Wydział Elektryczny. Temat i plan wykładu. Politechnika Białostocka. Wzmacniacze

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Temat i plan wykładu Wydział Elektryczny Wzmacniacze 1. Wprowadzenie 2. Klasyfikacja i podstawowe parametry 3. Wzmacniacz w układzie OE 4. Wtórnik emiterowy 5. Wzmacniacz róŝnicowy 6. SprzęŜenie zwrotne 7. Podsumowanie

2 Cele wykładu Celem wykładu jest przedstawienie: układów wzmacniaczy podstawowych parametrów wzmacniaczy wpływu sprzęŝenia zwrotnego na parametry wzmacniacza przykładów zastosowań

3 Zastosowanie BJT jako elementu wykonawczego

4 Zastosowanie BJT w układach wzmacniaczy

5 Zasilanie Z i I we I wy E s M U we Wzmacniacz U wy Z L Masa Wzmocnienie z definicji oznacza stosunek syg. wyj do wej. Niekiedy jednak szczególnie waŝne jest wzmocnienie mocy, natomiast wzmocnienie napięciowe ma znaczenia drugorzędne. Stąd - podział wzmacniaczy na: napięciowe, prądowe i mocy..

6 Podział wzmacniaczy na klasy: A, AB, B, C, D ηmax < 25%; ~ 15% ηmax < 78, 5% Zniekształcenia nieliniowe η max < 95% Małe zniekształcenia

7 Wzmacniacz klasy D

8 Ustalanie punktu pracy = polaryzacja stałoprądowa

9 Wzmacnianie np. sygnału sin

10 Współczynnik wzmocnienia

11 Wzmacniacz WE współczynnik wzmocnienia

12 Jak uŝyć wzmacniacza sygnałów zmiennych?

13 Jak uŝyć wzmacniacza sygnałów zmiennych?

14 Jak uŝyć wzmacniacza sygnałów zmiennych? Poszukiwanie źródła

15 Układ wzmacniacza sygnałów zmiennych WE

16 Poszukiwanie schematu zastępczego

17 Schemat zastępczy tranzystora

18 Obwód wejściowy schematu zastępczego

19 Obwód wyjściowy schematu zastępczego

20 Uwzględnienie efektu Earley ego

21 Schemat zastępczy tranzystora BJT

22 Schemat zastępczy wzmacniacza?

23 Schemat zastępczy wzmacniacza?

24 Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego

25 Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego

26 Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego

27 Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego

28 Wzmacniacz dla małych obciąŝeń

29 Wzmocnienie przy duŝych obciąŝeniach

30

31 Wtórnik emiterowy

32 Model małosygnałowy wtórnika emiterowego

33

34

35

36

37

38 Podstawowe parametry wzmacniaczy 1. Wzmocnienie: K U, K I, K P n[db]=20lg 10 K U U wy I wy K U = ; K I = ; U we I we K = K K P U I K P = K [ db] = lg K [ 1] K [ db] = lg K [ 1] U 20 U I P P wy we 10 I K U[ ] [ db] [ db] K P,K 1 K P U P [ db] lg K [ 1] K = P

39 Impedancja wejściowa: Z I i we I wy Z = we U I we we E s U we Z we U wy Z L Impedancja wyjściowa: Z i I we I wy Z wy = U I wy Z wy Z L L = =0 E s U we E wy Z wy U wy Z L

40 Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza RC k u db Zakresy częstotliwości małych średnich duŝych k uo f [ log]

41 Pasmo przenoszenia Wzmocnienie [db] BW = f g f d 3dB f f d f g Pasmo przenoszenia jest to zakres częstotliwości sygnału wejściowego, dla którego moc wyjściowa wzmacniacza maleje nie więcej niŝ 3dB (czyli do połowy wartości mocy znamionowej) od wartości maksymalnej w tym zakresie, przy danym współczynniku zawartości harmonicznych.

42 Schematy ideowe wzmacniaczy RC R 1 R C U CC a) b) R 1 R D C 2 +U DD C 2 R g C 1 T U 2 R g C 1 U 2 E g U 1 R 2 R E C E R L U 1 R 2 R S C S R L E g a) z tranzystorem bipolarnym, b) z tranzystorem polowym MOSFET

43 Zwierciadło prądowe

44 Schemat ideowy wzmacniacza OE z dynamicznym obciąŝeniem w kolektorze W porównaniu do poprzedniego układu: +U CC T 2 T 3 r ce = U I ce c R g U o E g T 1 R = R = r 0 C ce3 U EE r ce = 20V/0,1mA=200kΩ

45 Wtórnik emiterowy klasy A U CC U2 U 1 C R B1 C U = U + be 1 U 2 U I R = 2 c E g m U be R E U 1 R B2 R E U 2 U U 2 be << U2 gmr E R we r BB' + β g m + βr E R wy 1 g m + R β i BW β BW BW >> WC WE WC BW WE

46 Wtórnik emiterowy ze źródłem stałoprądowym Symetryczny wtórnik emiterowy +U CC +U CC T 1 R I u i i o I T 2 R L u o D 1 I p T 1 i o T 3 D 2 R L u o u i T 2 U EE W porównaniu do poprzedniego układu: = R B I p U EE R E = r ce2

47

48 Wzmacniacze w konfiguracji OS w wersji scalonej a) +U DD b) +U DD +U c) DD M 2 M 3 M 2 M 2 i o i o i o M 1 R L u o I ref M 1 R L u o u i M 1 R L u o u i u i U SS U SS U SS a) z obciąŝeniem aktywnym na tranzystorze NMOS z kanałem wzbogaconym w połączeniu diodowym, b) z obciąŝeniem aktywnym ze źródłem stałoprądowym na tranzystorach PMOS z kanałem wzbogacanym, c) inwerter CMOS.

49 Wzmacniacz w konfiguracji wspólnego drenu: schemat ideowy.

50 a) b) c) +U DD +U DD +U DD M 1 M 1 U SS U SS U GG M 3 u i U B i o i o M 4 M 1 R L u o u i U B M 2 R L u o U SS i o U SS U GG U GS 2 M 2 +U DD U SS U SS M 5 M 2 +U DD +U DD R L u o M 6 u i U SS Wtórniki źródłowe w wersji scalonej: a) zastąpienie rezystancji R s źródłem prądowym, b) schemat ideowy symetrycznego wtórnika źródłowego, c) praktyczna realizacja układu z rys. b)

51 Wzmacniacz róŝnicowy właściwości małosygnałowe wzmacniacz prądu stałego (sygnały zmienne w dolnym paśmie częstotliwości), układ inteligentny-odróŝnia sygnały uŝyteczne od szkodliwych (tłumi), wzmacniane są tylko sygnały róŝnicowe, sygnał wyjściowy jest niezaleŝny od wartości średniej sygnałów wejściowych, u we =0 u wy =0.

52 Zastosowanie wzmacniaczy róŝnicowych aparatura medyczna, gdzie występują bardzo słabe sygnały generowane przez mózg lub serce, przekazywane są one za pomocą elektrod znajdujących się na ciele pacjenta (czujniki EKG), często sygnały te są duŝo mniejsze od sygnałów zakłócających (sumacyjnych), w liniach sygnałowych mogą występować duŝe sygnały sumacyjne np. 50 Hz, a na nie nałoŝone są niewielkie sygnały róŝnicowe (uŝyteczne), wzmacniacze operacyjne, sygnały cyfrowe przekazywane za pomocą długich kabli (skrętki).

53 Wzmacniacz róŝnicowy sterowany róŝnicowo róŝnicowe podłączenie źródeł sygnału

54 Wzmacniacz róŝnicowy sterowany sumacyjnie sumacyjne podłączenie źródeł sygnału

55

56 ( ) e e E us ur e E e C e us e C e ur C b e wy C b e wy E E b e we E E b e we we we wy wy us we we wy wy ur h h R k k CMMR h R h R h k h R h k R I h u R I h u R I I h u R I I h u u u u u k u u u u k ,,,, = = + + = = = = + = + = + + = = Common Mode Rejectin Ratio Wzmocnienie róŝnicowe i sumacyjne

57 Współczynnik tłumienia sygnałów wspólnych CMRR Common Mode Rejectin Ratio CMRR = k k ur us = 2R h E h 11e 21e Np. R E 5 21 e, 11e 1 = MΩ, h = 100 h = kω CMRR = = 10 = 120 db 3 10 n n[ db] = 20log10 ku 1020 = ku

58 Wzmacniacz róŝnicowy ze źródłem prądowym

59 Wzmacniacz róŝnicowy z obciąŝeniem aktywnym