background image

- 1 -

6. WZMACNIACZE

6.1. KLASYFIKACJA, PODSTAWOWE PARAMETRY

WZMACNIACZ  jest  układem,  w  którym  -  kosztem  energii 

pochodzącej (mocy dostarczonej) z ZASILACZA (źródła napięcia stałego) 
– dokonuje się wzmocnienie sygnału.

WE

WY

S

WE

t

S

WY

t

ZASILACZ

P

zas

+

-

Podstawową funkcją wzmacniacza jest zwiększenie

poziomu mocy sygnału przyłożonego do zacisków wejściowych

bez zmiany kształtu tego sygnału

I

 1

U

 1

I

 2

U

 2

Z

 g

E

 g

Z

 obc

Z

 we

P

obc

P

we

WZMACNIACZ

(Y

 we

)

1

1

1

2

1

2

1

*

1

1

cos

Re

Re

Re

I

U

Y

I

Z

U

I

U

P

we

we

we

<

2

2

2

2

2

2

2

*

2

2

cos

Re

Re

Re

I

U

Y

I

Z

U

I

U

P

obc

obc

obc

i

u

 (różnica faz początkowych napięcia i prądu)

background image

- 2 -

6.1.1. PODSTAWOWE PARAMETRY

Wzmocnienie  mocy

(stosunek  mocy  dostarczonej  do  obciążenia  do 

mocy wejściowej):

1

we

obc

p

P

P

K

 ,

 

 

p

p

K

dB

K

log

10

(6.1)

Wzmocnienie napięciowe

:

u

j

u

u

e

K

U

U

K

1

2

 ,

 

 

u

u

K

dB

K

log

20

(6.2)

Wzmocnienie prądowe

:

i

j

i

i

e

K

I

I

K

1

2

 ,

 

 

i

i

K

dB

K

log

20

(6.3)

Sprawność

(stosunek  mocy,  którą  wzmacniacz  oddaje  do  obciążenia 

do mocy, którą wzmacniacz pobiera z zasilacza):

zas

obc

P

P

(6.4)

Impedancja  wejściowa

(stosunek  napięcia  wejściowego  do  prądu 

wejściowego):

1

1

I

U

Z

we

(6.5)

Impedancja  wyjściowa

(stosunek  napięcia  wyjściowego  przy 

nieobciążonym wyjściu do zwarciowego prądu wyjściowego):

0

2

2

obc

obc

Z

Z

wy

I

U

Z

(6.6)

Pasmo  przenoszenia

S

P

  jest  to  zakres  częstotliwości  wzmacnianych 

sygnałów,  dla  którego  moc  wyjściowa  wzmacniacza  nie  zmniejsza  się 
poniżej  50%  mocy  uzyskiwanej  w  środku  pasma.  W  mierze 
logarytmicznej  odpowiada  to  spadkowi  modułów  wzmocnień 
(napięciowego,  prądowego  i  mocy)  o  3dB  dla  częstotliwości 
granicznych zakresu.

d

g

P

f

f

S

(6.7)

background image

- 3 -

6.1.2. KLASYFIKACJA

 Zależnie od tego, co jest celem wzmocnienia sygnału:

 Zależnie od wartości kąta przepływu prądu wyjściowego  

 :

Klasa A

o

360

%

50

max

Klasa AB

360

,

180

Klasa B

o

180

%

5

,

78

max

Klasa C

o

180

,

0

WZMACNIACZE

NAPIĘCIA

-  gdy  celem  jest 
zwiększenie 
napięcia sygnału

PRĄDU

-  gdy  celem  jest 
zwiększenie  prądu 
sygnału

MOCY

-  gdy  celem  jest 
uzyskanie 

dużej 

mocy sygnału

background image

- 4 -

 Zależnie  od  zakresu  częstotliwości  wzmacnianych  sygnałów, 

rozróżnia się wzmacniacze:

f

W

zm

o

cn

ie

ni

e

[Hz]

1

10

100

1k

10M

100M

1G

10k

100k

1M

Stałoprądowe

m.cz.

w.cz.

6.2. WZMACNIACZ EMITEROWY

Układ  o  wspólnym  emiterze  (WE)  jest  najpowszechniej  stosowaną 

konfiguracją tranzystora bipolarnego we wzmacniaczu  m.cz.. W układzie 
tym,  sygnał  zmienny  doprowadzany  jest  ze  źródła  E

g

  o  impedancji 

wewnętrznej  Z

g

  przez  kondensator  C

1

  do  bazy  tranzystora  oraz 

wyprowadzany  z  kolektora  przez  kondensator  C

2

  do  obciążenia  Z

obc

Wejściem  jest  zatem  baza, a  wyjściem  kolektor.  Emiter jest wspólny  dla 
wejścia  i  wyjścia,  gdyż  dla  sygnału  zmiennego  przenoszonego  przez 
wzmacniacz, kondensator C

E

 stanowi zwarcie do masy.

Z

 g

E

 g

Z

 obc

C

1

C

2

R

1

R

2

R

E

C

E

R

C

+E

CC

B

E

C

background image

- 5 -

6.2.1. ZASILANIE I PODSTAWOWE PARAMETRY

Na  podstawie  schematu  ideowego,  możemy  utworzyć  odpowiednie 
schematy zastępcze oddzielnie dla prądu 

stałego

 i 

zmiennego

.

W  celu  wyznaczenia 

stałoprądowego

  modelu  układu  należy 

rozewrzeć wszystkie pojemności.

R

1

R

2

R

E

R

C

+E

CC

U

CB

U

BE

U

CE

UWAGA:

  Pamiętamy,  że  w 

stanie  aktywnym  złącza  są 
spolaryzowane następująco:

Baza-Emiter

w kierunku przewodzenia

Baza-Kolektor

w kierunku zaporowym

Wykorzystując  twierdzenie  Thevenina,  powyższy  układ  przekształca  się 
do następującej postaci: 

R

B

R

E

R

C

+E

CC

U

CE

E

B

I

C

I

E

I

B

gdzie:

2

1

2

1

R

R

R

R

R

B

cc

B

E

R

R

R

E

2

1

2

Zgodnie z I prawem Kirchhoffa

B

C

E

I

I

I

(6.8)

i II prawem Kirchhoffa

C

E

CE

C

C

CC

R

I

U

R

I

E

(6.9)

background image

- 6 -

Pamiętając,  że  współczynnik  zwarciowego  wzmocnienia  prądowego 

tranzystora w układzie o wspólnym emiterze

300

,

200

,

N

B

C

N

I

I

;

równanie (6.8) zapisuje się jako:

C

N

C

C

N

C

E

I

I

I

I

I





1

1

1

(6.10)

Zatem (6.9) przyjmuje postać

E

C

C

CE

C

C

CE

C

C

CC

R

R

I

U

R

I

U

R

I

E

(6.11)

Stąd otrzymuje się

E

C

C

CC

CE

R

R

I

E

U

(6.12)

równanie 

prostej obciążenia

w  polu  wyjściowych  charakterystyk  I

C

(U

CE

),  przy  czym  I

C

  i  U

CE

  są 

wartościami określającymi punkt pracy tranzystora Q(I

CQ

,U

CEQ

).

Punkt pracy powinien znajdować się w 

obszarze aktywnej pracy

.

Maksymalna  moc  strat  kolektora 
(tzw.  hiperbola  mocy)  –  wydziela 
się zbyt dużo ciepła

Ograniczenie  max.  wartości 
prądu  –  maleje 

N

  i  wzrasta 

poziom zniekształceń

Obszar  odcięcia  –  duże 
zniekształcenia

I

C

U

CE

U

CEmin

U

CEmax

I

Cmin

I

Cmax

P

Cmax

E

CC

E

CC

R +R

C

E

U

CEQ

I

CQ

Q

Obszar  nasycenia  –
duże zniekształcenia

Obszar 

przebicia 

-

elektrycznego 

lub/i 

cieplnego

background image

- 7 -

W  celu  wyznaczenia 

zmiennoprądowego

  modelu  układu  (w 

zakresie średnich częstotliwości) przyjmuje się, że dla sygnału zmiennego:

- źródło zasilania E

CC

 stanowi zwarcie,

- kondensator C

E

 zwiera emiter z masą,

- kondensatory  C

1

  oraz  C

2

  dla  sygnałów  z  rozpatrywanego  zakresu 

mają bardzo małe wartości reaktancji (traktowane są jako zwarcia).

Z

 g

E

 g

Z

 obc

R

B

R

C

W  modelu  zmiennoprądowym  tranzystor  zostaje  najczęściej 

zastąpiony 

schematem 

zastępczym, 

opartym 

na 

parametrach 

hybrydowych.

Z

 g

E

 g

Z

 obc

R

B

R

C

U

 1

h

11e

h

12e

U

2

I

 1

h

21e

I

1

h

22e

I

 2

U

 2

Z

 Z

E

 Z

g

g

B

B

Z

E

Z

R

R

E

g

B

g

B

Z

Z

R

Z

R

Z

obc

C

obc

C

L

Z

R

Z

R

Z

Z

 L

background image

- 8 -

W  oparciu  o  zmiennoprądowy  schemat  zastępczy,  dla  zakresu 

średnich częstotliwości, można wyznaczyć następujące parametry robocze:

Z

 Z

E

 Z

Z

 L

U

 1

h

11e

h

12e

U

2

I

 1

h

21e

I

1

h

22e

I

 2

U

 2

 Impedancja wejściowa

zgodnie z (6.5)

1

1

I

U

Z

we

UWAGA:

 Pamiętamy, że zgodnie z (3.4)

2

22

1

21

2

2

12

1

11

1

U

h

I

h

I

U

h

I

h

U

e

e

e

e

Z pierwszego równania hybrydowego

2

12

1

11

1

U

h

I

h

U

e

e

1

2

12

11

1

1

I

U

h

h

I

U

Z

e

e

we

Natomiast z drugiego równania po uwzględnieniu, że  

2

2

1

U

Z

I

L

2

22

1

21

2

U

h

I

h

I

e

e

e

L

e

h

Z

h

I

U

22

21

1

2

1 

Stąd:

e

L

e

e

e

we

h

Z

h

h

h

Z

22

21

12

11

1 

(6.13)

Ponieważ 

0

12

e

h

, to

e

we

h

Z

11

(6.14)

background image

- 9 -

 Impedancja wyjściowa

e

Z

e

e

e

wy

h

Z

h

h

h

Z

11

21

12

22

1

(6.15)

Ponieważ 

0

12

e

h

, to

e

wy

h

Z

22

1

(6.16)

 Wzmocnienie napięciowe

we

L

L

e

e

u

Z

Z

Z

h

h

K

22

21

1

(6.17)

Ponieważ 

1

22



L

e

Z

h

, to

we

L

e

u

Z

Z

h

K

21

(6.18)

UWAGA: znak minus oznacza, że faza napięcia wyjściowego jest odwrócona 

względem fazy sygnału wejściowego o 180

o

.

 Wzmocnienie prądowe

L

e

e

i

Z

h

h

K

22

21

1

(6.19)

Ponieważ 

1

22



L

e

Z

h

, to

e

i

h

K

21

(6.20)

Porównanie podstawowych parametrów roboczych dla układów:

K

i

K

u

K

p

Przesunięci

e fazy

Z

we

Z

wy

WE

Duże

(

N

)

Duże

Największe

180

o

Mała

Duża

WC

Największe

(

N

+1)

Małe

Małe

0

o

Największa

Mała

WB

Małe

(

1

N

) Największe

Duże

0

o

Najmniejsza

Największa

background image

- 10 -

6.3. WZMACNIACZ RÓŻNICOWY

Jest to wzmacniacz z dwoma wejściami, w którym napięcie wyjściowe 

jest proporcjonalne do różnicy napięć wejściowych.

Podstawową cechą wzmacniacza różnicowego jest zdolność

wzmacniania różnicy wartości sygnałów podawanych na jego wejścia

(czyli tzw. sygnałów różnicowych),

tłumienie natomiast ich wspólnej części

(czyli tzw. sygnałów wspólnych).

Wzmacniacz 

różnicowy  jest  układem 
symetrycznym. 
Zbudowany jest z dwóch 
(identycznych) 
tranzystorów 
połączonych  ze  sobą 
emiterami. 

Bazy 

tranzystorów 

stanowią 

dwa 

wejścia 

wzmacniacza, 

ich 

kolektory  –  wyjścia). 
Rezystancje  R

C1

  i  R

C2

mają 

takie 

same 

wartości.

R

E

R

C1

+E

C

T

1

-E

E

A

B

T

2

WY

A

WY

B

WE

1

WE

2

U

1

U

2

R

C2

Wzmacniacz może być

STEROWANY 

NIESYMETRYCZNIE

gdy  tylko  na  jedno  wejście 
podawany jest sygnał a drugie jest 
zwarte do masy układu.

SYMETRYCZNIE

gdy na  obydwa wejścia podawane 
są sygnały.

Wzmacniacz ma

WYJŚCIE

NIESYMETRYCZNE

jeśli  sygnał  wyjściowy  jest 
pobierany 

tylko 

jednego 

kolektora  (z  węzła  A  lub  B) 
względem masy.

SYMETRYCZNE

Jeśli  sygnałem  wyjściowym  jest 
różnica  napięć między  węzłami  A 
i B.

background image

- 11 -

Zasada działania wzmacniacza sterowanego symetrycznie

Jeżeli napięcie U

1

 jest większe 

od  napięcia  U

2

,  to  prąd  kolektora 

tranzystora  T

1

  jest  większy  od 

prądu kolektora tranzystora T

2

I

C1

 > I

C2

Co oznacza, że spadek napięci 

a na rezystorze R

C1

 jest większy niż 

spadek napięcia na rezystorze R

C2

U

RC1

 > U

RC2

Czyli 

wskutek 

większego 

spadku napięcia na R

C1

 potencjał w 

węźle A jest niższy niż w węźle B.

U

A

 < U

B

R

E

R

C1

+E

C

T

1

-E

E

A

B

T

2

U

1

U

2

R

C2

I

C1

I

C2

U

A

U

B

U

RC1

U

RC2

U

AB

Przy  odwrotnej  relacji  napięć 

wejściowych

U

A

 > U

B

Przy  jednakowych  napięciach 

wejściowych

U

A

 = U

B

Na 

wyjściu 

symetrycznym 

pojawia 

się 

napięcie 

U

AB

proporcjonalne 

do 

różnicy 

napięć wejściowych

U

A

- U

B

 = U

AB

U

1

- U

2

Rozpatrując dalej wzmacniacz różnicowy sterowany symetrycznie pod 

pojęciem sygnałów: 

różnicowych

  rozumieć  będziemy  sygnały  podawane  na  obydwa 

wejścia w fazie przeciwnej;

wspólnych

 (sumacyjnych) - sygnały podawane na obydwa wejścia 

w fazie zgodnej.

Sygnały  różnicowe  są  sygnałami  użytecznymi,  natomiast  sygnały 

sumacyjne  są  szkodliwe.  Miarą  wzmocnienia  tych  sygnałów  jest 
odpowiednio wzmocnienie różnicowe K

UR

 i wzmocnienie wspólne K

US

.

background image

- 12 -

PRZYPADEK 1

 : Wzmacniacz sterowany sygnałami 

różnicowymi

a)

Dane jest „dodatnie” U

1

 oraz „ujemne” U

2

 czyli U

2

 = -U

1

R

E

R

C

+E

C

-E

E

WY

A

WY

B

WE

1

WE

2

U

1

U

2

R

C

U

A

U

B

U

AB

A

B

u (t)

1

t

u (t)

2

t

u (t)

AB

t

b)

Dane jest „dodatnie” U

2

 oraz „ujemne” U

1

 czyli U

1

 = -U

2

R

E

R

C

+E

C

-E

E

WY

A

WY

B

WE

1

WE

2

U

1

U

2

R

C

U

A

U

B

U

AB

A

B

u (t)

1

t

u (t)

2

t

u (t)

AB

t

W  obydwu  sytuacjach  napięcie  na  wyjściu  symetrycznym  jest 

proporcjonalne do napięć wejściowych

U

AB

=

U

A

-

U

B

= K

UR

(

U

1

-

U

2

)

(6.21)

gdzie: K

UR

 = - g

m

R

C

jest 

wzmocnieniem różnicowym

przy czym transkonduktancja 

V

I

g

E

m

026

,

0

background image

- 13 -

Zestawiając  i  porównując  przebiegi  napięcie  na  wyjściu 

symetrycznym z napięciami wejściowymi dla rozpatrywanych sytuacji

a) „dodatnie” U

1

 oraz „ujemne” U

2

b) „dodatnie” U

2

 oraz „ujemne” U

1

u (t)

1

t

u (t)

2

t

u (t)

AB

t

u (t)

1

t

u (t)

2

t

u (t)

AB

t

widać, że niezależnie od tego, które z napięć wejściowych jest „dodatnie” 
a które „ujemne” napięcia na wyjściu symetrycznym jest:

 w przeciwnej fazie niż napięcie U

1

, zatem

wejście 

WE

1

– jest wejściem 

odwracającym

 fazę

 w zgodnej fazie z napięciem U

2

, zatem

wejście 

WE

2

– jest wejściem 

nieodwracającym

 fazy

UWAGA: Jeśli  rozpatrzymy  wzmacniacz  z  wyjściem  niesymetrycznym, 

to wzmocnienie dla

WY

1

   wynosi

UR

C

m

A

UR

K

R

g

U

U

U

K

2

1

2

2

1

1

(6.22)

WY

2

   wynosi

UR

C

m

B

UR

K

R

g

U

U

U

K

2

1

2

2

1

2

(6.23)

background image

- 14 -

PRZYPADEK 2

 : Wzmacniacz sterowany sygnałami 

wspólnymi 

(U

1

=U

2

)

R

E

R

C

+E

C

-E

E

WY

A

WY

B

WE

1

WE

2

U

1

U

2

R

C

U

A

U

B

U

AB

A

B

u (t)

1

t

u (t)

2

t

u (t)

AB

t

Jeżeli napięcia na obu wejściach są jednakowe, to napięcie na wyjściu 

symetrycznym powinno być równe zeru

U

AB

 = 0.

Na wyjściach niesymetrycznych (WY

A

,WY

B

) istnieją jednak napięcia 

różne od zera względem masy

U

A

 = U

B

 0.

Zmiany tych napięć w zależności od napięć wejściowych są określone

wzmocnieniem wspólnym

K

US

 = 

E

C

E

m

C

m

R

R

R

g

R

g

2

2

1

(6.24)

UWAGA: W praktycznych rozwiązaniach układy wzm. różnicowych nie 

są  idealnie  symetryczne  (np.  tranzystory  nie  są  identyczne) 
dlatego U

AB

  0.  Stąd też istotnym parametrem wzmacniacza 

jest

Współczynnik tłumienia sygnału 

wspólnego

(ang. common-mode rejection ratio)

US

UR

K

K

CMRR

(6.25)

 

dB

K

K

dB

CMRR

US

UR

60

lg

20

background image

- 15 -

6.4. SPRZĘŻENIE ZWROTNE

W  układach  elektronicznych  sprzężenie  zwrotne  polega  na 

przekazywaniu  części  sygnału  wyjściowego,  zwanego  sygnałem 
zwrotnym, z  wyjścia  na wejście  układu, gdzie sumuje się on z sygnałem 
wejściowym, zmieniając właściwość układu.

Każdy  wzmacniacz  z  obwodem 

sprzężenia  zwrotnego  może  być 
przedstawiony  w  postaci  dwóch 
wzajemnie niezależnych bloków, które 
reprezentują 

tor 

wzmocnienia 

(jednokierunkową transmisję sygnału z 
wejścia  na  wyjście)  i  tor  sprzężenia 
zwrotnego 

(jednokierunkową 

transmisję sygnału z wyj. na wej.).

-

K

S

1

S

2

S

2f

S

1f

S

2

S

1

Wzmocnienie układu bez sprzężenia zwrotnego jest równe

1

2

S

S

K

(6.26)

zaś funkcja przenoszenia toru sprzężenia zwrotnego określona jest przez

2

1

S

S

(6.27)

Ponieważ na wyjściu wzmacniacza (dla węzła zaczepowego)

2

2

2

S

S

S

f

(6.28)

oraz w węźle sumacyjnym

1

1

1

S

S

S

f

(6.29)

Zatem

f

f

S

S

1

2

K

K

K

f

1

(6.30)

-

K

S

1

S

2

S

2f

S

1f

S

2

S

1

K

f

S

2f

S

1f

background image

- 16 -

Sprzężenie  zwrotne  zmienia  wartość  wzmocnienia,  przy  czym 

zależnie od rodzaju wprowadzonej zmiany rozróżnia się dwa przypadki:

1. Jeżeli  |1+K

|  >  1,  to  |K

f

|  <  |K|,  czyli  następuje  zmniejszenie 

wzmocnienia. Sprzężenie określa się jako  ujemne;

2. Jeżeli  |1+K

|  <  1,  to  |K

f

|  >  |K|,  czyli  następuje  zwiększenie 

wzmocnienia. Sprzężenie określa się jako  dodatnie.

Jeżeli  wyrażenie    1+K

    jest  rzeczywiste,  to  sprzężenie  zwrotne  jest 

czysto ujemne bądź czysto dodatnie, co oznacza, że sygnał zwrotny S

1

 jest 

odpowiednio w przeciwfazie lub w fazie z sygnałem wejściowym S

1f

 .

Rodzaj  i  właściwości  sprzężenia  zwrotnego  zależą  od  sposobu 

pobierania sygnału z wyjścia układu oraz od sposobu wprowadzania go na 
wejście.

W zależności od pobieranego sygnału wyróżnia się:

sprzężenie  napięciowe,  w  którym 
sygnał 

sprzężenia 

(zwrotny) 

jest 

proporcjonalny do napięcia wyjściowego.

sprzężenie 

prądowe

sygnał 

sprzężenia  jest  proporcjonalny  do  prądu 
wyjściowego.

K

K

Ze względu na sposób wprowadzenia sygnału na wejście rozróżnia się:

sprzężenie  szeregowe

-  sygnał 

sprzężenia jest wprowadzany szeregowo z 
sygnałem wejściowym.

sprzężenie  równoległe

-  sygnał 

sprzężenia  jest  wprowadzany  równolegle 
z sygnałem wejściowym

K

K

background image

- 17 -

Z omówionych  kombinacji  połączenia  czwórników K  i 

 na wejściu 

i wyjściu wynikają cztery podstawowe układy sprzężenia zwrotnego:

napięciowe - szeregowe

napięciowe - równoległe

K

K

prądowe - szeregowe

prądowe - równoległe

K

K

Wpływ  ujemnego  sprzężenia  zwrotnego  na  wzmocnienie 

wzmacniacza oraz jego impedancję wejściową i wyjściową w porównaniu 
ze wzmacniaczem bez tego sprzężenia:

napięciowe

prądowe

PARAMETR

szeregowe

równoległe

szeregowe

równoległe

K

u

-

-

K

i

-

-

Z

we

Z

wy

gdzie: 

 (mniejsza), - (bez zmian),  (większa)