ANALIZA GRAFICZNA PRACY WZMACNIACZA

Jeżeli składowa zmienna u_s(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 i_C(t) można wykorzystać charakterystykę przejściową:

W oparciu o charakterystykę wyjściową oprócz i_C(t) można wyznaczyć także u_CE(t):

Wybór położenia punktu pracy

Punkt pracy powinien znajdować się w pobliżu środka prostej obciążenia, wtedy amplituda u_CE ≅ U_CC

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

Z_S = R_S = 1000 Ω , Z_O = R_O = 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 D_S zdefiniowany jako:

Zniekształcenia nieliniowe wyraża liczbowo współczynnik zawartości harmonicznych:

lub współczynnik zniekształceń całkowitych:

CHARAKTERYSTYKI CZĘSTOTLIWOŚCIOWE WZMACNIACZA

1. Ch-ka amplitudowa - zależność modułu wzmocnienia od częstotliwości: k_U(f) , k_I(f) , k_P(f)

2. Ch-ka fazowa - zależność przesunięcia fazowego wprowadzanego przez wzmacniacz od częstotliwości:
   

3. Ch-ka amplitudowo-fazowa - Im[k_U(f)]=g{Re[k_U(f)]}, jest miejscem geometrycznym punktów końcowych promienia o długości k_U 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: r_b ↔ r_bb' r_π ↔ r_b'e C_π ↔ C_b'e C_μ ↔ C_b'c

Podany szerokopasmowy model wzmacniacza można uprościć na potrzeby analizy w poszczególnych podzakresach:

Wyznaczmy teraz transmitancję napięciową układów w poszczególnych podzakresach.

1. Zakres małych częstotliwości

Napięcie U₀ na wyjściu układu: Napięcie sterujące U:

Wprowadzając oznaczenie r_w=R_B(r_b+r_π) otrzymujemy schemat obwodu wejściowego:

zatem poszukiwana transmitancja

gdzie:

Z definicji pulsacji granicznych 3dB

2. Zakres dużych częstotliwości

Transmitancję w zakresie w.cz. można wyznaczyć w oparciu o podany wcześniej model, w którym dla ułatwienia analizy przyjęto, że R_B>>r_b+r_π ⇒ R_B 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 C_μ np. metodą Millera:

gdzie C_m 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 ω_gWEJ i ω_gWYJ .

Na ogół ω_gWEJ < ω_gWYJ co uwzględniono na wykresie modułu tej transmitancji:

Jeżeli ω_gWEJ i ω_gWYJ są odległe to o górnej pulsacji granicznej decyduje mniejsza z nich.

Jeżeli ω_gWEJ ≅ ω_gWYJ = ω_g to spadek wzmocnienia dla ω_g wynosi 6 dB ⇒ 3 dB pulsacja graniczna jest mniejsza od ω_g, 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:

U_BB , U_CC - składowa stała (DC)

u_s(t) - składowa zmienna (AC)

u_BE(t), i_B(t) - AC+DC

Ze zmiennego położenia prostej obciążenia wynika, że w prądzie bazy istnieje składowa zmienna.

⇔ Czwórnik

⇔ Obwody zewnętrzne

Uwaga!

Podać układ do pomiaru Z_WYJ

U_{WY 1}, U_{WY 2}, U_{WY 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 C_S jeżeli zadana jest pulsacja graniczna ω_d

(lub odwrotnie: można obliczyć ω_d dla określonej pojemności C_S).

Wzmocnienie k_U0 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: