- 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)

- 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)

- 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

- 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

- 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)

- 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

- 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

- 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)

- 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

- 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,

a

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

z

jednego

kolektora (z węzła A lub B)
względem masy.

SYMETRYCZNE

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

- 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

.

- 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



- 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)

- 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





- 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

- 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

- 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)