Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
1
Zesilovače a oscilátory
Obsah:
Zesilovače – rozdělení, základní pojmy a vlastnosti
Rozdělení zesilovačů dle pracovních tříd
Rozdělení zesilovačů dle druhu vazby mezi jednotlivými stupni zesilovače
Rozdělení zesilovačů dle zapojení tranzistorů
Nízkofrekvenční zesilovače
Stabilizace pracovního bodu
Výkonové (koncové) zesilovače
Pracovní třídy výkonových zesilovačů
Zesilovače s IO, emitorový sledovač, Darlingtonův zesilovač
Zpětná vazba
Vysokofrekvenční zesilovače
Širokopásmové zesilovače
Oscilátory – úvod, princip
Oscilátory LC
Oscilátory RC
Oscilátory řízené krystalem
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
1
2
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Zesilovače - rozdělení, základní pojmy a vlastnosti
-elektronické zařízení, které zesiluje elektrický signál (není to zdroj energie)
-k práci potřebuje jiný zdroj, který doplňuje vstupní energii na výstupní, část přitom mění na ztrátové teplo
-jde o čtyřpól, který má vstup a výstup
-na vstupní svorky přivádíme signál, který chceme zesílit, na výstupu pak tento zesílený signál odebíráme
-úkolem zesilovače je tak zesilovat vstupní elektrický signál
-vstupní signál i zesílený výstupní signál mají určitou velikost napětí, mohou do obvodu dodávat určitý proud
-součin proudu a napětí tvoří elektrický výkon, tudíž můžeme u el.signálu určit i výkon odevzdaný do zátěže
Parametry zesilovače
-udávají základní vlastnosti zesilovače
-Zesílení
-Nelineární zkreslení
-Stabilita (odolnost proti rozkmitání)
-Šířka pásma (kmitočtový rozsah, který je zesilovač schopen zesílit)
Zesílení
-udává kolikrát je signál na výstupu větší než signál na vstupu zesilovače
-(kolikrát je vstupní signál na výstupu zesílen)
-zesílení je bezrozměrová jednotka, bezrozměrné číslo
-často se udává v decibelech [dB] y = log x
x = 10Y
Zesílení zesilovače je vždy definováno poměrem změny výstupního napětí nebo proudu ke změně napětí
nebo proudu na vstupu.
Je nutné si uvědomit, že se jedná o zesilování změn napětí, změn proudu, nikoliv pouze o zesilování napětí či
o zesilování proudu
Změna vstupního parametru
Aby zesilovač mohl pracovat, potřebuje přivádět el.energii z vnějšku. Ta se např. přivádí přes výstupní obvod
zesilovače. Rovněž ke vstupu zesilovače je nutné přivádět další pomocné napětí, aby zesilovač mohl správně
pracovat. Tato pomocná, ale pro funkci zesilovače nutná napájecí napětí, nemají s vlastním signálem, který
chceme zesilovat, nic společného.
Zesílení zesilovače je proto vždy definované poměrem změny amplitudy výstupního signálu (napětí, proudu)
ke změně amplitudy vstupního signálu (napětí, proudu). Jde-li o střídavý signál, považujeme střídavé napětí
(proud) za periodické změny a zesílení je analogicky dáno poměrem velikosti výstupního k velikosti vstupního
střídavého signálu.
2
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
3
Zkreslení signálu
Dalším požadavkem na zesilovač je, aby průběh výstupního signálu byl přesně lineárně zvětšený obraz
vstupního signálu (nebyl nějak zkreslený). Zesilovače však zesilují signál dostatečně lineárně jen za určitých
podmínek. Čím více se zesilovač od těchto podmínek odchyluje, tím více se projeví nelinearita v zesílení.
Říkáme, že zesilovač zkresluje
Zkreslení je způsobeno nelinearitou aktivních součástek. Jednoduše řečeno se změnou vstupního napětí se
mění i zesílení. Toto tzv. nelineární zkreslení vykazuje každý zesilovač. Jeho velikost vyjadřuje tzv. činitel
harmonického zkreslení k, který udává, kolik procent vyšších harmonických kmitočtů se po zesílení
v původním signálu objevilo.
Nelineární zkreslení např. zvukových (nf) zesilovačů bývá v rozmezí 0,1 až 5%. Zkreslení větší než 1% lze už
rozeznat sluchem. Zesilovače třídy HiFi mají povoleno zkreslení max. 0,5%
Zkreslení velmi závisí na amplitudě. Při zvětšování hlasitosti reprodukce zvuku se od určité meze zkreslení
velmi zvětšuje.
Rozdělení zesilovačů
-dle frekvence
nf zesilovače, zpracovávají slyšitelné kmitočty (16Hz až 20kHz)
vf zesilovače, zesilují jen určité frekvenční pásmo
-dle velikosti vstupního signálu
předzesilovače, zesilují signály malé úrovně
výkonové zesilovače, zesilují signály z předzesilovačů na požadovaný výkon
-dle šířky přenášeného pásma
úzkopásmové
širokopásmové
(šířka pásma je relativní, vztahuje se ke střednímu kmitočtu pásma)
-dle pracovních tříd
základní jsou zesilovače třídy A, B, C
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
3
4
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rozdělení zesilovačů dle pracovních tříd
-rozdělení je dáno polohou pracovního bodu na převodní charakteristice tranzistoru
-převodní charakteristika je závislost kolektorového proudu Ik na proudu do báze Ib
Zesilovač třídy A
-má klidový pracovní bod umístěný v lineární části charakteristiky
-výstupní proud Ik prochází tranzistorem po celou dobu trvání signálu
-zesilovače mají malé zkreslení a všeobecné použití
Zesilovač třídy B
-má klidový pracovní bod umístěn v době zániku kolektorového proudu Ik
-obvykle se používají v tzv. dvojčinném zapojení
-(každý tranzistor zesiluje jednu polovinu periody signálu)
-při nulovém signálu neprotéká žádný proud, proto má zesilovač třídy B velkou účinnost.
Zesilovač třídy C
-má pracovní bod pod zánikem kolektorového proudu Ik
-(část signálu se tak ořízne a zbytek zesílí)
-používá se tam, kde nám nevadí velké zkreslení, oddělovací stupně, omezovače
4
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
5
Rozdělení zesilovačů dle druhu vazby mezi jednotlivými stupni zesilovače
-rozeznáváme vazbu stejnosměrnou, transformátorovou, s RC členy
Stejnosměrná vazba
-báze následujícího tranzistoru je galvanicky spojená s kolektorovým
výstupem předchozího stupně
Transformátorová vazba
-oba zesilovací stupně jsou galvanicky (stejnosměrně) odděleny
Kapacitní vazba
-vazební člen tvoří kondenzátor CV, který stejnosměrně odděluje oba
stupně
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
5
6
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rozdělení zesilovačů dle zapojení tranzistoru
Zapojení SE (společný emitor)
-má poměrně velký vstupní i výstupní odpor
-velké napěťové, proudové a výkonové zesílení
-používá se velmi často
-používá se též jako tranzistorový spínač
Zapojení SB (společná báze)
-má malý vstupní a velký výstupní odpor
-velké napěťové a výkonové zesílení
-malé proudové zesílení
Zapojení SK (společný kolektor)
-zapojení se nazývá emitorový sledovač (výstup z emitoru je ve fázi se vstupem)
-se společným kolektorem proto, že vstup je do báze a výstup je z emitoru,
proto musí být společný kolektor
(kolektor je spojen se společným vodičem prostřednictvím napájecího zdroje)
-velký vstupní a malý výstupní odpor
-malé napěťové, velké proudové a výkonové zesílení
Rozdělení zesilovačů dle zesilovacích prvků
-rozeznáváme zesilovače elektronkové, tranzistorové (bipolární NPN, PNP a unipolární např. FET…),
integrované (operační, výkonové zesilovače)
6
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
7
Nízkofrekvenční zesilovače
-zesiluje kmitočty akustického rozsahu, pásmo slyšitelnosti (16Hz až 20kHz), používá se zesilovač třídy A
Popis:
-vstup zesilovače tvoří svorky 1 a 1‘, na něž je přiveden signál určitého napětí ze střídavého zdroje
-výstup tvoří svorky 2 a 2‘, na něž je připojena zátěž RZ
-zdroj signálu, který chceme zesílit, je od zesilovače stejnosměrně oddělen vazební kapacitou CV1
-zátěž RZ je od zesilovače rovněž stejnosměrně oddělena vazební kapacitou CV2
-klidový pracovní bod P ve třídě A, je ve výstupních charakteristikách nastaven pomocí IK, UKE, IB
-( IK -kolektorový proud, UKE -kolektorové napětí, IB -proud báze)
-požadované hodnoty napětí a proudů se nastaví ve vstupním obvodu pomocí RB, ve výstupu pomocí RK a RE
-obvody zesilovače prochází stejnosměrný proud a naměříme zde pouze stejnosměrná napětí
-jedná se o stejnosměrné nastavení pracovního bodu, říkáme, že obvod se nachází ve statickém stavu
-kapacita CE zajišťuje, že se emitorový rezistor RE pro střídavou složku emitorového proudu takřka neuplatní
Nastavení pracovního bodu
-pracovní bod P leží na určité výstupní charakteristice použitého tranzistoru a na tzv. zatěžovací přímce
-volba charakteristiky, neboli nastavení proudu do báze, je určena velikostí rezistoru RB
-zatěžovací přímka určuje proudové a napěťové poměry kolektorového obvodu
-pro kolektorový obvod můžeme dle II. Kirchhoffova zákona napsat rovnici
UKK = RK.IK + UKE + RE.IE
-jelikož platí, že
IK ~ IE
můžeme rovnici zjednodušit
UKK = IK.(RK + RE) + UKE
-výraz vyjadřuje rovnici zatěžovací přímky
-přímka je určena dvěma body, které stanovíme jako průsečíky přímky s osami UKE a IK
Zatěžovací přímka
Bod A-mezní stav, tranzistor uzavřen → IK = 0
-dosazením do rovnice zatěžovací přímky dostaneme→ UKE = UKK (čili souřadnice průsečíku s osou UKE)
Bod B-mezní stav, tranzistor zkratován → UKE = 0
-dosazením do rovnice zatěžovací přímky dostaneme→ IKmax=UKK / (RK+RE), (průsečík s osou IK)
-spojením bodů A a B obdržíme zatěžovací přímku, která určuje veškeré možné poměry na tranzistoru
-přímka protíná zvolenou VA-charakteristiku tranzistoru v pracovním bodě P, jenž určuje klidový proud báze
-IB se nastaví při napájecím napětí UKK pomocí rezistoru RB
B
Dynamický stav
-po připojení signálu, tedy střídavého napětí u1, se dle okamžité hodnoty signálu posouvá pracovní bod
-(obvod se nachází v dynamickém stavu)
-změna napětí báze-emitor ∆UBE vyvolá změnu proudu do báze IB
-změna proudu IB vyvolá změnu kolektorového proudu ∆IK dle zatěžovací přímky
-změna kolektorového proudu ∆IK pak vyvolá změnu kolektorového napětí ∆UKE
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
7
8
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Stabilizace pracovního bodu
-poloha klidového pracovního bodu je neměnná, pokud je teplota okolí stálá
-teplota okolí se však mění, navíc se tranzistor sám zahřívá průchodem kolektorového proudu IK
Vliv teploty
-při změně teploty se posune pracovní bod po zatěžovací přímce a změní se tak kolektorový proud IK
Stabilizační obvod
-kolísání pracovního bodu způsobuje změnu zesílení tranzistoru (proto používáme tzv. stabilizaci obvodu)
-lineární a nelineární prvky stabilizačního obvodu jsou zapojeny tak, aby na nich vzniklé úbytky napětí
působily proti změnám proudu, které jsou způsobeny změnami teploty
Zpětnovazební stabilizační obvod
-zpětné působení proti nějakému jevu se nazývá zpětná vazba
-(proto v našem případě hovoříme o zpětnovazebním stabilizačním obvodu)
-napětí UB0 je dáno děličem RB1 a RB2 ze stabilizovaného napájecího zdroje a je proto konstantní
-platí UB0 = UBE + RE.IE
-při zvýšení teploty tranzistoru se zvýší IK a IE
-tím se zvýší URE = RE.IE
-UB0 je konstantní (stabilizovaný napájecí zdroj)
-dle rovnice UB0 = UBE + RE.IE se tak musí snížit UBE
-snížení napětí UBE vede ke zmenšení proudu báze IB
-zmenšení proudu báze IB vyvolá snížení proudu IK
Stručně řečeno:
Zvýšení IK vyvolá zpětnou vazbou jeho snížení
Stabilizační obvod tedy způsobuje, že změna IK vyvolaná
změnou teploty je menší než by byla v obvodu bez
stabilizace
Bezprostřední příčinou teplotní změny IK je změna
zbytkového kolektorového proudu IKE0
Jiný způsob stabilizace pracovního bodu
-vzroste-li kolektorový proud IK poklesne napětí UKE
-pokles napětí se přes zpětnovazební odpor RZV přenese na bázi
-tím poklesne i napětí UBE a to sníží kolektorový proud IK
8
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
9
Výkonové (koncové) zesilovače
-zesilují signál z předzesilovačů na výkon požadovaný do zátěže
-zátěž tvoří obyčejně reproduktorová soustava, ve které se elektrický výkon přemění na akustický
-reproduktory se k zesilovači připojují pomocí výstupního transformátoru (VT)
-dnes se stále častěji připojují už bez VT
-používá se dvojčinné zapojení, tj. zesiluje se zvlášť kladná půlvlna signálu a zvlášť záporná půlvlna signálu
-proto je nutné použít dva zesilovače třídy B pracující paralelně
Na sekundárním vinutí transformátoru TR1
získáme dva symetrické signály fázově
posunutých o 180°
Při kladných půlvlnách se otevírá tranzistor
T1, při záporných půlvlnách se otevírá T2
Ve výstupním transformátoru Tr2 se oba
zesílené kolektorové proudy sečítají
Tranzistorový invertor
-vybudit tranzistory T1 a T2 můžeme i jinak
-vstupní transformátor nahradíme tranzistorovým invertorem
-napětí U2 a U2‘ mají rovněž opačnou fázi
-výstupy z invertoru tak otevírají T1 a T2 stejně jako v předešlém zapojení
-určitým zapojením lze nahradit i výstupní transformátor
-použitím tzv. doplňkových (komplementárních) tranzistorů lze vynechat i invertor
Zesilovač bez výstupního transformátoru
-je nutno použít dva naprosto stejné (parametricky) tranzistory
-(stejné zesílení, výkon, odpor a ostatní parametry)
-liší se pouze typem vodivosti (jeden je typu PNP, druhý NPN)
-takovéto dvojici tranzistorů říkáme doplňkové (komplementární)
-oba tranzistory jsou buzeny nesouměrně z jednoho bodu
-kladná půlvlna vstupního signálu otevírá T1, T2 je zavřený
-procházející i1 vytvoří na RZ zápornou půlvlnu výstupního napětí
-(cesta proudu i1 → + zdroj, RZ, C, T1, - zdroj)
-záporná půlvlna výstupního napětí nabije kondenzátor C na →(- +)
-záporná půlvlna vstupního napětí otevírá T2, T1 je zavřený
-C se začne vybíjet přes RZ a T2 proudem i2
-proud i2 vytvoří na RZ kladnou půlvlnu výstupního napětí
-komplementární zapojení se používá pro výkony až desítky wattů
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
9
10
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Pracovní třídy výkonových zesilovačů
-charakterizují chování tranzistoru ve funkci zesilovače, při konkrétním nastavení pracovního bodu
-v podstatě jde o to, do jaké míry bude tranzistor v klidovém stavu (bez buzení) otevřen, případně uzavřen
-pracovní bod se týká převodní charakteristiky tranzistoru
-pracovní bod se po ní s časem pohybuje, v závislosti na okamžité úrovni a polaritě vstupního signálu.
-názorněji to ukáže graf s převodní charakteristikou tranzistoru, znázorněnou v prvním kvartálu (vlevo nahoře)
na obr. 1.109.
-zidealizovaná přímka zde vyjadřuje vtah dvou veličin: kolektorového proudu IC a proudu báze IB
-platí, že kolektorový proud je funkcí proudu báze
-třídy rozeznáváme a označujeme velkými písmeny abecedy: A, B, AB, C, D, G, H, S, T
-označení třídy svým způsobem definuje:
bud' pracovní charakteristiku koncového stupně výkonového zesilovače
nebo základní princip činnosti celého zesilovače
-třídy se mohou dle potřeb ještě dále podrobněji dělit
Malina slovník obrázek „třídy zesilovačů“
Výkonový zesilovač ve třídě A
Pracovní bod nastavíme do středu mezi max. a min. hodnotou
kolektorového proudu IC, tj. do bodu A převodní charakteristiky
-takto jsou nastaveny všechny napěťové zesilovače
-pro ně je charakteristická velikost napětí na kolektoru tranzistoru
-UC = poloviční napětí zdroje
-tranzistorem teče trvale klidový proud
-zesilovač při své činnosti signál nezkresluje
-pracuje po celou periodu, tzn. je otevřen 360°
V nf technice třídy A se v koncovém stupni používají výkonové součástky (bipolární tranzistory, MOSFET,
elektronky atd.) obvykle v jednočinném zapojení a mají nastavený klidový proud takové velikosti, aby byly
stále ve vodivém (neboli aktivním) stavu.
Díky velkému klidovému proudu pracují výkonové součástky zhruba uprostřed své lineární pracovní oblasti
(tranzistorem prochází proud po celou dobu periody vstupního střídavého signálu) a mají ze všech tříd
nejmenší zkreslení signálu.
Velkou nevýhodou třídy A je velice malá energetická účinnost koncového stupně. Z toho vyplývá relativně
velký příkon, který se z větší části mění v teplo.
Zesilovač vyžaduje velice robustní konstrukci s dobrým odvodem tepla z
výkonových součástek a jsou v něm kladeny značné nároky jak na
výkonové součástky zesilovače, tak i na napájecí zdroj
Výkonové zesilovače ve třídě A nejsou příliš rozšířeny, objevují se pouze
na trhu High-End zařízení, kde se uvádí podíl zhruba 10 procent ze všech
zesilovačů na spotřebitelském trhu..
Výhody:
- mají ze všech tříd nejmenší zkreslení signálu
Nevýhody:
10
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
11
- malá energetická účinnost koncového stupně
Výkonový zesilovač ve třídě AB
Tranzistor je téměř uzavřen, teče jen nepatrný klidový proud. Pracovní bod je nastaven v dolní části
charakteristiky, do bodu AB. Tranzistor reaguje prakticky jen na jednu půlvlnu střídavého signálu (180°),
podle své vodivosti. Proto v nf zesilovači jsou potřebné vždy dva tranzistory (dvojčinné zapojení). Účinnost,
zesilovače je pak mnohem vyšší než ve třídě A
-vf zesilovač se spokojí i s jedním tranzistorem, jestliže je
v kolektoru zapojen rezonanční obvod
-třída AB je kompromisním řešením mezi třídami A a B s tím,
že má poněkud blíže ke třídě B
-jedná se v podstatě o pracovní třídu B se zavedeným malým
klidovým proudem.
-klidový proud sice nepatrně zvyšuje spotřebu a snižuje
účinnost, ale zdaleka ne tak, jako u zesilovačů třídy A
-výhodou je naopak podstatné zmenšení přechodového
zkreslení ve srovnání s výkonovými stupni ve třídě B
Zjednodušeně lze říci, že při malých signálech pracuje zesilovač třídy AB jako zesilovač ve třídě A a při
velkých signálech jako zesilovač ve třídě B se všemi výhodami z toho vyplývajícími (dobrou účinností a velmi
malým nelineárním zkreslením)
Z těchto důvodů se staly výkonové zesilovače pracující ve třídě AB nejoblíbenější a většina lineárních
zesilovačů na trhu jsou právě výkonové zesilovače ve třídě AB.
Výhody:
-podstatné zmenšení přechodového zkreslení ve srovnání s výkonovými stupni ve třídě B
-dobrá účinnost a velmi malé nelineární zkreslení
Výkonový zesilovač ve třídě B
Od třídy AB se liší tím, že tranzistor je zcela uzavřen, neteče žádný klidový proud. Pracovní bod se pohybuje
v aktivní oblasti po dobu nejvýše 180°, zpracovává tak pouze jednu půlvlnu. V dvojčinném zapojení slouží
takový zesilovač v nf koncových stupních, jestliže se vhodným způsobem zamezí přechodovému zkreslení. Ve
vf technice nachází plné využití (lineární zesilovače SSB), podobně jako zesilovače třídy AB.
V nf technice se v koncovém stupni tříd B používají
výkonové součástky ve dvojčinném zapojení a mají
nastavený nulový klidový proud.
V jedné polovině koncového stupně jsou výkonové
součástky aktivní pouze při kladné polaritě
zpracovávaného signálu a při záporné polaritě signálu
jsou nevodivé.
Obě poloviny koncového stupně se tak v závislosti na
polaritě nf signálu střídají v činnosti a vzájemně se
doplňují.
Protože přechod z nevodivého do aktivního stavu je pouze pozvolný, jsou v okolí průchodu zpracovávaného
signálu nulou výkonové součástky v obou polovinách koncového stupně téměř nevodivé a na průběhu
výstupního signálu tak vzniká jakýsi "schod"
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
11
12
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Vzniklé nelineární zkreslení signálu se nazývá přechodové, je velmi dobře slyšitelné a uplatní se zejména u
signálů s malou amplitudou.
Výhodou třídy B oproti třídě A je větší účinnost, bez signálu neodebírá koncový stupeň žádný proud. Při
malém signálu se proudový odběr jen pozvolna zvětšuje.
Kvůli velkému zkreslení se výkonové zesilovače v čisté třídě B v nf technice téměř nepoužívají.
Výhody:
-oproti třídě A je podstatně větší účinnost
Nevýhody:
-velké nelineární zkreslení signálu
Výkonový zesilovač ve třídě C
Pro nf zapojení nemá význam, zato ve vf technice se dobře uplatní pro vysílače AM a FM. Tranzistor není
otevřen ani polovinu periody vstupního signálu (předpětí báze). Pracovní bod C se pohybuje v aktivní oblasti
po mnohem kratší dobu než je 180° 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.
Výkonové součástky zesilovače v této třídě mají nulový klidový proud a navíc mají zavedeno předpětí, které je
dále zavírá. Proto přecházejí z nevodivého do aktivního stavu až ve špičkách vstupního signálu, jejichž velikost
dosahuje řádu desítek procent napájecího napětí. Zkreslení výstupního signálu je proto ještě mnohem
výraznější než ve třídě B.
Z tohoto důvodu jsou výkonové zesilovače ve třídě C v nf technice nepoužitelné. Používají se však v
jednočinném i ve dvojčinném zapojení ve vysokofrekvenční technice ve vysílačích.
Výkonový zesilovač ve třídě D
-nepatří do kategorie lineárních zesilovačů
-pro zpracování signálu používají techniku pulsně šířkové modulace PWM (Pulse Width Modulation)
-často se užívá označení "digitální zesilovač"
-velká účinnost, pohybující se zpravidla kolem 80 % a více
(zesilovače odvozené od třídy B nedosahují účinnosti ani 50 % a účinnost zesilovačů ve třídě A je ještě horší)
Velká účinnost vyplývá z toho, že koncové tranzistory (elektronky se nepoužívají) výkonového zesilovače ve
třídě D pracují ve spínacím režimu (bud' jsou vypnuté nebo plně sepnuté).
Nevýhoda, která vyplývá ze samotného principu činnosti, je sice ne velké, ale přece jen větší zkreslení, než se
běžně dosahuje se zesilovači ve třídě A nebo AB. Pokud by mělo být zkreslení srovnatelné, vyžadovalo by to
další složitější obvodové řešení.
Je však nutné si uvědomit, že výkonové zesilovače ve třídě D jsou ve srovnání s lineárními zesilovači ve třídě
A nebo třídě AB relativně novou záležitostí a jsou tudíž stále ještě ve vývoji. Avšak už i dnes existuje
spousta digitálních výkonových zesilovačů, které mohou se svými staršími, lineárními konkurenty směle
soutěžit.
Výkonové zesilovače ve třídě D zpracovávají analogový signál, jak již bylo výše uvedeno, s použitím techniky
pulsně šířkové modulace PWM, což je klíčem k dosažení extrémně velké účinnosti tohoto typu výkonových
zesilovačů. Na výstupu zesilovače jsou pravoúhlé impulsy o vysokém kmitočtu s proměnnou šířkou, která nese
informaci o analogovém vstupním signálu.
12
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
13
Na obrázku je průběh signálu na výstupu digitálního
zesilovače ve třídě D
Obdélníkový průběh je před filtrací, sinusový po
filtraci výstupním filtrem
Výhody:
-velká účinnost, pohybující se zpravidla kolem 80 % a více
Nevýhody:
-běžně větší zkreslení, než se dosahuje se zesilovači ve třídě A nebo třídě AB
Výkonový zesilovač ve třídě G
Výkonové zesilovače ve třídě G využívají zpravidla koncový stupeň ve třídě AB, takže se neliší v práci
samotného koncového stupně. Liší se však ve způsobu napájení koncových tranzistorů, které je dvou nebo i
vícestupňové, což zjednodušeně znamená, že se velikost napájecího napětí koncového stupně přizpůsobuje
velikosti požadovaného výstupního výkonu.
Při menším výkonu pracuje koncový zesilovač s menším napájecím napětím, a když výstupní výkon přesáhne
určitou nastavenou velikost, je připojeno větší napájecí napětí, aby koncový stupeň mohl dodat větší výstupní
výkon.
Výhodou pracovní třídy G je zvětšená účinnost oproti pracovní třídě AB a z toho odvozená menší hmotnost a
rozměry zesilovače. To vše za cenu poněkud složitějšího návrhu zapojení.
Výhody:
-zvětšená účinnost oproti pracovní třídě AB
Nevýhody:
-složitější návrh zapojení.
Výkonový zesilovač ve třídě H
Výkonové zesilovače v této třídě mají stejný základ jako zesilovače ve třídě G, ale velikost napájecího napětí
koncového stupně se v tomto případě nemění skokově, nýbrž přesně sleduje velikost vstupního signálu.
Napájecí napětí koncového stupně je tak drženo přesně na takové úrovni, jaká je potřebná pro zachování
správné činnosti výkonových součástek s ohledem na aktuální velikost požadovaného výstupního výkonu. Na
výkonových součástkách zesilovače je tedy vždy konstantní úbytek napětí.
Výhody:
-ještě větší účinnost než u třídy G
Nevýhody:
-značná složitost zapojení
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
13
14
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Výkonový zesilovač ve třídě S
Takto bývají dnes označovány modernější typy spínaných (neboli digitálních) výkonových zesilovačů, které se
od třídy D liší tím, že díky implementaci novějších metod digitálního zpracování signálu již na výstupu
nepotřebují filtr LC k potlačení spínacího kmitočtu a dalších produktů spínání - tzv. spínané zesilovače
"Filterless".
Výhody:
-velká účinnost, pohybující se zpravidla kolem 80 % a více
-nepotřebují filtr LC k potlačení spínacího kmitočtu
Nevýhody:
-běžně větší zkreslení, než se dosahuje se zesilovači ve třídě A nebo třídě AB
Výkonový zesilovač ve třídě T
Výkonové zesilovače ve třídě T tvoří principem činnosti a z toho vyplývajícími dosaženými parametry průlom
v nelineárním, digitálním zpracování signálu.
Výkonové zesilovače pracují na podobném principu jako zesilovače třídy D, ale s použitím vylepšeného a
velice dobře propracovaného algoritmu řízení. Výsledkem je účinnost výkonového zesilovače kolem 90 % a
především to, že zesilovače této třídy dosahují opravdu vynikajících zvukových parametrů.
Firma Tripath Technology vyvinula speciální algoritmus pro modulaci zpracovávaného nízkofrekvenčního
vstupního signálu vzorkovacím signálem s vysokým kmitočtem. Technologie kombinuje analogové i digitální
zpracování signálů a celý algoritmus byl vyvinut na základě nejnovějších poznatků. Zmiňovaný originální
algoritmus je odvozen od algoritmů využívaných zejména v signálových procesorech pro telekomunikace.
Nf výkonové zesilovače s těmito obvody dosahují vynikajících kvalitativních parametrů, mezi něž v první řadě
patří velmi malé zkreslení a vysoká účinnost při dosažených velkých výstupních výkonech.
Z velké účinnosti zesilovačů automaticky vyplývá řada dalších výhod, jako jsou minimální nároky na chlazení
a následně i nižší náklady s tím spojené. Potřeba buď žádného, nebo jen velmi malého chladiče přispívá k
celkové robustnosti zesilovače a kompaktnosti řešení - odtud vynikající poměr objemu a váhy zesilovače k
výstupnímu výkonu. I cena je s ohledem na dosažené vynikající parametry poměrně nízká a celkové řešení
svým způsobem jednoduché.
Řadu výkonových zesilovačů ve třídě T od firmy Tripath Technology tvoří v současné době více jak jedna
desítka obvodů. První tři obvody (TA1101 B, TA2020-020 a TA2022) jsou úplné výkonové zesilovače, tedy
včetně koncového stupně s výkonovými tranzistory, které jsou součástí čipu integrovaného obvodu.
Ostatní obvody (TA3020, TA0102A, TA0103A a TA0104A) koncový stupeň nemají a jejich výstupy fungují
jako "drivery", tj. budiče vnějších výkonových spínacích tranzistorů, které tak tvoří koncový stupeň
výkonového zesilovače.
Výhody:
-velmi vysoká účinnost výkonového zesilovače (kolem 90 %)
-velmi malé zkreslení
-možnost dosažení velkých výstupních výkonů
Nevýhody:
-nevhodný návrh desky s plošnými spojí, rozmístění součástek či odchylky jejich parametrů mohou výrazně
degradovat parametry celého zesilovače.
14
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
15
Zesilovače s IO, emitorový sledovač, Darlingtonův zesilovač
Integrovaný zesilovač
-dnes se často používají výkonové nf integrované zesilovače
-(MA0403, MBA810, MDA2010, 2020 atd.)
-vnitřní zapojení bývá dosti složité
-vnější součástky mají hlavně funkci filtrační
-nebo chránící proti parazitním kmitům
-v zapojení s MBA 810 je při výstupním napětí 60mV výstupní výkon
5W do zátěže RZ=4Ω
Emitorový sledovač
-ze všech zapojení má největší vstupní impedanci
a nejmenší výstupní impedanci (i to je někdy výhodné)
-nedochází k fázovému posunutí
-fáze výstupního napětí U2 je stejná jako u vstupního U1
Parametry vedlejšího obvodu:
Rvstup = 250kΩ
Rvýst = 5 až 100Ω
AU = 0,9 (napěťové zesílení)
AI = 20 až 100 (proudové zesílení)
Darlingtonův zesilovač
-vznikne kaskádním zapojením dvojice tranzistorů v zapojení SK-SK
-podobně lze zapojit i Darlington v provedení tranzistorů PNP
-vynikající impedanční vlastnosti a velké zesílení
-parametry jsou výhodnější než u emitorového sledovače
-kombinace obou tranzistorů se na vývodech chová jako jeden tranzistor
-proudové zesílení h21E je rovno násobku proudových zesílení obou tranzistorů: h21E = h21E (T1) · h21E (T2)
-používá se ke zvětšení zesílení výkonových tranzistorů, které mívají proudové zesílení řádově desítky
Princip:
-přivedením proudu do bT1 se T1 pootevře
-jeho kolektorový proud IC1 = IB · h21E (T1) teče do bT2, čímž se T2 pootevře
-kolektorový proud tranzistoru T2 bude přibližně IC = IC2 = IC1 · h21E (T2) = IB · h21E (T1) · h21E (T2)
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
15
16
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Zpětná vazba
-zpětnou vazbou v zesilovací technice se rozumí přenesení části výstupního signálu znovu na vstup
-takovýto zpětný přenos má podstatný vliv na vlastnosti zesilovače
Vliv zpětné vazby na velikost zesílení
-přenos celého zesilovače můžeme rozdělit na:
Přímý přenos zesilovače
(zesílení bez zpětné vazby)
Zpětnovazební přenos
Přenos celého zesilovače
(zesílení se zpětnou vazbou)
Zesílení zesilovače s kladnou zpětnou vazbou
z obrázku vyplývá: u1 = u0 + uZ z toho u0 =
u1 – uZ po dosazení za uZ = β.u2 dostaneme výraz
a po vydělení čitatele a jmenovatele u1 dostaneme
neboli
-součin přenosů zesilovače a zpětné vazby β.AU snižuje velikost jmenovatele v předcházejícím zlomku
-proto bude nutně AU‘ > AU, neboli tato tzv. kladná zpětná vazba zvyšuje zesílení zesilovače
Zesílení zesilovače se zápornou zpětnou vazbou
Z obrázku vyplývá: u1 = u0 - uZ
(překřížením vodičů jsme přehodili výstup zpětné
vazby, nastává tak jiná zpětná vazba, záporná)
a výraz se změní na
-součin přenosů zesilovače a zpětné vazby β.AU zvyšuje velikost jmenovatele v předcházejícím zlomku
-proto bude nutně AU‘ < AU, neboli tato tzv. záporná zpětná vazba snižuje zesílení zesilovače
16
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
17
Vlivy zpětné vazby na další vlastnosti zesilovače
Kladná zpětná vazba
-na vstupu se zpětnovazební signál sčítá se zesilovaným vstupním signálem
Zvyšuje se zesílení
Zvětšuje se zkreslení
Zmenšuje se stabilita, může dojít k rozkmitání zesilovače (využito u oscilátorů)
Záporná zpětná vazba
-na vstupu se zpětnovazební signál odčítá od zesilovaného vstupního signálu
Zmenšuje se zesílení
Zmenšuje se zkreslení
Zlepšuje se stabilita
Zvětšuje se šířka pásma (kmitočtový rozsah, který je zesilovač schopen zesílit)
Příklady zapojení obvodů se zpětnou vazbou v zesilovačích
Proudová zpětná vazba
-zpětnovazební napětí UZ se vytváří na rezistoru RE při vynechání CE
-zpětná vazba je úměrná kolektorovému proudu (proto se nazývá proudová)
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
17
18
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Vysokofrekvenční zesilovače
-zesilují elektrické signály jen v určitém, přesně stanoveném frekvenčním pásmu
-signály s frekvencí mimo toto pásmo jsou potlačeny
-využívá se vlastností paralelního rezonančního (laděného) obvodu
Vf zesilovače můžeme rozdělit na:
Kanálové:
-zpracovávají signály určité frekvence s nejbližším okolím. (např. potřebné k přenosu jedné stanice)
Pásmové:
-určité pásmo kanálů ( VKV I,VKV II, UHF, VHF)
Širokopásmové:
-všechna pásma, využívá vlastností paralelního rezonančního obvodu
-některé příklady
Vf zesilovač s jednoduchým laděným obvodem
Paralelní rezonanční obvod tvoří selektivní zátěž, která
je naladěná na střední frekvenci zesilovaného frekvenčního pásma
Stejnosměrný pracovní bod je nastaven RB1, RB2
a RE. RV je vstupní odpor následujícího obvodu
Impedance laděného obvodu je veličina frekvenčně závislá,
která ve stavu rezonance nabývá maxima
a má určitý reálný charakter
Zesílení zesilovače určuje jednak zesílení tranzistoru T,
ale i rezonanční impedance laděného obvodu
Činitel jakosti tohoto obvodu určuje šířku přenášeného pásma
Zesílení je největší ve středu pásma,
tj. pro rezonanční kmitočet dle Thomsonova vzorce, pro nižší a vyšší frekvence klesá
Šířka pásma je dána poklesem zesílení o -3dB na každou stranu
od rezonanční frekvence
Popsaný zesilovač se značně liší od požadovaného (ideálního) stavu
Při velkém činiteli jakosti Q je malá šířka přenášeného pásma
a při malém Q je nevyhovující selektivita
(neostrý přechod mezi potlačenými a požadovanými kmitočty)
18
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
19
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
19
Vázané rezonanční obvody
Pro výše uvedené důvody se u jakostnějších vf
zesilovačů používají tzv. vázané rezonanční
obvody
Jde o vf zesilovač s větší šířkou pásma
Přenos energie ze vstupního do výstupního obvodu
určuje činitel vazby mezi rezonančními obvody,
které lze nastavit vzájemnou indukčnost M
Stupeň vazby upravuje tvar rezonanční křivky na
tzv. vazbu kritickou, nadkritickou a podkritickou
Největší šířka pásma je u vazby nadkritické
I zde jsou vlastnosti zesilovače dány zesílením
tranzistorů, ale i vázanými laděnými obvody
Pomocí odboček na vinutí laděného obvodu se
zmenšuje tlumící vliv tranzistoru na laděný obvod
20
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Širokopásmové zesilovače
-šířka pásma zesilovaných frekvencí je podstatně větší než u běžných zesilovačů
-v osciloskopech, v TV jako obrazové zesilovače se šířkou pásma 6MHz, v přijímačích radiolokátorů atd.
-rozdělují se na širokopásmové zesilovače:
-s nosnou frekvencí
-bez nosné frekvence
Širokopásmové zesilovače s nosnou frekvencí
-nejjednodušší provedení představuje vícestupňový vf zesilovač s jednoduchými laděnými obvody mezi stupni
-všechny laděné obvody jsou nastaveny na stejnou frekvenci
-nazývají se také souběžně laděné
-šířka pásma se dosáhne tlumením laděných obvodů
-(přídavnými tlumícími rezistory)
-počet stupňů určuje zesílení zesilovače
-s počtem stupňů ale klesá šířka pásma (asi 1MHz)
Šířku pásma je možné zvětšit tak,
že naladíme obvody jednotlivých zesilovacích stupňů
na různé frekvence, vzhledem ke středu pásma
Takový zesilovač se nazývá rozloženě laděný
Přenosové charakteristiky dvoustupňového zesilovače tohoto typu je na obrázku
Širokopásmové zesilovače bez nosné frekvence
-tento druh zesilovačů má rovnoměrně zesilovat signály o frekvenci několika Hz až několik MHz
-nejčastěji se používají pro zesílení obrazového signálu v TV technice, proto se také nazývají videozesilovače
-základní zapojení představuje zesilovač s vazbou s členy RC
-při malé hodnotě zatěžovacího rezistoru a se zápornou zpětnou vazbou
-takový zesilovač rovnoměrně zesiluje obrazové signály v dosti širokém frekvenčním pásmu
Pokles přenosu signálů vysokých frekvencí, způsobených parazitními kapacitami tranzistorů a spojů, se
kompenzuje obvody s cívkami a kondenzátory a pomocí rozdělení zatěžovacího rezistoru (pomocí tzv.
kompenzačních obvodů).
20
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
21
Oscilátory
-zdroj střídavého napětí, jehož frekvence je určena vnitřními součástkami
-nezpracovává žádný signál, je sám zdrojem signálu
Zesílení oscilátoru:
Zesílení zesilovače
Přenos zpětné vazby
Zesílení zesilovače se zpětnou vazbou
A po dosazení
Zesilovač jako oscilátor
-výsledek předcházejícího výpočtu dokazuje, že zesílení výše zapojeného zesilovače roste nade všechny meze
-ze zesilovače se vlivem kladné zpětné vazby stává oscilátor
-nárůst amplitudy je omezen zakřivením charakteristiky tranzistoru
-pro trvalé kmitání oscilátoru musí být splněna amplitudoví a fázová podmínky
Amplitudová podmínka
β.AU = 1 → přenos zpětnovazební smyčky se musí rovnat jedné
Fázová podmínka
φA + φB = 2π → φA fázový posun tranzistoru, φB fázový posun zpětné vazby
Druhy oscilátorů
-oscilátory rozlišujeme podle:
druhu řídícího obvodu (podle součástek v obvodu zpětné vazby β)
frekvence (nf a vf)
tvaru kmitů (sinusové→LC, RC, řízené krystalem, nesinusové→pilovité, blokující, klopné obvody, aj.)
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
21
22
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Oscilátory LC
S induktivní vazbou
-řídící rezonanční obvod je zapojen přímo na výstup zesilovače
-vstup zesilovače je induktivně vázán s řídícím rezonančním obvodem
-po zapnutí napájení se prudce zvyšuje proud v cívce L
-zvyšování proudu vyvolá indukcí zvýšení proudu do bT
-zvýšení IB zvýší IK
-zvýšení IK přes indukční vazbu opět zvyšuje IB
-zastavení nárůstu nastane až nasyceným stavem tranzistoru
-(vlivem zakřivení charakteristik tranzistoru)
-tím nastane nepatrné snížení IK
-snížení IK vyvolá vlivem kladné zpětné vazby snížení IB
-a stejný děj včetně nasycení se opakuje opačným směrem
-(záporná část kmitu)
-v rezonančním obvodu tak vzniká sinusový průběh kmitů
-oscilátor kmitá na rezonanční frekvenci dle Thomsonova vzorce
V tříbodovém zapojení
-obvodově nejednodušší jsou tyto dva druhy
-indukční větev paralelního rezonančního obvodu je provedena jako dělič napětí
-rezonanční obvod (jako dělič napětí) je k tranzistoru připojen ve třech bodech
-rezonanční obvod tvoří zpětnovazební řídící obvod
-princip je stejný jako u Hartleyova oscilátoru
-pouze dělič napětí je tvořen kapacitní větví paralelního rezonančního obvodu
Kvalita sinusových oscilátorů se posuzuje dle stability frekvence kmitů (neměnnost kmitočtu)
Stabilita se vyjadřuje poměrem ∆f / f0 a bývá pro uvedená zapojení řádově 10-3
22
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
23
Oscilátory RC
-mají zpětnou vazbu (řídící obvod) vytvořenou kombinací R a C
-frekvence oscilátoru je dána hodnotami R a C
-jejich výhodou je jednoduchost
-nemají v zapojení indukčnost (obtížně se vždy realizuje)
-řídící obvod tvoří tři derivační články (C1R1, C2R2, C3R3)
-každý z nich posunuje fázi svého výstupního napětí o 60°
-tranzistor posouvá fázi o 180°
-fázová podmínka φA + φB = 2π je splněna
Oscilátory řízené krystalem
-splňují požadavek na vysokou stabilitu a přesnost
-zapojení využívá piezoelektrických vlastností výbrusu krystalu křemene
-křemenný výbrus (zkráceně krystal) se přiloženým napětím deformuje
-a naopak, budu-li ho mechanicky deformovat objeví se na jeho polepech napětí
-v elektrickém obvodu se chová jako rezonanční obvod
-jeho náhradní schéma je vpravo na obrázku
-kapacita CR a cívka LR tvoří sériový rezonanční obvod, jehož ztráty vyjadřuje odpor RR
-kapacita CP představuje kapacitu polepů krystalu a jeho vývodů
-z náhradního zapojení plyne, že krystal má dvě rezonanční frekvence
-pro obvod sériový a pro obvod paralelní
-tomu odpovídající průběh impedance v závislosti na kmitočtu ukazuje další obrázek
-při frekvenci fS je impedance krystalu nejmenší
-krystal se chová jako sériový rezonanční obvod
-zvyšováním frekvence impedance prudce narůstá, při fP dosáhne maxima
-krystal se chová jako paralelní rezonanční obvod
-další zvyšování frekvence vede k prudkému poklesu impedance
-činitel jakosti Q krystalu je neobyčejně vysoký (104 až 106)
-řádově tedy 100x až 10.000x větší než u obvodů LC
-kmitočet krystalových oscilátorů je rovněž mnohonásobně stabilnější
-dosahuje stability 10-5 až 10-7, ve speciálních případech až 10-9
-stabilita 10-7 znamená, že při kmitočtu 1MHz je odchylka nejvýše ±0,1 Hz od jmenovitého kmitočtu
Indukčnost cívky LR v náhradním zapojení krystalu je velká a kapacita CR je zase velmi malá. Má-li být proto
kmitočet obvodu zásadně určen krystalem, musí se zapojit tak, aby jeho impedance měla indukční charakter.
To splňují již jednoduché oscilátory z následujících obrázků
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
23
24
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
-nejjednodušší možné zapojení oscilátoru řízeného krystalem
-tranzistor je v zapojení SE
-tříbodové zapojení, ve kterém krystal představuje induktivní reaktanci
-vytváří rezonanční obvod s paralelně připojenými dělenými kapacitami
-tranzistor je v zapojení SK
-aby měl krystal induktivní charakter musí frekvence generovaných kmitů
ležet mezi frekvencemi fS a fP
Oscilátory řízené krystalem se používají tam, kde je zapotřebí dlouhodobě dodržet kmitočet s velkou přesností
(kmitavý normál ve vysílačích, počítačích, přesných hodinkách atd.)
Činitel jakosti krystalu Q je vysoký, stabilní kmitočet (1MHz ±0,1Hz)
24
Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory
Download

6 - Rutar