Wzmacniacze prądu stałego.

Transkrypt

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Wzmacniacze tranzystorowe
prądu stałego
Wrocław 2013
Układ Darlingtona (układ super-β)
Układ stosowany gdy potrzebne duże wzmocnienie prądowe (np. do WK).
C’
IC
IC1
B’
C’
IC2
T1
B’
IE1=IB2
T2
E’
E’
β '=
I C I C1 + I C 2
=
I B1
I B1
I C1 = β1 I B1
I C 2 = β 2 I E1 = β 2 (β1 I B1 + I B )
β ' = β1 + β 2 (β1 + 1) ≈ β1β 2
1
Układ Darlingtona
C’
rwe = rbe1 + β1rbe 2
IC
IC1
B’
IC2
T1
ponieważ:
I C 2 ≈ β 2 I C1
rwe = 2rbe1 = 2 β '
T2
IE1=IB2
otrzymujemy
E’
rwy = rce 2
ponieważ:
rce1 = β rce 2
rce1 (1 + g m rbe 2 )
β2
rbe 2 =
1
β1
rbe1
zatem:
ϕT
IC
= rce 2
2rce1
β2
otrzymujemy:
rwy = rce 2 2rce2 =
2
rce 2
3
Układ Darlingtona
C’
IC
C’
IC1
B’
Typowe układy Darlingtona mają górną częstotliwość
graniczną rzędu 10...50kHz zastosowanie ich zatem
do: ...............................................
IC2
T1
B’
IE1=IB2
R
T2
E’
Układ Darlingtona jest też stosunkowo „wolny” – aby
przyspieszyć proces wyłączenia (zwiększyć szybkość
usuwania nośników z bazy T2) stosuje się .................
jednak zmniejsza to ..........................
E’
2
Układ Darlingtona
Układ Darlingtona z przeciwstawnych tranzystorów.
E’
Gdy T1 jest p-n-p to cały układ zachowuje się jak układ p-n-p, T2
wzmacnia prąd (T1 –WE, T2 – WK).
B’
T1
β ' ≈ β1 β 2
T2
U B 'E ' ≈ 0,6V
rwe = rbe1 = β '
C’
rwy =
ϕT
IC
1
rce2
2
Układ kaskody – wprowadzenie
WE - efekt Millera
i1
ib
WE
RB1
ic
Y
gbe
RB2
i2
C
If
ube
u1
RG
cbc
X
B
WY
uce
u2
gce
cbe
il
RL
RC
gmube
EG ~
E
i1
E
ib
WE
Y
ic
RB1
i2
C
ube
u1
RG
X
B
uce
gbe
RB2
cbe
CX
CY
gce
WY
il
u2
RC
RL
gmube
EG ~
E
cwe = cbe + C X = cbe + cbc (1 − ku )
E
fg =
1
2 ⋅ π ⋅ cwe ⋅ rwe RG
3
Układ kaskody – wprowadzenie
Układ WB
i1
RG
ie
WE
ueb
u1
i2
C
E
ucb
geb
RE
cbe
αie
cbc
WY
il
u2
RC
RL
EG ~
B
rwe ≈ reb =
B
1
gm
Układ kaskody WE–WB
schemat ideowy
schemat zmiennoprądowy
T1 pracuje w konfiguracji ..................
T2 pracuje w konfiguracji ...................
kuT1 = − g m Robc = − g m
1
= −1
gm
wyeliminowany efekt Millera dla WE
cwe = cbe + C X = cbe + cbc (1 − ku )
4
Układ kaskody WE–WB
schemat ideowy
schemat zmiennoprądowy
Przez oba tranzystory płynie w przybliżeniu ten sam IC zatem:
ku = − g m RC
f gr ≈ fT
a
ponadto:
rwy = RC
rwe = rbeT 1
Układ WK–WB
+UCC
RC
WY
WE
RE
rwyT1 =
1
g mT 1
-UCC
rweT2 =
1
g mT 2
oba tranzystory pracują przy tym samym IC zatem mają takie same gm dlatego:
rwyT1 = rweT 2
5
Układ WK–WB
+UCC
Zatem na ET2 występuje połowa zmiennego
napięcia wejściowego i otrzymujemy:
RC
WY
Gm =
WE
IC 2
IC 2
1
=
= − gm
U we − 2U be2
2
a wzmocnienie napięciowe jest równe:
1
ku = Gm RC
2
RE
-UCC
rwe = 2rbe
rwy ≈ RC
Układ WK–WB
Wzmacniacz w konfiguracji WK ma dużo większą częstotliwość graniczną
w porównaniu do układu WE. Dlatego układ charakteryzuje się bardzo dobrymi
właściwościami częstotliwościowymi (porównywalnie z kaskodą).
Wzmocnienie napięciowe zapewnia stopień WB. Lecz jest ono mniejsze niż dla
kaskody.
Zaletą układu jest kompensacja zmian temperaturowych napięcia UBE
(ograniczony wpływ temperatury) tranzystorów co nie występuje w kaskodzie.
Takie rozwiązanie układowe jest stosowane w technice scalonej.
6
Wzmacniacze prądu stałego
W.p.s. są to symetryczne wzmacniacze dolnoprzepustowe o dwóch wejściach
i jednym (wzmacniacz operacyjny) lub dwóch (wzmacniacz różnicowy)
wyjściach, służące do wzmacniania sygnałów o określonym paśmie
częstotliwości włączając w to sygnały wolnozmienne i stałoprądowe. Do
sprzęgania kolejnych stopni oraz wejścia i wyjścia wzmacniacza nie stosuje się
.........................................................................
Wzmacniacze te zapewniają wzmocnienie sygnałów użytecznych (różnicowych)
oraz tłumienie sygnałów niepożądanych (np. wejściowych sumacyjnych).
Na wej i wyj napięcie DC = 0.
Sygnały niepożądane mogą powstawać we wszystkich stopniach wzmacniacza,
jednak największe ma znaczenie ma dryft stopnia wejściowego, który podlega
największemu wzmocnieniu. Z tego względu stopnie te realizuje się jako wzm.
różnicowe (ang. emitter-coupled pair).
Wzmacniacze prądu stałego
Wzmacniacz
operacyjny
we1
Wzmacniacz z wyjściem
niesymetrycznym
wy
we2
Uwe1
Uwy
Uwe2
Wzmacniacz
różnicowy
we1
wy1
we2
wy2
Uwy1
Uwe1
Uwe2
Uwy2
Wzmacniacz z wyjściem
symetrycznym
7
Wzmacniacz różnicowy
Można zdefiniować dwa rodzaje sygnałów:
- różnicowe
U wer = U we1 − U we 2
U wyr = U wy1 − U wy 2
- sumacyjne, zobrazowane na rys.
U wes =
U wys =
U we1 + U we 2
2
U wy1 + U wy 2
2
Wzmacniacz
różnicowy
we1
wy1
we2
wy2
0.5Uwyr
0.5Uwer
Uwes
0.5Uwyr
0.5Uwer
Uwys
Sterowanie sumacyjne wzmacniacza różnicowego
8
Zależności na UWY wzmacniacza różnicowego przybierają postać:
- napięcie wyjściowe różnicowe:
U wyr = KURU wer + KUSU wes
- napięcie wyjściowe sumacyjne:
U wys = KUSRU wer + KUSSU wes
Poszczególne wzmocnienia definiujemy następująco:
– wzmocnienie różnicowo – różnicowe (powszechn. wzmocnienie różnicowe):
KUR =
U wyr
U wer
przy
U wes = 0
– wzmocnienie różnicowo – sumacyjne (powszechn. wzmocnienie sumacyjne):
KUS =
U wyr
U wes
przy
U wer = 0
– wzmocnienie sumacyjno – różnicowe:
KUSR =
U wys
U wer
przy
U wes = 0
– wzmocnienie sumacyjno – sumacyjne:
KUSS =
U wys
U wes
przy
U wer = 0.
9
Najważniejszymi są wzmocnienia KUR i KUS. Są to parametry charakterystyczne
wzmacniacza różnicowego. Na ich podstawie określa się dodatkowy parametr –
współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego CMRR (ang. Common Mode
Rejection Ratio). Współczynnik ten jest miarą jakości wzmacniacza różnicowego.
CMRR =
KUR
KUS
Tranzystory bipolarne
+UCC
RC1
WYA
WE1
Podstawowa
cecha
w.r.
jest
zdolność
wzmacniania różnicy wartości sygnałów wej.
(tzw. różnicowych), tłumienia natomiast ich
wspólnej części (tzw. wspólnych) – możliwe jest
zatem wzmacnianie małych sygn. różnicowych
na tle dużych sygn. wspólnych.
RC2
WYB
T2
T1
WE2
Sposoby sterowania:
1. ...........................................
RE
2. ...........................................
-UCC
RC1 = RC 2 = RC
g m1 = g m 2 = g m
3. ...........................................
Wyjście układu:
1. ...........................................
2. ...........................................
10
Sterowanie
+UCC
Jeśli U WE1 = U WE 2 = 0
RC1
RC2
WYA
WE1
IE1
tzn.
WE2
T2
T1
I E1 = I E 2 =
to
WYB
1
I
2
lub U WE1 = U WE 2
oraz
UWY = UWYA − UWYB = 0
UWYA = UWYB
⇒ K US = 0
IE2
Sterowanie wspólne
I
RE
Jeśli, np. U WE1 > U WE 2
-UCC
to I E1 ≈ I C1
I E 2 ≈ IC 2
∆I C1 = − ∆I C 2
UWY = UWYA − UWYB ≠ 0
⇒ K UR ≠ 0
Sterowanie różnicowe
Sterowanie
+UCC
RC1
WYA
WE1
Podobnie jak dla sterownia sumacyjnego, w.r.
zachowuje się w przypadku:
RC2
- zmian parametrów tranzystora
zjawiskami termicznymi;
WYB
T2
T1
IE1
wywołanymi
WE2
- zmiany napięć zasilających;
IE2
- wystąpienia zakłóceń;
I
- wzmacniania parzystych harmonicznych napięć
sterujących.
RE
-UCC
11
Parametry – wzmacniacz symetryczny
+UCC
RC1
WYA
WE1
KUR = − g m (RC rce )
RC2
WYB
KUS = 0
T2
T1
IE1
WE2
CMRR =
IE2
I
KUR
=∞
KUS
RE
-UCC
rwer = 2rbe
r
rwes = be + (β + 1)RE
2
rwy =
RC rce
≈ RC
RC + rce
Parametry – wzmacniacz niesymetryczny
Stosowany np. gdy:
- wzmacniany jest tylko jeden sygnał wej. (B drugiego T na potencjale masy);
- wyjście tylko z jednego z C.
1
KUR = − g m (RC rce )
2
R
KUS = − C
2 RE
CMRR =
KUR
≈ g m RE
KUS
12
Prądowa charakterystyka przejściowa
+UCC
RC1
R C2
WYA
WE1
WYB
T2
T1
IE1
WE2
IE2
I
RE
-UCC
Prądowa charakterystyka przejściowa
Prądy kolektorów tranzystorów są opisane zależnościami:
I C1 =
α 0 (I E1 + I E 2 )
−U wer
1+ e
IC 2 =
α 0 (I E1 + I E 2 )
ϕT
U wer
1 + e ϕT
Napięcie wyjściowe różnicowe dane jest równaniem:
U
U wyr = −α 0 (I E1 + I E 2 )ROBC tgh wer
 ϕT



13
Napięciowa charakterystyka przejściowa
Liniowość układu
Dla temperatury:
T = 300K
ϕT = 26mV
wzmacniacz pracuje liniowo dla napięć wejściowy z zakresu:
U wer = (− 2ϕT ÷ 2ϕT ) = (− 52mV ÷ 52mV )
Aby zwiększyć liniowość wprowadza się sprzężenie zwrotne dla sygnałów
różnicowych zrealizowane na rezystorach Re.
14
Poszerzenie zakresu liniowej pracy układu
+UCC
RC1
WYA
WE1
RC2
WYB
T2
T1
RE
WE2
RE
REE
Dla wzmacniacza z poszerzonym zakresem
liniowości zakres napięć wejściowych, dla
których wzmacniacz pracuje liniowo
wynosi:
-UCC
U wer = [(− 2ϕT − I E RE ) ÷ (2ϕT + I E RE )] = [(− 52mV − I E RE ) ÷ (52mV + I E RE )]
Dla układu ze sprzężeniem zwrotnym wzmocnienie różnicowe wzmacniacza
wynosi:
KUR = −
g m (RC rce )
1 + g m RE
≈
RC rce
RE
Poszerzenie zakresu liniowej pracy układu
15
Źródła prądowe stosowane we w.r.
Zastosowanie źródeł prądowych:
- zapewnienie przepływu stałego prądu przez obciążenie źródła – niezależnie od
wartości obciążenia,
- zapewnienie dużych wartości rezystancji dynamicznych przy małych spadkach
napięcia
Lustro prądowe
+ EC
RL
R
IWE
IWY
2IB
IWE - 2IB
IWE - 2IB
T1
IB
IWE = I C + 2 I B
IC =
EC − U BE
I
−2 C
R
β
IWY = I C =
β
β +2
IWE
jeśli EC>>UBE, β>>2, zatem:
IB
T2
UBE
I CQ = IWY ≈
EC
R
 R 
U CEQ = EC − IWY RL ≈ EC 1 − L 
R 

p.p. T2 nie zależy od temp. ale od różnicy parametrów między T1 a T2
16
Lustro prądowe
+ EC
Rezystancja statyczna:
Rezystancja dynamiczna:
IWY
2IB
Rdyn =
U EY
I CQ
IWE - 2IB
IWE - 2IB
T1
U CEQ
I CQ
RL
R
IWE
Rstat =
IB
IB
T2
IC
nachylenie gce
UBE
Rdyn >> Rstat
bo U EY >> U CEQ
UEY
UCE
npn ~ (80-200) V
pnp ~ (40-150) V
Zwiększenie wzmocnienia różnicowego wzmacniacza
CMRR – zastosowanie źródeł prądowych
i współczynnika
Zwiększenie KUR – zastąpienie rezystorów RC lustrem prądowym – obciążenie
dynamiczne.
Zastosowanie – głównie technika scalona z powodu trudności w realizacji
dużych rezystancji w strukturze układów scalonych.
17
Z obciążeniem dynamicznym – zwiększenie KUR
KUR = − g m ROBC
+UCC
T3
T4
KUS = −
WY
WE1
WE2
T2
T1
RL
REE
RL
2
2 REE 2 + β 3
CMRR =
ROBC =
-UCC
g m ROBC REE (2 + β 3 )
RL
RL rce 4
RL + rce 4
rce 4 =
U EY
I CQ 4
Zwiększenie CMRR:
- zwiększenie KUR – źródło prądowe zamiast RC
- zmniejszenie KUS – zastosowanie źródła prądowego zamiast REE.
Zwiększenie KUR , zmniejszenie KUS
+UCC
T3
KUS =
T4
WY
Rźr
WE1
T2
T1
− ROBC
2 Ree
dla REE = Rdyn
WE2
RL
KUS =
T6
− ROBC
2 Rdyn
T5
-UCC
gdzie:
Rdyn =
U EY
I CQ 5
I CQ 5 =
U cc + U ee − U BE 6
Rzr
18
Analiza w funkcji częstotliwości
Wzmacniacz różnicowy wzmacnia napięcia stałe ale także napięcia zmienne.
Obydwa wzmocnienia: różnicowe i sumacyjne zależą od częstotliwości.
Kus
+20dB/dek
[dB]
fE
f [log]
Kur
[dB]
-20dB/dek
fg
f [log]
CMRR
[dB]
-20dB/dek
-40dB/dek
f [log]
19
fg =
1
2πRCwe
R 

rb 'e  rbb ' + g 
2 
R= 
R
rb 'e + rbb ' + g
2
fE =
1
2π (Cwy + Cm )rwy
Cwe = Cb 'e + Cb 'c (1 − KUR ( jω = 0) )
Cwy – pojemność widziana od strony zacisków rezystora (lub źródła/lustra
prądowego) REE znajdującego się we wzmacniaczu różnicowym.
Cm – pojemności montażowe
rwy – rezystancja rezystora REE (lub wyjścia źródła/lustra prądowego)
znajdującego się we wzmacniaczu różnicowym.
20

Wzmacniacze prądu stałego.

Transkrypt

Podobne dokumenty

Politechnika Wrocławska

Laboratorium „Konwersja energii”

Wzmacniacze operacyjne. - Politechnika Wrocławska

Cenią nas zagraniczni studenci

Politechnika Wrocławska

W1_Historia elektroniki - Politechnika Wrocławska

W12_Klucze analogowe [tryb zgodnoœci]

WZM ANT AWS-141S / AWS141SE