Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik 3       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik 3

18 Mehrstufige Verstärker

Prof. Dr. Jörg Vollrath


17 Differenzverstärker




Video 18 Endstufen


Länge: 1:27:20
0:00:20 Versuchsdurchführung Schaltungsaufbau

0:03:22 Verbindungsliste start

0:12:15 Plazierung der Baulemente

0:15:00 Widerstand falsch gesetzt

0:16:32 Erwartungen an Messwerte

0:16:45 Rechnung Verstärkerschaltung

0:18:25 Oszilloskop DC Eingang

0:20:00 Average Gleichanteil, Amplitude Wechselanteil

0:23:07 Der mehrstufige Verstärker

0:25:43 Beispiel

0:26:38 Zerlegung der Schaltung

0:28:43 2.Stufe

0:29:43 Endstufe

0:37:30 Aktive Last

0:43:03 Schaltbild eines Operationsverstärkers TLC272

0:47:16 Ausgangsstufen, A-Betrieb, Sourcefollower

0:50:18 Wirkungsgrad

0:55:43 Klassifizierung Class A

0:58:29 Wirkungsgrad n = 25%

0:59:58 Ausgangssignal

1:06:23 Wirkungsgrad 25%, Simulation in LTSPICE

1:08:43 Class-B Verstärker n = 79%

1:15:44 LTSPICE Simulation

1:18:43 Plateau

1:21:30 AB-Betrieb

1:23:08 Simulation B-Betrieb

Rückblick und Heute

(10.4.7) Jaeger, Kapitel 15.3, page 1006

Mehrstufiger Verstärker Beispiel

M8: Stromquelle, Strombank
3 Stufen
Differenzverstärker: M1, M2,M3, M4
Sourceschaltung: M5, M10
Ausgangsstufe: Typ: AB M6, M7
(Drainschaltung)
Transistorgrößen
W/L, KN=W/L·KN‘

Eingangswiderstand: \( \infty \)
Verstärkung
\( v_{d} = v_{u1} \cdot v_{u2} \cdot v_{u3} \)
\( v_{u3} = 1 \)

Mehrstufiger Verstärker Beispiel

VDD = 10 V, I1 = 500 µA, Kpn' = 1 mAV-2, Kpp' = 400 µAV-2, VThn = 1.5 V, VThp = -1.5 V, λ = 0.018 V-1
Bestimmen Sie die Gegentaktspannungsverstärkung.
Im Schaltbild sind an den Transistoren die Weiten und Längen angegeben.
M2 hat ein W/L-Verhältnis von 20/1.
Kpn' und Kpp' müssen mit diesem Verhältnis multipliziert werden.

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen A-Betrieb

  • Verstärker im A Betrieb
  • Niedriger Ausgangswiderstand
  • Sourcefollower
  • Signalleistung(Wechselstrom) P~ = Pac
  • Insgesamt zugeführte Leistung Pav
  • Pe: Eingangsleistung
  • P=: Gleichstromleistung
  • Wirkungsgrad (Efficiency) η ζ (eta,zeta)
Man benötigt die Stromquelle I1, damit der Lastwiderstand ein reines Wechselsignal sieht.
Man spricht von A-Betrieb, wenn die Ausgangsspannung vom Transistor nur in eine Richtung verändert werden kann (pull).

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen A-Betrieb

Leistung am Widerstand


\( P_{RL} = \frac{V_{DD} \cdot I_{max}}{2} \)

Leistung an der Spannungsquelle VDD


\( P_{VDD} = \frac{1}{T} \int_0^{T} \left( V_{DD} \cdot \left( I_{max} + I_{max} \cdot sin( \omega t ) \right) \right) dt\)

\( P_{VDD} = V_{DD} \cdot I_{max} \)

Leistung an der Stromquelle I1


\( P_{I1} = \frac{1}{T} \int_0^{T} \left( \left( V_{DD} + V_{DD} \cdot sin( \omega t ) \right) \cdot I_{1} \right) dt\)

\( P_{VDD} = V_{DD} \cdot I_{max} \)

Wirkungsgrad


\( \eta = \frac{P_{RL}}{ P_{I1} + P_{VDD}} = \frac{\frac{V_{DD} \cdot I_{max}}{2}}{V_{DD} \cdot I_{max} + V_{DD} \cdot I_{max}} = \frac{1}{4} = 25 \% \)

LTSPICE < ctrl > < left mouseclick >: \( \eta = \frac{498mW}{1.976W} \approx 0.25 \)

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen A-Betrieb

Wechselsignalleistung an R
\( P_{R \sim} = \frac{\frac{V_{DD}}{2} \cdot \frac{I_{max}}{2}}{2} = \frac{V_{DD} \cdot I_{max}}{8} \)
Amplituden VDD/2 und Imax/2, Wechselspannung \( \sqrt{2} \)

Gesamtleistung
\( P_{G} = \frac{1}{T} \int_0^{T} V_{DD} \cdot (\frac{I_{max}}{2} + \frac{I_{max}}{2} sin(\omega t) ) dt \)
\( P_{G} = \frac{VDD \cdot Imax}{2} \)

Wirkungsgrad
\( \eta = \frac{P_{R \sim}}{P_{G}} = \frac{2}{8} = 0.25\% \)

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen B-Betrieb

  • Verstärker im B Betrieb
  • Niedriger Ausgangswiderstand
  • Sourcefollower mit Push-Pull Stufe
  • Kein Querstrom
  • Tote Zone: Verzerrungen
\( P_{\sin} = \frac{V_{DD}^{2}}{2 \cdot R_{L}} \)
\( P_{VDD} = \frac{1}{T} \int_0^{T/2} V_{DD} \frac{V_{DD}}{R_{L}} sin( \frac{2 \pi}{T} t) dt \)
\( P_{VDD} = \frac{1}{T} [ - \frac{V_{DD}^2 T}{2 \pi \cdot R_{L}} cos( \frac{2 \pi}{T} t)]_{0}^{T/2} \)
\( P_{VDD} = \frac{1}{T} \frac{V_{DD}^2}{R_{L}} \frac{T}{\pi} = \frac{V_{DD}^2}{\pi R_{L}} \)
\( P_{VDD} = P_{VSS} \)
\( P_{G} = P_{VSS} + P_{VDD} = \frac{2 \cdot V_{DD}^2}{\pi R_{L}} \)
\( \eta = \frac{P_{\sin}}{P_{G}} = \frac{\frac{V_{DD}^{2}}{2 \cdot R_{L}}}{\frac{2 \cdot V_{DD}^2}{\pi R_{L}}} = \frac{\pi}{4} = 0.79 = 79 \% \)

Ausgangsstufen, Leistungsendstufen AB-Betrieb

  • Verstärker im AB Betrieb
  • Niedriger Ausgangswiderstand
  • Sourcefollower, CMOS-Transistoren: M6, M7
  • Guter Wirkungsgrad
  • Keine tote Zone, wenig Verzerrungen
  • Pegelverschiebung: M11, OutC1, OutC2

H-Bridge und D-Betrieb

Zusammenfassung

(10.4.7) Jaeger, Kapitel 15.3, page 1006

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