Wzmacniacze szerokopasmowe, selektywne i mocy

Prezentacja na temat: "Wzmacniacze szerokopasmowe, selektywne i mocy"— Zapis prezentacji:

1 Wzmacniacze szerokopasmowe, selektywne i mocy
Przygotowali: Piotr Cichowski Paweł Weber

2 1. WZMACNIACZE SZEROKOPASMOWE
Wzmacniacze szerokopasmowe - wzmacniają sygnały o szerokim widmie częstotliwości. A. Zastosowanie wzmacniaczy szerokopasmowych: - wzmacniacze teletransmisyjne (kilka kHz- kilkanaście MHz) - wzmacniacze odbiorników telewizyjnych (30 Hz- 6 MHz) - wzmacniacze urządzeń radarowych (do kilku GHz)

3 Przykładowa charakterystyka ampiltudowa

4 B. Charakterystyki częstotliwościowe
Charakterystyka fazowa wzmacniacza szerokopasmowego powinna wykazywać stałą wartość przesunięcia fazowego w dużym zakresie częstotliwości. Jeżeli charakterystyka ta wykazuje zmianę kąta przesunięcia fazowego, to musi to być liniowa zmiana w funkcji częstotliwości. Wzmacniacz, który spełnia te warunki, nie zniekształca przenoszonego sygnału odkształconego można nazwać wzmacniaczem szerokopasmowym

5 Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy o jednakowym paśmie przenoszenia: a) szerokopasmowego; b) pasmowego

6 C. Podstawowe układy pracy wzmacniacza szerokopasmowego
I. Wzmacniacz różnicowy OC-OB W układzie tym tranzystor T1 pracuje jako wtórnik emiterowy, a tranzystor T2 jako układ ze wspólną bazą. Spadek napięcia na wspólnym rezystorze emiterowym jest napięciem wyjściowym wtórnika i jednocześnie napięciem wejściowym układu OB. Sumaryczna pojemność wejściowa takiego układu jest bardzo mała, gdyż pojemność wejściowa samego wtórnika (Cbe) jest nieznaczna, Jednocześnie układ OC ma bardzo małą rezystancję wyjściową i z małą pojemnością wejściową stopnia OB tworzy filtr górnozaporowy o znacznej częstotliwości granicznej. Układ ten łączy więc zalety wtórnika emiterowego i układu OB, czyli ma: dużą rezystancję wejściową, szerokie pasmo przenoszenia, duże wzmocnienie napięciowe i prądowe. Jednocześnie, jako wzmacniacz różnicowy, charakteryzuje się małym dryftem temperaturowym punktu pracy.

7 Wzmacniacz różnicowy OC-OB

8 II. Wzmacniacz w układzie kaskody
Układ kaskody, utworzony przez stopnic wzmacniające OE i OB. Cechą kaskody jest połączenie, w którym jeden z tranzystorów stanowi obciążenie drugiego. Tranzystor T1 pracuje w układzie ze wspólnym emiterem. Funkcje rezystora kolektorowego pełni tranzystor T2, pracujący w układzie ze wspólną bazą. Oba tranzystory mają i wspólny prąd kolektora i podobnie zrealizowaną polaryzację bazy. Dla sygnału zmiennego kondensator Cb zwiera bazę tranzystora T2 do masy, co jest warunkiem pracy w układzie OB. Jednocześnie jest zwierany dzielnik rezystancyjny Rb3, Rb4, co go eliminuje z układu dla składowej zmiennej. Analiza schematu dla prądu zmiennego wykazuje, że obciążenie tranzystora T1 stanowi rezystancja wejściowa układu OB, przyjmująca niewielką wartość. W efekcie wzmocnienie napięciowe stopnia OE jest nie­wielkie i nie występuje zwielokrotnienie pojemności wejściowej. Jednocześnie stopień ten zachowuje nie zmienione wzmocnienie prądowe i rezystancję wejściową. Rolę wzmacniacza napięcia przejmuje stopień OB, którego wzmocnienie napięciowe przyjmuje taką wartość jak dla układu OE. Zatem kaskoda jest wzmacniaczem łączącym najlepsze cechy układów OE i OB, tzn. duże wzmocnienie napięciowe, duże wzmocnienie mocy, szerokie pasmo przenoszenia i rezystancję wejściową typową dla wzmacniacza OE.

9 D. Korekcja charakterystyki częstotliwościowej
I. Korekcja górnej częstotliwości granicznej. Aby zwiększyć górną częstotliwość graniczną stosuje się następujące układy: układy z korekcją kolektorową, układy z korekcją w bazie lub układy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. W układzie z korekcją kolektorową (rys.) malejąca ze wzrostem częstotliwości wydajność źródła prądowego jest rekompensowana zwiększającą się (ze wzrostem częstotliwości) impedancją ZL „widzianą" z zacisków kolektora tranzystora.

10 Przy właściwie dobranej stałej czasowej układu korekcyjnego (t = L/Rc) uzyskuje się najszersze pasmo przenoszenia (krzywa 2) bez konieczności zwiększania wzmocnienia układu powyżej wartości ku0. Krzywa 1 odpowiada charakterystyce wzmacniacza bez korekcji, krzywa 3 — zbyt małej wartości stałej czasowej z (niedokompensowanie), a krzywa 4 — zbyt dużej wartości stałej czasowej z (przekompensowanie).

11 Korekcja w bazie polega na tym, że w stopniu wzmacniającym rezystory polaryzujące bazę tranzystora można zastąpić impedancją ZB której wartość będzie się zwiększała wraz ze wzrostem częstotliwości. W wyniku tego zmniejszanie się impedancji baza-emiter (wskutek wzrostu częstotliwości sygnału wejściowego) jest kompensowane zwiększeniem wartości impedancji ZB. Uzyskuje się stałą wartość impedancji wejściowej, czyli stałą wartość napięcia sterującego oraz zwiększenie górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza.

12 Inną możliwością zwiększenia górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza jest stosowanie układów z selektywnym ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Rozróżnia się korekcję szeregową i równoległą. Układ korekcyjny zbudowany z elementów Rt, Cf (rys. 4.5a) dla zakresu średnich częstotliwości stanowi ujemne prądowe sprzężenie zwrotne (korekcja szeregowa w obwodzie sprzężenia zwrotnego). Zmniejszenie wzmocnienia tranzystora jest kompensowane słabszym ujemnym sprzężeniem zwrotnym, a co za tym idzie wzmocnienie całego układu pozostaje na stałym poziomie. Układy z szeregową korekcją sprzężenia zwrotnego są powszechnie stosowane w układach scalonych, ze względu na niewielkie wartości pojemności Cf. Sprzężenie zwrotne w układach z korekcją równoległą (rys. 4.5b) jest realizowane za pomocą elementów Rf i Lf. Impedancja Zf dodaje się do impedancji wejściowej wzmacniacza(równoległe dołączenie dwójnika Rf, Lf) i do impedancji obciążającej kolektor tranzystora. Ze wzrostem częstotliwości wartość obu tych impedancji będzie się zwiększała. Wzmocnienie nie ulega zmianie przy właściwie dobranych wartościach elementów Rf, Lf.

13

14 2.Wzmacniacze selektywne
Zadaniem wzmacniaczy selektywnych jest wydzielenie z sygnału wejściowego składowych o częstotliwości bliskiej częstotliwości środkowej f0 (w interesującym nas paśmie) i wytłumienie pozostałych składowych sygnału. Wzmacniacze selektywne dzieli się na: wzmacniacze z selektywnym sprzężeniem zwrotnym, nazywane filtrami aktywnymi lub ampifiltrami, oraz wzmacniacze rezonansowe. Głównym zastosowaniem wzmacniaczy selektywnych są urządzenia odbiorcze (radiowe, telewizyjne, radarowe), analogowe systemy telekomunikacyjne, modemy, filtracja sygnałów pomiarowych.

15 A. Parametry wzmacniaczy selektywnych
- Selektywność: Selektywnością wzmacniacza jest nazywana zdolność do tłumienia sygnałów o częstotliwościach leżących poza pasmem przenoszenia, czyi: sygnałów niepożądanych. - Częstotliwość środkowa: Jest to częstotliwość(fo) przy której wzmacniacz selektywny posiada maksimum charakterystyki czyli wartość jeden. - Pasmo trzydecybelowe: Jest to przedział częstotliwości w którym wzmocnienie wzmacniacza zmalało o 3dB w stosunku do wzmocnienia przy częstotliwości środkowej fo - Pasmo dwudziestodecbelowe: Jest to zakres częstotliwości, w którym wzmocnienie wzmacniacza zmalało do poziomu -20dB

16 - współczynnik prostokątności:
Jest miarą selektywności wzmacniacza. Współczynnik prostokątności wzmacniacza o idealnej charakterystyce amplitudowej byłby równy jedności. Im współczynnik p jest większy, tym wzmacniacz jest bardziej selektywny. p= B3dB/B20dB - dobroć: Od parametru tego(Q) zależne jest pasmo przenoszenia wzmacniacza. B3dB=f0/Q

17 Tak więc niemożliwe jest zbudowanie wzmacniacza selektywnego o dużej selektywności z układów o małej dobroci. Wartość dobroci wzmacniacza decyduje o kształcie jego charakterystyki częstotliwościowej (rys)Przy większej dobroci charakterystyka jest węższa — wzmacniacz ma większą selektywność.

18 B. Filtry aktywne W zakresie małych częstotliwości wykorzystuje się wzmacniacze selektywne RC zbudowane według zasady przedstawionej na rys Składają się one ze wzmacniacza operacyjnego oraz obwodu selektywnego RC, który tworzy gałąź sprzężenia zwrotnego. Stosowane tam czwórniki RC w zależności od struktury dzieli się na: drabinkowe, typu T, podwójne T, mostkowe (najczęściej jako mostek Wiena). Ponieważ filtry pasywne RC charakteryzują się niezadowalającymi parametrami, wynikającymi ze zbyt małej stromości charakterystyk częstotliwościowych, więc rozbudowuje się je o element wzmacniający (wzmacniacz operacyjny), tworząc filtry aktywne. W układach małej częstotliwości nie stosuje się obwodów LC, ze względu na duże wartości indukcyjności, jakie musiałyby mieć cewki, a więc znaczne wymiary geometryczne. Dodatkowym problemem są trudności ze scalaniem układów zawierają­cych indukcyjności. Zakres częstotliwości, w którym są wykorzystywane filtry RC, nie wykracza zazwyczaj poza pasmo akustyczne.

19 I . Filtr aktywny podwójne T
Filtr podwójne T jest układem środkowozaporowym. Zbudowany jest z dwóch połączonych równolegle czwórników typu T, z których jeden stanowi filtr górnoprzepustowy, a drugi dolnoprzepustowy. Wypadkowa charakterystyka amplitudowa obu filtrów ma bardzo korzystny kształt, zapewniający silne tłumienie częstotliwości środkowej i przekazywanie niemal całego napięcia na wyjście przy częstotliwościach odległych od środkowej. Jeżeli filtr o takiej charakterystyce amplitudowej zostanie włączony w pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego w układzie odwracającym, to powstanie aktywny filtr środkowoprzepustowy czyli filtr aktywny.

20

21 II. Filtr z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym
Innym rodzajem filtru środkowoprzepustowego jest filtr z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym(rys. 7.6). Układ ten wyróżnia się tym, że w przeciwieństwie do omówionych wcześniej filtrów aktywnych z pojedynczym sprzężeniem zwrotnym, sygnał sprzężenia zwrotnego, pobierany z wyjścia wzmacniacza operacyjnego, jest podawany do dwóch punktów obwodu wejściowego filtru. Zaletą filtru z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym jest prostota układu

22 C. Wzmacniacze selektywne LC z obwodem rezonansowym
Wzmacniacze selektywne wielkiej częstotliwości, budowane jako układy z równoległym obwodem rezonansowym LC, są nazywane wzmacniaczami rezonansowymi. Impedancja zastępcza równoległego obwodu rezonansowego osiąga przy częstotliwości rezonansowej f0 maksymalną wartość i ma charakter rezystancyjny (nie przesuwa fazy napięcia względem prądu). Jeżeli obwód taki zostanie umieszczony w kolektorze tranzystora w układzie OE, którego wzmocnienie jest wprost proporcjonalne do impedancji kolektora, to powstanie wzmacniacz o wzmocnieniu zależnym od częstotliwości sygnału wejściowego, czyli wzmacniacz selektywny. Dla sygnału zmiennego obwód rezonansowy jest włączony równolegle do wyjścia wzmacniacza, gdyż jeden zacisk obwodu jest przyłączony do kolektora, a drugi zwarty do masy poprzez pomijalnie małą rezystancję wewnętrzną zasilacza. W związku z tym pojemności pasożytnicze, występujące w układzie, przyłączają się do obwodu rezonansowego i nie powodują tłumienia sygnału. Wartość wzmocnienia wzmacniacza jest zależna od jego rezystancji wyjściowej. W stopniu OE wartość rezystancji wyjściowej, a więc także wzmocnienia, zależą od rezystancji kolektora.

23 Drugi, równoległy element obwodu wyjściowego — dynamiczna rezy­stancja wyjściowa tranzystora jest wielokrotnie większa. We wzmacniaczu selektywnym LC impedancja zastępcza równoległego obwodu rezonansowego osiąga wartość większą niż rezystancja wyjściowa tranzystora. Dlatego o zastępczej rezystancji wyjściowej wzmacniacza rezonansowego decyduje duża rezystancja RCE tranzy­stora, rzędu kilkudziesięciu kiloomów. Taki stopień wzmacniający jest zazwyczaj sprzężony z następ­nym stopniem i wtedy pojawia się problem dopasowania impedancyjnego stopni

24 3. WZMACNIACZE MOCY Wzmacniacze mocy stosuje się do wzmacniania sygnałów akustycznych

25 Budowa wzmacniacza mocy
Sygnał wej. jest podawany na wej. wzmacniacza napięciowego (m.cz.) z którego poprzez stopień sterujący jest odprowadzany do stopnia wyjściowego. Następnie sygnał podawany jest na odbiornik np. głośnik oraz poprzez pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego na wejście wzmacniacza napięciowego. Dzięki sprzężeniu zwrotnemu uzyskuje się stabilizacje punktów pracy tranzystorów a co za tym idzie minimalizację zniekształceń nieliniowych.

26 Klasy pracy tranzystora
W zależności od położenia punktu pracy tranzystorów wzmacniacze mocy dzieli się na klasy: A, B, AB, C,T KLASA A -Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że przez element aktywny tego wzmacniacza płynie prąd przez cały okres T sygnału sterującego. Sprawność dla wzmacniaczy pracujących w klasie A wynosi max 50%. KLASA B -Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd tylko przez połowę okresu T trwania sygnału sterującego. Sprawność dla wzmacniaczy pracujących w klasie B wynosi ok.78,5%. KLASA AB - Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy niż jeden okres T trwania sygnału sterującego, ale dłuższy niż pół okresu. Klasa AB charakteryzuje się sprawnością rzędu 50-70% z małymi zniekształceniami. KLASA C - Sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy niż pół okresu T trwania sygnału sterującego. KLASA T – wzmacniacz klasy T jest procesorem sygnałowym sterującym wyjściowymi tranzystorami w sposób wyznaczony przez sygnał wejściowy i sygnał sprzężenia zwrotnego. Współczynnik zniekształceń nieliniowych poniżej 0,08% ,sprawność wynosi w granicy 70-90% tym samym klasa T łączy ze sobą zalety klas A, AB, D

27

28 STOPNIE WYJŚCIOWE Stopnie wyjściowe dzielimy na : komplementarne
qasi-komplementarne Stopień komplementarny – 2 równolegle połączone wtórniki emiterowe pracujące na wspólne obciążenie Każdy z tranzystorów pracuje w klasie C. Dla małych sygnałów wejściowych sygnał wyjściowy jest równy zeru (tzw. Strefa nieczułości ) oba tranzystory nie przewodzą.

29 Szerokość strefy nieczułości można zredukować na 2 sposoby :
- stosując wzmacniacz operacyjny i silne ujemne sprzężenie zwrotne

30 - zmieniając punkt pracy tranzystora przez wstawienie między bazy tranzystorów rezystorów i diod które będą utrzymywały między nimi stałe napięcie ( wzmacniacz przeciwsobny )

31 Podstawowe układy połączeń tranzystorów stosowanych w stopniach mocy ich cechą charakterystyczną jest duże wzmocnienie prądowe

32 Układy qasi-komplementarne
Układy te są qasi-komplementarne ponieważ komplementarna jest tylko para sterująca czyli T1 i T3 ( w układach komplementarnych tranzystory sterujące oraz tranzystory mocy są komplementarne ) , a tranzystory mocy są o takim samym typie przewodnictwa T2 i T4

33 PARAMETRY WZMACNIACZA MOCY
Do podstawowych parametrów wzmacniacza mocy zaliczamy : - wzmocnienie mocy - moc wyjściowa mierzona w watach - współczynnik sprawności energetycznej –jest definiowany jako stosunek mocy wydzielonej w obciążeniu do mocy pobieranej z zasilacza i podawany w % - współczynnik zniekształceń nieliniowych (współczynnik zawartości harmonicznych) – jest miarą zniekształceń sygnału wyjściowego wzmacniacz - pasmo przenoszenia częstotliwości

34 CHARAKTERYSTYKI WZMACNIACZA MOCY
Charakterystyka przejściowa moc wyjściowa w funkcji napięcia wejściowego - napięcie przesterowania - moc znamionowa Charakterystyka zniekształceń wzmacniacza mocy napięcie wyjściowe w funkcji napięcia h – współczynnik zniekształceń nieliniowych

35 Charakterystyka częstotliwościowa i charakterystyka zniekształceń
Moc wyjściowa w funkcji częstotliwości

36 Charakterystyka obciążeniowa
Zależność mocy wyjściowej wzmacniacza od wartości rezystancji obciążenia - moc znamionowa - rezystancja wyjściowa - optymalna rezystancja obciążenia (dla wzmacniaczy akustycznych wynosi 4–8 ohm) h – współczynnik zniekształceń nieliniowych

37 Charakterystyka energetyczna
- moc pobrana z zasilacza - moc oddawana do obciążenia - moc tracona w tranzystorach

38 Wzmacniacz scalony Wzmacniacze scalone dzielimy ze względu na wykonanie : - układy monolityczne których moc nie przekracza 30W są wytwarzane w podłożu z monokryształu krzemu. Zwiększenie mocy wyj. odbywa się kosztem jakości sygnału wyjściowego -układy hybrydowe – mają o wiele większą moc (do 200 W ) oraz wysoką jakość są wytwarzane w technice warstwowej która jest znacznie droższa od wytwarzania układów monolitycznych.

39 Schemat scalonego wzmacniacza mocy TDA 2040 z zasilaniem symetrycznym