Struktury elektronických obvodů

Transkript

1 Struktury elektronických obvodů Zesilovače Funk - většovat, tedy esilovat užitečný výkon sinálu při achování jeho časového průběhu resp. spektrálního složení. (Potřebná enerie pro esilování poocných tv. napájecích drojů Zesilovač výkonu, esilovač napětí nebo esilovač proudu - ají bud' dostatečně veliké anebo přesně definované esílení výkonu, napětí nebo proudu Výkonový stupeň - iořádný výstupní výkon esilovacího stupně v porovnání s ostatníi esilovacíi stupni uvažovaného bloku. Nelineární tvarovače a ěniče sinálů Tvarovače - funkční bloky a obvody - ění tvar časového průběhu sinálu. Lineární tvarovače - neohou vytvořit nové spektrální složky sinálu. Poue ění poěry ei původníi složkai vstupního sinálu. Nelineární tvarovače jsou jednoduché pasivní obvody, které ohou být čistě odporové, nebo ohou obsahovat akuulační součásti (, L. Aktivní tvarovače ohou výkon sinálu esilovat. Odporové nelineární tvarovače nesetrvačné (určité okažité hodnotě vstupní veličiny vždy jednonačně odpovídá určitá hodnota veličiny výstupní. Závislost výstupní veličiny na vstupní - raficky - převodní charakteristika (výnanou část ateaticky popsat hladkou funkcí, např. kvadratickou, exponenciální, loaritickou, hyperbolickou a pod.. Nejčastěji se pro tvarovače využívá přiroený a spolehlivě reprodukovatelný tvar některé voltapérové ávislosti elektronických součástí. Odporové oeovače - část původního časového průběhu příliš neění, ale v jedné či dvou oblastech hodnot vstupní veličiny výraně oeí přenos ěn této veličiny. (stejnosěrné stabiliátory napětí, stabiliátory proudu a některé esilovače absolutní hodnoty, koparátory úrovní napětí a kobinační loické členy Odporové nelineárních částí + lineární nebo lineariovatelné akuulační součásti: např. usěrňovače obvody chovající se jako ěniče sinálu periodického na sinál stejnosěrný. Usěrňovače silové (v napáječích a ěničích napětí, kde se hodnotí předevší eneretické paraetry, Usěrňovače ěřicí - určené pro ěřicí účely, kdy je nutné hodnotit přesnost ěření a paraetr periodického sinálu, který je ve skutečnosti ěřen (vrcholová, eivrcholová, střední, či efektivní hodnota ěřeného periodického průběhu, usěrňovače sdělovací, sloužící k usěrňování periodických a kvaiperiodických (periodických s ěnící se aplitudou, fáí anebo

2 kitočte sinálů ve sdělovací techni. v elektronkové éře používány pro deodulaci odulovaných vf sinálů. Obvody se spínači nebo přepínači - jako střídače (ěniče stejnosěrného napětí na střídavé - používají se obvykle v napájecích obvodech nebo jako ipulsní odulátory. Spojení střídače s usěrňovače - ěnič D-D nebo poněkud ocněji ipulsně říený droj stejnosěrného napětí nebo proudu. Reenerativní obvody Pracovní bod dílčího obvodu nebo lého bloku se nastaví do nestabilní polohy. Pracovní bod v nestabilní poloe: a jen v obvodu, který obsahuje součástku jejíž VA -charakteristika obsahuje oblast neativního diferenciálního odporu. b Nebo usí být v obvodu avedena kladná pětná vaba. Aby k reenerativníu ději došlo neativní diferenciální odpor převládne nad poitivní nebo je esílení kladné ZV (βa iniálně jednotkové. Bistabilní klopné obvody pracovní bod půsoní vnějšího sinálu ůže aujíat jen jednu e dvou ožných stabilních poloh. Bistabilní KO dva stabilní stavy přeisťování prac. bodu na vnější popud. Monostabilní klopné obvody setrvávají v jedné stabilní poloe- vnější sinál ůže překlopit do druhé (kvaistabilní polohy, v níž setrvává po dobu poalého relaxačního děje poto návrat pět do původní stabilní polohy. Astabilní klopné obvody ultivibrátory střídají se děje reenerativní s ději relaxačníi. Pro svoji činnost nepotřebují žádný vstupní sinál. Časovače, funkční enerátory a převodníky napětí kitočet le považovat a dokonalené systéové řešení onostabilních a stabilních klopných obvodů. Kobinační loické členy Číslicové obvody, jejichž výstup ávisí na okažité stavu vstupů. TTL tranistorová loika loická 1,4 až 5V, loická 0 0 až 0,7V. Technoloie MOS lo. 1 napájecí napětí obvodu. Sekvenční loické členy (s paětí Výstup neávisí poue na okažité stavu vstupů, ale také na předchoí stavu výstupů. Obsahují loické členy kobinační loiky a také funkční bloky, které si ohou apaatovat hodnoty loických stavů.

3 Převodníky D/A Elektronické spínače + droj napětí + reistory rohranní ei číslicovýi a analoovýi systéy. Spínače ovládány loickýi úrovněi. Spínače odpojují nebo připojují reistory a to určuje velikost výstupního napětí, resp proudu. V interovaných obvodech přepínání několika drojů(kondenátorů Převodníky A/D Převádí analoovou veličinu na číslo.základníi stavebníi prvky jsou koparátory napětí. Nejjednodušší převodník A/D jeden koparátor napětí spojený s referenční droje napětí ref. droj pak určuje které napětí bude převedeno na lo.1 a které na lo. 0. S příý převode A/D Se pětný převode D/A S eipřevode na jiný sinál(interátory, čítače Fáové ávěsy (PLL Oscilátory dokážou reaovat na vnější sinály je-li kitočet přecháejícího sinálu blíký vlastníu kitočtu VO je kitočet VO strháván kitočte přicháejícího sinálu. Každý PLL usí obsahovat VO (napětí říený oscilátor, fáový koparátor (porovnávání kitočtu příchoího sinálu s kitočte VO a dolní propust (VO je říen stejnosěrnou složkou a dolní propust odfiltruje střídavou složku Používají se jako : násobiče kitočtu, deodulátory FM, fáové odulátory, deodulátory AM, deodulátory a odulátory FSK a v kitočtových syntetiátorech.

4 Zesilovače Slouží ke vyšování užitečného výkonu sinálu, aniž by při to sinál kreslily (jeho časový průběh ůstává stejný, jeho spektrální složení ůstává stejné. Potřebnou enerii na esílení rou napájecích drojů. Existují esilovače výkonu, napětí a proudu. Pod těito onačeníi se vyskytují veliké, nebo přesně definované esílení výkonu, napětí nebo proudu, ale nenaená to že druhou veličinu neesilují. Výkonový stupeň iořádný výstupní výkon v porovnání s ostatníi esilovači. Tranistorové esilovače: Lineární odporový odel ískáe náhradou součástí jejich lineárníi odely a kratování napěťových drojů a ropojení proudových drojů, které se uplatňují při nastavení klidového pracovního bodu (stejnosěrné droje. Sledujee jen odporové chování, proto lineárních odelů převeee poue odpory. Za vstupní svorku bipolárního tranistoru považujee vnitřní bái. Odpor přívodu k bái uvažujee jako součást vnitřního droje sinálu. Provoní přenos napětí bude poto vždy větší než externí přenos napětí. >> >> >> - diferenciální vodivosti ei jednotlivýi póly cb i I I převodní diferenciální vodivost c 40 u UT SE (SS Společný eitor Napěťové esílení: Pro bipolární tranistor -A ue Pro unipolární tranistor -A Vstupní vodivost: us ( + ds cb + cb + R R

5 Pro bipolární tranistor - ivst cb vste + cb ( 1+ + cb (1 AuE u + + vst Pro unipolární tranistor - 0 Výstupní vodivost: vsts ivýst cb Pro bipolární tranistor - výste + cb (1+ u + + Pro unipolární tranistor - cb výsts ds Shrnutí ákladních ponatků o apojení SE ( SS : výst Může esilovat napětí a proud Obrací fái napětí SS á vstupní odpor téěř nekonečný, SE á vstupní odpor enší než výstupní odpor Při atížení lineární reistore le vtahy pro vyjádření paraetrů výraně jednodušit Při nelineární ( dynaické átěži le esílení napětí většit přes 1000 Kaskádní řaení le většovat esílení napětí i proudu Eitorový lineární odpor Re: - Zenšuje esílení napětí - Zvětšuje vstupní a výstupní odpor napětí - Zenšuje ožný rokit vstupního napětí - Zenšuje vliv paraetrů tranistoru na esílení napětí - Zenšuje nelineární kreslení esilovače Kitočtová ávislost SE: Způsobují ji paraitní kapacity a indukčnosti všech součástek. Nejvhodnější náhradou bipolárního tranistoru je iaccolettův odel. Získáe tak širokopásový odel. cb 0 bc B bc E u in u out U s E iaccolettův odel

6 Kapacita p představuje souhrn všech průchoích kapacit ei báí a kolektore. ahrnuje kapacitu vnější átěže včetně výstupní kapacity tranistoru ( ds a kapacity přívodů. Přenos obou širokopásových odelů: ( ( ( 1 j j j U j U A p p ue + + ω ω ω ω Tranitní kitočet: ( f A f p N us T + π Pro tento kitočet je odul přenosu ( A ue jednotkový. Zloový kitočet pro přenos : p N f π + Kitočet pro nulový přenos: cb M f Pro kitočet nižší než je tranitní platí pro vstupní aditanci vtah: ( ( j j j j Y p p p vste ω ω ω ω V oblasti kitočtů nižších než je loový kitočet f n se uplatní předevší vliv fiktivní kapacita f. Nad f n se projeví předevší R f. Pro paraetr f platí: ues p p f A R Millerův jev většení vstupní kapacity vlive esílení > f Millerova kapacita Může enšovat horní ení kitočet externího přenosu napětí.

7 elkový širokopásový odel vstupu esilovače vidíe na obráku. Modely pro určení přenosu K 1 U 1 /U 0. Externí přenos napětí A uex K 1 A u. Póly výsledného externího přenosu jsou určeny poue póly přenosu K 1. Externí přenos pak obsahuje dva loové kitočty f 1 a f. Zesilovač le poto považovat a kitočtově neávislý do kitočtu 0,1f 1. Shrnutí ponatků kitočtové ávislosti SE: Zesilovač složený reistorů a esilovacích součástí je kitočtově ávislý v oblasti relativně vysokých kitočtů Externí přenos napětí á dva reálné póly v levé polorovině a jednu reálnou nulu v pravé polorovině, to naená, že při ěně kitočtu v široké pásu se fáe ůže ěnit o 3/ π Průchoí kapacita p se do vstupu esilovací součásti proítne jako poěrně veliká Millerova kapacita se sériově připojený odpore R f. Millerova kapacita ůže výraně snižovat horní ení kitočet Paraitní pětná vaba přes p neohrožuje stabilitu esilovacího stupně Vliv Millerovi kapacity se dá snížit: - Zenšení saotné průchoí kapacity p - Zenšení provoního esílení A us - Zenšení R 0 tak, aby byl enší nebo roven R f

8 S (SD Společný kolektor (napěťový sledovač Napěťové esílení: Proudové esílení: Vstupní vodivost: Výstupní vodivost: výst A u vst i u u u out in i u výst výst vst vst A i + ( + i i out in výstd A + vstd i u + u R 1+ R vst ( 0 výst výst + ( cb Shrnutí ákladních ponatků o apojení S (SD: 1+ < 1 0 R + Zapojení je schopné esilovat poue proud, přenos napětí je enší než 1 Neobrací fái napětí S se chová jako SE se 100% sériovou napěťovou ápornou pětnou vabou, která j. přenos lineariuje v širokých eích. 0

9 Při použití tranistorů le docílit, že se přenos napětí načně blíží k 1 > sledovač napětí Vstupní odpor je větší než výstupní Vstupní odpor S je větší než u SE a výstupní odpor S je enší než SE Větší pětný přenos než v apojení SE a nesí se přehlížet Darlintonovo apojení většuje esílení proudu, enšuje přenos napětí Obvod SD nele při atížení lineární reistore provoovat jako dokonalý sledovač napětí pro alou hodnotu strosti FETů, přenos napětí je nohe enší než 1 Výstupní odpor v apojení SD je dán převránou hodnotou Kitočtová ávislost S (SD: Zapojení s S á na vyšších kitočtech neativní reálnou část vstupní aditan, pokud bude ít přívod k bái přiěřenou paraitní indukčnost, dojde k rokitání obvodu. S se používá na výstupech funkčních bloků pro ajištění dostatečně alé výstupní ipedan. Model pro výpočet vstupní aditan B E Y vst u in U Model pro výpočet výstupní aditan B E Y výst 1 1 U Provoní přenos širokopásového odelu: A u U ( jω U ( jω jω + jω( +

10 Vstupní aditan: Y vste Výstupní aditan: Y ( ( jω výste + jω + ( 0 + ( jω 0 ( + jω( jω ( jω jω( + jω + 1 Shrnutí ponatků kitočtové ávislosti S: Provoní přenos napětí S a SD je v široké napětí kitočtově neávislý Zpětná vaba půsoná průchoí kapacitou ei výstupe a vstupe v součinnosti se atěžovací kapacitou, je příčinnou vniku neativní odporové složky vstupní aditan, která se uplatní v oblasti nejvyšších kitočtů a často působí rokitání stupně S Zpětný přenos je v široké pásu kitočtů veli výraný a jeho vliv by neěl být podňován Paraitní kitů le abránit oddělení kapacitní átěže tluící reistore v bái, nebo atluení vstupu jinou pětnou vabou a konstrukční uspořádání oeující indukčnost vnější syčky ei báí a eí Horní ení kitočet externího přenosu napětí je pravidla oeen vstupní kapacitou stupně S Zesilovač S ůže projevovat výstupní ipedanci induktivního charakteru již při poěrně alých kitočtech SB (S Společná báe

11 Napěťové esílení: A ub u u out in + + cb + + R Proudové esílení: Vstupní vodivost: iout β A ib AuB 1, přesněji α i β + 1 i in ( vstb vst vstb uvst + + Výstupní vodivost: výst i u výst výst ( cb ( ( Shrnutí ákladních ponatků o apojení SB (S: Zesílení napětí á hodnotu prakticky shodnou jako SE Zesilovač neobrací fái napětí Vstupní odpor je nohe enší než výstupní Obvod á e všech ákladních obvodů nejenší vstupní odpor a největší výstupní odpor Zapojení S na výstupu opakuje vstupní proud A i -1 Zapojení SB proud nepatrně eslabuje Kaskádní řaení nevětší esílení napětí, většuje jen výstupní odpor Zpětný přenos napětí je dán poěre / a jeho vliv je nejenší e všech apojení Kitočtová ávislost SB (S:

12 Pro lkovou kapacitu átěže bude platit + cb. Zatížení esilovače lineární reistore neovlivní tvar rovni pro esílení napětí. Provoní přenos širokopásového odelu: U ( jω + jω AuB U1( jω + + jω( + Vstupní aditan: ( + jω( + ( + jω + ( + jω ( + jω YvstB ( jω + + jω( + Shrnutí ponatků kitočtové ávislosti SB: Provoní přenos napětí á pól i nulu v levé polorovině Nula se prakticky neuplatní, její kitočet je nohe vyšší než tranitní kitočet tranistoru Horní ení kitočet provoního přenosu napětí je prakticky shodný s horní ení kitočte apojení SE Při alé hodnotě odporu R není pětný přenose vůc ovlivněn kitočtový průběh vstupní aditan Za těchto okolností á i externí přenos v kitočtové pásu pod tranitní kitočte tranistoru jediný lo odpovídající pólu provoního přenosu. Nastavení a stabilia klidového pracovního bodu Pracovní bod nastavujee podle třídy esilovače. Ocně klidový pracovní bod říká, že při určité nastavené stejnosěrné napětí procháí součástkou určitý stejnosěrný proud. Na charakteristi se projeví jako bod P. Zesilovač ve třídě A U tohoto esilovače platí, že se pracovní bod nacháí ve středu atěžovací charakteristiky. U U cc /, kde Ucc je napájecí napětí obvodu. Výhodou apojení je jednoduchost apojení a esílení kreslení ( aplituda výstupního sinálu nebude větší než Ucc/. Nevýhodou apojení je velká spotřeba(usíe pracovní bod udržet v dané poloe.

13 Zesilovač ve třídě B Ic [A] I výst Ic P Ic I B [ua] U [V] Není esíleno U Zkreslení P U i vst (t I B V toto apojení je klidový pracovní bod nastaven v atěžovací charakteristi na nulový klidový proud. Vysoká účinnost (výkon/příkon tohoto obvodu. Docháí ke kreslení výstupního sinálu vlive nelinearity převodní charakteristiky. (Na výstupu tedy není esílen lý sinál - náorněno na obráku. Toto apojení přenáší poue jednu polaritu napětí. Zesilovač ve třídě AB Zesilovač v této třídě á enší účinnost než es. ve třídě B Nedocháí ke kreslení sinálu při otevírání tranistoru. Na bái tranistoru je předpětí (většinou 0,7 V, které tranistor částečně otevře (neuplatní se počáteční nelinearita převodní charakteristiky Toto apojení opět přenáší poue jednu polaritu napětí.

14 Zesilovač ve třídě Klidový pracovní bod je nastaven do oblasti ániku výstupního proudu Výstup je necitlivý na alé budící sinály Vstupní sinál se uplatní jen když jeho okažité hodnoty vstoupí do aktivní oblasti. Stabilia klidového pracovního bodu Jelikož je tranistor teplotně ávislá součástka, což naená, že se při ěně teploty ačne ěnit procháející proud kolektore a napětí ei kolektore a eitore. Začíná se ná tedy ěnit poloha pracovního bodu. Tato ěna polohy je nežádoucí, proto se snažíe ji inialiovat. Slouží k tou apojení (áporná pětná vaba s odpore Re, nebo s proudový droje. Poocí odporu Re Při ěně teploty ná tranistore stoupne stejnosěrný proud procháející obvode. Stejnosěrné napětí ei kolektore a eitore také klesne. Zvětšený proud kolektore ná vyvolá větší úbytek napětí na Re, tí ná klesne napětí ei báí a eitore a tranistor se uavírá. Pro střídavé sinály je odpor Re kratován kondenátore e.

15 Poocí proudového droje ísto Re Tranistore v toto případě procháí konstantní proud, tí páde se neění ani napětí ei kolektore a eitore. Tranistor je teplotně stabiliován. Pro střídavé sinály je proudový droj odpojen poocí kapacitoru e. Zapojení nepracuje pokud je tranistor la uavřen. Zesilovací stupně s induktivní a reonanční átěží Na reonanční átěži je esílení obvodu největší na reonanční kitočtu, to vyplívá frekvenční charakteristiky ipedan paralelního reonančního obvodu. Fáový posuv je na reonanční kitočtu přesně 180. Střídavá vaba širokopásovýi tranistory Transforátor alvanicky odděluje (e obvodů na vstupu není spojena se eí obvodů na výstupu vstupní a výstupní obvod. Další výnanou vlastností transforátoru je, že transforuje výstupní ipedanci na vstup.

16 Kobinované stejnosěrně váané esilovací stupně a bloky Již se příliš nelepšují paraetry křeíkových tranistorů pro esilovače. Pro lepšení paraetrů esilovače se vytvářejí růné kobina esilovacích stupňů, které jsou ei sebou přío (alvanicky spojeny. Obvody pro výšení horního eního kitočtu a jakostního čísla Tranistor v apojení SE je kitočtově ávislý v oblasti vysokých kitočtů (a horní ení kitočte. S enšuje vliv kapacity vnější átěže a připojení S na vstup potlačíe vliv vstupní kapacity stupně SE výšíe horní ení kitočet. Zapojení S-SE s PNP tranistore ůže pracovat s nulový klidový napájecí napětí na vstupu a částečně kopenuje teplotní ěny klidového proudu tranistoru SE. Jakostní číslo se obvykle shora blíží k tranitníu kitočtu tranistoru v apojení SE Potlačení pětného přenosu SB se vynačuje nejenší pětný přenose napětí v široké pásu kitočtů a největší výstupní ipedanci. Zátěž apojení SE-SB bývá širokopásová (videoesilovače, ěřící esilovače, vysokofrekvenční a eifrekvenční esilovače kounikačních přijíačů. SE je atížen (vstupní odpore báe odpore rovný 1/, a proto je provoní esílení napětí rovno -1 > neuplatní se Millerův jev. Proudový přenos SB je jednotkový. Napěťový přenos lé kobina je v oblasti středních kitočtů prakticky stejný jako v saotné apojení SE. Zapojení obrací fái.

17 Zapojení S-SB á ve srovnání SE-SB větší pětný přenos, obě nuly přenosu spolehlivě leží v levé polorovině. Hodí se do soustav se silnou ápornou pětnou vabou. Používá se v instruentační techni pro jadernou fyiku nepřebuditelný stupeň. Tranistor T1 se totiž neůže dostat do satura dokud napětí na jeho bái nepřekročí napájecí napětí. Zenšení vlivu souhlasného napětí Požadujee přenášení poue rodílové napětí u r (u a -u b. Souhlasná složka usí být potlačena u s (u a +u b /. Dostatečné potlačení vede k potlačení rušivých sinálů nebo k potlačení nežádoucích ěn přenosových paraetrů bloku. Idealia obvodů: Použití ideálního droje proudu v přívodu eitorů Zajištění přísné syetrie dvoji tranistorů (proudy, napětí a výkonové tráty Předpokladu nepatrných ěn lineárních paraetrů tranistorů při ěnách u s Zesílení rodílového vstupního sinálu: A urodílové MR (oon Mode Ratio, MMR (oon Mode Rejection Radio činitel Aurodílové potlačení souhlasné složky: MR 0 lo [db] Ausouhlasné R

18 Reálné operační esilovače: Reálné operační esilovače se liší od ideálních hlavně těito vlastnosti: Operační asilovač Ideální Reálný Zesílení otevřené syčky A 0 [-] Vstupní diferenciální ipedan Z id nekonečno řádově 10 5 nekonečno Z id U d /I b (OZ typu MOS typicky 10 1 Výstupní ipedan Z 0 Výstupní napěťový offset U OS 0 nenulový (typicky 100 do 0 Ω 0 nenulový MR nekonečno >70 Šířka pása nekonečno načně oeena (určena ení kitočte esílení otevřené syčky Šuová napětí 0 Nenulová Odporový odel reálného operačního esilovače: Model nerespektuje odpory vstupních svorek proti ei a přenos souhlasné složky vstupního napětí. U 0S vstupní napěťová nesyetrie (droj není polariovaný, polarita offsetu je náhodná i při nulové vstupní napětí se na výstupu nějaké napětí objeví

19 I 0S vstupní proudová nesyetrie (při nulové napěťové nesyetrii a souěrné struktuře vstupu esilovače by ěly být proudy stejné I I I I in lkový vstupní proud I I + I / in ( ina inb Horní ení kitočet OZ je tí enší, čí větší je A 0 při nulové frekvenci. 0 S Doba přeběhu SR (Slew Rate: Výstupní napětí OZ přebíhá určitou ení rychlostí. Doba přeběhu charakteriuje schopnost OZ přenášet velké a rychlé ěny napětí. Udává axiální kitočet, pod který esilovač neoeuje. SR f ax [ MH, V, µ s] πu Kopena napěťové nesyetrie: Poocí potencioetru nastavíe (vstupní svorky připojeny na e výstupní napětí na nulu. ina inb Existují také saočinně nulované esilovače, které kopenaci nepotřebují. Kopena proudové nesyetrie: Napětí na odporu vyvolané proude tekoucí invertující svorky. Kopenujee napětí na odporu, vyvolaný proude tekoucí neinvertující svorky OZ. Výstupní napětí je pak nulové.