1

III.1 Pojęcia ogólne

General description

III-2 Wzmacniacze tranzystorowa Transistor amplifiers
III-3 Wzmacniacze operacyjne Operational amplifiers
III-4 Komparatory Comparators
III-5 Wzmacniacze mocy Power amplifiers

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

Rozdział III Wzmacniacze
Chapter III Amplifiers

2

Rozdział III-1 Wzmacniacze, pojęcia ogólne

Chapter III-1 General description

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

3

Opis ogolny

General description

- Wzmacniacz jest czwórnikiem

Amplifier can be presented as a four -pole

R

e

G

v

v

e

R

s

V

s

V

e

i

e

i

s

•Symbole symbols i V… prądy i napięcia zwykle maja postać sygnałów harmonicznych
currents and tensions are often takes as harmonic signals

•Również , i

e,s

et V

e,s

….. Mogą oznaczać: They can also represtent

- sygnały w funkcji czasu time domain sygnals

V(t), i(t

)

- Amplitudy aamplitudes

V

m,

,I

m

•jeśli pomija się fazę , V , i mogą oznaczać wartości skuteczne
If phase is neglected they can indicate also rms value:





T

RMS

dt

t

v

T

V

0

2

)]

(

[

1





T

RMS

dt

t

i

T

I

0

2

)]

(

[

1

)

(

)

(



 



t

j

m

e

V

t

V

)

(

)

(



 



t

j

m

e

I

t

i

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

4

R

e

G

v

v

e

R

s

v

s

v

e

i

e

i

s

-Wzmocnienie napięciowe
Tension gain
-

-Oporność wejściowa
Input resitivity

-Oporność wyjściowa
-Output resistivity

e

V

V

G

s

v



 

v

dB

v

G

G

10

log

20



0





s

i

e

e

e

i

V

R

0





e

V

s

s

s

i

V

R

Wzmocnienie pradowe
Current gain

e

i

i

G

s

i



 

i

dB

i

G

G

10

log

20



B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

Podstawowe parametry basic parameters

5

Jesli uwzglednic uklady zewnetrzne If external devices are taken into account

Z

e

G

v

v

e

Z

s

v

e

i

e

i

s

v

s

R

i

R

L

v

g

Opornosc

obciazenia

Oprnosc

wewnetrznaa

zrodla sygnalu

Wzmocnienie mocy Power gain :

e

s

p

P

P

G 

L

e

V

v

i

eff

e

eff

e

eff

s

eff

s

p

L

eff

s

eff

s

eff

s

s

e

eff

e

eff

e

eff

e

e

R

R

G

G

G

xV

i

xV

i

G

R

V

xV

i

P

R

V

xV

i

P

2



















P

dB

P

G

G

10

log

10



B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-1 Amplifier General

decription

Polaczenie wzmacniacza ze źródłem i obciążeniem

Amplifier connected to a source of signal and charged by a load

V

2

I

1

V

1

Z

e

Z

g

E

g

G

1

(j)

Z

s

V

1

G

1

I

2

Z

L

g

e

e

g

e

Z

Z

Z

Z

Z









1

1













L

s

L

e

g

e

g

Z

Z

Z

x

j

xG

Z

Z

Z

j

E

V

j

G















1

2

1

'

•Maksimum wzmocnienia napieciowego
Maximum gain conditions

s

L

L

s

L

Z

Z

Z

Z

Z









1

Zdrodlo => impedancja wewnetrzna jak najmniejsza (Zg=0)
Source => internal resistivity as small as possible (Zg=0)
Load=> as great as possible Z

L

= ∞

Obciążenie = impedancja duża Z

L

= ∞

B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-1 Amplifier General

decription

6

7

)

( f

G

f

G

0

B = Pasmo przenoszenia= f

H

- f

B

f

B

f

H

 





f

G

G

max

0



-3dB

)

)

(

)

(

)

(

)

(











j

e

s

e

j

G

j

V

j

V

j

G





Charakterystyka czestotliwosciowa, transmitancja
Frequency response, transmitance

2

0

G

- Or in dB .

)

(

log

20

)

(

10

f

G

f

G

dB



dB

f

G

)

(

f

20logG

0

f

B

f

H

Każdy wzmacniacz jest faktycznie filtrem!

Each amplifier acts as a filter !

f

o

,

1

,

1





o

o

f

B

f

B

f

o

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

Wzmacniacz serokopasmowy
Wideband amplifier

Wzmacniacz waskopaslowy
Narrow band amplifier

B.Piwakowski Analog electronics ,

Chapter III-1 Amplifier General

decription

8

Szum i stosunek sygnal/szum

Noise ans signal to noise ratio



















































eff

eff

dB

dB

eff

eff

n

U

Log

N

S

Log

SNR

N

S

Log

SNR

R

n

R

U

N

S

SNR

10

10

10

2

2

20

20

10

/

/

N

S

P

P

SNR

noise

signal





SNR : Signal to Noise Ratio

- 2 0

- 1 5

- 1 0

- 5

0

5

1 0

1 5

2 0

s

i g n a l o r i g i n a l

s

i g n a l f i l t r é

SNR=2

SNR=0.25

SNR=20

SNR=

R => SNR

s(t)

n(t)

9

Wspolczynnik szumu (Noise Factor)

- moc szumu termicznego N power N of thermal noise :

TRB

k

N

B

4



- B = pasmo bandwidth (Hz);
- k

B

= stała constant Boltzman’a = 1.38 10

-23

J/K;

- T = temperatura temperature (°K).

output

input

N

S

N

S

F 

S/N stosunek sygnalu do szumu

-

Każdy wzmacniacz « dodaje « swój szum Each amplifier adds his own « noise

-

By ocenic ile szumu dodaje wzmacniacz definiuje się współczynnik szumu F :

-

In order to appreciate how much of nois does an amplifier add, the noise factor F is introduced
?

 

F

F

dB

10

log

10



si F > 1

F=1

Wzmacniacz dodaje szum
Apmlifier adds its noise F>0 dB

Wzmacniacz idealny F=0 dB
Perfect amplifier

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

10

-Współczynnik szumu kaskady wzmacniaczy
Noise factor of the cascade of amplifiers:

-

Wzor Friis’a

-

Frit’s formula :

...

1

1

2

1

3

1

2

1













G

G

F

G

F

F

F

total

F

1

, G

1

F

2

, G

2

F

3

, G

3

…

F

total

zależy głownie od jakości pierwszego stopnia => LNA

Deponds mostly of the F of the first stage

F

total

we look for => F

1

small and G

1

high

.

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

11

Charakterystyka wejście/ wyjscie

Input output caracteristic

Jeśli G

v

=f(V

e

) = const

If G

v

=f(V

e

) = const

v

e

s

G

V

V 

V

e

V

s

Strefa liniowa
Linear zone

Wzmacniacz liniowy
Linear amplifier

)

(

e

v

e

s

V

G

V

V



)

(

e

V

f

G 

Wzmacniacz nieliniowy
Nonlineart amplifier

Nieliniowosc

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

Jeśli G

v

=f(V

e

) ≠ const

If G

v

=f(V

e

) ≠ const

12

Dynamika Dynamics

V

e

V

s

bruit

V

s min

V

s max

)

(

log

20

10

min

max

min

max

D

D

V

V

V

V

D

dB

e

e

s

s







V

e min

V

e max

D

D

sygnal



B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

Zawsze powinno
We should always observe:

13

Dynamics

V

e

V

s

Noise level

V

s min

V

s max

)

(

log

20

10

min

max

min

max

D

D

V

V

V

V

D

dB

e

e

s

s







V

e min

V

e max

D

D

sygnal



B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

We should always observe:

14





r

e

v

v

G

v

s





+

-

G



v

s

v

e

v

r

s

r

βv

v 

Si G =>∞ Vs/Ve=1/.

Sprzężenie zwrotne Feedback

β

1



Dodatnie positif :

2 rodzaje
2 Types :

Ujemne Negatif:

βG

1

G

v

v

e

s









r

e

v

v

G

v

s





s

r

βv

v 

βG

1

G

v

v

e

s





Si bA ≈ 0 wzmacniacz traci stabilność

amplifier looses its stability

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

15

+

-

G



v

s

v

e

v

r

-

Oporność wejściowa rośnie

-

input restivity increases:





e

e

e

Z

βG

1

Z

'

Z











s

s

s

Z

βG

1

Z

'

Z







-

Oporność wyjściowa maleje

-

Output resistvity decreases:

Wszystkie wzmacniacze o duzym wzmocnieniu G pracuja ze

sprzężeniem ujemnym

All amplifier wit high G use the negatif feedback

B.Piwakowski Analog electronics , Chapter III-1 Amplifier General decription

β

1



βG

1

G

v

v

e

s





- Wzmocnienie się stabilizuje (gain becomes stable: