Wzmacniacze prądu

stałego

Wstęp

Wzmacniaczem prądu stałego nazywamy wzmacniacz

sygnałów zawierających składowe stałe.

Sygnałami wejściowymi w takich wzmacniaczach

mogą być napięcia lub prądy,

których zmiany mogą następować w ciągu minut,

godzin, itd.

Porównanie charakterystyk

częstotliwościowych wzmacniaczy prądu

zmiennego i stałego

|Ku|

|Ku|

f

f

f

d

f

g

f

g

f

d

=0

Wzmacniacz prądu stałego

Wzmacniacz prądu zmiennego

DC

AC

Dryft napięciowy i dryft prądowy

Dryft napięciowy

Jest to zmiana poziomu napięcia wyjściowego wywołana

zmianami temperatury i/lub wzmocnienia przy

U

WE

=const.

Dryft prądowy

Jest to zmiana wartości prądu wyjściowego wywołana

zmianami temperatury i/lub wzmocnienia przy

U

WE

=const.

W idealnym wzmacniaczu prądu stałego:

U

WY

=f(U

WE

)=const. jeśli U

WE

=const

W rzeczywistym wzmacniaczu prądu stałego

napięcie (prąd)

na wyjściu zmienia się, mimo że sygnał wejściowy

jest stały.

Zjawisko to nazywamy dryftem wzmacniacza.

Przyczyny powstawania dryftu

1. Zmiany temperatury

2. Zmiany napięć zasilających

3. Starzenie się elementów

4. Wpływ promieniowania jonizującego

Termiczny dryft napięciowy i prądowy

T

U

u

WY

DT







T

I

I

WY

DT







T

U

U

u

WY

WY

DT







T

I

I

i

WY

WY

DT







T [K]

U

WY

, I

WY

U

WE

=const.

Dryft termiczny powstaje wskutek zmian

punktów pracy elementów (tranzystory, diody)

Dryft wzmocnienia

czas
temperatura

Ku

x

K

U





x

Dryft wzmocnienia powstaje wskutek zmian

punktów pracy elementów

Dryft krótkookresowy - zmiany temperatury w czasie
Dryft długookresowy - starzenie się elementów

Modelowanie dryftu

Wzmacniacz

rzeczywisty

~

Ro

U = f(Rg,T)

D

Rg

Us

Wzmacniacz

bezdryftowy

~

Ro

Rg

Us

u

n

n

i

Wzmacniacz

bezdryftowy

~

Ro

Rg

Us

u

n

i Rg

n

U

D

k

U

=

u

u

WY

D



U

WY

+U

W

Y

U

WY

+U

W

Y

U

WY

+U

W

Y

Napięciowe źródło
dryftu

Prądowe źródło
dryftu

Modelowanie dryftu - przykłady

R

R

E

B

E

B

 I

C



o



U

EB

 I

CBO



R

R

E

B

E

B

 I

C



o



U

EB

 I

CBO



U

1



 I

1

R

R

E

B

 I

C



o



U

EB

 I

CBO



E

1



 I

1

R

1

R

2

Dryft jest zjawiskiem szkodliwym, szczególnie przy
małych poziomach sygnałów i dużych wzmocnieniach

U

K

K

K

+

U

K

K

+

U

K

=

))

U

K

+

(U

K

+

(U

K

=

D1

1

2

3

D2

2

3

D3

3

D1

1

D2

2

D1

3

WY

U

o

o

K

K

K

1

2

3

o

o

U

WE

=0

U

WY

0

U

D

1

U

D

2

U

D

3

Zmniejszanie dryftu

1. Dryftów nie da się wyeliminować całkowicie.

2. Stosowanie ujemnych sprzężeń zwrotnych
zmniejsza
dryft wzmocnienia i zmniejsza zmiany punktów
pracy.

3. Kompensacja w obwodach zasilania
tranzystorów
zwiększa stałość punktów pracy.

4. Stosowanie układów kompensujących dryft
- wzmacniacze różnicowe.

Struktury wzmacniaczy prądu stałego

1. Wzmacniacze z przetwarzaniem

2. Wzmacniacze o sprzężeniach galwanicznych

Wzmacniacz z przetwarzaniem

MODULATOR

DETEKTOR

U

WE

Generator
fali nośnej

Wzmacniacz AC

U

WY

Najprostszy wzmacniacz prądu stałego

+Vcc

DLATEGO praktycznie nie stosowany

1. Problemy z polaryzacją tranzystorów
2. OLBRZYMI wpływ temperatury

U

WE

, U

WY

>0

Dla U

WE

= 0 wzmacniacz nie działa

PRZYKŁAD

T1=27C, T2=28C

T=27C

T=28C

PRZYKŁAD

T1=27C
T2=28C

PRZYKŁAD

Przesuwniki poziomów napięć;

rozwiązanie problemów z polaryzacją

+6V

+0.7V

Przesuwnik

poziomu

U

1

U

2

R

I

+Vcc

Wzmacniacz

Przesuwnik poziomu

0,7V)

-

U

(U

I

R

-

U

-

U

=

U

1

K

1

2

BE

1

2

u







U

WE

U

WY

zawsze

>0

Dla U

WE

=0 wzmacniacz nie działa

Źródła prądowe

R

+E

UCC

I = const

B

I C

Wpływ temperatury !

1

2

3

R

+E

4

R

+E

R

bardzo dobry w układach dyskretnych

5 +E

R

I

R

IR

5`

+E

R

I < I

I

R

R

RE

+E

I

R

6

I

R

Kompensacja wpływu temperatury

Lustro prądowe

Lustro prądowe ze sprzężeniem
prądowo-równoległym

Zasada działania

Przykładowe struktura wzmacniacza

R

C1

R

C2

R

2

T

1

T

2

i

D

i

B

i >>

D

i

B

+E

-E

2

1

A

B

u

i

Charakterystyka diody Zenera

1

2

3

4

Przesuwnik
poziomów
napięć

U

WE

, U

WY

>0

Przykładowa struktura wzmacniacza

Przesuwnik
poziomów
napięć

U

WE

, U

WY

>0

R

C1

R

C2

R

2

T

1

T

2

+E

-E

2

1

DZ

Przykładowa struktura wzmacniacza

U

WE

U

WY

U

WE

, U

WY

>0

U

CC

Zagadnienie zerowych napięć U

WE

i U

WY

1. Stosowanie dwóch źródeł zasilających (np. rys.)
2. Wykorzystanie wzmacniacza różnicowego

U

WE

U

WY

U

CC

U

EE

Można uzyskać U

WY

=0 przy U

WE

=0

Napięcia niezrównoważenia

U

WE

U

WY

U

IN

U

IN

- wejściowe napięcie niezrównoważenia

U

ON

- wyjściowe napięcie niezrównoważenia

U

ON

U

ON

IN

K

U

U 

K

U

ON

U

WE

WY

U

K

U

U







Polaryzacja wejść wzmacniacza

Do wejścia każdego wzmacniacza prądu stałego dołączone są

Do wejścia każdego wzmacniacza prądu stałego dołączone są

elektrody sterujące tranzystorów

elektrody sterujące tranzystorów

Należy je tak połączyć aby umożliwić przepływ

Należy je tak połączyć aby umożliwić przepływ

prądów polaryzacji (wejściowe prądy polaryzacji)

prądów polaryzacji (wejściowe prądy polaryzacji)

I

POL

I

POL

Wzmacniacz różnicowy

we1 wy1

we2 wy2

U

U

U

WY1

WE1

WY2

WE2

U

U

WY

U

WEr

2

WY

1

WY

WY

2

WE

1

WE

WEs

2

WE

1

WE

WEr

-U

U

U

)

U

(U

2

1

U

-U

U

U









we1 wy1

we2 wy2

~

~

~

U

WY

U

WEr

2

WEr

U

2

WEr

U

WEs

U

Us

Ur

WEs

WY

Us

WEr

WY

Ur

K

K

CMRR

U

U

K

U

U

K







Wzmacniacz różnicowy na tranzystorach

bipolarnych

T'

T''

R

E

C

R

C

R

A

2

WEr

U

2

WEr

U

U

WY

U

CC

U

EE

Wyjście asymetryczne 1

Wyjście asymetryczne 2

Wyjście symetryczne

I

B1c

I

B2

Wzmacniacz różnicowy na tranzystorach

bipolarnych

T'

T''

C

R

C

R

A

2

WEr

U

2

WEr

U

U

WY

U

CC

U

EE

r

źr

I

EE

Wzmacniacz różnicowy z obciążeniem R

L

T'

T''

C

R

C

R

A

2

WEr

U

2

WEr

U

U

L

U

CC

U

EE

R

L

I

E1

I

E2

R

E

, r

źr

Uproszczony małosygnałowy model wzmacniacza

różnicowego

R

C

R

C

U

be2

U

be1

U

WE2

U

WE1

U

L

U

WY2

U

WY1

g

m1

U

b

e1

g

m2

U

b

e2

R

L

r

bb’1

r

bb’2

r

b’e

1

r

b’e

2

Brak pojemności w modelach tranzystorów,
zakres małych i średnich częstotliwości

R

E

lub r

źr

I

WE

Parametry wzmacniacza różnicowego

z obciążeniem R

L

E

weT

m

weT

2

WE

1

WE

WEs

WEs

weT

2

e

'

b

1

e

'

b

2

'

bb

1

'

bb

WE

WEr

WEr

E

21

E

L

C

us

L

C

m

L

C

21

ur

R

r

g

2

r

2

1

I

I

U

R

r

2

r

r

r

r

I

U

R

R

y

2

CMRR

R

2

2

R

||

R

-

K

2

R

||

R

g

2

R

||

R

-y

K









































Dla układu ze źródłem prądowym: R

E

 r

źr

Makromodel wzmacniacza różnicowego

~

WY1

WY2

WE1

WE2

K

Us

U

WEs

2

U

K

WEr

Ur



2

U

K

WEr

Ur



E

m

2

,

1

weT

R

g

r





1

weT

r

2

weT

r

Charakterystyki stałoprądowe wzmacniacza

różnicowego

0.1

0.9

I

I

E1

E2

200

-200

U

WEr

[mV]

I

E1

, I

E2

T

ir

T

ir

U

EE

2

E

U

-

EE

1

E

+e

1

I

I

+e

1

I

I











Charakterystyki stałoprądowe wzmacniacza

różnicowego

U

WEr

[mV]

200

-200

0

I

EE

=

I

2

>

I

1

2 1

1

I

EE

=

I

1

U

WY

[V]

5

-5

)

2

U

(

h

tg

2

R

||

R

U

2

R

||

R

)

I

I

(

U

T

WEr

L

C

WY

L

C

2

C

1

C

WY













]

mV

[

26

e

T

k

T









1. Przy napięciach wejściowych różnicowych większych od
około 100mV wzmacniacz różnicowy na tranzystorach
bipolarnych zaczyna ograniczać poziom sygnału.

2. Dla napięć wejściowych różnicowych powyżej 200mV
wzmacniacz różnicowy przestaje wzmacniać.

3. W celu zwiększenia impedancji wejściowych wzmacniacza
różnicowego stosuje się:

układy Darlingtona:

tranzystory polowe (układy tzw. BiFet):

4. Tranzystory tzw. Super-Beta o wzmocnieniu prądowym
n*1000 A/A

Zastosowania wzmacniacza różnicowego

1. Praktycznie wszystkie stopnie wejściowe wzmacniaczy operacyjnych.

2. Stopnie wejściowe wzmacniaczy mocy.

3. Wzmacniacze o liniowo regulowanym wzmocnieniu.

Zastosowania układu o strukturze

wzmacniacza różnicowego

1. Jako wzmacniacz sygnałów różnicowych, z

jednoczesnym

tłumieniem sygnałów wspólnych.

2. Jako tzw. wzmacniacz-ogranicznik (eliminacja

zakłóceń).

3. Klucz prądowy.

4. Regulator poziomu sygnału.

5. Układ mnożący - modulator amplitudy, detektor fazy,

itp.

6. Kaskoda (o regulowanym wzmocnieniu).