Verstehen der Harmonischen verschiedener Verstärkerschaltungen (A,AB,AB mit OP-Amp)

Untersuchen Sie die Ausgangswellenform und überlegen Sie dann, welche Harmonischen erforderlich wären, um sie zu reproduzieren. So sieht zum Beispiel das Hinzufügen von 66 % der 3. Harmonischen und 25 % der 5. Harmonischen aus:-

Und hier ist die LTSpice FFT für diese Wellenform:-

Nur zwei ungerade Harmonische mit der richtigen Amplitude und Phase reichten aus, um eine Wellenform zu erzeugen, die der typischen „Crossover“-Verzerrung der Klasse B sehr ähnlich ist. Mit dem Hinzufügen von ein paar mehr höheren Obertönen könnten Sie den Ausgang Ihres Verstärkers genau anpassen. Das bedeutet, dass (im Frequenzbereich) Ihr Verstärker diese Harmonischen erzeugt .

Wie Sie angenommen haben, erzeugt jede Abweichung von einer reinen Sinuswelle Oberwellen, und je größer die Verzerrung, desto höher der Oberwellengehalt. Sie können sich auch eine Vorstellung davon machen, welche Obertöne erzeugt werden, indem Sie die Form der verzerrten Wellenform untersuchen.

Gerade Harmonische treten nur auf, wenn die Welle nicht symmetrisch ist, dh. positive und negative Hälften sind unterschiedlich. Da ein Verstärker der Klasse B einen symmetrischen Ausgang hat, erzeugt er nur ungerade Obertöne.

Stärkere Abweichungen erzeugen höhere Harmonische. Die Crossover-Verzerrung der Klasse B erzeugt einen „flachen Punkt“ in der Mitte der Wellenform. Dies kann sogar hörbar sein, wenn es sehr klein ist, weil der scharfe Übergang höhere Obertöne erzeugt, die das menschliche Ohr leicht unterscheiden kann. Und da eine feste Signalspannung erforderlich ist, um diesen „flachen Punkt“ zu überwinden, leiden kleinere Signale unter einer höheren Verzerrung.

Klasse-A-Verstärker haben einen sanften Übergang in der Mitte, komprimieren jedoch die Wellenform bei höheren Amplituden, normalerweise mehr auf einer Hälfte als auf der anderen. Dies erzeugt gerade und ungerade Harmonische niedriger Ordnung, die selbst bei ziemlich hohen Verzerrungspegeln weniger hörbar sind. Es ist auch in der Wellenform schwer zu erkennen, bis der Verzerrungsgrad sehr hoch ist, da unsere Augen nicht gut darin sind, subtile Abweichungen von einer Sinuswelle zu erkennen.

HINWEIS: Um bessere FFT-Plots in LTSpice zu erhalten, sollten Sie eine längere Simulationszeit einstellen, z. 1 Sekunde statt 10ms. Dadurch werden die Spitzen schärfer und Artefakte werden reduziert. Sie können auch die vertikale Skala ändern, um das Grundrauschen zu beseitigen, und die Frequenzskala linear machen, sodass die Harmonischen in gleichen Abständen auftreten.

Verwenden wir jetzt realistischere VDD+- und VDD--Versorgungen anstelle des idealen SPICE. Installieren Sie an jeder der 2 Stromleitungen 100.000 uF in Reihe mit 100 NanoHenry zur Erde {4 "Draht}. Dies schwingt bei einer Radiantfrequenz von 1/sqrt (L * C) oder 1/sqrt (0,1 F * 1e-7H) mit. oder 1/sqrt(1e-8) = 10^+4 rad/s oder 1.590 Hertz, eine sehr hörbare Frequenz. Um die SPICE-Quellen leicht zu entkoppeln, installieren Sie 0,1 Ohm von +15 V an seiner Filterkappe und installieren Sie 0,1 Ohm von - 15v zu seiner Filterkappe.

Führen Sie nun die Simulationen erneut aus und untersuchen Sie sowohl die ZEITAUSGABE als auch das Frequenzdiagramm. Beachten Sie, wie groß das Klingeln von 1.590 Hertz ist?

---

Wie kann man das dämpfen, um ein Klingeln zu verhindern, also keine zusätzlichen Nulldurchgänge zu haben? Verwenden Sie einen Widerstand mit dem Wert R = sqrt(L/C); unser sqrt(0.1uH/0.1Farad) wird sqrt(0.000 001) oder 0.001 Ohm; Ein Milliohm Widerstand ist nur 2 Quadrate Kupferfolie und wird daher leicht durch unvermeidliche Verdrahtungs- / Spurwiderstände gedämpft.

Wie wäre es mit 1uF und 0,1uH? Fring(MHz) ist sqrt(25.330/Luh*Cpf) oder sqrt(25.330/0,1*1.000.000) = sqrt(25.330/100.000) = sqrt(0,2533) = 0,5MHz. Wie viel R dämpfen? Verwenden Sie sqrt (L / C) = sqrt (0,1 uH / 1 uF) = sqrt (0,1) = 0,316 Ohm, was groß genug ist, dass das parasitäre R in Drähten / Spuren / Durchkontaktierungen nicht ausreicht.

Woher kommt Rdamp = aqrt(L/C)?

$$Fring=1/[ 2*pi*sqrt(L*C)]$$ $$Zinductor = 2*pi*Fring*L$$ und wir wollen ungefähr Q von 1, wo $$Zinductor = Rdamp$$ Ersetzen Sie die linke Gleichung in die rechte Gleichung und ersetzen Sie Zinductor durch Rdamp. $$Rdamp = 2*pi*L/[2*pi*sqrt(L*C)]$$ Löschen Sie nun das '2*pi' und ersetzen Sie das 'L' oben durch sqrt(L*L) $$Rdamp =sqrt(L*L)/sqrt(L*C) = sqrt(L/C)$$

Hier ist das leicht gedämpfte VDD-Klingeln: 0,1 Farad, 0,1 uH, 0,1 MilliOhm ESR[Q=10] Der Ausgang ist zeitbezogen auf den Eingang, aber nicht harmonisch. Der Eingang beträgt 1,6 Ampere über den 0,1-Milli-Ohm-ESR. Dies unten ist nur die OUTPUT-Wellenform, die eine niedrigere Amplitude zeigt, da nur EINE Transiente der Klasse B die Energie zum Klingeln liefert.

Beachten Sie, dass die Klingelperiode 1,59 kHz beträgt. In dieser Wellenform, die von Signal Wave Explorer unter Verwendung eines vorgefertigten Beispiels (Parameter können variiert werden) „Power Supply Filter Example Step #2“ (Step #1 erzeugt lediglich 0,16 A ClassB Halbsinus-Transienten) erzeugt wird, klingelt Q=10 VDD langsam Zerfall, beginnend bei 2uVpeakpeak.