Wzmacniacze szerokopasmowe, selektywne i mocy K.M.Gawrylczyk 1
1. WZMACNIACZE SZEROKOPASMOWE Wzmacniacze szerokopasmowe - wzmacniaj szerokim widmie cz stotliwo ci sygnały o A. Zastosowanie wzmacniaczy szerokopasmowych: - wzmacniacze teletransmisyjne (kilka khz-kilkana cie MHz) - wzmacniacze odbiorników telewizyjnych (30Hz- 6MHz) - wzmacniacze urz dze radarowych (do kilku GHz) K.M.Gawrylczyk 2
Przykładowa charakterystyka amplitudowa K.M.Gawrylczyk 3
B. Charakterystyki cz stotliwo ciowe Charakterystyka fazowa wzmacniacza szerokopasmowego powinna wykazywa stał warto przesuni cia fazowego w du ym zakresie cz stotliwo ci. Je eli charakterystyka ta wykazuje zmian k ta przesuni cia fazowego, to musi to by liniowa zmiana w funkcji cz stotliwo ci. Wzmacniacz, który spełnia te warunki, nie zniekształca przenoszonego sygnału odkształconego mo na nazwa wzmacniaczem szerokopasmowym. K.M.Gawrylczyk 4
Charakterystyki cz stotliwo ciowe wzmacniaczy o jednakowym pa mie przenoszenia: a) szerokopasmowego; b) pasmowego K.M.Gawrylczyk 5
C. Podstawowe układy pracy wzmacniacza szerokopasmowego I. Wzmacniacz ró nicowy (OC-OB) W układzie tym tranzystor T 1 pracuje jako wtórnik emiterowy, a tranzystor T 2 jako układ ze wspóln baz. Spadek napi cia na wspólnym rezystorze emiterowym jest napi ciem wyj ciowym wtórnika i jednocze nie napi ciem wej ciowym układu OB. Sumaryczna pojemno wej ciowa takiego układu jest bardzo mała, gdy pojemno wej ciowa samego wtórnika (C be ) jest nieznaczna, Jednocze nie układ OC ma bardzo mał rezystancj wyj ciow i z mał pojemno ci wej ciow stopnia OB tworzy filtr dolnoprzepustowy o znacznej cz stotliwo ci granicznej. Układ ten ł czy wi c zalety wtórnika emiterowego i układu OB, czyli ma: du rezystancj wej ciow, szerokie pasmo przenoszenia, du e wzmocnienie napi ciowe i pr dowe. Jednocze nie, jako wzmacniacz ró nicowy, charakteryzuje si małym dryftem temperaturowym punktu pracy. K.M.Gawrylczyk 6
Wzmacniacz rór nicowy OC-OB OB K.M.Gawrylczyk 7
II. Wzmacniacz w układzie kaskody Układ kaskody, utworzony jest przez stopnie wzmacniaj ce OE i OB. Cech kaskody jest poł czenie, w którym jeden z tranzystorów stanowi obci enie drugiego. Tranzystor T 1 pracuje w układzie ze wspólnym emiterem. Funkcje rezystora kolektorowego pełni tranzystor T 2, pracuj cy w układzie ze wspóln baz. Oba tranzystory maj i wspólny pr d kolektora i podobnie zrealizowan polaryzacj bazy. Dla sygnału zmiennego kondensator C b zwiera baz tranzystora T 2 do masy, co jest warunkiem pracy w układzie OB. Jednocze nie jest zwierany dzielnik rezystancyjny R b3, R b4, co go eliminuje z układu dla składowej zmiennej. Analiza schematu dla pr du zmiennego wykazuje, e obci enie tranzystora T 1 stanowi rezystancja wej ciowa układu OB, przyjmuj ca niewielk warto. W efekcie wzmocnienie napi ciowe stopnia OE jest niewielkie i nie wyst puje zwielokrotnienie pojemno ci wej ciowej. Jednocze nie stopie ten zachowuje nie zmienione wzmocnienie pr dowe i rezystancj wej ciow. Rol wzmacniacza napi cia przejmuje stopie OB, którego OE wzmocnienie napi ciowe przyjmuje tak warto jak dla układu. Zatem kaskoda jest wzmacniaczem ł cz cym najlepsze cechy układów OE i OB, tzn. du e wzmocnienie napi ciowe, du e wzmocnienie mocy, szerokie pasmo przenoszenia i rezystancj wej ciow typow dla wzmacniacza OE. K.M.Gawrylczyk 8
Wzmacniacz w układzie kaskody K.M.Gawrylczyk 9
Korekcja charakterystyki cz stotliwo ciowej I. Korekcja górnej g cz stotliwo ci granicznej. Aby zwi kszy górn cz stotliwo graniczn stosuje si : układy z korekcj w kolektorze, układy z korekcj w bazie lub układy z ujemnym sprz eniem zwrotnym. W układzie z korekcj w kolektorze malej ca ze wzrostem cz stotliwo ci wydajno ródła a pr dowego jest rekompensowana zwi kszaj c si ze wzrostem cz stotliwo ci impedancj widzian z zacisków w kolektora tranzystora. K.M.Gawrylczyk 10
Korekcja charakterystyki cz stotliwo ciowej Przy wła ciwie dobranej stałej czasowej układu korekcyjnego (τ = L/R c ) uzyskuje si najszersze pasmo przenoszenia (krzywa 2) bez konieczno ci zwi kszania wzmocnienia układu powy ej warto ci k u0. Krzywa 1 odpowiada charakterystyce wzmacniacza bez korekcji, krzywa 3 zbyt małej warto ci stałej czasowej (niedokompensowanie), krzywa 4 zbyt du ej warto ci stałej czasowej (przekompensowanie). K.M.Gawrylczyk 11
Korekcja w bazie polega na tym, e w stopniu wzmacniaj cym rezystory polaryzuj ce baz tranzystora mo na zast pi impedancj Z B której warto b dzie si zwi kszała wraz ze wzrostem cz stotliwo ci. W wyniku tego zmniejszanie si impedancji baza-emiter (wskutek wzrostu cz stotliwo ci sygnału wej ciowego) jest kompensowane zwi kszeniem warto ci impedancji Z B. Uzyskuje si stał warto impedancji wej ciowej, czyli stał warto napi cia steruj cego oraz zwi kszenie górnej cz stotliwo ci granicznej wzmacniacza. K.M.Gawrylczyk 12
Inn mo liwo ci zwi kszenia górnej cz stotliwo ci granicznej wzmacniacza jest stosowanie układów z selektywnym ujemnym sprz eniem zwrotnym. Rozró nia si korekcj szeregow i równoległ. Układ korekcyjny zbudowany z elementów R t, C f (rys.4.5a) dla zakresu rednich cz stotliwo ci stanowi ujemne pr dowe sprz enie zwrotne (korekcja szeregowa w obwodzie sprz enia zwrotnego). Zmniejszenie wzmocnienia tranzystora jest kompensowane słabszym ujemnym sprz eniem zwrotnym, a co za tym idzie wzmocnienie całego układu pozostaje na stałym poziomie. Układy z szeregow korekcj sprz enia zwrotnego s powszechnie stosowane w układach scalonych, ze wzgl du na niewielkie warto ci pojemno ci C f. Sprz enie zwrotne w układach z korekcj równoległ (rys.4.5b) jest realizowane za pomoc elementów R f i L f. Impedancja Z f dodaje si do impedancji wej ciowej wzmacniacza (równoległe doł czenie dwójnika R f, L f ) i do impedancji obci aj cej kolektor tranzystora. Ze wzrostem cz stotliwo ci warto obu tych impedancji b dzie si zwi kszała. Wzmocnienie nie ulega zmianie przy wła ciwie dobranych warto ciach elementów R f, L f. K.M.Gawrylczyk 13
Korekcja charakterystyki cz stotliwo ciowej K.M.Gawrylczyk 14
2. Wzmacniacze selektywne Zadaniem wzmacniaczy selektywnych jest wydzielenie z sygnału wej ciowego składowych o cz stotliwo ci bliskiej cz stotliwo ci rodkowej f 0 (w interesuj cym nas pa mie) i wytłumienie pozostałych składowych sygnału. Wzmacniacze selektywne dzieli si na: wzmacniacze z selektywnym sprz eniem zwrotnym, nazywane filtrami aktywnymi lub amplifiltrami, oraz wzmacniacze rezonansowe. Głównym zastosowaniem wzmacniaczy selektywnych s urz dzenia odbiorcze (radiowe, telewizyjne, radarowe), analogowe systemy telekomunikacyjne, modemy, filtracja sygnałów pomiarowych. K.M.Gawrylczyk 15
Parametry wzmacniaczy selektywnych Selektywno : Selektywno ci wzmacniacza jest nazywana zdolno do tłumienia sygnałów o cz stotliwo ciach le cych poza pasmem przenoszenia, czyli: sygnałów niepo danych. Cz stotliwo rodkowa: Jest to cz stotliwo (f o ) przy której wzmacniacz selektywny posiada maksimum charakterystyki. Pasmo trzydecybelowe: Jest to przedział cz stotliwo ci w którym wzmocnienie wzmacniacza le y powy ej -3dB w stosunku do wzmocnienia przy cz stotliwo ci rodkowej f o Pasmo dwudziestodecybelowe: Jest to zakres cz stotliwo ci, w którym wzmocnienie wzmacniacza nie zmalało poni ej -20dB w stosunku do wzmocnienia przy cz stotliwo ci rodkowej f o. K.M.Gawrylczyk 16
współczynnik prostok tno ci: Jest miar selektywno ci wzmacniacza. Współczynnik prostok tno ci wzmacniacza o idealnej charakterystyce amplitudowej byłby równy jedno ci. Im współczynnik p jest wi kszy, tym wzmacniacz jest bardziej selektywny p = B 3dB /B 20dB dobro Q: Od parametru tego zale ne jest pasmo przenoszenia wzmacniacza. B 3dB =f 0 /Q K.M.Gawrylczyk 17
Tak wi c niemo liwe jest zbudowanie wzmacniacza selektywnego o du ej selektywno ci z układów o małej dobroci. Warto dobroci wzmacniacza decyduje o kształcie jego charakterystyki cz stotliwo ciowej. Przy wi kszej dobroci charakterystyka jest w sza - wzmacniacz ma wi ksz selektywno. K.M.Gawrylczyk 18
Filtry aktywne W zakresie małych cz stotliwo ci wykorzystuje si wzmacniacze selektywne RC. Składaj si one ze wzmacniacza operacyjnego oraz obwodu selektywnego RC, który tworzy gał sprz enia zwrotnego. Stosowane tam czwórniki RC w zale no ci od struktury dzieli si na: drabinkowe, typu T, podwójne T, mostkowe (najcz ciej jako mostek Wiena). Poniewa filtry pasywne RC charakteryzuj si niezadowalaj cymi parametrami, wynikaj cymi ze zbyt małej stromo ci charakterystyk cz stotliwo ciowych, wi c rozbudowuje si je o element wzmacniaj cy (wzmacniacz operacyjny), tworz c filtry aktywne. W układach małej cz stotliwo ci nie stosuje si obwodów LC, ze wzgl du na du e warto ci indukcyjno ci, jakie musiałyby mie cewki, a wi c znaczne wymiary geometryczne. Dodatkowym problemem s trudno ci ze scalaniem układów zawieraj cych indukcyjno ci. Zakres cz stotliwo ci, w którym s wykorzystywane filtry RC, nie wykracza zazwyczaj poza pasmo akustyczne. K.M.Gawrylczyk 19
Filtr aktywny podwójne T Obwód sprz enia podwójne T jest układem rodkowo-zaporowym. Zbudowany jest z dwóch poł czonych równolegle czwórników typu T, z których jeden stanowi filtr górnoprzepustowy, a drugi dolnoprzepustowy. Wypadkowa charakterystyka amplitudowa obu filtrów ma bardzo korzystny kształt, zapewniaj cy silne tłumienie dla cz stotliwo ci rodkowej i przekazywanie niemal całego napi cia na wyj cie przy cz stotliwo ciach odległych od rodkowej. Je eli obwód o takiej charakterystyce amplitudowej zostanie wł czony w p tl ujemnego sprz enia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego, to powstanie aktywny filtr rodkowo-przepustowy (filtr aktywny). K.M.Gawrylczyk 20
Charakterystyka amplitudowa i fazowa układu podwójne T K.M.Gawrylczyk 21
Wzmacniacze selektywne LC z obwodem rezonansowym Wzmacniacze selektywne wielkiej cz stotliwo ci, budowane jako układy z równoległym obwodem rezonansowym LC, s nazywane wzmacniaczami rezonansowymi. Impedancja zast pcza równoległego obwodu rezonansowego osi ga przy cz stotliwo ci rezonansowej f 0 maksymaln warto i ma wtedy charakter rezystancyjny (nie przesuwa fazy napi cia wzgl dem pr du). Je eli obwód taki zostanie umieszczony w kolektorze tranzystora w układzie OE, którego wzmocnienie jest wprost proporcjonalne do impedancji kolektora, to powstanie wzmacniacz o wzmocnieniu zale nym od cz stotliwo ci sygnału wej ciowego, czyli wzmacniacz selektywny. Dla sygnału zmiennego obwód rezonansowy jest wł czony równolegle do wyj cia wzmacniacza, gdy jeden zacisk obwodu jest przył czony do kolektora, a drugi zwarty do masy poprzez pomijalnie mał rezystancj wewn trzn zasilacza. W zwi zku z tym pojemno ci paso ytnicze, wyst puj ce w układzie, przył czaj si do obwodu rezonansowego i nie powoduj tłumienia sygnału. Warto wzmocnienia wzmacniacza jest zale na od jego rezystancji wyj ciowej. W stopniu OE warto rezystancji wyj ciowej, a wi c tak e wzmocnienia, zale y od rezystancji kolektora. K.M.Gawrylczyk 22
Drugi, równoległy element obwodu wyj ciowego - dynamiczna rezystancja wyj ciowa tranzystora ma znaczn warto. Jednak w obwodzie selektywnym LC impedancja zast pcza poł czenia równoległego osi ga warto wi ksz ni rezystancja wyj ciowa tranzystora. Dlatego o zast pczej rezystancji wyj ciowej wzmacniacza rezonansowego decyduje du a rezystancja R CE tranzystora, rz du kilkudziesi ciu kω. Taki stopie wzmacniaj cy jest zazwyczaj sprz ony z nast pnym stopniem i wtedy pojawia si problem dopasowania impedancyjnego wzmacniaczy. K.M.Gawrylczyk 23
3. AKUSTYCZNE WZMACNIACZE MOCY K.M.Gawrylczyk 24
Budowa wzmacniacza mocy Sygnał wej ciowy jest podawany na wej cie wzmacniacza napi ciowego (m.cz.), z którego poprzez stopie steruj cy jest odprowadzany do stopnia wyj ciowego. Nast pnie sygnał podawany jest na odbiornik np. gło nik oraz poprzez p tle ujemnego sprz enia zwrotnego na wej cie wzmacniacza napi ciowego. Dzi ki sprz eniu zwrotnemu uzyskuje si stabilizacje punktów pracy tranzystorów a co za tym idzie zmniejszenie zniekształce nieliniowych. K.M.Gawrylczyk 25
Klasy pracy tranzystora W zale no ci od punktu pracy tranzystorów wzmacniacze mocy dzieli si na klasy: A, B, AB, C, T KLASA A - Sygnał wej ciowy podawany na dany stopie wzmacniaj cy jest tak dobrany, e przez tranzystor płynie pr d przez cały okres T sygnału steruj cego. Sprawno dla wzmacniaczy pracuj cych w klasie A wynosi max 50%. KLASA B - Sygnał wej ciowy podawany na dany stopie wzmacniaj cy jest taki, e tranzystor przewodzi pr d proporcjonalny do sygnału steruj cego tylko przez połow okresu T. Sprawno dla wzmacniaczy pracuj cych w klasie B wynosi ok.78,5%. KLASA AB - Sygnał wej ciowy podawany na dany stopie wzmacniaj cy powoduje, e tranzystor przewodzi pr d przez czas krótszy ni jeden okres T trwania sygnału steruj cego, ale dłu szy ni pół tego okresu. Klasa AB charakteryzuje si sprawno ci rz du 50-70% przy małych zniekształceniach (w porównaniu do B). KLASA C Punkt pracy jest tak dobrany, e tranzystor przewodzi pr d przez czas krótszy ni pół okresu T trwania sygnału steruj cego. KLASA T wzmacniacz klasy T jest procesorem sygnałowym steruj cym wyj ciowymi tranzystorami w sposób wyznaczony przez sygnał wej ciowy i sygnał sprz enia zwrotnego. Współczynnik zniekształce nieliniowych poni ej 0,08%, sprawno wynosi w granicach 70-90%, tym samym klasa T ł czy ze sob zalety klas A, AB, C K.M.Gawrylczyk 26
K.M.Gawrylczyk 27
Stopnie wyj ciowe dzielimy na : komplementarne quasi-komplementarne STOPNIE WYJ CIOWE Stopie komplementarny 2 równolegle poł czone wtórniki emiterowe pracuj ce na wspólne obci enie R 0 Ka dy z tranzystorów pracuje w klasie C. Dla małych sygnałów wej ciowych sygnał wyj ciowy jest równy zeru (tzw. strefa nieczuło ci ) oba tranzystory nie przewodz. K.M.Gawrylczyk 28
Szeroko strefy nieczuło ci mo na zredukowa na dwa sposoby : - stosuj c wzmacniacz operacyjny i silne ujemne sprz enie zwrotne K.M.Gawrylczyk 29
- zmieniaj c punkt pracy tranzystora przez wstawienie mi dzy bazy tranzystorów w diod, które b d utrzymywały y mi dzy nimi stałe e napi cie (wzmacniacz przeciwsobny) K.M.Gawrylczyk 30
Podstawowe układy tranzystorowe stosowane w stopniach mocy to układy Darlingtona: ich cech charakterystyczn jest du e wzmocnienie pr dowe K.M.Gawrylczyk 31
Układy quasi-komplementarne Układy te s niby-komplementarne, poniewa komplementarna jest tylko para steruj ca czyli T 1 i T 3 (w układach komplementarnych tranzystory steruj ce oraz tranzystory mocy s komplementarne), a tranzystory mocy T 2 i T 4 maj taki sam typ przewodnictwa. K.M.Gawrylczyk 32
PARAMETRY WZMACNIACZA MOCY Do podstawowych parametrów wzmacniacza mocy zaliczamy : - wzmocnienie mocy - moc wyj ciow mierzon w watach - współczynnik sprawno ci energetycznej jest definiowany jako stosunek mocy wydzielonej w obci eniu do mocy pobieranej z zasilacza i podawany w % - współczynnik zniekształce nieliniowych (współczynnik zawarto ci harmonicznych) jest miar zniekształce sygnału wyj ciowego przez wzmacniacz - pasmo przenoszonych cz stotliwo ci K.M.Gawrylczyk 33
CHARAKTERYSTYKI WZMACNIACZA MOCY Charakterystyka przej ciowa - moc wyj ciowa w funkcji napi cia wej ciowego: P 0 =f(u I ) przy R L =const P 0 2 U0 = = R L ( k U ) U R U P - napi cie przesterowania P 0n - moc znamionowa Charakterystyka zniekształce wzmacniacza mocy napi cie wyj ciowe w funkcji napi cia wej ciowego: U 0 =f(u I ) przy R L =const h współczynnik zniekształce nieliniowych L I 2 K.M.Gawrylczyk 34
Charakterystyka cz stotliwo ciowa i charakterystyka zniekształce Moc wyj ciowa w funkcji cz stotliwo ci P 0 = f(f) przy U I = const K.M.Gawrylczyk 35
Charakterystyka obci eniowa Zale no mocy wyj ciowej wzmacniacza od warto ci rezystancji obc. P 0 = f(r L ) przy U I = const P 0n - moc znamionowa R 0 - rezystancja wyj ciowa R opt - optymalna rezystancja obci akustycznych wynosi 4 8 ohm) h współczynnik zniekształce enia (dla wzmacniaczy nieliniowych K.M.Gawrylczyk 36
Charakterystyka energetyczna P z - moc pobrana z zasilacza P 0 - moc oddawana do obci enia P C - moc tracona w tranzystorach, P 0 = P z - P C K.M.Gawrylczyk 37
Wzmacniacz scalony Wzmacniacze scalone dzielimy ze wzgl du na wykonanie : - układy monolityczne,, których moc nie przekracza 30W, s wytwarzane w podło u z monokryształu u krzemu. Zwi kszenie mocy wyj ciowej odbywa si kosztem jako ci sygnału u wyj ciowego; - układy hybrydowe maj o wiele wi ksz moc (do 200 W) oraz wysok jako s wytwarzane w technice warstwowej, która jest znacznie dro sza od wytwarzania układ adów w monolitycznych. K.M.Gawrylczyk 38
Schemat scalonego wzmacniacza mocy TDA 2040 z zasilaniem symetrycznym K.M.Gawrylczyk 39