Arsitektur Amplifier, Terjemahan

Judul muluk ini hanya mengacu pada struktur amplifier berskala besar; yaitu, diagram blok sirkuit satu tingkat di bawah yang mewakilinya sebagai blok putih tunggal berlabel Power Amplifier. Hampir semua amplifier solid-state memiliki arsitektur tiga tahap seperti yang dijelaskan di bawah ini, meskipun mereka bervariasi dalam detail setiap tahap. Arsitektur dua tahap kadang-kadang digunakan, tetapi kinerja distorsinya tidak terlalu memuaskan. Arsitektur empat tahap telah digunakan dalam jumlah yang signifikan, tetapi mereka masih jauh lebih jarang daripada desain tiga tahap, dan biasanya melibatkan skema kompensasi yang relatif kompleks untuk menangani fakta bahwa ada tahap tambahan untuk menambahkan pergeseran fase dan berpotensi merusak stabilitas frekuensi tinggi.

Arsitektur Amplifier Tiga Tahap

Sebagian besar amplifier audio menggunakan arsitektur konvensional, ditunjukkan pada Gambar di bawah ini, dan karenanya ditangani terlebih dahulu. Ada tiga tahap, yang pertama adalah tahap transkonduktansi (tegangan diferensial masuk, arus keluar), yang kedua tahap transimpedansi (arus masuk, tegangan keluar), dan yang ketiga tahap keluaran unity-voltage-gain. Tahap kedua jelas harus menyediakan semua penguatan tegangan dan oleh karena itu saya menyebutnya tahap penguat tegangan atau VAS. Penulis lain menyebutnya tahap pra-driver tetapi saya lebih suka memesan istilah ini untuk transistor pertama dalam output tiga kali lipat. Arsitektur tiga tahap ini memiliki beberapa keunggulan, paling tidak adalah mudah untuk mengatur berbagai hal sehingga interaksi antar tahap dapat diabaikan. Misalnya, ada sangat sedikit tegangan sinyal pada input ke tahap kedua, karena sifatnya yang saat ini-input (bumi virtual), dan karenanya sangat sedikit pada output tahap pertama; ini meminimalkan pergeseran fase Miller dan kemungkinan efek Awal pada perangkat input.

Demikian pula, kapasitor kompensasi mengurangi impedansi output tahap kedua, sehingga pembebanan non-linier di atasnya karena impedansi input tahap ketiga menghasilkan distorsi yang lebih sedikit daripada yang diharapkan. Struktur tiga tahap konvensional, yang akrab meskipun mungkin, memiliki beberapa mekanisme elegan seperti ini. Mereka akan sepenuhnya terungkap di bab-bab selanjutnya.

Karena jumlah NFB global linearising yang tersedia tergantung pada penguatan loop terbuka amplifier, bagaimana tahapan berkontribusi terhadap hal ini sangat menarik. Arsitektur tiga tahap selalu memiliki tahap output unity-gain e kecuali jika Anda benar-benar ingin mempersulit hidup Anda sendiri e dan jadi total forward gain hanyalah produk dari transkonduktansi tahap input dan transimpedansi VAS, yang terakhir ditentukan semata-mata oleh kapasitor Miller Cdom, kecuali pada frekuensi yang sangat rendah. Biasanya, penguatan loop tertutup akan berada di antara þ20 dan þ30 dB. Faktor NFB pada 20 kHz akan menjadi 25 hingga 40 dB, meningkat pada 6 dB per oktaf dengan frekuensi jatuh hingga mencapai frekuensi kutub dominan P1, ketika mendatar. Yang penting untuk kontrol distorsi adalah jumlah umpan balik negatif (NFB) yang tersedia, daripada bandwidth loop terbuka, yang tidak memiliki hubungan langsung. Dalam desain Electronics World Class-B saya, tahap input gm adalah sekitar 9 ma / V, dan Cdom adalah 100pF, memberikan faktor NFB 31 dB pada 20 kHz. Dalam desain lain saya telah menggunakan sesedikit 26 dB (pada 20 kHz) dengan hasil yang baik.

Mengkompensasi amplifier tiga tahap relatif sederhana; karena kutub di VAS sudah dominan, ia dapat dengan mudah ditingkatkan untuk menurunkan faktor umpan balik negatif HF ke tingkat yang aman. NFB lokal yang mengerjakan VAS melalui Cdom memiliki efek linearising yang sangat berharga.

Struktur tiga tahap konvensional mewakili setidaknya 99% dari amplifier solid-state yang dibangun, dan saya tidak meminta maaf karena mencurahkan sebagian besar buku ini untuk perilakunya. Anda mungkin berpikir bahwa konfigurasi yang relatif sederhana, pada dasarnya terdiri dari 13 transistor, akan memiliki setiap nuansa perilakunya yang sepenuhnya ditentukan bertahun-tahun yang lalu. Seperti yang ditunjukkan oleh jumlah materi baru dalam buku ini, bukan itu masalahnya; bahkan sekarang, saya cukup yakin saya belum kehabisan seluk-beluknya. Oleh karena itu tampaknya pasti bahwa konfigurasi itu dalam arti tersandung daripada hasil dari program penelitian yang diarahkan dengan hati-hati. Seperti yang dijelaskan Bab 30 tentang sejarah amplifier, amplifier tiga tahap tidak didasarkan pada sirkuit Lin asli tahun 1956, karena Lin adalah amplifier dua tahap. Amplifier tiga tahap pertama dalam Bab 30 adalah desain Tobey & Dinsdale tahun 1961, yang menggunakan transistor input tunggal daripada pasangan diferensial. Desain tiga tahap pertama dengan input diferensial adalah Hardcastle & Lane 15 W Amplifier tahun 1969.

Akan muncul bahwa amplifier tiga tahap, dalam bentuknya yang biasa dengan VAS beban arus konstan, adalah konfigurasi terbaik yang tersedia untuk ekonomi, prediktabilitas, pemisahan satu tahap dari perilaku yang lain, kemudahan kompensasi, stabilitas termal, dan distorsi rendah. Dengan beberapa penyempurnaan murah, THD pada 50 W/8 Anda dapat disimpan di bawah 0,001% hingga 12 kHz dan di bawah 0,002% pada 20 kHz.

Arsitektur amplifier dua tahap

Berbeda dengan pendekatan tiga tahap, arsitektur pada Gambar di bawah ini 

Dok. pribadi

adalah amplifier dua tahap, tahap pertama sekali lagi merupakan tahap transkonduktansi, meskipun sekarang tanpa jaminan impedansi rendah untuk menerima arus keluarannya. Tahap kedua menggabungkan VAS dan tahap output dalam satu blok; melekat dalam skema ini bahwa VAS harus berfungsi ganda sebagai pembagi fase serta generator keuntungan mentah. Kemudian ada dua jalur sinyal yang sangat berbeda dengan output, dan sama sekali tidak jelas bahwa mencoba memecah blok ini lebih lanjut akan membantu analisis linieritas. Penggunaan tahap pemisahan fase mengingatkan kembali ke amplifier katup, di mana itu tidak dapat dihindari, karena teknologi katup pelengkap sejauh ini telah menghindari kita.

Paradoksnya, amplifier dua tahap cenderung lebih kompleks dalam struktur penguatannya daripada tiga tahap. Penguatan maju tergantung pada tahap input gm, beban kolektor tahap input (karena tahap input tidak dapat lagi diasumsikan memberi makan bumi virtual) dan penguatan tahap output, yang akan ditemukan bervariasi dengan cara yang paling meresahkan dengan bias dan pemuatan. Memilih kompensasi juga lebih kompleks untuk amplifier dua tahap, karena VAS/phasesplitter memiliki tegangan sinyal yang signifikan pada inputnya sehingga mekanisme pemisahan kutub biasa yang meningkatkan stabilitas Nyquist dengan meningkatkan frekuensi kutub yang terkait dengan kolektor tahap input tidak akan lagi berfungsi dengan baik. (Saya telah menggunakan istilah stabilitas Nyquist, atau osilasi Nyquist di seluruh buku ini untuk menunjukkan osilasi karena akumulasi pergeseran fase dalam loop NFB global, sebagai lawan dari parasit lokal, dll.)

Faktor umpan balik LF kemungkinan sekitar 6 dB lebih sedikit dengan beban 4 U, karena penguatan yang lebih rendah pada tahap output. Namun, variasi ini jauh berkurang di atas frekuensi kutub dominan, karena kemudian ada peningkatan NFB lokal yang bertindak dalam tahap output.

Berikut adalah dua contoh amplifier dua tahap; Linsley-Hood1 . dan Olsson.2 Amplifier dua tahap menawarkan sedikit atau tanpa pengurangan biaya suku cadang, lebih sulit untuk dirancang dan dalam pengalaman saya selalu memberikan kinerja distorsi yang buruk. Konfigurasi ketiga dengan tahap input/VAS ujung tunggal dijelaskan dalam Bab 30 tentang sejarah amplifier. Konfigurasi foldedcascode dapat dianggap sebagai amplifier dua tahap.

Arsitektur amplifier empat tahap

Contoh paling terkenal dari arsitektur empat tahap mungkin adalah yang diterbitkan oleh Lohstroh dan Otala dalam sebuah makalah yang dengan percaya diri berjudul 'An Audio Power Amplifier for Ultimate Quality Requirements' dan muncul pada bulan Desember 1973.3 Diagram sirkuit yang disederhanakan dari desain mereka ditunjukkan pada Gambar di bawah ini 

Dok. pribadi

. Salah satu tujuan desain mereka adalah penggunaan nilai rendah dari umpan balik keseluruhan, yang dimungkinkan oleh umpan balik lokal yang berat dalam tiga tahap amplifier pertama, dalam bentuk degenerasi emitor; penguatan loop tertutup adalah 32 dB (40 kali) dan faktor umpan balik 20 dB, diduga datar di seluruh pita audio. 

Tujuan lain adalah penghapusan apa yang disebut Distorsi Intermodulasi Transien, yang setelah bertahun-tahun argumen dan perdebatan-akhirnya diterima tidak lebih dari pembatasan tingkat pembunuhan kuno. Untuk tujuan ini, kompensasi dominan dihindari dalam desain ini. Skema kompensasi yang digunakan rumit, tetapi pada dasarnya kapasitor timbal C1, C2 dan jaringan timbal-lag R19, C3 dimaksudkan untuk membatalkan kutub internal amplifier. Menurut Lohstroh dan Otala, ini terletak antara 200 kHz dan 1 MHz, tetapi setelah kompensasi, respons frekuensi loop terbuka memiliki kutub pertamanya pada 1 MHz. Jaringan kompensasi lag akhir R15, C4 terletak di luar loop umpan balik. Poin penting adalah bahwa tahap ketiga sangat dimuat oleh dua resistor R11, R12. Tahap output tipe EF bias jauh ke Kelas-AB oleh pengganda Vbe konvensional, menggambar 600 mA arus quiescent. Seperti yang dijelaskan nanti di Bab 9, ini memberikan linearitas yang buruk ketika Anda kehabisan wilayah Kelas-A.

Anda akan mencatat bahwa amplifier menggunakan umpan balik shunt; Ini tentu saja mencegah kemungkinan distorsi mode umum pada tahap input, karena tidak ada tegangan commonmode, tetapi memiliki kelemahan menakutkan untuk mengamuk jika peralatan sumber terputus, karena kemudian ada faktor umpan balik yang sangat meningkat, dan ketidakstabilan frekuensi tinggi hampir tidak bisa dihindari. Input common-mode non-linearity dibahas dalam Bab 6, di mana ditunjukkan bahwa dalam desain amplifier normal, proporsinya dapat diabaikan, dan tentu saja bukan alasan yang baik untuk mengadopsi umpan balik shunt secara keseluruhan.

Bertahun-tahun yang lalu saya diminta untuk memasukkan versi sirkuit amplifier ini ke dalam produksi untuk salah satu perusahaan hi-fi besar saat itu. Itu bukan pengalaman yang sangat membahagiakan. Stabilitas frekuensi tinggi sangat diragukan dan kinerja distorsi jelas tidak mengesankan, sejalan dengan yang dikutip dalam makalah asli sebagai 0,09% pada 50 W, 1 kHz.3 Setelah beberapa minggu perjuangan, arsitektur empat tahap ditinggalkan dan arsitektur tiga tahap yang lebih konvensional (dan jauh lebih mudah dilacak) diadopsi sebagai gantinya.

Versi lain dari arsitektur empat tahap ditunjukkan pada Gambar di bawah ini 

Dok. pribadi

; ini adalah versi sederhana dari sirkuit yang digunakan selama bertahun-tahun oleh perusahaan hi-fi besar lainnya. Ada dua tahap diferensial, yang kedua mengendarai VAS push-pull Q8,Q9. Sekali lagi tahap diferensial telah diberikan sejumlah besar umpan balik negatif lokal dalam bentuk degenerasi emitor. Kompensasi adalah oleh jaringan lead-lag R14, C1 antara dua kolektor tahap input dan dua jaringan lead-lag R15, C2 dan R16, C3 yang menghindari kolektor Q5, Q7 pada tahap diferensial kedua. Berbeda dengan desain Lohstroh dan Otala, umpan balik keseluruhan seri digunakan, dilengkapi dengan servo DC opamp untuk mengontrol offset DC pada output.

Setelah memiliki beberapa pengalaman dengan desain ini (tidak, ini bukan salah satu dari saya), saya harus melaporkan bahwa sementara secara umum amplifier bekerja dengan baik dan andal, itu terlalu cerewet tentang jenis transistor dan kinerja distorsi bukan yang terbaik

Pertanyaannya sekarang menonjolkan dirinya sendiri: apa yang diperoleh dengan menggunakan kompleksitas yang lebih besar dari arsitektur empat tahap? Sejauh yang saya bisa lihat saat ini, sedikit atau tidak sama sekali. Arsitektur tiga tahap tampaknya memberikan penguatan loop terbuka sebanyak yang dapat digunakan dengan aman dengan tahap keluaran konvensional; jika lebih banyak diperlukan, maka kapasitor kompensasi Miller dapat dikurangi, yang juga akan meningkatkan tingkat pembunuhan maksimum. Kompensasi amplifier tiga tahap sangat sederhana; Ada satu, dan hanya satu, tempat untuk menerapkan kompensasi dominan. Sebaliknya, kompensasi empat tahap jauh lebih sulit, dan cenderung melibatkan skema kompensasi yang rumit. Jika distorsi rendah diperlukan, lebih mudah untuk linierisasi dua tahap pertama dari amplifie tiga tahap

Arsitektur empat tahap, bagaimanapun, menyajikan beberapa kemungkinan menarik untuk menggunakan kompensasi Miller bersarang, sebuah konsep yang telah banyak digunakan dalam opamp.

Meskipun sangat kalah jumlah dengan desain tiga tahap, arsitektur empat tahap telah digunakan di sejumlah amplifier komersial Jepang. Hampir semua mengikuti konfigurasi Lohstroh dan Otala. Contohnya dijelaskan secara singkat dalam Tabel 4.1.

Dok. pribadi

Tabel 4.1 memberikan perspektif yang menarik, meskipun tidak berpura-pura menjadi pilihan yang lengkap atau bahkan representatif. Anda dapat melihat bahwa VAS yang seimbang (lihat Bab 8) adalah umum, karena dapat didorong dari kedua output dari tahap diferensial kedua. Atau penjumlahan fase dilakukan oleh cermin arus di kolektor tahap kedua, seperti pada Technics SU-V2. Semua tahapan output dalam format EF, tanpa desain CFP sama sekali. Non-switching berarti mencegah perangkat output mati kapan saja; lihat nanti di bab ini. Teknologi ZDR (Zero Distortion Rule) dibahas dalam Bab 13. Manual layanan dan skema untuk semua desain ini dapat ditemukan di Internet, meskipun apa status hukumnya, saya tidak tahu

Arsitektur Amplifier Lima Tahap

Amplifier dengan lima tahap atau lebih sangat jarang, tidak diragukan lagi karena keuntungan ekstra yang tersedia diragukan penggunaannya, dan masalah kompensasi pasti meningkat. Pioneer A8 (1981) adalah contoh langka dari amplifier lima tahap, memiliki tahap input diferensial JFET, kemudian dua tahap penguatan diferensial BJT sebelum VAS. Apakah desain ini menggunakan NDFL Cherry (lihat Bab 13), seperti halnya Pioneer A-5 dan A-6, sulit dikatakan dari melihat skema yang kompleks dan penuh teka-teki

Daftar Pustaka.

Self, Douglas. 2013. Audio Power Amplifier Design Sixth Edition. 70 Blanchard Rd Suite 402, Burlington, MA 01803: Focal Press