (2), z toho vyplýva, že výstupné napätie po prechode filtra bude 1,4142-krát väčšie ako efektívna hodnota vstupného napätia. S tým treba počítať pri návrhu každého zosilňovača.
Stabilizátor.
Jeho úlohou je stabilizovať (udržať konštantnú hodnotu) výstupného napätia po filtrácií. Toto je potrebné najmä pri signálových zosilňovačoch.
Rozdelenie stabilizátorov:
Rv=(Uz-Uzd)/(Iz+Izd) kde Uz-napajacie napätie, Uzd-napätie Zenerovej diódy určuje výstupné napätie zdroja, Iz-prúd odoberaný zo zdroja, Izd-prúd cez Zenerovu dióidu (5 – 20 mA, záleží na odoberanom prúde a type použitej diódy, určuje výrobca)
Rozdelenie napájacích zdrojov.
Vytvárajú symetrické napätie. To znamená: kladné (+), záporné (-) a zem (ground, gnd). Môžu mať stabilizované aj nestabilizované. Podstatou je, aby tieto dve napätia boli rovnaké. Aby toto bolo splnené, tak v niektorých aplikáciach sa používajú stabilizátory (prioritne u operačných zosilňovačoch a iných, ktoré sú určené ako signálové zosilňovače). Spôsob vytvorenia dvoch napätí je založený na vhodnom usporiadaní napájacieho transformátora, alebo transformátorov.
Vytvárajú len jedno napätie, t. j. (+ a GND) alebo (- a GND).
Tvrdosť reálneho napájacieho zdroja.
Je vlastnosť zdroja zachovávať konštantné napájacie napätie pri rôznom odbere prúdu. To znamená že čím je zdroj "tvrdší" tým menej kolíše napätie na výstupe. Tento jav je zapríčinený vnútorným odporom zdroja reálneho zdroja označujeme Rv. Po prechode prúdu zo zdroja do zosilňovača vzniká na Rv úbytok napätia dU ktorý je priamo úmerný odoberanému prúdu. Táto vlastnosť je opísaná vzťahom:
dU=Iv*Rv, kde Iv je odoberaný prúd.
Pri návrhu sa snažíme o to, aby bol dU malý. To dosiahneme stabilizátorom alebo zväčšením výkonu zdroja. Zdroje sa často popisujú zaťažovacou charakteristikou, ktorá by v ideálnom prípade mala tvoriť priamku rovnobežnú z osou x teda prúdovou, pretože platí:
Un=f(Iv), kde Un je napätie napájacie napätie.