ZOSILŇOVAČ S BIPOLÁRNYM TRANZISTOROM

Transcript

1 ZOSILŇOVAČ S BIPOLÁNYM TANZISTOOM Zoslnene sgnálu potrebné v rádovej, televíznej technke, telekomunkácách, nformačnej technke, v automatzačnej technke, atď. Všeobecne de o zvýšene úrovne vstupného elektrckého sgnálu na výstupe obvodu. Môže ísť zároveň aj o výkonové zoslnene (výkonové zoslňovače). 1

2 Prevodová charakterstka deálneho zoslňovača A, všeobecne je zoslnene u o u o Sklon A Sklon A u u Nenvertujúc, A>0 Invertujúc, A<0 2

3 Sínusový sgnál P snωt u A2, nenvertujúc, u a u o sú vo fáze T t u o P T1/f t T 3

4 Požadavky na zoslňovače sú rôzne, závsa hlavne od oblast použta (jednosmerné, nf a vf zoslňovače, lneárne a nelneárne zoslňovače, spínace zoslňovače, atď. Základným prvkom zoslňovača môže byť: a/ bpolárny tranzstor b/ unpolárny tranzstor 4

5 A u f (f) A u l o / l A o 0,707A o nf Zoslnene ako funkca frekvence A o zoslnene pre stredné frekvence. f c1 Šírka pásma Stredné frekvence C c,c S,C G Väzbové kondenzátory na vstupoch. f c1,f c2 medzná frekvenca,pr ktorej poklesne výstupný výkon na polovcu. nf 100Hz mdband vf 0, Paraztné kapacty obvodu f f(hz) c2 log. merka vf 100kHz 5

6 Zoslnene ako funkca frekvence Zoslnene pre pramu väzbu medz zoslňovačm (OZ). Ne sú prítomné väzbové kondenzátory. A u l o / l Šírka pásma 0, A o f c2 f(hz) log. merka 6

7 Obecné zapojene zoslňovača napäta, lneárny mode bez C a L G G I I o Lneárny zoslňovač o G o L Zdroj sgnálu A o A ou, A o, A op zoslnene /I vstupný odpor o výstupný odpor G - vnútorný odpor zdroja L záťaž - reproduktor, atď L a G redukujú zoslnene, snaha G a L 7

8 Zoslnene medz a o A o o Pre stredné frekvence Zoslnene medz G a o A og o G V prípade deálneho zdroja, G 0, G a bez záťaže, je zoslnene: A o o G A og 8

9 Ak uvažujeme G a L : Na vstupe G + G G Napäťový delč Na výstupe L o L L + o A o 9

10 10 Vzťah medz o a G (dosadím za do o ): G G o o L L o A + + o L L o G G o og A A + + Zoslnene uvažujúce zdroj a záťaž:

11 11 o L L o G G o og A A + + G + o L L + Vstup Výstup Ideálne ak G 0 Ideálne ak L Faktory vstupu a výstupu

12 V prípade akejkoľvek konfguráce zoslňovača platí: A ol A o L + L o A og A ol + G A Ak G 0 A ol A og og A ol A o sa dá pramo merať, ale A og len cez G a to je v zdroj a nedá sa pramo merať. 12

13 Príklad: Chceme zoslnť stredavý sgnál na vstupe u G (t)1mvsn(2π1khz t), G 1kΩ Do odporovej záťaže L 1kΩ Parametre zoslňovača: 10kΩ, o 100Ω, A ou 100 G G u G + + u u o L o Lneárny zoslňovač A ou u 13

14 Na vstupe G u ug + G 0,91 Na výstupe u L A u 91 L o ou + Celkové zoslnene: A og u u o G u u G u u o L + G o A ou L L + o 82,81 14

15 Ideálny zoslňovač Ideálny zoslňovač neskresľuje vstupný sgnál. Malý vstupný sgnál, väčšnou stredavý, je zároveň radac sgnál pre zoslňovač a spôsobuje, že výkon z jednosmerného zdroja je konvertovaný na výstupný sgnál bez skreslena. 15

16 Ideálny zoslňovač L G 0 o 0 Kedy bude maxmálne zoslnene A og? Keď A og A o A og o G + G A o L L + o 16

17 ak 1 Ak G 0, preto >> G + G L 1 azároveň + L o Ak L, preto o << L 17

18 Vacstupňový zoslňovač Mnmálne dva stupne. Ak neuvažujeme G a L deálny zoslňovač. A o1 A o2 G G o , 2, o1 o1 o2 o2 o2 o G 1 1 A o A o2 2 o2 1 G Model, náhradný obvod 18

19 Napäťový delč: o1 A o A o1 + G o1 o1 o2 G 1 1 A o A o2 2 o 1 G model 19

20 o A o2 2 za 2 dosadím o A o A o1 o1 G o1 o2 G 1 1 A o A o2 2 o 1 G model 20

21 A og o G Za o dosadím A og o G A 2 A o1 o2 + 2 o 1 A A väzbový faktor og x väzbový faktor x o1 A o2 Väz.fakt. - napäťový delč zahrňujúc 2 a o1 21

22 Ak 2 >> o1 Všeobecne platí pre väzby stupňov zoslňovača: Ak vstupný odpor daného stupňa zoslňovača je omnoho väčší ako výstupný odpor stupňa, ktorý ho napája, potom celkové zoslnene je dané súčnom zoslnení jednotlvých stupňov zoslňovača. A og A A o1 o2 Ak 2 >>100 o1, chyba je okolo 1% 22

23 eálny zoslňovač: G G G A o1 A o2 1 o1 2 o2 L o A og o G vstupný faktor x A o1 x väzbový faktor x A o2 x výstupný faktor 23

24 vstupný faktor väzbový faktor G o1 výstupný faktor L + L o2 24

25 Vstupný faktor a výstupný faktor je vždy len jeden pre akýkoľvek počet stupňov zoslňovača, väzbových faktorov je však vždy (n-1), prčom n je počet stupňov zoslňovača. 25

26 Lneárny nf zoslňovač Zoslňovač s bpolárnym tranzstorom, v zapojení so spoločným emtorom (BJT- Bpolar Juncton Transstor). Pracovný bod tranzstora Všeobecne platí pre BJT, že malým vstupným (pr SE- bázovým) prúdom ovládame veľký výstupný (pr SE - kolektorový ) prúd. 26

27 Základné zapojene bpolárneho tranzstora NPN v zapojení SE budeného prúdom do bázy vstup BE I B C I C T C výstup CE C -zaťažovací odpor,treba ho navrhnúť! + CC Neuvažujeme E! Pracovný kolektorový prúd je väčšnou známy! C I C C CC C + CE I C CC C CE C 27

28 Prpojme na vstup BJT zdroj stredavého prúdu (sínusový tvar). I C Prevodová charakterstka di C t 0 I B Výstupný sgnál je značne skreslený! t di B Dôvodom skreslena je nulový kľudový prúd bázy, I B 0. Tranzstor otvára len pr 28 kladnej polvlne I B.

29 Teraz superponujme vstupný stredavý sínusový sgnál na jednosmerný kľudový prúd bázy, I B 0 (pracovný bod). I C I B 0 di C t 0 I B Výstupný sgnál je neskreslený t di B 29

30 Jednosmerný kľudový prúd môžeme zabezpečť napäťovým delčom v báze a napájacím napätím CC. Aký veľký má byť tento kľudový prúd? 30

31 Odpoveď dá sústava výstupných charakterstík BJT spolu so zaťažovacou charakterstkou (voľba C ). I C CC / C -1/ C C 0 Odporové pramky, (zaťažovace pramky) určujú súvslosť medz I C a CE C I C CC C CE C 0 CC CE 31

32 Ak chceme vedeť súvslosť medz vstupným a výstupným velčnam musíme poznať aj výstupné kolektorové charakterstky tranzstora. Zaťažovacu charakterstku zakreslíme do sústavy výstupných kolektorových charakterstík. 32

33 I C CC / C 30mA Príklad: (ma) I C KC 508 CC 12V C 400Ω CC P tot 300mW C CE C I CQ 15 Q I B 50µA alebo BE 0,68V I B 0 CEQ 6V I CQ 15mA 6 CEQ PI CQ CEQ 90mW CC 12V P<P tot CE (V) 33

34 Na zaťažovacej pramke môžeme v ľubovoľnom presečníku s výstupným charakterstkam s parametrom I B určť pracovný bod Q, t.j. kľudové hodnoty, jsm. hodnoty CEQ a I CQ. Pretože de o zoslňovač stredavého napäta, budený sínusovým sgnálom, musí byť zaručené, že budú zoslnené kladné aj záporné vstupné sgnálové zmeny. 34

35 Preto sa poloha pracovného bodu Q volí do stredu pracovnej oblast. Voľbu treba zvolť aj vzhľadom na požadavky rozkmtu výstupného sgnálu, k tomu zvolť typ tranzstora, veľkosť napájaceho napäta a kolektorového odporu. Katalóg často udáva aj hodnoty I a v pracovnom bode. Zoslňovač bude pracovať v trede A ak neskresľuje výstupný sgnál vzhľadom na vstupný sgnál. Hovoríme tež o lneárnom zoslňovač. 35

36 Návrh napäťového delča Pracovný bod významne závsí od β tranzstora a táto sa môže značne menť od jej typckej hodnoty. Preto je snaha navrhnúť taký obvod pre nastavene predpäta tranzstora,aby tento nebol závslý od parametrov tranzstora. ešením je práve nastavene kľudových hodnôt napäta a prúdu pomocou napäťového delča na vstupe tranzstora (známe aj ako mostíkové zapojene),( CC, 1, 2 ). Slúž na vytvorene bázového kľudového prúdu, na ktorý je superponovaný stredavý vstupný sgnál, ktorý chceme zoslnť. 36

37 Návrh napäťového delča + CC C C 1 1 I C I I 1 I B T + CC I 2 BE o CE 2 2 Dôležtá podmenka: prúd cez delč (I 1,I 2 ) musí byť omnoho väčší, ako bázový prúd I B tranzstora. 37

38 Návrh napäťového delča Neuvažujeme zdroj G a L. Mostíkové zapojene. + CC Zásady: 1 C 1 I C C I 2 (5-10) I B BE 2 0,7V I I 1 I 2 2 I B BE 2 T o CE + CC I BE I 1 I 2 +I B I ,1r BE C I C C 1 CC - BE 38 CC 1 + 2

39 I 2 10 I B 10. 0,05mA0,5mA BE 2 0,68V 2 2 /I 2 0,68V/0,5mA1,360kΩ 1 CC - BE 12V-0,68V11,32V I 1 I 2 +I B 0,5mA+0,05mA0,55mA 1 1 /I 1 11,3V/0,55mA20,545kΩ Podľa výrobcov, katalóg, volím 1 22kΩ 2 1,5kΩ 39

40 Superponujme BE +10mV na vstup I C (ma) KC 508 CC 12V C 400Ω 30 di C 4,3mA 19,3 I CQ 15 di o Q Q d I B 65µA alebo BE 0,69V di B 15µA d 0,01V I B 50µA alebo BE 0,68V d o 4,1 6 CEQ 12 CE (V) d o -1,9V 40

41 CE o BE d o 6V-4,1V1,9V di C 19,3mA-15mA4,3mA d 0,69V- 0,68V0,01V A ou d d o 1,9 0, mínus znamená posun fázy o nvertujúc zoslňovač Vstupné napäte sa mení ±10mV, okolo kľudovej hodnoty BE 0,68V. Výstupné napäte sa potom bude menť ±1,9V okolo kľudovej hodnoty CEQ o 6V. 41

42 Zoslnene v decbeloch A ou d ( db) 20 log o 45, 6 d A o di ( db) 20 log o 45, 8 di 42

43 Výkonové zoslnene Defnujeme výkonovú blancu alebo účnnosť zoslnena: A op A ou A o A op Je to zoslnene veľké? Účnnosť zoslnena pre plne vybudený tranzstor v Q: η P o CEQ I CQ 6V.15mA 0,25 P 2 CC I CQ 2.12V.15mA 43 Percentuálne25%,ak málo,volť né parametre obvodu!

44 STABILIZÁCIA PACOVNÉHO BOD Najvýznamnejší vplyv na I C a teda aj polohu pracovného bodu má teplota (stratový výkon), hovoríme aj o drfte pracovného bodu. S rastúcou teplotou I C raste Stablzáca pracovného bodu by mohla byť rešená voľbou menších hodnôt odporov napäťového delča,( mäkký delč ),prečny prúd delčom by bol veľký a tým by vac zmenšl vplyv na zmenu kľudového prúdu I B. Prečny prúd je však len stratový, zvýšl by sa potom príkon stupňa. 44

45 ešením je aplkáca zápornej spätnej väzby, prúdovej alebo napäťovej. Podstatou je zmenšovane BE tranzstora so zvyšujúcou sa teplotou, čo má za následok konečnú stablzácu I C. 45

46 Stablzáca Q pomocou odporu E v emtore Prúdová záporná spätná väzba C C 1 1 I C 2 I I 1 I 2 I B BE T o CE + CC 2 2 E E I + BE E E E ( I I ) C B E BE I C E 46 I C BE

47 Hodnota odporu E nesme byť veľm vysoká, lebo by redukovala hodnotu výstupného napäta CE a tým aj rozkmt výstupného sgnálu. Zaužívané je pravdlo, E 0,1 CC Keďže hodnoty CC a I C I E, sú väčšnou známe, ľahko sa dá vypočítať hodnota E. Dobrá stablzáca β dc E >>

48 Zoslňovač s odporom E Treba uvažovať úbytok napäta na odpore E. C C C I C C 1 1 I C I I 1 I B T o CE + CC I 2 BE 2 2 E E E I E I C + CE CC I E - BE 0 ( ) I C E C A ojsm - C / E A str -g m 48. C

49 S rastúcm stupňom stablzáce klesá zoslnene. Preto treba zvolť vhodné rešene pre stredavé aj pre jednosmerné parametre zoslňovača. 49

50 Náhradná schéma zoslňovača pre malé sgnály strednej frekvence A -g m B r π C B C + o C + u B g r m u be π C u be uo E u be r π b B 1 2 g m 40I C r π d BE /di B -dynam.vst.odpor β di C /di B β g m r π 50

51 Návrh prvkov nf lneárneho (treda A) BJT zoslňovača Navrhnte nf lneárny zoslňovač pracujúc v trede A s tranzstorom KC 508, I C 15mA, β dc 300, G 30Ω, L 100kΩ, s rozkmtom výstupného sgnálu mnmálne Δ CE ±1,5V a zoslnením A ou >30dB. 51

52 Obvod zoslňovača G 30Ω I 1 I 1 1 I B C I C C 1 C 2 T C o CE + CC G I 2 2 BE 2 E C E E L 100kΩ Pre jednosmerné napäta C 1,C 2,C 3 neuvažujeme. 52

53 1.Voľba napájaceho napäta Predovšetkým musí spĺňať podmenku CC >>Δ CE Volím CC 12V 53

54 2.Voľba napäta E : Pravdlo, E (0,1-0,2) CC Volím 0,15 CC E 1,8V 54

55 3.Voľba kolektorového prúdu I C 1. I C < I CMAX (100mA) 2. I C >> I CEO 3. P C CEQ I CQ < P dov (300mW) 55

56 I C ovplyvňuje rozsah vybudena, f T,,šum,skreslene CC 2 0,7 I C I E E I C som voll z I- charakterstík 15mA I B I β C dc I B 15mA μA 56

57 I C (ma) CC / C Výstupný prúd I CQ 15mA t I CMAX Q P DOV t I B (µa) Vstupný prúd 50µA Δ CE CC /2 CEQ t I CEO CC 12V CE (V) Výstupné napäte, rozkmt sgnálu 57

58 4.rčene odporu E I E I C E I E E I E C E 1,8V 120Ω 15mA 58

59 5.Voľba prúdov cez napäťový delč I 2 10 I B I μA μ A I 1 I 2 +I B I 500μA + 50μA μ A I B I C β I B 15mA μA 59

60 G + CC I 1 I 1 1 I B C I C C 1 C 2 T C o CE + CC I 2 BE L 2 2 E E C E E 60

61 6.Voľba odporov 1, 2 BE 0,7V 2 BE + E 2 0,7V+1,8V2,5V CC CC V-2,5V9,5V 61

62 1 1 /I 1 9,5V 17, kω A 27 μ 18kΩ v E /I 2 2,5V 5kΩ A μ Dobrá stablzáca β dc E >> kΩ>>3,83kΩ Volím katalógové hodnoty odporov a prepočítam nové hodnoty prúdov. Ak je chyba výsledku menša ako 20-25%,nemusím korgovať predtým vypočítané 62 hodnoty prúdov.

63 7.rčene hodnoty C Hodnota C je daná zaťažovacou charakterstkou. Podľa polohy pracovného bodu a veľkost žadaného rozkmtu sgnálu volíme C pre polohu pracovného bodu CC /2 (treda A), je to optmálne rešene C 6V 400Ω 15mA 63

64 V prípade stablzáce I C alebo β uvažujem aj E C CC I CEQ CQ E C 12V 6V 1,8V 4,2V 280Ω 15mA 15mA 64

65 8.Teplotný drft di C,d E di C d E dt I C dt E d E dt 2mV / K 0,1% / K E 1,8V 65

66 9. Dynamcké parametre Vstupný odpor tranzstora r BE β I C TB r BE ,026V 520Ω 15mA β r BE g m 66

67 Dynamcký vstupný odpor zoslňovača r r 1 2 BE r 17,27kΩ r 460Ω 5kΩ 520Ω mn 2, > r > r > 1 2 BE G 67

68 Dynamcký výstupný odpor zoslňovača r o C r CE C r o 400Ω 68

69 Výpočet napäťového zoslnena naprázdno A ou - g m (r CE C ) A ou mA.400Ω -240 A ou ( db) 20 log , 6 69

70 Výpočet napäťového zoslnena generátora naprázdno do záťaže A og o G + G A o L L + o A og 460Ω 460Ω + 30Ω 100kΩ ( 240) 100kΩ + 400Ω 224,4 A og ( db) 20 log 224,

71 Výpočet kapacít kondenzátorov C 1,C 2,C E 1 C 1 2 π f mn ( + r G ) 1 C 2 2 π f mn ( + r L o ) C E 2πf I C mn TB 71

72 Zoslňovač v zapojení so spoločným kolektorom. Emtorový sledovač, mpedančný prspôsobovač, buffer(oddeľovač) Neobraca fázu-výstup (z emtora) sleduje vstup. BE + E I C G I B BE T h 21c h 21e + CC E E na záťaž o E Malým Jednotkové bázovým napäťové prúdom a získame veľké prúdové veľký prúd zoslnene na záťaž. o Veľký vstupný a malý výstupný odpor. 72

73 u o u E Ideálna prevodová charakterstka emtorového sledovača o -0,7 saturáca Aktívny režm B + CC o 1+ β E dc 0,7V CC +0,7 u 73

74 Zoslňovač v zapojení so spoločným kolektorom. Emtorový sledovač, mpedančný prspôsobovač Spoločne so zapojením SE, prama väzba bez väzbového kondenzátora C 1 1 I C G I C 1 I 1 I B T + CC I 2 2 BE 2 E C E L h 21c h 21e 74

75 ZOSILŇOVAČ S NIPOLÁNYM TANZISTOOM Nastavene pracovného bodu Pracovný bod je reprezentovaný kľudovou hodnotou I D a DS tranzstora. Na rozdel od I C f( BE ) pre BJT, je I D f( GS ) pre MOS ne tak strmá, preto GS nemôže byť považované za konštantu, ako v prípade BE pre režm saturáce tranzstora. 75

76 Saturačný režm-zoslňovač GS > T DS > DS(SAT) D D I D Q I D Lneár. režm Q saturáca GS 0 GS 0 T u GS DS u DS 76

77 Podobným spôsobom ako v predchádzajúcom prípade navrhneme zoslňovací stupeň s unpolárnym tranzstorom. npolárne tranzstory sú radené napätím a preto majú vysokú vstupnú mpedancu. Vstupný prúd I G je zanedbateľne malý, praktcky nulový. 77

78 Nastavene pracovného bodu unpolárneho NMOS tranzstora Príklad: k`100µa/v 2 T 0,8V W/L40 I D NMOS GS D 2kΩ DS DD 5V Nájdte I D, DS? GG 2V I D S 0,3kΩ Vstup: GG -I D S - GS 0 78

79 ovnca pre I D v saturačnom režme: I D w k` L ( ) 2 GS T Vstup: GG -I D S - GS 0 Kvadratcká rovnca pre I D ešením: I D 1,3mA, GS 1,61V Výstup: DD +I D D + DS +I D S 0 DS DD -I D S I D D 2V 79

80 Opäť môžeme pre stablzácu pracovného bodu použť mostíkové zapojene odporov na vstupe. 80

81 DD 1 C 1 + T D + C 2 DS G GS 2 S + C S Mostíkové zapojene zoslňovača s NMOS FET 81

82 Príklad: Nájdte I D, DS 1 3kΩ D 2kΩ DD 5V T GS 2 2kΩ S 0,3kΩ I G 0: 2 2V G DD

83 DS DD -I D ( D + S )2V I D w k` L ( ) 2 Vstup: GG -I D S - GS 0 GS T ešením: I D 1,3mA, GS 1,61V ID w k` L DS 0, 81 ( SAT) V + GS T DS (SAT ) 0, 81V DS( SAT) GS T DS > DS(SAT) 83