Elektronika WZMACNIACZE

Wzmacniacze Idea wzmacniania sygnałów Wzmacniacz

Parametry wzmacniacza jako czwórnika • wzmocnienie: napięciowe, prądowe i mocy; • dolna i górna częstotliwość graniczna; • pasmo przenoszonych częstotliwości; • rezystancja wejściowa i wyjściowa; • zniekształcenia nieliniowe. Właściwości wzmacniacza określa się na podstawie charakterystyk częstotliwościowych: amplitudowej i fazowej.

Rodzaje wzmocnienia Stosunek wybranej wielkości wyjściowej do odpowiadającej jej wielkości wejściowej nazywa się współczynnikiem wzmocnienia.

Właściwości wzmacniacza w zależności od częstotliwości sygnału wejściowego określają dwie zależne od siebie charakterystyki częstotliwościowe: • amplitudy ku(f) = I ku(f) I, przedstawiająca zmiany wartości modułu wzmocnienia w zależności od częstotliwości; • fazowe φ= arg[ ku(f) ], przedstawiająca zmiany wartości argumentu wzmocnienia (przesunięcia fazy) sygnału w zależności od częstotliwości. Częstotliwości graniczne są to takie wartości częstotliwości sygnału wejściowego, dla których wzmocnienie napięciowe wzmacniacza maleje względem wzmocnienia maksymalnego o 3 dB (czyli do poziomu 0.707 swej wartości maksymalnej), a wzmocnienie mocy maleje do połowy.

Rys. 2.1. Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza: a) amplitudowa; b) fazowa kuo - wzmocnienie w zakresie średnich częstotliwości, fd - dolna częstotliwość graniczna, fg – górna częstotliwość graniczna, Δf = B=fg-fd - pasmo przenoszonych częstotliwości

Pojęcia wzmocnienia i tłumienia Jeśli sygnał po przejściu przez czwórnik jest większy, mówimy o wzmocnieniu. Jeśli, przeciwnie, sygnał jest mniejszy, mówimy o tłumieniu. Współczynnik tłumienia jest odwrotnością współczynnika wzmocnienia. Tłumienie podane w dB ze znakiem minus oznacza wzmocnienie. Charakterystyka przenoszenia wzmacniacza Różnica pomiędzy górna fg i dolna fd częstotliwością graniczną nazywa się szerokością pasma przenoszenia B wzmacniacza.

Impedancja wejściowa i impedancja wyjściowa Impedancja wejściowa Zwe stopnia wzmacniacza obciąża źródło napięcia sterującego Schemat zastępczy obwodu wejściowego wzmacniacza Schemat zastępczy obwodu wyjściowego wzmacniacza

Rezystancja wejściowa Rwe jest to rezystancja "widziana" z zacisków wejściowych układu, przy rozwartym wyjściu Rezystancja wyjściowa Rwy jest to rezystancja "widziana" z zacisków wyjściowych układu, przy zwartym wejściu Schemat zastępczy wzmacniacza EG - napięcie generatora, RG - rezystancja generatora, Uwe - napięcie wejściowe wzmacniacza, Rwe - rezystancja wejściowa wzmacniacza, k - wzmocnienie wzmacniacza, Rwy - rezystancja wyjściowa wzmacniacza, Ro - rezystancja obciążenia, Uwy - napięcie wyjściowe wzmacniacza (napięcie na obciążeniu)

Zniekształcenia Do zniekształceń liniowych zalicza się zniekształcenia amplitudowe oraz zniekształcenia fazowe Eliminacja zniekształceń Zniekształcenie impulsów

Sumowanie harmonicznej podstawowej i wyższych harmonicznych Zniekształcenia wprowadzane przez nieliniowość charakterystyk

Wzmacniacze małych sygnałów Stan pracy tranzystora opisuje się za pomocą tzw.punktu pracy - napięcia między bazą a emiterem UBE, - napięcia między bazą a kolektorem UBC - napięcia między kolektorem a emiterem UCE, - prądu bazy lB - prądu emitera IE - prądu kolektora IC. Wymienione wielkości są wzajemnie powiązane, dlatego też w opisie punktu pracy zwykle podaje się tylko wartości napięcia UCE i prądu Ic. Wielkości określające punkt pracy tranzystora zależą od: • rodzaju układu polaryzacji, • wartości elementów (rezystorów) polaryzujących, • parametrów tranzystora (np. wzmocnienia prądowego β tranzystora bipolarnego), • wartości napięcia zasilającego. Wzmacniacz nazywa się mało sygnałowym wtedy, gdy składowa zmienna sygnału powoduje na tyle małe zmiany punktu pracy elementu wzmacniającego (tranzystora), iż można przyjąć, że zmiany te zachodzą na prostoliniowym odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej tego elementu.

Wzmacniacz małych częstotliwości a) schemat zasadniczy b) schemat zastępczy do obliczania punktu pracy

d) charakterystyki wyjściowe z wrysowaną statyczną prostą obciążenia c) zasilanie dwubateryjne 1,2 - oczka napięcia, EB - napięcie wynikające z zamiany układu na układ o zasilaniu dwubateryjnym

Zasada działania wzmacniacza Q - punkt pracy, Ucc - napięcie zasilania, UCEQ - napięcie kolektor-emiter w punkcie pracy, UBEQ - napięcie baza-emiter w punkcie pracy, UCQ - napięcie kolektora w punkcie pracy, UE - napięcie emitera, ICQ – prąd kolektora w punkcie pracy, IBQ - prąd bazy w punkcie pracy Sygnał wejściowy pochodzący z generatora jest podawany na bazę tranzystora. Zmienia on nieznacznie napięcie baza-emiter wokół ustalonej wartości UBEQ wynikającej z punktu pracy tranzystora (punkt Q na statycznej prostej obciążenia). Zmiany napięcia baza-emiter powodują odpowiadające im zmiany prądu bazy wokół wartości IBQ (zmiany te są widoczne na charakterystyce wejściowej. Z kolei zmiany prądu bazy wywołują zmiany prądu kolektora (β-krotnie większe od zmian prądu bazy) wokół wartości ICQ. Zmiany prądu kolektora wywołują na obciążeniu kolektora proporcjonalne zmiany napięcia kolektor-emiter wokół wartości UCEQ

Na rysunkach 2.7b-;-.e przedstawiono przykładowe przebiegi napięcia w pojedynczym stopniu wzmacniającym, gdy na jego wejście w chwili t1 zostanie podane napięcie sinusoidalne. Wartość napięcia UBE w chwili to (rys. 2.7b), przed doprowadzeniem napięcia sinusoidalnego, jest stała i wynosi UBEQ. Wymusza to stałą wartość prądu IBQ (rys. 2.7c), stałą wartość prądu ICQ (rys. 2.7d) oraz stałą wartość napięcia UCEQ (rys. 2.7e).

Układy polaryzacji tranzystorów Punkt pracy tranzystora określają składowe stałe: prądu kolektora (lc) i napięcia kolektor-emiter sterowane prądem bazy (IB). Wybór układu polaryzacji tranzystora jest podyktowany: • stałością punktu pracy (czynnik decydujący), • wielkością rezystancji wejściowej • ceną użytych elementów.UCE)'

Wzmacniacze z tranzystorami unipolarnymi Schemat układu polaryzacji tranzystora unipolarnego a) stałym napięciem bramki ; b) charakterystyka wyjściowa tego tranzystora. Punkt pracy tranzystora unipolarnego określa wartość prądu drenu ID i odpowiadające mu napięcie źródło-dren USD.

Parametry wzmacniaczy unipolarnych • OS (wspólne źródło - WS), • OG (wspólna bramka - WG), • OD (wspólny dren - WD). Wzmocnienie prądowe wzmacniacza w konfiguracji OS jest bardzo duże, ponieważ tranzystor unipolarny charakteryzuje się bardzo małym prądem wejściowym. O rezystancji wejściowej Rwe wzmacniacza decyduje rezystancja bramka-źródło;

Są dwie górne częstotliwości graniczne. Pierwsza zależy od stałej czasowej na wejściu układu, określonej rezystancją fq, oraz sumą pojemności bramka-źródło Cgs i pojemności źródło-dren Cgd Druga górna częstotliwość graniczna zależy od stałej czasowej równolegle połączonych rezystorów na wyjściu i pojemności obciążającej dren (pojemność pasożytnicza i widziana z efektem Millera na wyjściu pojemność bramka-dren Cgd). O wartości dolnej częstotliwości granicznej wzmacniacza decyduje najczęściej pojemność Cs

Oblicz punkt pracy tranzystora pracującego w układzie przedstawionym na rys. o następujących danych: Ucc = 12 V,R1 = 30 kΩ, R2 = 10 kΩ, Rc = 3 kΩ, RE = 1 kΩ, β =100, rd = 100 Ω, UD = UBE·