i 2 R výst R z u 2 nf. zesilovac u 2 R Z Obr. 3.2 Zapojení prístroju pro merení vlastností nf. zesilovace = výkonové: A i

Transkript

1 3 Zesilovace Zesilovac mže být elektrický, pnematický (brzdy v nákladním ate), hydralický (bagr). Každý ke své cinnosti zesilování, potrebje zdroj energie. Elektrický zesilovac stejnosmerné napetí, pnematický stlacený vzdch, hydralický tlakový olej. Elektrické zesilovace zesiljí elektrické napetí, prod nebo výkon a pritom nemají menit jejich casový prbeh. Rozdeljí se podle zesilovaného výkon, kmitoct, šírky zesilovaného kmitoctového pásma, zapojení, poct zesilovacích stpn, požití atd. 3. Princip elektrického zesilovace i R vst. R výst R z Obr. 3. Princip zesilovace i Princip zapojení zesilovace je na obr. 3.. Zesilovac má tri páry svorek: vstpní, výstpní a tretí pár složí pro pripojení stejnosmerného napájecího napetí. Na vstp je privedeno napetí, do vstp tece prod i. Na výstp je napetí, z výstp pres zátež R z tece prod i. 3. Vlastnosti zesilovac Pri merení vlastností nf. zesilovace požíváme zapojení prístroj podle obr. 3.. Zesilovac napájíme ze stejnosmerného napájecího zdroje, zdrojem mereného napetí je nf. R generátor, místo reprodktor pripojíme odpor o stejné hodnote jako je impedance reprodktor (abychom pri merení neršili ostatní), zesílené výstpní napetí meríme nf. milivoltmetrem, jeho prbeh kontroljeme osciloskopem a velikost harmonického zkreslení zmeríme mericem harmonického zkreslení k. ss. zdroj + _ R generátor nf. zesilovac R Z Zesílení (prenos) zesilovace Je pomer mezi stejno výstpní a vstpní velicino napetové: Obr. 3. Zapojení prístroj pro merení vlastností nf. zesilovace = prodové: i i = výkonové: i P = = Pomer dvo stejných velicin se dá vyjádrit v logaritmických jednotkách decibelech [d]. Potom je i p p = i i 4

2 napetové zesílení: = 0 log [d], prodové zesílení: pri stejné vstpní a výstpní impedanci zesilovace výkonové zesílení: 3... Výkon zesilovace i = 0 log [d], p P = 0 log [d] p Urcí se zmerením velikosti výstpního napetí na známé záteži R Z a jeho výpoctem podle vztah p = [W]. U nf. zesilovace se dávají rzné drhy výstpního výkon - jmenovitý, maximální, R Z hdební, sinsový, pri daném zkreslení, na hranici limitace atd itlivost zesilovace Je to vztah mezi rzno vstpní a výstpní velicino. U nf. zesilovac se dává napetová citlivost, což je velikost vstpního napetí, které vybdí zesilovac na jmenovitý výkon. ežná hodnota je 00 mv Úcinnost zesilovace Je dána pomerem strídavého výstpního výkon zesilovace k stejnosmerném príkon, který odebírá zesilovac ze stejnosmerného napájecího zdroje. Udává se obvykle v % podle vztah η = 00 [ %] Úcinnost zesilovace závisí na tríde, ve které je nastaven jeho pracovní bod a na vybzení zesilovace. Nejvetší úcinnost má zesilovac pri nejvetším vybzení. Rozdíl mezi výkonem a príkonem jso ztráty, které se mení v teplo a proto se koncové zesilovací socástky pri vetších výkonech msí chladit Vstpní a výstpní odpor zesilovace Jso dány konstrkcí a zapojením zesilovace. Vstpní i výstpní odpor (na obr. 3.) mají i složky reaktancní a proto se správneji nazývají impedance. Vstpní odpor zesilovace je fiktivní odpor, jakoby paralelne zapojený ke vstpním svorkám zesilovace a tím zatežjící zdroj zesilovaného napetí. Merí se metodo polovicního napetí do série se vstpním signálem se zapojí promenný odpor, napr. odporová dekáda a její hodnota se nastaví tak, aby napetí na výstp zesilovace pokleslo na polovin. Potom je na vstp zesilovace vytvoren delic ze dvo stejných odpor a hodnota odpor dekády se rovná vstpním odpor zesilovace. Pri správném výkonovém impedancním prizpsobení by mel být vstpní odpor zesilovace stejne velký jako je výstpní impedance zdroje zesilovaného signál. Výstpní odpor zesilovace je fiktivní odpor zapojený do série se zdrojem zesíleného signál. Dá se zmerit tak, že se zesilovac naprázdno vybdí (tj. bez záteže což se ale nedoporcje) na libovolno hodnot výstpního napetí a potom se zatežje napr. dekádo tak, až výstpní napetí poklesne na polovin. Hodnota odpor dekády se rovná výstpním odpor zesilovace. Pri správném výkonovém impedancním prizpsobení by mel být výstpní odpor zesilovace stejne velký jako je hodnota zatežovací impedance. Znamená to, že impedance vstpního zarízení (napr. mikrofon) má co nejvíce odpovídat vstpní impedanci zesilovace a práve tak impedance výstpního zarízení (napr. reprodktor) výstpní impedanci zesilovace. Impedancní prizpsobení se provádí pomocí transformátor nebo vhodným zapojením zesilovace Šm zesilovace Šmem zesilovace jso nežádocí signály vyšších kmitoct na výstp nevybzeného zesilovace. Zdrojem šm jso pasivní i aktivní socástky, predevším hlíkové odpory a tranzistory. Další ršivá napetí zpsobje elektrostatická nebo elektromagnetická indkce (proto se požívají ochranná stínení) a ršení ze zdroje a ze síte Zkreslení zesilovace Zkreslení zesilovace je: a) nelineární b) lineární α) harmonické α) amplitdové β) intermodlacní β) fázové p P ss i i 5

3 a) zkreslení nelineární Zpsobjí ho nelineární prvky, kterými jso zesilovací socástky dríve elektronky, dnes tranzistory a IO. Dochází pri nem ke zmene tvar zesilovaného signál a pro se také nazývá tvarové. Na slch psobí nelibozvcne. Velikost nelineárního zkreslení závisí na vybzení zesilovace, tedy na amplitde zesilovaného signál. ím je vetší amplitda, tím je vetší i nelineární zkreslení. α) harmonické zkreslení Zesilovací socástky mají nelineární prbeh V charakteristik a pri prchod signál zesilovacem dochází ke vznik vyšších harmonických kmitoct. Jso to celistvé násobky zesilovaného kmitoct (ten má tzv. první harmonicko,. harmonická má kmitocet dvojnásobný, 3. harmonická trojnásobný atd.), a podle své fáze se ze zesilovaným signálem scítají nebo odecítají a tím mení jeho tvar. nalýzo zesíleného signál zjistíme, že je tvoren napr. z 99 % signálem. harmonické a jedno procento tvorí signály vyšších harmonických kmitoct. Velikost harmonického zkreslení se dává cinitelem harmonického zkreslení k v %, které takovéhoto zesilovace bde %. h + 3h + 4h + + nh k = 00 [%] a vyjadrje geometrický prmer obsah vyšších h harmonických k. harmonické. Socasné zesilovace mají k mnohem menší než %, casto pohé setiny %. Zkreslení vetší než % je viditelné na osciloskop. Velikost k meríme mericem harmonického zkreslení. Postpjeme tak, že nejprve v poloze Pozadí zmeríme celé výstpní napetí a jeho hodnot nastavíme vstpním delicem na 00 dílk = 00 %. Potom prepneme do polohy Merení. Tím zaradíme laditelný filtr, kterým odfiltrjeme. harmonicko a namerené výstpní napetí je prímo velikostí harmonického zkreslení k v %. t t Obr. 3.3 Zkreslení tretí harmonicko ve fázi Obr. 3.4 Zkreslení tretí harmonicko v protifázi Pomocí harmonické analýzy (Forierv rozvoj) se dá dokázat, že každý nesinsový, ale periodicky se opakjící prbeh (napr. obdélníkový, pilovitý, trojúhelníkový apod.) je tvoren soctem nekonecné rady vyšších harmonických kmitoct sinsového tvar. Na obr. 3.3 je videt, že socet signál. harmonické s 3. harmonicko ve fázi se již blíží obdélníkovém prbeh. Zkreslení 3. harmonicko vprotifázi (obr. 3.4) vzniká pri magnetickém záznam elektrických signál v magnetofon. β) intermodlacní zkreslení Vznikne socasným privedením dvo nebo více signál na vstp zesilovace. Na nelineární V charakteristice zesilovacího prvk, napr. tranzistor dojde k jejich smešování tj. k soct a rozdíl jejich kmitoct a k soct a rozdíl kmitoct jejich vyšších harmonických. Tím vznikne velké množství dalších signál, které zmení tvar zesilovaného signál. Velikost tohoto zkreslení je vetší jak zkreslení harmonického. Ve sktecnosti je intermodlacní zkreslení daleko nepríjemnejší než zkreslení harmonické. Vyšší harmonické jso tóny, lišící se od základního kmitoct. harmonické o jedn nebo více oktáv. Takové tóny pri poslech prakticky splývají a nepsobí nelibozvcne. Nové kmitocty, vznikající smešováním, psobí naopak ršive. V praxi obvykle intermodlacní zkreslení nemeríme, protože jeho merení je znacne složitejší než merení harmonického zkreslení. Protože obe tato zkreslení jso zpsobena nelinearito zesilovacích prvk, spokojíme se bežne jen se zmerením harmonického zkreslení a važjeme, že cím menší je harmonické zkreslení, tím menší je i zkreslení intermodlacní. 6

4 b) Lineární zkreslení Je zpsobeno lineárními, kmitoctove závislými prvky v zesilovaci, predevším kondenzátory a kapacitami, které s odpory vytvárejí nežádocí, kmitoctove závislé delice napetí D a I. Velikost lineárního zkreslení závisí na kmitoct zesilovaného signál. α) amplitdové zkreslení (prenosové, útlmové) Projevje se tím, že zesilovac nezesilje na všech kmitoctech stejne, napr. nf. zesilovac dochází k pokles zesílení jak na strane nízkých kmitoct (vlivem D), tak na strane vyšších kmitoct (vlivem I). O velikosti tohoto zkreslení se presvedcíme zmerením amplitdové (prenosové, útlmové) frekvencní charakteristiky zesilovace (obr. 3.5). pomerné U (lin) 0 d - 3 d = konst. amplitdová charakteristika = fce (f) f d = f f h f [Hz] (log) h - f d + ϕ f d fázová charakteristika ϕ = fce (f) f h f [Hz] (log) ϕ Obr. 3.5 mplitdová a fázová charakteristika nf. zesilovace Z rzných možných zpsob merení a grafického vyjádrení této charakteristiky je vnaší škole vžitý tento zpsob: Urcí se závislost pomerného zesílení zesilovace v d na kmitoct zesilovaného signál pom. = fce (f) pri konstantní hodnote vstpního napetí. Postp merení: Na kmitoct khz zmeríme napetovo citlivost zesilovace (rcíme velikost vstpního napetí, které vybdí zesilovac na hranici limitace) a tto hodnot zmenšíme o 0 d (tj.0x, aby se zesilovac pri merení na jiných kmitoctech náhodo neprebdil) a držjeme tto hodnot vstpního napetí konstantní po celé další merení. Meníme kmitocty, odecítáme velikost a vypocítáme pomerné napetové zesílení, vztažené k hodnote na kmitoct khz podle vztah = 0.log [d] a vypocítané hodnoty vyneseme do graf na semilogaritmický papír (svislá (khz) osa lineární, vodorovná logaritmická). Pro pokles o 3 d z graf rcíme mezní kmitocty f d a f h a tím šírk pásma, ktero zesilovac prenáší. Tento drh zkreslení není na poslech nepríjemný a nekdy jej zámerne vyvoláváme, napr. snížením horního mezního kmitoct f h z dvod omezení šm. 7

5 β) fázové zkreslení Je zpsobeno tím, že rzné kmitocty procházejí zesilovacem rzno rychlostí. Tím dochází k fázovém posntí mezi vstpním a výstpním signálem. Fázové zkreslení sovisí se zkreslením amplitdovým. Na kmitoctech, na kterých má zesilovac stálé zesílení, je fázový posv ϕ = 0. Smerem k nižším kmitoctm, kde klesá zesílení, se ϕ zvetšje do kladných hodnot a na strane vysokých kmitoct do záporných hodnot. Na mezních kmitoctech je ϕ = ± 45. Fázová charakteristika je spol s amplitdovo na obr Protože náš slch menší fázové posntí nepostrehne, tak nám toto zkreslení ve zvkové technice nevadí. Jiná sitace je v obrazové technice (televizory, monitory), kde i malé fázové zkreslení obrazového zesilovace zpsobí zhoršení kvality obraz. 3.3 Zesilovací socástky K zesilování elektrických signál je zapotrebí zesilovací prvek. Rok 906 vynalezl merican De Forest triod - elektronk se tremi elektrodami, která byla schopná zesilovat elektrický signál. Ta pomohla k ohromném rozvoji elektroniky a možnila napr. rozhlasové vysílání. Nevýhodami elektronek je, že jso velké, potrebjí žhavení a velké napájecí napetí, mají omezeno životnost, jso citlivé na otresy atd. V socasné dobe se požívají elektronky jako obrazovky, speciální drhy vf. elektronek jso napr. ve vysílacích na držicích (permaktron) nebo v mikrovlnné trobe (magnetron). V moderních zarízeních jso nahrazeny polovodicovými zesilovacími socástkami tranzistory nebo z nich sestavenými IO. Tranzistor byl vynalezen vnglii v roce 948, jeho tri tvrci ardeen, rattain a Shockley za to obdrželi Nobelov cen a tento vynález znamenal revolci v elektronice a ta zase ve vetšine ostatních odvetvích techniky Princip elektronkového zesilovace G K I v R -U GK U K Obr. 3.6 Princip elektronkového zesilovace 3.4 Tranzistory bipolární Nejjednodšší zesilovací elektronka je trioda. V bance (ve které je vakm) jso tri elektrody - katoda, anoda a rídící mrížka. Princip zesilovace s triodo je na obr Žhavená katoda emitje elektrony, které mají záporný náboj a jso pritahovány kladným napetím anody. Množství elektron, které proletí od katody na anod lze rídit záporným predpetím U GK mezi rídící mrížko G a katodo K. ím je U GK vetší, tím menší množství elektron proletí na anod a tím triodo tece menší prod. Malá zmena U GK, vyvolaná vstpním zesilovaným napetím, vytvorí velko zmen anodového prod I a na pracovním odpor zesilovace R dojde k velké zmene úbytk napetí, které se pres vazební kondenzátor odvádí jako zesílené výstpní napetí. U elektronek je velikost výstpního prod rízena velikostí vstpního napetí. Stejný princip se platnje pri rízení velikosti prod v obrazovkách, který rcje jas rozsvecovaných bod na jejím stínítk. Tranzistory jso vyrobeny z polovodicových materiál. Dríve se požívalo germanim Ge, dnes kremík Si a pro vysokofrekvencní tranzistory se požívají tzv. smesné polovodice - Gas, GasP, Gasl aj. Polovodice jso ctyrmocné krystalické materiály s diamantovo vazbo, kterých pri snižování teploty jejich vodivost klesá a pri 0 K se chovají jako izolanty. Naopak zahríváním nebo dodáním energie jiným N P N E I I E = I + R typ NPN E typ PNP E Obr. 3.7 Schématické znacky bipolárních tranzistor U E U Obr. 3.8 innost tranzistor 8

6 zpsobem, napr. zárením, jejich vodivost - na rozdíl od vodic - roste a to vlivem tzv. vlastní vodivosti (typ I). Nedarí se vyrobit cistý kremík, vždy obsahje necistoty. Jso to prvky trímocné a petimocné, jso obsaženy približne ve stejném pomer a vytvárejí vodivost nevlastní. Jestliže je jedna vazba nenasycena vznikne kladná díra a vodivost je derová, pozitivní, typ P. Jestliže prebývají elektrony, je vodivost elektronová, negativní, typ N. Úmyslným dodáním (dotací) trímocných nebo petimocných prvk (donor a akceptor) jeden typ vodivosti prevládne a tím získáme polovodic s prevládající vodivostí N nebo P. Dotace se provádí podle potreby velká nebo malá. Tranzistory se delí podle vodivosti, kmitoct (který jso schopné zesílit), výkon, fnkce, ale nejdležitejší rozdelení je podle princip na bipolární a nipolární. Dále se bdeme zabývat tranzistory bipolárními, s nipolárními tranzistory se seznámíme pozdeji. V diode jso dve vrstvy kremík s vodivostí P a N. Tím vznikne prechod PN, který vede prod poze jedním smerem a to tehdy, je-li polarizován v propstném smer (tj. + pól na P a - pól na N) a privedené vnejší napetí je vetší jak vnitrní difsní napetí, které je kremík 0,5 0,7 V (viz diody). V tranzistor jso tri vrstvy se strídavo vodivostí NPN nebo mnohem méne casto s vodivostí PNP. Nejsilneji je dotován emitor, méne velmi tenká báze, nejméne kolektor. Tím jso vytvoreny dva prechody a to -E a -. Prechod -E se zapojje v propstném smer, - vzáverném. Ze dvo samostatných diod se ale nedá vytvorit tranzistor. PN tranzistor emitor volnje veliké množství záporných elektron, které precházejí do oblasti báze. Zde jich malá cást zrekombinje (najde volno kladno dír a vznikne netrální atom) a tím vytvorí malý prod báze. Vetšina elektron ale prejde velmi tenko bází do oblasti kolektor, kam je pritažena jeho velkým kladným napetím a vytvorí prod kolektorem I. Tím tranzistorem teco stejnosmerné klidové prody I E,, I. Prod emitorem je nejvetší, bází nejmenší. Platí, že I E = I +. ipolární tranzistory se delí podle požití na nízkofrekvencní, vysokofrekvencní, spínací, pro napetové nebo výkonové zesilovace Vlastnosti bipolárních tranzistor Protože má tranzistor tri elektrody, existjí tri jeho rzná zapojení a to se spolecno bází S, se spolecným emitorem SE a se spolecným kolektorem S. Jedna elektroda je vždy spolecná pro vstp i výstp. V každém zapojení má stejný tranzistor jako zesilovac jiné vlastnosti. Tyto vlastnosti jso vedeny v následjící tablce. elektrody odpor zesílení zapojení vstpní výstpní vstpní výstpní i p =. i fáze S E malý velký 00 < 00 zachována SE približne stejný (kω) obrácená S E velký malý < zachována Mezní hodnoty Najdeme je pro každý typ tranzistor v katalog. Je to predevším hodnota maximální dovolené kolektorové ztráty P max., nejvetší dovolené hodnoty prod jednotlivými elektrodami a nejvetší dovolené hodnoty napetí mezi nimi. Pri zesilování vysokých kmitoct je dležitá hodnota mezního kmitoct tranzistor f MEZ a tranzitního kmitoct f T h - parametry Dležitým parametrem tranzistor pro nízkofrekvencní úcely je jeho prodový zesilovací cinitel h (cti há dva jedna). Je to pomer výstpního prod k vstpním prod. Není to konstanta, velikost h závisí na prod I (výrazne klesá se zmenšjícím se prodem I, menší pokles také nastává pri velkých prodech I ) a na kmitoct. Na mezním kmitoct f MEZ poklesne velikost h na hodnot 0,707 oproti hodnote na nízkých kmitoctech, na tranzitním kmitoct f T se hodnota h e =. Jso h - parametry stejnosmerné a strídavé pro rzná zapojení tranzistor. Naštestí velikost stejnosmerných i strídavých h - parametr je na nízkých kmitoctech približne stejná. Vztahy pro výpocty h-parametr jso vedeny v následjící tablce. zapojení SE zapojení S h stejnosmerné strídavé hodnota I h E = I = I I E = I I + I h h I = e I I = b < I E 9

7 Teplotní závislost Nežádocí vlastností všech polovodicových socástek a tím i tranzistor je závislost jejich parametr na teplote. Zvyšováním teploty se zvetšje vlastní vodivost polovodic a tím se zvetšjí tzv. zbytkové prody, tekocí prechody PN vzáverném smer. U kremíkových tranzistor jso hodnoty zbytkových prod rádove tisíckrát menší než germaniových a jejich vliv je proto zanedbatelný. U kremíkových tranzistor se platnje vliv zmenšování velikosti difsního napetí prechod -E s rostocí teploto. Udává se, že zvýšení teploty o jeden stpen sníží difsní napetí o mv. Zmenami teploty se mení nastavení stejnosmerného pracovního bod zesilovace a proto se msí jeho klidová poloha stabilizovat harakteristiky Dobro predstav o tranzistor dává grafické vyjádrení jeho vlastností pomocí charakteristik na obr Vstpní charakteristika - kreslí se ve tretím kvadrant. Je to charakteristika vstpního prechod -E a to je V charakteristika Si diody vpropstném smer, poze svisle preklopená a pootocená doleva o Vyjadrje závislost na U E pri konstantním U E. Vyjádrena rovnicí = fce (U E ). Prevodní charakteristika - kreslí se ve drhém kvadrant a dává závislost I na (tzv. prodová) pri konstantním U E. Vyjádrena rovnicí I = fce ( ). Dá se z ní rcit velikost h E. Výstpní charakteristiky - kreslí se vprvním kvadrant a dávají závislost výstpního prod I na napetí U E pri rcité velikosti. Vyjádreny rovnicí I = fce (U E ). Jejich pocet je libovolný, závislý na tom, kolik se jich namerí. U bipolárního tranzistor vycházejí z tzv. mezní prímky. V tomto kvadrant je také zakreslena maximální dovolená kolektorová ztráta tranzistor P max = U E. I E, jejíž krivko je rovnoosá hyperbola a vytycje zakázano oblast, ve které nesmí ležet pracovní bod zesilovace. Velikost P max najdeme v katalog a pro konstrkci její krivky zvolíme nekolik vhodných hodnot napetí U E nebo prod I a drhé hodnoty dopocítáme. 3.5 Pracovní bod zesilovace V závislosti na požití tranzistor msíme zvolit rcité nastavení jeho klidového pracovního bod. V katalog vybereme vhodný typ tranzistor, zvolíme velikost napájecího napetí a hodnot pracovního odpor zesilovace R. Tato hodnota se volí podle toho, které zesílení má býti nejvetší. hceme-li dosáhnot velkého napetového zesílení, volíme jeho hodnot velko, protože h e R =, kde h e h e je hodnota vstpního odpor zesilovace. hceme-li dosáhnot velkého prodového zesílení i, volíme jeho hodnot malo. hceme - li dosáhnot velkého výkonového zesílení P, volíme jeho hodnot strední. prevodní I mezní prímka výstpní I = fce (U E ) I = fce ( ) S I = 0 P max = fce (U E ) vstpní U E U E U E I. R U E Obr. 3.9 Nastavení klidového pracovního bod zesilovace v zapojení SE 30

8 Zesilovac je nelineární delic napetí, tvorený pracovním odporem zesilovace R (socástko lineární) a odporem tranzistor (socástko nelineární). V tomto nelineárním delici je hodnota pracovního odpor R konstantní, tranzistor naopak svj odpor mení podle velikosti rídícího prod. Malá zmena prod vyvolá velko zmen odpor tranzistor, tím dojde k velké zmene prod delicem (tj. prod I ) a tím dojde k velké zmene výstpního napetí delice. U bipolárních tranzistor je velikost výstpního prod rízena velikostí vstpního prod. Zvetšováním se odpor tranzistor zmenšje - tranzistor se otevírá, zmenšováním se jeho odpor zvetšje, zavírá se. Pri rešení zesilovace jako nelineárního delice se požívá místo složitých výpoct grafické rešení podle obr Do síte výstpních charakteristik v zapojení SE na obr. 3.9 zakreslíme staticko (klidovo) zatežovací prímk pracovního odpor R. K její konstrkci msíme rcit její dva body, ležící na osách U E a I a to z rovnice = I. R + U E. od leží na ose napetí pri prod I = 0 (když má tranzistor nekonecný odpor). Dosazením do rovnice vyjde, že velikost U E =. od je tedy rcen velikostí napájecího napetí. od leží na ose I, U E = 0 V (tranzistor je ve zkrat) a z rovnice vyjde, že I = / R. Statická zatežovací prímka nesmí protínat zakázano oblast, vytyceno krivko maximální dovolené kolektorové ztráty tranzistor P max, maximálne se jí mže dotknot vjednom bode (aby nebyl tranzistor výkonove pretížen). Na zatežovací prímce leží klidový pracovní bod zesilovace. Je to prsecík statické zatežovací prímky s rcito výstpní charakteristiko tranzistor, odpovídající rcité hodnote. Poloha pracovního bod na statické zatežovací prímce je omezena bodem, což je prsecík výstpní charakteristiky pri = 0 se zatežovací prímko. V tomto bode je tranzistor zavrený, tece jím poze malý zbytkový prod I Eo. Drhá krajní poloha je vbode S, což je prsecík mezní prímky se zatežovací prímko a vtomto bode je tranzistor naplno otevrený, (je vsatraci, sepntý) a je na nem minimální satracní napetí U Es. To spínacích tranzistor mže být menší než difsní napetí prechod -E. hceme li zesílit obe plvlny vstpního napetí a pritom dosáhnot co nejvetší amplitdy výstpního napetí, volíme poloh klidového pracovního bod zesilovace prostred statické zatežovací prímky. Potom jso úbytky napetí na pracovním odpor zesilovace (I. R ) a na tranzistor (U E ) stejné. Tím se U E rovná polovine (tranzistor má vtomto prípade stejný odpor jako je hodnota R ). Z charakteristik vypocítáme velikost h E a odecteme velikost na výstpní charakteristice ve zvoleném pracovním bode. Velikosti odpovídá ze vstpní charakteristiky rcitá velikost U E. Zbývá rcit hodnot odpor báze R (podle zapojení na obr. 3.0), kterým nastavíme potrebno hodnot napetí U E pro dosažení požadované hodnoty prod. Hodnot samotného R rcíme ze vztah R U U N E =. I Pro dosažení vetší teplotní stability pracovního bod je lepší napájet prechod E z tvrdého delice napetí R, R podle obr. 3.. Prod delicem I D volíme alespon desetkrát vetší než je prod báze. Z hodnot U E a I D vypocítáme odpor R podle vztah R = U E / I D. Hodnot R rcíme ze vztah R = U E / I D +. I I D + I R R I. R R R I. R + + U E I E U E I D R / U E I E U E Obr. 3.0 Prod rcený odporem R Obr. 3. Prod rcený delicem R, R Ze schémat na obr. 3.0 a 3. je videt, že tranzistorem teco stejnosmerné klidové prody, které rcjí poloh klidového pracovního bod, a to vstpní (rídící) prod báze a prod výstpní (kolektorový) I, který je h E krát vetší než. Vstpní prod tece z + pól zdroje pres R, prechodem -E na pól zdroje. Výstpní prod I tece z + pól zdroje pres pracovní odpor zesilovace R, pres vrstvy tranzistor - - E na pól zdroje. Oba prody teco stejným smerem pres emitor a proto emitorem tece prod nejvetší a to I E = I +. 3

9 3.6 Zapojení zesilovac Podle elektrody, která je spolecná vstp i výstp zesilovace rozeznáváme zapojení zesilovace SE (spolecný emitor), S (spolecná báze) a S (spolecný kolektor) Zesilovac v zapojení SE. Zesilovaný signál msíme privést na vstp zesilovace pres oddelovací (vazební) kondenzátor V proto, že zdroj zesilovaného signál mže mít stejnosmerne malý odpor (mže to být napr. cívka prenosky, hlavicky magnetofon, mikrofon atd.) a po pripojení zdroje zesilovaného signál by stejnosmerný prod místo do báze tekl do zdroje zesilovaného signál a tím by se zmenily nastavené stejnosmerné pomery. Tento vazební kondenzátor V však tvorí se vstpním odporem zesilovace nežádocí, kmitoctove závislý delic napetí (D). Ten zpsobje pokles zesílení zesilovace na nízkých kmitoctech. Velikost V se volí s ohledem na dolní mezní kmitocet zesilovace, na kterém pro pokles zesílení o 3 d platí, že jeho reaktance se rovná hodnote vstpního odpor zesilovace X v = R vstp. Také strídavý výstpní signál se odebírá pres vazební kondenzátor V, který zabranje prtok stejnosmerného prod do záteže a tím zabranje zmene nastavených stejnosmerných pomer v zesilovaci. V tvorí také se zatežovacím odporem nežádocí D, který zmenšje zesílení zesilovace na nízkých kmitoctech. Pri kladné plvlne zesilovaného signál (obr. 3. a 3.4) tece ze zdroje zesilovaného napetí do vstp zesilovace vstpní strídavý prod i pres V, otevrený prechod -E a zpet do zdroje. Prod i má stejný smer jako stejnosmerný klidový prod báze I a proto se oba prody secto na. I Malé zvetšení prod prechodem -E zpsobí velké zvetšení prod výstpního I na hodnot I, protože platí rovnice I = h I. e I I I. R I. R R R R R V V V V i i U E i i U E i i Obr. 3. Vstpní prod i pri kladné plvlne Obr. 3.3 Vstpní prod i pri záporné plvlne Zvetšení I (zvetší se proto, že odpor tranzistor se zmenšil a proto nelineárním delicem, tvoreným pracovním odporem zesilovace R a odporem tranzistor potece vetší prod I ) zpsobí vetší úbytek napetí na pracovním odpor zesilovace R a menší úbytek napetí na zmenšeném odpor tranzistor podle rovnice = I. R + U E. Zmenšení U E (v zapojení SE je to výstpní napetí delice) se prenese pres vazební kondenzátor V jako záporná plvlna výstpního napetí. Pracovní bod zesilovace se pritom posoval po vstpní, prevodní i výstpní charakteristice z klidového bod do bod a zpet do bod (viz obr. 3.4). Z toho vyplývá, že kladná plvlna vstpního napetí je na výstp zesílena jako plvlna záporná a naopak zesilovac v zapojení SE obrací fázi zesilovaného napetí. Pri záporné plvlne zesilovaného signál (obr. 3.3 a 3.4) tece prod i opacným smerem, proti smer prod báze a proto se oba prody odecto. Dojde ke zmenšení prod prechodem -E na hodnot, tím ke zmenšení I na I (zmenšením se tranzistor privrel = zvetšil svj odpor). Tím se zmenší úbytek napetí na pracovním odpor R a zvetší se úbytek napetí na tranzistor U E, které vzroste na U E. Zvetšení U E se prenese na výstp jako kladná plvlna. Pracovní bod zesilovace se pritom posoval po vstpní, prevodní i výstpní charakteristice z klidového bod do bod a zpet do bod. Zesilovac v zapojení SE má velké zesílení napetové i prodové a tím má veliké výkonové zesílení. Jeho vstpní i výstpní odpor je približne stejný (rádove kω). Tím je vhodný pro vícestpnové zesilovace 3

10 vzhledem ke snadném výkonovém impedancním prizpsobení mezi stpni. Pro tyto vlastnosti je zesilovac s tranzistorem v zapojení SE ze všech zapojení nejpožívanejší. I = fce ( ) I I = f ce(u E ) I I I U E U E U E U E = fce (U E ) U E Obr. 3.4 Princip zesílení zesilovace v zapojení SE pomocí síte charakteristik 3.6. Zesilovac v zapojení S Jeho zapojení je na obr Vstpní elektroda je emitor, výstpní kolektor, báze je strídave zemnena pro zesilovaný V R R R R E V Obr. 3.5 Zapojení S signál pres kondenzátor. V obvod emitor msí být zapojen odpor R E proto, aby nebyl zkratován zesilovaný signál. Stejnosmerné pomery v zapojení S jso nastaveny obdobne jako v zapojení SE. Pri kladné plvlne tece vstpní prod ze zdroje proti smer klidového prod báze pres E do a pres zpet na zdroj. Tím se prod prechodem -E zmenší, odpor tranzistor vzroste, poklesne výstpní prod I, na pracovním odpor zesilovace dojde k menším úbytk napetí a U E vzroste. Jeho zvetšení se prenese na výstp pres V jako kladná plvlna výstpního napetí. Pri záporné plvlne je dej opacný. Zapojení S neotácí fázi zesilovaného signál, zesilje poze napetove, prodové zesílení je nepatrne menší jak, tím i výkonové zesílení je malé. Má malý vstpní odpor, velký výstpní odpor. Protože vnitrní mezielektrodová kapacita není v zapojení S mezi výstpem a vstpem a proto nezavádí nežádocí ZV jako vzapojení SE, pracje stejný tranzistor vzapojení S do vyšších kmitoct než vzapojení SE. Z tohoto dvod se zapojení S požívá jako vf. zesilovace a najdeme ho napr. na vstpech televizních a FM rozhlasových prijímac. 3.7 Zpetná vazba zv β Zpetná vazba je privedení cásti výstpního napetí (tzv. napetí zpetnovazebního zv ) zpet na vstp zesilovace. Jak velká cást se privede zpet na vstp zesilovace rcje cinitel zpetné vazby β. Obr. 3.6 Princip zpetné vazby zv β = () Velikost β mže být 0. Pri rozpojené smycce ZV je β = 0 a na vstp se z výstp neprivádí žádné napetí. Privedeme-li celé výstpní napetí zpet na vstp, potom = ZV a β =. 33

11 3.7. Odvození zesílení zesilovace se zpetno vazbo Zesilovac bez zavedené zpetné vazby má zesílení U. Po zavedení zpetné vazby se celkové zesílení zapojení (zesilovac se zpetno vazbo) zmení na U. Zesílení zesilovace bez zavedené ZV: elkové zesílení zesilovace se ZV: Zavedením ZV je sktecná velikost vstpního napetí zesilovace rovna: Dosazením do rovnice (3) dostaneme: ZV Z rovnice () vyplývá, že Dosazením rovnice (6) do rovnice (5) dostaneme: = () = (3) ± = ZV (4) = (5) ± ZV = β (6) = ± β Úpravo rovnice (7) dostaneme obecný vztah pro výpocet zesílení zesilovace se ZV: = = = ± β ± β ± β (7) (8) 3.7. Drhy zpetných vazeb Zpetná vazba mže být žádocí nebo nežádocí. Žádocí ZV vznikne úmyslným privedením zpetnovazebního napetí ZV zpet na vstp zesilovace. Vznik nežádocí ZV nedokážeme zabránit. Podle fáze zpetnovazebního napetí ZV vzhledem k napetí vstpním vzniká ZV kladná nebo záporná. Podle toho, jak se zpetnovazební napetí pripojí ke vstp zesilovace ji delíme na sériovo a paralelní. Podle toho, zda velikost zpetnovazebního napetí je rcena velikostí výstpního napetí nebo výstpního prod ji delíme na napetovo a prodovo. Podle toho, zda zpetnovazební napetí je stejnosmerné nebo strídavé ji delíme na stejnosmerno a strídavo. Strídavá ZV mže být kmitoctove závislá nebo kmitoctove nezávislá. ZV mže být zavedena v jednom stpni nebo pres více zesilovacích stpn. Existjí rzné kombinace všech techto drh ZV. Na obr. 3.7 je princip zapojení zpetné vazby sériové napetové, na obr. 3.8 paralelní prodové. zv β zv β Obr. 3.7 Princip ZV sériové napetové Obr. 3.8 Princip ZV paralelní prodové Kladná ZV Vznikne privedením zpetnovazebního napetí ZV zpet na vstp ve fázi se vstpním napetím, tím se obe tato napetí secto a sktecné vstpní napetí se zavedeno zpetno vazbo vzroste. Pri stálé velikosti vzroste i velikost výstpního napetí a tím vzroste celkové zesílení zesilovace s +ZV, které se rcí z rovnice = (9) β +ZV zvetšje zesílení zesilovace. Požívá se v oscilátorech, v zesilovacích poze k hrazení ztrát (netralizace ve vf. zesilovacích). 34

12 3.7.. Záporná ZV Vznikne privedením zpetnovazebního napetí ZV zpet na vstp v protifázi se vstpním napetím, tím se obe napetí odecto a klesne. Pri stálé velikosti klesne i velikost výstpního napetí a tím klesne celkové zesílení zesilovace s ZV, které se rcí z rovnice = (0) + β -ZV zmenšje zesílení zesilovace. Požívá se v zesilovacích velmi casto, protože krome zmenšení zesílení (vlastnost vetšino nežádocí) má na ostatní vlastnosti zesilovace príznivý vliv Vliv záporné ZV na vlastnosti zesilovace. a) zmenšje zesílení zesilovace b) zmenšje nelineární zkreslení zesilovace tím, že celkovým zmenšením zesílení se zmenší velikost výstpního napetí zesilovace. Pro dosažení pvodní hodnoty se msí zvetšit velikost vstpního h 3h 4h nh napetí (tedy napetí. harmonické) a tím ve vztah k = h + + se zvetší jmenovatel a hodnota k se zmenší c) zmenšje lineární zkreslení zesilovace tím, že zvetšje šírk prenášeného kmitoctového pásma. Nejvetší velikost zpetnovazebního napetí ZV je na kmitoctech, na kterých má zesilovac nejvetší zesílení. U nf. zesilovac to je približne prostred prenášeného kmitoctového pásma. Na techto kmitoctech bde ZV nejsilnejší a dojde na nich k nejvetším pokles zesílení. Tím se mezní kmitocty zesilovace f d a f h posno na f d a f h a šírka prenášeného o pásma se zvetší na (obr. 3.9) pomer. 0 d = konst. bez ZV - 3 d s -ZV 0 d - 3 d f d f d = f h - f d f h f h f = f h - f d Obr. 3.9 Prenosové charakteristiky bez ZV a se ZV d) zmenšje kolísání zesílení zesilovace (tzv. drift) napr. pri zmenách napájecího napetí, zmenách teploty, stárntím socástek atd. Pri velkém napetovém zesílení zesilovace bez ZV se vrovnici (0) dá provést její rozšírení na tvar = = + β + β () ze kterého vyplývá, že velikost pri velkém zesílení je rcena predevším velikostí cinitele zpetné vazby β. Stálost zesílení zesilovace má velký význam napr. v zesilovacích v merících prístrojích e) zmenšje vlastní šm zesilovace f) ovlivnje vstpní a výstpní odpor zesilovace tak, že paralelní zmenšje a sériová zvetšje jeho vstpní odpor, napetová zmenšje a prodová zvetšje jeho výstpní odpor g) stejnosmerná ZV teplotne stabilizje klidovo poloh pracovního bod zesilovace β 35

13 3.7.3 Zapojení zesilovac se záporno zpetno vazbo Existje ohromné množství rzných zapojení zesilovac se záporno zpetno vazbo. Seznámíme se poze s nejpožívanejšími Zapojení zesilovace se záporno ZV sériovo prodovo Na obrázcích 3.0 a 3. je nejpožívanejší zpsob zavedení ZV a to sériové prodové, která se vytvorí zapojením odpor R E do emitor. Prtokem prod I E dochází na tomto odpor k úbytk napetí U E a toto napetí je socasne napetím zpetnovazebním ZV. Pri kladné plvlne dojde ke zvetšení vstpního prod, tekocího prechodem -E a tím ke zvetšení prod výstpního I a prod E I. Tím se zvetší úbytek napetí U E na odpor R E, které je socasne napetím zpetnovazebním ZV. Tím se ale zmenší rozdíl napetí U E mezi a E a tím poklesne prod prechodem -E a tím i prod výstpní I. Pri záporné plvlne je dej opacný. Protože ZV psobí proti úcinkm napetí vstpního, jde ZV záporno. Protože ZV je v sérii se vstpním napetím, jedná se ZV sériovo, která zvetšje vstpní impedanci zesilovace. Protože velikost zpetnovazebního napetí ZV je rcena velikostí výstpního prod, jedná se ZV prodovo, která zvetšje výstpní impedanci zesilovace. Je to ZV strídavá i stejnosmerná. Stejnosmerná ZV teplotne stabilizje klidovo poloh jeho pracovního bod. Strídavá ZV zmenší zesílení zesilovace. Jeho velikost je v tomto zapojení približne rcena vztahem = R () RE I I. R R R R R V V V V U E U E U R E U E = zv R R E E I E Obr. 3.0 Zapojení ZV sériové prodové, stejnosmerné i strídavé Obr. 3. Zapojení ZV sériové prodové, poze stejnosmerné Teplotní stabilizace pracovního bod zesilovace. V úvod této kapitoly v odstavci je popsána nežádocí vlastnost polovodicových socástek jejich teplotní závislost a její vliv na tranzistor. V zapojení se stejnosmerno ZV (obr. 3.0 a 3.) bde tento vliv menší, protože stejnosmerná ZV psobí proti nem. Pri zvýšení teploty dochází ke zmenšováním difsního napetí prechod -E, které zpsobí zvetšování stejnosmerného prod tekocího prechodem -E. Zvetšení (zesílené h E krát) zpsobí zvetšení kolektorového prod I. Tím na odpor R E v emitor dojde k vetším úbytk stejnosmerného napetí a tím dojde ke zmenšení U E. Prod prechodem -E se zmenší a tím se zmenší i hodnota výstpního prod I, takže jeho nárst vlivem zvýšení teploty bde malý. Ješte vetší teplotní stabilit má zapojení podle obr. 3.. V tomto zapojení je napetí báze proti zemi U rceno tvrdým delicem a je proto stálé. Tím se zmeny teploty bdo ješte méne platnovat. Nevýhodo zapojení podle obr. 3.0 je zmenšení zesílení zesilovace podle rovnice (). Zmenšení zesílení lze potlacit zapojením tzv. blokovacího kondenzátor E paralelne k emitorovém odpor R E. Pokd jeho hodnota bde dostatecne velká, aby jeho reaktance X byla v pásm zesilovaných kmitoct zanedbatelná, bde mít zpetnovazební napetí ZV poze složk stejnosmerno (strídavá je zkratována nebo vyfiltrována kondenzátorem E ), a ta nebde zmenšovat zesílení zesilovace, ale bde stabilizovat klidovo poloh jeho pracovního bod. Pokd má E v pásm zesilovaných kmitoct promenno reaktanci, vznikne ZV kmitoctove závislá, která bde menit zesílení zesilovace vzávislosti na kmitoct. Toho se vyžívá napr. vobrazových zesilovacích, ve kterých se pomocí této kmitoctove závislé ZV zvyšje zesílení na vysokých kmitoctech. 36

14 Zapojení zesilovace S (se záporno ZV sériovo napetovo) V R R U E R E U V U E zv Obr. 3. Zapojení ZV sériové napetové Na obr. 3. je zapojení tranzistor se spolecným kolektorem, nazývané také emitorový sledovac, protože výstpní napetí je co do velikosti i fáze stejné jako vstpní napetí. Vstpní elektrodo je báze, výstpní emitor, pracovním odporem zesilovace je emitorový odpor R E. I v tomto zapojení predstavje zesilovac nelineární delic, výstp je z pracovního odpor R E (na rozdíl od SE a S). Stejne jako v SE a v S msí být i vzapojení S prechod -E polarizován v propstném smer a prechod - vzáverném smer. Proto napet í báze proti zemi U je dáno soctem napetí U E a úbytkem napetí U E na pracovním odpor v emitor R E. V zapojení je zavedena 00% -ZV, protože celé výstpní napetí je socasne napetím zpetnovazebním ZV a tím tento zesilovac má napetové zesílení nepatrne menší jak. Zesilje poze prodove a tím je i výkonové zesílení malé. Vyznacje se velikým vstpním odporem a malým výstpním odporem. Pro velký vstpní odpor se požívá na vstpech zesilovac (nezatežje zdroj zesilovaného signál) a pro malý výstpní odpor vkoncových stpních, protože je schopen dodat do záteže velký prod Zapojení zesilovace se záporno ZV paralelní napetovo R R V V U E R U E Obr. 3.3 Zapojení ZV paralelní napetové + Pres odpor R je zavedena ZV paralelní napetová strídavá i stejnosmerná (obr. 3.3). Strídavá ZV zmenšje zesílení zesilovace, stejnosmerná stabilizje klidovo poloh pracovního bod pri zmenách teploty. Zahrátím tranzistor klesá difsní napetí prechod -E. Tím vzrstá prod báze, tato zmena h E krát zesílená se projeví zvetšením I. Nárst prod I vytvorí vetší úbytek napetí na pracovním odpor zesilovace R a napetí na tranzistor U E podle rovnice = I.R + U E poklesne. Z napetí U E je ale napájen delic báze R, R. Tím se napetí U E prechod -E zmenší a poklesne i prod báze. Tím se klidová poloha pracovního bod zmení jen nepatrne Zapojení se záporno ZV paralelní napetovo kmitoctove závislo R V R R V zv R E Obr. 3.4 Zapojení ZV kmitoctove závislé Je na obr Pres kondenzátor zv je zavedena z výstp na vstp ZV paralelní napetová, kmitoctove závislá. Tato ZV zpsobí pokles zesílení smerem k vyšším kmitoctm, protože s rostocím kmitoctem zesilovaného signál se reaktance tohoto kondenzátor zmenšje a z výstp se privádí vetší napetí zpet na vstp, -ZV je silnejší a zesílení na vyšších kmitoctech se proto bde zmenšovat. I bez kondenzátor ZV se v každém zapojení zesilovace SE platnje tato nežádocí -ZV. Zpsobje ji vnitrní mezielektrodová kapacita záverne polarizovaného prechod -, pres ktero se zavádí a zpsobje pokles zesílení zesilovac na vyšších kmitoctech. Ztechto dvod msí mít vf. 37

15 tranzistory tto kapacit co možná nejmenší (desetiny pf). Kapacita prepoctená na vstp zesilovace jako jeho vstpní kapacita se nazývá Millerova kapacita a její hodnota je rcena rovnicí = + ) (3) M ( Msí se s ní pocítat vf. zesilovac, má vliv na stabilit kmitoct vf. oscilátor Teplotne stabilizované zapojení zesilovace R R V V R R E E -t Obr. 3.5 Teplotne stabilizované zapojení Nejdokonaleji teplotne stabilizované zapojení zesilovace je na obr Je to kombinace ZV sériové prodové stejnosmerné s ZV paralelní napetovo stejnosmerno i strídavo spolecne s teplotní kompenzací pomocí teplotne závislého delice napetí R, R v obvod báze. Odpor R je termistor se záporným socinitelem odpor, který zmenší svoji hodnot pri zvýšení teploty. Tím pri zvýšení teploty delic R, R zmenší napetí na bázi, prod bází poklesne a poloha pracovního bod se zmení poze nepatrne. Vyrábejí se termistory se svorníkem, na kterém je závit a které se potom dají pripevnit na chladící žebro koncových tranzistor Invertor R V R R V R E V3 Je to zapojení zesilovace (obr 3.6), ve kterém se hodnota R = R E. Zapojení má dva výstpy. Výstp z kolektor je zapojení zesilovace SE, jehož U = (podle rovnice ). Tím je amplitda výstpního napetí stejná jako vstpního napetí, ale fáze je opacná. Výstp z emitor je zapojení zesilovace S, takže výstpní napetí je co do velikosti i fáze stejné jako vstpní napetí a tím dostáváme na obo výstpech dve stejne velká napetí v protifázi. Invertor se požívá pro bzení dvojcinných zesilovac. Obr. 3.6 Zapojení invertor 3.8 Vysokofrekvencní zesilovace Vf. zesilovace složí k zesilování vysokofrekvencních signál. Vf. zesilovace mžeme rozdelit na: a) vf. zesilovace pro zesilování signál s nízko úrovní (napr. v prijímacích) b) vf. výkonové zesilovace (napr. ve vysílacích) Na oba typy vf. zesilovac jso kladeny zcela rozdílné požadavky a také jejich technické rešení je odlišné. U vysokofrekvencních zesilovac pro zesilování signál s nízko úrovní je dležitý malý šm a velké zesílení pri požadované šíri frekvencního pásma, vf. výkonových zesilovac nás zajímá hlavne co nejvyšší dosažitelný výstpní výkon a co nejvyšší úcinnost. Podle šíre frekvencního pásma zpracovávaného signál rozdeljeme vysokofrekvencní zesilovace na: a) širokopásmové b) úzkopásmové Hranice mezi širokopásmovým a úzkopásmovým zesilovacem není presne definována, bývá to hodnota = 3 % frekvence f 0, kde f 0 je strední frekvence zesilovaného signál. 38

16 3.8. Vlastnosti vysokofrekvencních zesilovac Vysokofrekvencní zesilovac msí mít. na rezonancní frekvenci f 0 potrebné napetové zesílení U a výkonové zesílení P. požadovaný tvar amplitdové charakteristiky v okolí f 0, tj. msí mít potrebno šíri frekvencního pásma (rcje se pro pokles signál na výstp zesilovace o 3 d na obo stranách kolem rezonancní frekvence f 0 ) a selektivit S (vetšino se rcje jako pomer šírek pásma pro pokles o 3 d a 0 d) f0 = Q S = 3. požadovaný tvar fázové charakteristiky, tj. závislosti fázového posn mezi výstpním a vstpním napetím na frekvenci 4. požadovaný tvar charakteristiky skpinového zpoždení, tj. závislosti zpoždení modlacní obálky signál na výstp zesilovace oproti vstp zesilovace 5. vhodný tvar prechodové charakteristiky, což je odezva výstpního napetí na skok vstpního vf. napetí. Z této charakteristiky mžeme rcit dob nábeh cela impls a jeho prekmit 6. co nejmenší šmovo šírk pásma (ta charakterizje prchod šm ze vstp na výstp zesilovace) a co nejmenší šmové císlo F, které dává, kolikrát se zvetší pomer s/š (= signál/šm) po prchod signál ze vstp na výstp vysokofrekvencního zesilovace Zapojení vf. ladeného zesilovace R V T R R E L V E L V Obr 3.7 Vf. ladený zesilovac Vysokofrekvencní ladený zesilovac (obr. 3.7) má vkolektor místo pracovního odpor zapojen paralelní rezonancní obvod. Stejnosmerne predstavje PRO poze odpor vintí cívky. Proto se hodnota stejnosmerného výstpního prod tekocího tranzistorem omezje zarazením emitorového odpor R E. Ten zavádí ZV, která by zmenšovala zesílení. Proto se premostje paralelne pripojeným kondenzátorem E, takže ZV je poze stejnosmerná, stabilizjící klidovo poloh pracovního bod zesilovace. Ta je dležitá vf. zesilovace proto, aby se nemenilo jeho zesílení a tím se nemenily i kapacity tranzistor a tím se zesilovac nepreladoval. Pro strídavý zesilovaný signál predstavje PRO promenno impedanci, která je nejvetší na rezonancním kmitoct a minimální mimo rezonanci. Tato promenná, kmitoctove závislá hodnota impedance PRO predstavje promenno hodnot pracovního odpor zesilovace a protože napetové zesílení zesilovace závisí na velikosti pracovního odpor podle vztah h e R =, bde se menit zesílení zesilovace s kmitoctem. Nejvetší zesílení bde mít ladený h e zesilovac na výsledném rezonancním kmitoct, který rcje predevším PRO, ale ovlivnjí ho všechny další kapacity v zesilovaci. Šírka zesilovaného pásma závisí na celkové jakosti Q. Samotný PRO mže mít vysoko jakost Q, která je zmenšena tlmením tranzistorem a prípadno záteží výstp. Výsledno jakostí je rcena šírka pásma, ktero zesilovac prenáší. Pri požadavk na úzké prenášené kmitoctové pásmo se tlmení PRO zmenší pomocí kapacitního delice, nebo pripojením vnejších obvod na odbock na cívce. Príklady takového impedancního prizpsobení jso na obr L L V L L Obr 3.8 Impedancní prizpsobení rezonancního obvod 39

17 3.9 Vícestpnové zesilovace Více zesilovacích stpn za sebo se požije tehdy, když nestací zesílení jednoho stpne. Signál z výstp prvního zesilovacího stpne se privádí na vstp drhého zesilovacího stpne atd. elkové zesílení vícestpnového zesilovace je dáno socinem zesílení jednotlivých zesilovacích stpn = n Je-li dáno zesílení jednotlivých stpn v d, potom celkové zesílení je dáno soctem zesílení jednotlivých zesilovacích stpn [d] = [d] + [d] + 3[d] n[d] [d] Pri spojování jednotlivých zesilovacích stpn za sebo msí být zachována podmínka správného výkonového impedancního prizpsobení, pri kterém se má výstpní impedance predchozího zesilovacího stpne rovnat vstpní impedanci následjícího stpne. Protože výstp jednoho stpne a vstp následjícího stpne mají obvykle jiné stejnosmerné napetí, msí se mezi jednotlivými stpni požít vhodný vazební prvek (vazba), který jednotlivé stpne mezi sebo propojí strídave pro zesilovaný signál, ale oddelí stejnosmerne. Požívá se vazba kapacitní, indktivní (transformátorová), ladená a prímá (galvanická) Kapacitní vazba Zapojení dvostpnového zesilovace s kapacitní vazbo je na obr Je to R R R R V3 nejpožívanejší zpsob vazby mezi zesilovacími stpni. Vazebním prvkem je kondenzátor V, který stpne msí oddelit V T T stejnosmerne (protože kolektor tranzistor T V má vetší stejnosmerné napetí než báze tranzistor T ) a zároven navazje oba stpne R R vazby je, že reaktance vazebního kondenzátor V vytvárí se vstpním odporem drhého pro strídavý zesilovaný signál. Nevýhodo této zesilovacího stpne derivacní clánek, který se Obr 3.9 Kapacitní vazba chová jako kmitoctove závislý delic napetí a zmenšje celkové zesílení zesilovace na nízkých kmitoctech (obr. 3.30). Hodnota vazebního kondenzátor V se vypocítá z požadavk na dolní mezní kmitocet f d, který má zesilovac prenášet s poklesem o 3 d a to ze vztah R vst = X V. Pri jednom D v zesilovaci klesá zesílení zesilovace smerem k nízkým kmitoctm s poklesem 6 d/okt., tj. 0 d/dek. Pri dvo D je to d/okt. atd. Také na vysokých kmitoctech dochází k pokles zesílení zesilovace a to vlivem nežádocí ZV v zapojení SE, kde se platnje vnitrní mezielektrodová kapacita a dále vlivem dalších parazitních kapacit, jako jso kapacity socástek, kapacity socástek proti zemi, kapacity spoj, kapacity spoj proti zemi a mezi sebo atd., které spol s výstpním odporem zesilovace vytvárejí nežádocí I, které potom zpsobjí pokles zesílení na vysokých kmitoctech. Další vliv na pokles zesílení na vysokých kmitoctech má zmenšování h e s rostocím kmitoctem. pomer. 0 d = konst. - 3 d f d = f h - f d fh f Obr mplitdová charakteristika nf. zesilovace 40

18 3.9. Transformátorová vazba L L Její zapojení je na obr.3.3. V kolektor tranzistor je místo pracovního odpor zapojeno L V primární vintí transformátor. Zmenami kolektorového prod, protékajícího tímto T T vintím, dochází ke zmenám magnetického tok v jádre transformátor a tím se V v sekndárním vintí indkje napetí, které se privádí na vstp následjícího stpne. Tím jso oba stpne oddeleny stejnosmerne a navázány strídave. Nevýhodo této vazby je, že transformátor je drahý, velký a jeho jádro je stejnosmerne sycené (stejnosmerným prodem I ), takže hrozí nebezpecí, že pri zvetšení Obr 3.3 Dvostpnový ladený vf.zesilovac výstpního prod (pri kladné plvlne zesilovaného signál) mže dojít k jeho presycení a tím ke zkreslení zesilovaného signál. Protože velikost indkovaného napetí závisí na kmitoct, klesá proto zesílení zesilovace smerem k nižším kmitoctm. Pokles zesílení na vysokých kmitoctech zpsobjí opet parazitní kapacity. Tím amplitdová charakteristika vychází približne stejná jako vazby kapacitní na obr Kondenzátor V zabranje prtok stejnosmerného prod z delice v obvod báze R, R pres sekndární vintí Tr na zem. Výhodo této vazby je, že vhodným prevodem (pomerem poct závit) lze transformovat impedanci podle vztah n i p = n i vst. = = = (4) Z Z výst. Možnost transformace impedance je dležitá pro správné výkonové impedancní prizpsobení v koncových výkonových zesilovacích, kde záteží je napr. malá impedance reprodktor nebo vysílací antény. Vazební transformátor má i fnkci bezpecnostní, což melo význam velektronkových zesilovacích s velkým napájecím napetím. Také vstpní impedance zesilovace se dá prizpsobit pomocí transformátor impedanci zdroje zesilovaného napetí Ladená vazba R V R T R E Tr V R R T R E Tr Požívá se vysokofrekvencních zesilovac napr. v prijímacích, vysílacích atd. kde zesiljí úzké kmitoctové pásmo kolem rezonancního kmitoct f 0, na který jso naladeny rezonancní obvody v kolektorech tranzistor. Šírka prenášeného kmitoctového pásma je rcena jakostí rezonancních obvod a jejich tlmením. Príklad zapojení dvostpnového ladeného zesilovace je na obr Drhý stpen je vázán kapacitní vazbo pomocí vazebního kondenzátor V, výstp z drhého stpne mže být vazbo indktivní (výstp ) nebo kapacitní (výstp ). Obr 3.3 Transformátorová vazba M L V L L L Obr 3.33 Zapojení napetových vazeb Ladená vazba (obr. 3.33) pomocí tzv. pásmových propstí mezi zesilovacími stpni požívá nejcasteji dvojici obostranne ladených rezonancních obvod, naladených na stejný kmitocet, se stejno jakostí obvod Q, s napetovo vazbo mezi nimi pomocí vzájemné indkcnosti M nebo kapacitní vazb pomocí vazebního kondenzátor V. Velikost vazby mezi obvody se rcje pomocí cinitele vazby k. 4

19 U napetové indktivní vazby je velikost k rcena vztahem napetové kapacitní vazby k k M = (5) L L V = (6) Tvar prenosové charakteristiky vícestpnového zesilovace s vazbo pomocí pásmových propstí T T (obr.3.34) závisí na tesnosti vazby, která se vyjadrje socinem k.q. Je-li k.q <, jedná se o vazb volno, tzv. podkriticko. Pri k.q = je vazba kritická, pri k.q > je vazba tesná, nadkritická. Tesnost vazby se volí podle úcel požití zesilovace. Nejvetšího zesílení a úzkého prenášeného kmitoctového pásma se dosáhne vazbo kriticko (obr Obr 3.34 Dvostpnový ladený vf. zesilovac prostred), požívano napr. v mezifrekvencních zesilovacích rozhlasových prijímac s M. Vazbo nadkriticko (obr vpravo), typicko prosedláním prenosové charakteristiky, se dosáhne velkého zesílení a širokého prenášeného kmitoctového pásma (požívano napr. v mezifrekvencních zesilovacích rozhlasových prijímac s FM a vtelevizních prijímacích). Pojmy M, FM, mezifrekvencní kmitocet, bdo vysvetleny ve tretím rocník. U 0 d - 3 d k.q< k.q = k.q> f 0 f 0 f 0 f Obr Vlevo vazba podkritická, prostred kritická, vpravo nadkritická Prímá (galvanická) vazba Mezi zesilovacími stpni nemá žádný vazební prvek (obr. 3.36). Výstp prvního stpne je prímo (vodive, galvanicky) spojen se vstpem drhého zesilovacího stpne. Takové propojení je možné poze tehdy, když jso zpsobena stejnosmerná napetí kolektor prvního stpne a báze drhého stpne. Tohoto prizpsobení se dosáhne zapojením odpor R E do emitor drhého zesilovacího stpne a vhodným úbytkem napetí U E na nem. Msí platit, že U E + U E = U prvního stpne. Takovéto zapojení zesilovace zesilje i stejnosmerné zmeny vstpního napetí a jeho dolní mezní kmitocet f d = 0 Hz (obr. 3.37). Nevýhodo tohoto zapojení je, že zmena klidové polohy pracovního bod prvního zesilovacího stpne napr. vlivem zmeny teploty je v dalších stpních zesílena a proto predevším pracovní bod prvního stpne msí být dokonale teplotne stabilizován. Nejvetší problémy nastávají pri zesilování malých stejnosmerných zmen, které jso srovnatelné se stejnosmerno nestabilito driftem. Galvanické vazby se požívá v zesilovacích stejnosmerných zmen napr. v merících prístrojích, v reglacní technice, v televizních prijímacích (obrazový zesilovac) a predevším v integrovaných obvodech. 4

20 R R R pomer. 0 d = konst. T T - 3 d U U R U U E R E U E = f h f h f Obr Prímá (galvanická) vazba Obr mplitdová charakteristika Rozdílový zesilovac Problém s teplotní stabilizací pracovních bod reší rozdílový zesilovac R R R R (diferenciální) podle zapojení na obr. 3.38, který je základem operacních zesilovac. Je T T to symetrické zapojení dvo zesilovac se spolecným zpetnovazebním emitorovým odporem R E. Má dva vstpy, a dva výstpy, proti spolecné zemi. Má-li se I I jeho výstpní napetí menit kolem nly, R E vyžadje napájení ze dvo zdroj a, dávajících dve stejná napájecí napetí ± proti zemi. Pri stejných napetích na obo jeho vstpech, poteco obema tranzistory Obr Rozdílový zesilovac stejné prody I a I a tím bdo stejná napetí na jeho výstpech, a tím rozdíl napetí mezi výstpy, bde 0 V. Tím sohlasné zmeny pracovních bod vlivem zmen teploty nebo stárntím socástek se také neprojeví. Pri malé zmene napetí na jednom ze vstp, napr. zvýšení napetí na vstp se T více otevre, prod I tekocí tranzistorem T se zvetší, stejne jako úbytek napetí na jeho pracovním odpor R. Napetí na výstp poklesne. Zvetšení prod I zpsobí zvetšení zpetnovazebního napetí na emitorovém odpor R E, které zpsobí zmenšení rozdíl napetí na prechod -E tranzistor T a tím jeho privrení. Napetí na výstp vzroste a tím rozdíl napetí mezi výstpy, se ješte zvetší a bde dvojnásobný. Rozdílový zesilovac zesilje poze rozdíl napetí mezi jeho vstpy (odtd jeho název). Pri sohlasném sígnál na jeho vstpech je rozdíl napetí mezi výstpy, rovný 0 V. Vetšino se rozdílový výstpní signál nepotrebje a požije se poze jeden z výstp (nesymetrický výstp). Uzemnením jednoho vstp a požitím poze jednoho výstp se získá zesilovac, který fázi výstpního napetí zachová (neinvertjící vstp), nebo pri požití drhého vstp bde fáze výstpního napetí otocená (invertjící vstp) Darlingtonovo zapojení tranzistor T T Obr Darlingtonovo zapojení Nejpožívanejší je zapojení SE na obr Emitor prvního tranzistor T napájí bázi drhého tranzistor T. Prodový zesilovací cinitel h E celého zapojení je dán socinem prodových zesilovacích cinitel jednotlivých tranzistor. Zapojení se požívá tam, kde je zapotrebí velký vstpní odpor a velké prodové zesílení. Takto zapojená dvojice tranzistor se vyrábí i v jedno pozdre. 43