3. Zesilovače používané v elektronických systémech.

Z HPM wiki
Přejít na: navigace, hledání

Obsah

ZESILOVAČE

NPN a PNP (Bipolární) Tranzistory

P=volné místo pro elektrony(více protonů)

N=má více elektronů

Bipolární tranzistor nazýváme tak proto, že se v jeho funkci účastní nosiče náboje obou polarit.

NPN

Tranzistor.gif

Bez vnějšího zdroje elektrony z polovodiče typu N obsadí volné díry v polovodiči typu P→rekombinace

Po připojení vnějšího zdroje (0,7V) začneme odebírat elektrony na bázi a dojde k zmenšení hradlové vrstvy (polovodič typu P začne být vodivý)→elektrony začnou téct do kolektoru

PNP tranzistor funguje stejně jako NPN ale volné díry představujou elektrony.

JFET-Junction Field effect transistor (unipolární)

TYP N

JFET.jpg

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (unipolární)

TYP N

MOSFET.jpg

Charakteristika

mosfetinduk.jpg

Nízkofrekvenční zesilovače

•Zesilovač je elektronické zařízení, které je schopno transformací elektrické energie z vnějšího napájecího zdroje měnit parametry vstupního signálu. Z hlediska elektroniky bývá považován za aktivní dvojbran (dvě vstupní a dvě výstupní svorky), který je tvořen zesilovacím prvkem a pomocnými obvody zajišťující nastavení a stabilizaci pracovního bodu.

•Obvykle zesilovač slouží především k zesílení amplitudy signálu, nebo jeho úrovně (u stejnosměrných zesilovačů), na požadovanou hodnotu. Používá se ale i v zapojeních, kde je potřeba změnit tvar signálu.

•Zesílením rozumíme proces, kdy je analogovému nebo diskrétnímu signálu zvětšena amplituda. Zařízení, které signály zesiluje, se nazývá zesilovač.

•V elektrotechnice jsou nejčastěji zesilovány napěťové, proudové a optické signály. Mluvíme pak o zesilovačích napětí, proudu a o optických zesilovačích.

•Nízkofrekvenční signály jsou zpracovávány nízkofrekvenčními (nf) zesilovači, které nejčastěji nalezneme v oblasti audiotechniky.

•Zesilovat můžeme také výkon signálu. K tomu slouží tzv. výkonové zesilovače. Ty jsou nejčastěji tzv. koncovým prvkem a za nimi následují reproduktor (u nf. signálů), anténa (u vf. signálů) nebo další prvky, které je nutné budit dostatečným výkonem.

•Zesilovač ke své práci potřebuje zdroj pro napájení aktivních prvků.

Zapojení tranzistoru se společným emitorem

SE12.png

zvyšuje proud i napětí, napěťové zesílení větší než 1, proudové zesílení větší než 1, obrací fázi

Zapojení tranzistoru se společným kolektorem

SC.jpg

velké proudové zesílení(větší než 1), velký vstupní odpor, malý výstupní odpor, napěťové zesílení nepatrně menší než 1 (0,98, 0,99 apod.) - tj. téměř 1, neobrací fázi

Zapojení do kaskody (SE+SB)

Kaskoda1.png

Diferenční stupeň

Velké napěťové zesílení, zesiluje rozdílový signál nezi vstupy

DifZes1.png


Proudové zrcadlo

Proudové zrcadlo.png

Levý tranzistor řídící→pravý ho zrcadlí

Obecné rozdělení všech zesilovačů

o 1.1 Podle rozkmitu budicího signálu • malý rozkmit (změny obvodových veličin jsou tak malé, že je můžeme zanedbávat) • velký rozkmit (změny obvodových veličin jsou tak velké, že je nelze zanedbat)

o 1.2 Podle použitých aktivních součástek • elektronkové zesilovače • tranzistorové zesilovače

o 1.3 Podle druhu a kmitočtu vstupního signálu • nízkofrekvenční (20 Hz - 20 kHz. Použití v elektroakustických zařízeních) • vysokofrekvenční (20 kHz a výše. K bezdrátovému přenosu zpráv) • impulzové (Používá se tam, kde se pracuje s impulzy …. Televizní technika, PC, radiolokace) • stejnosměrné (podstatná součást měřicích a regulačních zařízení, analogových počítačů atp.) • mikrovlnné (řádově GHz) • operační zesilovač

o 1.4 Podle velikosti vstupního (budícího) signálu • předzesilovače - zesilují signály malé úrovně • výkonové zesilovače – zesilují signály z předzesilovačů na požadovaný výkon

o 1.5 Podle počtu stupňů • jednostupňové • vícestupňové

o 1.6 Podle šířky přenášeného (zesilovaného) kmitočtového pásma • úzkopásmové • širokopásmové

o 1.7 Podle vazby mezi zesilovacími stupni

o 1.8 Podle polohy klidového pracovního bodu

• 1.8.1 Třída A,B,AB,C,D,G,H

o 1.9 Podle zapojení tranzistorů

• se společným emitorem – SE

• se společnou bází – SB

• se společným kolektorem – SC


Druhy zesilovačů odle polohy klidového pracovního bodu

Třída A

V zesilovači třídy A pracují výstupní tranzistory stále v lineární části své charakteristiky. To má za následek zejména velmi malé zkreslení zesilovače, vysoký stálý příkon a nižší výstupní výkon. Mezi nevýhody patří zejména malá účinnost a přehřívání zesilovačů, s čímž souvisí i vyšší náchylnost ??? použitých součástek.

TřidaA.png

Třída B

U zesilovačů, pracujících ve třídě B, vedou výstupní tranzistory jen v rámci jedné půlperiody (180 °) časového průběhu vstupního signálu. Jinými slovy, k zesílení celého signálu budeme potřebovat dva prvky, jeden zpracuje kladné výstupní úrovně a druhý ty zbývající – záporné. Třída B sice vykazuje ve srovnání s předchozím případem mnohem větší účinnost, trpí však zásadním přechodovým zkreslením v oblasti, kde výstupní signál prochází nulou.

TřídaB.png

Třída AB

Spojením toho nejlepšího ze tříd A a B vznikne třída AB, kterou charakterizujeme

větší účinností (ve srovnání s třídou A), ale také

menším zkreslením (srovnáme – li s třídou B).

K zlepšení vede posun pracovního bodu obou tranzistorů tak, aby vedly i v oblasti minimálních amplitud, kde jinak výchozí třída B vykazuje nepříjemné nelinearity. V praxi to pak znamená aktivitu obou tranzistorů i v případě malých signálů (třída A).Při větších amplitudách je jeden z tranzistorů po část periody zcela uzavřen.

TřídaAB.png


Třída C

• stejnosměrné předpětí je záporné ⇒ zesiluje se pouze část kladné půlvlny

• výstupní signál má tvar plusů ⇒ velké zkreslení

• teoretická účinnost 100%, praktická 85% až 90%

Užití - vf obvody, např. vysílačů, zátěž je tvořena frekvenčně závislým rezonančním obvodem tlumícím signály jiných (nízkých) kmitočtů


Třída D

Zesilovače třídy D produkují pulsně zpracovaný signál s kmitočtem, výrazně přesahujícím nejvyšší složky, které ještě potřebujeme reprodukovat. Výhodou celé struktury je vysoká účinnost, která často přesáhne i 90 %, protože výstupní tranzistory jsou během své činnosti buď zcela sepnuty nebo úplně deaktivovány. Tímto způsobem naprosto vyloučíme účast lineární oblasti daného tranzistoru, která je příčinou nízké účinnosti zbylých metod.

TřídaD.png

Třída G

Třída G je velmi podobá zesilovacačům třídy AB, jen s rozdílem, že využívá dvě nebo i více napájecích hladin. Pokud potřebujeme zpracovat malé signálové úrovně, zesilovač zvolí nižší napájecí napětí. Porostou–li amplitudy, pomůže si celá struktura vyšší hladinou napájecího napětí. Zesilovače třídy G tak mohou ve srovnání s třídou AB promrhat méně drahocenné energie, protože maximální velikost napájecího napětí využijí jen v případě skutečné potřeby, zatímco zesilovače třídy AB poběží z plného napájení neustále.

TřídaG.png

Třída H

Zesilovače třídy H regulují své napájecí napětí s cílem minimalizovat napěťové úbytky na koncovém stupni. Praktické provedení pak zahrnuje větší počet diskrétních úrovní nebo dokonce plynule nastavitelnou velikost napájecího napětí. Ačkoli se na první pohled může velmi podobat způsobu, kterým snižuje výkonové ztráty třída G, nebudeme v případě třídy H nutně vyžadovat více napájecích zdrojů. Tento přístup je při obecném srovnání s jinými návrhy komplexnější, protože vyžaduje speciální struktury, kterými zajistí předvídatelnost změn i následné řízení napájení.

TřídaH.png

Základní parametry zesilovače

Zesílení

Je poměrová veličina a je definováno jako podíl výstupní a vstupní veličiny.

Napěťové zesílení

Napěťové zesílení Au je poměr hodnot výstupního (U2) a vstupního (U1) střídavého napětí zesilovače. Častěji se počítá se změnou hodnoty napětí (ΔU), případně proudu (ΔI). Potom změně vstupního napětí (ΔU1) odpovídá změna výstupního napětí (ΔU2). Napěťové zesílení bývá obvykle udáváno a měřeno jako zesílení otevřené smyčky. Pokud zesilovač obsahuje vnitřní zpětné vazby, popř. je určen výhradně pro funkci s definovaným zesílením, jsou měřeny i hodnoty zesílení uzavřené smyčky. Nízkofrekvenční zesilovač obvykle charakterizujeme modulem zesílení při středním kmitočtu f akustického pásma (f = 1kHz).

Napěťové zesílení

Napzes.png

Proudové zesílení

Proudzes.png

Výkonové zesílení

Vykonzes.png

Vyjádření zesílení v dB

Vzorec au.gif

Dalšími parametry jsou:

Nelineární zkreslení

Nelineární zkreslení určuje, do jaké míry je průběh výstupního signálu přesně lineárně zvětšeným obrazem vstupního signálu. Nelineární zkreslení, např. zvukových (nízkofrekvenčních) zesilovačů, bývá v rozmezí 0,1 až 5 %. Zkreslení větší než 1 % lze rozeznat sluchem. Zesilovače třídy Hi-Fi mají povoleno zkreslení maximálně 0,5 %.

Harmonické zkreslení

Harmonické zkreslení je poměr efektivní hodnoty napětí všech harmonických složek výstupního napětí zesilovače bez složky první harmonické k efektivní hodnotě celkového výstupního napětí. Harmonické zkreslení je měřítkem linearity zesilovače a určuje použitelný dynamický rozsah zesilovače při jeho plném vybuzení.

Vysokofrekvenční zesilovače

Vysokofrekvenční zesilovače jsou obecně zesilovače, které zesilují relativně vysoké kmitočty (nad 1MHz→vysokofrekvenční).

Vysokofrekvenční zesilovače dělíme na:

úzkopásmové(využívají laděných obvodů a zesilovače v třídě A)

širokopásmové

Zesilovač třídy A s laděním pomocí RC a LC členů

Sp pren.gif


Zapojení tranzistoru se společnou bází

SB.gif

obvykle nejméně používané zapojení, využívané jen pro vf zapojení, velké Au, Ai asi 1(0,99), vstupem je E (emitor), obvykle ho využíváme jako koskódu ve spojení s SC (společný kolektor), neobrací fázi


Třída C

Pracovní bod C se pohybuje v aktivní oblasti po mnohem kratší dobu než je 180º a nachází se na „prodloužené“ převodní charakteristice.

Vzniklé zkreslení není překážkou , jestliže je v kolektoru VF rezonanční obvod.

Zesilovač vyžaduje větší budící signál, ale zároveň pracuje s nejvyšší účinností.

Mezifrekvenční zesilovač pro AM aF M pásmo

IMG 20210401 203457.jpg

nějaká zákl. zapojení, principy...?

Operační zesilovače

Operační zesilovač je součástka, která byla původně vyvinuta pro realizaci matematických operací v analogových počítačích. Základní OZ má tyto vývody: • kladný (neinvertující) vstup • záporný (invertující) vstup – otáčí fázi • výstup • dva napájecí vývody, které se ve schématu většinou nekreslí

Stavba - Diferenční vstupní zesilovač má velký vstupní odpor. Za vstupním zesilovacím stupněm následuje jeden nebo několik středních zesilovacích stupňů, které zajišťují napěťové i proudové zesílení. Postupné napěťové zesílení je nutné pro zabezpečení velkého zesílení operačního zesilovače, proudové zesílení je potřebné pro činnost jeho koncového stupně, který má malý výstupní odpor.

Vlastnosti ideálního operačního zesilovače: • nekonečně velké zesílení • nekonečně velký vstupní odpor • nulový výstupní odpor • nekonečně široké zesilované kmitočtové pásmo • nulový vlastní šum a zkreslení

Vlastnosti reálného operačního zesilovače: • blíží se vlastnostem ideálního OZ • napěťové zesílení dosahuje hodnot 10^4 - 10^7 • vstupní odpor (při použití tranzistoru FET na vstupu OZ) dosahuje hodnot až 10^14 Ω • výstupní odpor je malý o hodnotách desítek Ω - až po zavedení záporné zpětné vazby v mΩ • kmitočtový rozsah sahá od zesilování stejnosměrných změn napětí až do desítek MHz • vlastní šum a zkreslení OZ je malé

Schéma OP zes.

OPzes.png


Komparátor

Zvolili jste si sem nejkomplikovanější zapojení komparátoru... Analogový komparátor se používá k porovnání dvou nebo více analogových napětí. Jedno z nich je obvykle konstantní, referenční Er a druhá napětí jsou vstupní proměnné (E1 až En ). Komparátor zjišťuje, zda součet napětí je větší nebo menší než referenční napětí Er; jinými slovy je-li algebraický součet porovnávaných napětí menší nebo větší než nula. Zjištěný stav se vyjadřuje na výstupu ve dvou úrovních napětí:Při Es<Er je na výstupu jedna úroveň signálu a při Es>Er úroveň druhá. Jestliže přisoudíme jedné úrovni signálu hodnotu 0 a druhé hodnotu 1, pak je výstup vyjádřen ve dvojkové soustavě.

Komparator.gif

Hystereze, vznikne, jestliže zapojíme do obvodu neinvertujícího vstupu kladnou zpětnou vazbu. Hystereze tzv.pásmo nečitelnosti(znázorněné přerušovanou modrou čarou v grafu) brání četnému překlápění.

Hystereze.gif

444.gif

takto by vypadal graf komparátoru s hysterezí


Invertující zesilovač

Invert.gif

a) Zapojení invertujícího zesilovače. R1 je vstupní odpor, Rzp je zpětnovazební odpor a RL je výstupní odpor.

b) Rozložení napětí a proudů u invertujícího zesilovače.

Pracuje tak, že signál přichází do invertujícího vstupu (-), zatímco druhý neinvertující vstup (+) je uzeměn. K výstupu je připojena jednak zátěž RL proti zemi a dále zpětnovazebný odpor RZP. Vstupní signál prochází odporem R1, který svou velikostí zároveň určuje vstupní odpor, kterým se invertující zesilovač projevuje.

Připojíme-li na vstup napětí U1 rozloží se celé na odporu R1. A protože na invertujícím vstupu je uzel s nulovým napětím, tzv. virtuální zem, začne obvodem téci proud I1. Do invertujícího vstupu teče proud také zpětnovazebním odporem RZP.

Výstupní napětí U0 je přímo úměrné výstupnímu napětí U1 a zpětnovazebnímu odporu RZP. Nepřímo úměrné je vstupnímu odporu R1. Čím větší bude zpětnovazební odpor a čím menší vstupní odpor, tím bude větší zesílení na výstupu. Záporné znaménko na pravé straně znamená, že zvětšující se kladné napětí na invertujícím vstupu vyvolá zvětšující se záporné napětí na výstupu. Přivedeme-li na vstup střídavý signál, pak signál na výstupu je posunut o 180°.

Zesílení:

Au.jpg


Neinvertující zesilovač

Neinvertor.gif


a) Základní zapojení neinvertujícího zesilovače.

b) Neinvertující zesilovač jako sledovač, impedanční převodník.

U neinvertujícího zesilovače je neinvertující vstup připojen k odporovému děliči, tvořenému vstupním odporem R1 a zpětnovazebným odporem RZP. Invertující vstup je připojen k vstupnímu napětí. Zesílení u neinvertujícího zesilovače je o 1 větší než u invertujícího, rozdíl je ale v polaritě napětí. Napětí je dáno vztahem:

Au2.jpg

I v tomto případě je rozhodující poměr zpětnovazebního a vstupního odporu, ale zvětšený o jedničku. Díky této jedničce nemůže být nikdy výraz v závorce menší než jedna, a proto ani zesílení nemůže být záporné.

Nejdůležitější vlasností neinvertujícího zesilovače je vysoký vstupní odpor. Neinvertující zesilovač je dokonale souměrný a pracuje se stejnosměrným i střídavým napětím. Protože oba vstupy jsou na úrovni vstupního signálu (nikoliv na nulové úrovni), musíme dbát o co nejlepší potlačení součtového signálu, označovaného jako CMR. Přičemž součtovým napětím rozumíme část napětí, která je společná oběma vstupům. Projevuje se jako zdroj chybového napětí a zhoršuje linearitu přenosu.

Integrátor

Integrator1.jpg

Vytváří na výstupu integrál vstupního napětí nebo proudu, pro konstantní vstupní napětí je průběh na výstupu lineárně stoupající nebo invertující

Integrál.png

Integrál=plocha pod křivkou

Plocha pod křivkou.png

Osobní nástroje
Jmenné prostory
Varianty
Akce
Navigace
Nástroje