ANALIZA GRAFICZNA PRACY WZMACNIACZA
Jeżeli składowa zmienna us(t) = 0 (źródło AC wyłączone) to suma napięć w obwodzie wejściowym wynosi:
Zapis ten można przedstawić graficznie:
Po włączeniu źródła sygnału zmiennego napięcie sterujące wynosi:
równanie to można zilustrować graficznie:
Sterowanie w obwodzie wejściowym TB można również przedstawić w dziedzinie czasu:
Rozumowanie takie jest słuszne w zakresie małych częstotliwości, gdy można pominąć wpływ elementów reaktancyjnych na przesunięcie fazowe.
Podobną analizę można wykonać dla obwodu wyjściowego, w którym suma napięć wynosi:
Do wyznaczenia iC(t) można wykorzystać charakterystykę przejściową:
W oparciu o charakterystykę wyjściową oprócz iC(t) można wyznaczyć także uCE(t):
Wybór położenia punktu pracy
Punkt pracy powinien znajdować się w pobliżu środka prostej obciążenia, wtedy amplituda uCE ≅ UCC
STRUKTURA I PARAMETRY WZMACNIACZA
Jeżeli układ ten ma pełnić funkcję wzmacniacza, to za jego najważniejsze parametry uznawane są współczynniki wzmocnienia napięciowego, prądowego i mocy:
oraz impedancje wejściowa i wyjściowa:
Wymienione parametry wzmacniacza można wyznaczyć z równań opisujących czwórnik (np. [h]) i obwody zewnętrzne:
Dokonując prostych przekształceń otrzymujemy:
Wzmocnienie napięciowe:
Wzmocnienie prądowe:
Porównajmy parametry wzmacniaczy zbudowanych z wykorzystaniem tranzystora o znanych współczynnikach [h] w różnych konfiguracjach:
|
Konfiguracja |
||
|
OB |
OE |
OC |
h11 |
30 Ω |
1360 Ω |
1360 Ω |
h12 |
5⋅10-4 V/V |
3⋅10-4 V/V |
1 |
h21 |
-0,978 A/A |
44,5 A/A |
-45,5 A/A |
h22 |
0,6 μS |
27,3 μS |
27,3 μS |
Tranzystor ten pracuje w układzie wzmacniacza, w którym
ZS = RS = 1000 Ω , ZO = RO = 10 kΩ
wtedy parametry wzmacniaczy z tranzystorem w poszczególnych konfiguracjach są następujące:
|
Konfiguracja |
||
|
OB |
OE |
OC |
RWEJ |
34,9 Ω |
1255 Ω |
359000 Ω |
RWYJ |
930000 |
47300 Ω |
52 Ω |
kU |
278,9 |
-278,5 |
0,996 |
kI |
0,972 |
-34,9 |
34,9 |
kP |
271 |
9736 |
34,8 |
Na podstawie ostatniej tabeli można ocenić praktyczną przydatność poszczególnych wzmacniaczy (sformułować wnioski).
ZNIEKSZTAŁCENIA WE WZMACNIACZACH
Podstawową funkcją wzmacniacza (liniowego) jest wzmacnianie sygnału z zachowaniem jego kształtu.
Rzeczywiste wzmacniacze powodują zniekształcenia: nieliniowe (wywołane nieliniowością charakterystyk statycznych) i liniowe (wywołane niejednakowym wzmocnieniem sygnałów o różnych częstotliwościach).
Nieliniowość elementów wzmacniacza ujawnia się na charakterystyce przenoszenia ⇒ dopuszczalny zakres zmian sygnału na wejściu i na wyjściu wzmacniacza, tzw. zakres dynamiczny DS zdefiniowany jako:
Zniekształcenia nieliniowe wyraża liczbowo współczynnik zawartości harmonicznych:
lub współczynnik zniekształceń całkowitych:
CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE WZMACNIACZA
Ch-ka amplitudowa - zależność modułu wzmocnienia od częstotliwości: kU(f) , kI(f) , kP(f)
Ch-ka fazowa - zależność przesunięcia fazowego wprowadzanego przez wzmacniacz od częstotliwości:
Ch-ka amplitudowo-fazowa - Im[kU(f)]=g{Re[kU(f)]}, jest miejscem geometrycznym punktów końcowych promienia o długości kU i kącie nachylenia
Na podstawie kształtu charakterystyki amplitudowej można dokonać podziału wzmacniaczy na dwie główne grupy:
wzmacniacze napięcia /prądu stałego (sygnałów wolnozmiennych),
wzmacniacze napięcia zmiennego (selektywne, szerokopasmowe, górnoprzepustowe).
Ważną grupę stanowią wzmacniacze pasmowoprzepustowe, których właściwości analizuje się dzieląc cały zakres zmian częstotliwości sygnału na kilka podzakresów (najczęściej trzy):
Rozważmy wzmacniacz pasmowoprzepustowy z tranzystorem bipolarnym w konfiguracji OE:
Przy czym: rb ↔ rbb' rπ ↔ rb'e Cπ ↔ Cb'e Cμ ↔ Cb'c
Podany szerokopasmowy model wzmacniacza można uprościć na potrzeby analizy w poszczególnych podzakresach:
Wyznaczmy teraz transmitancję napięciową układów w poszczególnych podzakresach.
Zakres małych częstotliwości
Napięcie U0 na wyjściu układu: Napięcie sterujące U:
Wprowadzając oznaczenie rw=RB(rb+rπ) otrzymujemy schemat obwodu wejściowego:
zatem poszukiwana transmitancja
gdzie:
Z definicji pulsacji granicznych 3dB
Zakres dużych częstotliwości
Transmitancję w zakresie w.cz. można wyznaczyć w oparciu o podany wcześniej model, w którym dla ułatwienia analizy przyjęto, że RB>>rb+rπ ⇒ RB można w modelu pominąć:
Pomimo przyjętych założeń upraszczających analiza obwodowa w dalszym ciągu jest dość złożona (węzłowa lub oczkowa).
Znaczne udogodnienie analizy daje rozdzielenie obwodów wyjściowego i wejściowego drogą neutralizacji pojemności Cμ np. metodą Millera:
gdzie Cm pojemność millerowska jest zdefiniowana następująco:
Teraz, dla wyznaczenia transmitancji oraz pulsacji granicznych, obwody wejściowy i wyjściowy można analizować oddzielnie.
Transmitancja obwodu wejściowego
Transmitancja napięciowa tego obwodu wynosi:
Transmitancja obwodu wyjściowego
Transmitancja napięciowa tego obwodu wynosi:
Wypadkowa transmitancja wzmacniacza (w zakresie w.cz.) jest iloczynem transmitancji składowych i wynosi:
Transmitancja ta zawiera dwa bieguny dla ωgWEJ i ωgWYJ .
Na ogół ωgWEJ < ωgWYJ co uwzględniono na wykresie modułu tej transmitancji:
Jeżeli ωgWEJ i ωgWYJ są odległe to o górnej pulsacji granicznej decyduje mniejsza z nich.
Jeżeli ωgWEJ ≅ ωgWYJ = ωg to spadek wzmocnienia dla ωg wynosi 6 dB ⇒ 3 dB pulsacja graniczna jest mniejsza od ωg, w tym przypadku stromość opadania charakterystyki wynosi -12 dB/okt. czyli -40 dB/dek.
Analiza obwodowa modelu wzmacniacza w zakresie w.cz. może być także przeprowadzona z wykorzystaniem jednobiegunowej aproksymacji charakterystyki:
gdzie:
wówczas górna częstotliwość graniczna, określona przez obwód wejściowy wynosi:
PODSTAWY ELEKTRONIKI Jacek Zientkiewicz
__________________________________________
POLITECHNIKA LUBELSKA II - 138
Oznaczenia:
UBB , UCC - składowa stała (DC)
us(t) - składowa zmienna (AC)
uBE(t), iB(t) - AC+DC
Ze zmiennego położenia prostej obciążenia wynika, że w prądzie bazy istnieje składowa zmienna.
⇔ Czwórnik
⇔ Obwody zewnętrzne
Uwaga!
Podać układ do pomiaru ZWYJ
UWY 1, UWY 2, UWY 3 - wartości skuteczne poszczególnych harmonicznych napięcia wyjściowego
Czasem wystarcza znajomość wartości modułu współczynnika wzmocnienia:
Wzmocnienia często określane są w mierze logarytmicznej:
Uwaga!
Na wykresach oś częstotliwości jest najczęściej przedstawiana w skali logarytmicznej.
Charakterystyki częstotliwościowe we współrzędnych biegunowych są wykorzystywane przy badaniu stabilności układu.
Zastępując tranzystor jego schematem zastępczym typu π otrzymujemy małosygnałowy liniowy model wzmacniacza słuszny w całym paśmie częstotliwości:
W zakresie małych częstotliwości
W zakresie średnich częstotliwości (w pobliżu środka pasma)
W zakresie wielkich częstotliwości
Z tego wzoru łatwo określić pojemność CS jeżeli zadana jest pulsacja graniczna ωd
(lub odwrotnie: można obliczyć ωd dla określonej pojemności CS).
Wzmocnienie kU0 w środku pasma jest liczbą stałą rzeczywistą.
W celu uzyskania prostszej postaci obwodu wejściowego zastosujemy twierdzenie Thevenina o generatorze zastępczym.
Wydajność napięciowa generatora Thevenina wynosi:
Rezystancja wewnętrzna generatora Thevenina wynosi:
Korzystając z twierdzenia Nortona generator prądowy w obwodzie wyjściowym można zamienić na równoważny generator napięciowy.
Wydajność napięciowa generatora Nortona wynosi:
a jego rezystancja wewnętrzna wynosi: