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
Cele wykładu Celem wykładu jest przedstawienie: układów wzmacniaczy podstawowych parametrów wzmacniaczy wpływu sprzęŝenia zwrotnego na parametry wzmacniacza przykładów zastosowań
Zastosowanie BJT jako elementu wykonawczego
Zastosowanie BJT w układach wzmacniaczy
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..
Podział wzmacniaczy na klasy: A, AB, B, C, D ηmax < 25%; ~ 15% ηmax < 78, 5% Zniekształcenia nieliniowe η max < 95% Małe zniekształcenia
Wzmacniacz klasy D
Ustalanie punktu pracy = polaryzacja stałoprądowa
Wzmacnianie np. sygnału sin
Współczynnik wzmocnienia
Wzmacniacz WE współczynnik wzmocnienia
Jak uŝyć wzmacniacza sygnałów zmiennych?
Jak uŝyć wzmacniacza sygnałów zmiennych?
Jak uŝyć wzmacniacza sygnałów zmiennych? Poszukiwanie źródła
Układ wzmacniacza sygnałów zmiennych WE
Poszukiwanie schematu zastępczego
Schemat zastępczy tranzystora
Obwód wejściowy schematu zastępczego
Obwód wyjściowy schematu zastępczego
Uwzględnienie efektu Earley ego
Schemat zastępczy tranzystora BJT
Schemat zastępczy wzmacniacza?
Schemat zastępczy wzmacniacza?
Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego
Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego
Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego
Schemat zastępczy wzmacniacza dla sygnału zmiennego
Wzmacniacz dla małych obciąŝeń
Wzmocnienie przy duŝych obciąŝeniach
Wtórnik emiterowy
Model małosygnałowy wtórnika emiterowego
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 1 0 0 P [ db] lg K [ 1] K = 10 100 1000 20 P 10 000 10 20 30 40 20 40 60 80 100 000 50 100 1000 000 60 120
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
Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza RC k u db Zakresy częstotliwości małych średnich duŝych k uo 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 f [ log]
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.
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
Zwierciadło prądowe
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
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
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
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.
Wzmacniacz w konfiguracji wspólnego drenu: schemat ideowy.
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)
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.
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).
Wzmacniacz róŝnicowy sterowany róŝnicowo róŝnicowe podłączenie źródeł sygnału
Wzmacniacz róŝnicowy sterowany sumacyjnie sumacyjne podłączenie źródeł sygnału
( ) 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 11 21 21 11 21 11 21 2 21 2 1 21 1 2 11 2 1 11 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2,,,, = = + + = = = = + = + = + + = = Common Mode Rejectin Ratio Wzmocnienie róŝnicowe i sumacyjne
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 6 2 5 10 100 6 CMRR = = 10 = 120 db 3 10 n n[ db] = 20log10 ku 1020 = ku
Wzmacniacz róŝnicowy ze źródłem prądowym
Wzmacniacz róŝnicowy z obciąŝeniem aktywnym