Wzmacniacze Wielostopniowe

Prezentacja na temat: "Wzmacniacze Wielostopniowe"— Zapis prezentacji:

1 Wzmacniacze Wielostopniowe
Piotr Sarna i Sebastian Kęsoń KL 4T2 Podstawowe Parametry Wzmacniaczy Wzmacniacze Wielostopniowe

2 Parametry wzmacniacza jako czwórnika:
-  wzmocnienie napięciowe, prądowe i mocy (stosunek mocy czynnej wydzielonej w obciążeniu do mocy czynnej sygnału doprowadzonego do wejścia układu); - dolna częstotliwość graniczna fd (częstotliwość graniczna od strony małych wartości częstotliwości); - górna częstotliwość graniczna fg (częstotliwość graniczna od strony dużych wartości częstotliwości); - pasmo przenoszonych częstotliwości (przedział częstotliwości między dolną i górną częstotliwością graniczną); - rezystancja wejściowa i wyjściowa; - zniekształcenia nieliniowe (w zależności od wartości amplitudy, wzmacniacz może wzmacniać sygnał wejściowy bez zniekształceń lub zniekształcając go).

3 Ponadto właściwości wzmacniacza określa się na podstawie charakterystyk częstotliwościowych:
- amplitudowej (przedstawia zmiany wartości modułu wzmocnienia w zależności od częstotliwości) i fazowej); - fazowej (przedstawia 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.

4 Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniacza:
a) amplitudowa b) fazowa kuo - wzmocnienie w zakresie średnich częstotliwości fd – dolna częstotliwość graniczna fg – górna częstotliwość graniczna ∆f = B – pasmo przenoszonych częstotliwości

5 Charakterystyka przejściowa wzmacniacza

6 Przy dużych wartościach amplitudy sygnału sterującego elementy aktywne wykazują wyraźnie właściwości nieliniowe. Objawia się to zmianą kształtu przebiegu wyjściowego (w funkcji czasu) w porównaniu z przebiegiem wejściowym. Oznacza to powstanie dodatkowych składowych harmonicznych w widmie częstotliwościowym sygnału wyjściowego. Są to zniekształcenia nieliniowe. Statyczna prosta obciążenia jest to zależność napięcia UCE od prądu IC. Przecięcie się charakterystyki wyjściowej dla ustalonej wartości prądu IB ze statyczną prostą obciążenia wyznacza punkt pracy Q tranzystora

7 Wzmacniacz małych częstotliwości: a) schemat zasadniczy d) charakterystyki wyjściowe z wrysowaną statyczną prostą obciążenia.

8

9 Wzmacniacze ze sprzężeniem zwrotnym są to układy składające się z dwóch oddzielnych bloków: układu podstawowego (wzmacniającego) i układu sprzężenia zwrotnego. Zadaniem układu sprzężenia zwrotnego (o transmitancji ßf) jest przekazywane na wejście układu (jako całości) części sygnału wyjściowego. W wyniku tego modyfikowana jest wartość sygnału sterującego układ podstawowy, a co za tym idzie zmieniają się właściwości całego układu. Sprzężenie zwrotne może powodować zwiększenie lub zmniejszenie sygnału (Sp) doprowadzanego do układu podstawowego w stosunku do sygnału wejściowego (Swe).

10 Wzmacniacz ze sprzężeniem zwrotnym – charakterystyki przejściowe układu
1 – bez sprzężenia zwrotnego 2 – ze sprzężeniem zwrotnym ujemnym 3 - ze sprzężeniem zwrotnym dodatnim

11

12 Zwe sz = Uwe/Iwe = Zwe (1 + kßf)
Wzmocnienie wzmacniacza z ujemnym sprzężeniem zwrotnym jest mniejsze niż wzmocnienie układu podstawowego, ale za to występują mniejsze zniekształcenia nieliniowe. Wzmocnienie wzmacniacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym jest większe niż wzmocnienie układu podstawowego. Sprzężenie Ujemne Uwe = Up + Uf Uwe = Up + Upkßf Zwe sz = Uwe/Iwe = Zwe (1 + kßf) Iwe = Ip + If Iwe = Ip (1 + kßf)

13 Zwe sz = Uwe/Iwe = Zwe (1 - kßf)
Sprzężenie Dodatnie Uwe = Up - Uf  Uwe = Up – Upkßf Zwe sz = Uwe/Iwe = Zwe (1 - kßf) Iwe = Ip – If Iwe = Ip (1 - kßf) Zwe sz = Zwe (1/1 - kßf) Przy sprzężeniu napięciowym równoległym i prądowym równoległym, prąd wyjściowy układu sprzężenia zwrotnego powoduje zwiększenie prądu wejściowego (dodatnie sprzężenie zwrotne) lub jego zmniejszenie (ujemne sprzężenie zwrotne).

14 Wpływ ujemnego sprzężenia zwrotnego na parametry wzmacniacza
Sprzężenie zwrotne Parametr Szeregowe prądowe Szeregowe napięciowe Równoległe prądowe Równoległe napięciowe Wzmocnienie napięciowe Maleje Stałe Wzmocnienie prądowe Impedancja wejściowa Wzrasta Impedancja wyjściowa

15 Parametry wzmacniacza pracującego w konfiguracji OB.
Górna częstotliwość graniczna wzmacniacza pracującego w konfiguracji OB. Jest dużo większa (około ß – krotnie) niż częstotliwość fg wzmacniacza pracującego w konfiguracji OE.

16 Parametry wzmacniacza pracującego w konfiguracji OC.

17 Parametry wzmacniaczy tranzystorowych bipolarnych pracujących w różnych konfiguracjach
OE OS OB. OG OC OD Wzmocnienie napięciowe Duże Około 60 Małe < 1 Wzmocnienie prądowe Około 100 Rezystancja wejściowa Średnia Kilka KΩ Mała Poniżej 500 Ω Duża Około kilkudziesięciu KΩ Rezystancja wyjściowa

18 Wzmacniacze z tranzystorami unipolarnymi.
Schemat układu polaryzacji tranzystora unipolarnego stałym napięciem bramki (a); charakterystyka wyjściowa tego tranzystora (b)

19 Punkt pracy tranzystora unipolarnego określa wartość prądu drenu ID i odpowiadające mu napięcie źródło-dren USD. 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-żródło. O wartości dolnej częstotliwości granicznej wzmacniacza decyduje najczęściej pojemność CS.

20 Schemat funkcjonalny wzmacniacza wielostopniowego
O wartości impedancji wejściowej wzmacniacza wielostopniowego decyduje pierwszy stopień i sprzężenie występujące w układzie, natomiast o wartości impedancji wyjściowej decyduje ostatni (n-ty) stopień.

21 Ogólnie wzmacniacze powinny charakteryzować się dużą wartością rezystancji Rwe (np. rzędu megaomów), a małą wartością Rwy (np. kilka omów). Takie cechy uzyskuje się stosując wtórniki emiterowe. O wartości wzmocnienia napięciowego, prądowego oraz mocy decydują wszystkie stopnie. Przesunięcie fazy sygnału wyjściowego względem sygnału wejściowego we wzmacniaczu wielostopniowym równa się sumie przesunięć faz poszczególnych stopni wzmacniających. Kaskadowe łączenie stopni (wzmacniaczy) prowadzi do zwężenia pasma przenoszenia wzmacniacza wielostopniowego względem pojedynczego stopnia (wzmacniacza).

22 Dolna częstotliwość graniczna wzmacniacza wielostopniowego jest równa największej dolnej częstotliwości pojedynczego stopnia, jeżeli jest ona dużo większa od dolnej częstotliwości każdego z pozostałych stopni wzmacniacza. Jeżeli najmniejsza górna częstotliwość graniczna jednego ze stopni jest dużo mniejsza od górnych częstotliwości granicznych pozostałych stopni, to stanowi ona górną częstotliwość graniczną wzmacniacza wielostopniowego.

23 Układ Darlingtona (super alfa)
Układ ten charakteryzuje się dużą rezystancją wejściową oraz bardzo dużym wzmocnieniem. Rwe ≈ ßRE ≈ ß1ß2RE ß1 - wzmocnienie tranzystora T1 ß2 - wzmocnienie tranzystora T2 ku ≈ 1

24 Schematy wtórnika z układem Darlingtona: a) podstawowy b) z dodatnim sprzężeniem zwrotnym (bootstrap) Aby zwiększyć liniowość układu dołącza się dodatkowy rezystor RE1 lub źródło prądowe polaryzujące tranzystor T1. Elementy te wpływają na zwiększenie wartości prądu IE1 , co powoduje mniejsze zmiany parametru ß1.

25 Wzmacniacz różnicowy Zadaniem wzmacniacza różnicowego jest wytworzenie na wyjściu napięcia, którego wartość jest proporcjonalna do różnicy napięć między jego wejściami.

26 We wzmacniaczu różnicowym oba tranzystory pracują w stanie aktywnym
We wzmacniaczu różnicowym oba tranzystory pracują w stanie aktywnym. Zasada działania jest następująca: zakładamy, że napięcie UB2 tranzystora T2 nie ulega zmianie (np. jest równe zeru). Sygnał wyjściowy jest podawany na bazę tranzystora T1. Wzrost napięcia ub1 powoduje wzrost napięcia ue1 , a tym samym zmniejszenie napięcia ube2. Skutkiem tego następuje zmniejszenie prądu ie2 i prądu ic2 tranzystora T2 oraz zwiększenie prądu ie1 i prądu ic1 tranzystora T1. W wyniku tego zmniejsza się napięcie uc1 tranzystora T1. Zatem napięcie uc1 jest odwrócone w fazie względem napięcia wejściowego ub1. Zmniejszenie wartości prądu płynącego przez kolektor tranzystora T2 ( i0 = ic1 + ic2 ), powoduje z kolei wzrost napięcia uc2 na kolektorze tego tranzystora. Napięcie uc2 jest zgodne w fazie z napięciem wejściowym ub2.

27 Podstawowe parametry wzmacniacza różnicowego:
wzmocnienie napięciowe różnicowe (dla wyjścia symetrycznego); wzmocnienie napięciowe sumacyjne (dla wyjścia niesymetrycznego); różnicowa rezystancja wejściowa (mierzona między obydwoma wejściami); sumacyjna rezystancja wejściowa (mierzona między wejściami i masą); współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego.

28 Wzmacniacze różnicowe są stosowane jako:
stopnie wejściowe wzmacniaczy operacyjnych; stopnie pośrednie we wzmacniaczach szerokopasmowych; stopnie wejściowe lub pośrednie we wzmacniaczach pośredniej częstotliwości.

29 KASKODA Układ kaskody tworzą dwa tranzystory pracujące w układzie OE-OB.

30 Zastosowanie kaskody:
Kaskoda charakteryzuje się bardzo małym oddziaływaniem wyjścia układu na jego wejście; ma szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości i cechuje ją duża liniowość charakterystyki przejściowej. Zastosowanie kaskody: wzmacniacze szerokopasmowe; wzmacniacze selektywne w.cz.; układach m.cz. (gdy jest wymagana duża liniowość charakterystyki przejściowej przy dużej amplitudzie napięcia wyjściowego). Podstawowym stopniem wzmacniającym jest pojedynczy tranzystor pracujący w konfiguracji OE lub wzmacniacz różnicowy; wtórnik emiterowy jest stosowany w celu odseparowania poszczególnych stopni wzmacniających.