Wzmacniacze. Klasyfikacja wzmacniaczy Wtórniki Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz operacyjny

Transkrypt

1 Wzmacniacze Klasyfikacja wzmacniaczy Wtórniki Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz operacyjny

2 Zasilanie Z i I we I wy E s M we Wzmacniacz wy Z L Masa Wzmacniacze 2

3 Podział wzmacniaczy na klasy Klasa A ηmax < 25%; ~ 15% Klasa AB Klasa B Klasa C ηmax < 78, 5% Zniekształcenia nieliniowe Wzmacniacze 3

4 Podział wzmacniaczy ze względu na zakres częstotliwości Selektywne Wzmocnienie Prądu stałego Foniczne Wizyjne Wielkiej częstotliwości f(hz) k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 100G Wzmacniacze 4

5 Podstawowe parametry wzmacniaczy 1. Wzmocnienie K, K I, K P K = wy Iwy ; K I ; I = we 2. Pasmo przenoszenia (BW) we K P = P P wy we Wzmocnienie [db] BW = f g f d 3dB f f d f g Wzmacniacze 5

6 3. Zniekształcenia Nieliniowe - amplitudowe (harmoniczne) h = intermodulacyjne 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 cosω1t cosω2t = cos ω2 Wzmacniacze 6

7 4. Impedancja wejściowa Z i I we I wy Z = we I we we E s we Z we wy Z L 5. Impedancja wyjściowa Z i I we I wy Z wy = I wy Z wy Z L L = =0 E s we E wy Z wy wy Z L Wzmacniacze 7

8 Elementarny wzmacniacz tranzystorowy ze wspólnym emiterem C 1 β=100 I =0 CE0 =15V Zaś L C 2 L =3,5kΩ, =715kΩ, ωc= u 1 = 1 sinωt; 1 =20mV u 2 = - 2 sinωt 2 =? Wzmacniacze 8

9 I C 2mA ~4,29mA Zaś /L I C 2 g m K = = 280 2mA 1 t=0 1 =20mV 0,7V BE 8V 0 CC CE 2 = 5,6V 15V t t Wzmacniacze 9

10 K = g m L Syg. wej. BEsp zaś L Syg. wyj. Syg. wej. GSsp zaś L Syg. wyj. Syg. wej. GSsp zaś L Syg. wyj. Syg. wej. GSsp zaś L Syg. wyj. g m = I C BE SPP I C V SPP T g m = I D GS SPP ZN ( GS T ) SPP B SPP SPP SPP SPP Wzmacniacze 10

11 Wady podstawowej konfiguracji wzmacniacza ze wspólnym emiterem I B 1 C 75 o C B CC C C 2 25 o C -25 o C CC Wada kardynalna: niestałość punktu pracy 1. od zmian temperatury, 2. od rozrzutu parametrów. K BE h 21e BF214 T = g BE m g mV/ C = = I β ( T, Δparametrów) C B m V kt T q Wzmacniacze 11 f o βi = C

12 Wzmacniacz z wewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym CC 1 C B1 B2 C E C 2 K C E ( g 1) m E >> Wzmacniacze 12

13 Wtórnik emiterowy (bufor) CC C B1 C B2 E 2 we r BB' + β g m + β E wy 1 g m + β i BW β BW BW >> WC WE WC BW WE Wzmacniacze 13

14 Wtórnik przeciwsobny + CC u we u wy t We Wy t L we r BB' + β g m + β L wy 1 g m + β i - CC Wzmacniacze 14

15 Wzmacniacz różnicowy + CC = K ( ) WY2 WY1 WE2 WE1 WY1 WY2 K = g m WE1 WE2 I ( ) WYwsp f WEwsp - CC Wzmacniacze 15

16 Monolityczny wzmacniacz mocy m.cz. 10μF _ + K f 130 o C Wzmacniacz prądu 470μF M 350mV Wzmacniacze 16

17 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 % Wzmacniacze 17

18 Wzmacniacze operacyjne (OPAMP) u 1 i 1 = 0 i 2 = 0 + CC u wy wzmacniacz operacyjny elektronik rozumie jako wzmacniacz operacyjny typu napięcie-napięcie (są jeszcze: OTA, OTA i CA) u 2 Masa - CC 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 Wzmacniacze 18

19 Parametry wzm. operacyjnego (1) i 1 + zaś 1) óżnicowy sygnał wejściowy: u 1 i 2 u 2 Masa u + u wy - zaś we róż =u 1 -u 2 2) Współbieżny sygnał wejściowy: u1 + u 2 u we wsp = 2 1 u = u 1 1 = u we wsp 2 u we róż 2 we wsp 2 u we róż 3) Wzmocnienie różnicowe: K=u wy /u we róż =K o 4) Wzmocnienie syg. współbieżnego: K wsp =u wy /u we wsp Wzmacniacze 19

20 Parametry wzm. operacyjnego (2) 5) Współczynnik tłumienia sygnały współbieżnego: K o CM = 20lg K wsp 6) Współczynnik wpływu zasilania: PS = (stosunek równoważnych zmian wejściowego napięcia różnicowego do zmian napięcia zasilania) 7) Prąd wejściowy (polaryzacji): i1 + i pol = 2 i 2 i 1 i 2 1 K o u wy zaś Wzmacniacze 20

21 Charakterystyka przenoszenia i transmitancja operatorowa WO + zaś u wy [V] u 1 -u 2 [μv] - zaś K K ( jω) 0 K ( jω) [db] 8) Napięcie niezrównoważenia: K0 ω 1+ j ω g u off u wy = 0-20dB/dekadę Wzmacniacze 21 ω ω g 0,01 0,

22 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 Wzmacniacze 22

23 Wzmacniacz odwracający Wykorzystując te idealne cechy można w łatwy sposób analizować działanie układów opartych o wzmacniacze operacyjne. Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na wejściu OPA oraz napięcia na 2 : 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) 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 =? (8) Wzmacniacze 23

24 Wzmacniacz nieodwracający Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na 1 oraz na 2 : 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) 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 =? (8) Wzmacniacze 24

25 Wtórnik napięcia u 1 (t) Δu u wy (t) u 1 u wy u 1 Δt t 9) Szybkość narastania odpowiedzi jednostkowej: Δu S = Δ t Wzmacniacze 25

26 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 Wzmacniacze 26

27 Integrator v o kład 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) Wzmacniacze 27

28 Wzmacniacz różniczkujący u 1 C V 0 i - 0 K i du u wy (t) = C ; i() t = dt i 1 u wy ( t) du dt () 1 u wy t C = Wzmacniacze 28

29 Wzmacniacz logarytmujący u 1 V 0 i - 0 K i u1 i = u wy ; i I s e u V wy T u wy V ln u 1 = T IS Wzmacniacze 29

30 Wzmacniacz delogarytmujący u 1 u wy u wy = I S e u 1 V T Wzmacniacze 30

31 Konwerter I/ i V 0 i - 0 K u wy u wy = i Wzmacniacze 31

32 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 Wzmacniacze 32

33 Komparator napięcia KN mają budowę bardzo podobną do + zaś WO. óżnią się mniejszym off, większym S oraz tym, że u wy w stanach ustalonych przyjmują u we wartości odpowiadające typowym poziomom logicznym wyjść układów cyfrowych: HO i LO. u wy [V] EF Masa - zaś u wy H L (u 1 - )[μv] Czas odpowiedzi: ns Wzmacniacze 33

34 Komparator napięcia z histerezą TH = EF F + F + HO + F u we F u wy V = przy u = + TH wy HO TL = EF F + F + LO + F EF V = przy u = + TL wy LO Wzmacniacze 34

35 Charakterystyka przenoszenia komparatora z histerezą u wy HO his his = + F ( ) HO LO LO u we TL EF TH Wzmacniacze 35

36 Komparator/komparator z histerezą u we his u wy komparatora prostego LO u wy komparatora z histerezą LO EF t HO t HO t Wzmacniacze 36