UKŁADY WZMACNIAJĄCE(WZMACNIACZE)

Wzmacniaczem elektrycznym nazywa się układ:

w którym po doprowadzeniu do zacisków wejściowych sygnału w postaci napięcia
lub prądu
- na zaciskach wyjściowych, do których dołączone jest obciążenie
.

Otrzymuje się:

Napięcie wyjściowe

Lub prąd wyjściowy

Proporcjonalne do napięcia lub prądu wejściowego, przy czym moc uzyskana w obwodzie wyjściowym jest większa niż moc sygnału doprowadzonego do obwodu wejściowego:

Wzmocnienie uzyskuje się kosztem energii, doprowadzonej z dodatkowego źródła energii, którym jest źródło zasilające(bateria zasilająca).

Do wzmacniania przebiegów elektrycznych wykorzystuje się właściwości tranzystorów i lamp elektronowych; zasada działania wzmacniacza tranzystorowego i wzmacniacza lampowego została już wyjaśniona podczas omawiania elementów: tranzystorów i triody.

Współczynnik
nazywa się współczynnikiem wzmocnienia napięciowego; współczynnik
- współczynnikiem wzmocnienie prądowego.

Wzmocnienie napięciowe i prądowe często dogodnie jest przedstawiać w postaci logarytmicznej, wyrażając je w decybelach:

;

Współczynniki
oraz
powinny mieć wartości stałe, niezależnie od parametrów sygnału wejściowego. Jednakże warunek stałości współczynnika wzmocnienia nie jest nigdy dokładnie spełniany, a wartość
oraz
zależy zarówno od amplitudy jak i częstotliwości sygnału sterującego.

Podstawowe właściwości wzmacniacza przedstawić można w postaci zależności
, zwanej charakterystyką dynamiczną wzmacniacza:

Nachylenie tej charakterystyki określa:
lub
. Charakterystyka dynamiczna wzmacniacza powinna być prostoliniowa, jednak wskutek nieliniowości charakterystyk tranzystorów lub lamp ulega ona zakrzywieniu przy dużych wartościach
.

Prawidłową pracę wzmacniacza uzyskuje się tylko przy takich wartościach
lub
, przy których charakterystyka dynamiczna jest prostoliniowa, a współczynnik
oraz
nie zależą od wartości wielkości wejściowej. Wzmacniacz może zatem poprawnie pracować tylko w ograniczonym zakresie napięć(lub prądów) wejściowych.

Przy zbyt dużych napięciach wejściowych wzmacniacz jest przesterowany przy sinusoidalnym napiciu
, napięcie
ma wówczas kształt:

Wzmacniacz nie może także wzmacniać zbyt małych napięć wejściowych. Przyczyną tego są tzw. szumy oraz zakłócenia(sygnały zakłócające).

Wskutek nieliniowości charakterystyk tranzystorów lub lamp, charakterystyka dynamiczna, nawet w prawidłowym zakresie wielkości
i
, nigdy nie jest idealnie liniowa. W rezultacie, sygnał wyjściowy nie odtwarza idealnie przebiegu sygnału wejściowego, lecz jest w mniejszym lub większym stopniu zniekształcone. Powstające zniekształcenie noszą nazwę zniekształceń nieliniowych(nielinearnych).

Przy sinusoidalnym sygnale wejściowym, sygnał wyjściowy jest zniekształconą sinusoidą. Ponieważ każdy przebieg kresowy sinusoidalny przedstawić można jako sumę szeregu przebiegów sinusoidalnych o częstotliwościach harmonicznych w stosunku do częstotliwości sygnału, tzn. czy częstotliwościach: f, 2f, 3f, .....nf i odpowiednio dobranych amplitudach i fazach. Zniekształcenie nieliniowe powstające przy sinusoidalnym sygnale wejściowym wyraża się liczbowo tzw. współczynnikiem zawartości harmonicznych, określonym jako:

Zawartość harmonicznych nie powinna przekraczać 0,1...10%, zależnie od przeznaczenia wzmacniacza. Zależność wzmocnienia wzmacniacza od częstotliwości sygnału sterującego przy sinusoidalnym sygnale wejściowym, przedstawia się w postaci charakterystyki częstotliwościowej
lub
, przedstawiającej zależność stosunku amplitud przebiegu wyjściowego do wejściowego od częstotliwości.

Na podstawie typowych przebiegów tych charakterystyk, wzmacniacze można podzielić na:

- wzmacniacze prądu stałego, dające pełne wzmocnienie już dla f=0, czyli dla prądu stałego.

- wzmacniacze prądy zmiennego, nie dające wzmocnienia dla f=0. Wzmacniacze prądu zmiennego mogą być szerokopasmowe tzn. wykazujące stałe wzmocnienie w szerokim zakresie częstotliwości lub selektywne, mające duże wzmocnienie tylko w określonym, wąskim paśmie częstotliwości.

Rezystancja wejściowa wzmacniacza
, określające warunki współpracy wzmacniacza ze źródłem sterującym:

W przypadku, gdy ważne jest uzyskanie dużego wzmocnienia napięciowego, rezystancja
powinna być możliwie duża, gdyż

Ponadto wzmacniacz o dużej
mało obciąża źródło sterujące, pobierające mały prąd

Rezystancja wyjściowa wzmacniacza
, określające warunki współpracy wzmacniacza z obciążeniem:

Szerokopasmowe wzmacniacze napięciowe

Służą do wzmacniania słabych sygnałów elektrycznych w szerokim paśmie częstotliwości. Budowane są ze stopni wzmacniających z tranzystorami bipolarnymi lub unipolarnymi albo przy użyciu układów scalonych.

W zależności od budowy i właściwości rozróżnia się:

- wzmacniacze oporowe ze sprzężeniem pojemnościowym(wzmacniacze prądu zmiennego)

- wzmacniacze ze sprzężeniem bezpośrednim(galwanicznym)-(wzmacniacze prądu stałego).

Wzmacniacze oporowe ze sprzężeniem pojemnościowym- wzmacniacze RC

Budowane są w sposób, umożliwiający oddzielenie napięć stałych, zapewniających odpowiednią polaryzację tranzystorów od składowych zmiennych(sygnałowych).

Najprostszy 1-stopniowy wzmacniacz RC z tranzystorem bipolarnym:

Masa - wspólny punkt odniesienia napięcia WE i WY

+ Ec - napięcie zasilające(drugi biegun dołączony do masy)

Złącze baza-kolektor i obwód kolektora polaryzowane(zasilane) ze wspólnego źródła zasilania Ec.

Rc - rezystor kolektorowy, niezbędny dla uzyskania wzmocnienia napięciowego.

- rezystor polaryzujący(zasilający) obwód bazy.

Polaryzacja(zasilanie)tranzystora:

Baza zasilana ze źródła Ec poprzez rezystor
:

Prąd kolektora:

a zatem:

oraz:

Np.:
;
;
;
;
;
;

Kondensatory sprzęgające
i
doprowadzają napięcie wejściowe(sterujące) do obwodu wejściowego(baza - emiter) tranzystora oraz doprowadzają składową zmienną napięcia kolektora odpowiadającą wzmocnionemu napięciu wejściowemu, do wyjścia wzmacniacza.

Kondensatory te oddzielają jednocześnie WE i WY od napięć stałych, polaryzujących bazę i kolektor tranzystora.

Wzmocnienie napięciowe wzmacniacza:

gdzie
- parametry tranzystora w ustalonym punkcie pracy.

Zastosowany w omawianym układzie sposób polaryzacji bazy tranzystora przez rezystor
powoduje wymuszenie określonego stałego prądu bazy
. Ze względu na duży rozrzut współczynnika β tranzystora (np. β = 20...200) powoduje to duży rozrzut uzyskiwanego prądu kolektora (
) i napięcia kolektor - emiter (
), a zatem spoczynkowego punktu pracy. Rozrzut może być ta duży, że uniemożliwi pracę wzmacniacza!! Uzyskanie ustalonego punktu pracy wymaga dobierania

wartości
do każdego egzemplarza tranzystora [

], przez co układ taki nie nadaje się do produkcji masowej i jest rzadko stosowany w praktyce.

Lepszy sposób zasilania tranzystora, tzw. potencjometryczny układ zasilania bazy:

Baza zasilana ze źródła Ec poprzez dzielnik napięcia
,
; napięcie bazy:

Przy doborze odpowiednio małych
i

(ale nie można przesadzać ze zmniejszeniem
i
, bo zmniejsza to impedancję wejściową wzmacniacza).

Napięcie emitera:

W obwodzie emitera umieszczony rezystor
; prąd emitera:

Prąd kolektora:

(α= 0,95...0,99)

mało zależy od parametrów tranzystora.

Układ zapewnia łatwy dobór spoczynkowego punktu pracy, małą zależność od rozrzutu parametrów tranzystora i jest powszechnie stosowany we wzmacniaczach tego typu.

Układ zapewnia mniejszy zakres zmian napięcia wyjściowego(zmniejszony o napięcie emitera
).

Kondensator emiterowy
blokuje emiter do masy, co zapewnia, że całe zmienne napięcie sterujące
z WE jest doprowadzone do obwodu wejściowego BE tranzystora(poprzez
i
).

Wzmocnienie napięciowe
:

gdzie
- parametry tranzystora w ustalonym punkcie pracy.

Rezystancja wejściowa wzmacniacza:

Nie można przesadzać ze zmniejszaniem wartości
, co prowadzi do lepszej stabilizacji spoczynkowej punktu pracy, bo jednocześnie zmniejsza się rezystancja wejściowa wzmacniacza, wprowadzając dodatkowe zbędne obciążenie źródła sygnału sterującego.

Podobny układ z wzmacniacza z tranzystorem unipolarnym:

Co zapewnia właściwą(ujemną) polaryzację bramki.

Wzmacniacze wielostopniowe

Budowane w celu uzyskania dużego wzmocnienia. Kaskadowe łączenie stopni wzmacniających, wypadkowe wzmocnienie:

Przykład:

Dwustopniowy wzmacniacz RC z tranzystorem bipolarnym:

Łatwe sprzęganie stopni ze względu na oddzielenie przez kondensatory sprzęgające składowych stałych.

W układach wielostopniowych o przebiegu charakterystyki dynamicznej
, maksymalnym napięciu wyjściowym i zniekształceniach nieliniowych decyduje z reguły ostatni stopień wzmacniacza, stopień ten jest sterowany największym sygnałem wejściowym, wzmocnionym przez poprzedzające stopnie i wytwarza największe napięcie wyjściowe.

Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniaczy RC; ograniczenia częstotliwościowe

Wzmacniacze RC zapewniają pełne wzmocnienie sygnałów w szerokim, ale ograniczonym zakresie częstotliwości.

W zakresie dużych częstotliwości wzmocnienie wzmacniacza maleje ze względu na spadek wzmocnienia tranzystorów przy dużych częstotliwościach. Przy uwzględnieniu zmniejszenia współczynnika β tranzystora ze wzrostem częstotliwości, wzmocnienie 1-go stopnia wzmocnienia tranzystora wyraża się znanym wzorem:

Ponadto spadek wzmocnienia przy dużych częstotliwościach może być powodowany przez pojemności bocznikujące, dołączone równolegle do obwodu wyjściowego tranzystora. Pojemności takie mogą być nie ujawnione na schemacie elektrycznym, gdyż wynikają z pojemności rozproszonych oprawek tranzystora, elementów względem masy itp. zanych ogólnie pojemnościami montażowymi.

Pojemność taka powoduje, że impedancja obciążenia tranzystora jest równa:

i maleje ze wzrostem częstotliwości:

Po uwzględnieniu wpływu pojemności bocznikującej:

Przy niezbyt dużych częstotliwościach współczynnik β tranzystora ma pełną nominalną wartość
, a wpływ pojemności bocznikującej
jest do pominięcia. W tym zakresie częstotliwości

W zakresie małych częstotliwości wzmocnienie maleje ze względu na zwiększanie się impedancji kondensatorów sprzęgających i kondensatorów emiterowych.

Wpływ kondensatora sprzęgającego
:

;

Podobnie działa
, jeżeli do wyjścia wzmacniacza dołączone jest obciążenie
:

;

Kondensator emiterowy
przy małych częstotliwościach nie zwiera emitera do masy, w wyniku czego powstaje spadek napięcia zmiennego na impedancji
, co zmniejsza efektywne napięcie, sterujące zaciski baza-emiter tranzystora; wpływ tego kondensatora powoduje, że

;

Całkowite wzmocnienie tego wzmacniacza w zakresie małych częstotliwości jest równe iloczynowi wzorów z
itd., uwzględniającymi wpływ wszystkich kondensatorów sprzęgających i emiterowych w całym(np. wielostopniowym) wzmacniaczu.

Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza RC:

Wzmacniacze szerokopasmowe(np.
= 10...10Hz;
=10 kHz ... 10MHz), ale bez możliwości wzmocnienia sygnałów wolnozmiennych, stąd określenie „wzmacniacze prądu zmiennego”( Przy f = 0 wzmocnienie = 0).

Przy małych i dużych częstotliwościach jednocześnie ze zmniejszeniem modułu wzmocnienia zmienia się przesunięci fazowe sygnału wyjściowego względem wejściowego ( o dodatkowe
dla każdego bieguna
lub
).

Wzmacniacze prądu stałego(wzmacniacze przebiegów wolnozmiennych).

Wzmacniacze, których wzmocnienie nie maleje w zakresie małych częstotliwości; mają pełne wzmocnienie od częstotliwości f = 0 (
).

Wzmacniacze prądu stałego wymagają specjalnej konstrukcji:

• nie mogą zawierać żadnych kondensatorów sprzęgających lub emiterowych:

muszą być budowane jako tzw. wzmacniacze o sprzężeniu bezpośrednim.

Niemożliwości stosowania kondensatorów sprzęgających i emiterowych utrudnia budowę wzmacniacza ze względu na brak rozdzielenia składowych stałych(polaryzujących, zasilających) od składowych zmiennych(sygnałowych).

Wzmacniacz jednostopniowy z tranzystorem bipolarnym jako wzmacniacz prądu stałego:

• brak wspólnego punktu odniesienia(masy) dla obwodu WEJŚCIA i WYJŚCIA

• polaryzacja bazy doprowadzona przez źródło sygnału sterującego
  

• do zacisków wyjściowych oprócz sygnału wyjściowego doprowadzone napięcie polaryzujące( zasilające)
  (+6V)

• kłopoty z dołączeniem do wyjścia wejścia kolejnego stopnia( kolektor ma potencjał +6V względem masy, baza następnego stopnia powinna mieć potencjał +0,6V względem emitera)

Prąd spoczynkowy bazy:

Prąd spoczynkowy kolektora:

Napięcie spoczynkowe kolektora:

Napięcie to jest podawane bezpośrednio na wyjście wzmacniacza.

Napięcie to może się zmieniać w wyniku zmian, nie związanych z sygnałem wejściowym( sterującym):

- można eliminować przez stosowanie stabilizowanych źródeł zasilania

- nie da się uniknąć, gdyż pojawiają się w wyniku zmian temperatury tranzystora

Np.

W wyniku takich zmian, wynikających z niestałości spoczynkowego punktu pracy powstaje fałszywy sygnał wyjściowy( wolnozmienny), zwany dryft wzmacniacza.

Uniemożliwia to wzmacnianie słabych sygnałów wolnozmiennych; wzmacniane mogą być tylko silne sygnały, które dają sygnał wyjściowy znacznie większy od sygnału fałszywego powodowanego dryftem.

Dryft nie występuje we wzmacniaczach prądu zmiennego( RC), bo jako wolnozmienny jest eliminowany przez kondensatory sprzęgające.

Dryft stanowi natomiast charakterystyczną, negatywną cechę wzmacniaczy prądu stałego.

Dryft jest szczególnie trudną do opanowania we wzmacniaczach wielostopniowych, gdzie dryft pierwszego stopnia jest wzmacniany przez następne stopnie.

Najkorzystniejszą konstrukcję wzmacniaczy prądu stałego wraz ze znacznym zmniejszeniem dryftu uzyskuje się w wyniku zastosowania w pierwszym( lub kilku pierwszych) stopniach wzmacniacza tzw. wzmacniacza różnicowego.

Napięcie sterujące tranzystorami:

Zależy od różnicy napięć wejściowych
i
;, tranzystory sterowane są w przeciwnej fazie, tzn. wzrost
powoduje wzrost
i zmniejszenie
; wzrost
powoduje wzrost
; wzrost
powoduje wzrost
i zmniejszenie
, przy czym:

( zwłaszcza, gdy zamiast
stosuje się stabilizator prądu - źródło stałoprądowe).

Jednocześnie jednakowa zmiana i
powoduje zachowanie
, a przy
ponadto
.

Także zmiana
,
i każda jednocześnie jednakowa zmiana parametrów obu tranzystorów nie zmienia różnicy napięć wyjściowych

Przy idealnej symetrii( tranzystorów i rezystorów) układ całkowicie eliminuje dryft!!

Idealna symetria niemożliwa do uzyskania, ale znaczne zmniejszenie dryftu, zwłaszcza w przypadku tranzystorów wykonanych w układzie scalonym, gdzie są prawie identyczne ( wspólny cykl produkcyjny) i bardzo blisko siebie( w odległości kilku μm!!).

Np. dryft temperaturowy zmniejsza się do ok.
( przy specjalnych konstrukcjach scalonych -
).

Wartość łączenia we wzmacniacze wielostopniowe, bo wyjście symetryczne może bezpośrednio połączyć z symetrycznym wejściem następnego stopnia, bo stosowanie tranzystorów drugiego stopnia zależy od różnicy napięć, a nie od bezwzględnej wartości napięć.

1

---