plik


ÿþ6. WZMACNIACZE 6.1. KLASYFIKACJA, PODSTAWOWE PARAMETRY WZMACNIACZ jest ukBadem, w którym - kosztem energii pochodzcej (mocy dostarczonej) z ZASILACZA (zródBa napicia staBego)  dokonuje si wzmocnienie sygnaBu. ZASILACZ SWE SWY Pzas - + WE WY t t Podstawow funkcj wzmacniacza jest zwikszenie poziomu mocy sygnaBu przyBo|onego do zacisków wej[ciowych bez zmiany ksztaBtu tego sygnaBu I I 2 1 WZMACNIACZ Z g Z we Z obc (Y ) U we U 2 1 E g Pwe Pobc * Pwe =ð Re[ðU1I1*]ð Pobc =ð Re[ðU I ]ð 2 2 2 2 2 2 =ð U1 Re[ð Z ]ð=ð I1 Re[ð Y ]ð =ð U2 Re[ð Z ]ð=ð I2 Re[ð Y ]ð we we obc obc < =ð U1I1 cosjð1 =ð U2I2 cosjð2 jð =ðYðu -ðYði (ró|nica faz pocztkowych napicia i prdu) - 1 - 6.1.1. PODSTAWOWE PARAMETRY ·ð Wzmocnienie mocy (stosunek mocy dostarczonej do obci|enia do mocy wej[ciowej): Pobc K =ð >ð 1 , K [ðdB]ð=ð 10log(ðK )ð (6.1) p p p Pwe ·ð Wzmocnienie napiciowe: U jjðu 2 K =ð =ð Ku e , Ku[ðdB]ð=ð 20log(ðKu )ð (6.2) u U1 ·ð Wzmocnienie prdowe: (ð-ð I )ð jjði 2 K =ð =ð Ki e , Ki[ðdB]ð=ð 20log(ðKi)ð (6.3) i I1 ·ð Sprawno[ (stosunek mocy, któr wzmacniacz oddaje do obci|enia do mocy, któr wzmacniacz pobiera z zasilacza): Pobc hð =ð (6.4) Pzas ·ð Impedancja wej[ciowa (stosunek napicia wej[ciowego do prdu wej[ciowego): U1 Z =ð (6.5) we I1 ·ð Impedancja wyj[ciowa (stosunek napicia wyj[ciowego przy nieobci|onym wyj[ciu do zwarciowego prdu wyj[ciowego): U 2 Z =ð¥ð obc Z =ð (6.6) wy I 2 Z =ð0 obc ·ð Pasmo przenoszenia SP jest to zakres czstotliwo[ci wzmacnianych sygnaBów, dla którego moc wyj[ciowa wzmacniacza nie zmniejsza si poni|ej 50% mocy uzyskiwanej w [rodku pasma. W mierze logarytmicznej odpowiada to spadkowi moduBów wzmocnieD (napiciowego, prdowego i mocy) o 3dB dla czstotliwo[ci granicznych zakresu. SP =ð fg -ð fd (6.7) - 2 - 6.1.2. KLASYFIKACJA ·ð Zale|nie od tego, co jest celem wzmocnienia sygnaBu: WZMACNIACZE NAPICIA PRDU MOCY - gdy celem jest - gdy celem jest - gdy celem jest zwikszenie zwikszenie prdu uzyskanie du|ej napicia sygnaBu sygnaBu mocy sygnaBu ·ð Zale|nie od warto[ci kta przepBywu prdu wyj[ciowego Qð : Qð =ð 360o Klasa A hðmax =ð 50% Klasa AB Qð Îð(ð180,360)ð Qð »ð 180o Klasa B hðmax =ð 78,5% Klasa C Qð Îð(ð0,180o)ð - 3 - ·ð Zale|nie od zakresu czstotliwo[ci wzmacnianych sygnaBów, rozró|nia si wzmacniacze: StaBoprdowe w.cz. m.cz. [Hz] f 10 1k 100k 10M 1G 100 10k 1M 100M 1 6.2. WZMACNIACZ EMITEROWY UkBad o wspólnym emiterze (WE) jest najpowszechniej stosowan konfiguracj tranzystora bipolarnego we wzmacniaczu m.cz.. W ukBadzie tym, sygnaB zmienny doprowadzany jest ze zródBa Eg o impedancji wewntrznej Zg przez kondensator C1 do bazy tranzystora oraz wyprowadzany z kolektora przez kondensator C2 do obci|enia Zobc. Wej[ciem jest zatem baza, a wyj[ciem kolektor. Emiter jest wspólny dla wej[cia i wyj[cia, gdy| dla sygnaBu zmiennego przenoszonego przez wzmacniacz, kondensator CE stanowi zwarcie do masy. +ECC RC R1 C B C2 E Z C1 Z g obc R2 RE CE E g - 4 - Wzmocnienie 6.2.1. ZASILANIE I PODSTAWOWE PARAMETRY Na podstawie schematu ideowego, mo|emy utworzy odpowiednie schematy zastpcze oddzielnie dla prdu staBego i zmiennego. W celu wyznaczenia staBoprdowego modelu ukBadu nale|y rozewrze wszystkie pojemno[ci. UWAGA: Pamitamy, |e w +ECC stanie aktywnym zBcza s RC spolaryzowane nastpujco: R1 UCB Baza-Emiter UCE w kierunku przewodzenia UBE Baza-Kolektor R2 RE w kierunku zaporowym Wykorzystujc twierdzenie Thevenina, powy|szy ukBad przeksztaBca si do nastpujcej postaci: gdzie: +ECC IC R1R2 RC RB =ð R1 +ð R2 RB UCE R2 IB EB =ð Ecc IE R1 +ð R2 EB RE Zgodnie z I prawem Kirchhoffa IE =ð IC +ð IB (6.8) i II prawem Kirchhoffa ECC =ð IC RC +ðUCE +ð IERC (6.9) - 5 - Pamitajc, |e wspóBczynnik zwarciowego wzmocnienia prdowego tranzystora w ukBadzie o wspólnym emiterze IC bðN =ð , bðN Îð(ð200,300)ð; IB równanie (6.8) zapisuje si jako: æð öð 1 1 çð ÷ð IE =ð IC +ð IC =ð IC çð1+ð ÷ð @ð IC (6.10) bðN bðN øð èð Zatem (6.9) przyjmuje posta ECC =ð IC RC +ðUCE +ð IC RC =ð UCE +ð IC(ðRC +ð RE )ð (6.11) Std otrzymuje si UCE =ð ECC -ð IC(ðRC +ð RE )ð (6.12) równanie prostej obci|enia w polu wyj[ciowych charakterystyk IC(UCE), przy czym IC i UCE s warto[ciami okre[lajcymi punkt pracy tranzystora Q(ICQ,UCEQ). Punkt pracy powinien znajdowa si w obszarze aktywnej pracy. Maksymalna moc strat kolektora (tzw. hiperbola mocy)  wydziela si zbyt du|o ciepBa Ograniczenie max. warto[ci IC P Cmax prdu  maleje bðN i wzrasta I poziom znieksztaBceD Cmax ECC RC+RE Q I CQ UCE Obszar odcicia  du|e I Cmin znieksztaBcenia U E U CEQ CC U CEmin CEmax Obszar nasycenia  Obszar przebicia - du|e znieksztaBcenia elektrycznego lub/i cieplnego - 6 - W celu wyznaczenia zmiennoprdowego modelu ukBadu (w zakresie [rednich czstotliwo[ci) przyjmuje si, |e dla sygnaBu zmiennego: - zródBo zasilania ECC stanowi zwarcie, - kondensator CE zwiera emiter z mas, - kondensatory C1 oraz C2 dla sygnaBów z rozpatrywanego zakresu maj bardzo maBe warto[ci reaktancji (traktowane s jako zwarcia). Z g RC Z obc RB E g W modelu zmiennoprdowym tranzystor zostaje najcz[ciej zastpiony schematem zastpczym, opartym na parametrach hybrydowych. I I 2 1 h11e Z g U RB h22e RC 2 Z U obc 1 E g h12e U2 h21eI1 RB RC Z obc EZ =ð Eg Z =ð L Z Z RB +ð Z RC +ð Z Z g obc L E Z RB Z g Z =ð Z RB +ð Z g - 7 - W oparciu o zmiennoprdowy schemat zastpczy, dla zakresu [rednich czstotliwo[ci, mo|na wyznaczy nastpujce parametry robocze: I I 2 1 Z h11e Z U E h22e Z U Z 2 L 1 h12eU2 h21eI1 ·ð Impedancja wej[ciowa zgodnie z (6.5) UWAGA: Pamitamy, |e zgodnie z (3.4) U1 Z =ð U1 =ð h11e I1 +ð h12eU üð we 2 I1 ýð I =ð h21e I1 +ð h22eU 2 2 þð Z pierwszego równania hybrydowego U1 U U1 =ð h11e I1 +ð h12eU Þð Z =ð =ð h11e +ð h12e 2 2 we I1 I1 1 Natomiast z drugiego równania po uwzgldnieniu, |e I =ð -ð U 2 2 Z L U h21e 2 I =ð h21e I1 +ð h22eU Þð =ð -ð 2 2 1 I1 +ð h22e Z L h21e Std: Z =ð h11e -ð h12e (6.13) we 1 +ð h22e Z L Z @ð h11e Poniewa| h12e »ð 0 , to (6.14) we - 8 - ·ð Impedancja wyj[ciowa 1 Z =ð (6.15) wy h21e h22e -ð h12e Z +ð h11e Z 1 Z @ð Poniewa| h12e »ð 0 , to (6.16) wy h 22e ·ð Wzmocnienie napiciowe h21e Z L K =ð -ð ×ð (6.17) u 1+ð h22e Z Z L we Z L K @ð -ðh21e ×ð Poniewa| h22eZL <ð<ð1, to (6.18) u Z we UWAGA: znak minus oznacza, |e faza napicia wyj[ciowego jest odwrócona wzgldem fazy sygnaBu wej[ciowego o 180o. ·ð Wzmocnienie prdowe h21e K =ð -ð (6.19) i 1+ð h22e Z L K @ð -ðh21e Poniewa| h22eZL <ð<ð1, to (6.20) i Porównanie podstawowych parametrów roboczych dla ukBadów: Ki Ku Kp Przesunici Zwe Zwy e fazy Du|e WE Du|e Najwiksze 180o MaBa Du|a (~ð bðN ) Najwiksze WC MaBe MaBe 0o Najwiksza MaBa (~ð bðN +1) MaBe Najmniejsza WB Najwiksze Du|e 0o Najwiksza (aðN £ð1) - 9 - 6.3. WZMACNIACZ RÓ{NICOWY Jest to wzmacniacz z dwoma wej[ciami, w którym napicie wyj[ciowe jest proporcjonalne do ró|nicy napi wej[ciowych. Podstawow cech wzmacniacza ró|nicowego jest zdolno[ wzmacniania ró|nicy warto[ci sygnaBów podawanych na jego wej[cia (czyli tzw. sygnaBów ró|nicowych), tBumienie natomiast ich wspólnej cz[ci (czyli tzw. sygnaBów wspólnych). Wzmacniacz +EC ró|nicowy jest ukBadem RC1 RC2 symetrycznym. WYA WYB Zbudowany jest z dwóch A B (identycznych) WE1 WE2 T1 T2 tranzystorów poBczonych ze sob emiterami. Bazy RE tranzystorów stanowi U1 U2 dwa wej[cia wzmacniacza, a ich -EE kolektory  wyj[cia). Rezystancje RC1 i RC2 maj takie same warto[ci. Wzmacniacz mo|e by STEROWANY NIESYMETRYCZNIE SYMETRYCZNIE gdy tylko na jedno wej[cie gdy na obydwa wej[cia podawane podawany jest sygnaB a drugie jest s sygnaBy. zwarte do masy ukBadu. Wzmacniacz ma WYJZCIE NIESYMETRYCZNE SYMETRYCZNE je[li sygnaB wyj[ciowy jest Je[li sygnaBem wyj[ciowym jest pobierany tylko z jednego ró|nica napi midzy wzBami A kolektora (z wzBa A lub B) i B. wzgldem masy. - 10 - Zasada dziaBania wzmacniacza sterowanego symetrycznie Je|eli napicie U1 jest wiksze +EC od napicia U2, to prd kolektora IC1 IC2 tranzystora T1 jest wikszy od prdu kolektora tranzystora T2 URC1 RC1 RC2 URC2 UAB IC1 > IC2 A B Co oznacza, |e spadek napici UA UB a na rezystorze RC1 jest wikszy ni| T1 T2 spadek napicia na rezystorze RC2 URC1 > URC2 Czyli wskutek wikszego RE U1 U2 spadku napicia na RC1 potencjaB w wzle A jest ni|szy ni| w wzle B. -EE UA < UB Przy odwrotnej relacji napi wej[ciowych Na wyj[ciu symetrycznym UA > UB pojawia si napicie UAB Przy jednakowych napiciach proporcjonalne do ró|nicy wej[ciowych napi wej[ciowych UA = UB UA - UB = UAB ~ð U1 - U2 Rozpatrujc dalej wzmacniacz ró|nicowy sterowany symetrycznie pod pojciem sygnaBów: ·ð ró|nicowych rozumie bdziemy sygnaBy podawane na obydwa wej[cia w fazie przeciwnej; ·ð wspólnych (sumacyjnych) - sygnaBy podawane na obydwa wej[cia w fazie zgodnej. SygnaBy ró|nicowe s sygnaBami u|ytecznymi, natomiast sygnaBy sumacyjne s szkodliwe. Miar wzmocnienia tych sygnaBów jest odpowiednio wzmocnienie ró|nicowe KUR i wzmocnienie wspólne KUS. - 11 - PRZYPADEK 1 : Wzmacniacz sterowany sygnaBami ró|nicowymi a) Dane jest  dodatnie U1 oraz  ujemne U2 czyli U2 = -U1 +EC u1(t) RC RC WYA WYB t A B u2(t) WE1 UA UAB UB WE2 t uAB(t) RE U2 U1 t -EE b) Dane jest  dodatnie U2 oraz  ujemne U1 czyli U1 = -U2 +EC u1(t) RC RC WYA WYB t A B u2(t) WE1 UA UAB UB WE2 t uAB(t) RE U2 U1 t -EE W obydwu sytuacjach napicie na wyj[ciu symetrycznym jest proporcjonalne do napi wej[ciowych UAB = UA - UB = KUR (U1 - U2) (6.21) gdzie: KUR = - gmRC jest wzmocnieniem ró|nicowym przy czym transkonduktancja gm »ð IE 0,026V - 12 - Zestawiajc i porównujc przebiegi napicie na wyj[ciu symetrycznym z napiciami wej[ciowymi dla rozpatrywanych sytuacji a)  dodatnie U1 oraz  ujemne U2 b)  dodatnie U2 oraz  ujemne U1 u1(t) u1(t) t t u2(t) u2(t) t t uAB(t) uAB(t) t t wida, |e niezale|nie od tego, które z napi wej[ciowych jest  dodatnie a które  ujemne napicia na wyj[ciu symetrycznym jest: ·ð w przeciwnej fazie ni| napicie U1, zatem wej[cie WE1  jest wej[ciem odwracajcym faz ·ð w zgodnej fazie z napiciem U2, zatem wej[cie WE2  jest wej[ciem nieodwracajcym fazy UWAGA: Je[li rozpatrzymy wzmacniacz z wyj[ciem niesymetrycznym, to wzmocnienie dla U gmRC 1 A WY1 wynosi KUR1 =ð =ð -ð =ð KUR (6.22) U1 -ðU 2 2 2 U gmRC 1 B WY2 wynosi KUR2 =ð =ð =ð -ð KUR (6.23) U1 -ðU 2 2 2 - 13 - PRZYPADEK 2 : Wzmacniacz sterowany sygnaBami wspólnymi (U1=U2) +EC u1(t) RC RC WYA WYB t A B WE1 UA UAB UB WE2 u2(t) t RE U2 U1 uAB(t) -EE t Je|eli napicia na obu wej[ciach s jednakowe, to napicie na wyj[ciu symetrycznym powinno by równe zeru UAB = 0. Na wyj[ciach niesymetrycznych (WYA,WYB) istniej jednak napicia ró|ne od zera wzgldem masy UA = UB ¹ð 0. Zmiany tych napi w zale|no[ci od napi wej[ciowych s okre[lone -ð gmRC RC wzmocnieniem wspólnym KUS = »ð -ð (6.24) 1+ð 2gmRE 2RE UWAGA: W praktycznych rozwizaniach ukBady wzm. ró|nicowych nie s idealnie symetryczne (np. tranzystory nie s identyczne) dlatego UAB ¹ð 0. Std te| istotnym parametrem wzmacniacza jest KUR CMRR =ð (6.25) WspóBczynnik tBumienia sygnaBu KUS wspólnego KUR (ang. common-mode rejection ratio) CMRR[ðdB]ð=ð 20lg >ð 60dB KUS - 14 - 6.4. SPRZ{ENIE ZWROTNE W ukBadach elektronicznych sprz|enie zwrotne polega na przekazywaniu cz[ci sygnaBu wyj[ciowego, zwanego sygnaBem zwrotnym, z wyj[cia na wej[cie ukBadu, gdzie sumuje si on z sygnaBem wej[ciowym, zmieniajc wBa[ciwo[ ukBadu. Ka|dy wzmacniacz z obwodem sprz|enia zwrotnego mo|e by S1f S1 S2 S2f przedstawiony w postaci dwóch K wzajemnie niezale|nych bloków, które reprezentuj tor wzmocnienia S1bð S2bð - (jednokierunkow transmisj sygnaBu z bð wej[cia na wyj[cie) i tor sprz|enia zwrotnego (jednokierunkow transmisj sygnaBu z wyj. na wej.). Wzmocnienie ukBadu bez sprz|enia zwrotnego jest równe S2 K =ð (6.26) S1 za[ funkcja przenoszenia toru sprz|enia zwrotnego okre[lona jest przez S1bð bð =ð (6.27) S2bð Poniewa| na wyj[ciu wzmacniacza (dla wzBa zaczepowego) S2 f =ð S2 =ð S2bð (6.28) oraz w wzle sumacyjnym S1 f -ð S1bð =ð S1 (6.29) S2 f K K =ð Zatem =ð (6.30) f 1+ð bðK S1 f S1f S1 S2 S2f S1f S2f K Kf S1bð S2bð - bð - 15 - Sprz|enie zwrotne zmienia warto[ wzmocnienia, przy czym zale|nie od rodzaju wprowadzonej zmiany rozró|nia si dwa przypadki: 1. Je|eli |1+Kbð| > 1, to |Kf| < |K|, czyli nastpuje zmniejszenie wzmocnienia. Sprz|enie okre[la si jako ujemne; 2. Je|eli |1+Kbð| < 1, to |Kf| > |K|, czyli nastpuje zwikszenie wzmocnienia. Sprz|enie okre[la si jako dodatnie. Je|eli wyra|enie 1+Kbð jest rzeczywiste, to sprz|enie zwrotne jest czysto ujemne bdz czysto dodatnie, co oznacza, |e sygnaB zwrotny S1bð jest odpowiednio w przeciwfazie lub w fazie z sygnaBem wej[ciowym S1f . Rodzaj i wBa[ciwo[ci sprz|enia zwrotnego zale| od sposobu pobierania sygnaBu z wyj[cia ukBadu oraz od sposobu wprowadzania go na wej[cie. W zale|no[ci od pobieranego sygnaBu wyró|nia si: sprz|enie napiciowe, w którym sprz|enie prdowe - sygnaB sygnaB sprz|enia (zwrotny) jest sprz|enia jest proporcjonalny do prdu proporcjonalny do napicia wyj[ciowego. wyj[ciowego. K K bð bð Ze wzgldu na sposób wprowadzenia sygnaBu na wej[cie rozró|nia si: sprz|enie szeregowe - sygnaB sprz|enie równolegBe - sygnaB sprz|enia jest wprowadzany szeregowo z sprz|enia jest wprowadzany równolegle sygnaBem wej[ciowym. z sygnaBem wej[ciowym K K bð bð - 16 - Z omówionych kombinacji poBczenia czwórników K i bð na wej[ciu i wyj[ciu wynikaj cztery podstawowe ukBady sprz|enia zwrotnego: napiciowe - szeregowe napiciowe - równolegBe K K bð bð prdowe - szeregowe prdowe - równolegBe K K bð bð WpByw ujemnego sprz|enia zwrotnego na wzmocnienie wzmacniacza oraz jego impedancj wej[ciow i wyj[ciow w porównaniu ze wzmacniaczem bez tego sprz|enia: napiciowe prdowe PARAMETR szeregowe równolegBe szeregowe równolegBe - - ¯ð ¯ð Ku - - ¯ð ¯ð Ki ­ð ¯ð ­ð ¯ð Zwe ¯ð ¯ð ­ð ­ð Zwy gdzie: ¯ð (mniejsza), - (bez zmian), ­ð (wiksza) - 17 -

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
01 PEiM Sygnały doc (2)
10 PEiM Modulacja doc
09 PEiM Generatory doc
08 PEiM Zasilacze doc
2010 06 Ćwiczenie 4 Wzmacnianie sygnałów zmiennych
03 PEiM Met opisu ukł elektr doc (2)
00 Tematy zajęć PEiM doc (2)
11 PEiM Układy logiczne doc

więcej podobnych podstron