Wzmacniacze tranzystorowe prądu stałego i szerokopasmowe

Transkrypt

1 Wzacniacze tranzystorowe prąd stałeo i szerokopasowe Wrocław 009 kład Darlintona kład stosowany dy potrzebne dże wzocnienie prądowe (np. do W). B B B + β ' B B β + ( ) B β β β B B β ' β β ( β + ) ββ +

2 kład Darlintona r we r + β r be be B B ponieważ: β otrzyjey r be r be zate: β r we ϕ rbe β ' ponieważ: r r ( + r ) ce be r wy rce β βr otrzyjey: ce ce r wy r 3 r ce rce rce ce r β ce kład Darlintona ypowe kłady Darlintona ają órną częstotliwość raniczną rzęd kHz zastosowanie ich zate do:... B B B kład Darlintona jest też stosnkowo wolny aby przyspieszyć proces wyłączenia (zwiększyć szybkość swania nośników z bazy ) stosje się... jednak ziniejsza to...

3 kład Darlintona (Sziklai) kład Darlintona z przeciwstawnych tranzystorów. Gdy jest p-n-p to cały kład zachowje się jak kład p-n-p, wzacnia prąd ( W, W). B β ' β β B ' ' 6 0, V r we ϕ rbe β ' r wy r ce kład kaskody wprowadzenie W - efekt Millera i W i b B X c bc Y i c i WY i l G B B be f ce G ~ be c be be ce L i W i b B X Y i c i WY i l G B B be ce G ~ be c be X be Y ce L c we c + c + c be X be bc ( k ) f π c r we we G 3

4 kład kaskody wprowadzenie kład WB i W i e i WY i l G eb cb G ~ eb c be αi e c bc L B B r we r eb kład kaskody W WB scheat ideowy scheat ziennoprądowy pracje w konfiracji... pracje w konfiracji... ze sterowanie prądowy k obc wyeliinowany efekt Millera dla W c c + c + c k c + c we be X be ( ) ( ) bc be bc 4

5 kład kaskody W WB scheat ideowy scheat ziennoprądowy Przez oba tranzystory płynie w przybliżeni ten sa zate: ponadto: k a f r f r r wy we r be kład W WB + WY pracje w konfiracji... pracje w konfiracji... ze sterowanie napięciowy W - r wy r we oba tranzystory pracją przy ty say zate ają takie sae dlateo: r wy r we 5

6 kład W WB + Zate na występje połowa zienneo napięcia wejścioweo i otrzyjey: W WY G we be a wzocnienie napięciowe jest równe: k G - r we r be r wy kład W WB Wzacniacz w konfiracji W a dżo większą częstotliwość raniczną w porównani do kład W. Dlateo kład charakteryzje się bardzo dobryi właściwościai częstotliwościowyi (porównywalnie z kaskodą). Wzocnienie napięciowe zapewnia stopień WB. Lecz jest ono niejsze niż dla kaskody. Zaletą kład jest kopensacja zian teperatrowych napięcia B (oraniczony wpływ teperatry) tranzystorów co nie występje w kaskodzie. akie rozwiązanie kładowe jest stosowane w technice scalonej. 6

7 Wzacniacze prąd stałeo W.p.s. są to syetryczne wzacniacze dolnoprzepstowe o dwóch wejściach i jedny (wzacniacz operacyjny) lb dwóch (wzacniacz różnicowy) wyjściach, słżące do wzacniania synałów o określony paśie częstotliwości włączając w to synały wolnozienne i stałoprądowe. Do sprzęania kolejnych stopni oraz wejścia i wyjścia wzacniacza nie stosje się... Wzacniacze te zapewniają wzocnienie synałów żytecznych (różnicowych) oraz tłienie synałów niepożądanych (np. wejściowych sacyjnych). Na wej i wyj napięcie D 0. Synały niepożądane oą powstawać we wszystkich stopniach wzacniacza, jednak największe a znaczenie a dryft stopnia wejścioweo, który podlea największe wzocnieni. Z teo wzlęd stopnie te realizje się jako wz. różnicowe (an. eitter-copled pair). Wzacniacze prąd stałeo Wzacniacz operacyjny we we wy Wzacniacz z wyjście niesyetryczny we we wy Wzacniacz różnicowy we wy we we we wy wy wy Wzacniacz z wyjście syetryczny 7

8 Można zdefiniować dwa rodzaje synałów: - różnicowe wer we we wyr wy wy - sacyjne, zobrazowane na rys. wes wys + we we + wy wy Wzacniacz różnicowy 0.5wer we wy 0.5wyr wes 0.5wer we wy 0.5wyr wys ys.3. Sterowanie sacyjne wzacniacza różnicoweo 8

9 Zależności na WY wzacniacza różnicoweo przybierają postać: - napięcie wyjściowe różnicowe: + wyr wer S wes - napięcie wyjściowe sacyjne: + wys S wer SS wes Poszczeólne wzocnienia definijey następjąco: wzocnienie różnicowo różnicowe (powszechn. wzocnienie różnicowe): wyr przy wes 0 wer wzocnienie różnicowo sacyjne (powszechn. wzocnienie sacyjne): S wyr wes przy wzocnienie sacyjno różnicowe: wer 0 wys S przy wes 0 wer wzocnienie sacyjno sacyjne: SS wys wes przy wer 0. 9

10 Najważniejszyi są wzocnienia i S. Są to paraetry charakterystyczne wzacniacza różnicoweo. Na ich podstawie określa się dodatkowy paraetr współczynnik tłienia synał sacyjneo M (an. oon Mode ejection atio). Współczynnik ten jest iarą jakości wzacniacza różnicoweo. M S ranzystory bipolarne WY A W WY B + W - Podstawowa cecha w.r. jest zdolność wzacniania różnicy wartości synałów wej. (tzw. różnicowych), tłienia natoiast ich wspólnej części (tzw. wspólnych) ożliwe jest zate wzacnianie ałych syn. różnicowych na tle dżych syn. wspólnych. Sposoby sterowania: Wyjście kład:

11 Sterowanie + Jeśli W 0 W lb W W W WY A WY B W to tzn. WY oraz WYA WYB WY WY 0 S 0 A B Sterowanie wspólne Jeśli, np. > W W - to WY WY WY 0 0 A B Sterowanie różnicowe Sterowanie W WY A WY B + W - Podobnie jak dla sterownia sacyjneo, w.r. zachowje się w przypadk: - zian paraetrów tranzystora wywołanyi zjawiskai tericznyi; - ziany napięć zasilających; - wystąpienia zakłóceń; - wzacniania parzystych haronicznych napięć sterjących.

12 Paraetry wzacniacz syetryczny + ( r ) ce WY A WY B S 0 W W M S - rwer r be rbe rwes + β + ( ) r wy rce + r ce Stosowany np. dy: Paraetry wzacniacz niesyetryczny - wzacniany jest tylko jeden synał wej. (B drieo na potencjale asy); - wyjście tylko z jedneo z. S ( r ) ce M S

13 Prądowa charakterystyka przejściowa + WYA WYB W W - Prądowa charakterystyka przejściowa Prądy kolektorów tranzystorów są opisane zależnościai: α0 ( + ) ϕ + e wer α 0 ( + ) wer + e ϕ Napięcie wyjściowe różnicowe dane jest równanie: wyr wer ( + ) OBth ϕ α0 3

14 Napięciowa charakterystyka przejściowa Liniowość kład Dla teperatry: 300 ϕ 6V wzacniacz pracje liniowo dla napięć wejściowy z zakres: ( ϕ ) ( 5V V ) wer ϕ 5 Aby zwiększyć liniowość wprowadza się sprzężenie zwrotne dla synałów różnicowych zrealizowane na rezystorach e. 4

15 Poszerzenie zakres liniowej pracy kład + WYA WYB W W Dla wzacniacza z poszerzony zakrese liniowości zakres napięć wejściowych, dla których wzacniacz pracje liniowo wynosi: wer - [( ϕ ) ( ϕ + )] [( 5V ) ( V )] 5 + Dla kład ze sprzężenie zwrotny wzocnienie różnicowe wzacniacza wynosi: ( rce ) rce + Poszerzenie zakres liniowej pracy kład 5

16 Źródła prądowe stosowane we w.r. Zastosowanie źródeł prądowych: - zapewnienie przepływ stałeo prąd przez obciążenie źródła niezależnie od wartości obciążenia, - zapewnienie dżych wartości rezystancji dynaicznych przy ałych spadkach napięcia Źródła prądowe stosowane we w.r. Źródło z potencjoetryczny zasilanie bazy B WY const dopóki > sat WY B B WY źr d ( ) WY β r WY dyn rce + dwy + rbe + W szczeólności r WY przyjje wartości, dy << r be (aby nie wpływały na wartość r WY ): ) dy 0 to r WY r ce (rezystancji wyj. tranzystora), ) dy << r be (r WY rośnie liniowo ze wzroste ) β r WY rce + rce ( + ) rce + k ax r be 3) dy >> r be (r WY nie rośnie przy zwiększani, jest to zate ax r WY dla tr.bip.) r WY ce L WY ( ) βrce r + β + 6

17 Źródła prądowe stosowane we w.r. nne źródła źródło dla napięć dodatnich i jenych + Źródło dostarcza dodatnieo lb jeneo prąd o wartości proporcjonalnej do W. dy W 0 to a WY 0, 3 WY dy W > 0 to aleje, rośnie a WY < 0. W 3 L WY źr W - Źródła prądowe stosowane we w.r. Lstro prądowe + + W B W B L WY B β WY β β + W W - B W - B jeśli >> B, β>>, zate: B B B Q WY WY Q p.p. nie zależy od tep. ale od różnicy paraetrów iędzy a 7

18 Źródła prądowe stosowane we w.r. Lstro prądowe W W - B B L WY W - B + ezystancja statyczna: ezystancja dynaiczna: stat dyn Q Q Y Q B B B nachylenie ce dyn >> stat bo Y >> Q Y npn ~ (80-00) V pnp ~ (40-50) V Źródła prądowe stosowane we w.r. nne źródła źródło prądowe Wilsona L + Źródło o dżej dokładności i dżej rezystancji wyjściowej. WYW WY W W B 3 W -B B W - B B B W +B W kładzie ożliwe jest wytworzenie całkowitych wielokrotności lb łakowych części W przez równolełe dołączenie do lb odpowiedniej liczby tranzystorów (identycznych). B 8

19 Źródła prądowe stosowane we w.r. Zwiększenie wzocnienia różnicoweo wzacniacza i współczynnika M zastosowanieźródeł prądowych Zwiększenie zastąpienie rezystorów lstre prądowy obciążenie dynaiczne. Zastosowanie łównie technika scalona z powod trdności w realizacji dżych rezystancji w strktrze kładów scalonych. Z obciążenie dynaiczny zwiększenie + OB 3 4 WY S L + β 3 W W L M OB ( + β3 L ) - OB r + r L L ce4 ce4 r ce4 Y Q4 Zwiększenie M: - zwiększenie źródło prądowe zaiast - zniejszenie S zastosowanie źródła prądoweo zaiast. 9

20 Zwiększenie, zniejszenie S S OB ee WY dla dyn źr W W L S OB dyn dzie: dyn Y Q5 Q5 cc + ee zr B6 Analiza w fnkcji częstotliwości wzacnia napięcia stałe ale także napięcia zienne. Obydwa wzocnienia: różnicowe i sacyjne zależą od częstotliwości. 0

21 Analiza w fnkcji częstotliwości s [db] +0dB/dek f f [lo] r [db] -0dB/dek f f [lo] M [db] -0dB/dek -40dB/dek f [lo] Analiza w fnkcji częstotliwości f π we f π ( wy + ) r wy rb ' e rbb ' + rb ' e + rbb ' + we b' e + b' c( ( jω 0) ) wy pojeność widziana od strony zacisków rezystora (lb źródła/lstra prądoweo) znajdjąceo się we wzacniacz różnicowy. pojeności ontażowe r wy rezystancja rezystora (lb wyjścia źródła/lstra prądoweo) znajdjąceo się we wzacniacz różnicowy.

22 ranzystory polowe D D +DD D W WYA WYB W S + D SS SS -DD M SS r wer r wes r wy Drds + r D ds ranzystory polowe Zalety zastosowania tranzystorów nipolarnych: - liniowość wzacniacza weax ( 5)V dżo większa niż dla kład z tranzystorai bipolarnyi weax 5V. - dżo większa rezystancja wejściowa wzacniacza w porównani do rozwiązań z tranzystorai bipolarnyi Wada: - przy tych saych prądach polaryzacji wzacniacz zbdowany na tranzystorach polowych a dżo niejsze wzocnienie różnicowe ze wzlęd na ałą wartość.

23 ranzystory polowe MOSF W strktrach scalonych wykorzystje się bardzo często wzacniacze różnicowe zrealizowane kopleksowo z wykorzystanie tranzystorów typ MOS. ypowe rozwiązanie. ranzystory polowe MOSF Prąd źródła prądoweo zależy od napięcia (charakterystyka przejściowa tranzystora). Wzocnienie różnicowe: + ds ds3 ds + ds4 przy pełnej syetrii tranzystorów M 3 i M 4 wyrażenie praszcza się do postaci: ds + ds4 3

24 ranzystory polowe MOSF Wzocnienie sacyjne: S r ds3 + rds 5 Współczynnik M: M ( + r ) ds3 ds + ds3 ds4 ranzystory polowe MOSF ezystancje wejściowe wzacniacza: r wer r wes ezystancja wyjściowa wzacniacza: r wy ds + ds4 4

25 zastosowanie ranskondktancyjne kłady nożące k dzie : WY x x, y - napięcia wejściowe, k / - stała skalowania, - norjące napięcie odniesienia, zazwyczaj równe +0 V lb -0 V. y x y Operację nożenia ożna zrealizować w kładach elektronicznych w sposób bezpośredni np. poprzez zastosowanie sterowaneo podział prąd lb ziennej transkondktancji. Podstawowy blokie stosowany w różnych rozwiązaniach kładów nożenia bezpośrednieo jest wzacniacz różnicowy, w który wydajność źródła prądoweo ożna relować dodatkowy napięcie Y. ranskondktancyjne kłady nożące Dwćwiartkowy nożnik transkondktancyjny Napięcie sterjące X oże być dodatnie lb jene, natoiast napięcie Y (w ty rozwiązani) oże być tylko dodatnie. Stąd efekt nożenia oże wystąpić tylko w pierwszej i trzeciej ćwiartce (kład dwćwiartkowy lb dwkwadrantowy). 5

26 ranskondktancyjne kłady nożące Dwćwiartkowy nożnik transkondktancyjny otrzyjey: WY x x th ϕ ϕ ( + ) orzystając za zależności: Źródło prądowe wzacniacza a wydajność opisaną zależnością: ( y ) 0 y i + 0 WY x i0th ϕ x x x 0 y th 0 + ϕ óżnicowe napięcie wyjściowe wzacniacza: dla << ϕ x y ϕ ϕ ranskondktancyjne kłady nożące Dwćwiartkowy nożnik transkondktancyjny WY ( + ) x y ϕ ϕ x x 0 y th 0 + ϕ Pierwszy człon równania wyraża wzocnienie napięcia X, natoiast dri nożenie X Y. Gdy X 0 to i WY 0, natoiast dy Y 0 to w oólny przypadk WY 0. Oznacza to, że wyjście kład nożnika dwćwiartkoweo jest zrównoważone wzlęde synał X, a nie jest zrównoważone wzlęde synał Y ϕ Y X ' X 6

27 ranskondktancyjne kłady nożące Dwćwiartkowy nożnik transkondktancyjny WY ( + ) x y ϕ ϕ x x 0 y th 0 + ϕ WY 0 + ϕ y x ' x kład ten oże być zate traktowany jako wzacniacz synał różnicoweo X o ziennej transkondktacji, odlowanej przez synał Y. kład ten jest nazywany również odlatore pojedynczo zrównoważony (wzlęde X ) ranskondktancyjne kłady nożące zteroćwiartkowy nożnik transkondktancyjny odlator podwójnie zrównoważony oba synały sterjące X i Y ają syetryczne wejścia różnicowe. W odróżnieni od kład dwćwiartkoweo, napięcie wyjściowe WY jest równe zer, jeśli tylko którykolwiek z synałów ( X lb Y ) jest równy zer. 7

28 ranskondktancyjny kłady noŝący zasada działania ranskondktancyjny kłady noŝący zasada działania 8

29 ranskondktancyjny kłady noŝący zasada działania ranskondktancyjny kłady noŝący zasada działania 9

30 ranskondktancyjne kłady nożące zteroćwiartkowy nożnik transkondktancyjny Wyjściowy prąd różnicowy kład wynosi: x y x 0 ( i i ) th x y x x iwy i5th i6th ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ 4ϕ przy napięciach wejściowych:, x y << ϕ Napięcie wyjściowe kład dane jest zależnością: i WY WY ranskondktancyjne kłady nożące Wadą ob prezentowanych nożników transkondktancyjnych jest bardzo ały zakres napięć wejściowych przy których kład noży poprawnie. Można ten zakres liniowej pracy powiększyć dwoa sposobai: - zastosowanie tzw. przetwornika Gilberta, - zastosowanie we wzacniaczach różnicowych dżych rezystancji eiterowych (powodje to znaczne zniejszenie nieliniowości kład, ale jednocześnie zniejsza nachylenie charakterystyk kład nożąceo). Bardzo często stosje się oba sposoby linearyzacji jednocześnie. 30

31 ranskondktancyjne kłady nożące Przetwornik Gilberta ranskondktancyjne kłady nożące Przetwornik Gilberta Para różnicowa jest sterowana napięcie na diodach D i D. Jeżeli złącza diod i złącza baza-eiter tranzystorów ają takie sae charakterystyki napięciowo prądowe to, przy zachowani warnków i A +i B const, i +i const, zachodzi proporcja: i i i i A B Diody są zazwyczaj sterowane prądai kolektorowyi oddzielnej pary różnicowej, która oże być zlinearyzowana poprzez zastosowanie rezystorów eiterowych, co powodje także linearyzację pracy pary różnicowej,. 3

32 ranskondktancyjne kłady nożące zteroćwiartkowy nożnik transkondktancyjny - zlinearyzowany ranskondktancyjne kłady nożące zteroćwiartkowy nożnik transkondktancyjny - zlinearyzowany Napięcia wejściowe są powiązane z prądai wejściowyi zależnościai: i x i x x WY i y óżnicowy prąd wyjściowy kład jest dany równanie: ixi Napięcie wyjściowe obliczay z zależności: k WY iwy x y 0x y dzie jest stałą nożenia, różną zwykle 0. V -. 0x y y 0 y y k x y 3

33 ranskondktancyjne kłady nożące zteroćwiartkowy nożnik transkondktancyjny - zlinearyzowany ypowe zlinearyzowane charakterystyki kład nożąceo i jeo sybol Zapaiętać o to jest kład Darlintona i Sziklai eo podstawowe własności, kład kaskody własności, kładd W-WB własności, : rodzaje wzocnień współczynnik M co daje zastosowanie obciążenia aktywneo, źródła prądoweo w eiterach, kład Gilberta, rezystorów w ob eiterach pary różnicowej kład transkondktancyjny dw i cztero-ćwiartkowy, nożący działanie, własności 33