E - Zespół Układów Elektronicznych
Transkrypt
E - Zespół Układów Elektronicznych
Wzmacniacze tranzystorowe prądu stałego i szerokopasmowe Wrocław 2009 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ Darlingtona 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 zimniejsza to .......................... E’ 2 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ Darlingtona (Sziklai) 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ kaskody WE–WB schemat ideowy schemat zmiennoprądowy T1 pracuje w konfiguracji .................. T2 pracuje w konfiguracji .................. ze sterowaniem prądowym kuT1 = − g m Robc = − g m 1 = −1 gm wyeliminowany efekt Millera dla WE cwe = cbe + C X = cbe + cbc (1 − ku ) = cbe + cbc (2) 4 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ kaskody WE–WB schemat ideowy schemat zmiennoprądowy Przez oba tranzystory płynie w przybliżeniu ten sam IC zatem: kuT1T2 = − g m RC a f gr ≈ fT ponadto: rwy = RC rwe = rbeT 1 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Układ WK–WB +UCC RC WY T1 pracuje w konfiguracji .................. T2 pracuje w konfiguracji .................. ze sterowaniem napięciowym WE RE -UCC rwyT1 = 1 g mT 1 rweT2 = 1 g mT 2 oba tranzystory pracują przy tym samym IC zatem mają takie same gm dlatego: rwyT1 = rweT 2 5 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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). Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz różnicowy we1 wy1 we2 wy2 0.5Uwyr 0.5Uwer Uwes 0.5Uwyr 0.5Uwer Uwys Rys.3. Sterowanie sumacyjne wzmacniacza różnicowego 8 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 UWYA = UWYB oraz UWY = UWYA − UWYB = 0 ⇒ 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 U WY = U WYA − U WYB ≠ 0 ⇒ K UR ≠ 0 Sterowanie różnicowe Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Prądowa charakterystyka przejściowa +UCC RC1 R C2 WYA WE1 WYB T2 T1 IE1 WE2 IE2 I RE -UCC Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Napięciowa charakterystyka przejściowa Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Poszerzenie zakresu liniowej pracy układu 15 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Źródła prądowe stosowane we w.r. Źródło z potencjometrycznym zasilaniem bazy + EC RL IWY = I źr = UWY R1 IWY rWY = Rdyn UB UE R2 RE IWY = const dopóki UCE > UCEsat U E U B − U BE = RE RE dUWY β RE = = rce 1 + dIWY (R1 R2 ) + rbe + RE W szczególności rWY przyjmuje wartości, gdy R1 || R2 << rbe (aby nie wpływały na wartość rWY): 1) gdy RE = 0 to rWY = rce (rezystancji wyj. tranzystora), 2) gdy RE << rbe (rWY rośnie liniowo ze wzrostem RE) β rWY = rce 1 + RE = rce (1 + g m RE ) = rce + ku max RE r be 3) gdy RE >> rbe (rWY nie rośnie przy zwiększaniu RE, jest to zatem max rWY dla tr.bip.) rWY = rce (1 + β ) ≈ βrce 16 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Źródła prądowe stosowane we w.r. Inne źródła – źródło dla napięć dodatnich i ujemnych + EE Źródło dostarcza dodatniego lub ujemnego prądu o wartości proporcjonalnej do UWE. RE R gdy UWE = 0 to I1 = I2 T1 3R I1 UWE gdy UWE > 0 to I1 maleje, I2 rośnie a IWY < 0. IWY I2 3R RL IWY = I źr = − T2 R a IWY = 0, U WE 2 RE RE - EE Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Źródła prądowe stosowane we w.r. 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 RC ≈ EC 1 − C R p.p. T2 nie zależy od temp. ale od różnicy parametrów między T1 a T2 17 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Źródła prądowe stosowane we w.r. Lustro prądowe + EC Rezystancja statyczna: Rstat = U CEQ I CQ Rdyn = U EY I CQ RL R Rezystancja dynamiczna: IWE IWY 2IB IWE - 2IB IWE - 2IB IB T1 IB T2 IC nachylenie gce UBE Rdyn >> Rstat UEY bo U EY >> U CEQ UCE npn ~ (80-200) V pnp ~ (40-150) V Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Źródła prądowe stosowane we w.r. Inne źródła – źródło prądowe Wilsona + EC RL R IWY=IWE IWE IB IWE -IB IWE +IB IWE - IB T1 IWY = IWE T3 2IB IB Źródło o dużej dokładności i dużej rezystancji wyjściowej. IB T2 W układzie możliwe jest wytworzenie całkowitych wielokrotności lub ułamkowych części IWE przez równoległe dołączenie do T2 lub T1 odpowiedniej liczby tranzystorów (identycznych). UBE 18 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Źródła prądowe stosowane we w.r. 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. Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Z obciążeniem dynamicznym – zwiększenie KUR KUR = − g m ROBC +UCC T3 T4 KUS = − WY WE1 T2 T1 WE2 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. 19 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy 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 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Analiza w funkcji częstotliwości Wzmacniacz różnicowy wzmacnia napięcia stałe ale także napięcia zmienne. Obydwa wzmocnienia: różnicowe i sumacyjne zależą od częstotliwości. 20 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Analiza w funkcji częstotliwości Kus +20dB/dek [dB] fE f [log] Kur [dB] -20dB/dek fg f [log] CMRR -20dB/dek [dB] -40dB/dek f [log] Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Analiza w funkcji częstotliwości 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. 21 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe +UDD RD1 WYA WE1 RD2 KUR = − g m RD WYB T2 T1 WE2 RSS -UDD KUS = − g m RD 1+ 2 RSS g m CMRR ≈ g m RSS rwer = rwes ≈ ∞ rwy = RD rds RD + rds Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe Zalety zastosowania tranzystorów unipolarnych: - liniowość wzmacniacza |Uwemax| = (2÷5)V dużo większa niż dla układu z tranzystorami bipolarnymi |Uwemax| = 52mV. - dużo większa rezystancja wejściowa wzmacniacza w porównaniu do rozwiązań z tranzystorami bipolarnymi Wada: - przy tych samych prądach polaryzacji wzmacniacz zbudowany na tranzystorach polowych ma dużo mniejsze wzmocnienie różnicowe ze względu na małą wartość gm. 22 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe – MOSFET W strukturach scalonych wykorzystuje się bardzo często wzmacniacze różnicowe zrealizowane kompleksowo z wykorzystaniem tranzystorów typu MOS. Typowe rozwiązanie. Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe – MOSFET Prąd źródła prądowego zależy od napięcia Ugg (charakterystyka przejściowa tranzystora). Wzmocnienie różnicowe: 1 g m1 g m 4 1 KUR = − g m1 + 2 g ds1 + g m 3 + g ds 3 g ds 2 + g ds 4 przy pełnej symetrii tranzystorów M3 i M4 wyrażenie upraszcza się do postaci: KUR = − g m1 g ds 2 + g ds 4 23 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe – MOSFET Wzmocnienie sumacyjne: KUS = − g m1rds 3 1 + 2 g m1rds 5 Współczynnik CMRR: CMRR = g ds 3 (1 + 2 g m1rds 3 ) g ds 2 + g ds 4 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe – MOSFET Rezystancje wejściowe wzmacniacza: rwer = rwes ≈ ∞ Rezystancja wyjściowa wzmacniacza: rwy = 1 g ds 2 + g ds 4 24 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Wzmacniacz różnicowy – zastosowanie Transkonduktancyjne układy mnożące u WY = k m u x u gdzie : ux, uy - napięcia wejściowe, km = 1/ER - stała skalowania, ER - normujące napięcie odniesienia, zazwyczaj równe +10 V lub -10 V. y = ux u E y R Operację mnożenia można zrealizować w układach elektronicznych w sposób bezpośredni np. poprzez zastosowanie sterowanego podziału prądu lub zmiennej transkonduktancji. Podstawowym blokiem stosowanym w różnych rozwiązaniach układów mnożenia bezpośredniego jest wzmacniacz różnicowy, w którym wydajność źródła prądowego można regulować dodatkowym napięciem uY. Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Dwućwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny Napięcie sterujące uX może być dodatnie lub ujemne, natomiast napięcie uY (w tym rozwiązaniu) może być tylko dodatnie. Stąd efekt mnożenia może wystąpić tylko w pierwszej i trzeciej ćwiartce (układ dwućwiartkowy lub dwukwadrantowy). 25 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Dwućwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny Źródło prądowe wzmacniacza wydajność opisaną zależnością: ma i0 (u y ) = I 0 + g m u y Różnicowe napięcie wzmacniacza: uWYR = i0 RC tgh wyjściowe ux 2ϕT Korzystając za zależności: tgh otrzymujemy: ux u ≈ x 2ϕT 2ϕT uWYR = (I 0 + g mu y )RC tgh dla u x << 2ϕT u xu y ux u ≈ I 0 RC x + g m RC 2ϕT 2ϕT 2ϕT Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Dwućwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny uWYR = (I 0 + g mu y )RC tgh uu ux u ≈ I 0 RC x + g m RC x y 2ϕT 2ϕT 2ϕT Pierwszy człon równania wyraża wzmocnienie napięcia uX, natomiast drugi – mnożenie uX uY. Gdy uX = 0 to i uWYR = 0, natomiast gdy uY = 0 to w ogólnym przypadku uWYR ≠ 0. Oznacza to, że wyjście układu mnożnika dwućwiartkowego jest zrównoważone względem sygnału uX, a nie jest zrównoważone względem sygnału uY.. u 2 R ≈ RC I 0 + g m uY u X = RC g m' u X 2 ϕT 26 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Dwućwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny uWYR = (I 0 + g mu y )RC tgh uWYR ≈ RC u xu y ux u ≈ I 0 RC x + g m RC 2ϕT 2ϕT 2ϕT I0 + gm u y 2 ϕT u x = RC g m' u x Układ ten może być zatem traktowany jako wzmacniacz sygnału różnicowego uX o zmiennej transkonduktacji gm’ , modulowanej przez sygnał uY. Układ ten jest nazywany również modulatorem pojedynczo zrównoważonym (względem uX) Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny modulator podwójnie zrównoważony oba sygnały sterujące uX i uY mają symetryczne wejścia różnicowe. W odróżnieniu od układu dwućwiartkowego, napięcie wyjściowe uWYR jest równe zeru, jeśli tylko którykolwiek z sygnałów (uX lub uY) jest równy zeru. 27 Transkonduktancyjny układy mnoŜący zasada działania Transkonduktancyjny układy mnoŜący zasada działania 28 Transkonduktancyjny układy mnoŜący zasada działania Transkonduktancyjny układy mnoŜący zasada działania 29 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny Wyjściowy prąd różnicowy układu wynosi: u iWYR = i5tgh x 2ϕT u − i6tgh x 2ϕT u = (i5 − i6 )tgh x 2ϕT u = I 0 y 2ϕT u x 2ϕT I0 ≈ 2 u xu y 4ϕT u x , u y << ϕT przy napięciach wejściowych: Napięcie wyjściowe układu dane jest zależnością: uWYR = iWYR RC Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Wadą obu prezentowanych mnożników transkonduktancyjnych jest bardzo mały zakres napięć wejściowych przy których układ mnoży poprawnie. Można ten zakres liniowej pracy powiększyć dwoma sposobami: - zastosowanie tzw. przetwornika Gilberta, - zastosowanie we wzmacniaczach różnicowych dużych rezystancji emiterowych (powoduje to znaczne zmniejszenie nieliniowości układu, ale jednocześnie zmniejsza nachylenie charakterystyk układu mnożącego). Bardzo często stosuje się oba sposoby linearyzacji jednocześnie. 30 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Przetwornik Gilberta Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Przetwornik Gilberta Para różnicowa jest sterowana napięciem na diodach D1 i D2. Jeżeli złącza diod i złącza baza-emiter tranzystorów mają takie same charakterystyki napięciowo – prądowe to, przy zachowaniu warunków iA+iB=const, i1+i2=const, zachodzi proporcja: i2 i A = i1 i B Diody są zazwyczaj sterowane prądami kolektorowymi oddzielnej pary różnicowej, która może być zlinearyzowana poprzez zastosowanie rezystorów emiterowych, co powoduje także linearyzację pracy pary różnicowej T1, T2. 31 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny - zlinearyzowany Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny - zlinearyzowany Napięcia wejściowe są powiązane z prądami wejściowymi zależnościami: ix = ux Rx iy = uy Ry Różnicowy prąd wyjściowy układu jest dany równaniem: iWYR = 2 ixi y I 01 Napięcie wyjściowe obliczamy z zależności: uWYR = iWYR RC = gdzie km = 2 RC u xu y = kmu xu y I 01 R x R y 2 RC jest stałą mnożenia, różną zwykle 0.1 V-1. I 01 R x R y 32 Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Transkonduktancyjne układy mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkonduktancyjny - zlinearyzowany Typowe zlinearyzowane charakterystyki układu mnożącego i jego symbol Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki Zapamiętać •Co to jest układ Darlingtona i Sziklai’ego – podstawowe własności, •Układ kaskody – własności, •Układd WK-WB – własności, •Wzmacniacz różnicowy: •rodzaje wzmocnień •współczynnik CMRR •co daje zastosowanie obciążenia aktywnego, źródła prądowego w emiterach, układu Gilberta, rezystorów w obu emiterach pary różnicowej •Układ transkonduktancyjny dwu i cztero-ćwiartkowy, mnożący – działanie, własności 33