Základy elektrotechniky

Transkript

1 Zálady eletrotechniy Přednáša Zesilovače s tranzistory, operační zesilovače

2 Stpeň se společným emitorem (SE) Pracovní bod tranzistor je vázán: jeho charateristiami podle b h (i b, ) i h (i b, ) a rovnicí II.KZ v obvod oletor: i. U A V prostorovém 3D zobrazení představje rovin rovnoběžno s oso i b, olmo na rovin oletorových charateristi (i, ). V oletorových charateristiách se zobrazí jao zatěžovací příma.

3 3

4 Konstrce zatěžovací přímy z jejích průsečíů s osami. Jso to body: [ U A 0,i ] [ U A,i 0 ], V převodních charateristiách se zobrazí jao dynamicá (prodová) převodní charateristia, vyjadřjící závislost dle rovnice: i f(i b ) Sestrojení dynamicé převodní charateristiy: přenesením průsečíů zatěžovací přímy s oletorovými charateristiami. Sestrojení napěťové převodní charateristiy: promítntím bodů zatěžovací přímy a dynamicé prodové charateristiy přes vstpní charateristi do 4. vadrant Nastavení pracovního bod: zařazením odpor b b U A i - bo bo 4

5 Početní řešení stpně SE řešíme chování stpně pro malé změny veličin v oolí pracovního bod - sostava aproximačních rovnic charateristi rčených h-parametry - rovnice vnějšího obvod tranzistor (II.KZ, pro U A onst. > U A 0) i b h h i b i b h h i. 0 Hledané řešení (závislost přírůst jedné veličiny na drhé): prodové zesílení β d napěťové zesílení A β d i i b h h. A b - h i i b - h β d vstpní odpor vst i h b vst b výstpní odpor vyst atd. vyst h 5

6 6

7 Třídy zesilovačů - podle polohy pracovního bod na převodní charateristice zesilovač třídy A zesilovač třídy B zesilovač třídy C 7

8 Stpeň se společným oletorem (SK) emitorový sledovač rovnice vnějšího obvod tranzistor, h >>, proto i b << i, b i tranzistor b i. E h h. i b. i b h Po dosazení a úpravě vztahů: i.. E 0 A h i.e. ib i. E h E. β d β d i i b h h. E pro ß d E >> h je A Napětí v emitor je přibližně rovno napětí vstpním emitorový sledovač stpeň napěťově nezesilje, zesilje poze prodově. 8

9 SK emitorový sledovač Vstpní odpor emitorového sledovače rčíme ze vztah: vst ib h β d. E Určení výstpního odpor: výst E výst tranz. E h β d g Zapojení má vysoý vstpní a nízý výstpní odpor, proto se požívá např. impedančním přizpůsobení vstp a výstp zařízení. 9

10 Zesilovač s nipolárním tranzistorem NMOS Postp řešení analogicý s bipol. tranzistory: řešíme sostav: - rovnice charateristiy nipolárního C tranzistor 0 G K 5 i G V U A i y. y. - a rovnice vnějšího obvod g g g G 4M7 E i 0-5V 33 Dynamicá strmost S d : (analogicá dyn. prod. zesílení): S d i g y y. K Napěťové zesílení: A g - K. i g - K.S d 0

11 Frevenční charateristia zesilovače A [ ] ; A [ db] 0log A B šířa přenášeného pásma B f h f d f h horní mezní mitočet f d horní mezní mitočet

12 Napěťové zesílení zesilovače a jeho mitočtová charateristia se běžně dávají v tzv. logaritmicé míře, jejíž jednoto je db - decibel. AdB 0 log A [ db;-] Zesílení 0 x odpovídá 0 db, 0 3 x odpovídá 60 db Zesílení celého řetězce je dáno - v absoltní míře - sočinem zesílení jednotlivých stpňů, - v logaritmicé míře - jejich sočtem. U A A An Un A U U n U n U n U.... A. A. A A U n U n A db AdB AdB A3dB... U A n db n [ ]

13 Tranzistor ve fnci spínače rozepnto sepnto 3

14 OPEAČNÍ ZESILOVAČ (OZ) vstpy: invertjící ( ) neinvertjící () výstp záladní stavební prve obvodů pro zpracování spojitých analogových signálů, velmi vysoém zesílení pro mitočty v rozsah 0 Hz až řádově MHz, vhodno zpětno vazbo lze průběh frevenční charateristiy OZ pravit do požadovaného tvar, Výhody: velmi snadná a jednodchá realizace požadovaných přenosů Požití: dříve modelování matematicých operací v analogových počítačích, nyní všestranné požití malé rozměry, nízá cena 4

15 Schematicá znača OZ s připojenými napájecími zdroji a zatěžovacím odporem z Pozdra OZ Zesílení samotného OZ A U U 0 5

16 Požadavy na parametry OZ velmi velié napěťové zesílení A o pro nízé mitočty, bývá 0 4 až 0 6 (80-0 db). veliý vstpní odpor v ( Ω), malý výstpní odpor (cca 0 Ω), aby byl obvod s zavřeno zpětno vazbo stabilní, je třeba, aby mitočtová charateristia samotného OZ měla tvar podle obr. (poles amplitdové charateristiy max. 0 db na deád a max. fázové zpoždění - 90 o OZ msí být přesně a stabilně vynlován, tj. nlovém napětí a prod vstp ideálního OZ by mělo odpovídat i nlové výstpní napětí Stečný operační zesilovač má chyb vynlování způsobeno složami, teré nazýváme: Uo napěťový a Io prodový ofset U valitních OZ lze ofsety vnějšími obvody vynlovat. Hodnota ofset je vša teplotně závislá, teplotní závislosti ofsetů dávají drifty. 6

17 Parametry OZ U 0 - napěťový ofset - je hodnota orečního vstpního napětí, teré je třeba zevně přivést, aby bylo výstpní napětí U 0 V, I 0 - prodový ofset - je hodnota orečního vstpního prod, terý je třeba zevně přivést, aby bylo výstpní napětí U 0, DU - napěťový drift - je strmost změny napěťového ofset U o s teploto, DI - prodový drift - je strmost změny prodového ofset I o s teploto, A - napěťové zesílení - je poměr přírůst U / U 0, nabývá hodnot Speciální modlační zesilovače dosahjí U o 0 µv, I o 0 pa, A

18 Parametry OZ Výstpní napětí U OZ je dáno vztahem. U A.U 0 Pro orientaci veličin dle obr. je A ladné. Vzroste-li potenciál neinvertjícího vstp () při onstantním potenciál invertjícího vstp (-), vzroste i výstpní napětí U. Naopa vzroste-li potenciál (-) vstp (do ladných hodnot), posne se výstpní napětí do záporných hodnot. U0 I0 OZ reagje na rozdílové napětí mezi oběma vstpními svorami, ať je jejich potenciál oproti nlovém (referenčním) zl napájecích napětí jaýoliv (v dovoleném rozsah napájecích napětí). 8

19 Mezní parametry OZ Napájecí napětí - typicy ±8 až V, doporčené provozní napětí (obvyle ±5 V). Vstpní napětí - dává se jao napětí jednoho vstp nebo jao rozdílové napětí mezi vstpy. Vždy platí, že vstpní napětí nesmí přeročit hodnot napájecího (stečného) napětí. Ztrátový výon - dává maximální přípstno hodnot celového tepelného výon sočásty. Tab. Záladní parametry vybraných typů požívaných OZ typ Frevenční rozsah [MHz] Napájení mez.[v] Spotřeba typ. [ma] U 0 [mv] LM74 ±8,8 6 NE ± 8 5 OP7 8,5 ± 3,5 0,03-0, TL074 3 ±8,

20 Záladní zapojení s OZ. INVETUJÍCÍ ZESILOVAČ iv UA přenáší vstpní signál na výstpní s onstantním, záporným, časově nezávislým přenosem. ce pro zel invertjícího vstp: v - UA v v iv 0 Napětí v resp. prod i v vstpního zl má ofsetovo lidovo slož U 0 resp. I 0, potřebno vynlování ofset OZ a slož signálovo, potřebno vybzení výstpního napětí 0 UA chyba ofset v U o v U o A ; i v I o i v I o A vst - UA 0

21 - ( )U o I o ( ) 4 A 4 44 vst 3 ( ) ( ) () chyba způsobená ne neonečným zesílením OZ, za předpolad, že A 0 >> / a A >> / vst, lze slož zanedbat () chyba daná napěťovým ofsetem U o a prodovým ofsetem I o, lze ji vyompenzovat, ale vlivem změn teploty se projeví ještě chyba způsobená drifty pro ideální přenos invertjícího zesilovače. Vstpní odpor invertjícího zesilovače je roven hodnotě.

22 . NEINVETUJÍCÍ ZESILOVAČ Neinvertjící zesilovač má velý vstpní odpor (desíty MΩ), ladný přenos, iv v UA - UA UA Sledovač pro, 0 tj. je vynechán, zratován, požívá se jao impedanční převodní 0 chyba ofset - UA

23 3. SOUČTOVÝ INVETUJÍCÍ ZESILOVAČ Dle záona sperpozice:.. UA - UA Pro volb ( ) 3

24 4. KOMPAÁTO nelineární apliace, OZ bez zpětné vazby zesílení A 0, OZ zesilje rozdílové napětí v mezi vstpy pro < U r je > 0, pro > U r je < 0, změno U r se převodní charateristia posová ve směr osy r UA UA - UA Požití pro porovnání veliosti dvo napětí, např. v dvopolohových reglátorech, de U r žádaná hodnota, řízená hodnota 0 r - UA 4

25 5. INTEGÁTO C Pro zel invertjícího vstp platí: iv UA d( C dt ) 0 v - UA t - dt U C 0 0 δ t U 0 napětí na C včase t 0, δ chyba způsobená ofsety a ne neonečným zesílením samotného OZ. ideální OZ vliv ofsetů Pro A 0, vst a ompenzace ofsetů lze δ zanedbat. 0 U0 t 5

26 Požití integrátor pro porovnání veliosti dvo napětí, např. při převod analogové hodnoty na digitální (A/D převodní s dvojí integrací). 6. ANALOGOVÁ PAMĚŤ C t t S iv UA t0 v - UA ideální OZ 0 U0 t t 6