Wykład 11 Wzmacniacze tranzystorowe prądu stałego i szerokopasmowe

Transkrypt

1 Wykład 11 Wzmacniacze tranzystorowe prąd stałeo i szerokopasmowe Wrocław 2013

2 kład Darlintona C kład stosowany dy potrzebne dże wzmocnienie prądowe (np. do WK). C B C1 T1 C2 B C E1 = B2 T2 E E ' C B1 C1 B1 C2 C1 1 B1 C2 2E B1 B '

3 kład Darlintona C C r we r r be1 1 be2 B C1 T1 E1 = B2 C2 T2 ponieważ: C2 2 C1 r we otrzymjemy T 2rbe 1 2 ' C 1 r be 2 r be 1 1 zatem: E ponieważ: r r wy r ce1 ce2 r ce2 r ce1 otrzymjemy: 1 2 m r be2 r ce2 2r ce1 2 r wy r ce rce2 rce2

4 kład Darlintona C1 C C C Typowe kłady Darlintona mają órną częstotliwość raniczną rzęd kHz zastosowanie ich zatem do:... B T1 E1 = B2 C2 T2 B E kład Darlintona jest też stosnkowo wolny aby przyspieszyć proces wyłączenia (zwiększyć szybkość swania nośników z bazy T2) stosje się... jednak zimniejsza to... E

5 kład Darlintona (Sziklai) E kład Darlintona z przeciwstawnych tranzystorów. Gdy T1 jest p-n-p to cały kład zachowje się jak kład p-n-p, T2 wzmacnia prąd (T1 WE, T2 WK). B T1 ' 1 2 T2 B ' E ' 0, 6 V C r we r be ' T 1 C r 1 2 wy r ce 2

6 kład kaskody wprowadzenie WE - efekt Millera i 1 WE i b B X c bc Y i c C i 2 WY i l G be f ce 2 1 B1 B2 E G ~ be c be m be ce C L E E i 1 WE i b B X Y i c C i 2 WY i l G be ce 2 1 B1 B2 E G ~ be c be C X m be C Y ce C L E E c we c C c c 1 k be X be bc f 1 2 c r we we G

7 kład kaskody wprowadzenie kład WB i 1 WE i e E C i 2 WY i l G 1 eb cb 2 E eb c be i e c bc C L E G ~ B B r we r eb 1 m

8 kład kaskody WE WB schemat ideowy schemat zmiennoprądowy T1 pracje w konfiracji... T2 pracje w konfiracji... ze sterowaniem prądowym k T1 m obc m 1 m 1 c we wyeliminowany efekt Millera dla WE c be C X c be c k c c 2 bc 1 be bc

9 kład kaskody WE WB schemat ideowy schemat zmiennoprądowy Przez oba tranzystory płynie w przybliżeni ten sam C zatem: k T1T2 m C a f r f T ponadto: r rwy C we r bet1

10 kład WK WB + CC C WY T1 pracje w konfiracji... T2 pracje w konfiracji... ze sterowaniem napięciowym WE E - CC r wyt1 r wet2 1 mt 1 1 mt 2 oba tranzystory pracją przy tym samym C zatem mają takie same m dlateo: r wyt1 r wet 2

11 kład WK WB C + CC Zatem na E T2 występje połowa zmienneo napięcia wejścioweo i otrzymjemy: WE WY G m C2 C2 we 2 be2 1 2 a wzmocnienie napięciowe jest równe: m E k 1 2 G m C - CC r we 2r be r wy C

12 kład WK WB Wzmacniacz w konfiracji WK ma dżo większą częstotliwość raniczną w porównani do kład WE. Dlateo kład charakteryzje się bardzo dobrymi właściwościami częstotliwościowymi (porównywalnie z kaskodą). Wzmocnienie napięciowe zapewnia stopień WB. Lecz jest ono mniejsze niż dla kaskody. Zaletą kład jest kompensacja zmian temperatrowych napięcia BE (oraniczony wpływ temperatry) tranzystorów co nie występje w kaskodzie. Takie rozwiązanie kładowe jest stosowane w technice scalonej.

13 Wzmacniacze prąd stałeo W.p.s. są to symetryczne wzmacniacze dolnoprzepstowe o dwóch wejściach i jednym (wzmacniacz operacyjny) lb dwóch (wzmacniacz różnicowy) wyjściach, słżące do wzmacniania synałów o określonym paśmie częstotliwości włączając w to synały wolnozmienne i stałoprądowe. Do sprzęania kolejnych stopni oraz wejścia i wyjścia wzmacniacza nie stosje się... Wzmacniacze te zapewniają wzmocnienie synałów żytecznych (różnicowych) oraz tłmienie synałów niepożądanych (np. wejściowych smacyjnych). Na wej i wyj napięcie DC = 0. Synały niepożądane moą powstawać we wszystkich stopniach wzmacniacza, jednak największe ma znaczenie ma dryft stopnia wejścioweo, który podlea największem wzmocnieni. Z teo wzlęd stopnie te realizje się jako wzm. różnicowe (an. emitter-copled pair).

14 Wzmacniacze prąd stałeo Wzmacniacz operacyjny we1 we2 wy Wzmacniacz z wyjściem niesymetrycznym we1 we2 wy Wzmacniacz różnicowy we1 wy1 we1 we2 we2 wy2 wy2 wy1 Wzmacniacz z wyjściem symetrycznym

15 Wzmacniacz różnicowy Można zdefiniować dwa rodzaje synałów: - różnicowe wer we1 we2 wyr wy1 wy2 - smacyjne, zobrazowane na rys. wes wys 2 we1 we2 wy1 wy2 2

16 Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz różnicowy 0.5wer we1 wy1 0.5wyr wes 0.5wer we2 wy2 0.5wyr wys ys.3. Sterowanie smacyjne wzmacniacza różnicoweo

17 Wzmacniacz różnicowy Zależności na WY wzmacniacza różnicoweo przybierają postać: - napięcie wyjściowe różnicowe: wyr K wer K S wes - napięcie wyjściowe smacyjne: wys K S wer K SS wes

18 Wzmacniacz różnicowy Poszczeólne wzmocnienia definijemy następjąco: wzmocnienie różnicowo różnicowe (powszechn. wzmocnienie różnicowe): K K S wyr wer wyr wes przy wes wzmocnienie różnicowo smacyjne (powszechn. wzmocnienie smacyjne): przy wzmocnienie smacyjno różnicowe: wer 0 0 wys KS przy wes 0 wer wzmocnienie smacyjno smacyjne: K SS wys wes przy wer 0.

19 Wzmacniacz różnicowy Najważniejszymi są wzmocnienia K i K S. Są to parametry charakterystyczne wzmacniacza różnicoweo. Na ich podstawie określa się dodatkowy parametr współczynnik tłmienia synał smacyjneo CM (an. Common Mode ejection atio). Współczynnik ten jest miarą jakości wzmacniacza różnicoweo. CM K K S

20 Wzmacniacz różnicowy Tranzystory bipolarne C1 C 2 m1 m2 C1 C2 WY A WY B WE 1 T1 T2 C E m + CC WE 2 - CC Podstawowa cecha w.r. jest zdolność wzmacniania różnicy wartości synałów wej. (tzw. różnicowych), tłmienia natomiast ich wspólnej części (tzw. wspólnych) możliwe jest zatem wzmacnianie małych syn. różnicowych na tle dżych syn. wspólnych. Sposoby sterowania: Wyjście kład:

21 Wzmacniacz różnicowy Sterowanie WE 1 C1 WY A T1 E1 WY B T2 E2 C2 + CC WE 2 Jeśli WE 0 to tzn. 1 WE 2 E1 E2 WY WY A 1 2 WY lb oraz B Sterowanie wspólne WE1 WE2 WY A WY B 0 K 0 S E Jeśli, np. WE1 WE2 - CC to E1 C1 E2 C2 WY WY A C1 C2 WY B 0 K 0 Sterowanie różnicowe

22 Wzmacniacz różnicowy Sterowanie + CC C1 C2 Podobnie jak dla sterownia smacyjneo, w.r. zachowje się w przypadk: WE 1 T1 WY A E1 WY B T2 E2 WE 2 - zmian parametrów tranzystora wywołanymi zjawiskami termicznymi; - zmiany napięć zasilających; - wystąpienia zakłóceń; E - wzmacniania parzystych harmonicznych napięć sterjących. - CC

23 Wzmacniacz różnicowy Parametry wzmacniacz symetryczny C1 C2 + CC K m C r ce WE 1 T1 WY A E1 WY B T2 E2 E WE 2 K S 0 CM K K S - CC rwer 2r be rbe rwes 1 2 E r wy Crce r C ce C

24 Stosowany np. dy: Wzmacniacz różnicowy Parametry wzmacniacz niesymetryczny - wzmacniany jest tylko jeden synał wej. (B drieo T na potencjale masy); - wyjście tylko z jedneo z C. K K S 1 2 C 2 E m C r ce CM K K S m E

25 Wzmacniacz różnicowy Prądowa charakterystyka przejściowa + CC C1 C2 WY A WY B WE 1 T1 T2 WE 2 E1 E2 E - CC

26 Wzmacniacz różnicowy Prądowa charakterystyka przejściowa Prądy kolektorów tranzystorów są opisane zależnościami: C1 0 E1 1 e wer T E 2 C 2 0 E1 1 e wer T E2 Napięcie wyjściowe różnicowe dane jest równaniem: wyr wer E1 E OBC th T 0 2

27 Wzmacniacz różnicowy Napięciowa charakterystyka przejściowa

28 Wzmacniacz różnicowy Liniowość kład Dla temperatry: T 300K T 26mV wzmacniacz pracje liniowo dla napięć wejściowy z zakres: mV mv wer T T 52 Aby zwiększyć liniowość wprowadza się sprzężenie zwrotne dla synałów różnicowych zrealizowane na rezystorach e.

29 Wzmacniacz różnicowy Poszerzenie zakres liniowej pracy kład + CC C1 C2 WY A WY B WE 1 T1 E E EE T2 WE 2 Dla wzmacniacza z poszerzonym zakresem liniowości zakres napięć wejściowych, dla których wzmacniacz pracje liniowo wynosi: wer - CC mV mv 52 T E E T E E E E E E Dla kład ze sprzężeniem zwrotnym wzmocnienie różnicowe wzmacniacza wynosi: K m 1 C m r ce E C r E ce

30 Wzmacniacz różnicowy Poszerzenie zakres liniowej pracy kład

31 Źródła prądowe stosowane we w.r. Zastosowanie źródeł prądowych: - zapewnienie przepływ stałeo prąd przez obciążenie źródła niezależnie od wartości obciążenia, - zapewnienie dżych wartości rezystancji dynamicznych przy małych spadkach napięcia

32 Źródła prądowe stosowane we w.r. Źródło z potencjometrycznym zasilaniem bazy 1 B 2 L WY E E WY + E C WY = const dopóki CE > CEsat WY r WY źr dyn E E d d WY WY B E r ce BE rbe E W szczeólności r WY przyjmje wartości, dy 1 2 << r be (aby nie wpływały na wartość r WY ): 1) dy E = 0 to r WY = r ce (rezystancji wyj. tranzystora), E 2) dy E << r be (r WY rośnie liniowo ze wzrostem E ) r WY r ce 1 E rce1 me rce k max E r be 3) dy E >> r be (r WY nie rośnie przy zwiększani E, jest to zatem max r WY dla tr.bip.) r WY ce rce r 1

33 Źródła prądowe stosowane we w.r. nne źródła źródło dla napięć dodatnich i jemnych E + E E Źródło dostarcza dodatnieo lb jemneo prąd o wartości proporcjonalnej do WE. T1 dy WE = 0 to 1 = 2 a WY = 0, 3 1 WY dy WE > 0 to 1 maleje, 2 rośnie a WY < 0. WE 3 2 T2 L WY źr 2 WE E E - E E

34 Źródła prądowe stosowane we w.r. Lstro prądowe + E C 2 WE C B WE 2 B L WY E C BE C 2 C WY C 2 WE WE - 2 B WE - 2 B jeśli E C >> BE, >>2, zatem: B T 1 T 2 BE B CQ WY E C CEQ EC WYC EC 1 C p.p. T 2 nie zależy od temp. ale od różnicy parametrów między T 1 a T 2

35 Źródła prądowe stosowane we w.r. Lstro prądowe WE WE - 2 B 2 B L WY WE - 2 B + E C ezystancja statyczna: ezystancja dynamiczna: stat dyn CEQ CQ EY CQ B T 1 T 2 B C BE nachylenie ce dyn stat bo EY CEQ EY npn ~ (80-200) V pnp ~ (40-150) V CE

36 Źródła prądowe stosowane we w.r. nne źródła źródło prądowe Wilsona L + E C Źródło o dżej dokładności i dżej rezystancji wyjściowej. WY= WE WY = WE WE B T 3 WE - B 2 B WE + B WE - B B T 1 T 2 B W kładzie możliwe jest wytworzenie całkowitych wielokrotności lb łamkowych części WE przez równolełe dołączenie do T2 lb T1 odpowiedniej liczby tranzystorów (identycznych). BE

37 Źródła prądowe stosowane we w.r. Zwiększenie wzmocnienia różnicoweo wzmacniacza CM zastosowanie źródeł prądowych i współczynnika Zwiększenie K zastąpienie rezystorów C lstrem prądowym obciążenie dynamiczne. Zastosowanie łównie technika scalona z powod trdności w realizacji dżych rezystancji w strktrze kładów scalonych.

38 Wzmacniacz różnicowy Z obciążeniem dynamicznym zwiększenie K + CC K m OBC T3 T4 WY K S L EE 3 WE 1 T1 T2 WE 2 L CM m OBC EE ( 2 3 L ) EE - CC OBC Lr r L ce4 ce4 r ce4 EY CQ4 Zwiększenie CM: - zwiększenie K źródło prądowe zamiast C - zmniejszenie K S zastosowanie źródła prądoweo zamiast EE.

39 Wzmacniacz różnicowy Zwiększenie K, zmniejszenie K S T3 T4 + CC K S 2 OBC ee WY dla EE dyn źr WE 1 T1 T2 WE 2 L K S 2 OBC dyn T6 T5 - CC dzie: dyn EY CQ5 CQ5 cc ee zr BE 6

40 Wzmacniacz różnicowy Analiza w fnkcji częstotliwości Wzmacniacz różnicowy wzmacnia napięcia stałe ale także napięcia zmienne. Obydwa wzmocnienia: różnicowe i smacyjne zależą od częstotliwości.

41 Wzmacniacz różnicowy Analiza w fnkcji częstotliwości Ks [db] +20dB/dek f E f [lo] Kr [db] -20dB/dek f f [lo] CM [db] -20dB/dek -40dB/dek f [lo]

42 Wzmacniacz różnicowy Analiza w fnkcji częstotliwości f 1 2C we f E 1 2 C C wy m r wy r b' e r b' e r bb' r bb 2 ' 2 C C 1 K ( j 0) we b' e C b' c C wy pojemność widziana od strony zacisków rezystora (lb źródła/lstra prądoweo) EE znajdjąceo się we wzmacniacz różnicowym. C m pojemności montażowe r wy rezystancja rezystora EE (lb wyjścia źródła/lstra prądoweo) znajdjąceo się we wzmacniacz różnicowym.

43 Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe D1 D2 + DD K m D WE 1 T1 WY A WY B T2 WE 2 K S m 1 2 D SS m SS - DD CM m SS r wer r wes r wy D rds r D ds

44 Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe Zalety zastosowania tranzystorów nipolarnych: - liniowość wzmacniacza wemax = (25)V dżo większa niż dla kład z tranzystorami bipolarnymi wemax = 52mV. - dżo większa rezystancja wejściowa wzmacniacza w porównani do rozwiązań z tranzystorami bipolarnymi Wada: - przy tych samych prądach polaryzacji wzmacniacz zbdowany na tranzystorach polowych ma dżo mniejsze wzmocnienie różnicowe ze wzlęd na małą wartość m.

45 Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe MOSFET W strktrach scalonych wykorzystje się bardzo często wzmacniacze różnicowe zrealizowane kompleksowo z wykorzystaniem tranzystorów typ MOS. Typowe rozwiązanie.

46 Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe MOSFET Prąd źródła prądoweo zależy od napięcia (charakterystyka przejściowa tranzystora). Wzmocnienie różnicowe: K 1 2 m1 ds1 m 1 m3 m4 ds3 ds2 1 ds4 przy pełnej symetrii tranzystorów M 3 i M 4 wyrażenie praszcza się do postaci: K ds2 m1 ds4

47 Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe MOSFET Wzmocnienie smacyjne: K S r m1 ds3 1 2m 1rds5 Współczynnik CM: CM 1 ds3 2 ds2 m1 r ds4 ds3

48 Wzmacniacz różnicowy Tranzystory polowe MOSFET ezystancje wejściowe wzmacniacza: r wer r wes ezystancja wyjściowa wzmacniacza: r wy ds2 1 ds4

49 Wzmacniacz różnicowy zastosowanie Transkondktancyjne kłady mnożące WY dzie : x, y - napięcia wejściowe, k m = 1/E - stała skalowania, E - normjące napięcie odniesienia, zazwyczaj równe +10 V lb -10 V. k m x y x E y Operację mnożenia można zrealizować w kładach elektronicznych w sposób bezpośredni np. poprzez zastosowanie sterowaneo podział prąd lb zmiennej transkondktancji. Podstawowym blokiem stosowanym w różnych rozwiązaniach kładów mnożenia bezpośrednieo jest wzmacniacz różnicowy, w którym wydajność źródła prądoweo można relować dodatkowym napięciem Y.

50 Transkondktancyjne kłady mnożące Dwćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny Napięcie sterjące X może być dodatnie lb jemne, natomiast napięcie Y (w tym rozwiązani) może być tylko dodatnie. Stąd efekt mnożenia może wystąpić tylko w pierwszej i trzeciej ćwiartce (kład dwćwiartkowy lb dwkwadrantowy).

51 Transkondktancyjne kłady mnożące Dwćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny otrzymjemy: WY Korzystając za zależności: th x x 2 2 T T Źródło prądowe wzmacniacza ma wydajność opisaną zależnością: i 0 y 0 m y WY x x x 0 my Cth 0C 2 T 2 T óżnicowe napięcie wyjściowe wzmacniacza: dla i 0 C th 2 T x 2 xy mc 2 T T

52 Transkondktancyjne kłady mnożące Dwćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny Pierwszy człon równania wyraża wzmocnienie napięcia X, natomiast dri mnożenie X Y. Gdy X = 0 to i WY = 0, natomiast dy Y = 0 to w oólnym przypadk WY 0. Oznacza to, że wyjście kład mnożnika dwćwiartkoweo jest zrównoważone wzlędem synał X, a nie jest zrównoważone wzlędem synał Y.. T y x C m T x C T x C y m WY th X m C X T Y m C ' 0 2 2

53 Transkondktancyjne kłady mnożące Dwćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny x m C x T y m C WY ' 0 2 kład ten może być zatem traktowany jako wzmacniacz synał różnicoweo X o zmiennej transkondktacji m, modlowanej przez synał Y. kład ten jest nazywany również modlatorem pojedynczo zrównoważonym (wzlędem X ) T y x C m T x C T x C y m WY th

54 Transkondktancyjne kłady mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny modlator podwójnie zrównoważony oba synały sterjące X i Y mają symetryczne wejścia różnicowe. W odróżnieni od kład dwćwiartkoweo, napięcie wyjściowe WY jest równe zer, jeśli tylko którykolwiek z synałów ( X lb Y ) jest równy zer.

55 Transkondktancyjny kłady mnożący zasada działania

56 Transkondktancyjny kłady mnożący zasada działania

57 Transkondktancyjny kłady mnożący zasada działania

58 Transkondktancyjny kłady mnożący zasada działania

59 Transkondktancyjne kłady mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny T x y, C WY WY i y x T T x T y T x T x T x WY th i i th i th i i Wyjściowy prąd różnicowy kład wynosi: przy napięciach wejściowych: Napięcie wyjściowe kład dane jest zależnością:

60 Transkondktancyjne kłady mnożące Wadą ob prezentowanych mnożników transkondktancyjnych jest bardzo mały zakres napięć wejściowych przy których kład mnoży poprawnie. Można ten zakres liniowej pracy powiększyć dwoma sposobami: - zastosowanie tzw. przetwornika Gilberta, - zastosowanie we wzmacniaczach różnicowych dżych rezystancji emiterowych (powodje to znaczne zmniejszenie nieliniowości kład, ale jednocześnie zmniejsza nachylenie charakterystyk kład mnożąceo). Bardzo często stosje się oba sposoby linearyzacji jednocześnie.

61 Transkondktancyjne kłady mnożące Przetwornik Gilberta

62 Transkondktancyjne kłady mnożące Przetwornik Gilberta Para różnicowa jest sterowana napięciem na diodach D 1 i D 2. Jeżeli złącza diod i złącza baza-emiter tranzystorów mają takie same charakterystyki napięciowo prądowe to, przy zachowani warnków i A +i B =const, i 1 +i 2 =const, zachodzi proporcja: i i 2 1 i i A B Diody są zazwyczaj sterowane prądami kolektorowymi oddzielnej pary różnicowej, która może być zlinearyzowana poprzez zastosowanie rezystorów emiterowych, co powodje także linearyzację pracy pary różnicowej T 1, T 2.

63 Transkondktancyjne kłady mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny - zlinearyzowany

64 Transkondktancyjne kłady mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny - zlinearyzowany Napięcia wejściowe są powiązane z prądami wejściowymi zależnościami: i x óżnicowy prąd wyjściowy kład jest dany równaniem: i x x WY i y ixi 2 Napięcie wyjściowe obliczamy z zależności: k WY 2 i WY C 2 C dzie jest stałą mnożenia, różną zwykle 0.1 V -1. m 01xy 01 x y 01 C y y y x y k m x y

65 Transkondktancyjne kłady mnożące Czteroćwiartkowy mnożnik transkondktancyjny - zlinearyzowany Typowe zlinearyzowane charakterystyki kład mnożąceo i jeo symbol

66 Zapamiętać Co to jest kład Darlintona i Sziklai eo podstawowe własności, kład kaskody własności, kładd WK-WB własności, Wzmacniacz różnicowy: rodzaje wzmocnień współczynnik CM co daje zastosowanie obciążenia aktywneo, źródła prądoweo w emiterach, kład Gilberta, rezystorów w ob emiterach pary różnicowej kład transkondktancyjny dw i cztero-ćwiartkowy, mnożący działanie, własności