Wzmacniacze Klasyfikacja wzmacniaczy Wtórniki Wzmacniacz różnicowy Wzmacniacz operacyjny
Zasilanie Z i I we I wy E s M we Wzmacniacz wy Z L Masa Wzmacniacze 2
Podział wzmacniaczy na klasy Klasa A ηmax < 25%; ~ 15% Klasa AB Klasa B Klasa C ηmax < 78, 5% Zniekształcenia nieliniowe Wzmacniacze 3
Podział wzmacniaczy ze względu na zakres częstotliwości Selektywne Wzmocnienie Prądu stałego Foniczne Wizyjne Wielkiej częstotliwości f(hz) 0 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G 10G 100G Wzmacniacze 4
Podstawowe parametry wzmacniaczy 1. Wzmocnienie K, K I, K P K = wy Iwy ; K I ; I = we 2. Pasmo przenoszenia (BW) we K P = P P wy we Wzmocnienie [db] BW = f g f d 3dB f f d f g Wzmacniacze 5
3. Zniekształcenia Nieliniowe - amplitudowe (harmoniczne) h = 2 2 + 2 3 + - intermodulacyjne 1 2 4 +... Liniowe - zmiana kształtu sygnału po przejściu przez całkowicie liniowy wzmacniacz, np. spowolnienie narastania i opadania impulsów, zwis,... t r/f ~1/f g ; zwis~f d ( ω ω ) t + cos( ω + )t cosω1t cosω2t = cos 1 2 1 ω2 Wzmacniacze 6
4. Impedancja wejściowa Z i I we I wy Z = we I we we E s we Z we wy Z L 5. Impedancja wyjściowa Z i I we I wy Z wy = I wy Z wy Z L L = =0 E s we E wy Z wy wy Z L Wzmacniacze 7
Elementarny wzmacniacz tranzystorowy ze wspólnym emiterem C 1 β=100 I =0 CE0 =15V Zaś L C 2 L =3,5kΩ, =715kΩ, ωc= u 1 = 1 sinωt; 1 =20mV u 2 = - 2 sinωt 2 =? Wzmacniacze 8
I C 2mA ~4,29mA Zaś /L I C 2 g m K = = 280 2mA 1 t=0 1 =20mV 0,7V BE 8V 0 CC CE 2 = 5,6V 15V t t Wzmacniacze 9
K = g m L Syg. wej. BEsp zaś L Syg. wyj. Syg. wej. GSsp zaś L Syg. wyj. Syg. wej. GSsp zaś L Syg. wyj. Syg. wej. GSsp zaś L Syg. wyj. g m = I C BE SPP I C V SPP T g m = I D GS SPP ZN ( GS T ) SPP B SPP SPP SPP SPP Wzmacniacze 10
Wady podstawowej konfiguracji wzmacniacza ze wspólnym emiterem I B 1 C 75 o C B CC C C 2 25 o C -25 o C CC Wada kardynalna: niestałość punktu pracy 1. od zmian temperatury, 2. od rozrzutu parametrów. K BE h 21e BF214 T = g BE m g 90 330 2mV/ C = = I β ( T, Δparametrów) C B m V kt T q Wzmacniacze 11 f o βi = C
Wzmacniacz z wewnętrznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym CC 1 C B1 B2 C E C 2 K C E ( g 1) m E >> Wzmacniacze 12
Wtórnik emiterowy (bufor) CC C B1 C 2 1 1 B2 E 2 we r BB' + β g m + β E wy 1 g m + β i BW β BW BW >> WC WE WC BW WE Wzmacniacze 13
Wtórnik przeciwsobny + CC u we u wy t We Wy t L we r BB' + β g m + β L wy 1 g m + β i - CC Wzmacniacze 14
Wzmacniacz różnicowy + CC = K ( ) WY2 WY1 WE2 WE1 WY1 WY2 K = g m WE1 WE2 I ( ) WYwsp f WEwsp - CC Wzmacniacze 15
Monolityczny wzmacniacz mocy m.cz. 10μF _ + K f 130 o C Wzmacniacz prądu 470μF M 350mV Wzmacniacze 16
Parametry popularnych WMMCz Wzmocnienie napięciowe Moc wyjściowa przy h=10% Współczynnik zawartości harmonicznych (h) przy P wy =0,5W Nominalna rezystancja obciążenia ezystancja wejściowa Sprawność energetyczna przy max mocy wyjściowej 27...33dB 0,65...5W 0,3...0,5% 4 8 15 16Ω 6kΩ...5MΩ 45...70% Wzmacniacze 17
Wzmacniacze operacyjne (OPAMP) u 1 i 1 = 0 i 2 = 0 + CC u wy wzmacniacz operacyjny elektronik rozumie jako wzmacniacz operacyjny typu napięcie-napięcie (są jeszcze: OTA, OTA i CA) u 2 Masa - CC u wy = K ( u u ) 1 2 Idealny wzmacniacz operacyjny ma następujące cechy: nieskończenie wielkie wzmocnienie dla sygnału wejściowego różnicowego nieskończenie małe wzmocnienie dla sygnału wejściowego sumacyjnego nieskończenie wielką rezystancję wejściową nieskończenie małą rezystancję wyjściową nieskończenie szerokie pasmo wzmocnienia Wzmacniacze 18
Parametry wzm. operacyjnego (1) i 1 + zaś 1) óżnicowy sygnał wejściowy: u 1 i 2 u 2 Masa u + u wy - zaś we róż =u 1 -u 2 2) Współbieżny sygnał wejściowy: u1 + u 2 u we wsp = 2 1 u = u 1 1 = u we wsp 2 u we róż 2 we wsp 2 u we róż 3) Wzmocnienie różnicowe: K=u wy /u we róż =K o 4) Wzmocnienie syg. współbieżnego: K wsp =u wy /u we wsp Wzmacniacze 19
Parametry wzm. operacyjnego (2) 5) Współczynnik tłumienia sygnały współbieżnego: K o CM = 20lg K wsp 6) Współczynnik wpływu zasilania: PS = (stosunek równoważnych zmian wejściowego napięcia różnicowego do zmian napięcia zasilania) 7) Prąd wejściowy (polaryzacji): i1 + i pol = 2 i 2 i 1 i 2 1 K o u wy zaś Wzmacniacze 20
Charakterystyka przenoszenia i transmitancja operatorowa WO + zaś u wy [V] u 1 -u 2 [μv] - zaś 0-20 -40-60 -80 K K ( jω) 0 K ( jω) [db] 8) Napięcie niezrównoważenia: K0 ω 1+ j ω g u off u wy = 0-20dB/dekadę Wzmacniacze 21 ω ω g 0,01 0,1 1 10 100 1000 1000
Parametry popularnych WO Wzmocnienie różnicowe K 0 80-120dB Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego 65-110dB Współczynnik wpływu zasilania 10-3000μV/V Prąd polaryzacji 0,1nA-10μA Napięcie niezrównoważenia 75μV-50mV Temperaturowy współczynnik napięcia niezrównoważenia 1-100μV/K Częstotliwość graniczna (3dB) 5Hz-1,5MHz Szybkość narastania odpowiedzi jednostkowej 0,5-360V/μs óżnicowa rezystancja wejściowa 40k-100GΩ ezystancja wyjściowa 50-200Ω Wzmacniacze 22
Wzmacniacz odwracający Wykorzystując te idealne cechy można w łatwy sposób analizować działanie układów opartych o wzmacniacze operacyjne. Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na wejściu OPA oraz napięcia na 2 : Wstawiając (3) do (2), a następnie do (1) otrzymuje się: V o = -V 1-2 (V i + V 1 )/ 1 (4) Wiadomo, że: V o = A V 1 (5) Więc: V 1 = V o /A (6) V o = -V 1 + i 2 2 (1) Wejście wzmacniacza nie pobiera prądu więc: i 2 = -i 1 (2) Prąd i 1 wyznaczymy następująco: i 1 = [V i - (-V 1 )]/ 1 (3) Teraz należy wstawić (6) do (4): V o = -V o /A - 2 (V i + V o /A)/ 1 (7) Skoro A, to: V o =? (8) Wzmacniacze 23
Wzmacniacz nieodwracający Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na 1 oraz na 2 : Wstawiając (3) do (2), a następnie do (1) otrzymuje się: V o = (V i -V 1 ) ( 1 + 2 )/ 2 (4) Wiadomo, że: V o = A V 1 (5) Więc: V 1 = V o /A (6) V o = i 1 1 + i 2 2 (1) Wejście wzmacniacza nie pobiera prądu więc: i 2 = i 1 (2) Prąd i 2 wyznaczymy następująco: i 2 = (V i -V 1 )/ 2 (3) Teraz należy wstawić (6) do (4): V o = (V i -V o /A) ( 1 + 2 )/ 2 (7) Skoro A, to: V o =? (8) Wzmacniacze 24
Wtórnik napięcia u 1 (t) Δu u wy (t) u 1 u wy u 1 Δt t 9) Szybkość narastania odpowiedzi jednostkowej: Δu S = Δ t Wzmacniacze 25
Wzmacniacz różnicowy Napięcie V o jest sumą napięcia na wejściu OPA, napięcia na 1 i napiecia na 2 : V o = i 3 4 + (-V 1 ) + (-i 1 2 ) (1) Wejście wzmacniacza nie pobiera prądu więc i 3 wynosi: i 3 = V i2 /( 3 + 4 ) (2) Prąd i 1 wyznaczymy następująco: i 1 = (V i1 V o )/( 1 + 2 ) (3) Wstawiając (3) i (2) do (1) otrzymuje się: V o = V i2 4 /( 3 + 4 ) -V 1 -(V i1 -V o ) 2 /( 1 + 2 ) (4) Po reorganizacji: V o [1-2 /( 1 + 2 )] = V i2 4 /( 3 + 4 ) -V 1 -V i1 2 /( 1 + 2 ) (5) Przyjmując: V 1 = V o /A = (przy A ) = 0 (6) oraz symetryczne rezystory: 1 = 3 = A, 2 = 4 = B (7) napięcie wyjsciowe wynosi: V o = (V i2 -V i1 ) B / A Wzmacniacze 26
Integrator v o kład całkujący (ang. integrator) ( t ) = v ( 0) v () t x o 1 C t x 0 i dt Napięcie wyjściowe jest sumą napięcia na wejściu OPA oraz napięcia na C 1 : V o = -V 1 -i 1 (1/sC 1 ) (1) Przyjmijmy, że: V 1 = V o /A = (przy A ) = 0 (2) Prąd i 1 wyznaczymy następująco: i 1 = [V i - (-V 1 )]/ 1 = V i / 1 (3) Ostatecznie: V o = -V i /(sc 1 1 ) (4) Wzmacniacze 27
Wzmacniacz różniczkujący u 1 C V 0 i - 0 K i du u wy (t) = C ; i() t = dt i 1 u wy ( t) du dt () 1 u wy t C = Wzmacniacze 28
Wzmacniacz logarytmujący u 1 V 0 i - 0 K i u1 i = u wy ; i I s e u V wy T u wy V ln u 1 = T IS Wzmacniacze 29
Wzmacniacz delogarytmujący u 1 u wy u wy = I S e u 1 V T Wzmacniacze 30
Konwerter I/ i V 0 i - 0 K u wy u wy = i Wzmacniacze 31
Przesuwnik fazy ϕ( ωτ) -π u 1 C u wy -π/2 0 ωτ 0,1 1 10 100 1000 K jϕ( ω) ( jω) = K( ω) e K ( ω) = 1 τ = C Wzmacniacze 32
Komparator napięcia KN mają budowę bardzo podobną do + zaś WO. óżnią się mniejszym off, większym S oraz tym, że u wy w stanach ustalonych przyjmują u we wartości odpowiadające typowym poziomom logicznym wyjść układów cyfrowych: HO i LO. u wy [V] EF Masa - zaś u wy H L (u 1 - )[μv] Czas odpowiedzi: 10 200ns Wzmacniacze 33
Komparator napięcia z histerezą TH = EF F + F + HO + F u we F u wy V = przy u = + TH wy HO TL = EF F + F + LO + F EF V = przy u = + TL wy LO Wzmacniacze 34
Charakterystyka przenoszenia komparatora z histerezą u wy HO his his = + F ( ) HO LO LO u we TL EF TH Wzmacniacze 35
Komparator/komparator z histerezą u we his u wy komparatora prostego LO u wy komparatora z histerezą LO EF t HO t HO t Wzmacniacze 36