1

10. Wzmacniacze

Wzmacniacze

mikrofalowe

2

10. Wzmacniacze

Wzmacnianie i wzmacniacze

sygnału

 Wprowadzenie
 Warunki stabilności wzmacniacza
 Definicje wzmocnienia
 Tranzystor jako element wzmacniający
 Tranzystory bipolarne
 Tranzystory polowe
 Wzmacniacz jednostopniowy
 Wzmacniacz dwustopniowy
 Wzmacniacz mocy
 Szumy
 Parametry wzmacniacza

3

10. Wzmacniacze

Wprowadzenie (a)

Wprowadzenie (a)



Ideowy schemat blokowy łącza radiowego do transmisji
informacji

Infor

m.

M1

W

AN

LON

Nadajnik

Infor

m.

M2

W1

AO

LOO

Odbiornik

W2

D

 Wzmacnianie sygnału wykorzystane jest w obu układach

wielokrotnie.

 W układzie nadajnika wzmacniacz W służy do uzyskania

odpowiedniego poziomu mocy kierowanej do anteny AN.

 W układzie odbiornika wzmacniacze W1 i W2 podnoszą poziom

mocy do poziomu, przy którym może zachodzić detekcja.

4

10. Wzmacniacze

Wprowadzenie (b)

Wprowadzenie (b)



Wzmacniacz transmisyjny

- obwód aktywny jest dwuwrotnikiem.

 Właściwości wzmacniające wzmacniacza opisuje transmitancja S

21

(o jego dopasowaniu decydują reflektancje S

11

i S

22

):

;

1

P

P

S

1

2

2

21









Wzmacniacz-

Dwuwrotnik

2

Wrota

Wyjściowe

Wrota

Wejściowe

P

2

-

P

1

+

1

5

10. Wzmacniacze

Wprowadzenie (c)

Wprowadzenie (c)



Wzmacniacz odbiciowy

- obwód aktywny jest

jednowrotnikiem.

 Właściwości wzmacniające tego układu opisuje

współczynnik odbicia :

;

1

P

P

2











 Aby z układu odbiciowego

uzyskać układ transmisyjny
konieczne jest użycie
cyrkulatora.

 W tym przypadku o dopasowaniu

wzmacniacza decydują parametry
cyrkulatora.

P

+

P

-

Cyrkulato

r

Jednowrotni

k

Aktywny

P

2-

Wrota

Wyjściow

e

P

1

+

1

Wrota

Wejściow

e

2

6

10. Wzmacniacze

Warunki stabilności wzmacniacza

Warunki stabilności wzmacniacza

(

(

a

a

)

)



Układ

generator - wzmacniacz - obciążenie

.

 Generator reprezentowany jest tutaj przez parametry E i 

G

.

 Wzmacniacz - dwuwrotnik opisany jest tutaj macierzą [S]:

;

a

a

S

S

S

S

b

b

2

1

22

21

12

11

2

1









































Q

: w jakich warunkach we wrotach wzmacniacza powstanie

współczynnik odbicia |Γ|>1, co grozi powstaniem oscylacji?

 Analizę przeprowadzona w oparciu [S] dwuwrotnika.

Z

o

Z

o

Wzmacnia

cz

[S]



G

E,

1



2

E',

L

a

1

a

2

b

2

b

1

E

7

10. Wzmacniacze

Warunki stabilności wzmacniacza

Warunki stabilności wzmacniacza

(b)

(b)

 „Sąsiedzi wzmacniacza są pasywni:

;

S

1

S

S

1

S

S

S

L

22

L

S

11

L

22

L

21

12

11

1

























;

1

;

1

G

L









 Generator ”widzi” układ reprezentowany przez 

1

:

 Obciążenie ”widzi” źródło o parametrach E’ i 

2

:

;

S

S

S

S

21

12

22

11

S







;

S

1

ES

E

;

S

1

S

G

11

21

'

G

11

G

S

22

2





















8

10. Wzmacniacze

Warunki stabilności wzmacniacza

Warunki stabilności wzmacniacza

(c)

(c)

 Liniowy dwuwrotnik jest

bezwarunkowo stabilny

, jeżeli dla

dowolnych wartości współczynników 

L

i 

G

spełniających warunek:

;

1

;

1

G

L









moduły współczynników odbicia 

1

i 

2

nie przekraczają wartości 1.

;

1

1





;

1

2





 Gdy choćby jeden z powyższych warunków nie jest

spełniony
dwuwrotnik jest

stabilny warunkowo

.

9

10. Wzmacniacze

Warunki stabilności wzmacniacza

Warunki stabilności wzmacniacza

(d)

(d)

 Transformujemy punkty

okręgu 

L

1 z płaszczyzny



L

na płaszczyznę 

1

.

Im{

L

}

Re{

L

}

|

L

|

=1

1

Im{

1

}

Re{

1

}

1

Im{

1

}

Re{

1

}

1

 a)

stabilność bezwarunkowa

, b)

stabilność warunkowa

a)

b)

10

10. Wzmacniacze

Warunki stabilności wzmacniacza

Warunki stabilności wzmacniacza

(e)

(e)

 Analizując warunki stabilności wprowadzono

współczynnik stabilności K

, wiążący ze sobą

rozmaite współczynniki macierzy rozproszenia:

;

S

S

2

S

S

1

K

21

12

2

S

2

22

2

11













Wykazano, że warunkiem koniecznym i wystarczającym
bezwarunkowej stabilności jest:

;

1

K 

11

10. Wzmacniacze

Definicje wzmocnienia (a)

 Definiujemy

wzmocnienie mocy

wzmacniacza:

;

a

a

S

S

S

S

b

b

2

1

22

21

12

11

2

1







































 Wzmocnienie mocy

dwuwrotnika - wzmacniacza G:

 Moce P

G

i P

L

zależą od

współczynników odbicia Γ

1

i

Γ

L

:

Z

o

Z

o

Wzmacni

acz

[S]



G

E,

1



2

E',

L

a

1

a

2

b

2

b

1

E

 





;

P

P

S

,

G

G

L

L









;

1

b

2

1

P

2

L

2

2

L











;

1

a

2

1

P

2

1

2

1

G







12

10. Wzmacniacze

Definicje wzmocnienia (b)

 Po uwzględnieniu

wyrazów macierzy [S]:





;

S

S

1

1

S

G

2

S

L

11

2

22

L

2

L

2

21





















Dysponowane wzmocnienie mocy

G

A

jest stosunkiem dysponowanej

mocy wzmacniacza P

LA

do dysponowanej mocy generatora P

GA

:

 





;

P

P

S

,

G

GA

LA

G

A





;

;

*

L

2

*

G

1













 Wzmocnienie mocy staje się dysponowanym, gdy w obu wrotach

wzmacniacza uda się uzyskać stan dopasowania energetycznego

:

13

10. Wzmacniacze

Definicje wzmocnienia (c)

 Po uwzględnieniu obu warunków otrzymuje się zależność określająca

MAG

(ang. Maximum Available Gain) -

maksymalne wzmocnienie mocy

tranzystora

:





;

1

K

K

S

S

MAG

G

2

12

21

AMAX









 Zależność ma sens dla K>1 (bezwarunkowa stabilność).
 Gdy współczynnik K<1, to można oszacować maksymalną

wartość
wzmocnienia korzystając z wielkości nazwanej

maksymalnym

stabilnym wzmocnieniem MSG

(ang. Maximum Stable Gain):

;

S

S

MSG

12

21



14

10. Wzmacniacze

Definicje wzmocnienia (d)

 Zdefiniujemy

wzmocnienie unilateralne G

U

jako wzmocnienie obliczone w warunkach:

;

0

S

12



 Po przekształceniach:









;

G

S

G

S

1

1

S

S

1

1

G

2

2

21

1

2

L

22

2

L

2

21

2

G

11

2

G

U





















 Czynniki iloczynu: G

1

i G

2

osiągają maksimum, gdy:

*

11

G

S





*

22

L

S





15

10. Wzmacniacze

Definicje wzmocnienia (e)

 G

1

i G

2

osiągają wtedy wartości maksymalne G

1max

i

G

2max

:

;

S

1

1

G

2

11

MAX

1





;

S

1

1

G

2

22

MAX

2





 Można teraz zapisać formułę końcową:

 Wzmocnienie tranzystora może być istotnie

większe od wartości określonej transmitancją.

;

S

1

1

S

S

1

1

G

2

22

2

21

2

11

UMAX







16

10. Wzmacniacze

Tranzystor jako element

wzmacniający (a)



Tranzystory

są najważniejszymi elementami aktywnymi

używanymi do wzmocnienia i generacji sygnałów.



Tranzystory bipolarne

, krzemowe, pracują do około 20

GHz.

 Nowe rodziny tranzystorów HBT (ang. Heterojunction

Bipolar Transistor), wykonywane na GaAs, pracują do 100
GHz.



Tranzystory polowe

, unipolarne, wykonywane w

technologii wykorzystującej arsenek galu GaAs.

 Wśród rozmaitych odmian spotykamy tranzystory MESFET,

pracujące do 60 GHz, oraz tranzystory HEMT (ang. High
Electron Mobility Transistor), pracujące do 200 GHz

17

10. Wzmacniacze

Tranzystor jako element

wzmacniający (b)

 Można podzielić tranzystory ze względu na moc na trzy

grupy:



Tranzystory małej mocy

są zwykle tranzystorami

niskoszumnymi, mocach wyjściowych od kilku do około 30

mW.



Tranzystory średniej mocy

mogą wzmacniać, lub generować

sygnały o większych mocach wyjściowych, do 300 mW.



Tranzystory dużej mocy

, pracujące w klasach A, B i C,

o mocach wyjściowych od kilkuset Watów przy 100 MHz,

do 0,5 Wata przy 20 GHz.

18

10. Wzmacniacze

Tranzystory bipolarne (a)

Tranzystory bipolarne (a)

 Struktura, obwód zastępczy i charakterystyki

tranzystora bipolarnego HBT

I

E

C

TE

C

CB

R

EC

R

C

R

E

R

B

E

K

B

podłoże n

K

n

p

K

B

B

E

1
0

I

B

=

500A

400

A

300

A

200

A

100

A

I

C

[mA

]

2
0

1
6
1
2
8

4

0

8

6

4

2

V

CE

[V

]

19

10. Wzmacniacze

Tranzystory bipolarne (c)

Tranzystory bipolarne (c)

Najważniejszym
parametrem
tranzystora
bipolarnego jest
zależność S

21

(f).

Mod{S

21

} silnie

zależy od f, maleje
o 6dB/oktawę.

Arg{S

21

} zmienia

się z f w granicach
120-150 stopni.

Mod{S

21

} silnie

zależy od prądu
kolektora I

C

.

Także częstotliwość
graniczna silnie
zmienia się prądem
I

C.

0

15

30

45

60

75

9

0

1

0

5

12

0

13

5

150

165

-180

-165

-1

50

-1

35

-1

20

-1

05

-

9

0

-7

5

-6

0

-4

5

-30

-15

BJT S21

Swp Max

6 GHz

Swp Min

0.5 GHz

Mag Max
12

4
Per Div

S[2,1]
NE68818 120mW

S[2,1]
NE68818 80mW

S[2,1]
NE68818 40mW

I

C

=5

mA

I

C

=10

mA

I

C

=15

mA

Tranzystor bipolarny
NE68818, V

CE

=8V

C

B

E

PORT 1

Z

0

=50

POR

T 2

Z

0

=5

0

20

10. Wzmacniacze

Tranzystory bipolarne (d)

Tranzystory bipolarne (d)

 Charakterystyki S

11

(f)

dobrze pokrywają się
z okręgami R=const.

 Obwód zastępczy, to

szeregowe
połączenie RLC.

 Wartość prądu

kolektora I

C

wpływa

w pewnym stopniu na
każdy element
obwodu R,L,C.

0

1

.

0

1

.

0

-

1

.

0

1

0

.

0

10.0

-10

.0

5

.

0

5.0

-5.

0

2

.

0

2.

0

-2

.0

3

.

0

3.

0

-3

.0

4

.

0

4.0

-4.

0

0

.

2

0.2

-0.

2

0

.

4

0.

4

-0

.4

0

.

6

0.

6

-0

.6

0

.

8

0.

8

-0

.8

BJT S11

Swp Max

6GHz

Swp Min

0.5GHz

S[1,1]
NE68818 120mW

S[1,1]
NE68818 80mW

S[1,1]
NE68818 40mW

Tranzystor bipolarny
NE68818, V

CE

=8V

I

C

=10

mA

I

C

=5

mA

I

C

=15

mA

21

10. Wzmacniacze

Tranzystory bipolarne (e)

Tranzystory bipolarne (e)

 Przebiegi S

22

(f) nie

są tak regularne,
jak S

11

(f) i trudno je

modelować prostym
obwodem R,L,C.

 Im większe prądy

kolektora, tym
łatwiej dopasować
obwód wyjściowy
wzmacniacza.

0

1

.

0

1

.

0

-

1

.

0

1

0

.

0

10.0

-1

0.0

5

.

0

5.0

-5.

0

2

.

0

2.

0

-2

.0

3

.

0

3.

0

-3

.0

4

.

0

4.0

-4.

0

0

.

2

0.2

-0.

2

0

.

4

0.

4

-0

.4

0

.

6

0.

6

-0

.6

0

.

8

0

.

8

-

0.

8

BJT S22

Swp Max

6GHz

Swp Min

0.5GHz

S[2,2]
NE68818 120mW

S[2,2]
NE68818 80mW

S[2,2]
NE68818 40mW

Tranzystor bipolarny
NE68818, V

CE

=8V

I

C

=10

mA

I

C

=5

mA

I

C

=15

mA

22

10. Wzmacniacze

Tranzystory bipolarne (f)

Tranzystory bipolarne (f)

 Przebiegi S

12

pokazują

jaka może być izolacja
między wrotami
wyjściowymi a
wejściowymi wzmacniacza

 Mod{S

21

(f)} transmitancji

rośnie szybko ze
wzrostem f przy
niewielkiej zmianie
argumentu.

 Gdy S

21

> 0,1 to założenia

o unilateralności
tranzystora nie można
przyjmować.

 Zmiana prądu kolektora w

niewielkim stopniu
wpływa na wartość S

21

.

0

15

30

45

60

75

9

0

10

5

12

0

13

5

150

165

-180

-165

-1

50

-1

35

-1

20

-1

05

-

9

0

-7

5

-6

0

-4

5

-30

-15

JBT S12

Swp Max

6 GHz

Swp Min

0.5 GHz

Mag Max
0.45

0.1125
Per Div

S[1,2]
NE68818 120mW

S[1,2]
NE68818 80mW

S[1,2]
NE68818 40mW

Tranzystor bipolarny
NE68818, V

CE

=8V

I

C

=10

mA

I

C

=5

mA

I

C

=15

mA

23

10. Wzmacniacze

Tranzystory bipolarne (f)

Tranzystory bipolarne (f)

 Moduł S

21

(f), MAG(f) i MSG(f) tranzystora bipolarnego

0.5

6

1

Frequency (GHz)

Gain

200

1

10

100

0.5

1

1.5

|S[2,1]| (L)
Tranzystor NE688

K (R)

Tranzystor NE688

GMax (L)

Tranzystor NE688

Współczynnik

K(f)

S

21

(f)

 -

spadek

6dB/oktawę

MAG(f) i MSG(f)

tranzystora NE688

Tranzystor bipolarny NE688, U

CE

=8V, I

C

=15 mA

24

10. Wzmacniacze

Tranzystory polowe (a)

Tranzystory polowe (a)



Tranzystor polowy FET

, struktura, charakterystyki i obwód zastępczy.

C

G

S

R

G

R

D

D

G

g

m0

U

G

e

-j

C

G

D

C

D

S

R

S

S

g

d

R

I

S

6

15

3

0

9

V

DS

[

V]

12

0,

1

0,
5

I

D

[A

]

0,
3

0,
4

0,

2

V

GS

=

0

V

GS

=con

st.

podłoże GaAs

n

+

S

G

D

n

+

n-GaAs

Bramka

Dren

Źródło

25

10. Wzmacniacze

Tranzystory polowe (b)

Tranzystory polowe (b)

Charakterystyki
S

21

(f)

tranzystorów
polowych maleją
wolniej, w
tempie około
10dB/dekadę.
Wartości S

21

(f)

wskazują na
możliwość
szerokopasmowe
j pracy.
Silnie zmieniają
się argumenty.
Wartość prądu
drenu silnie
wpływa na
wartość S

21

(f)

tranzystora FET.

0

15

75

9

0

10

5

165

-180

-165

-1

05

-

9

0

-7

5

-15

FET S21

Swp Max

18 GHz

Swp Min

0.1 GHz

Mag Max
8

2
Per Div

S[2,1]
FET01

S[2,1]
FET02

S[2,1]
FET03

S[2,1]
FET04

Tranzystor polowy FET
NE325; V

D

=3V

I

D

=20

mA

I

D

=10

mA

I

D

=30

mA

I

D

=5

mA

50 Ohm

PORT 2

Z=

50 Ohm

PORT 1

Z=

26

10. Wzmacniacze

Tranzystory polowe (c)

Tranzystory polowe (c)

 Charakterystyki S

11

(f)

tranzystora FET
dobrze pokrywają się
z okręgami stałej
rezystancji.

 Można je modelować

szeregowym
obwodem R,L,C.

 Wartości S

11

 są

większe niż dla
bipolarnych i dlatego
trudniej dopasować
wzmacniacz.

0

1

.

0

1

.

0

-

1

.

0

1

0

.

0

10.0

-1

0.0

5

.

0

5.0

-5.

0

2

.

0

2.

0

-2

.0

3

.

0

3.

0

-3

.0

4

.

0

4.0

-4.

0

0

.

2

0.2

-0.

2

0

.

4

0.

4

-0

.4

0

.

6

0.

6

-0

.6

0

.

8

0.

8

-0

.8

FET S11

Swp Max

18GHz

Swp Min

0.1GHz

S[1,1]
FET01

S[1,1]
FET02

S[1,1]
FET03

S[1,1]
FET04

Tranzystor polowy FET
NE325; V

D

=3V

I

D

=20

mA

I

D

=10

mA

I

D

=30

mA

I

D

=5

mA

27

10. Wzmacniacze

Tranzystory polowe (d)

Tranzystory polowe (d)

 Charakterystyki S

22

(f)

tranzystora FET nie
mają czytelnego
przebiegu, aby je
łatwo modelować
obwodem R,L,C.

 Im większy prąd

drenu, tym łatwiej
dopasować
impedancję wyjściowa.

0

1

.

0

1

.

0

-

1

.

0

1

0

.

0

10.0

-1

0.

0

5

.

0

5.0

-5.

0

2

.

0

3

.

0

4

.

0

0

.

2

0.2

-0.

2

0

.

4

0

.

6

0

.

8

0

.

8

-0

.

8

FET S22

Swp Max

18GHz

Swp Min

0.1GHz

S[2,2]
FET01

S[2,2]
FET02

S[2,2]
FET03

S[2,2]
FET04

I

D

=20

mA

I

D

=10

mA

I

D

=30

mA

I

D

=5

mA

Tranzystor polowy FET
NE325; V

D

=3V

28

10. Wzmacniacze

Tranzystory polowe (e)

Tranzystory polowe (e)

 Dla tranzystora

polowego moduł S

12



rośnie początkowo
ustalając swą
wartość < 0,1.

 Zmienia się istotnie

wartość argumentu.

 Warunki

unilateralności łatwo
spełnić w zakresie
niewielkich
częstotliwości.

0

9

0

-180

-

9

0

FET S12

Swp Max

18 GHz

Swp Min

0.1 GHz

Mag Max
0.12

0.06
Per Div

S[1,2]
FET01

S[1,2]
FET02

S[1,2]
FET03

S[1,2]
FET04

I

D

=20

mA

I

D

=10

mA

I

D

=30

mA

I

D

=5

mA

Tranzystor polowy FET
NE325; V

D

=3V

29

10. Wzmacniacze

Tranzystory polowe (f)

Tranzystory polowe (f)

 Wpływ prądu drenu na możliwości wzmocnienia tranzystora FET

6

.1

1

Frequency (GHz)

Gain

1

10

100

1000

10000

|S[2,1]|
NE68500 100mW

|S[2,1]|
NE68500 50mW

|S[2,1]|
NE68500 25mW

|S[2,1]|
NE68500 5mW

GMax
NE68500 100mW

GMax
NE68500 50mW

GMax
NE68500 25mW

GMax
NE68500 5mW

Tranzystor polowy FET NE685; V

D

=5V, I

D

=

1, 5, 10 & 20 mA

Maksymalne

wzmocnienia

FET

S

21

(f)

tranzystora

FET

30

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy (a)

Wzmacniacz jednostopniowy (a)

 Struktura jednostopniowego wzmacniacza

tranzystorowego:

 wejściowy obwód dopasowujący D1,
 tranzystor wzmacniający w konfiguracji wspólnego emitera/źródła,
 wyjściowy obwód dopasowujący D2.

[S]

Z

o



WY

b

L

a

L

a

2

b

2

b

1

a

1



L



G

b

G

a

G



WE

Z

o

Wejściowy

Obwód

Dopasowu

j.

D1

Wyjściowy

Obwód

Dopasowu

j.

D2

31

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy (b)

Wzmacniacz jednostopniowy (b)

 Analiza proces wzmocnienia oparta o następujące założenia:

 generator - źródło wzmacnianego sygnału jest bezodbiciowy Z

G

= Z

0

,

 obciążenie dołączone do obwodu wyjściowego jest dopasowane Z

L

= Z

0

,

 obwody D1 i D2 są bezstratne,
 tranzystor jest bezwarunkowo stabilny i unilateralny, czyli S

12

= 0.



Wzmocnienie unilateralne obliczamy z następującej zależności:









;

S

1

1

S

S

1

1

G

2

22

L

2

L

2

21

2

11

G

2

G

U



















32

10. Wzmacniacze

 Maksymalizujemy wzmocnienie G

U

= max

gdy :

;

S

*

11

G





;

S

*

22

L





 Wartość G

U

= max zapisuje się

następująco:



 



;

S

1

1

S

S

1

1

G

2

22

2

21

2

11

UMAX







 Maksymalizacja wzmocnienia następuje dla wybranej

częstotliwości, albo w niewielkim pasmie.

 Towarzyszy jej dopasowanie wrót wejściowych i

wyjściowych

.

Wzmacniacz jednostopniowy (c)

Wzmacniacz jednostopniowy (c)

33

10. Wzmacniacze



Okręgi stałego wzmocnienia pozwalają obliczyć G

U

, gdy

jeden albo oba warunki nie są spełnione.



Założenie: Chcemy uzyskać wzmocnienie mniejsze o g

1

[dB]:

;

1

G

G

g

MAX

1

1

1





 Na płaszczyźnie 

G

linie stałego
wzmocnienia są
okręgami, których
rozmiary zależą od

g

1

.

g

1

= 0 dB

G

U

= max

S

11

S*

11

g

1

= - 0,3

dB


WE

 = 0,33

g

1

= - 1 dB



WE

 =

0,454

g

1

= - 2 dB



WE

 =

0,608

Wzmacniacz jednostopniowy (d)

Wzmacniacz jednostopniowy (d)

34

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy-

Wzmacniacz jednostopniowy-

zadanie 11.1a

zadanie 11.1a

f[GHz

]

S

11



Arg{

S

11

}

S

21



Arg{

S

21

}

S

12



Arg{

S

12

}

S

22



Arg{

S

22

}

2,0

0.71

158

3.47

56

0.090

29

0.32

178

Zadanie 11.1. Zaprojektuj obwody dopasowujące i oblicz wzmocnienie

unilateralne jednotranzystorowego wzmacniacza z tranzystorem bipolarnym

HBFP-0450,

na częstotliwość 2000 MHz (

V

CE

= 4V, I

C

= 20mA

).

z

L

Z

0

l

M

z=1

l

R

Z

0

Z

0

jb

R

l

M

l

R

d(50

Ω)

z

L

Obwód wejściowy projektujemy w
następującej postaci:

35

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy-

Wzmacniacz jednostopniowy-

zadanie 11.1b

zadanie 11.1b

 Korzystamy z oprogramowania Smith 2.0

 Kolejne punkty 1-2-3

odpowiadają drodze

dopasowania.

 Odczytujemy:

l

M

= 0,032 λ,

l

R

= 0,177 λ.

36

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy-

Wzmacniacz jednostopniowy-

zadanie 11.1c

zadanie 11.1c

 Obwód wejściowy projektujemy w następującej postaci:

z

L

Z

0

l

1

kZ

0

, λ/4

Z

0

z=1

l

1

l

T

d(50Ω

)

z

L

d

T

(k50Ω)

 Wykorzystujemy Smith 2.0:

37

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy-

Wzmacniacz jednostopniowy-

zadanie 11.1d

zadanie 11.1d

 Położenie punktu S

22

pozwoliło

dopasować jednym odcinkiem linii

 Odczytujemy:

Z

0T

= 35,8 Ω,

l

T

= 0,244 λ

 Rysujemy obwody

dopasowujące

wzmacniacza.

Z

0

=

50 Ω

l

T

= 0,244

λ

Z

0

=

35,8 Ω

Z

0

=

50 Ω

l

R

=

0,177 λ

l

M

=

0,032 λ







;

03

,

27

898

,

0

x

496

,

0

04

,

12

32

,

0

1

71

,

0

1

47

,

3

G

2

2

2

UMAX











 Obliczamy G

UMAX:

38

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy (e)

Wzmacniacz jednostopniowy (e)

 Wzmacniacz jednostopniowy szerokopasmowy

• Analiza parametrów tranzystorów pokazuje, że wzmocnienia MAG
i MSG maleją ze wzrostem f, 6dB/okt dla bipolarnego, wolniej dla FET.

• Przy projektowaniu charakterystyk wzmacniaczy szerokopasmowych
istnieje konieczność kompensowania, wyrównywania charakterystyk
częstotliwościowych.

• Zachowanie się transmitancji

S

21

(f)

2

wynika z natury rzeczy i nic na

to poradzić nie można. W takim razie rolę korygowania charakterystyk
częstotliwościowych muszą wziąć na siebie oba obwody D1 i D2.

39

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz jednostopniowy (f)

Wzmacniacz jednostopniowy (f)

Korygowanie charakterystyki wzmocnienia
wzmacniacza jednostopniowego.

Funkcję korekcji

pełnią oba obwody

Tylko obwód

wyjściowy koryguje

|S

21

|

2

f

6dB/okt

G

1

3dB

f

f

d

f

g

G

2

f

3dB

f

d

f

g

f

d

f

g

1

|S

21

|

2

6dB/okt

G

2

G

1

6dB

f

d

f

g

f

d

f

g

f

d

f

g

f

f

f

40

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz dwustopniowy (a)

Wzmacniacz dwustopniowy (a)

Struktura układu dwustopniowego wzmacniacza tranzystorowego

Z

0



WE

Z

0

T1

[S']

'

L

'

G

T2

[S"]

"

L

"

G



WY

Z

0

Wejścio-

wy

obwód

dopaso-

wujący

D1

Między-

stopnio-

wy

obwód

dopaso-

wujący

MS

Wyjścio-

wy

obwód

dopaso-

wujący

D2

• W przypadku wzmacniacza dwustopniowego istnieje
możliwość
takiego zaprojektowania układu aby całkowite
wzmocnienie było
równe: MAG' + MAG". Aby tak się stało każdy z
tranzystorów musi
widzieć po obu swoich stronach optymalne
współczynniki odbicia.

41

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz dwustopniowy (b)

Wzmacniacz dwustopniowy (b)

Ilustracje roli kolejnych obwodów wzmacniacza

dwustopniowego szerokopasmowego

12dB/okt

f

d

f

g

G

MS

f

f

d

f

g

S

21



2

6dB/okt

f

f

G

1

1

f

d

f

g

f

d

f

g

S

21



2

6dB/okt

f

G

2

f

d

f

g

f

• We wzmacniaczu dwustopniowym szerokopasmowym obwód
międzystopniowy zwykle bierze na siebie rolę wyrównanie
charakterystyki wzmocnienia i kompensuje spadki transmitancji
obu tranzystorów T1 i T2

42

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (a)

Wzmacniacz mocy (a)

 Specyfika wzmacniaczy mocy: w procesie

wzmacniania rośnie poziom mocy sygnału, ostatni
ze wzmacniaczy pracuje w najtrudniejszych
warunkach i zwykle przy największych
wymaganiach.



Nadajniki komunikacji ruchomej

 Praca przy małym napięciu – minimalna liczba baterii,
 Wysoka sprawność – długi czas rozmowy,
 Duży zakres pracy liniowej, małe zniekształcenia, duży

zasięg nadajnika,

 Brak chłodzenia, małe rozmiary radiatora.
 Niski koszt produkcji.

43

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (b)

Wzmacniacz mocy (b)



Nadajniki telekomunikacji satelitarnej

 Duża moc wyjściowa,
 Wysoka sprawność,

 Liniowość pracy, małe zniekształcenia intermodulacyjne

,

 Nadajniki telekomunikacji naziemnej

 Duża moc wyjściowa,

 Liniowość pracy, małe zniekształcenia intermodulacyjne

.

 Trudno spełnić wszystkie te wymagania, a

szczególnie trudno spełnić je równocześnie.

44

10. Wzmacniacze

 Sercem nadajnika jest element aktywny – tranzystor FET lub HBT.

Pole charakterystyk I

ds

(V

ds

,V

gs

) tranzystora pokazuje rysunek.

 Pole charakterystyk tranzystora – ograniczenia:

6

15

3

0

9

V

ds

[V]

12

0,1

0,5

I

ds

[

A]

0,3

0,4

0,2

V

gs

=

0

V

gs

=V

p

V

gs

=con

st.

 Wejście złącza

bramka - źródło w
stan przewodzenia.

 Region małych

napięć, obszar
zagięcia
charakterystyk

 Zagęszczenia w

regionie małych
prądów, w okolicach
odcięcia prądu.

 Region dużych

napięć, obszary
przebicia

Wzmacniacz mocy (c)

Wzmacniacz mocy (c)

45

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (d)

Wzmacniacz mocy (d)

 Dobieramy punkt pracy tranzystora FET pracującego na obciążenie R

L

= 34

Ω.

 Dla tego obciążenia rysujemy charakterystykę I

ds

(V

gs

).

-5 -4 -3

-6

-7

0

-8

-1

-2

V

gs

[V]

I

ds

[

A]

0,1

0,5

0,3

0,4

0,2

V

gs

=0

V

V

gs

=V

p

-1

-2

-3

-4

-5

-6

6

15

3

0

9

V

ds

[V]

12

-7

R

L

= 34 Ω

46

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (e)

Wzmacniacz mocy (e)

 Prąd I

ds

i

napięcie
V

gs0

= - 4V przy

pracy w

klasie

A.

 Prąd płynie

cały okres.

V

gs

[

V]

-

5

-

4

-

3

-

6

-

7

0

-8

-

1

-

2

I

ds

[

A]

0,1

0,3

0,
4

0,2

t

t

0

T

2T

3T

 Klasa A:  =

2;

47

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (f)

Wzmacniacz mocy (f)

t

V

gs

[

V]

-

5

-

4

-

3

-

6

-

7

0

-8

-

1

-

2

I

ds

[

A]

0,1

0,3

0,
4

0,2

t

0

T

2T

3T

 Prąd I

ds

i napięcie

V

gs0

= - 6V przy

pracy w

klasie AB.

 Prąd płynie

dłużej, niż pół
okresu.

 Klasa AB:  <  <

2;

48

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (g)

Wzmacniacz mocy (g)

V

gs

[

V]

-

5

-

4

-

3

-

6

-

7

0

-8

-

1

-

2

I

ds

[

A]

0,1

0,3

0,
4

0,2

 Klasa B:  =

;

t

0

T

2T

3T

t

 Prąd I

ds

i

napięcie
V

gs0

= - 8V przy

pracy w

klasie B.

 Prąd płynie pół

okresu.

49

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (h)

Wzmacniacz mocy (h)

V

gs

[

V]

-

5

-

4

-

3

-

6

-

7

0

-8

-

1

-

2

I

ds

[

A]

0,1

0,3

0,
4

0,2

0

T

2T

3T

t

 Prąd I

ds

i napięcie

V

gs0

= - 9V przy

pracy w

klasie C

.

 Prąd płynie

krócej, niż pół
okresu.

 Klasa C:  < ;

t

50

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (i)

 Cechy charakterystyczne klas A, AB, B i C, w
których pracują
wzmacniacze mocy.

Klasa

wzmacniacza

Prąd w

punkcie pracy

Kąt przepływu

Klasa A

I

d

= I

MAX

/2

 = 2;

Klasa AB

0< I

d

< I

MAX

/2

 <  <2;

Klasa B

I

d

= 0; V

gs

= V

p0

 = 

Klasa C

I

d

= 0; V

gs

< V

p0

 < 

51

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (j)

 Wpływ kąta przelotu na zawartość harmonicznych i składowej DC.

Am

pli

tuda (

I

MAX

=1

)



0

0,5

2

0,4

0,3

0,2

0,1

0

-0,1

3/2



/2

f

2f

3f

4f

5f

DC

52

10. Wzmacniacze

 Punkt pracy określony przez V

ds0

, dobór klasy

A, AB, B i C przez dobór rezystancji R

L

.

Ze względu na punkt
pracy
charakteryzujemy
następująco warunki
pracy wzmacniacza :

 Klasa A:

I

d

= I

MAX

/2;

 Klasa AB:

0 < I

d

< I

MAX

/2;

 Klasa B:

I

d

= 0; V

gs

= V

p0

;

 Klasa C:

I

d

= 0; V

gs

< V

p0

;

0

V

ds

[V]

0,1

0,4

I

d

[A]

0,2

I

MAX

V

K

V

gs

=0

V

gs

=V

p

0

AB

A

B

Wzmacniacz mocy (k)

Wzmacniacz mocy (k)

6

15

3

9

12

53

10. Wzmacniacze

 Schemat ideowy obwodu wzmacniacza mocy.

Wzmacniacz mocy (l)

Wzmacniacz mocy (l)

R

L

V

0D

S

L

C

L

DC1

C

DC

Y

L

V

0G

S

P

W

E

P

WY

P

O

P

AB

S

L

DC2

 Elementy L

DC

i C

DC

służą ustaleniu punktu pracy.

 Obciążeniem jest obwód rezonansowy.

54

10. Wzmacniacze

Wzmacniacz mocy (m)

Wzmacniacz mocy (m)

 Bilans mocy wzmacniacza jest następujący

;

P

P

G

WE

WY



;

P

P

P

PAE

0

WE

WY









;

P

P

P

P

WY

ABS

0

WE







 Wzmocnienie
mocy:


Sprawność:

 P

0

- moc prądu stałego,

 P

WE

- moc sygnału doprowadzonego do

wejścia wzmacniacza,
 P

WY

– moc dostarczona do obciążenia,

 P

ABS

- moc tracona w samym tranzystorze.