2011-01-17

1

Podstawy elektroniki

Podstawy elektroniki

i energoelektroniki

i energoelektroniki

Wykład

Wykład 10

10

Wzmacniacze

Wzmacniacze

dr in

ż

. Andrzej Kociubi

ń

ski

dr in

ż

. Andrzej Kociubi

ń

ski

stycze

ń

2011

stycze

ń

2011

Wzmacniacze

Wzmacniacze

p

n

+

n

U

BE

U

CE

OE

U

BC

U

EC

OC

U

EB

U

CB

OB

emiter

baza

kolektor

wspólny

emiter

wspólna

baza

wspólny
kolektor

WE

WB

WC

Układy połączeń

Układy połączeń

Układy połączeń

Układy połączeń

Wzmacniacz o:

WSPÓLNYM

EMITERZE

WSPÓLNYM

KOLEKTORZE

WSPÓLNEJ BAZIE

Wzmocnienie
napięciowe

duże

<1

duże

Wzmocnienie prądowe

duże

duże

<1

Przesunięcie fazowe
między sygnałem
wejściowym i
wyjściowym

180

0

0

0

0

0

Pasmo przenoszenia

małe

średnie

duże

W

W przypadku

przypadku ka

ż

dego

ka

ż

dego układu

układu wzmacniaj

ą

cego

wzmacniaj

ą

cego odwracaj

ą

cego

odwracaj

ą

cego

faz

ę

faz

ę

sygnału

sygnału o

o 180

180°

° wyst

ę

puje

wyst

ę

puje tzw

tzw.. efekt

efekt Millera,

Millera, polegaj

ą

c

polegaj

ą

cy

y na

na

wzro

ś

cie

wzro

ś

cie pojemno

ś

ci

pojemno

ś

ci wej

ś

ciowej

wej

ś

ciowej tranzystora

tranzystora..

Wraz

Wraz

ze

ze

wzrostem

wzrostem

cz

ę

stotliwo

ś

ci

cz

ę

stotliwo

ś

ci

wzmacnianego

wzmacnianego sygnału

sygnału zmniejsza

zmniejsza si

ę

si

ę

wzmocnienie

wzmocnienie pr

ą

dowe

pr

ą

dowe wzmacniacza

wzmacniacza..

Efekt

Efekt

Millera

Millera

mo

ż

na

mo

ż

na

zniwelowa

ć

zniwelowa

ć

stosuj

ą

c

stosuj

ą

c układ

układ kaskody

kaskody..

Zjawisko

Zjawisko Millera,

Millera, szkodliwe

szkodliwe w

w układach

układach

wzmacniaczy

wzmacniaczy

szerokopasmowych

szerokopasmowych

pracuj

ą

cych

pracuj

ą

cych

w

w

konfiguracji

konfiguracji

WE,

WE,

wykorzystywane

wykorzystywane

jest

jest

w

w

konstrukcji

konstrukcji

układów

układów całkuj

ą

cych,

całkuj

ą

cych, maj

ą

cych

maj

ą

cych równie

ż

równie

ż

szerokie

szerokie zastosowanie

zastosowanie w

w elektronice,

elektronice,

zarówno

zarówno w

w układach

układach analogowych

analogowych jak

jak ii

cyfrowych

cyfrowych..

Efekt Millera

Efekt Millera

Układ Darlingtona

Układ Darlingtona

Tranzystor

Tranzystor T

T1

1 pracuje

pracuje w

w zakresie

zakresie małych

małych pr

ą

dów

pr

ą

dów.. Powoduje

Powoduje to

to prac

ę

prac

ę

tranzystora

tranzystora

T

T1

1 w

w zakresie

zakresie nieliniowym,

nieliniowym, z

z czego

czego mog

ą

mog

ą

wynika

ć

wynika

ć

zniekształcenia

zniekształcenia nieliniowe

nieliniowe ii

mała

mała warto

ść

warto

ść

wzmocnienia

wzmocnienia pr

ą

dowego

pr

ą

dowego tego

tego tranzystora

tranzystora.. Układ

Układ ten

ten charakteryzuje

charakteryzuje

si

ę

si

ę

du

żą

du

żą

rezystancj

ą

rezystancj

ą

wej

ś

ciow

ą

wej

ś

ciow

ą

oraz

oraz bardzo

bardzo

du

ż

ym

du

ż

ym wzmocnieniem

wzmocnieniem

((

β

β

=

= ~

~10

10

4

4

))..

2011-01-17

2

Układ

Układ kaskody

kaskody tworz

ą

tworz

ą

2

2 tranzystory

tranzystory pracuj

ą

ce

pracuj

ą

ce

w

w układzie

układzie WE

WE--WB

WB.. Tranzystor

Tranzystor T

T1

1 pracuj

ą

cy

pracuj

ą

cy

w

w

układzie

układzie

WE

WE

ma

ma

du

ż

e

du

ż

e

wzmocnienie

wzmocnienie

pr

ą

dowe

pr

ą

dowe

ii

niewielkie

niewielkie

wzmocnienie

wzmocnienie

napi

ę

ciowe,

napi

ę

ciowe,

poniewa

ż

poniewa

ż

kolektor

kolektor

jest

jest

obci

ąż

ony

obci

ąż

ony

mał

ą

mał

ą

rezystancj

ą

rezystancj

ą

wej

ś

ciow

ą

wej

ś

ciow

ą

tranzystora

tranzystora T

T2

2 pracuj

ą

cego

pracuj

ą

cego w

w układzie

układzie WB

WB..

Kaskoda

Kaskoda charakteryzuje

charakteryzuje si

ę

si

ę

bardzo

bardzo małym

małym

oddziaływaniem

oddziaływaniem wyj

ś

cia

wyj

ś

cia na

na jego

jego wej

ś

cie

wej

ś

cie..

Ma

Ma

szerokie

szerokie

pasmo

pasmo

przenoszonych

przenoszonych

cz

ę

stotliwo

ś

ci

cz

ę

stotliwo

ś

ci ii cechuje

cechuje j

ą

j

ą

du

ż

a

du

ż

a liniowo

ść

liniowo

ść

charakterystyki

charakterystyki przej

ś

ciowej

przej

ś

ciowej..

Słaby

Słaby efekt

efekt Millera

Millera..

Ł

ą

czy

Ł

ą

czy zalety

zalety układu

układu WE

WE (du

ż

e

(du

ż

e wzmocnienie,

wzmocnienie,

ś

rednia

ś

rednia rezystancja

rezystancja wej

ś

ciowa)

wej

ś

ciowa) oraz

oraz układu

układu

WB

WB (szerokie

(szerokie pasmo

pasmo przenoszenia,

przenoszenia, du

ż

e

du

ż

e

wzmocnienie

wzmocnienie napi

ę

ciowe)

napi

ę

ciowe)..

Kaskoda

Kaskoda

we wzmacniaczach szerokopasmowych

we wzmacniaczach selektywnych w. cz.

w układach m. cz.

Kaskoda

Kaskoda –

– zastosowanie

zastosowanie

Wzmacniacze prądu/napięcia stałego

Wzmacniacze prądu/napięcia stałego

Powinny

Powinny wzmacnia

ć

wzmacnia

ć

tylko

tylko sygnał

sygnał u

ż

yteczny,

u

ż

yteczny, za

ś

za

ś

tłumi

ć

tłumi

ć

sygnały

sygnały

szkodliwe

szkodliwe..

Sygnały

Sygnały szkodliwe

szkodliwe mog

ą

mog

ą

powstawa

ć

powstawa

ć

we

we wszystkich

wszystkich stopniach

stopniach

wzmacniacza,

wzmacniacza, jednak

jednak najwa

ż

niejsze

najwa

ż

niejsze znaczenie

znaczenie ma

ma

dryft

dryft stopnia

stopnia

wej

ś

ciowego,

wej

ś

ciowego, który

który podlega

podlega najwi

ę

kszemu

najwi

ę

kszemu wzmocnieniu

wzmocnieniu

..

Z

Z tego

tego wzgl

ę

du

wzgl

ę

du stopnie

stopnie wej

ś

ciowe

wej

ś

ciowe realizuje

realizuje si

ę

si

ę

jako

jako

układy

układy

ró

ż

nicowe

ró

ż

nicowe

..

zastosowania liniowe

zastosowania liniowe –

– np.

np.

wzmacniacz ró

ż

nicowy

wzmacniacz ró

ż

nicowy

zastosowania nieliniowe

zastosowania nieliniowe –

– np. mno

ż

enie sygnałów,

np. mno

ż

enie sygnałów,

ograniczanie, przeł

ą

czanie

ograniczanie, przeł

ą

czanie

wzmacnia ró

ż

nic

wzmacnia ró

ż

nic

ę

ę

napi

ęć

wej

ś

ciowych

napi

ęć

wej

ś

ciowych

w idealnym wzmacniaczu ró

ż

nicowym napi

ę

cie wyj

ś

ciowe

w idealnym wzmacniaczu ró

ż

nicowym napi

ę

cie wyj

ś

ciowe

powinno by

ć

takie samo dla:

powinno by

ć

takie samo dla:

U1 =

U1 =

15mV

15mV

, U2 =

, U2 =

14mV

14mV

jak i dla U1 =

jak i dla U1 =

2015mV

2015mV

, U2 =

, U2 =

2014mV

2014mV

Tranzystorowy układ różnicowy

Tranzystorowy układ różnicowy

I

+U

CC

-U

CC

R

R

U

WE1

U

WE2

U

WY1

U

WY2

Wzmacniacz różnicowy

Wzmacniacz różnicowy

We

We wzmacniaczach

wzmacniaczach ró

ż

nicowych

ró

ż

nicowych stosowane

stosowane s

ą

s

ą

tranzystory

tranzystory NPN

NPN lub

lub PNP

PNP.. Powinny

Powinny

one

one mie

ć

mie

ć

jednakowe

jednakowe parametry,

parametry, celem

celem zapewnienia

zapewnienia symetrii

symetrii charakterystyk

charakterystyk w

w

zakresie

zakresie liniowym

liniowym..

Zakres

Zakres napi

ęć

,

napi

ęć

, w

w których

których pr

ą

d

pr

ą

d kolektora

kolektora zmienia

zmienia si

ę

si

ę

od

od 0

0,,1

1 do

do 0

0,,9

9 warto

ś

ci

warto

ś

ci

maksymalnej

maksymalnej nazywa

nazywa si

ę

si

ę

stref

ą

stref

ą

przeł

ą

czania

przeł

ą

czania

..

Napi

ę

cie

Napi

ę

cie

niezrównowa

ż

enia

niezrównowa

ż

enia

–

–

warto

ść

warto

ść

napi

ę

cia

napi

ę

cia

ró

ż

nicowego

ró

ż

nicowego

jak

ą

jak

ą

nale

ż

y

nale

ż

y

doprowadzi

ć

doprowadzi

ć

do

do wej

ś

cia,

wej

ś

cia, aby

aby napi

ę

cia

napi

ę

cia na

na obu

obu wyj

ś

ciach

wyj

ś

ciach niesymetrycznych

niesymetrycznych były

były

jednakowe

jednakowe..

Warto

ść

Warto

ść

napi

ę

cia

napi

ę

cia ró

ż

nicowego

ró

ż

nicowego jak

ą

jak

ą

nale

ż

y

nale

ż

y doprowadzi

ć

doprowadzi

ć

do

do

wej

ś

cia,

wej

ś

cia, aby

aby napi

ę

cia

napi

ę

cia na

na obu

obu wyj

ś

ciach

wyj

ś

ciach niesymetrycznych

niesymetrycznych

były

były jednakowe

jednakowe..

Napięcie niezrównoważenia

Napięcie niezrównoważenia

U

r

=U

1

-U

2

[

µ

V]

U [V]

U

n

2011-01-17

3

Wzmacniacz różnicowy

Wzmacniacz różnicowy

z tranzystorami MOS

z tranzystorami MOS

Jako stopnie wej

ś

ciowe wzmacniaczy operacyjnych,

Jako stopnie wej

ś

ciowe wzmacniaczy operacyjnych,

Jako stopnie po

ś

rednie we wzmacniaczach

Jako stopnie po

ś

rednie we wzmacniaczach

szerokopasmowych,

szerokopasmowych,

Jako stopnie wej

ś

ciowe lub po

ś

rednie we

Jako stopnie wej

ś

ciowe lub po

ś

rednie we

wzmacniaczach po

ś

redniej cz

ę

stotliwo

ś

ci.

wzmacniaczach po

ś

redniej cz

ę

stotliwo

ś

ci.

Wzmacniacz różnicowy

Wzmacniacz różnicowy –

– zastosowanie

zastosowanie

Źródła stałoprądowe

Źródła stałoprądowe –

– lustra prądowe

lustra prądowe

Tranzystor

Tranzystor T

T1

1 pracuje

pracuje w

w poł

ą

czeniu

poł

ą

czeniu

diodowym

diodowym

na

na

granicy

granicy

obszaru

obszaru

nasycenia

nasycenia (element

(element aktywny)

aktywny)..

Tranzystory

Tranzystory T

T1

1 ii T

T2

2 pracuj

ą

pracuj

ą

przy

przy tym

tym

samym

samym napi

ę

ciu

napi

ę

ciu

U

U

BE

BE

,, maj

ą

maj

ą

takie

takie

same

same pr

ą

dy

pr

ą

dy baz

baz

II

B

B1

1

=

= II

B

B2

2

=

= II

B

B

,, czyli

czyli

równie

ż

równie

ż

takie

takie

same

same

pr

ą

dy

pr

ą

dy

kolektorów

kolektorów

II

C

C1

1

=

= II

C

C2

2

=

= II

C

C

czyli

czyli::

U

U

CC

CC

=

= II

R

R

R

R +

+ U

U

BE

BE

II

R

R

=

= II

C

C1

1

+

+ 2

2II

B

B

=

= II

C

C

+

+ 2

2II

B

B

Rozwi

ą

zuj

ą

c

Rozwi

ą

zuj

ą

c powy

ż

szy

powy

ż

szy układ

układ rówana

ń

rówana

ń

::

II

C

C

=

= (U

(U

CC

CC

–

– U

U

BE

BE

)/R

)/R –

– 2

2II

B

B

=

= (U

(U

CC

CC

–

– U

U

BE

BE

)/R

)/R –

– 2

2II

C

C

//

β

β

0

0

dla

dla

U

U

CC

CC

>>U

>>U

BE

BE

oraz

oraz

β

β

0

0

>>

>>1

1

wzór

wzór upraszcza

upraszcza si

ę

si

ę

do

do postaci

postaci:: II

C

C

≈

≈

U

U

CC

CC

/R

/R

Zatem

Zatem współrz

ę

dne

współrz

ę

dne punktu

punktu pracy

pracy tranzystora

tranzystora T

T2

2 okre

ś

laj

ą

okre

ś

laj

ą

zale

ż

no

ś

ci

zale

ż

no

ś

ci::

II

C

C2

2

= I

= I

C

C

≈

U

≈

U

CC

CC

/R

/R

U

U

CE

CE2

2

= U

= U

CC

CC

–

– II

C

C2

2

R

R

C

C

≈

U

≈

U

CC

CC

((1

1 –

– R

R

C

C

/R)

/R)

Źródła stałoprądowe

Źródła stałoprądowe –

– lustra prądowe

lustra prądowe

Schemat ideowy najprostszego

ź

ródła pr

ą

dowego

Schemat ideowy najprostszego

ź

ródła pr

ą

dowego

Temperaturowe

Temperaturowe współczynniki

współczynniki zmian

zmian rezystancji

rezystancji RC

RC ii R

R w

w

układzie

układzie scalonym

scalonym mog

ą

mog

ą

by

ć

by

ć

współbie

ż

ne,

współbie

ż

ne, zatem

zatem punkt

punkt

pracy

pracy tranzystora

tranzystora T

T2

2 nie

nie zale

ż

y

zale

ż

y od

od zmian

zmian temperatury,

temperatury, a

a

jedynie

jedynie od

od ró

ż

nicy

ró

ż

nicy parametrów

parametrów tranzystorów

tranzystorów T

T1

1 ii T

T2

2..

Źródła stałoprądowe

Źródła stałoprądowe –

– lustra prądowe

lustra prądowe

Proste

ź

ródło stałopr

ą

dowe

Proste

ź

ródło stałopr

ą

dowe –

– lustro pr

ą

dowe,

lustro pr

ą

dowe,

z tranzystorami MOSFET

z tranzystorami MOSFET

Polega na oddziaływaniu skutku jakiego

ś

zjawiska na jego przyczyn

ę

.

Polega na oddziaływaniu skutku jakiego

ś

zjawiska na jego przyczyn

ę

.

Ujemne

Ujemne sprz

ęż

enie

sprz

ęż

enie zwrotne

zwrotne –

– zmniejsza

zmniejsza (spowalnia)

(spowalnia) proces

proces –

– gdy

gdy faza

faza

napi

ę

cia

napi

ę

cia zwrotnego

zwrotnego doprowadzonego

doprowadzonego z

z wyj

ś

cia

wyj

ś

cia do

do wej

ś

cia

wej

ś

cia układu

układu jest

jest

przeciwna

przeciwna w

w porównaniu

porównaniu z

z faz

ą

faz

ą

napi

ę

cia

napi

ę

cia wej

ś

ciowego

wej

ś

ciowego..

Dodatnie

Dodatnie sprz

ęż

enie

sprz

ęż

enie zwrotne

zwrotne –

– zwi

ę

ksza

zwi

ę

ksza (przyspiesza)

(przyspiesza) proces

proces –

– gdy

gdy faza

faza

napi

ę

cia

napi

ę

cia zwrotnego

zwrotnego doprowadzonego

doprowadzonego z

z wyj

ś

cia

wyj

ś

cia do

do wej

ś

cia

wej

ś

cia układu

układu jest

jest

zgodna

zgodna z

z faz

ą

faz

ą

napi

ę

cia

napi

ę

cia wej

ś

ciowego

wej

ś

ciowego..

TOR WZMOCNIENIA

K

TOR SPRZ

Ęś

ENIA

ZWROTNEGO

ß

X

we

X

s

X

r

X

wy

Σ

Sprzężenie zwrotne

Sprzężenie zwrotne

2011-01-17

4

S

S

ff

–

– index „f” pochodzi od ang. słowa

index „f” pochodzi od ang. słowa feedbac

feedback (sprz

ęż

enie zwrotne)

k (sprz

ęż

enie zwrotne)

Czwórnik

Czwórnik

sprz

ęż

enia

sprz

ęż

enia

Wzmaczniacz

Wzmaczniacz

+

+

S

S

1

1

S

S

in

in

S

S

ff

S

S

out

out

k = S

k = S

out

out

/S

/S

in

in

–

– wzmocnienie bloku wzmacniacza

wzmocnienie bloku wzmacniacza

β

= S

β

= S

ff

/S

/S

out

out

–

– transmitancja czwórnika sprz

ę

gaj

ą

cego

transmitancja czwórnika sprz

ę

gaj

ą

cego

k

k

f

f

= S

= S

out

out

/S

/S

1

1

–

– wzmocnienie układu ze sprz

ęż

eniem

wzmocnienie układu ze sprz

ęż

eniem

zwrotnym

zwrotnym

k

k

f

f

= k/(

= k/(1

1 –

– k

β

)

k

β

)

–

– Podstawowa zale

ż

no

ść

dla ukł

Podstawowa zale

ż

no

ść

dla układu

adu ze

ze

sprz

ęż

eniem zwrotnym

sprz

ęż

eniem zwrotnym

Sprzężenie zwrotne w elektronice

Sprzężenie zwrotne w elektronice

Czwórnik

Czwórnik

sprz

ęż

enia

sprz

ęż

enia

Wzmaczniacz

Wzmaczniacz

+

+

S

S

1

1

S

S

in

in

S

S

ff

S

S

out

out

Otwarte sprzężenie zwrotne

Otwarte sprzężenie zwrotne

Sprz

ęż

enie

Sprz

ęż

enie zwrotne

zwrotne dodanie

dodanie

(k

(k

β

β

<

<1

1))

–

– stosowane

stosowane głównie

głównie w

w układach

układach

generacyjnych

generacyjnych;; we

we wzmacniaczach

wzmacniaczach stosowane

stosowane rzadko,

rzadko, zwykle

zwykle jest

jest to

to

efekt

efekt paso

ż

ytniczy

paso

ż

ytniczy (m

(m..in

in.. ze

ze wzgl

ę

du

wzgl

ę

du na

na wzrost

wzrost zniekształce

ń

)

zniekształce

ń

)

Sprz

ęż

enie

Sprz

ęż

enie zwrotne

zwrotne ujemne

ujemne

(k

(k

β

β

>

>1

1))

–

– szeroko

szeroko stosowane

stosowane w

w układach

układach

wzmacniaj

ą

cych,

wzmacniaj

ą

cych, wpływa

wpływa na

na ogół

ogół korzystnie

korzystnie na

na wi

ę

kszo

ść

wi

ę

kszo

ść

parametrów

parametrów

wzmacniaczy

wzmacniaczy::

poprawia

poprawia stabilno

ść

stabilno

ść

wzmocnienia

wzmocnienia (układ

(układ jest

jest mniej

mniej wra

ż

liwy

wra

ż

liwy np

np.. na

na

wahania

wahania napi

ęć

napi

ęć

zasilaj

ą

cych

zasilaj

ą

cych ii zmian

ę

zmian

ę

temperatury)

temperatury);;

zmniejszaj

ą

zmniejszaj

ą

si

ę

si

ę

szumy

szumy ii zniekształcenia

zniekształcenia (tak

(tak liniowe,

liniowe, jak

jak ii nieliniowe)

nieliniowe);;

zwi

ę

ksza

zwi

ę

ksza si

ę

si

ę

górna

górna cz

ę

stotliwo

ść

cz

ę

stotliwo

ść

graniczna

graniczna (czyli

(czyli ulega

ulega poszerzeniu

poszerzeniu

pasmo)

pasmo);;

mo

ż

liwe

mo

ż

liwe jest

jest kształtowanie

kształtowanie charakterystyki

charakterystyki cz

ę

stotliwo

ś

ciowej

cz

ę

stotliwo

ś

ciowej;;

mo

ż

liwa

mo

ż

liwa jest

jest modyfikacja

modyfikacja impedancji

impedancji wej

ś

ciowej

wej

ś

ciowej ii wyj

ś

ciowej

wyj

ś

ciowej..

Zalety te s

ą

okupione:

Zalety te s

ą

okupione:

•• zmniejszeniem wzmocnienia

zmniejszeniem wzmocnienia

•• zmniejszeniem stabilno

ś

ci układu w pewnych zakresach cz

ę

stotliwo

ś

ci

zmniejszeniem stabilno

ś

ci układu w pewnych zakresach cz

ę

stotliwo

ś

ci

Sprzężenie zwrotne w elektronice

Sprzężenie zwrotne w elektronice

Współczynnik sprz

ęż

enia zwrotnego jest jednakowy dla

Współczynnik sprz

ęż

enia zwrotnego jest jednakowy dla

wszystkich punktów wewn

ą

trz p

ę

tli sprz

ęż

enia i wynosi:

wszystkich punktów wewn

ą

trz p

ę

tli sprz

ęż

enia i wynosi:

1

1+k

+k

1

1

k

k

2

2

β

β

Wpływ USZ na zniekształcenia nieliniowe,

Wpływ USZ na zniekształcenia nieliniowe,

zakłócenia i szumy

zakłócenia i szumy

sprz

ęż

enia

sprz

ęż

enia pojemno

ś

ciowe

pojemno

ś

ciowe –

– np

np.. pomi

ę

dzy

pomi

ę

dzy przewodami,

przewodami,

przewodami

przewodami a

a obudow

ą

,

obudow

ą

, itp

itp..

sprz

ęż

enia

sprz

ęż

enia magnetyczne

magnetyczne –

– np

np.. mi

ę

dzy

mi

ę

dzy uzwojeniami

uzwojeniami

transformatorów

transformatorów ii cewek

cewek

sprz

ęż

enia

sprz

ęż

enia elektromagnetyczne

elektromagnetyczne wielkiej

wielkiej cz

ę

stotliwo

ś

ci

cz

ę

stotliwo

ś

ci –

–

np

np.. sprz

ę

gaj

ą

ce

sprz

ę

gaj

ą

ce si

ę

si

ę

obwody

obwody rezonansowe

rezonansowe

sprz

ęż

enie

sprz

ęż

enie przez

przez

ź

ródło

ź

ródło zasilania

zasilania

itp

itp..

Pasożytnicze sprzężenie zwrotne

Pasożytnicze sprzężenie zwrotne

Charakterystyki częstotliwościowe

Charakterystyki częstotliwościowe

2011-01-17

5

Rodzaj i wła

ś

ciwo

ś

ci sprz

ęż

enia zwrotnego zale

żą

od:

Rodzaj i wła

ś

ciwo

ś

ci sprz

ęż

enia zwrotnego zale

żą

od:

sposobu

sposobu pobierania

pobierania sygnału

sygnału z

z wyj

ś

cia

wyj

ś

cia

•• Sprz

ęż

enie

Sprz

ęż

enie napi

ę

ciowe

napi

ę

ciowe –

– sygnał

sygnał zwrotny

zwrotny proporcjonalny

proporcjonalny do

do

napi

ę

cia

napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

wyj

ś

ciowego

•• Sprz

ęż

enie

Sprz

ęż

enie pr

ą

dowe

pr

ą

dowe –

– sygnał

sygnał zwrotny

zwrotny proporcjonalny

proporcjonalny do

do pr

ą

du

pr

ą

du

wyj

ś

ciowego

wyj

ś

ciowego

sposobu

sposobu dostarczania

dostarczania sygnału

sygnału na

na wej

ś

cie

wej

ś

cie

•• Sprz

ęż

enie

Sprz

ęż

enie szeregowe

szeregowe –

– sygnał

sygnał sprz

ęż

enia

sprz

ęż

enia wprowadzany

wprowadzany jest

jest

szeregowo

szeregowo z

z sygnałem

sygnałem wej

ś

ciowym

wej

ś

ciowym

•• Sprz

ęż

enie

Sprz

ęż

enie równoległe

równoległe –

– sygnał

sygnał sprz

ęż

enia

sprz

ęż

enia wprowadzany

wprowadzany jest

jest

równolegle

równolegle z

z sygnałem

sygnałem wej

ś

ciowym

wej

ś

ciowym

Rodzaje sprzężeń zwrotnych

Rodzaje sprzężeń zwrotnych

K

u

U

s

ß

u

I

s

I

we

U

we

R

g

E

g

R

L

I

wy

U

wy

R

L

R

g

E

g

K

u

I

wy

U

wy

I

we

U

we

I

s

U

s

ß

u

G

g

I

g

R

L

K

i

ß

i

I

s

U

s

U

we

U

wy

I

wy

I

we

G

g

I

g

R

L

U

wy

I

wy

I

we

U

we

I

s

U

s

ß

i

K

i

NAPI

Ę

CIOWY

NAPI

Ę

CIOWY -- SZEREGOWY

SZEREGOWY

NAPI

Ę

CIOWY

NAPI

Ę

CIOWY -- RÓWNOLEGŁY

RÓWNOLEGŁY

PR

Ą

DOWY

PR

Ą

DOWY -- RÓWNOLEGŁY

RÓWNOLEGŁY

PR

Ą

DOWY

PR

Ą

DOWY -- SZEREGOWY

SZEREGOWY

Rodzaje sprzężeń zwrotnych

Rodzaje sprzężeń zwrotnych

K

u

U

s

ß

u

I

s

I

we

U

we

R

g

E

g

R

L

I

wy

U

wy

Sprzężenie napięciowe

Sprzężenie napięciowe--szeregowe

szeregowe

R

L

R

g

E

g

K

u

I

wy

U

wy

I

we

U

we

I

s

U

s

ß

u

Sprzężenie napięciowe

Sprzężenie napięciowe--równoległe

równoległe

G

g

I

g

R

L

K

i

ß

i

I

s

U

s

U

we

U

wy

I

wy

I

we

Sprzężenie prądowe

Sprzężenie prądowe--szeregowe

szeregowe

G

g

I

g

R

L

U

wy

I

wy

I

we

U

we

I

s

U

s

ß

i

K

i

Sprzężenie prądowe

Sprzężenie prądowe--równoległe

równoległe

2011-01-17

6

Szeregowe ujemne sprz

ęż

enie zwrotne:

• zmniejsza wzmocnienie napi

ę

ciowe

• nie zmniejsza wzmocnienia pr

ą

dowego

• powoduje wzrost impedancji wej

ś

ciowej

u

u

u

uf

K

K

K

β

+

=

1

if

K

)

1

(

u

u

we

wef

K

Z

Z

β

+

=

Równoległe ujemne sprz

ęż

enie zwrotne:

• zmniejsza wzmocnienie pr

ą

dowe

• nie zmniejsza wzmocnienia napi

ę

ciowego

• zmniejsza impedancj

ę

wej

ś

ciow

ą

i

i

i

if

K

K

K

β

+

=

1

uf

K

i

i

we

wef

K

Z

Z

β

+

=

1

Napi

ę

ciowe ujemne sprz

ęż

enie zwrotne:

• zmniejsza impedancj

ę

wyj

ś

ciow

ą

u

u

wy

wyf

K

Z

Z

β

+

=

1

Pr

ą

dowe ujemne sprz

ęż

enie zwrotne:

• powoduje wzrost impedancji wyj

ś

ciowej

)

1

(

i

i

wy

wyf

K

Z

Z

β

+

=

Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego

Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego

PRĄDOWE

NAPIĘCIOWE

wzrasta

wzrasta

maleje

maleje

Z

wy

maleje

wzrasta

maleje

wzrasta

Z

we

maleje

bez zmian

maleje

bez zmian

K

i

bez zmian

maleje

bez zmian

maleje

K

u

RÓWNOLEGŁE

SZEREGOWE

RÓWNOLEGŁE

SZEREGOWE

SPRZĘśENIE

Parametr

Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego

Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego

Parametry wzmacniacza mocy:

Parametry wzmacniacza mocy:

maksymalna moc wyj

ś

ciowa

maksymalna moc wyj

ś

ciowa

minimalne zniekształcenia nieliniowe

minimalne zniekształcenia nieliniowe

maksymalna sprawno

ść

energetyczna

maksymalna sprawno

ść

energetyczna

maksymalne wzmocnienie

maksymalne wzmocnienie

odpowiednie pasmo cz

ę

stotliwo

ś

ci

odpowiednie pasmo cz

ę

stotliwo

ś

ci

Wzmacniacze mocy stosuje si

ę

m.in. do wzmacniania sygnałów akustycznych

Wzmacniacze mocy stosuje si

ę

m.in. do wzmacniania sygnałów akustycznych

Wzmacniacze mocy

Wzmacniacze mocy

−

KLASA A

- Sygnał wej

ś

ciowy podawany na dany stopie

ń

wzmacniaj

ą

cy

powoduje,

ż

e przez element aktywny tego wzmacniacza płynie pr

ą

d

przez cały okres T sygnału steruj

ą

cego. Sprawno

ść

dla wzmacniaczy

pracuj

ą

cych w klasie A wynosi max 50%.

−

KLASA B

- Sygnał wej

ś

ciowy podawany na dany stopie

ń

wzmacniaj

ą

cy

powoduje,

ż

e element aktywny tego wzmacniacza przewodzi pr

ą

d tylko

przez połow

ę

okresu T trwania sygnału steruj

ą

cego. Sprawno

ść

dla

wzmacniaczy pracuj

ą

cych w klasie B wynosi ok.78,5%.

−

KLASA AB

- Sygnał wej

ś

ciowy podawany na dany stopie

ń

wzmacniaj

ą

cy powoduje,

ż

e element aktywny tego wzmacniacza

przewodzi pr

ą

d przez czas krótszy ni

ż

jeden okres T trwania sygnału

steruj

ą

cego, ale dłu

ż

szy ni

ż

pół okresu. Klasa AB charakteryzuje si

ę

sprawno

ś

ci

ą

rz

ę

du 50-70% z małymi zniekształceniami.

−

KLASA C

- Sygnał wej

ś

ciowy podawany na dany stopie

ń

wzmacniaj

ą

cy

powoduje,

ż

e element aktywny tego wzmacniacza przewodzi pr

ą

d przez

czas krótszy ni

ż

pół okresu T trwania sygnału steruj

ą

cego

Podział wzmacniaczy na klasy

Podział wzmacniaczy na klasy

Do takich wła

ś

nie parametrów nale

żą

:

Do takich wła

ś

nie parametrów nale

żą

:

U

U

EB

EB0

0max

max

-- dopuszczalne napi

ę

cie

dopuszczalne napi

ę

cie

wsteczne baza

wsteczne baza--emiter

emiter

U

U

CB

CB0

0max

max

-- dopuszczalne napi

ę

cie

dopuszczalne napi

ę

cie

wsteczne kolektor

wsteczne kolektor--baza

baza

U

U

CE

CE0

0max

max

-- maksymalne dopuszczalne

maksymalne dopuszczalne

napi

ę

cie kolektor

napi

ę

cie kolektor--emiter

emiter

II

Cmax

Cmax

-- maksymalny pr

ą

d kolektora

maksymalny pr

ą

d kolektora

II

Bmax

Bmax

-- maksymalny pr

ą

d bazy

maksymalny pr

ą

d bazy

P

P

strmax

strmax

-- maksymalna dopuszczalna moc

maksymalna dopuszczalna moc

strat

strat

Krytyczna moc tzw. „drugiego przebicia,

Krytyczna moc tzw. „drugiego przebicia,
ograniczaj

ą

ca dopuszczaln

ą

moc strat

ograniczaj

ą

ca dopuszczaln

ą

moc strat

przy du

ż

ych napi

ę

ciach

przy du

ż

ych napi

ę

ciach U

U

CE

CE

We

We wzmacniaczach

wzmacniaczach mocy

mocy stosowane

stosowane s

ą

s

ą

powszechnie

powszechnie krzemowe

krzemowe

tranzystory

tranzystory bipolarne

bipolarne ii unipolarne

unipolarne specjalnej

specjalnej konstrukcji

konstrukcji.. U

ż

yteczny

U

ż

yteczny

obszar

obszar charakterystyk

charakterystyk wyj

ś

ciowych

wyj

ś

ciowych tych

tych tranzystorów

tranzystorów jest

jest ograniczony

ograniczony

dopuszczalnymi

dopuszczalnymi warto

ś

ciami

warto

ś

ciami mocy

mocy strat

strat oraz

oraz pr

ą

dów

pr

ą

dów ii napi

ęć

napi

ęć

..

Parametry graniczne tranzystora bipolarnego

Parametry graniczne tranzystora bipolarnego

Klasa A

Klasa AB

Klasa B

Klasa C

50%

max

<

η

%

,

max

5

78

<

η

Zniekształcenia

nieliniowe

η

η

–

– sprawno

ść

,

sprawno

ść

,

E

E

u

u

–

– energia u

ż

yteczna,

energia u

ż

yteczna,

E

E

d

d

–

– energia dostarczona

energia dostarczona

.

Podział wzmacniaczy na klasy

Podział wzmacniaczy na klasy

2011-01-17

7

Klasa A

Klasa A

Klasa B

Klasa B

Wzmacniacze mocy klasy B budowane s

ą

Wzmacniacze mocy klasy B budowane s

ą

najcz

ęś

ciej jako tzw.

najcz

ęś

ciej jako tzw.

układy symetryczne

układy symetryczne

(przeciwsobne) zawieraj

ą

ce dwa elementy

(przeciwsobne) zawieraj

ą

ce dwa elementy

aktywne, z których ka

ż

dy znajduje si

ę

w

aktywne, z których ka

ż

dy znajduje si

ę

w

stanie przewodzenia tylko w jednej

stanie przewodzenia tylko w jednej
połówce okresu sygnału wej

ś

ciowego.

połówce okresu sygnału wej

ś

ciowego.

Klasa B

Klasa B

Mechanizm powstawania

Mechanizm powstawania

zniekształceń skrośnych

zniekształceń skrośnych

Klasa AB

Klasa AB

Klasa C

Klasa C

2011-01-17

8

Klasa C

Klasa C

Klasa

Klasa C

C nie

nie mo

ż

e

mo

ż

e by

ć

by

ć

stosowana

stosowana we

we wzmacniaczach

wzmacniaczach

cz

ę

stotliwo

ś

ci

cz

ę

stotliwo

ś

ci

akustycznych,

akustycznych,

poniewa

ż

poniewa

ż

sygnał

sygnał

na

na

rezystorze

rezystorze obci

ąż

enia

obci

ąż

enia jest

jest zniekształcony

zniekształcony

(nawet

(nawet przy

przy

zastosowaniu

zastosowaniu układu

układu przeciwsobnego)

przeciwsobnego)..

Klas

ę

Klas

ę

C

C stosuje

stosuje si

ę

si

ę

we

we

wzmacniaczach

wzmacniaczach rezonansowych

rezonansowych

,,

w

w których

których obci

ąż

enie

obci

ąż

enie jest

jest doł

ą

czone

doł

ą

czone do

do tranzystora

tranzystora przez

przez

obwód

obwód rezonansowy

rezonansowy o

o du

ż

ej

du

ż

ej dobroci

dobroci ii wówczas

wówczas napi

ę

cie

napi

ę

cie

na

na obwodzie

obwodzie jest

jest sinusoidalne

sinusoidalne niezale

ż

nie

niezale

ż

nie od

od kształtu

kształtu

impulsu

impulsu pr

ą

du

pr

ą

du doprowadzonego

doprowadzonego do

do tego

tego obwodu

obwodu..

Układy sprzęgające obciążenie

Układy sprzęgające obciążenie

ze wzmacniaczem

ze wzmacniaczem

Ze

Ze wzgl

ę

du

wzgl

ę

du na

na transmisj

ę

transmisj

ę

du

ż

ych

du

ż

ych mocy

mocy ze

ze wzmacniacza

wzmacniacza

do

do

obci

ąż

enia

obci

ąż

enia

sprz

ęż

enie

sprz

ęż

enie

pojemno

ś

ciowe

pojemno

ś

ciowe

nie

nie

jest

jest

najlepszym

najlepszym rozwi

ą

zaniem,

rozwi

ą

zaniem, z

z uwagi

uwagi na

na du

ż

e

du

ż

e stałe

stałe czasowe

czasowe

oraz

oraz du

ż

e

du

ż

e pr

ą

dy

pr

ą

dy..

Elementem

Elementem sprz

ę

gaj

ą

cym

sprz

ę

gaj

ą

cym umo

ż

liwiaj

ą

cym

umo

ż

liwiaj

ą

cym równoczesne

równoczesne

dopasowanie

dopasowanie pomi

ę

dzy

pomi

ę

dzy wzmacniaczem

wzmacniaczem a

a obci

ąż

eniem

obci

ąż

eniem

jest

jest

transformator

transformator

.. Posiada

Posiada on

on jednak

jednak wiele

wiele wad,

wad, typu

typu::

•• ograniczenie

ograniczenie charakterystyki

charakterystyki cz

ę

stotliwo

ś

ciowej,

cz

ę

stotliwo

ś

ciowej,

•• du

ż

e

du

ż

e gabaryty

gabaryty ii ci

ęż

ar

ci

ęż

ar..

W

W

układach

układach

scalonych

scalonych

eliminuje

eliminuje

si

ę

si

ę

elementy

elementy

sprz

ę

gaj

ą

ce

sprz

ę

gaj

ą

ce poprzez

poprzez

symetryczne

symetryczne zasilanie

zasilanie

z

z dwóch

dwóch

ź

ródeł

ź

ródeł napi

ę

cia,

napi

ę

cia, co

co umo

ż

liwia

umo

ż

liwia realizacj

ę

realizacj

ę

układu,

układu, w

w którym

którym

składowa

składowa stała

stała napi

ę

cia

napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

wyj

ś

ciowego jest

jest równa

równa zero

zero..

Dopasowanie wzmacniacza i obciążenia

Dopasowanie wzmacniacza i obciążenia

dopasowanie mocy jest dla

dopasowanie mocy jest dla

R

R

0

0

= R

= R

g

g

dlatego:

dlatego:

Moc wydzielana na obci

ąż

eniu R

Moc wydzielana na obci

ąż

eniu R

0

0

wynosi:

wynosi:

Tranzystory polowe Vertical Diffused MOS

Tranzystory polowe Vertical Diffused MOS

(VDMOS)

(VDMOS)

Zalety

Zalety w

w stosunku

stosunku do

do tranzystorów

tranzystorów bipolarnych

bipolarnych::

•• brak

brak zjawiska

zjawiska drugiego

drugiego przebicia,

przebicia,

•• ujemny

ujemny

współczynnik

współczynnik

termiczny

termiczny

konduktancji

konduktancji

kanału

kanału

(umo

ż

liwia

(umo

ż

liwia równoległe

równoległe ł

ą

czenie

ł

ą

czenie tranzystorów

tranzystorów bez

bez dodatkowych

dodatkowych

zabezpiecze

ń

)

zabezpiecze

ń

)

,,

•• du

ż

a

du

ż

a

szybko

ść

szybko

ść

działania

działania

ze

ze

wzgl

ę

du

wzgl

ę

du

na

na

bardzo

bardzo

du

żą

du

żą

cz

ę

stotliwo

ść

cz

ę

stotliwo

ść

graniczn

ą

graniczn

ą

oraz

oraz brak

brak magazynowania

magazynowania no

ś

ników

no

ś

ników w

w

kanale

kanale

,,

•• du

ż

a

du

ż

a impedancja

impedancja wej

ś

ciowa

wej

ś

ciowa

(redukcja

(redukcja mocy

mocy pobieranej

pobieranej ii

prostsze

prostsze układy

układy sterowania)

sterowania)

,,

•• wytwarzane

wytwarzane s

ą

s

ą

komplementarne

komplementarne tranzystory

tranzystory z

z kanałami

kanałami typu

typu n

n

ii

p,

p,

co

co

pozwala

pozwala

na

na

realizacj

ę

realizacj

ę

najprostszych

najprostszych

struktur

struktur

układowych

układowych wzmacniaczy

wzmacniaczy

,,

•• lepsza

lepsza temperaturowa

temperaturowa stabilno

ść

stabilno

ść

parametrów

parametrów elektrycznych

elektrycznych ,,

•• dobra

dobra liniowo

ść

liniowo

ść

charakterystyk

charakterystyk przej

ś

ciowych

przej

ś

ciowych w

w zakresie

zakresie

du

ż

ych

du

ż

ych pr

ą

dów

pr

ą

dów..

Nazwa

Nazwa wzmacniaczy

wzmacniaczy operacyjnych

operacyjnych pochodzi

pochodzi od

od ich

ich pierwszego

pierwszego zastosowania

zastosowania

do

do wykonywania

wykonywania operacji

operacji matematycznych

matematycznych (np

(np.. sumowania,

sumowania, logarytmowania,

logarytmowania,

ró

ż

niczkowania,

ró

ż

niczkowania, całkowania

całkowania itp

itp..)) w

w obecnie

obecnie nie

nie stosowanych

stosowanych ju

ż

ju

ż

maszynach

maszynach

analogowych

analogowych..

Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy wzmacniacz pr

ą

du stałego

Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy wzmacniacz pr

ą

du stałego

(ze sprz

ęż

eniem bezpo

ś

rednim), o bardzo du

ż

ym wzmocnieniu.

(ze sprz

ęż

eniem bezpo

ś

rednim), o bardzo du

ż

ym wzmocnieniu.

+U

CC

-U

CC

u

1

u

2

u

w

y

Masa

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

+U

CC

-U

CC

u

1

u

2

u

wy

Masa

Je

ż

eli

Je

ż

eli sygnał

sygnał wej

ś

ciowy

wej

ś

ciowy zostanie

zostanie doprowadzony

doprowadzony do

do wej

ś

cia

wej

ś

cia "

"--"

" (nazywanego

(nazywanego

wej

ś

ciem

wej

ś

ciem odwracaj

ą

cym)

odwracaj

ą

cym) to

to na

na wyj

ś

ciu

wyj

ś

ciu pojawi

pojawi si

ę

si

ę

sygnał

sygnał w

w fazie

fazie przeciwnej

przeciwnej..

Je

ż

eli

Je

ż

eli natomiast

natomiast sygnał

sygnał wej

ś

ciowy

wej

ś

ciowy zostanie

zostanie doprowadzony

doprowadzony do

do wej

ś

cia

wej

ś

cia "+"

"+"

(wej

ś

cie

(wej

ś

cie nieodwracaj

ą

ce),

nieodwracaj

ą

ce), to

to nie

nie wyst

ą

pi

wyst

ą

pi odwrócenie

odwrócenie fazy

fazy mi

ę

dzy

mi

ę

dzy wej

ś

ciem

wej

ś

ciem a

a

wyj

ś

ciem

wyj

ś

ciem..

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

2011-01-17

9

Charakterystyka przejściowa

Charakterystyka przejściowa

wzmacniacza operacyjnego

wzmacniacza operacyjnego

Wykorzystywane do produkcji:

Wykorzystywane do produkcji:

urz

ą

dze

ń

pomiarowych,

urz

ą

dze

ń

pomiarowych,

filtrów aktywnych,

filtrów aktywnych,

prostowników liniowych,

prostowników liniowych,

generatorów funkcyjnych,

generatorów funkcyjnych,

układów próbkuj

ą

co

układów próbkuj

ą

co--pami

ę

taj

ą

cych,

pami

ę

taj

ą

cych,

konwerterów,

konwerterów,

stabilizatorów napi

ę

cia i nat

ęż

enia.

stabilizatorów napi

ę

cia i nat

ęż

enia.

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny –

– zastosowanie

zastosowanie

Do podstawowych parametrów charakteryzuj

ą

cych wła

ś

ciwo

ś

ci

Do podstawowych parametrów charakteryzuj

ą

cych wła

ś

ciwo

ś

ci

wzmacniacza zalicza si

ę

:

wzmacniacza zalicza si

ę

:

-- wzmocnienie (mocy, napi

ę

cia lub pr

ą

du)

wzmocnienie (mocy, napi

ę

cia lub pr

ą

du)

-- sprawno

ść

sprawno

ść

-- impedancj

ę

(wej

ś

ciow

ą

i wyj

ś

ciow

ą

)

impedancj

ę

(wej

ś

ciow

ą

i wyj

ś

ciow

ą

)

-- wej

ś

ciowe i wyj

ś

ciowe napi

ę

cia (lub moce) znamionowe

wej

ś

ciowe i wyj

ś

ciowe napi

ę

cia (lub moce) znamionowe

-- pasmo przenoszenia (zakres cz

ę

stotliwo

ś

ci wzmacnianych

pasmo przenoszenia (zakres cz

ę

stotliwo

ś

ci wzmacnianych

sygnałów)

sygnałów)

-- zakres dynamiczny, dynamika wzmacniacza

zakres dynamiczny, dynamika wzmacniacza

-- poziom szumów własnych / czuło

ść

poziom szumów własnych / czuło

ść

-- nieliniowo

ść

nieliniowo

ść

Parametry wzmacniaczy

Parametry wzmacniaczy

Podstawowym parametrem okre

ś

laj

ą

cym wła

ś

ciwo

ś

ci wzmacniacza

jest

wzmocnienie

(k) okre

ś

lane jako stosunek warto

ś

ci sygnału

wyj

ś

ciowego do warto

ś

ci sygnału wej

ś

ciowego.

Wyró

ż

niamy 3 rodzaje wzmocnienia:

Napi

ę

ciowe:

Napi

ę

ciowe:

k

k

u

u

= U

= U

wy

wy

/U

/U

we

we

Pr

ą

dowe:

Pr

ą

dowe:

k

k

ii

= I

= I

wy

wy

/I

/I

we

we

Mocy:

Mocy:

k

k

p

p

= P

= P

wy

wy

/P

/P

we

we

Parametry wzmacniaczy

Parametry wzmacniaczy

Wzmocnienie napi

ę

ciowe jest to stosunek napi

ę

cia wyj

ś

ciowego do

Wzmocnienie napi

ę

ciowe jest to stosunek napi

ę

cia wyj

ś

ciowego do

napi

ę

cia wej

ś

ciowego układu, wyra

ż

ony w woltach na wolt [V/V]:

napi

ę

cia wej

ś

ciowego układu, wyra

ż

ony w woltach na wolt [V/V]:

k

u

[V/V] = U

wy

/U

we

lub cz

ęś

ciej w decybelach [dB]:

lub cz

ęś

ciej w decybelach [dB]:

k

u

[dB] = 20 log k

u

[V/V]

Wzmocnienie napięciowe

Wzmocnienie napięciowe

Wzmocnienie pr

ą

dowe jest to stosunek pr

ą

du wyj

ś

ciowego do pr

ą

du

Wzmocnienie pr

ą

dowe jest to stosunek pr

ą

du wyj

ś

ciowego do pr

ą

du

wej

ś

ciowego układu, wyra

ż

ony w amperach na amper [A/A]:

wej

ś

ciowego układu, wyra

ż

ony w amperach na amper [A/A]:

k

i

[A / A] = I

wy

/ I

we

lub cz

ęś

ciej w decybelach [dB]:

lub cz

ęś

ciej w decybelach [dB]:

k

i

[dB] = 20 log k

i

[A / A]

Wzmocnienie prądowe

Wzmocnienie prądowe

2011-01-17

10

Wzmocnienie mocy jest to stosunek mocy czynnej P

Wzmocnienie mocy jest to stosunek mocy czynnej P

wy

wy

wydzielonej na obci

ąż

eniu czwórnika do mocy czynnej P

wydzielonej na obci

ąż

eniu czwórnika do mocy czynnej P

we

we

doprowadzonej do wej

ś

cia czwórnika, wyra

ż

onej w [W/W]

doprowadzonej do wej

ś

cia czwórnika, wyra

ż

onej w [W/W]

k

p

[W/W] = P

wy

/ P

we

lub w decybelach [dB]

lub w decybelach [dB]

k

p

[dB] = 10 log k

p

[W/W]

Wzmocnienie mocy

Wzmocnienie mocy

f

W

z

m

o

c

n

ie

n

ie

[

d

B]

3dB

f

d

f

g

d

g

f

f

BW

−

=

Pasmo przenoszenia

(BW)

Parametry wzmacniaczy

Parametry wzmacniaczy

f(Hz)

0

1

10

100

1k

10k 100k 1M

10M 100M

1G 10G 100G

W

z

m

o

c

n

ie

n

ie

Pr

ą

du stałego

Foniczne

Wizyjne

Selektywne

Wielkiej

cz

ę

stotliwo

ś

ci

Podział wzmacniaczy ze względu

Podział wzmacniaczy ze względu

na zakres częstotliwości

na zakres częstotliwości

Nieliniowe

Nieliniowe

Liniowe

Liniowe

Zniekształcenia

Zniekształcenia

Rzeczywiste

Rzeczywiste układy

układy elektroniczne,

elektroniczne,

jak

jak

wiadomo,

wiadomo,

nie

nie

przenosz

ą

przenosz

ą

całego

całego

widma

widma

sygnału,

sygnału,

co

co

prowadzi

prowadzi do

do zniekształce

ń

zniekształce

ń

widma

widma

sygnału

sygnału wyj

ś

ciowego

wyj

ś

ciowego w

w stosunku

stosunku

do

do sygnału

sygnału wej

ś

ciowego,

wej

ś

ciowego, tzn

tzn..

ż

e

ż

e

wzmacniacz

wzmacniacz

niejednakowo

niejednakowo

wzmacnia

wzmacnia wszystkie

wszystkie cz

ę

stotliwo

ś

ci

cz

ę

stotliwo

ś

ci

sygnału

sygnału wej

ś

ciowego

wej

ś

ciowego.. Wtedy

Wtedy jest

jest

mowa

mowa

o

o

zniekształceniach

zniekształceniach

liniowych

liniowych..

Zniekształcenia

Zniekształcenia

nieliniowe

nieliniowe

s

ą

s

ą

to

to

dodatkowe

dodatkowe składowe

składowe

powstałe

powstałe na

na

wyj

ś

ciu

wyj

ś

ciu wzmacniacza,

wzmacniacza,

których

których nie

nie

było

było

na

na

wej

ś

ciu

wej

ś

ciu

..

Przyczyn

ą

Przyczyn

ą

powstawania

powstawania takich

takich zniekształce

ń

zniekształce

ń

s

ą

s

ą

nieliniowe

nieliniowe zale

ż

no

ś

ci

zale

ż

no

ś

ci pr

ą

dowo

pr

ą

dowo--

napi

ę

ciowe

napi

ę

ciowe elementów

elementów takich,

takich, jak

jak

tranzystory,

tranzystory, diody

diody..

Parametry wzmacniaczy

Parametry wzmacniaczy

I

we

I

wy

U

we

U

wy

E

s

Z

i

Z

L

Z

we

we

we

we

I

U

Z

=

Impedancja wyj

ś

ciowa

I

we

I

wy

U

we

U

wy

E

s

Z

i

Z

L

E

wy

Z

wy

0

=

I

=

U

=

Z

L

Z

|

wy

L

Z

|

wy

wy

∞

Impedancja wej

ś

ciowa

Parametry wzmacniaczy

Parametry wzmacniaczy

Miar

ą

Miar

ą

stopnia

stopnia symetrii

symetrii ii zdolno

ś

ci

zdolno

ś

ci do

do eliminowania

eliminowania składowych

składowych

sumacyjnych

sumacyjnych

na

na

wyj

ś

ciu

wyj

ś

ciu

jest

jest

s

stosunek

tosunek

wzmocnie

ń

wzmocnie

ń

sygnału

sygnału

ró

ż

nicowego

ró

ż

nicowego ii sygnału

sygnału wspólnego

wspólnego

nazywany

nazywany jest

jest współczynnikiem

współczynnikiem

tłumienia

tłumienia sygnału

sygnału wspólnego

wspólnego (współbie

ż

nego)

(współbie

ż

nego) ii oznaczany

oznaczany symbolem

symbolem

CMRR

CMRR

(Common

(Common Mode

Mode Rejection

Rejection Ratio)

Ratio) wyra

ż

anym

wyra

ż

anym w

w dB

dB..

Przy

Przy pełnej

pełnej symetrii

symetrii układu

układu CMRR

→∞

CMRR

→∞

Miar

ą

Miar

ą

odporno

ś

ci

odporno

ś

ci wzmacniacza

wzmacniacza (napi

ę

cia

(napi

ę

cia wyj

ś

ciowego)

wyj

ś

ciowego) na

na zmiany

zmiany

warto

ś

ci

warto

ś

ci napi

ęć

napi

ęć

zasilaj

ą

cych

zasilaj

ą

cych jest

jest współczynnik

współczynnik o

o nazwie

nazwie

PSRR

PSRR

(Power

(Power

Supply

Supply Rejection

Rejection Ratio)

Ratio)..

Parametry CMRR i PSRR

Parametry CMRR i PSRR

2011-01-17

11

Wzmocnienie różnicowe K

0

80-120dB

Współczynnik tłumienia sygnału

współbieżnego

65-110dB

Współczynnik wpływu zasilania

10-3000

µ

V/V

Prąd polaryzacji

0,1nA-10

µ

A

Napięcie niezrównoważenia

75

µ

V-50mV

Temperaturowy współczynnik

napięcia niezrównoważenia

1-100

µ

V/K

Częstotliwość graniczna (3dB)

5Hz-1,5MHz

Szybkość narastania odpowiedzi

jednostkowej

0,5-360V/

µ

s

Różnicowa rezystancja wejściowa

40k-100G

Ω

Rezystancja wyjściowa

50-200

Ω

Parametry popularnych wzmacniaczy

Parametry popularnych wzmacniaczy

1

1 stopie

ń

stopie

ń

–

– zapewnia

zapewnia du

ż

y

du

ż

y współczynnik

współczynnik CMRR

CMRR.. WO

WO powinny

powinny si

ę

si

ę

charakteryzowa

ć

charakteryzowa

ć

jak

jak najwi

ę

kszym

najwi

ę

kszym wzmocnieniem

wzmocnieniem ró

ż

nicowym

ró

ż

nicowym ii du

żą

du

żą

impedancj

ą

impedancj

ą

wej

ś

ciow

ą

wej

ś

ciow

ą

..

2

2 stopie

ń

stopie

ń

–

– wymagane

wymagane jak

jak najwi

ę

ksze

najwi

ę

ksze wzmocnienie

wzmocnienie (wzmacniacze

(wzmacniacze o

o

wspólnym

wspólnym emiterze

emiterze lub

lub

ź

ródle)

ź

ródle)..

3

3 stopie

ń

stopie

ń

–

– zapewnia

zapewnia mał

ą

mał

ą

impedancje

impedancje wyj

ś

ciow

ą

wyj

ś

ciow

ą

oraz

oraz du

ż

a

du

ż

a warto

ś

warto

ść

ć

napi

ę

cia

napi

ę

cia wyj

ś

ciowego

wyj

ś

ciowego ii pr

ą

du

pr

ą

du obci

ąż

enia

obci

ąż

enia.. Najcz

ęś

ciej

Najcz

ęś

ciej stosowany

stosowany jest

jest

wtórnik

wtórnik emiterowy

emiterowy..

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

Pełny s

Pełny schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego µA

chemat ideowy wzmacniacza operacyjnego µA741

741

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny µA741

µA741

T

8

Uproszczony s

Uproszczony schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego µA741

chemat ideowy wzmacniacza operacyjnego µA741

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny µA741

µA741

T

T1

1 –

– T

T4

4 –

– wzmacniacz ró

ż

nicowy (dobre wła

ś

ciwo

ś

ci wysokocz

ę

stotliwo

ś

ciowe)

wzmacniacz ró

ż

nicowy (dobre wła

ś

ciwo

ś

ci wysokocz

ę

stotliwo

ś

ciowe)

T

T5

5 –

– T

T7

7 –

– obci

ąż

enie aktywne pary ró

ż

nicowej

obci

ąż

enie aktywne pary ró

ż

nicowej

T

T8

8 –

– T

T11

11 –

–

ź

ródło pr

ą

du

ź

ródło pr

ą

du

T

T16

16 –

– T

T17

17 –

– stopie

ń

po

ś

redni

stopie

ń

po

ś

redni

T

T12

12 –

– T

T13

13 –

– obci

ąż

enie aktywne

obci

ąż

enie aktywne

T

T14

14, T

, T20

20 –

– stopie

ń

wyj

ś

ciowy (symetryczny wtórnik emiterowy)

stopie

ń

wyj

ś

ciowy (symetryczny wtórnik emiterowy)

T

T18

18 –

– T

T19

19 –

– diody

diody

T

8

T

19

T

18

Wzmacniacz operacyjny CMOS

Wzmacniacz operacyjny CMOS

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

2011-01-17

12

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny jest przystosowany do pracy z zewn

ę

trznym

układem ujemnego sprz

ęż

enia zwrotnego, którego wła

ś

ciwo

ś

ci

decyduj

ą

w głównej mierze o wła

ś

ciwo

ś

ciach całego układu.

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz odwracający fazę

Wzmacniacz odwracający fazę

Ujemne sprz

ęż

enie zwrotne napi

ę

ciowo

Ujemne sprz

ęż

enie zwrotne napi

ę

ciowo--równoległe.

równoległe.

Potencjał wej

ś

cia nieodwracaj

ą

cego jest równy potencjałowi masy, to:

Potencjał wej

ś

cia nieodwracaj

ą

cego jest równy potencjałowi masy, to:

u

u

0

0

= k

= k

ud

ud

u

u

d

d

W idealnym przypadku:

W idealnym przypadku:

k

k

ud

ud

→∞

→∞

, a

, a

u

u

d

d

→

→

0

0

, wi

ę

c potencjał punktu Z jest

, wi

ę

c potencjał punktu Z jest

bliski potencjałowi masy (

bliski potencjałowi masy (

masa pozorna

masa pozorna

))

Przy zało

ż

eniu,

ż

e

Przy zało

ż

eniu,

ż

e

u

u

d

d

=

=0

0

to warto

ść

wzmocnienia napi

ę

ciowego wynosi:

to warto

ść

wzmocnienia napi

ę

ciowego wynosi:

1

2

R

R

u

u

k

WE

WY

−

=

=

2

1

R

u

R

u

i

WY

WE

−

=

=

1

2

R

R

u

u

k

WE

WY

−

=

=

1

R

R

WE

=

2

1

2

1

3

R

R

R

R

R

+

∗

=

Wzmacniacz odwracający fazę

Wzmacniacz odwracający fazę

Wzmocnienie napi

ę

ciowe:

Wzmocnienie napi

ę

ciowe:

1

2

R

u

R

u

u

i

WE

WE

WY

=

−

=

1

2

1

2

1

1

R

R

R

R

R

u

u

k

WE

WY

+

=

+

=

=

∞

=

WE

R

Wzmocnienie napi

ę

ciowe:

Wzmocnienie napi

ę

ciowe:

Wzmacniacz nieodwracający

Wzmacniacz nieodwracający

Ujemne sprz

ęż

enie zwrotne napi

ę

ciowo

Ujemne sprz

ęż

enie zwrotne napi

ę

ciowo--szeregowe.

szeregowe.

1

=

k

U

ż

ywany jest cz

ę

sto jako prosty układ separuj

ą

cy,

U

ż

ywany jest cz

ę

sto jako prosty układ separuj

ą

cy,

poniewa

ż

jego doł

ą

czenie nie obci

ąż

a układu badanego.

poniewa

ż

jego doł

ą

czenie nie obci

ąż

a układu badanego.

Wtórnik napięciowy

Wtórnik napięciowy

Wzmocnienie napi

ę

ciowe:

Wzmocnienie napi

ę

ciowe:

2011-01-17

13

Wzmacniacz sumujący

Wzmacniacz sumujący

Wzmacniacz różnicowy

Wzmacniacz różnicowy

do odejmowania napięć

do odejmowania napięć

Dla R

Dla R

1

1

=R

=R

3

3

i R

i R

2

2

=R

=R

4

4

::

iR

u

wy

−

=

dt

du

C

dt

dq

i

we

=

=

dt

du

RC

u

we

wy

−

=

Napięcie wyjściowe:

Wzmacniacz różniczkujący

Wzmacniacz różniczkujący

( )

dt

t

du

C

dt

dq

i

wy

−

=

=

( )

R

t

u

i

we

=

( )

∫

−

=

t

we

wy

d

u

RC

U

t

u

0

1

)

0

(

)

(

τ

τ

Napi

ę

cie wyj

ś

ciowe:

Napi

ę

cie wyj

ś

ciowe:

Wzmacniacz całkujący (integrator Millera)

Wzmacniacz całkujący (integrator Millera)

Wzmacniacz selektywny

Wzmacniacz selektywny

-- Selektywno

ść

:

Selektywno

ść

:

Selektywno

ś

ci

ą

wzmacniacza jest nazywana zdolno

ść

do tłumienia

sygnałów o cz

ę

stotliwo

ś

ciach le

żą

cych poza pasmem przenoszenia, czyli:

sygnałów niepo

żą

danych.

-- Cz

ę

stotliwo

ść

ś

rodkowa:

Cz

ę

stotliwo

ść

ś

rodkowa:

Jest to cz

ę

stotliwo

ść

(f

o

) przy której wzmacniacz selektywny posiada

maksimum charakterystyki, czyli warto

ść

jeden.

-- Pasmo trzydecybelowe:

Pasmo trzydecybelowe:

Jest to przedział cz

ę

stotliwo

ś

ci w którym wzmocnienie wzmacniacza

zmalało o 3dB w stosunku do wzmocnienia przy cz

ę

stotliwo

ś

ci

ś

rodkowej

f

o

-- Pasmo dwudziestodecbelowe:

Pasmo dwudziestodecbelowe:

Jest to zakres cz

ę

stotliwo

ś

ci, w którym wzmocnienie wzmacniacza zmalało

do poziomu -20dB

Parametry wzmacniacza selektywnego

Parametry wzmacniacza selektywnego

2011-01-17

14

••

współczynnik prostok

ą

tno

ś

ci:

współczynnik prostok

ą

tno

ś

ci:

Jest miar

ą

selektywno

ś

ci wzmacniacza. Współczynnik prostok

ą

tno

ś

ci

wzmacniacza o idealnej charakterystyce amplitudowej byłby równy

jedno

ś

ci

. Im

współczynnik p jest wi

ę

kszy, tym wzmacniacz jest bardziej selektywny.

p= B

3dB

/B

20dB

••

dobro

ć

:

dobro

ć

:

Od parametru tego(Q) zale

ż

ne jest

pasmo przenoszenia wzmacniacza.

B

3dB

=f

0

/Q

Parametry wzmacniacza selektywnego

Parametry wzmacniacza selektywnego

]

exp[

T

k

e

u

G

i

B

WY

=

)

ln(

)

(

GR

u

e

T

k

u

WE

B

WY

−

=

Wzmacniacz logarytmujący

Wzmacniacz logarytmujący

]

exp[

T

k

e

u

G

i

B

WE

=

)

(

exp

T

k

e

u

GR

u

B

WE

WY

⋅

−

=

Wzmacniacz wykładniczy

Wzmacniacz wykładniczy

Prostownik liniowy

Prostownik liniowy

Komparator analogowy

Komparator analogowy