POJAČAVAČ VELKH SGNALA 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala. Uvod Namena Sadržaj Oblast sigurnog rada tranzistora Bila ilans snage (t (stepen ik iskorišćenja) išć Klir faktor Klasifikacija ij pojačavača č č prema položaju radne tačke. Pojačavač snage u klasi A sa BJT Simetrična sprega u klasi A Obrtači faze Simetrična sprega sa komplementarnim parom 3. Pojačavač snage u klasi B sa BJT Simetrična ič sprega u klasi B 3. decembar 0. Simetrična sprega Pojačavači sa velikih komplementarnim signala parom Sadržaj 4. Pojačavači snage u klasi AB 5. CMOS pojačavači snage 6. Primer integrisanog pojačavača snage 7. Pojačavač snage u klaci C 8. Prekidački pojačavači snage Pojačavači snage klase D, E, F Pojačavači snage klase S,, T Pojačavači snage klase G, H Uvod. Uvod Namena Oblast sigurnog rada tranzistora Bila ilans snage (stepen iskorišćenja) Klir faktor Klasifikacija pojačavača prema položaju radne tačke 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala
Uvod Namena Koriste se kao izlazni stepen, na kraju pojačavačkog lanca: Opterećen je potrošačem, tako da je veoma važno da se izlazna impedansa prilagodi potrošaču (za pojačavače napona mala izlazna otpornost). Prethodno je signal već dovoljno pojačan, tako da pobudni signali nisu mali. Očekuju se veliki signali na izlazu. Koristi se cela radna oblast tranzistora. zlazni signal izobličen. Ne važe linearni imalosignalni l i modeli. Veliki signali impliciraju velike snage zato je važan odnos korisne snage enapotrošaču i ukupne uložene snage. 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala Da se podsetimo: zlazne karakteristike bipolarnog tranzistora koji radi u konfiguraciji sa zajedničkim emiterom C B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B Pojačavači malih signala koriste samo najlinearniji deo karakteristika tranzistora 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 6 B V CE To se postiže izborom jednosmerne radne tačke, odnosno jednosmernom polarizacijom tranzistora jednosmerna polarizacija tranzistora C R Rc B =60μA C =.5mA V CE Npr. u RT sa B =60μA Biće c =.5mA i V ce =4.5V V BE =0.6V BE R T V CE =4,5V 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 7 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 8
Pobuda malim naizmeničnim signalom prko C s izazvaće na R c promenu od R c (βi B ), tako da će na potrošaču da se javi naizmenična komponenta V p =R p P jednosmerna polarizacija tranzistora C R Rc B =(60 ± 0)μA C =.5mA±0.5mA P + - Vin R T V CE =4,5V V ± Rp V P V CE 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 9 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 0 Realno, karakteristike BJT nisu linearne Od pojačavača velikih signala očekuje se da koristi se što veću oblast rada tranzistora! Cmax C B9 Oblast rada ograničena je sa P dmax B8 Cmax Cmin B7 V CEmax =BV CE Cmin B6 B5 B4 B3 B B V CEmin =V CEzas P dmax Sekundarni proboj V CE 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala V CEmin V CEmax 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala
Pojačavači koji koriste što veću radnu oblast nazivaju se pojačavačima snage. Zadatak im je da što veću snagu dopreme do potrošača (generalno snage većeodw) W). Dobro je da se definiše pojam snage vezan za pojačavače. Generalno, za svaki uređaj definiše se pojam uložene snage i korisne snage Opšte prirodno načelo kaže da uložena snaga mora biti veća od utrošene, odnosno korisne snage. P uloženo > P korisno Šta je sa razlikom? Razlika se odnosi na snagu gubitaka. 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 3 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 4 Šta se ulaže? Da bi pojačavač radio, potebno je da se napaja iz izvora V CC. Pojačavač crpi snagu iz izvora napajanja. Snaga koju izvor za napajanje daje, predstavlja ukupnu utrošenu snagu i ona iznosi P CC =V CC * CC + - Vin P CC =V CC * CC Rc R CC T Rp R V P 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 5 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 6
Korisna snaga je ona koja se ostvari na potrošaču ona iznosi + - Vin P k =P P =V P * P R B R Rc C T V CE P Rp V P Stepen iskorišćenja, η, predstavlja odnos korisne snage na potrošaču, P k =V P P i ukupne snage koju predaje izvor za napajanje P CC =V CC C η = max P P k P CC 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 7 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 8 Osim na potrošaču, snaga izvora za napajanje troši se i na: aktivnim elementima (tranzistori) na pasivnim elementima pojačavača(r, R, R C,...) R Rc Termička snaga tranzistora (tranzistor se greje) koja se troši na tranzistoru zove se Snaga disipacije ona iznosi R P d =V CE * C Rc + - Vin R T Rp + - Vin R T C V CE Rp 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 9 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 0
Snaga na aktivnom elementu (tranzistoru) predstavlja snagu koja se utroši na tranzistoru da bi se obezbedio željeni položaj radne tačke i u odsustvu korisnog signala P d =V CE C (za bipolarni tranzistor) P d=v DS D (za FET/MOSFET) Snaga na aktivnom elementu ne sme da premaši maksimalnu snagu disipacije koja je tehnološki parametar i nalazi se u katalozima P dmax inače će tranzistor da pregori. 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala Zato je radna oblast tranzistora ograničena hiperbolom disipacije definisanom sa P dmax = C *V CE C P dmax B9 Za svako dato V CE postoji maksimalna C B8 struja B7 C =P dmax /V CE C B6 B5 B4 i za svaku datu C postoji maksimalni B3 B napon V B CE V CE=P dmax/ C V CE V CE 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala Da se podsetimo Uticaj temperature na P VBB d. promena radne temperature T < T 60 50 40 30 0 0 C (ma) P d C RB B V B B =0.7mA P dmax =380mW B =0.6mA B =0.7mA P B =0.5mA dmax =350mW B =0.6mA B =0.4mA B =0.5mA B =0.3mA B =0.4mA B =0.3mA B =0.mA B =0.mA B =0.mA B=0.mA B =0mA B =0mA 4 6 8 0 4 6 V CE (V) 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala E RC Q 0 Disipacija u funkciji TEMPERATURE T O - Temperatura okoline T Smax temperatura spoja, P d0max maksimalna T O0 R th termička otpornost O-S P Za T o >T dmax max. P d O0 T T = R T Smax P S max o th d max TS T P o d = max max R th 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 4
Domaći 0.: Bipolarni tranzistor karakteriše snaga disipacije od P d0max = W, pri T O0 =5 o C i maksimalna temperatura spoja T Smax =50 o C. Odrediti termičku otpornost tranzistora i maksimalnu snagu koju tranzistor može da disipira pri temperaturi okoline T o O =50 C. [] dealni pojačavač snage bio bi onaj koji ima stepen iskorišćenja η=00% (P K =P CC ) znači: snaga izvora za napajanje bez gubitaka dođedopotrošača neizobličen signal na potrošaču Takvi pojačavači NE POSTOJE 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 5 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 6 Kao mera kvaliteta pojačavača služi poređenje sa idealnim. Snage P CC i P K možemo da izračunamo/merimo č i i odredimo stepen iskorišćenja η. Kako odrediti i kvantifikovati izobličenje signala? zobličenje se meri veličinom koja se naziva klir faktor i označava se sa k. Klir faktor n-tog harmonika signala x, definiše se kao odnos amplitude n-tog i amplitude osnovnog harmonika k n = X nm /X m Ukupan klir faktor = N k X im X m i= 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 7 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 8
Sa karakteristika tranzistora očigledno je da će veći signali biti više izobličeni. Stepen izobličenja zavisi od položaja radne tačke. Ovo se najbolje vidi sa prenosnih karakteristika tranzistora i pojačavača Prenosna karakteristika tranzistora R Rc + - Vin B R C T VCE V P P Rp 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 9 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 30 Prenosna karakteristika pojačavača V Cmax V CC V C = V CC - C (V BE )*R C Položaj RT na prenosnoj karakteristici tranzistora i pojačavača A C B AB A C B AB V Cmin V CEs 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 3 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 3
Klasa A, B i AB za širokopojasne pojačavače Klasa A, B i AB za širokopojasne pojačavače A B AB A B AB Klasa C za uskopojasne, selektivne, pojačavače Klasa C za uskopojasne, selektivne, pojačavače 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 33 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 34 Klasifikacija pojačavača Prema radnoj tački (A, B, AB, C ) Klasa A, B ili AB za širokopojasne pojačavače Klasa C za uskopojasne, selektivne, pojačavače (B/f s )=(f v -f n )/f s A B AB C C B AB A A C B AB opseg od 0 khz čija je srednja frekvencija 7 khz širokopojasni opseg od 0 khz čija j je srednja frekvencija MHz selektivni 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 35 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 36
Pored pojačavača čiji je radni režim definisan položajem radne tačke podešene u tački A, B, AB ili C, postoje pojačavači snage kod kojih tranzistor radi u prekidačkom režimu (u zakočenju ili u zasićenju). Ovi pojačavači klasifikuju se kao pojačavači koji rade u klasi D, E, F, S,, T, G, H Kako izabrati aktivni element, elemente kola, veličinu ulaznog signala, otpornost potrošača Da bi se dobilo željena snaga na izlazu minimalna izobličenja, dozvoljena disipacija na aktivnom elementu 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 37 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 38 Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom Kompromis: zobličenja korisna snaga (prvog harmonika) Rb r 5 4 8 n: Rp T + - Vin Ce Rb Re 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 39 Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom i transformatorskom spregom sa potrošačem 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 40
Rb Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom Statička radna prava ~ /Re T Rb Re Šema za JS Pojačavač snage u klasi A sa BJT i transformatorskom spregom sa potrošačem 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 4 3. decembar 0. Pojačavači Vvelikih CC signala 4 Za NS R P se preslikava u kolo kolektora kao r = n R p V CP ' = nvp Rb r 5 4 8 n: T + - Vin Ce Rb Re Rp C = / n V r = r = n P CP ' C V nv p = / n p P P = n r određuje dinamičku radnu pravu R p 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 43 + - Rb Vin Rb n Rp Šema za NS pojačavača snage u klasi A sa BJT i transformatorskom spregom sa potrošačem 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 44 T
Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom Dinamička radna prava 3. decembar 0. Pojačavači Vvelikih CC signala V CEmax >V CC 45 (a)zlazne i (b) ulazne karakteristike tipičnog tranzistora u sprezi sa zajedničkim emitorom 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 46 Naponska pobuda Rb Rg 5 r Rp 4 8 n: T + - Vg Ce Rb Re izlazne karakteristike ulazne karakteristike tipičnog tranzistora u sprezi sa zajedničkim emitorom 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 47 (mali signali) 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 48
Naponska pobuda Naponska pobuda (mali signali) (mali signali) 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 49 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 50 Efekat VELKH signala Efekat VELKH signala J Bm =0,3mA J Cm =0mA -J Bm =0,mA -J Cm =9mA VELK signali 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 5 VELK signali -U CEm =5V U CEm =6,7 V 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 5
Talasni oblici pri naponskoj pobudi Gde postaviti radnu tačku da bi se dobio maksimalni neizobličeni signal na izlazu? a) Ulazni napon b) Ulazna struja Ograničenje Cmax d) zlazni napon 3. c) decembar zlazna 0. struja Pojačavači velikih signala 53 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 54 Gde postaviti radnu tačku da bi se dobio maksimalni neizobličeni signal na izlazu? Gde postaviti radnu tačku da bi se dobio maksimalni neizobličeni signal na izlazu? Ograničenje V CEmax Simetrični signal 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 55 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 56
U idealnom slučaju najveći neizobličeni signal dobiće se za RT definisanu sa V CEM = V CC = V CEmax / i CM = Cmax / Cmax Cm CM Cm V CEm VCEm V CEM = V CC V CEmax =V CC 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 57 U idealnom slučaju najveći neizobličeni signal dobiće se za RT definisanu sa V CEM= V CC = V CEmax/ i CM = Cmax / Cmax Amplituda napona iznosi V =V Cm CEm CC a struje CM Cm= CM Cm Tada se očekuje najveći stepen iskorišćenja. Koliko on iznosi? V CEm V CEm V CEM = V CC V CEmax=V CC 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 58 Tada je maksimalna korisana snaga Cmax Cm Cm = CM Cm V CEm V CEm CEm P k = m C m = V CE V CEm =V CEM = V CCVCE V CEmax =V CC V CC CM Dok je ukupna snaga koju daje baterija P = V η CC Tako da je CC P P CM V CEm Cm V Cmax Cm CM Cm V CEm V CEm V CEM = V CC V CEmax=V CC V V k CC DM max = = = = CC CC CM CC DM 0.5 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 59 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 60
Najveća moguća vrednost stepena iskorišćenja pojačavača snage koji rade u klasi A Teoretski η max =50% Cmax Cm CM Cm V CEm V CEm Ukupan stepen iskorišćenja η=η pojačavača η transformatora Praktično η < 40% V CEM = V CC V CEmax=V CC 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 6 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 6 Minimalna izobličenja P kmax Kompromis Rc=k Kako projektovati pojačavač snage? Projektovati = odrediti topologiju i Rb r 5 4 8 n: T + - Vin Rb Re Ce Rp vrednosti elemenata kola, Zavisnost korisne snage i klir faktora od veličine kolektorske otpornosti da bi se ispunili određeni zahtevi 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 63 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 64
Disipacija u funkciji TEMPERATURE P d0max zabrati VCEM V CC T O0 T Smax CM CM V CE =V CC -R E C T Za T o >T o0 Smax T o = R th P dmax TS max T P o dmax = R th 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 65 3. decembar 0. VPojačavači velikih signala CEM 66. Definišemo Δ CM = CM - CM. zaberemo e r=r C =k (kompromis o ssnaga/izobličenja); R P je poznato, a n (trafoa) se podešava, = P max R 3. zračunamo V CEM : CEM d C 4. zračunamo CM V CM = P d max /V CEM n = r / Rp 6. zračunamo BM /β BM = CM 7. zračunamo R E za V CC V CEM + R E C R E =(V CC -V CEM )/ CM 8. zračunamo R B i R B E C 5. zračunamo CM CM = CM Δ CM 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 67 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 68
Radna prava za naizmenični signal C CM = R C ( V V ) CE CEM Aproksimacija strujnog zasićenja C =V CE /R on U preseku je Cmax 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 69 Proveriti da li je Cmax > od dozvoljene Za poznato Cmin izračunati V CEmax Proveriti da li je V CEmax > BV CE0 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 70 Pojačavački stepen sa FETom i BJTom Poređnje D V DD D D V P P Poređnje D V DD D D V P P η FET < η BJT Nelinearnija ulazna karakteristika BJT V CEmin < V DSmin 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 7 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 7
Poređnje D V DD D D V P P Domaći 0.: U kolu sa slike poznato je V CC =5V, tranzistore karakteriše V CEsat =0,V, 0V V BE =0,7V 07Viβ>> β>>. Odrediti vrednost otpornika R koja obezbeđuje dovoljnu struju, da bi se na otporniku R p dobio maksimalni dinamički opseg signala. Odrediti dinamički opseg izlaznog signala, kao i minimalnu i maksimalnu vrednost emitorske struje. [0,97k, ±4,8V, 0-9,6mA] V u R p 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 73 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 74 Domaći 0.3: U kolu sa slike poznato je V CC =0V, =00mA i R p =00Ω, usvojiti V CEsat =0V i α=. Odrediti disipaciju snage na svakom od tranzistora kada je V u =0V. Odrediti disipaciju snage na svakom od tranzistora, snagu na potrušaču i stepen iskorišćenja, ukoliko je pojačavač pobuđen prostoperiodičnim signalom naveće moguće amplitude. [W, W, 0,5W, W, 0,5W, 5%] 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 75 V u R p Simetrična sprega u klasi A 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 76
Simetrična sprega u klasi A Simetrična sprega u klasi A Treba obezbediti minimalna nelinearna izobličenja i maksimalnu korisnu snagu Jedno od rešenja za smanjenje nelinearnih izobličenja i povećanje stepena iskorišćenja nudi simetrična sprega SMETRČNA SPREGA je: specijana sprega dva aktivna elementa identičnih karakteristika, koja omogućava dobijanje dvostruko veće korisne snage uz znatno manje nelinearnih izobličenja u odnosu na stepen sa jednim aktivnim elementom 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 77 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 78 Simetrična sprega u klasi A Simetrična sprega u klasi A Analiza upotrebom simetričnog gpojačavača sa uopštenim aktivnim elementom Simetrična sprega u klasi A sa bipolarnim trazistorima 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 79 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 80
Simetrična sprega u klasi A Na ulazu simetrične povratne sprege nalazi se transformator T Sekundar ovog transformatora ima simetrična tri izvoda Tako se dobija da su ulazini signali aktivnih elemenata iste amplitude i suprotne faze Simetrična sprega u klasi A Potrošač je, takođe, priključen preko simetričnog ič transformatora t koji ima tri izvoda 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 8 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 8 Simetrična sprega u klasi A Za prostoperiodičnu pobudu na izlazu se dobija izobličeni signal sa harmonicima: i = + m cosω t + m cosω t + 3m cos3ωt +.. i = + m cos[ωt+π]+ m cos[ωt + π]+ + 3m cos3[ωt +π]+ i = m cosωt + m cosωt 3m cos3ωt + Simetrična sprega u klasi A Struja u sekundaru transformatora T dobija se iz: n i n i = i p i p = n (i i )=n ( m cosωt + 3m cos3ωt+ ) Struja potrošača ne sadrži jednosmernu komponentu ni parne harmonike! Poništeni su primenom simetrične sprege 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 83 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 84
Simetrična sprega u klasi A Pojačavače snage u klasi A karakteriše: vrlo mali klir faktor velika disipacija snage na aktivnom elementu (u najpovoljnijem slučaju oko 60% od ukupne uložene snage) zrada pojačavača velikih snaga u klasi A zahteva skupe i komplikovane komponenete za hladjenje 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 85 Obrtači faze Ulazni trnsformator služi da generiše dva signala čije su amplitude jednake, a faze suprotne. Transformator više doprinosi i amplitudskim i faznim izobličenjima i na niskim i na visokim frekvencijama nego što to čine aktivni elementi Zato se umesto transformatora koriste elektronska kola koja obezbeđuju signale istih amplituda a suprotnih faza. Ona se nazivaju: fazni obrtači. 3. decembar 0. Pojačavači velikih signala 86 spitna pitanja Šta smo naučili? U čemu se ogleda osnovna razlika između pojačavača malih i velikih signala? Klasifikacija pojačavača snage prema položaju radne tačke (ucrtati u prenosnim karakteristikama tranzistora i pojačavača) pj Skicirati talasni oblik napona na izlazu pojačavača snage u klasi A koji je pobuđen idealnim sinusnim naponom (prikazati DC i AC komponentu)?. Namena, specifičnosti i zahtevi koji se postavljaju pred pojačavače snage.. Zavisnost maksimalne snage disipacije bipolarnog tranzistora od temperature. 3. Stepen iskorišćenja pojačavača snage u klasi A. 4. Pojačavač snage u klasi "A" sa bipolarnim tranzistorom i transformatorskom spregom sa potrošačem (električna šema, statička i dinamička radna prava) 5. Pojačavač snage u klasi "A" sa bipolarnim tranzistorom i transformatorskom spregom sa potrošačem (proračun vrednosti elemenata kola). 6. Simetrična sprega u klasi "A" sa bipolarnim tranzistorima (električna šema i princip rada). 3. decembar 0. Pojačavači sa povratnom spregom 87 3. decembar 0. Pojačavači sa povratnom spregom 88