9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 1 9. ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ Βασική λειτουργία ενισχυτικής διάταξης: να ενισχύσει ένα σήµα (δηλ. να αυξήσει ονοµαστικά το µέγεθος της τάσης ή του ρεύµατος). Ο τρόπος µε τον οποίο πραγµατοποιείται η ενίσχυση εξαρτάται: 1. από το είδος του σήµατος (πχ χαµηλής ή υψηλής συχνότητας) 2. το είδος του ενισχυτή (πχ τάσης ή ισχύος) 3. τον λόγο για τον οποίο επιθυµούµε να ενισχύσουµε το σήµα (πχ να το ακούσουµε ή να το δούµε)
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 2 Ακουστικό σύστηµα hi-fi CD Ασθενή σήµατα Προενισχυτής Τάση σήµατος CD Player: 100 mv. Ισχύς σήµατος CD Player: µερικά milliwatts Ισχύς που απαιτείται για να λειτουργήσει ένα ηχείο: µερικές δεκάδες Watts Eνισχυτής ισχύος Ηχεία Ισχυρά σήµατα Συµπέρασµα: είναι απαραίτητο να χρησιµοποιηθεί ένας ενισχυτής ισχύος για να δώσει µεγαλύτερη ισχύ στα σήµατα της πηγής (CD) γα να ακουστούν από τα ηχεία.
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 3 Ταξινόµηση των ενισχυτών 1. Ανάλογα µε το µέγεθος του σήµατος εισόδου που ενισχύουν: ενισχυτές τάσης ενισχυτές ρεύµατος ενισχυτές ισχύος (για ισχύ εξόδου µεγαλύτερη από 2 Watt) 2. Ανάλογα µε τη συχνότητα των σηµάτων που µπορούν να ενισχύσουν: ενισχυτές ακουστικής συχνότητας (ΑΣ) ή ενισχυτές audio (20 Hz- 20 khz). ενισχυτές ραδιοφωνικών συχνοτήτων (100 khz - 100 MHz). ενισχυτές video, buffers κ.α. 3. Ανάλογα µε την παραµόρφωση του σήµατος εξόδου τάξη Α τάξη Β τάξη ΑΒ τάξη Γ
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 4 Τάξεις λειτουργίας ενισχυτών Tάξη Α Το σήµα εξόδου ρέει κατά 360 0 Σήµα εισόδου Tάξη Β Ενισχυτής τάξης Α Το σήµα εισόδου ρέει κατά 180 0 Σήµα εισόδου Ενισχυτής τάξης Β Σήµα εξόδου Σήµα εξόδου ή
Tάξη ΑΒ 9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 5 Το σήµα εισόδου ρέει για χρόνο t, 180 0 <t<360 0 Σήµα εισόδου Τάξη Γ Ενισχυτής τάξης ΑΒ Σήµα εξόδου Το σήµα εξόδου είναι χρονικά µικρότερο από τη µια ηµιπερίοδο του σήµατος εισόδου. Η απόδοση της τάξης αυτής είναι µεγαλύτερη απ αυτή της τάξης Β. Μεγαλύτερη όµως είναι και η παραµόρφωση
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 6 Ενισχυτής κοινού εκποµπού V b 0 V v in 0 V C 1 V BQ R 1 R 2 +V CC R C V c 0 V C 3 R E C 2 V RC =I C R C = βi B R C v out V CQ =V CC /2 0 V
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 7 I CQ I c I C I b Q V CEQ V ce I BQ I B5 I B4 I B3 I B2 I B1 V CE
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 8 Μέγιστο απαραµόρφωτο σήµα εξόδου µεταβολή του Ι C I CQmax I CQ I CQmin V CEmin I C (ma) V CEQ Q µεταβολή του V CE V CEmax V CE (V)
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 9 Χαρακτηριστικά µεγέθη ενισχυτή α. Ενίσχυση τάσης ή κέρδος τάσης ή απολαβή τάσης. Α V = V out V in Ορισµός µονάδας decibel db ή DB: Pout db = 10 log Pin =10 log V V out in = 10 log 2 V 2 out R V 2 in R Vout =20 log Vin όπου P out, V out και P in, V in συµβολίζουν τις ισχείς και τάσεις εξόδου και εισόδου αντίστοιχα. Τελικά: A V (db) = V 20log out V in
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 10 Μέτρηση της ενίσχυσης ενός ενισχυτή Γεννήτρια Εφαρµόζεται από τη γεννήτρια ηµιτονικό σήµα συχνότητας 1 khz και κατάλληλου πλάτους ώστε να µην υπάρχει καθόλου παραµόρφωση στην έξοδο. Τα πλάτη των δύο σηµάτων µετριούνται στον παλµογράφο οπότε: Είσοδος A V = Παλµογράφος Ενισχυτής v out v in Έξοδος
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 11 β. Ενίσχυση ρεύµατος Ορίζεται σαν το πηλίκο της µέγιστης τιµής του ρεύµατος εξόδου του ενισχυτή προς το αντίστοιχο µέγεθος της εισόδου, δηλ. και σε db Α Ι = A I (db) = I out I in I 20log out I in
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 12 γ. Ενίσχυση ισχύος Ορίζεται σαν το πηλίκο της µέγιστης τιµής της ισχ εξόδου του ενισχυτή προς το αντίστοιχο µέγεθος της εισόδου, δηλ. και σε db: επίσης ισχύει: A P = P out P in Pout A P (db) = 10 log Pin A P = A V AI Ολες οι παραπάνω σχέσεις δείχνουν κατά πόσο το µέγεθος στο οποίο αναφέρεται η συγκεκριµένη σχέση µεγάλωσε ή µίκρυνε σε σχέση µε το αντίστοιχο µέγεθος της εισόδου.
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 13 Καµπύλη εύρους ζώνης συχνοτήτων V outmax x 0,7 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 A v (db) 0 f L Vout (volts) 0.1 10 V outmax f L 3 db BW =f H -f L 100 ή BW f H =f H -f L f f H f (Hz) 1000 10000 100000 1000000
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 14 Είναι η καµπύλη που δείχνει την ενίσχυση σε σχέση µε τη συχνότητα. Όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήµα ο άξονας των συχνοτήτων είναι λογαριθµικός τεσσάρων τουλάχιστον τµηµάτων (πχ 0,1-10Ηz, 10-100Hz, 100-10 3 Hz κτλ). Όπως είναι γνωστό µια λογαριθµική κλίµακα δεν αρχίζει ποτέ από το 0. Αρχίζει από πολλαπλάσια ή υποπολλαπλάσια του 10. Η αρχή κάθε τµήµατος της κλίµακας διαφέρει από την αρχή του επόµενου τµήµατος κατά ένα παράγοντα που πρέπει να διατηρείται ο ίδιος σε όλη την κλίµακα. ηλ. εάν η κλίµακα αρχίζει από 10 Hz και το δεύτερο τµήµα της αρχίζει από 100Hz (αυτό το αποφασίζουµε εµείς), το τρίτο τµήµα της πρέπει οπωσδήποτε ν' αρχίζει από 100 10=1000 Hz, το τρίτο από 1000 10=10000 και ούτω καθ' εξής.
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 15 Παράδειγµα Ένας ενισχυτής δέχεται στην είσοδό ένα ηµιτονικό σήµα µε τιµές: V in p-p = 100 mv, I in p-p = 50 ma Στην έξοδό του παραπάνω ενισχυτή λαµβάνεται σήµα µε τιµές: V out RMS = 520 mv, I out max = 123 ma Να υπολογιστεί η ενίσχυση ισχύος Α P του ενισχυτή σε db. Λύση Είναι: Α V = V out / V in Αντικαθιστούµε και έχουµε: V outp p = 2V RMS 0.707 = 1471 V p-p ή Α V = 1471 /100 = 14.71 και σε db Α V (db) = 20 log 14,71 = 23,35
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 16 2 123 Επίσης A I = I out / I in = = 4. 92 και σε db : Α Ι (db) = 20 log 4.92 = 13.8 db Εποµένως: A P = A V A I = 14.71 4.92 = 72. 37 και σε db: 50 Α P (db) = 10 log 72.37 = 18.6 db
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 17 Η αρνητική ανάδραση στον ενισχυτή ΚΕ Ανάδραση (feedback) ή ανατροφοδότηση σειράς: όταν ένα µέρος της τάσης εξόδου επιστρέφει µέσω ενός κατάλληλου κυκλώµατος (κύκλωµα ανάδρασης) στην είσοδο. Όταν το σήµα που επιστρέφει στην είσοδο, προστίθεται στο ήδη εφαρµοζόµενο σήµα στην είσοδο, η ανάδραση ονοµάζεται θετική, ενώ όταν αφαιρείται αρνητική. είσοδος. ενισχυτής κύκλωµα ανάδρασης έξοδος
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 18 v in C in Χωρίς τον Ce: V B -V BE -V R Ε =0 V R Ε : µέρος της τάσης εξόδου (V OUT=V CE +V R Ε ) V B : τάση εισόδου. R 1 R 2 Επειδή αφαιρούνται αρνητική ανάδραση που oφείλεται στην τάση V R Ε. V CC R C R E C out v out C Ε
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 19 V in =ηµιτονική τάση όλες οι τάσεις και ρεύµατα είναι µεταβαλλόµενα. Με C Ε στο κύκλωµα το µεταβαλλόµενο Ι Ε διέρχεται από τον πυκνωτή (µικρότερη αντίσταση από την R Ε ) V R E 0 µηδενίζεται η ανάδραση. Συµπερασµατικά: η αντίσταση R Ε δηµιουργεί αρνητική ανάδραση στο κύκλωµα η οποία εξαλείφεται µε τη χρήση του πυκνωτή C Ε.
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 20 Επίδραση της πόλωσης στην παραµόρφωση µεταβολή του 1,8 I CQmax I CQ I CQmin 0 Oι θέσεις των Q max και Q min που αντιστοιχούν στα σηµεία της µέγιστης και ελάχιστης µεταβολής του ρεύµατος I C, προσδιορίζονται πάνω στην Ε.Φ. πριν τον κόρο και την αποκοπή αντίστοιχα και ορίζουν τα όρια που θα κινηθεί η µεταβολή της V CE. I C (ma) Q max V CEmin Q 10 20 V CEQ µεταβολή του Μόλις Q βρεθεί σε κόρο ή αποκοπή, δηµιουργείται παραµόρφωση στο σήµα εξόδου. Για να αποτελεί η τάση εξόδου πιστή απόδοση του σήµατος εισόδου, θα πρέπει οι διακυµάνσεις της V CE να µην υπερβαίνουν τη µέγιστη τιµή V CEmax V CC, ούτε την ελάχιστη V CEmin 0 V. Q min V CEmax V CE (V)
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 21 µεταβολή του Ι C 1,8 I CQmax I CQ I CQmin 0 I C (ma) Q max Q V CEmin V CEQ Όταν το σηµείο Q τοποθετηθεί κοντά στην περιοχή κόρου κάθε τάση µικρότερη της V CΕmin, ψαλιδίζεται µεταβολή του V CE Q min V CEmax 20 V CE (V)
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 22 µεταβολή του Ι C 1,8 I CQmax I CQ I CQmin 0 I C (ma) Q max V CEmin µεταβολή του V CE Όταν το σηµείο Q τοποθετηθεί κοντά στην περιοχή αποκοπής κάθε τάση µεγαλύτερη της V CEmax ψαλιδίζεται Q Q min V CEQ V CEmax 20 V CE (V)
Παράδειγµα 9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 23 Το τρανζίστορ του κυκλώµατος (α) έχει τις χαρακτηριστικές που φαίνονται στο σχήµα (β). Προσδιορίστε το σηµείο λειτουργίας του τρανζίστορ πάνω στις χαρακτηριστικές. Ποια είναι η τιµή του ρεύµατος βάσης; Ποια είναι η µέγιστη τιµή πλάτους του µέγιστου απαραµόρφωτου σήµατος εξόδου; v in V CC =20 V dc R 1 12 kω R C 3,9 kω R 2 2,2 kω R Ε 1,2 kω (α) R B V BB β=100 V CC R C R E v out 4 3 2 1 0 I C (ma) Q 40 µα 30 µα 20 µα 10 µα 5 10 15 20 V CE (V) (β)
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 24 Λύση Ισοδύναµο Thevenin: R 2,2 V V 2 BB = CC = 20 = R + R 12 + 2,2 Επίσης : R 1 2 3,09 volts 2 R1 R2 12 2,2(kΩ) B = = = R1 + R2 12kΩ + 2,2kΩ 1,86 kω Από κύκλωµα: V BB =I B R B +0,7+βI B R B V BB =I B (R B +βr E )+0,7 I V Σηµεία τοµής της Ε.Φ.: (0V, I 0,7 3,09 (1,86 + 120)k BB B = = = RB + βre V + CC C max = = 3,92 ma) RC RE και (V CEmax =V CC =20 volts, 0mA) Q είναι για Ι Β =25 µa. Προβολή Q: Ι CQ =2,3 mα και V CEQ =7,5 volts 25 µ A Λαµβάνοντας ισοµήκη τµήµατα εκατέρωθεν του Q και προβάλλοντας τα σηµεία βρίσκουµε ότι το µέγιστο απαραµόρφωτο σήµα εξόδου είναι: 5 V P-P
V in 9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 25 Πολυβάθµιοι ενισχυτές A v1 A v2 A v3 A vn οι ενισχυτές συνδεδεµένοι σε σειρά V out Συνολικό κέρδος, A vt = A v1 A v2 A v3... A vn = V out /V in Συνολικό κέρδος σε db, A vt(db) = A v1(db) +A v2(db) +... +A vn(db) όπου, A v(db) = 20 log A v Σκοπός πολυβάθµιου ενισχυτή: να αυξήσει το συνολικό κέρδος
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 26 V in C 1 Σύνδεση πολυβάθµιων ενισχυτών α) Σύνδεση µε πυκνωτή R 1 R 2 +V CC R 3 R 4 C 3 C 2 R 5 R 6 R 7 Q 1 Q 2 R 8 C 5 V out C 4
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 27 V in β) Απ ευθείας σύζευξη R 1 R 2 +V CC R 3 R 4 R 5 Q 1 Q 2 R 6 V out
9. Ενισχυτικές ιατάξεις- Ι.Σ. ΧΑΛΚΙΑ ΗΣ διαφάνεια 28 γ) Σύζευξη µε µετασχηµατιστή R 2 +V CC R 1 R 3 T 1 T 2 T 3 V in C 1 C 3 C 5 Q 1 R 5 C 2 R 4 Q 2 R 6 C 4