DESIGN PROBLEM III

DESIGN PROBLEM III

Due date: 2015.12.10 上課交。請同學錄製影片或製作檔案報告。(應該是輪到 4-6 組)。報告一組一份，第一頁請列出組員及每位的貢獻度

%

。

這個題目是要模擬設計一個推挽式(push-pull)的功率輸出級及一個放大率為5的

HiFi放大器。

I.右圖是一個最簡單的Class B輸出級，負載電阻 (喇叭)為8。假如通過負載的最大電流設在3A，

V

Q

http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/2N5883.LIB http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/2N5885.LIB

(a) 先用PSPICE模擬轉換特性曲線(transfer characteristics)

請使用DC SWEEP，vI由-VCC掃描到VCC，間隔0.05V。畫出vO對vI、iL對vI、 及iB1 & iB2對vI圖。對應到iL=3A時的vI及iB1 & iB2各為多少?

(b) 交越失真(cross-over distortion)

輸入一正弦波訊號，震幅為iL=3A時的vI值(由a結果得到的)，頻率設定為1kHz。

畫出輸入及輸出訊號的波形(20週期)，觀察交越失真。輸入震幅改為2V，再 做一次。比較二者波形的傅立葉頻譜(FFT)，找出V(f=3kHz)/V(f=1kHz)，或 VdB(f=3kHz)-VdB(f=1kHz)，這個值可以看出非線性失真的大小。

II. Class AB輸出設計

在功率BJT前加一個emitter follower，可以提供 功率BJT較大的基極電流，同時也提供約0.7V的 VBE給輸出電晶體(vI=0時)，形成AB類輸出。

VCC取和I相同之值，R3=R4=0，R1=R2=200。

Q1使用2N4403 pnp BJT，Q2使用2N4401 npn BJT，

data sheet也附在作業網頁上，這兩棵BJTs最大的 集極電流可達600mA。模擬時你可以用軟體內建 的模型，假如沒有，可以用在附件中的.model。

(a) 先用PSPICE模擬轉換特性曲線(transfer characteristics)

請使用DC SWEEP，vI由-VCC掃描到VCC，間隔0.05V。畫出vO對vI、iL對vI、 及iC(Q1) & iC(Q2)對vI圖。線性的範圍多大?是否還有交越失真?在vI=0時，

iC(Q1)、iC(Q2)、iC(Q3) 、iC(Q4)及iL為多少?(這裡用偏壓點分析即可，或.op) iB1

iB2

(b) 交越失真(cross-over distortion)

輸入一正弦波訊號，震幅為iL=3A時的vI值，頻率設定為1kHz。畫出輸入及輸 出訊號的波形(20週期)，觀察是否有交越失真?輸入震幅改為2V，再做一次。

比較二者波形的傅立葉頻譜和I中所得的差異，比較V(f=3kHz)/V(f=1kHz)，或 VdB(f=3kHz)-VdB(f=1kHz)。

III. 放大率為+5的HiFi放大器

在上面II 中所設計的 AB 輸出級可視為增益為 1 的緩衝器(Buffer)，加上運算放 大器(OP)可以設計出很好的音頻放大器。上圖是一個增益為 5 的放大器，假如 R6=1k，請問 R5應該是多少?

VCC1用I 中的 VCC值，OP 你可以用 uA741 或 OP27，模擬時用軟體給的現成模 型即可，OP 的直流電源用18V(不要忘了)。

(a) 先用 PSPICE 模擬轉換特性曲線(transfer characteristics)

請使用DC SWEEP，vin由-4V 掃描到 4V，間隔 0.05V。畫出 vout & iL對vin

圖，線性範圍多大?線性範圍內能提供最大的負載電流為何?

(b) 輸入正弦波，震幅取對應最大輸出電流的 vin，頻率為1kHz。畫出輸入及輸 出訊號的波形(20 週期)，取 vout傅立葉轉換(FFT)，算出 V(f=3kHz)/V(f=1kHz)，

或VdB(f=3kHz)-VdB(f=1kHz)。震幅取 0.2V，再做一次，

VdB(f=3kHz)-VdB(f=1kHz)有變化麼?和 I&II 的結果比較如何?

(c) 頻率響應(frequency response)

輸入用VAC，震幅取 1V，做頻率響應(frequency response)模擬，頻率範圍 10Hz 到 100MHz，模擬點數 101pts/dec，高頻 3dB 點在哪裡?

Class AB output stage (from II)

附錄:

.MODEL Q2n5883 pnp

+IS=3.22909e-11 BF=356.392 NF=0.85 VAF=45.5241 +IKF=3.73929 ISE=9.24991e-12 NE=3.28122 BR=2.96027 +NR=0.838715 VAR=1.40462 IKR=10 ISC=5.5e-13 +NC=3.9375 RB=0.1 IRB=0.1 RBM=0.1

+RE=0.0001 RC=0.0374243 XTB=0.112376 XTI=1.07053 +EG=1.05 CJE=1.78008e-09 VJE=0.4 MJE=0.412307 +TF=9.92356e-09 XTF=4.44847 VTF=6.59363 ITF=0.001

+CJC=2.64524e-09 VJC=0.687218 MJC=0.43017 XCJC=0.803124 +FC=0.8 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5

+TR=4.96326e-07 PTF=0 KF=0 AF=1

* Model generated on Jan 24, 2004

* Model format: PSpice

.MODEL Q2n5885 npn

+IS=2.13575e-10 BF=117.437 NF=0.85 VAF=21.6171 +IKF=7.94924 ISE=3.96117e-12 NE=3.49211 BR=3.71903 +NR=0.75 VAR=4.77814 IKR=8.65418 ISC=6.51558e-13 +NC=3.95104 RB=2.37631 IRB=0.1 RBM=0.1

+RE=0.000172424 RC=0.0402503 XTB=0.133698 XTI=1.02424 +EG=1.05 CJE=1.78007e-09 VJE=0.4 MJE=0.412306

+TF=9.99549e-09 XTF=3.7801 VTF=7.86246 ITF=0.001 +CJC=1.14032e-09 VJC=0.4 MJC=0.32618 XCJC=0.803024 +FC=0.8 CJS=0 VJS=0.75 MJS=0.5

+TR=3.56405e-07 PTF=0 KF=0 AF=1

* Model generated on Jan 24, 2004

* Model format: PSpice

.model 2N4401 NPN(Is=26.03f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=90.7 Bf=4.292K Ne=1.244 Ise=26.03f + Ikf=.2061 Xtb=1.5 Br=1.01 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=.5 Cjc=11.01p

+ Mjc=.3763 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=24.07p Mje=.3641 Vje=.75 Tr=233.7n Tf=466.5p Itf=0 Vtf=0 Xtf=0 + Rb=10 Vceo=40 Icrating=600m mfg=Fairchild)

.model 2N4403 PNP(Is=650.6E-18 Xti=3 Eg=1.11 Vaf=115.7 Bf=216.2 Ne=1.829 Ise=58.72f + Ikf=1.079 Xtb=1.5 Br=3.578 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=.715 Cjc=14.76p

+ Mjc=.5383 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=19.82p Mje=.3357 Vje=.75 Tr=111.6n Tf=603.7p Itf=.65 Vtf=5 + Xtf=1.7 Rb=10 Vceo=40 Icrating=600m mfg=Fairchild)