L - Politechnika Wrocławska

Transkrypt

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Podstawowe konfiguracje
wzmacniaczy
tranzystorowych
Wrocław 2010
Klasyfikacja wzmacniaczy
Ze względu na zastosowany element sterowany:
-- lampowe
-- tranzystorowe
1
wzmocnienie
Ze względu na zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów:
-- prądu stałego,
-- małej częstotliwości (m.cz.),
-- wielkiej częstotliwości (w.cz.).
stałoprądowe
w. cz.
m. cz.
1Hz
10Hz
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
1MHz
100MHz
10MHz
10GHz
f
1GHz
-- selektywne ( fgórna / fdolna ≥ 1),
-- szerokopasmowe ( fgórna / fdolna >> 1).
Ze względu na rodzaj sprzężenia między wzmacniaczem a obciążeniem lub
kolejnym stopniem wzmacniacza:
-- o sprzężeniu pojemnościowym (RC),
-- o sprzężeniu transformatorowym,
-- o sprzężeniu bezpośrednim (galwanicznym).
wzmacniane sygnały zmienne (napięcie stałe
nie przedostaje się na następny stopień), np.
wzmacniacze akustyczne
wzmacniane sygnały zmienne i stałe
zastosowanie we wzmacniaczach
prądu stałego
2
Ze względu na położeniu p.p. na ch-yce tranzystora oraz amplitudy sygnału
wejściowego (podział głównie wzmacniaczy mocy):
-- klasa A (p.p. na liniowej części ch-yki a amplituda sygnału wej. na tyle mała,
że przez cały okres sygnały wej. tranzystor przewodzi prąd – stan aktywny),
-- klasa B (p.p. tak dobrany, że tranzystor przewodzi prąd tylko przez połowę
okresu – przez drugą połowę jest zatkany),
-- klasa AB (tranzystor przewodzi przez większość część okresu sygnału wej.),
-- klasa C (tranzystor przewodzi przez mniejszą część okresu sygnału wej.).
Wzmacniacze tranzystorowe
Tranzystor w układzie wzmacniacza:
- źródło sygnału i obciążenie dołączone do tranzystora przez obwody sprzęgające,
- sygnał wyjściowy powinien być niezniekształcony,
- ustalony p.p. dostosowany do amplitudy wzmacnianego sygnału,
- moc wyjściowa większa niż sygnału sterującego.
3
Podstawowe konfiguracje wzmacniaczy
WE WK WB
+ EC
+ EC
RC
RB1
RB1
C2
C2
RG
RL
RE
C1
WY
RG
RB2
WY
C1
WE
~ EG
C2
WY
C1
WE
RB1
+ EC
RC
WE
RL
RB2
CE
RL
RE
~ EG
CB
RB2
RG
RE
~ EG
+ ED
+ ED
WS WD WG
RD
RG1
C2
RG1
C2
C1
WY
RG
RL
~ EG
CS
WE
RL
RG2
RG2
RS
WY
C1
WE
RG
C2
WY
C1
WE
+ ED
RD
RG1
RL
RS
~ EG
CG
RG2
RG
RS
~ EG
Charakterystyka amplitudowa
wzmacniacza RC
ku
zakres częstotliowsci
[dB ]
małe
duże
średnie
ku 0
3dB
fd
100
101
fg
10 2
103
10 4
105
106
f
[log]
4
Charakterystyka amplitudowa
wzmacniacza RC
Wzmacniacze RC stosuje się do wzmacniania sygnałów o szerokim widmie częstotliwości,
|np. sygnały akustyczne (stosunek częstotliwości górnej do dolnej wynosi 1000).
Przy tak szerokim zakresie f inne zjawiska wpływają na przebieg charakterystyki przy małych a inne
przy dużych częstotliwościach. Konieczne jest zatem badanie właściwości wzmacniacza oddzielnie
w różnych zakresach częstotliwości.
Wpływ na kształt charakterystyki wzmacniacza mają:
⇒ przy małych f – spadek ku na skutek wzrostu reaktancji kondensatorów w układzie wzmacniacza,
⇒ przy dużych f – spadek ku na skutek spadku wzmocnienia samego tranzystora (wpływ pojemności
międzyelektrodowych) oraz wpływ pojemności pasożytniczych wzmacniacza,
⇒ przy średnich f – ku = const, elementy reaktancyjne nie mają wpływu na wartość wzmocnienia
a schemat wzmacniacza opisywany jest jedynie parametrami rzeczywistymi.
Zakres średnich częstotliwości
ku
[dB ]
małe
duże
średnie
ku 0
3dB
fd
100
101
fg
10 2
103
10 4
105
106
f
[log]
5
Parametry robocze wzmacniacza
Konfiguracja WE – schemat zastępczy
+ EC
C2
RC
RB1
C2
WY
WY
C1
WE
M
C1
WE
O
D
RG
E
RL
RE
~ EG
RB2
RE
~ Eg
RB2
CE
CE
WY
gbe
RG
RL
RC
WY
C
B
WE
WE
RB1
RL
RC
RB1
L
RG
gmube
gce
RG
RB1
~ EG
RL
RC
RB2
E
RB2
~ EG
Konfiguracja WE – rezystancja wej. i wyj.
iwe
ib
WE
RB1
WY
uce
gbe
RB2
gce
il
uwy
I CQ
g be =
gm
g ce =
RL
RC
ϕT
β
I CQ
U EY + U CEQ
gmube
EG ~
E
E
rweT
rwe
rweT
rwe =
iwy
C
ube
uwe
RG
ic
B
gm =
u we
= RB1 || RB 2 || rbe
424
3
iwe 1
RB
rwyT
u
= be = rbe
ib
≈
RB >>rbe
rwy
u
rwy = ce = rce
ic
rbe
rwy =
u wy
iwy
= rce || RC
≈
rce >> RC
RC
6
Konfiguracja WE – skuteczne wzmocnienie napięciowe
iwe
ib
WE
RB1
iwy
C
ube
uwe
RG
ic
B
uce
gbe
RB2
gce
il
WY
uwy
gm =
I CQ
g be =
gm
g ce =
RL
RC
ϕT
β
I CQ
U EY + U CEQ
gmube
EG ~
E
E
kusk
kusk =
u wy
eg
=
u wy
i u
⋅ c ⋅ be = Robc ⋅ (− g m ) ⋅ γ u
{
ic ube eg R {
rwe
1
424
3 { L || RC rce
rwe + RG
γu
ku
γu - napięciowy współczynnik wykorzystania obwodu wejściowego wzmacniacza
Konfiguracja WE – skuteczne wzmocnienie prądowe
kisk
ig
iwe
ib
WE
RG
RB1
uce
gbe
RB2
g mube gce
= βib
E
kisk =
iwy
C
ube
uwe
IG
ic
B
WY
il
I CQ
g be =
gm
g ce =
uwy
RL
RC
gm =
ϕT
β
I CQ
U EY + U CEQ
E
rwy
il il ic ib iwe
RB
RG
= ⋅ ⋅ ⋅
=
⋅ (− β ) ⋅
⋅
i g ic ib iwe ig rwy + RL
RB + rbe RG + rwe
1424
3 { 1444
424
3
424444
3 1
ki
γi
ki = ku ⋅
rwe
RL
γi
γi - prądowy współczynnik wykorzystania obwodu wejściowego wzmacniacza
7
Konfiguracja WE ze SZ prądowym
Wskutek nieliniowości ch-yki przejściowej tranzystora pojawiają się zniekształcenia sygnału
wyjściowego. Miarą tych zniekształceń jest współczynnik zawartości harmonicznych
∞
wartosc _ skuteczna _ harmonicznych
h=
× 100% ≈
wartosc _ skuteczna _ calego _ sygnalu
∑U
n =2
2
n
× 100%
U1
Wprowadzenie do układu sprzężenia zwrotnego ujemnego (część sygnału wyjściowego przeciwdziała
sygnałowi wejściowemu), powoduje znaczne zmniejszenie wpływu nieliniowości ch-yki i poprawę
warunków działania wzmacniacza.
Sprzężenie zwrotne ujemne - rodzaje
N-S
N-R
I1
Ig
Yg
Zg
I2
Iin
kU
Uin
U2
Zobc
Eg
~
I2
Iin
kU
Uin
U1
U2
Zobc
Uf
If
β
Z
β
P-R
Yg
Z1
P-S
I1
Ig
Z2
Zg
I2
Iin
Eg
kU
Uin
Zobc
If
β
Z1
Z2
~
I2
Iin
kU
Uin
U1
Uf
If
Zobc
β
Z
8
Sprzężenie zwrotne ujemne - właściwości
sprzężenie
parametr
N–S
P–S
N–R
P–R
kuskf, kiskf, kpskf
kuf
kif
Zwef
Zwyf
Konfiguracja WE ze SZ prądowym – schemat zastępczy
+ EC
RC
RB1
C2
WY
M
C1
WE
gbe
D
E
RL
RB2
~ EG
gce
RC
RB1
~ EG
RE
gmube
RG
L
RG
WY
C
B
WE
O
RB2
RL
E
RE
9
II twierdzenie Millera
I1
1
I2
2
R1
I1
R2
1
2
3
U1
3
U23 U2
I1+I2
U13
I2
U13
U1
U2
U23
Rx
U1 = U13 + (I1 + I 2 )Rx
U1 = U13 + I1 R1
U 2 = U 23 + (I1 + I 2 )Rx
U 2 = U 23 + I 2 R2
 I 

1
R2 = 1 + 1  Rx = 1 +
 I2 
 ki
 I 
R1 = 1 + 2  Rx = (1 + ki )Rx
 I1 

 Rx

Konfiguracja WE ze SZ prądowym – schemat zastępczy
+ EC
RC
RB1
C2
WY
WE
O
gbe
D
E
gmube
RL
RC
RB1
RB2
I1 = I b
~ EG
I2 = Ic
RE
B
(β + 1)RE
RE
WE
 I 
R1 = 1 + c  RE = (1 + β )RE
 Ib 
 I 
 1
R2 = 1 + b  RE = 1 +  RE ≈ RE
 β
 Ic 
RL
E
RB2
RE
~ EG
gce
RG
L
RG
WY
C
B
M
C1
WE
gbe
gmube
RG
WY
C
gce
RC
RB1
RB2
RL
E
~ EG
10
Konfiguracja WE ze SZ prądowym – rezystancja wej. i wyj.
iwe
WE
ub’e
uwe
RG
(β + 1)RE
B’
ib
RB1
ic
B
C
ube
uce
gbe
RB2
g be =
gm
g ce =
uwy
gce
I CQ
RL
RC
ϕT
β
I CQ
U EY + U CEQ
gmube
EG ~
E
rwe
E
rweT
rwyT
u
= b 'e = rbe + RE (β + 1)
ib
rweT
rwe =
iwy WY il
gm =
rwyT
u we
= RB1 || RB 2 || rweT
424
3
iwe 1
rwy
u
= ce = rce
ic
u wy
rwy =
iwy
RB
= rce || RC
≈
RC
rce >> RC
Konfiguracja WE ze SZ prądowym – skuteczne wzmocnienie napięciowe
iwe
RG
ib
WE
B’
ub’e
uwe
RB1
(β + 1)RE
ic
B
iwy WY il
C
ube
uce
gbe
RB2
gce
gm =
I CQ
g be =
gm
g ce =
uwy
RL
RC
ϕT
β
I CQ
U EY + U CEQ
gmube
EG ~
E
E
kusk
kusk =
u wy
eg
=
u wy
i u u
rbe
⋅ c ⋅ be ⋅ we = Robc ⋅ (− g m ) ⋅
⋅ γu
{
ic ube u we eg R{
r
+
R
be
E (β + 1)
||
r
r
142
4 43
4 { 1
L wy
4444
4244444
3 we
ku
γu
≈−
g m RC
R
≈− C
1+ g m RE
RE
rwe + RG
11
Konfiguracja WE ze SZ prądowym – skuteczne wzmocnienie prądowe
kisk
ig
iwe
ib
WE
ub’e
uwe
IG
B’
RB1
RG
(β + 1)RE
ic
B
ube
uce
g mube
gbe
RB2
uwy
gce
I CQ
g be =
gm
g ce =
RL
RC
= β ib
E
kisk =
iwy WY il
C
gm =
ϕT
β
I CQ
U EY + U CEQ
E
rwy
il il ic ib iwe
RB
RG
= ⋅ ⋅ ⋅
=
⋅ (− β ) ⋅
⋅
ig ic ib iwe ig rwy + RL
RB + [rbe + RE (β + 1)] RG + rwe
1424
3 { 144444424444443 1
424
3
γi
ki
ki = k u ⋅
γi
rwe
RL
Konfiguracja WK – schemat zastępczy
+ EC
RB1
WY
M
C1
WE
O
WE
D
E
L
RG
C2
WY
RG
RE
RB2
~ EG
RE
RB1
RL
RL
RB2
~ EG
B
gbe
WY
E
WE
gmube
RG
gce
RE
RB1
RB2
RL
C
~ EG
12
Konfiguracja WB – schemat zastępczy
+ EC
RC
RB1
WE
C2
O
E
LC1 WE
RB2
RE
RL
RC
RE
B
~ EG
RL
CB
αie
geb
RG
D
WY
C
E
WY
M
RG
~ EG
α – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora w konfiguracji OB
α=
IC
β
=
I E β +1
Porównanie konfiguracji wzmacniaczy z tranzystorem bipolarnym
Parametr
Wzmocnienie napięciowe
ku
Max wzmocnienie
prądowe (RL =0)
ki
Rezystancja wejściowa
rwe
Rezystancja wyjściowa
rwy
KONFIGURACJA
WE
WK
WB
− g m Robc
≤1
g m Robc
(duże)
(duże)
≈ −β
≈ (β + 1)
(duże)
(duże)
≈ rbe
≈ RB βRobc
(średnie)
(duże zależy od RL)
(małe)
≈ RC
 1 RG 

≈ RE 
+
 gm β 
(małe zależy od RG)
≈ RC
(duże)
≤1
≈ reb =
1
gm
(duże)
13
Porównanie konfiguracji wzmacniaczy z tranzystorem unipolarnym
KONFIGURACJA
Parametr
WS
WD
WG
Wzmocnienie napięciowe
ku
-gmRobc
<=1
gmRobc
Rezystancja wejściowa
Rwe
≈ RGG
≈ RGG
1
GS + g m
Rezystancja wyjściowa
Rwy
RD rds
RS
1 + g m RS
≈ RD
Zakres dużych częstotliwości
Górna częstotliwość graniczna
kU
[dB]
małe
duże
średnie
kU 0
3dB
fd
100
101
f
fg
102
103
104
105
106
[log]
14
Konfiguracja WE
i1
ib
WE
RB1
ic
Y
i2
C
If
ube
u1
RG
cbc
X
B
gbe
RB2
WY
uce
gce
cbe
il
u2
RL
RC
gmube
EG ~
E
E
W układzie występuje sprzężenie wejścia z wyjściem (poprzez Cbc), aby łatwiej analizować,
upraszczamy schemat tworząc schemat unilateralny.
Przy tworzeniu schematu unilateralnego korzystamy z I twierdzenia Millera:
Zjawisko zwielokrotniania pojemności (ogólnie amditancji) między
wejściem i wyjściem wzmacniacza, w stosunku zależnym od ku.
I twierdzenie Millera
Z
I1
1
I2
1
2
I1
3
U2
U1
I1 =
U1 − U 2
Z
I2 =
Z1 =
U1
U 2 − U1
Z
Z
Z
=
U 2 1 − ku
1−
U1
I2
3
Z2
Z1
I1 =
Z2 =
2
U1
Z1
I2 =
U2
U2
Z2
Z
Z
=
U1
1
1−
1−
U2
ku
15
Konfiguracja WE
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
E
Cbc zastępujemy pojemnościami CX i CY równolegle włączonymi do gbe i gce.
CX i CY takie by admitancja widziana z zacisków X-E i Y-E była taka sama dla obu schematów
i1
ib
WE
u1
RG
X
B
Y
ic
RB1
uce
gbe
RB2
cbe
CX
CY
gce
WY
il
u2
RC
RL
gmube
EG ~
E
jωC X =
i2
C
ube
If
U1
E
= jω ⋅ cbc ⋅ (1 − ku )
jωCY =
−If
U2

1
= jω ⋅ cbc ⋅ 1 −  ≈ jω ⋅ cbc << Robc
 ku 
Konfiguracja WE
1
rwe
jω ⋅ cwe
ku
kusk ( jω ) = ku
=
RG
1
+1
rwe
+ RG jω ⋅ cwe ⋅ RG +
rwe
jω ⋅ cwe
gdzie: cwe = cbe + C X = cbe + cbc (1 − ku )
Górna częstotliwość graniczna fg wyznaczamy poprzez wyliczenie bieguna funkcji ku(jω).
ω ⋅ cwe ⋅ RG +
gdzie: ω = 2πf g
fg =
RG
+1 = 0
rwe
1
2 ⋅ π ⋅ cwe ⋅ rwe RG
16
Konfiguracja WE
Wartość górnej częstotliwości granicznej można ograniczać poprzez dodanie do układu dodatkowego
kondensatora Cd pomiędzy B a C. Wówczas zastępcza pojemność wejściowa układu:
+ EC
RC
RB1
Cd
C2
cwe = cbe + (cbc + Cd )(1 − ku )
WY
C1
WE
RG
RL
RB2
RE
~ EG
CE
Konfiguracja WE ze SZ
i1
RG
ib
WE
B’
(β + 1)RE
B
X
Y
u1
RB1
i2
C
uce
gbe
RB2
cbe
CX
CY
gce
WY
il
u2
RC
RL
gmube
EG ~
E
cwe = cbe
ic
ub’e
E
rbe
+ cbc (1 − ku )
rbe + (β + 1)RE
fg =
1
2 ⋅ π ⋅ cwe ⋅ rwe RG
17
Konfiguracja WK
cbe
i1
ib
WE
RB1
gbe
ie
uec
gce
cbc
RB2
i2
E
ube
ubc
u1
RG
B
il
WY
u2
RL
RE
gmube
EG ~
C
fg =
C
1


cbe

2 ⋅ π ⋅ RG RB ⋅  cbc +


g
r
R
R
⋅
m
ce
E
L


Konfiguracja WB
i1
RG
ie
WE
u1
i2
C
E
ueb
ucb
geb
RE
cbe
αie
cbc
WY
il
u2
RC
RL
EG ~
B
f g1 =
B
1
2 ⋅ π ⋅ RG RE reb ⋅ cbe
fg2 =
1
2 ⋅ π ⋅ RL RC ⋅ cbc
Zazwyczaj stała czasowa obwodu wejściowego jest znacznie mniejsza niż wyjściowego, zatem:
fg = fg2
ze względu na małe Cwe (praktycznie nie występuje efekt Millera) układ stosowany głównie dla wysokich f
18
Zakres małych częstotliwości
Dolna częstotliwość graniczna
kU
[dB]
małe
duże
średnie
kU 0
3dB
fd
100
f
fg
101
103
102
104
105
106
[log]
Konfiguracja WE
Spadek
wzmocnienia
przy
częstotliwościach
jest
skutkiem
reaktancji kondensatorów C1, C2, C3.
niskich
wzrostu
+ EC
RC
RB1
C2
WY
C1
WE
RG
Wpływ
kondensatorów
na
ch-yki
częstotliwościowe bada się przy oddzielnym
uwzględnieni każdego z kondensatorów.
RL
RB2
~ EG
RE
CE
19
Konfiguracja WE
C1
IG
C2
RG
RB
gmube
rbe
gce
f1 =
1
2πC1 (rwe + RG )
f2 =
1
2πC2 (rwy + RL )
RL
RC
CE
RE
C1
C2
1+
rbe
IG
RG
RB
gmube
RE (1 + β )
C E
(1 + β
gce
RC
RL
)
fE =
RE (1 + β )
Rg RB + rbe
2πRE C E
Konfiguracja WK
+ EC
RB1
C1
WE
C2
WY
RG
RB2
~ EG
RE
RL
f1 =
1
2πC1 (rwe + RG )
f2 =
1
2πC2 (rwy + RL )
20
Konfiguracja WB
+ EC
RB1
RC
C2
C1
WY
WE
RL
CB
RB2
RE
RG
~ EG
f1 =
1
2πC1 (rwe + RG )
f2 =
1
2πC2 (rwy + RL )
fB =
1
2πC B RB
Wartość dolnej częstotliwości granicznej będzie zależała od wzajemnego usytuowania biegunów
składowych częstotliwości.
Gdy istnieje biegun dominujący, tzn. większy od największego z pozostałych o co najmniej dwie
oktawy (4 razy) to fd przyjmuje wartość:
f d ≈ f max
Gdy wszystkie bieguny nie są od siebie odległe (wzajemne oddalenie mniejsze niż 2 oktawy) to
fd przyjmuje wartość:
f d ≈ 1,1 f1 + f 2 + ... + f n
2
2
2
n – ilość biegunów
Gdy bieguny są sobie równe to fd przyjmuje wartość:
fd ≈
f1
n
2 −1
21

L - Politechnika Wrocławska

Transkrypt

Podobne dokumenty

Politechnika Wrocławska zajęłą 2 miejsce w najnowszym rankingu

Politechnika Wrocławska

Laboratorium „Konwersja energii”

Cenią nas zagraniczni studenci

inż. Anna Kowalska

Wzmacniacze operacyjne. - Politechnika Wrocławska

Politechnika Wrocławska

W1_Historia elektroniki - Politechnika Wrocławska

karta przedmiotu - Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki