Elektronika i energoelektronika

Transkrypt

1 Wydzia ł Elektrotechniki i Informatyki Politechnika Lubelska Elektronika i energoelektronika wyk ł ad 8 WZMACNIACZE Lublin, kwiecie ń 2008

2 Wzmacniacze

3 Podzia ł wzmacniaczy na klasy KLASA A -Sygna ł wejściowy podawany na dany stopie ń wzmacniający powoduje, że przez element aktywny tego wzmacniacza płynie prąd przez cały okres T sygnału sterującego. Sprawno ść dla wzmacniaczy pracujących w klasie A wynosi max 50%. KLASA B -Sygna ł wejściowy podawany na dany stopie ń wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd tylko przez połow ę okresu T trwania sygnału sterującego. Sprawno ść dla wzmacniaczy pracujących w klasie B wynosi ok.78,5%. KLASA AB - Sygna ł wejściowy podawany na dany stopie ń wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy ni ż jeden okres T trwania sygnału sterującego, ale dłuższy ni ż pó ł okresu. Klasa AB charakteryzuje si ę sprawności ą rzędu 50-70% z małymi zniekształceniami. KLASA C - Sygna ł wejściowy podawany na dany stopie ń wzmacniający powoduje, że element aktywny tego wzmacniacza przewodzi prąd przez czas krótszy ni ż pó ł okresu T trwania sygnału sterującego

4 Podzia ł wzmacniaczy na klasy Klasa A Klasa AB Klasa B η < 785 Zniekształcenia nieliniowe Klasa C sprawno ść, u. d

5 Klasa A

6 Klasa B

7 Klasa B Wzmacniacze mocy klasy B budowane s ą najcz ęś ciej jako tzw. uk ł ady symetryczne (przeciwsobne) zawieraj ą ce dwa elementy aktywne, z których ka ż dy znajduje si ę w stanie przewodzenia tylko w jednej po ł ówce okresu sygna ł u wej ś ciowego.

8 Klasa AB

9 Klasa C

10 Parametry wzmacniaczy Do podstawowych parametrów charakteryzuj ą cych w ł a ś ciwo ś ci wzmacniacza zalicza si ę : - wzmocnienie (mocy, napi ę cia lub pr ą du) - sprawność - impedancj ę (wej ś ciow ą i wyj ś ciow ą ) - wej ś ciowe i wyj ś ciowe napi ę cia (lub moce) znamionowe - pasmo przenoszenia (zakres cz ę stotliwo ś ci wzmacnianych sygna ł ów) - zakres dynamiczny, dynamika wzmacniacza - poziom szumów w ł asnych / czu ł o ść - nieliniowość

11 Parametry wzmacniaczy Podstawowym parametrem określającym właściwości wzmacniacza jest wzmocnienie (k) określane jako stosunek wartości skutecznej sygnału wyjściowego do wartości skutecznej sygnału wejściowego. Wyróżniamy 3 rodzaje wzmocnienia: Napięciowe: Ku= Uwy/Uwe Prądowe: Ki= Iwy/Iwe Mocy: Kp= Po/Pwe

12 Parametry wzmacniaczy Wzmocnienie napięciowe: Wzmocnienie napięciowe jest to stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego układu, wyrażony w woltach na wolt [V/V]: K u [V/V] = U /U wy we lub częściej w decybelach [db]: K u [db] = 20 log K u [V/V]

13 Parametry wzmacniaczy Wzmocnienie prądowe: Wzmocnienie prądowe jest to stosunek prądu wyjściowego do prądu wejściowego układu, wyrażony w amperach na amper [A/A]: K i [A / A] = I wy / I we lub częściej w decybelach [db]: K i [db] = 20 log K i [A / A]

14 Parametry wzmacniaczy Wzmocnienie mocy: Wzmocnienie mocy jest to stosunek mocy czynnej P wy wydzielonej na obciążeniu czwórnika do mocy czynnej P we doprowadzonej do wejścia czwórnika, wyrażonej w [W/W] K p [W/W] = P wy / P we lub w decybelach [db] K p [db] = 10 log K p [W/W]

15 Parametry wzmacniaczy 2. Pasmo przenoszenia (BW) 3dB Wzmocnienie [db] = f f d f g Wzmacniacze 15

16 Podzia ł wzmacniaczy ze wzgl ę du na zakres cz ę stotliwo ś ci Selektywne Wzmocnienie Prądu stałego Foniczne Wizyjne Wielkiej częstotliwości k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 100G f(hz) Wzmacniacze 16

17 Parametry wzmacniaczy 3. Zniekształcenia Nieliniowe Liniowe Zniekształcenia nieliniowe s ą to dodatkowe składowe powstałe na wyjściu wzmacniacza, których nie było na wejściu. Przyczyn ą powstawania takich zniekształce ń s ą nieliniowe zależności prądowo- napięciowe elementów takich, jak tranzystory, diody. Rzeczywiste układy elektroniczne, jak wiadomo, nie przenosz ą całego widma sygnału, co prowadzi do zniekształce ń widma sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego, tzn. że wzmacniacz niejednakowo wzmacnia wszystkie częstotliwości sygnału wejściowego. Wtedy jest mowa o zniekształceniach liniowych. Wzmacniacze 17

18 Parametry wzmacniaczy 4. Impedancja wejściowa Z i I we I wy = E s U we Z we U wy Z L 5. Impedancja wyjściowa Z i I we I wy = = =0 Z wy E s U we E wy U wy Z L Wzmacniacze 18

19 Parametry CMRR i PSRR Stosunek wzmocnie ń sygna ł u ró ż nicowego i sygna ł u wspólnego nazywany jest wspó ł czynnikiem t ł umienia sygna ł u wspólnego (wspó ł bie ż nego) i oznaczany symbolem CMRR (Common Mode Rejection Ratio) wyra ż anym w db. Miar ą odporno ś ci wzmacniacza (napi ę cia wyj ś ciowego) na zmiany warto ś ci napi ęć zasilaj ą cych jest wspó ł czynnik o nazwie PSRR (Power Supply Rejection Ratio).

20 Parametry popularnych wzmacniaczy 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 Częstotliwo ść graniczna (3dB) 5Hz-1,5MHz Szybko ść narastania odpowiedzi jednostkowej 0,5-360V/µs Różnicowa rezystancja wejściowa 40k-100GΩ Rezystancja wyjściowa Ω

21 Uk ł ad Darlingtona Układ ten pracuje w konfiguracji WC. Tranzystor T1 pracuje w zakresie małych prądów. Powoduje to prac ę tranzystora T1 w zakresie nieliniowym, z czego mog ą wynika ć zniekształcenia nieliniowe i mała warto ść wzmocnienia prądowego tego tranzystora. Układ ten charakteryzuje si ę du żą rezystancj ą wejściow ą oraz bardzo dużym wzmocnieniem.

22 Tranzystorowy uk ł ad ró ż nicowy jeden z najwa ż niejszych i najbardziej uniwersalnych uk ł adów elektronicznych zastosowania liniowe np. wzmacniacz ró ż nicowy zastosowania nieliniowe np. mno ż enie sygna ł ów, ograniczanie, prze łą czanie wzmacnia ró ż nice napi ęć wej ś ciowych w idealnym wzmacniaczu ró ż nicowym napi ę cie wyj ś ciowe powinno by ć takie samo dla: U1 = 15mV, U2 = 14mV jak i dla U1 = 2015mV, U2 = 2014mV

23 Wzmacniacz ró ż nicowy +U CC R R U WY1 U WY2 U WE1 U WE2 I -U CC Zadaniem wzmacniacza różnicowego jest wytworzenie na wyjściu napięcia, którego warto ść jest proporcjonalna do różnicy napi ęć między jego wejściami. We wzmacniaczach różnicowych stosowane s ą tranzystory NPN lub PNP. Powinny one mie ć jednakowe parametry, celem zapewnienia symetrii charakterystyk w zakresie liniowym.

24 Wzm. ró ż nicowy - zastosowanie Jako stopnie wej ś ciowe wzmacniaczy operacyjnych, Jako stopnie po ś rednie we wzmacniaczach szerokopasmowych, Jako stopnie wej ś ciowe lub po ś rednie we wzmacniaczach po ś redniej cz ę stotliwo ś ci.

25 Zjawisko Millera W przypadku ka ż dego uk ł adu wzmacniaj ą cego odwracaj ą cego faz ę sygna ł u o 180 wyst ę puje tzw. zjawisko Millera, polegaj ą ce na wzro ś cie pojemno ś ci wej ś ciowej tranzystora. Wraz ze wzrostem cz ę stotliwo ś ci wzmacnianego sygna ł u zmniejsza si ę wzmocnienie pr ą dowe wzmacniacza. Efekt Millera mo ż na zniwelowa ć stosuj ą c uk ł ad kaskody. Zjawisko Millera, szkodliwe w układach wzmacniaczy szerokopasmowych pracujących w konfiguracji WE, wykorzystywane jest w konstrukcji układów całkujących, mających równie ż szerokie zastosowanie w elektronice, zarówno w układach analogowych jak i cyfrowych.

26 Kaskoda Układ kaskody tworz ą 2 tranzystory pracujące w układzie WE-WB. Tranzystor T1 pracujący w układzie WE ma duże wzmocnienie prądowe i niewielkie wzmocnienie napięciowe, poniewa ż kolektor jest obciążony ma łą rezystancj ą wejściow ą tranzystora T2 pracującego w układzie WB. Kaskoda charakteryzuje si ę bardzo małym oddziaływaniem wyjścia na jego wejś cie. Ma szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości i cechuje j ą duża liniowo ść charakterystyki przejściowej. Słaby efekt Millera. Łączy zalety układu WE (duże wzmocnienie, średnia rezystancja wejściowa) oraz układu WB (szerokie pasmo przenoszenia, duże wzmocnienie napięciowe).

27 Kaskoda - zastosowanie we wzmacniaczach szerokopasmowych we wzmacniaczach selektywnych w. cz. w układach m. cz.

28 Wzmacniacze mocy Parametry wzmacniacza mocy: maksymalna moc wyj ś ciowa minimalne zniekszta ł cenia nieliniowe maksymalna sprawno ść energetyczna maksymalne wzmocnienie odpowiednie pasmo cz ę stotliwo ś ci Wzmacniacze mocy stosuje si ę m.in. do wzmacniania sygna ł ów akustycznych

29 Sprz ęż enie zwrotne Polega na oddzia ł ywaniu skutku jakiego ś zjawiska na jego przyczyn ę. Ujemne sprz ęż enie zwrotne zmniejsza (spowalnia) proces gdy faza napi ę cia zwrotnego doprowadzonego z wyj ś cia do wej ś cia uk ł adu jest przeciwna w porównaniu z faz ą napi ę cia wej ś ciowego. Dodatnie sprz ęż enie zwrotne zwi ę ksza (przyspiesza) proces gdy faza napi ę cia zwrotnego doprowadzonego z wyj ś cia do wej ś cia uk ł adu jest zgodna z faz ą napi ę cia wej ś ciowego. X we Σ X r TOR WZMOCNIENIA K X wy X s TOR SPRZĘŻENIA ZWROTNEGO ß

30 Sprz ęż enie zwrotne w elektronice S 1 + S in Wzmaczniacz S out S f Czwórnik sprz ęż enia k = S out out /S in in wzmocnienie bloku wzmacniacza = S /S f out transmitancja czwórnika sprz ę gaj ą cego /S out k f = S out /S 1 wzmocnienie uk ł adu ze sprz ęż eniem zwrotnym k f = k/(1-k S f index f pochodzi od ang. s ł owa feedback (sprz ęż enie zwrotne)

31 Sprz ęż enie zwrotne w elektronice Sprz ęż enie zwrotne dodanie stosowane g ł ównie w uk ł adach generacyjnych; we wzmacniaczach stosowane rzadko, zwykle jest to efekt paso ż ytniczy (m.in. ze wzgl ę du na wzrost zniekszta ł ce ń ) Sprz ęż enie zwrotne ujemne szeroko stosowane w uk ł adach wzmacniaj ą cych, wp ł ywa na ogó ł korzystnie na wi ę kszo ść parametrów wzmacniaczy: poprawia stabilno ść wzmocnienia (uk ł ad jest mniej wra ż liwy np. na wahania napi ęć zasilaj ą cych i zmian ę temperatury); zmniejszaj ą si ę szumy i zniekszta ł cenia (tak liniowe, jak i nieliniowe); zwi ę ksza si ę górna cz ę stotliwo ść graniczna (czyli ulega poszerzeniu pasmo); mo ż liwe jest kszta ł towanie charakterystyki cz ę stotliwo ś ciowej; mo ż liwa jest modyfikacja impedancji wej ś ciowej i wyj ś ciowej. Zalety te s ą okupione: zmniejszeniem wzmocnienia zmniejszeniem stabilno ś ci uk ł adu w pewnych zakresach cz ę stotliwo ś ci

32 Otwarte sprz ęż enie zwrotne S 1 + S in Wzmaczniacz S out S f Czwórnik sprz ęż enia

33 Paso ż ytnicze sprz ęż enia zwrotne sprz ęż enia pojemno ś ciowe np. pomi ę dzy przewodami, przewodami a obudow ą, itp. sprz ęż enia magnetyczne np. mi ę dzy uzwojeniami transformatorów i cewek sprz ęż enia elektromagnetyczne wielkiej cz ę stotliwo ś ci np. sprz ę gaj ą ce si ę obwody rezonansowe sprz ęż enie przez ź ród ł o zasilania itp.

34 Charakterystyki cz ę stotliwo ś ciowe

35 Rodzaje sprz ęż e ń zwrotnych Rodzaj i w ł a ś ciwo ś ci sprz ęż enia zwrotnego zale żą od: sposobu pobierania sygna ł u z wyj ś cia Sprz ęż enie napi ę ciowe sygna ł zwrotny proporcjonalny do napi ę cia wyj ś ciowego Sprz ęż enie pr ą dowe sygna ł zwrotny proporcjonalny do pr ą du wyj ś ciowego sposobu dostarczania sygna ł u na wej ś cie Sprz ęż enie szeregowe sygna ł sprz ęż enia wprowadzany jest szeregowo z sygna ł em wej ś ciowym Sprz ęż enie równoleg ł e sygna ł sprz ęż enia wprowadzany jest równolegle z sygna ł em wej ś ciowym

36 Rodzaje sprz ęż e ń zwrotnych NAPI Ę CIOWY - SZEREGOWY PR Ą DOWY - SZEREGOWY R g I we I wy I we I wy E g U we U s K u U wy R L I g G g U we K i I s I s U wy R L ß u U s ß i NAPI Ę CIOWY - RÓWNOLEG Ł Y PR Ą DOWY - RÓWNOLEG Ł Y R g I we I wy I we I wy E g U we K u U wy R L I g G g U we K i I s I s U wy R L U s ß u U s ß i

37 Sprz ęż enie napi ę ciowe-szeregowe R g I we I wy E g U we U s K u U wy R L I s ß u

38 Sprz ęż enie napi ę ciowe-równoleg ł e R g I we I wy E g U we K u U wy R L I s U s ß u

39 Sprz ęż enie pr ą dowo-szeregowe I we I wy I g G g U we K i I s U wy R L U s ß i

40 Sprz ęż enie pr ą dowo-równoleg ł e I we I wy I g G g U we K i I s U wy R L U s ß i

41 Wp ł yw ujemnego sprz ęż enie zwrotnego Szeregowe ujemne sprzężenie zwrotne: zmniejsza wzmocnienie napięciowe nie zmniejsza wzmocnienia prądowego powoduje wzrost impedancji wejściowej Równoległe ujemne sprzężenie zwrotne: zmniejsza wzmocnienie prądowe nie zmniejsza wzmocnienia napięciowego zmniejsza impedancj ę wejściową K uf K if Z K wef if K uf Z wef Ku = 1+ β K = Z we K u i = 1+ β i u ( 1+ βuku ) K Zwe = 1+ β K i i i Napięciowe ujemne sprzężenie zwrotne: zmniejsza impedancj ę wyjściową Z wyf Zwy = 1+ β K u u Prądowe ujemne sprzężenie zwrotne: powoduje wzrost impedancji wyj ciowej ś Z = Z 1+ βk ) wyf wy ( i i

42 Wp ł yw ujemnego sprz ęż enie zwrotnego

43 Wzmacniacz operacyjny Wzmacniaczem operacyjnym nazywamy wzmacniacz pr ą du sta ł ego (ze sprz ęż eniem bezpo ś rednim), o bardzo du ż ym wzmocnieniu. +U CC u 1 u2 u wy Masa -U CC Nazwa wzmacniaczy operacyjnych pochodzi od ich pierwszego zastosowania do wykonywania operacji matematycznych (np. sumowania, logarytmowania, ró ż niczkowania, ca ł kowania itp.) w obecnie nie stosowanych ju ż maszynach analogowych.

44 Wzmacniacz operacyjny +U CC u 1 u 2 Masa -U CC u wy Je ż eli sygna ł wej ś ciowy zostanie doprowadzony do wej ś cia "-" (nazywanego wej ś ciem odwracaj ą cym) to na wyj ś ciu pojawi si ę sygna ł w fazie przeciwnej. Je ż eli natomiast sygna ł wej ś ciowy zostanie doprowadzony do wej ś cia "+" (wej ś cie nieodwracaj ą ce), to nie wyst ą pi odwrócenie fazy mi ę dzy wej ś ciem a wyj ś ciem.

45 Wzmacniacz operacyjny Wzmacniacz operacyjny jest przystosowany do pracy z zewnętrznym układem ujemnego sprzężenia zwrotnego, którego właściwości decyduj ą w głównej mierze o właściwościach całego układu.

46 Wzmacniacz operacyjny 1 stopień zapewnia du ż y wspó ł czynnik CMRR. WO powinny si ę charakteryzowa ć jak najwi ę kszym wzmocnieniem ró ż nicowym. 2 stopień wymagane jak najwi ę ksze wzmocnienie (wzmacniacze o wspólnym emiterze lub ź ródle). 3 stopień zapewnia ma łą rezystancj ę i zerowy potencja ł sta ł y wzgl ę dem masy.

47 Wzmacniacz operacyjny T1, T2, T3, T4 wzmacniacz różnicowy (dobre właściwości wysokoczęstotliwościowe) T5 źródło stałoprądowe T6, T7 obciążenie aktywne pary różnicowej T8 wtórnik emiterowy (duża rezystancja wejściowa II stopnia) T9 wzmacniacz z emiterowym sprzężeniem zwrotnym (duże wzmocnienie) T10, T11 wzmacniacz mocy (mała rezystancja wyjściowa, umożliwia przepływ stosunkowo dużego prądu przez obciążenie)

48 Wzmacniacz operacyjny µa741 Schemat ideowy wzmacniacza operacyjnego µa741

49 Wzmacniacz operacyjny

50 Wzmacniacz operacyjny

51 Zastosowanie WO Wykorzystywane do produkcji: urz ą dze ń pomiarowych, filtrów aktywnych, prostowników liniowych, generatorów funkcyjnych, uk ł adów próbkuj ą co-pami ę taj ą cych, konwerterów, stabilizatorów napi ę cia i nat ęż enia.

52 Wzmacniacz odwracaj ą cy i = u WE R = u WY 1 R 2 R WE = R 1 R 3 = R R 1 1 R + R 2 2 k = u u WY WE = R R

53 Wzmacniacz nieodwracaj ą cy 53

54 Wtórnik napi ę ciowy U ż ywany jest cz ę sto jako prosty uk ł ad separuj ą cy, poniewa ż jego do łą czenie nie obci ąż a uk ł adu badanego. 54

55 Wzmacniacz sumuj ą cy 55

56 Wzmacniacz ró ż niczkuj ą cy 56

57 Wzmacniacz ca ł kuj ą cy 57

58 Filtr aktywny 58

59 Wzmacniacz selektywny 59

60 Parametry wzmacniacza selektywnego - Selektywno ść : Selektywności ą wzmacniacza jest nazywana zdolno ść do tłumienia sygnałów o częstotliwościach leżących poza pasmem przenoszenia, czyli: sygnałów niepożądanych. - Cz ę stotliwo ść ś rodkowa: Jest to częstotliwo ść(f o ) przy której wzmacniacz selektywny posiada maksimum charakterystyki czyli warto ść jeden. - Pasmo trzydecybelowe: Jest to przedzia ł częstotliwości w którym wzmocnienie wzmacniacza zmalało o 3dB w stosunku do wzmocnienia przy częstotliwości środkowej f o - Pasmo dwudziestodecbelowe: Jest to zakres częstotliwości, w którym wzmocnienie wzmacniacza zmalało do poziomu -20dB 60

61 Parametry wzmacniacza selektywnego - wspó ł czynnik prostok ą tno ś ci: Jest miar ą selektywności wzmacniacza. Współczynnik prostokątności wzmacniacza o idealnej charakterystyce amplitudowej byłby równy jedności. Im współczynnik p jest większy, tym wzmacniacz jest bardziej selektywny. p= B 3dB /B 20dB - dobro ć : Od parametru tego(q) zależne jest pasmo przenoszenia wzmacniacza. B 3dB =f 0 /Q 61

62 Wzmacniacz logarytmuj ą cy 62

63 Wzmacniacz wyk ł adniczy 63

64 Prostownik liniowy 64

65 Komparator analogowy 65