Wzmacniacze liniowe 2

Transkrypt

1 Wzmacniacze

2 Wzmacniacze liniowe 2

3 Wzmacniacz oznaczenia 3

4 Wzmacniacz - funkcja przenoszenia 4

5 Zasilanie wzmacniaczy 5

6 Podstawowe rodzaje wzmacniaczy Wzmacniacz napięciowy 6

7 Podstawowe rodzaje wzmacniaczy Wzmacniacz prądowy 7

8 Podstawowe rodzaje wzmacniaczy Wzmacniacz transkonduktancyjny 8

9 Podstawowe rodzaje wzmacniaczy Wzmacniacz transrezystancyjny 9

10 Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy 10

11 Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy 11

12 Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy 12

13 Charakterystyki częstotliwościowe wzmacniaczy 13

14 Wzmacniacz -przykład Zasilanie Z i I we I wy E s M U we Wzmacniacz U wy Z L Masa 14

15 Podział wzmacniaczy na klasy Klasa A ηmax<25%; ~ 15% Klasa AB Klasa B Klasa C ηmax<78, 5% Zniekształcenia nieliniowe 15

16 Podział wzmacniaczy ze względu na zakres częstotliwości Selektywne Wzmocnienie Prądu stałego Foniczne Wizyjne Wielkiej częstotliwości f(hz) k 10k100k1M 10M100M 1G 10G 100G 16

17 Podstawowe parametry wzmacniaczy Uwy Iwy 1. Wzmocnienie KU= ; KI = ; U I we we P KP = P 2. Pasmo przenoszenia BW=f H -f L i pole wzm. GB=A M BW wy we 1 ω L ; τi = τ n = i= 1 i C i is 1 ω H = ; τ n i = C τ i= 1 i i io 17

18 Podstawowe parametry wzmacniaczy cd. 3. Zniekształcenia Nieliniowe - amplitudowe (harmoniczne) h= U U 2 3 U + - intermodulacyjne 1 U Liniowe -zmiana kształtu sygnału po przejściu przez całkowicie liniowy wzmacniacz, np. spowolnienie narastania i opadania impulsów, zwis,... t r/f ~1/f g ; zwis~f d ( ω ω ) t+ cos( ω + )t cosω1tcosω2t= cos ω2 18

19 Podstawowe parametry wzmacniaczy cd. 4. Impedancja wejściowa Z i I we I wy Z = we U I we we E s U we Z we U wy Z L 5. Impedancja wyjściowa Z i I we I wy E s U we E wy Z wy U wy Z L 19

20 Tranzystor MOS jako wzmacniacz 20

21 Tranzystor MOS jako wzmacniacz 21

22 Tranzystor MOS jako wzmacniacz Model małosygnałowy 22

23 Tranzystor BJT jako wzmacniacz Ucc 1 3 C2 C1 Q1 NPN Uin 2 C3 4 Uout Jednostopniowy wzmacniacz napięciowy 23

24 Tranzystor BJT jako wzmacniacz -pojęcia Sygnał wejściowy i wyjściowy U in i U out Układ polaryzacji 1, 2, 3, 4 Tranzystor Q1 Sprzężenie zwrotne (4) Punkt pracy tranzystora Kondensatory sprzęgające C1, C2, C3 Pasmo wzmocnienia Małosygnałowość Wzmocnienie Zniekształcenia 24

25 Tranzystor BJT - punkt pracy I C I β C I B I B VCE I α C I E VBE V 0V I = I + E B I C I E V T 25mV 5V I I B BS e U V BE β = T ( ) α = β / β +1 25

26 Tranzystor BJT model małosygnałowy 26

27 Trzy konfiguracje pracy tranzystora bipolarnego -K U >>1 K I = -β K U >>1 K I = α K U 1 K I = β+1 27

28 Elementarny wzmacniacz tranzystorowy ze wspólnym emiterem C U =15V Zaś L C L =3,5kΩ, =715kΩ, ωc= U 1 =100 I =0 CE0 U 2 u 1 =U 1 sinωt; U 1 =20mV u 2 = -U 2 sinωt U 2 =? Wada: niskagórna częstotliwość graniczna f H wynikająca z efektu Millera, tj. multiplikacji pasożytniczej pojemności sprzęgającej C f i (1+ K ) 28

29 Elementarny wzmacniacz tranzystorowy ze wspólnym emiterem I C 2mA ~4,29mA U Zaś / L I C U2 g m KU = = 280 U 2mA 1 t=0 U 1 =20mV 0,7V U BE 8V 0 U CC UCE U 2 = 5,6V 15V t t 29

30 K = g U m L U zaś U zaś Syg. wej. U BEsp L Syg. wyj. Syg. wej. U GSsp L Syg. wyj. g m = I U C BE SPP I C V SPP T g m I = U D GS SPP B U ( GS U T ) SPP SPP SPP 30

31 Wady podstawowej konfiguracji wzmacniacza ze wspólnym emiterem I B U 1 C 75 o C B U CC C C U 2 25 o C -25 o C U CC Wada kardynalna: niestałość punktu pracy 1. od zmian temperatury, 2. od rozrzutu parametrów. K U U BE h21 ebf214 U T = g BE m g m mV/ C = = f I V C T o β ( T, parametrów) βi = C B kt q 31

32 Wzmacniacz z wewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym C B1 U CC C C K U gmc = 1 + g m E C E U 1 B2 E U 2 ( g m E >>1) Zaleta: oprócz stabilizacji wzmocnienia także wzrasta rezystancja wejściowa i górna częstotliwość graniczna f H o różnicę zwrotną(=mianownikowi) 32

33 Wtórnik emiterowy (bufor) U CC C B1 C U2 U 1 U 1 B2 E U 2 we β + β g m E wy 1 g m + β i BW β BW BW >> WC WE WC BW WE 33

34 Porównanie parametrów roboczych dla kofiguracji pracy tranzystora BJT 34

35 Porównanie parametrów roboczych dla kofiguracji pracy tranzystora MOS 35

36 Wtórnik przeciwsobny +U CC u we u wy t We Wy t L β we + β g m L wy 1 g m + β i -U CC 36

37 Wzmacniacz różnicowy U U = K ( U U ) WY2 WY1 WE2 WE1 +U C C K= g U ( ) WYwsp f U WEwsp m CM=K/ K wsp U WY U WY 1 U WE 1 I U WE 2 2 -U CC 37

38 Monolityczny wzmacniacz mocy m.cz. 10µF _ + K U f 130 o C Wzmacniacz prądu 470µF M 350mV 38

39 Parametry popularnych WMMCz Wzmocnienie napięciowe Moc wyjściowa przy h=10% Współczynnik zawartości harmonicznych (h) przy P wy =0,5W Nominalna rezystancja obciążenia ezystancja wejściowa Sprawność energetyczna przy max mocy wyjściowej dB 0,65...5W 0,3...0,5% Ω 6kΩ...5MΩ % 39

40 Wzmacniacze operacyjne (OPAMP) u 1 u 2 i 1 = 0 i 2 = 0 Masa +U CC -U CC u wy wzmacniacz operacyjny elektronik rozumie jako wzmacniacz operacyjny typu napięcie-napięcie (są jeszcze: OTA, OTA i CA) u wy = K ( u u ) 1 2 Idealny wzmacniacz operacyjny ma następujące cechy: nieskończenie wielkie wzmocnienie dla sygnału wejściowego różnicowego nieskończenie małe wzmocnienie dla sygnału wejściowego sumacyjnego nieskończenie wielką rezystancję wejściową nieskończenie małą rezystancję wyjściową nieskończenie szerokie pasmo wzmocnienia 40

41 Parametry wzm. operacyjnego (1) i 1 +U zaś 1) óżnicowy sygnał wejściowy: u 1 i 2 u 2 Masa u + u wy -U zaś U we róż =u 1 -u 2 2) Współbieżny sygnał wejściowy: u1+ u2 uwe wsp = 2 1 u = u 1 1= uwe wsp 2uwe róż 2 we wsp 2uwe róż 3) Wzmocnienie różnicowe: K=u wy /u we róż =K o 4) Wzmocnienie syg. współbieżnego: K wsp =u wy /u we wsp 41

42 Parametry wzm. operacyjnego (2) 5) Współczynnik tłumienia sygnały współbieżnego: CM =20lg K K 6) Współczynnik tłumienia wpływu zasilania: PS =20lg 7) Prąd wejściowy (polaryzacji): o wsp K K o zas i 1 i + i ipol = i 2 42

43 Parametry wzm. operacyjnego (3) 8) Napięcie niezrównoważenia: u 0 u wy = off 9) Transmitancja WO, pasmo wzmacniacza: K ( jω) K 0 K [db] ( jω) K0 ω 1+ j ω g 0,01 0, ω ω g +U u zaś wy [V] u 1 -u 2 [µv] -U zaś 43

44 Parametry popularnych WO Wzmocnienie różnicowe K dB Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego dB Współczynnik wpływu zasilania µV/V Prąd polaryzacji 0,1nA-10µA Napięcie niezrównoważenia 75µV-50mV Temperaturowy współczynnik napięcia niezrównoważenia 1-100µV/K Częstotliwość graniczna (3dB) 5Hz-1,5MHz Szybkość narastania odpowiedzi jednostkowej 0,5-360V/µs óżnicowa rezystancja wejściowa 40k-100GΩ ezystancja wyjściowa Ω 44

45 Wzmacniacz odwracający Wykorzystując te idealne cechy można w łatwy sposób analizować działanie układów opartych o wzmacniacze operacyjne. Wstawiając (3) do (2), a następnie do (1) otrzymuje się: V o = -V 1-2 (V i + V 1 )/ 1 (4) Wiadomo, że: V o = A V 1 (5) Więc: V 1 = V o /A (6) Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na wejściu OPA oraz napięcia na 2 : V o = -V 1 + i 2 2 (1) Wejście wzmacniacza nie pobiera prądu więc: i 2 = -i 1 (2) Prąd i 1 wyznaczymy następująco: i 1 = [V i -(-V 1 )]/ 1 (3) Teraz należy wstawić (6) do (4): V o = -V o /A - 2 (V i + V o /A)/ 1 (7) Skoro A, to: V o = V o - =? 2 / 1 V i (8) 45

46 Wzmacniacz nieodwracający Wstawiając (3) do (2), a następnie do (1) otrzymuje się: V o = (V i -V 1 ) ( )/ 2 (4) Wiadomo, że: V o = A V 1 (5) Więc: V 1 = V o /A (6) Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na 1 oraz na 2 : V o = i i 2 2 (1) Wejście wzmacniacza nie pobiera prądu więc: i 2 = i 1 (2) Prąd i 2 wyznaczymy następująco: i 2 = (V i -V 1 )/ 2 (3) Teraz należy wstawić (6) do (4): V o = (V i -V o /A) ( )/ 2 (7) Skoro A, to: V o o =?( 1+ 2 )/ 2 V i = (1+ 1 / 2 ) V i (8) 46

47 Wtórnik napięcia u 1 (t) u u 1 u wy u 1 t t Szybkość narastania odpowiedzi jednostkowej: u S= t 47

48 Wzmacniacz różnicowy Napięcie V o jest sumą napięcia na wejściu OPA, napięcia na 1 i napiecia na 2 : V o = i (-V 1 ) + (-i 1 2 ) (1) Wejście wzmacniacza nie pobiera prądu więc i 3 wynosi: i 3 = V i2 /( ) (2) Prąd i 1 wyznaczymy następująco: i 1 = (V i1 V o )/( ) (3) Wstawiając (3) i (2) do (1) otrzymuje się: V o = V i2 4 /( ) -V 1 -(V i1 -V o ) 2 /( ) (4) Po reorganizacji: V o [1-2 /( )] = V i2 4 /( ) -V 1 -V i1 2 /( ) (5) Przyjmując: V 1 = V o /A = (przy A ) = 0 (6) oraz symetryczne rezystory: 1 = 3 = A, 2 = 4 = B (7) napięcie wyjsciowe wynosi: V o = (V i2 -V i1 ) B / A 48

49 Integrator v o Układ całkujący (ang. integrator) ( t ) = v ( 0) v( t) x o 1 C t x 0 i dt Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na wejściu OPA oraz napięcia na C 1 : V o = -V 1 -i 1 (1/sC 1 ) (1) Przyjmijmy, że: V 1 = V o /A = (przy A ) = 0 (2) Prąd i 1 wyznaczymy następująco: i 1 = [V i -(-V 1 )]/ 1 = V i / 1 (3) Ostatecznie: V o = -V i /(sc 1 1 ) (4) 49

50 Wzmacniacz różniczkujący u 1 C V 0 i - 0 K i du uwy (t) = C ; i( t) = dt i 1 u wy ( t) du dt ( ) 1 u wy t = C 50

51 Wzmacniacz logarytmujący u 1 V 0 i - 0 K i u1 i= u wy ; i I e s u V wy T u wy u1 = VT ln I S 51

52 Wzmacniacz delogarytmujący u 1 u wy u wy = I S e u 1 V T 52

53 Konwerter I/U i V 0 i - 0 K u wy u wy = i 53

54 Przesuwnik fazy ϕ( ωτ) -π u 1 C u wy -π/2 0 ωτ 0, K jϕ( ω) ( jω) = K( ω) e K ( ω) = 1 τ= C 54

55 Superdiody u wy u 1 u wy 1 1 u 1 2 u wy 1 u wy - 2 / 11 u 1 u 1 55

56 Wzmacniacz operacyjny zastosowania wzmacniacze audio (audio amplifiers) stabilizatory napięcia typu LDO (low dropout regulators) filtry aktywne (active filters) czujniki biomedyczne (medical sensor interfaces) przetworniki analogowo-cyfrowe (analog to digital converters) oscylatory (oscillators) generatory sygnałów (signal generators) oraz wiele innych. 56

57 Wzmacniacz operacyjny przykład realizacji Przykład realizacji wzmacniacza op w technologii CMOS (MOS-FET) 0,35µm. Wzmocnienie 108dB, pole wzmocnienia 82MHz, zasilanie 3,3V. 57

58 Wzmacniacz operacyjny przykład realizacji Topografia (layout) wzmacniacza op w technologii CMOS (MOS-FET) 0,35µm. Wymiary 250µm X 400µm. 58

59 Komparator napięcia KN mają budowę bardzo podobną do +U zaś WO. óżnią się mniejszym U off, większym S oraz tym, że u wy w stanach ustalonych przyjmują u we wartości odpowiadające typowym poziomom logicznym wyjść układów cyfrowych: U HO i U LO. U EF -U zaś u wy U H u wy [V] Masa U L (u 1 -U )[µv] Czas odpowiedzi: ns 59

60 Komparator napięcia z histerezą U TH = U EF F + F + U HO + F u we F u wy V = U przyu = + TH wy U HO U TL = U EF F + F + U LO + F U EF V = U przyu = + TL wy U LO 60

61 Charakterystyka przenoszenia komparatora z histerezą u wy U HO U his U his = + F ( U U ) HO LO U LO u we U TL U EF U TH 61

62 Komparator/komparator z histerezą u we U his u wy komparatora prostego U LO u wy komparatora z histerezą U LO U EF t U HO t U HO t 62