Sygnał elektryczny - przebieg czasowy napięcia lub natężenia prądu elektrycznego wykorzystany do przekazania informacji, np. dźwięku, obrazu, danych, bodźców sterujących itp.

Sygnał impulsowy - sygnał o dużej amplitudzie trwający bardzo krótko. W praktyce określenie impuls odnosi się najczęściej do przebiegów, których czas trwania jest znacznie krótszy niż okres powtarzania

Wartość skuteczną (effective) sygnału okresowego (prądu) o okresie T wyraża zależność:

Odpowiada ona wartości prądu stałego, który przepływając przez rezystor o stałej (niezmiennej) wartości rezystancji, spowoduje wydzielenie w nim takiej samej ilości energii (w postaci ciepła), co prąd sinusoidalny płynący w tym samym czasie.

Wartość średnią (average) sygnału okresowego (prądu) o okresie T wyraża zależność:

Odpowiada ona wartości prądu stałego, który płynąc przez dany przekrój poprzeczny przewodnika przeniósłby w tym samym czasie taki sam ładunek, jak prąd zmienny.

Z INNEJ BAJKI

Napięcie elektryczne - WOLT V

Rezystancja - OHM Ω

Indukcyjność - henr H

Częstotliwość - herc Hz

UKLADY RLC

Opornikiem lub rezystorem nazywamy element o określonej rezystancji stałej lub zmiennej (regulowanej}. Oporniki o rezystancji regulowanej często nazywa się potencjometrami. Każdy opornik charakteryzuje się trzema podstawowymi parametrami:

• rezystancja znamionowa R podawana w [Ω], [kΩ], lub [MΩ]

• tolerancja podawana w procentach (najczęściej 5, 10 lub 20%)

• wartość mocy dopuszczalnej (najczęściej 0.1, 0.25, 0.5, 1, lub 2 W).

Kondensatorem nazywamy element bierny o określonej pojemności stałej lub regulowanej.

Kondensator składa się z dwóch przewodzących okładek odizolowanych od siebie dielektrykiem. W zależności od konstrukcji i rodzaju dielektryka rozróżnia się m in. kondensatory: powietrzne, papierowe,polistyrenowe, ceramiczne, mikowe, elektrolityczne itd. Każdy kondensator charaktery żuje się trzema podstawowymi parametrami:

• wartość pojemności C podawana najczęściej w [μF], [nF], lub [pF],

• tolerancja podawana w procentach (najczęściej 10, 20 lub 50%),

• maksymalne napięcie pracy podawane w [V].

Obwodem całkującym jest obwód liniowy zawierający pojemność i rezystancję lub indukcyjność i rezystancję połączone w sposób pokazany na rysunku

Z rysunku wynika wyraźnie, że im stała czasowa τ = RC lub τ = L/R jest większa, tym kształt sygnału wyjściowego bardziej odbiega od kształtu sygnału wejściowego. Obwód całkujący można rozpatrywać jako filtr dolnoprzepustowy przepuszczający składowe sygnału o małych częstotliwościach, a tłumiący składowe o większych częstotliwościach. Z przedstawionego rysunku wynika, że przy dużej stałej czasowej zbocze przednie sygnału prostokątnego zamieniane jest na przebieg liniowo narastający, mamy więc do czynienia z całkowaniem sygnału wejściowego.

Obwodem różniczkującym jest obwód liniowy zawierający pojemność i rezystancję lub indukcyjność i rezystancję połączone w sposób pokazany na poniższym rysunku:

obwody różniczkujące zmieniają kształt doprowadzonego sygnału. im mniejsza stała czasowa τ = RC lubτ =L/R tym bardziej kształt sygnału wyjściowego różni się od kształtu sygnału wejściowego. Układ różniczkujący można rozpatrywać jako filtr przepuszczający składowe sygnału o większych częstotliwościach i tłumiący składowe o małych częstotliwościach, czyli jako filtr górnoprzepustowy. Przy odpowiednio małej stałej czasowej układ różniczkujący powoduje zamianę sygnału prostokątnego na ciąg impulsów szpilkowych na przemian dodatnich i ujemnych, następuje więc z punktu widzenia matematyki różniczkowanie sygnału wejściowego. Zgodnie z zasadami różniczkowania (pochodna wartości stałej jest równa zeru), sygnał wyjściowy nigdy nie zawiera składowej stałej mimo, że występowała ona w sygnale wejściowym. Stwierdzenie to jest prawdziwe jedynie dla układów RC. Fizycznie powodowane jest to obecnością szeregowego kondensatora na wejściu układu różniczkującego.

Obwodem rezonansowym nazywamy taki odwód elektryczny, który zawiera jednocześnie

pojemność C i indukcyjność L.

Jeżeli pojemność i indukcyjność są połączone szeregowo w stosunku do źródła zasilania, mówimy o szeregowym obwodzie rezonansowym. Każdy rzeczywisty obwód rezonansowy oprócz pojemności i indukcyjności posiada również pewną rezystancję R zwaną rezystancją strat. Składa się na nią oporność drutu, z którego wykonana jest cewka, przeliczone na oporność straty w rdzeniu cewki, przeliczone na oporność straty w kondensatorze oraz oporność przewodów łączeniowych. Ogólnie im mniejsza oporność strat tym lepszy obwód rezonansowy. Parametrem określającym jakość obwodu rezonansowego jest jego dobroć. Dobrocią Q nazywamy stosunek reaktancji pojemnościowej lub indukcyjnej w rezonansie do oporności strat.

Charakterystyką obwodu rezonansowego nazywamy zależność prądu w obwodzie od częstotliwości. Można spotkać się również z zależnością impedancji obwodu od częstotliwości. Ta ostatnia charakterystyka jest prostym odwróceniem charakterystyki prądowej. Dokładny kształt charakterystyki, jej wysokość i szerokość jest uzależniony od dobroci obwodu. Na podstawie charakterystyki można określić pasmo przenoszenia obwodu. Można dowieść, ze pasmo przenoszenia uzależnione jest przede wszystkim od dobroci obwodu rezonansowego i wynosi:

Podobny kształt do charakterystyki prądowej posiada charakterystyka przedstawiająca przebieg napięcia na cewce lub kondensatorze w funkcji częstotliwości. Wynika z tego możliwość zastosowania szeregowego obwodu rezonansowego do wyboru sygnałów o określonej częstotliwości, np. do wyboru stacji w odbiorniku radiowym.

Równoległy obwód rezonansowy powstaje przez połączenie równolegle do źródła napięcia pojemności C i indukcyjności L. Rzeczywisty obwód, podobnie jak szeregowy obwód rezonansowy posiada również rezystancję strat R. Należy zwrócić uwagę, ze jeżeli oporność strat przedstawiana jest w postaci oprnika równoległego, to mała wartość oporności reprezentuje duże straty, a duża oporność małe straty. W związku z tym definicja dobroci dla równoległego obwodu rezonansowego z równoległą prezentacją strat jest następująca:

Warunek rezonansu oraz częstotliwość rezonansowa są takie same jak dla szeregowego obwodu rezonansowego.

Charakterystyczną cechą równoległego obwodu rezonansowego jest tendencja do wytwarzania drgań. W idealnym obwodzie rezonansowym, a więc w obwodzie bez strat, po pobudzeniu płynąłby w oczku składającym się z pojemności i indukcyjności prąd cyrkulujący na zasadzie wymiany energii pola elektrycznego w kondensatorze i elektromagnetycznego w cewce. Powstałyby niegasnące drgania elektryczne o częstotliwości równej częstotliwości drgań własnych obwodu (częstotliwość rezonansowa f0). Obwód nie pobierałby prądu ze źródła. W obwodzie rzeczywistym również powstaną drgania, z tym, że w skutek strat na rezystancji, będą to drgania gasnące. Równoległe obwody rezonansowe stosowane są głównie do budowy generatorów typu LC oraz do budowy wzmacniaczy selektywnych (rezonansowych). W przypadku wzmacniaczy rezonansowych wykorzystuje się to,że w rezonansie obwód ma maksymalną oporność. Ponieważ wzmocnienie wzmacniacza jest proporcjonalne do oporności w kolektorze tranzystora, wiec włączenie w to miejsce równoległego obwodu rezonansowego zamiast rezystora spowoduje, że wzmacniacz będzie miał maksymalne wzmocnienie dla częstotliwości rezonansowej.

ZASILACZE

Schemat blokowy

Transformator jest elementem indukcyjnym składającym się z co najmniej dwu uzwojeń, przeznaczonym do przekazywania energii z uzwojenia pierwotnego do wtórnego. transformator służy najczęściej do podwyższania lub obniżania napięcia, oraz do dopasowywania rezystancji obciążenia umieszszczonego po stronie wtórnej do rezystancji żródła znajdującego się po stronie pierwotnej. transformatory stosuje się jako elementy sprzęgające poszczególne stopnie we wzmacniaczach.

Prostownik Prostowanie polega na przekształceniu przebiegu elektrycznego zawierającego wartości dodatnie i ujemne na przebieg posiadający tylko wartości jednego znaku, albo dodatnie albo ujemne.

Prostownikiem jednopołówkowym nazywamy taki prostownik, w którym w wyniku prostowania przebieg zmienny zostaje przekształcony na przebieg o wartościach jednego znaku poprzez wyeliminowanie wartości znaku przeciwnego.

Dioda jest tak załączona że przewodzi tylko dla dodatnich połówek przebiegu wejściowego, gdyż tylko wtedy napięcie jest większe niż potencjał na katodzie W półokresie ujemnym dioda nie przewodzi i całe napięcie doprowadzone do prostownika pojawia się na diodzie, dlatego diodę należy tak dobrać, aby jej maksymalne napięcie pracy było wyższe niż amplituda napięcia prostowanego.

Prostowanie dwupołówkowe można realizować na dwa sposoby, w układzie z dzielonym uzwojeniem transformatora i w układzie mostkowym.

Ponieważ środek uzwojenia transformatora jest uziemiony, a więc na potencjale zerowym, przy dodatniej połówce napięcia przewodzi dioda D1, a nie przewodzi dioda D2. Z kolei przy ujemnej połówce napięcia przewodzi dioda D2, a nie przewodzi dioda D1.Przez opornik obciążenia prąd przy obu połówkach płynie w tym samym kierunku. Wartość średnia napięcia na wyjściu prostownika dwupołówkowego jest dwukrotnie większa niż w przypadku prostownika jednopołówkowego.

Prostownik dwupołówkowy w układzie mostkowym, zwanym również układem Graetz`a oraz przebiegi przy strowaniu prostownika sygnałem sinusoidalnym

Filtr Zadaniem filtru jest doprowadzenie uzyskanego na wyjściu prostownika przebiegu do postaci możliwie maksymalnie zbliżonej do napięcia stałego tzn. maksymalne „wygładzenie” przebiegu napięcia.

Stabilizatorem nazywamy układ służący do otrzymania stałej (ściślej: prawie stałej) wartości napięcia lub prądu wyjściowego z zasilacza przy zmianach napięcia zasilającego lub zmianach obciążenia.

MODULACJA

Tak więc modulacją będziemy nazywać proces zapisywania informacji na fali nośnej.

Składowa stała może być dodatnia lub ujemna i stanowi po prostu wartość średnią sygnału Sygnałem elektrycznym nazywamy przebieg w czasie wielkości elektrycznej tj. napięcia lub natężenia prądu elektrycznego. Sygnały mogą być stałe lub zmienne. Do grupy sygnałów stałych zaliczamy sygnały, w których wartość prądu lub napięcia pozostaje niezmienna w czasie.sygnały zmienne. Są to takie sygnały, w których zmienia się kierunek przepływającego prądu lub biegunowość napięcia. Wśród sygnałów zmiennych szczególną rolę odgrywają sygnały okresowe. Sygnałem okresowym nazywamy taki sygnał elektryczny, w którym możemy wyróżnić stały odcinek czasu zwany okresem T, po którym wartość sygnału ulega powtórzeniu. Sygnały zmienne mogą występować bez składowej stałej lub ze składową stałą

Modulacja amplitudy polega na uzależnieniu amplitudy fali nośnej od wartości sygnału modulującego

Głębokością modulacji nazywa się stosunek największego przyrostu amplitudy fali nośnej do amplitudy fali nośnej niemodulowanej.Głębokość modulacji może się zmieniać w granicach od zera do jedności (0 - 100%). Głębokość modulacji 0 oznacza sygnał niemodulowany, głębokość powyżej 100% oznaczałaby sygnał przemodulowany, czyli pojawiłyby się zniekształcenia. W praktyce przyjmuje się najczęściej głębokość modulacji w granicach 30 - 70 %.

Modulacja częstotliwości jest jednym ze sposobów uzyskiwania modulacji kątowej. Polega ona uzależnieniu częstotliwości fali nośnej od wartości sygnału modulującego.

Modulacja fazy polega na uzależnieniu kąta fazowego fali nośnej od wartości sygnału modulującego. Przy modulacji fazy fali nośnej prostym tonem sinusoidalnym o częstotliwości f kąt zmienia się okresowo ϕ = ϕ0 + Δϕ sin 2 π f

Detekcja zwana również demodulacją jest procesem odwrotnym do modulacji. Polega ona na odtworzeniu z sygnału zmodulowanego zapisanej w nim informacji. W zależności od sposobu zastosowanej modulacji mamy detekcję amplitudy i detekcję częstotliwości stosowaną przy

demodulacji sygnałów zmodulowanych kątowo.

Detekcja amplitudy polega na takim przekształceniu sygnału zmodulowanego, aby pojawiła się w nim wartość średnia proporcjonalna do obwiedni, czyli do wartości sygnału modulującego. Można to uzyskać przepuszczając odebrany sygnał zmodulowany przez diodę, która przewodząc prąd jednokierunkowo pozostawi jedynie dodatnie połówki sygnału.

detektora częstotliwości jest przekształcenie odebranego napięcia o modulowanej częstotliwości na napięcie o częstotliwości akustycznej. Układ detektora częstotliwości składa się z trzech bloków: ogranicznika amplitudy, dyskryminatora i detektora amplitudy.

ogranicznika jest wyeliminowanie zakłóceń amplitudy, które pojawiają się w trakcie transmisji sygnału.

dyskryminatora jest przekształcenie sygnału o stałej amplitudzie i zmiennej częstotliwości na sygnał o amplitudzie proporcjonalnej do częstotliwości, czyli zamiana sygnału z modulacją częstotliwości na sygnał o zmodulowanej amplitudzie Najprostszym dyskryminatorem jest obwód rezonansowy pracujący na zboczu charakterystyki

detektora jest przekształcenie sygnału zdemodulowanego amplitudowo, uzyskanego po dyskryminatorze na sygnał akustyczny.

Przemiana częstotliwości polega na zamianie częstotliwości fali nośnej bez zmiany kształtu i

charakteru modulacji.

GENERATORY

Generatorem nazywamy układ lub urządzenie elektroniczne służące do wytwarzania napięć zmiennych kosztem energii prądu stałego pobieranej ze źródła zasilania. Wytwarzane napięcia zmienne mogą mieć regulowaną amplitudę i częstotliwość, można też uzyskiwać różne kształty wytwarzanych przebiegów - sinusoidalne, prostokątne, trójkątne itp.

Generatory sinusoidalne budowane są zwykle w oparciu o dodatnie sprzężenie zwrotne.

Układ takiego wzmacniacza ze sprzężeniem zwrotnym stanie się generatorem wtedy, gdy spełnione zostaną dwa warunki: zgodności fazy i wartości amplitudy.Warunek zgodności fazy polega na tym, że napięcie sprzężenia zwrotnego doprowadzone do wejścia wzmacniacza z jego wyjścia musi mieć tę samą fazę co i napięcie na wejściu. Jeśli wzmacniacz przesuwa napięcie o określony kąt, to w pętli sprzężenia zwrotnego musi być dokonane dalsze przesunięcie tak, aby przesunięcie sumaryczne było równe n∗360°. Warunek wartości amplitudy polega na tym, że napięcie sprzężenia zwrotnego doprowadzane do wejścia wzmacniacza musi mieć taką wartość, aby podtrzymywało wzbudzone drgania.

Generatory LC

Podstawą budowy generatorów z tej grupy jest wzmacniacz selektywny objęty pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego. W zależności od sposobu pobierania napięcia do obwodu sprzężenia zwrotnego, występują różne rozwiązania generatorów LC. Najczęściej spotykane typy generatorów w tej grupie to: generator Meissnera, generator Colpittsa oraz generator Hartleya.

Napięcie z obwodu wyjściowego wzmacniacza selektywnego z cewki L2 przenosi się indukcyjnie do uzwojenia L1 podłączonego do wejścia wzmacniacza. Ponieważ wzmacniacz jednostopniowy przesuwa fazę napięcia o 180°, więc dla spełnienia warunku fazy, musi wystąpić w transformatorze dodatkowe przesunięcie fazy o 180°. Uzyskuje się to poprzez odwrotny kierunek nawinięcia uzwojeń L2 i L1. Warunek amplitudy jest tu spełniany przez właściwy dobór ilości zwojów na uzwojeniach L2 I L1. Uzwojenie L1musi mieć w stosunku do uzwojenia L2 tyle razy mniej zwojów, ile wynosi wzmocnienie wzmacniacza.

generatora Hartleya przedstawiono na rys. 7.5.3. Napięcie do obwodu

dodatniego sprzężenia zwrotnego pobierane jest metodą autotransformatorową z odczepu na uzwojeniu L. Dla spełnienia warunku amplitudy ilość zwojów na części uzwojenia, z której jest pobierane napięcie sprzężenia zwrotnego musi być tyle razy mniejsza od całkowitej ilości zwojów uzwojenia L, ile wynosi wzmocnienie wzmacniacza. Warunek fazy jest spełniany przez taki dobór końcówek w obwodzie sprzężenia zwrotnego, aby napięcie podawane na bazę tranzystora było przesunięte o 180° w stosunku do napięcia wyjściowego wzmacniacza.

generatora Colpittsa. W generatorze tym napięcie sprzężenia zwrotnego jest pobierane z dzielnika pojemnościowego C1, C2. Warunek amplitudy jest tu spełniany przez odpowiedni dobór pojemności w dzielniku, a warunek fazy jest spełniany przez taki dobór końcówek w obwodzie sprzężenia zwrotnego, aby napięcie podawane na bazę tranzystora było przesunięte o 180° w stosunku do napięcia wyjściowego wzmacniacza.

Charakterystyka generatorów LC>

− są to generatory przestrajalne. Przestrajanie częstotliwości uzyskuje się przez zmianę pojemności bądź indukcyjności w obwodzie LC, z tym, że w praktyce przestrajalność ogranicza się do jednej dekady,

− z uwagi na nioską dobroć cewek o dużych indukcyjnościach, generatory te nie mogą pracować na małych częstotliwościach. W praktyce stosuje się je dla częstotliwości większych od 1 kHz, górna granica częstotliwości to kilkadziesiąt MHz

− stabilność częstotliwości zależy od stałości parametrów elementów L i C, w praktyce uzyskuje się ją na poziomie 0.1 do 1 %,

− stabilność amplitudy zależy od wrażliwości tranzystorów na zmiany temperatury, napięcia zasilania itp. Dla jej poprawy stosuje się dodatkowo układy ujemnego sprzężenia zwrotnego, w praktyce uzyskuje się ją na poziomie 0.1 do 1 %,

− generatory z tej grupy stosuje się głównie jako generatory lokalne (heterodyny) w układach przemiany częstotliwości.

Generatory RC Generatory z tej grupy buduje się w oparciu o wzmacniacz szerokopasmowy z układem dodatniego sprzężenia zwrotnego zawierającym elementy R i C. Jednym z częściej stosowanych rozwiązań jest układ generatora RC z przesuwnikiem fazowym

Warunek amplitudy jest tu spełniany przez taki dobór opornika Rf, aby sumaryczne tłumienie sygnału na tym oporniku oraz w przesuwniku fazowym β było równe wzmocnieniu wzmacniacza.Innym rozwiązaniem generatora z grupy RC jest generator z mostkiem Wiena. Podstawą budowy takiego generatora jest wzmacniacz dwustopniowy przesuwający fazę napięcia o 360°. W pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego zastosowany jest więc mostek Wiena, zbudowany z elementów R i C, który dla jednej częstotliwości daje przesunięcie fazy równe zeru. Drgania powstaną na tej właśnie częstotliwości, ponieważ tylko dla niej będzie spełniony warunek fazy.

Charakterystyka generatorów RC:

− są to generatory przestrajalne. Płynne przestrajanie częstotliwości uzyskuje się przez zmianę pojemności, a skokowe przez zmianę oporności w przesuwniku fazowym. Zakres przestrajania może rozciągać się nawet na dziesięć dekad,

− z uwagi na brak elementów indukcyjnościach, generatory te mogą pracować w zakresie bardzo małych częstotliwościach. W praktyce stosuje się je dla częstotliwości od 0.1 Hz do kilku MHz

− stabilność częstotliwości zależy od stałości parametrów elementów R i C, w praktyce uzyskuje się ją na poziomie 0.1 do 1 %,

− stabilność amplitudy zależy od wrażliwości tranzystorów na zmiany temperatury, napięcia zasilania itp. Dla jej poprawy stosuje się dodatkowo układy ujemnego sprzężenia zwrotnego, w praktyce uzyskuje się ją na poziomie 0.05 do 1 %,

− generatory te, z uwagi na ich uniwersalność stosuje się zwykle jako laboratoryjne do badania innych układów, takich jak wzmacniacze, głośniki itp.

Generatory kwarcowe Kwarc jest minerałem charakteryzującym się efektem piezoelektrycznym. Polega on na tym, że jeżeli płytka kwarcowa zostanie wprawiona w drgania mechaniczne, to na jej ściankach pojawi się napięcie zmienne o częstotliwości równej częstotliwości drgań mechanicznych. Ponieważ częstotliwość tych drgań zależy od wymiarów geometrycznych płytki, więc można tak dobrać te wymiary aby uzyskać dowolną, założoną częstotliwość. Bardzo istotną właściwością kwarcu jest prawie zerowy współczynnik termiczny, tzn. płytka kwarcowa nie zmienia swoich wymiarów, a więc i częstotliwości drgań przy zmianach temperatury.

Generator składa się ze wzmacniacza z kwarcem włączonym w obwód dodatniego sprzężenia zwrotnego. W momencie załączenia napięcia zasilającego na płytce kwarcowej skokowo pojawia się impuls wprawiający ją w drgania o częstotliwości określonej jej wymiarami. Drgania te powodują powstanie napięcia zmiennego, które wzmacniane jest przez wzmacniacz, co powoduje ich podtrzymywanie. W rezultacie na wyjściu pojawi się napięcie o częstotliwości zależnej od zastosowanego kwarcu. Generatory kwarcowe z natury są nie przestrajalne. Zmiana częstotliwości możliwa jest jedynie przez włączenie do obwodu sprzężenia zwrotnego innego kwarcu. Główną zaletą generatorów kwarcowych jest wysoka stabilność częstotliwości. Stosuje się je w nadajnikach radiowych do wytwarzania sygnału fali nośnej oraz w odbiornikach SSB do odtwarzania tej że fali potrzebnej dla procesu detekcji. Inne szeroko spotykane zastosowanie generatorów kwarcowych wiąże się z pomiarami czasu. Z uwagi na wysoką stabilność są one często stosowane do budowy precyzyjnych zegarów. Zegary kwarcowe, z punktu widzenia dokładności, zajmują drugie miejsce po zegarach atomowych.

Wzmacniaczem nazywamy układ, w którym kosztem niewielkiej energii elektrycznej można sterować większą energią dostarczoną ze źródła zasilania do odbiornika, czyli wzmacniać sterujący sygnał elektryczny. Inaczej można powiedzieć, że wzmacniaczem jest urządzeniem, w którym energia ze źródła zasilania jest zamieniana na energię sygnału wyjściowego w sposób zależny od wejściowego sygnału sterującego. Wzmacniacz musi więc posiadać czynny element sterujący taki jak lampy - trioda lub pentoda, czy też tranzystory - bipolarny lub uniopolarny. Element czynny steruje przepływem energii ze źródła zasilania do obciążenia. Wzmacniacz posiada obwód wejściowy (wejście), do którego dostarczony jest sygnał sterujący (wzmacniany), posiada obwód wyjściowy (wyjście), do którego dołącza się odbiornik wzmocnionego sygnału (obciążenie)

Niezbędnym elementem zapewniającym pracę wzmacniacza jest źródło zasilania. We wzmacniaczu zwiększana jest moc sygnału wejściowego czyli iloczyn P=UI. Można to osiągnąć przez zwiększenie tylko jednego z czynników tego iloczynu, a więc wzmocnienie prądu I lub napięcia U.

Klasyfikacja wzmacniaczy

W zależności od typu wzmacnianej wielkości elektrycznej rozróżniamy wzmacniacze prądowe -wzmacniacz na wyjściu wzmacnia prąd wejściowy, napięciowe - wzmacniacz wzmacnia sygnał napięciowy i najczęściej stosowane wzmacniacze mocy - na wyjściu wzmacniacza uzyskuje się odpowiednio wzmocnioną moc sygnału wejściowego. W zależności od zastosowanego elementu sterowanego wzmacniacze dzielimy na tranzystorowe oraz lampowe stosowane dawniej, obecnie prawie nie spotykane.Przyjmując jako kryterium podział zakresu częstotliwości wzmacnianych sygnałów rozróżnia się wzmacniacze prądu stałego (wzmacniają prąd stały i sygnały od częstotliwości zerowej) do określonej częstotliwości górnej granicznej, wzmacniacze małej częstotliwości (m.cz.) i wzmacniacze wielkiej częstotliwości (w.cz.)

Klasyfikacja wzmacniaczy ze względu na zakres wzmacnianych częstotliwości

Charakterystyki amplitudowe wzmacniaczy a) prądu stałego b) szerokopasmowego c) selektywnego

We Wzmacniaczach o sprzężeniu RC i transformatorowym wzmacniane są wyłącznie sygnały zmienne, gdyż dzięki elementom sprzęgającym napięcie stałe z wyjścia stopnia poprzedniego lub źródła sygnału nie przedostaje się na wejście stopnia następnego (lub obciążenia). Sprzężenia takie stosuje się między innymi we wzmacniaczach akustycznych. We wzmacniaczach o sprzężeniach bezpośrednich wzmacniane są sygnały stałe jak i zmienne. Sprzężenia takie stosowane są na przykład we wzmacniaczach prądu stałego.

Wzmacniacze klasyfikuje się także w zależności od położenia spoczynkowego punktu pracy na charakterystyce roboczej elementu sterowanego oraz amplitudy sygnału wejściowego. Rozróżnia się wzmacniacze klasy A, B, AB, i C. We wzmacniaczach klasy A spoczynkowy punkt pracy jest wybierany na liniowej części charakterystyki roboczej elementu sterowanego (np. tranzystora), a amplituda sygnału wejściowego jest na tyle mała, że przez cały okres sygnału wejściowego element sterowany przewodzi prąd (pracuje w zakresie aktywnym). Jeżeli punkt pracy jest wybrany tak, że element sterowany przewodzi prąd tylko przez połowę okresu (przez druga połowę okresu jest zatkany), to wzmacniacz pracuje w klasie B. W klasie AB element sterowany przewodzi przez większa część okresu sygnału wejściowego. W klasie C element sterowany przewodzi przez mniejszą część okresu sygnału wejściowego. W klasie A budowane są wzmacniacze napięciowe, zarówno małej jak i wielkiej częstotliwości. W klasie B buduje się szerokopasmowe wzmacniacze mocy a w klasie C wzmacniacze mocy selektywne.

Wzmacniacze ze sprzężeniami: a) bezpośrednim; b) transformatorowym c) pojemnościowym RC

Charakterystyki wzmacniaczy prądu wyjściowego Io w funkcji napięcia sterującego UI ze względu na położenie punktu pracy Q roboczej części elementu sterowanego dla klasy a) A; b) B; c) AB; d) C

Wzmacniacze klasy A charakteryzują się najprostszą budową, składają się na ogół z jednego elementu czynnego czyli najczęściej z jednego tranzystora. Cechują się także najmniejszą sprawnością energetyczną, gdyż nawet w przypadku braku sygnału sterującego (położenie punktu Q na charakterystyce) przez element czynny płynie prąd. Wzmacniacze klasy B składają się na ogół z dwóch elementów czynnych, z których każdy przewodzi jedna połowę okresu sygnału wzmocnionego. Wzmacniacz ten charakteryzuje się większą sprawnością energetyczną. Ponieważ w zakresie małych wartości sygnałów wejściowych elementy czynne charakteryzują się dość dużą nieliniowością punkt pracy wzmacniacza klasy B (punkt Q) przenosi się trochę powyżej zera, w ten sposób można wyeliminować zniekształcenia sygnału na wyjściu wzmacniacza. Powstaje wtedy wzmacniacz klasy AB. We wzmacniaczach klasy C można zastosować wiele elementów czynnych z których każdy przewodzić może niewielka część sygnału wyjściowego. Znacznie zwiększa się wtedy sprawność energetyczną takiego wzmacniacza.

Podstawowymi parametrami wzmacniaczy są:

• wzmocnienie (mocy, napięcia, prądu) kP(jω), kU(jω), kI;(jω);

• sprawność energetyczna η;

• impedancja wejściowe ZI(jω) (I -ang, input- wejście);

• impedancja wyjściowa ZO(jω) (O -ang, output- wyjście);

• znamionowe napięcie wejściowe, znamionowe napięcie wyjściowe (lub znamionowe moce) UIzn,UOzn, PIzn, POzn;

• pasmo przenoszenia wzmacniacza B;

• zakres dynamicznej pracy wzmacniacza DW;

• poziom szumów własnych;

• poziom zniekształceń nieliniowych.

Ponieważ większość parametrów zależy od częstotliwości ω=2πf, określa się w wielu przypadkach ich zależności częstotliwościowe.

Sprawnościa wzmacniacza η nazywamy stosunek mocy, którą wzmacniacz oddaje do obciążenia PO, do sumarycznej mocy, którą wzmacniacz pobiera ze źródła zasilania PZZ i ze źródła sygnału sterującego PI. Zwykle moc sygnału poberarego ze źródła sygnału jest pomijalnie mała, sprawnością energetyczna jest stosunek mocy wyjściowej do mocy pobieranej ze źródła zasilania.

Impedancja wejściowa ZI jest to stosunek napiecia wejściowego UI do prądu wejściowego Ii

Znamionowym napięciem wejściowym UIzn (lub moca wejściową PIzn) nazywamy wartość napięcia wejściowego (lub mocy wejściowej), przy którym wzmacniacz oddaje do obciażenia określona wymaganiami technicznymi moc wyjściową POzn (znamionową) lub na obciążeniu występuje znamionowe napięcie wyjściowe UOzn. Większość parametrów wzmacniacza podawana jest dla wartości znamionowej napięcia (mocy) wejściowego. Inaczej można powiedzieć, że wartości znamionowe to wartości przy których wzmacniacz zwykle pracuje i osiąga podane parametry.

Pasmo przenoszenia jest to zakres czestotliwości wzmacnianych sygnałów, dla którego moc

wyjściowa wzmacniacza nie zmniejsza się poniżej 50% mocy uzyskiwanej w środku pasma Pasmo przenoszenia B dowolnego wzmacniacza określamy jako różnicę częstotliwości granicznej górnej fg i częstotliwości granicznej dolnej fd .

B =fg− fd

Częstotliwość graniczną dolną i górną pasma przenoszenia określa się jako częstotliwości przy której poziom sygnału wyjściowego jest mniejszy od maksymalnego sygnału wyjściowego o -3dB lub inaczej, jeżeli poziom sygnału wyjściowego jest mniejszy o ok. 0.707 maksymalnego sygnału wyjściowego

Zakresem dynamicznej pracy wzmacniacza nazywamy dopuszczalne wartości amplitud sygnałów wejściowych (np. napięć wejściowych od UImin do UImax), dla których amplituda sygnału wyjściowego jest proporcjonalna do amplitudy sygnału wejściowego ze współczynnikiem proporcjonalności równym wzmocnieniu.

Charakterystyki wzmacniaczy są jednym z najczęściej stosowanych elementów określających ich parametry. Wyróżnić możemy kilka typów charakterystyk:

• amplitudowo - częstotliwościowa;

• fazowo - częstotliwościowa;

• dynamiczna (przejściowa);

Charakterystyka amplitudowa określa zależność wzmocnienia wzmacniacza od częstotliwości, ku=f(f). Na osi odciętych znajduje się częstotliwość, najczęściej w skali logarytmicznej. Na osi rzędnych znajduje się wzmocnienie k napięciowe, prądowe lub mocy.

Przy określonej częstotliwości lub w określonym paśmie częstotliwości charakterystyka osiąga maksimum określone jako kumax. Na charakterystyce amplitudowej zaznaczyć można pasmo przenoszenia wzmacniacza B, oraz częstotliwości graniczne dolną fd i górną fg.

Z charakterystyki fazowej wzmacniacza φ = f(f) określa się przesunięcie fazowe między sygnałami wejściowym i wyjściowym. Dodatkowo można zaobserwować przesunięcie między wzmocnionymi sygnałami o różnych częstotliwościach. Ma to szczególne znaczenie przy określeniu zniekształceń liniowych wzmacniacza.

Charakterystyka dynamiczna zwana inaczej przejściową przedstawia zależność napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego UO = f(UI). Odczytać z niej można zakresy napięć wejściowych UImin i Uimax, zakresy napięć wyjściowych Uomin i Uomax, dla których wzmacniacza zachowuje stałe wzmocnienie. Minimalne napięcie wejściowe określone jest przez poziom szumów własnych wzmacniacza. Maksymalne natomiast, uwarunkowane jest od elementu aktywnego wzmacniacza. Dla pewnych wartości napięcia wyjściowego wzmacniacz jakby się „nasycił”. Dalszy wzrost napięcia wejściowego powyżej Uimax nie spowoduje już wzrostu napięcia wyjściowego, zniekształcając dodatkowo jego kształt.

Zniekształcenia liniowe wzmacniacza W każdym układzie wzmacniającym występują elementy, których właściwości transmisyjne zależą od częstotliwości lub od spoczynkowego punktu pracy i amplitudy sygnałów. Elementy reaktancyjne są przyczyną nierównomiernego wzmocnienia i różnego przesunięcia fazowego poszczególnych składowych harmonicznych wzmacnianego sygnału. Powoduje to zmianę kształtu wzmacnianych sygnałów okresowych (jeżeli nie są harmoniczne) nawet wówczas, gdy w układzie wzmacniacza nie ma elementów nieliniowych. Zniekształcenia tego typu nazywamy zniekształceniami liniowymi. (rys.8.5.8) Zniekształcenia sygnału spowodowane niejednakowym wzmocnieniem jego składowych harmonicznych nazywa się zniekształceniami częstotliwościowymi. Zniekształcenia sygnału spowodowane niejednakowym przesunięciem fazowym poszczególnych składowych harmonicznych sygnału nazywa się zniekształceniami fazowymi. Do oceny tych zniekształceń jest wykorzystywana charakterystyka fazowa wzmacniacza. Jeżeli dla wzmacniacza kąt przesunięcia fazowego jest proporcjonalny do częstotliwości, to taki wzmacniacz nie wnosi zniekształceń fazowych, czyli nie powoduje zmiany kształtu wzmacnianych sygnałów (zależnej od przesunięć fazowych), a jedynie przesuwa sygnał w czasie.

Zniekształcenia nieliniowe wzmacniacza Występujące we wzmacniaczu elementy o nieliniowych charakterystykach prądowo-napięciowych (tranzystory, transformatory) są przyczyną innego rodzaju deformacji kształtu sygnału, zwanych zniekształceniami nieliniowymi. Zniekształcenia te są skutkiem zależności wzmocnienia wzmacniacza od amplitudy wzmacnianego sygnału, dlatego nazywane są również zniekształceniami amplitudowymi.

Wzmacniacze wielostopniowe Gdy jest wymagane wzmocnienie większe od możliwego do uzyskania w pojedynczym stopniu wzmacniającym (wzmacniaczu jednostopniowym), wówczas stosuje się wzmacniacze wielostopniowe, czyli składające się z wielu stopni pojedynczych. W takich wzmacniaczach poszczególne stopnie wzmacniające są połączone tak, że napięcie wyjściowe stopnia poprzedniego jest jednocześnie napięciem wejściowym stopnia następnego.

W dwustopniowym wzmacniaczu ze sprzężeniem pojemnościowym (rys. 8.5.9.) rezystory Rb1 i Rc1 oraz Rb2 i Rc2 stanowią obwód polaryzacji ustalający spoczynkowy punkt pracy tranzystorów T1 i T2. Kondensator sprzęgający C2 zastosowano w celu oddzielenia napięć stałych występujących w pierwszym i drugim stopniu (punkty pracy tych stopni są od siebie niezależne), natomiast kondensatory C1 i C3 oddzielają napięcia stałe występujące we wzmacniaczu od źródła sygnału i obciążenia (Źródło sygnału i obciążenie nie wpływają na punkt pracy tranzystorów T1 i T2).

Budowa najprostszego wzmacniacza jednostopniowego

Najprostszym wzmacniacze zbudowanym na jednym tranzystorze jest wzmacniacz w układzie wspólnego emitera (WE) składa się on z jednego tranzystora bipolarnego npn

Rezystancje R1, R2, RE, RC tworzą obwód polaryzacji stałoprądowej tranzystora określający jego spoczynkowy punkt pracy, przy czym RC + RE jest jednocześnie obciążeniem statycznym (dla prądów stałych) tranzystora. Rezystancja RE, włączona w pętli stałoprądowego ujemnego sprzężenia zwrotnego, zapewnia stabilizację punktu pracy. Zadaniem kondensatora blokującego o pojemności CE jest zwieranie do masy sygnału zmiennego. Dla częstotliwości f sygnału, przy której reaktancja pojemnościowa kondensatora 1/2πfCE jest bliska zeru, w układzie nie występuje ujemne sprzężenie zwrotne dla sygnału zmiennego. Pojemności CB i CC powodują, że przez źródło wzmacnianego sygnału EG, jak i przez rezystancje obciążenia RL nie przepływają stałe prądy, lecz tylko sygnał wzmacniany. Tym samym źródło sygnału i obciążenie są odseparowane od tranzystora dla napięć stałych i nie wpływają na jego spoczynkowy punkt pracy.

Wzmacniacze mocy

W każdym wzmacniaczu, oprócz zwiększania amplitudy sygnału (napięcia lub prądu), następuje również wzmocnienie mocy. Wzmacniaczem mocy jest wzmacniacz, którego zadaniem jest dostarczenie do obciążenia (np. głośnika we wzmacniaczach akustycznych) odpowiednio dużej mocy użytecznej wzmacnianego sygnału. Są to przeważnie wzmacniacze o dużym wzmocnieniu prądowym i małym (zwykle bliskim 1) wzmocnieniu napięciowym. Dlatego też stopnie poprzedzające wzmacniacz mocy powinny dostarczać sygnał o odpowiednio dużej amplitudzie, wystarczającej do jego wysterowania.

Głównymi parametrami roboczymi określającymi właściwości wzmacniacza mocy są:

• maksymalna użyteczna moc wyjściowa sygnału Pomax;

• sprawność energetyczna η, określana skutkiem użytecznej mocy wyjściowej do mocy dostarczanej ze źródła zasilania;

• zniekształcenia nieliniowe określane zawartością harmonicznych w sygnale wyjściowym przy wymuszeniu sinusoidalnym o określonej częstotliwości;

• pasmo przenoszenia oraz kształt charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej.

Przy projektowaniu wzmacniaczy mocy dąży się więc do zapewnienia wymaganej użytecznej mocy wyjściowej sygnału, przy jak największej sprawności energetycznej układu i możliwie najmniejszych zniekształceniach nieliniowych.

Klasyfikacja wzmacniaczy mocy uwzględnia dwa podstawowe kryteria:

• położenie spoczynkowego punktu pracy tranzystorów na charakterystyce przejściowej Ic(UBE); rozróżnia się tu cztery klasy wzmacniaczy :A, B, C i AB.

• rodzaj sprzężenia wyjścia wzmacniacza z obciążeniem; stosuje się sprzężenie transformatorowe (oddzielające składową stałą od obciążenia) oraz beztransformatorowe (pojemnościowe lub

bezpośrednie).

Wzmacniaczami selektywnymi (inaczej pasmowymi, środkowoprzepustowymi) są nazywane wzmacniacze wzmacniające tylko sygnały o częstotliwości zawartej w wąskim przedziale (paśmie) wokół pewnej częstotliwości środkowej f0, a skutecznie tłumiące sygnały spoza tego przedziału.

Wzmacniacz selektywny a) charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa b) schemat najprostszego wzmacniacza selektywnego zbudowanego na obwodzie rezonansowym LC

Wzmacniacze selektywne są stosowane wówczas, gdy jest potrzebne wydzielenie i wzmocnienie sygnałów o częstotliwościach zawartych w określonym paśmie

Ujemne sprzężenie zwrotnego w układzie elektronicznym Sprzężenie zwrotne występuje, gdy część sygnału wyjściowego układu jest podawana zwrotnie na jego wejście. Jeżeli ta część sygnału wyjściowego (sygnał sprzężenia zwrotnego) jest przesunięta w fazie o 180 stopni względem sygnału wejściowego UI, czyli ma fazę przeciwną (rys. 8.5.12), to efektywny sygnał wejściowy UI jest zmniejszany, mniejsze jest napięcie wyjściowe UO, a więc mniejsze jest także wzmocnienie układu
stabilizuje ich charakterystykę częstotliwościową i poprawia inne parametry układu.

dodatnim sprzężeniem zwrotnym najczęściej stosujemy w wielu układach oscylatorów i generatorów. Jeżeli przesunięcie fazowe między sygnałem sprzężenia zwrotnego a sygnałem wejściowym jest równe 0 stopni (lub 360 stopni), czyli sygnały te mają zgodną fazę, to efektywny sygnał wejściowy UI jest zwiększany, co powoduje zwiększenie sygnału wyjściowego U0, a więc wzmocnienie (transmitancja) układu U0/UIf zwiększa się.

Cel stosowania ujemnego sprzężenia zwrotnego w układach Ujemne sprzężenie zwrotne wpływa bardzo korzystnie na większość parametrów wzmacniaczy:

• poprawia stabilność wzmacniacza (układ jest mniej wrażliwy np. na wahania napięć zasilających i zmianę temperatury);

• zmniejsza szumy i zniekształcenia (zarówno liniowe, jak i nieliniowe):

• zwiększa górną i dolną częstotliwość graniczna, poszerza pasmo przenoszenia wzmacniacza;

• umożliwia kształtowanie charakterystyki częstotliwościowej;

• umożliwia modyfikację impedancji wejściowej i wyjściowej.

Efektem ubocznym, czasem niepożądanym jest zmniejszenie wzmocnienia.

Klasyfikacja ujemnego sprzężenia zwrotnego

Ujemne sprzężenie zwrotne klasyfikuje się zależnie od sposobu pobierania sygnału zwrotnego z wyjścia układu oraz sposobu doprowadzenia go na wejście. Sygnał sprzężenia zwrotnego może być proporcjonalny do napięcia wyjściowego, mówi się wówczas o sprzężeniu napięciowym, lub prądu wyjściowego, w tym przypadku mówi się o sprzężeniu prądowym. Gdy sygnał sprzężenia zwrotnego jest doprowadzony do wejścia szeregowo z sygnałem wejściowym, takie sprzężenie nazywa się szeregowym, gdy zaś równolegle - równoległym. Rozróżnia się cztery podstawowe układy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym:

• napięciowo - szeregowym;

• napięciowo - równoległym;

• prądowo - równoległym;

• prądowo - szeregowym.

Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza

Ze wzoru na wzmocnienie napięciowe w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym wynika, że przy silnym sprzężeniu wartość iloczynu β⋅ku jest znacznie większa od jedności, w związku z czym wzór upraszcza się do postaci:

co powoduje, że wzmocnienie wzmacniacza przestaje zależeć od parametrów elementów

wzmacniających a jest zależne jedynie od rezystancji w układzie sprzężenia zwrotnego. Stanowi to podstawę do budowy wzmacniaczy operacyjnych o bardzo stabilnym wzmocnieniu. Zniekształcenia w układzie z ujemnym sprzężeniem zwrotnym są zmniejszone tyle razy ile razy obniżone zostało wzmocnienie

Filtry elektryczne - to obwody elektryczne wydzielające z doprowadzonego sygnału napięcia elektrycznego przebiegi, których częstotliwość leży w określonym paśmie częstotliwość. W podstawowej klasyfikacji rozróżnia się filtry:

− dolnoprzepustowe,

− górnoprzepustowe,

− pasmowozaporowe (środkowozaporowe),

− pasmowoprzepustowe (środkowoprzpustowe).

Filtr górnoprzepustowy słabo przenosi sygnały o małych częstotliwościach, sygnałów zaś o wielkich częstotliwościach, praktycznie nie tłumi.

Filtr dolnoprzepustowy - bardzo dobrze przenosi sygnały o małych częstotliwościach, zaś silnie tłumi sygnały o wielkich częstotliwościach.

przypadku filtru górnoprzepustowego pasmo przenoszenia rozciąga się od fg do nieskończoności, a dla filtru dolnoprzepustowego - od 0 do fg.

Filtr pasmowozaporowy słabiej przenosi sygnały o częstotliwości f0 ( dla f = f0 charakterystyka amplitudowa osiąga minimum) niż sygnały o innych częstotliwościach, zarówno większych jak i mniejszych od f0.

filtr pasmowoprzepustowy RC - lepiej przepuszcza sygnały o częstotliwości f0 (dla f = f0 charakterystyka amplitudowa osiąga maksimum) niż sygnały o innych częstotliwościach (większych i mniejszych).

Filtry aktywne są to układy o pasmowej charakterystyce amplitudowo - częstotliwościowej zbudowane z elementów aktywnych (najczęściej wzmacniaczy operacyjnych) oraz elementów biernych R i C. Zastępują klasyczne filtry LC i RLC, szczególnie w zakresie małych i bardzo małych częstotliwości. Ich zaletą jest brak elementów indukcyjnych. Dzięki zastosowaniu elementu aktywnego można uzyskać nawet wzmocnienie sygnałów z pasma przenoszenia. Filtry aktywne charakteryzują się także możliwością łatwego scalania.

---