Elektronika I. Dr. Istók Róbert. IV. előadás

Átírás

1 Elektronika I Dr. Istók Róbert IV. előadás

2 Nagyfrekvenciás frekvenciakompenzáció Közös emitteres kapcsolásoknak a nagyfrekvenciás átviteli tulajdonságait, kapcsolás csekély módosításával javítjuk. Nagyfrekvenciás töréspont minél nagyobb lesz.

3 Párhuzamos kompenzáció R t növeljük, így az erősítésnövekedés kompenzálja a kapcsolás nagyfrekvencián jelentkező erősítéscsökkenését Közös emitteres kapcsolás feszültségerősítése hidegítetlen emitter ellenállás esetén Nagyfrekvenciás törésponti frekvencia kétszeresére növelhető

4 Emitterköri kompenzáció Az emitter-ellenállást csökkenti le a párhuzamos kondenzátor Nagyfrekvenciás törésponti frekvencia 1,72-szeresére növelhető Az emitterköri kompenzáció kompenzáló kapacitása C komp nem azonos a közös emitteres kapcsolás emitterhidegítő kondenzátorával C E. C komp nagyobb frekvenciákon dolgozik C komp C E pf µf

5 Kisfrekvenciás átvitelt befolyásoló tényezők Kisfrekvenciás töréspontjait a bemeneti és kimeneti csatolókondenzátor, az emitterhidegítő kondezátor, a bázishidegítő kondezátor okozza. A felsorolt kondenzátorok µf nagyságrendűek

6 Bemeneti csatolókondenzátor

7 Kimeneti csatolókondenzátor Kimeneti csatolókondenzátornak a frekvenciamenetre gyakorolt hatása a bemeneti csatolókondenzátoréhoz teljesen hasonló

8 Emitterhidegítő kondenzátor Sávközépen és a felett az emitterhidegítő kondenzátor rövidzárnak tekinthető f E = 1 2 π C E R E A bázisköri ellenállások (β+1)-ed részére csökkennek az emitterkörből vizsgálva C E értékét egy két nagyságrenddel nagyobra kell választani, mit C be illetve C ki értékeit

9 Kisfrekvenciás kompenzáció Osztott kollektor ellenállás Kisfrekvenciáknál R t =R C1 +R C2 +R f ezáltal a feszültségerősítés nagyobb

10 Az eredő frekvencia átvitel Hidegített emitteres közös emitteres kapcsolás tipikus frekvenciamenete látható töréspontoson közelítve. Kisfrekvenciás töréspontok közül a legnagyobb adja meg a kapcsolás alsó határfrekvenciáját. A nagyfrekvenciás töréspontok közül a legalacsonyabb lesz a kapcsolás felső határfrekvenciája

11 Kapcsolások aktív munkaellenállással Tranzisztoros áramgenerátor, áramtükör Közös emitteres kapcsolásnál a kollektor áramot a bázis emitteren beállított feszültség határozza meg. Kollektor áram szinte független a kollektor ellenállástól Közös emitteres kapcsolás, kollektor-körét tekintve, áram generátor. Az aramgeneratorok feladata, hogy allando aramot szolgaltassanak egy terhelesen, fuggetlenul a rajta esett feszultsegtől. Áramgenerátor belső ellenállása

12 Hőmérséklet stabilizált áramgenerátor Integrált áramköri kivételben R 1 ellenálláson átfolyó áram R 1 és R 2 átfolyó áramok a tranzisztorok áramerősítési tényezőjétől függően azonosak. Az R 1 -en átfolyó áram tükröződik az R 2 -en

13 Áramgenerátor FET használásával J1 - n csatornás j-fet Zener diódán stabil feszültség gate source feszültség stabil drain áram állandó, függetlenül a drain feszültségtől Állandó drain áram stabil source áram MOSFET-ekből kialakított áramtükrök

14 Aktív terhelés tranzisztoros áramtükörrel Nagyobb terhelő ellenállás T1 kollektor körben nagyobb feszültségerősítés (a fogyasztónak nagy az impedanciája) T 1, T 2 azonos emitter árammal rendelkeznek A u >1000 Integrált kivételben A u >10000 µ - feszültség visszahatási tényező (10 5 ) Előnyök: jó kivezérelhetőség; kis helyigény integrált formában

15 Darlington kapcsolás Két azonos típusú bipoláris tranzisztor T2 bázis árama azonos T1 emitteráramával Tulajdonságok: Nyitófeszültsége: U BE0ekv =2U BE0 Áramerősítési tényező: (1+β ekv )=(1+β 1 ) (1+β 2 ) Nagy bemeneti ellenállás

16 Bipoláris és FET tranzisztorpárok Nem lehetséges két FET tranzisztor egy párban. A FET feszültségvezérelt eszköz, miközben a drain és a source áramat szolgáltat a kimenetén. Mindig a FET az első és a bipoláris a második tag. Végtelen bemeneti ellenállása

17 Szimetrikus erősítők Két egymástól független bemenet Két vagy egy kimenet Szimetrikus erősítők vezérlése Általános Szimetrikus Aszimetrikus Közös

18 Általános vezérlés U be1, U be2 bemeneti feszültségek U bek közös komponens U bes szimetrikus komponens

19 Speciális vezérlés Szimetrikus vezérlés Bemeneti jeleknek nincs közös komponense. Bemeneti jelek azonos nagyságúak, de fázisuk ellentétes

20 Közös vezérlés Bemeneti jelnek az amplitúdója és a fázisa is megegyezik A két bemenet összevan kötve

21 Az egyik bemeneti jel nulla Aszimmetrikus vezérlés

22 Kimeneti jelek Bemeneti és kimeneti jelek közötti kapcsolat

23 Szimmetrikus bemenetű aszimmetrikus kimenetű kapcsolás E k = A uss A usk E k közösjel-elnyomási tényező. Szimmetrikus, illetve a közös bemeneti jel hatására létrejövő szimmetrikus kimeneti jelre vizsgált feszültségnek az erősítésének a hányadosa D u = A uss A ukk D u Diszkriminációs tényező. Szimmetrikus bemeneti jel hatására létrejövő szimmetrikus kimeneti feszültség-erősítés és a közös bemeneti jel hatására létrejövő közös kimeneti feszültség-erősítés hányadosa

24 Szimmetrikus bemenetű aszimmetrikus kimenetű kapcsolás A uss minél nagyobb legyen CMRR Common Mode Rejection Ratio (Közösmódusú jel-nyomási tényező) E k közösjel-elnyomási tényező D u Diszkriminációs tényező. CMRR- nagy értéke legyen

25 T1, T2 tranzisztorok azonosak. Két bemeneti jel amplitúdójának különbségét erősíti. Ha a két bemenőjel azonos erősségű, a kimenőjel nulla. Minél nagyobb a különbség, annál nagyobb lesz a kimenőjel erőssége. Differenciálerősítők

26 Transzfer karakterisztika U bes =0 az I c1 = I c2 =αi 0 /2 U bes növekedésével T1 tranzisztor árama nő, T2 tranzisztor árama csökken. U bes 4U T 100mV teljes I 0 az egyik tranzisztoron folyik, a másik zárva van

27 Meredekség S 0 maximális meredekség Meredekség a teljes bemeneti tartományban

28 Differenciálerősítő negatív soros áram visszacsatolással A transzfer karakterisztika laposobbá válik, a linearitási tartomány megnő. Kapcsolás meredeksége (ezáltal feszültségerősítése is) csökken

29 Differenciálerősítők különböző vezérlési formák esetén Szimmetrikus vezérlése A tranzisztorok közös emitter pontjának és a fogyasztó középpontjának egyenfeszültsége nem változik, virtuális földpontnak tekinthetők Közös vezérlése Fogyasztó két végpontja mindig azonos potenciálon lesz Aszimmetrikus vezérlése A bemeneti jellel nem vezérelt tranzisztor (T 2 ) közös bázisú kapcsolássá válik, míg a vezérelt tranzisztor (T 1 ) közös emitteres kapcsolás lesz, melynek emitterkörében a T 2 -ből felépülő közös bázisú kapcsolás bemeneti ellenállása látszik

30 További differenciálerősítők Bemeneti jel Szimmetrikus komponenseit minél nagyobb mértékben erősíteni Közös komponensei ne erősödjenek vagy csökkenjenek A uss >A usk ; A ukk ; E k, D u minél nagyobb Alap kapcsolás Auss 35-40dB E k és D u növelhető egyidejűleg ha (1+g m *R E ) nagy g m tranzisztor meredeksége munkaponti áramtól függ. Növelése a tápfeszültség korlátozza. R E emitter ellenállás nem lehet tetszőlegesen nagy

31 Visszacsatolás A kimeneti jelnek vagy annak egy részét visszacsatolása a bemenetre többféle céllal történhet: Az erősítő tulajdonságait passzív elemekkel erősítjük Visszacsatolással valamilyen tulajdonságot javítunk: frekvencia kimenet, erősítés, bemeneti-kimeneti impedancia Kapcsolás stabil működése, vagy instabil (oszcillátorok esetén)

32 Visszacsatoló kimenetén β u u ki Erősítő bemenetére u be - β u u ki Negatív jelet a fázisfordítás adja A u β u - hurokerősítés (H)

33

34 Soros feszültség-visszacsatolás (SU) A kimeneti feszültséggel arányos jelet csatolunk vissza a kapcsolás bemenetére. A visszacsatolt feszültségjel sorba kapcsolódik az erősítőt vezérlő jellel H=A u β u

35 Legnagyobb előny az hogy a bemeneti ellenállás jelentősen növekszik

36 Soros feszültség-visszacsatolás A visszacsatolás negatív soros feszültség visszacsatolás

37 Párhuzamos feszültség-visszacsatolás A visszacsatolt jel a bemeneti jellel párhuzamosan kapcsolódik Hurokerősítés: H=Z A Y β

38 Kapcsolás visszacsatolással nyert transzfer impedancia Z A és admittancia Y A

39 Negatív párhuzamos feszültségvisszacsatolás A visszacsatolt jel: a kimeneti feszültséggel arányos, a bemeneti jellel ellentétes fázisú a bemeneti jellel párhuzamosan kapcsolódik A kimeneti és a bemeneti ellenállás kicsi. Nagyfrekvenciás áramkörökben használják mint tápvonal illesztő

40 Soros áram-visszacsatolás A kimeneti árammal arányos feszültség jelet csatolunk vissza az erősítőt vezérlő jellel sorba Y A - bemeneti feszültségjellel vezérelt kimeneti áram Z β - visszacsatolt jel a kimeneti árammal arányos feszültségjel H= Y A Z β

41

42 Hidegítetlen emitteres közös emitteres kapcsolás Visszacsatolt jel a kimeneti árammal lesz arányos( áram visszacsatolás). A tranzisztort vezérlő jellel sorba kapcsolódik (soros visszacsatolás), és a bemeneti jellel azonos fázisú (negatív visszacsatolást eredményez)

43 Párhuzamos áram-visszacsatolás A feszültségerősítés nem változik. Kisebb a bemeneti ellenállás Nagyobb a bemeneti ellenállás H= A i β i

44

45 Összefoglaló

46 Végerősítők A végerősítők feladata a megfelelő teljesítmény biztosítása a fogyasztó felé. 1W kimeneti teljesítmény felett a végerősítő fokozatot teljesítményerősítőnek hívjuk. Végerősítők hatásfoka: η η= P ki P f P f - felvett teljesítmény P ki - leadott hasznos teljesítmény P d - disszipált teljesítmény (hő formában)

47 Maximális teljesítmény Végerősíő fokozatból kivehető maximális teljesítmény Ha az u ki, i ki maximális értékeire semmilyen megkötés nincs

48 Tranzisztor jellegzetes határadatai u kimax, i kimax korlátokat a végtranzisztorok határadatai szabják meg A megengedhető maximális kollektoráram, kollektoremitter feszültség túllépésekor az eszköz tönkremegy. A maximális dissipációs teljesítmény a chip hőmérséklete korlátozza A szekunder letörést a tranzisztoron belül inhomogén árameloszlás okozza, mely helyi túlmelegedést, átütést okoz

49 Ellenütemű erősítő Az ellenütemű erősítők olyan nagyjelű szimmetrikus erősítők, melyek kimeneti árama lehet pozitív és negatív. Az egyik tranzisztor az egyik, másik tranzisztor az ellentétes polaritású szinuszos jelek kezelésére alkalmas. A kimeneti tranzisztorok váltakozó áramú szempontból párhuzamosan kapcsolódnak. A kimeneti áramot a tranzisztorok áramváltozásának az összege adja.

50 A-osztályú ellenütemű erősítő Mindkét végtranzisztor vezet. A tranzisztorok erősítő vezéreletlen állapotban is vezet A osztályú erősítők végtranzisztorainak munkapontja Kivezérlés nélkül mindkét tranzisztor kollektor-emitter feszültsége U t nagyságú

51 Teljesítményviszonyak A-osztályú erősítő maximális hatásfoka 50%

52 B-osztályú ellenütemű erősítő Vezéreletlen állapotban az erősítő mindkét végtranzisztora zárt. Kivezérlés során mindig csak az egyik tranzisztor dolgozik.

53 Áramjelek átlagértéke egyik-egyik tranzisztorra Teljesítményviszonyak

54 B osztályú erősítők nemlineáris torzítása Tranzisztorok transzfer karakterisztikája nem nullából indul és nem töréspontos, emiatt a B osztályú erősítők nemlineárisok. Nagy bemeneti jeleknél a jeltorzító hatás kisebb

55 AB- osztályú ellenütemű erősítő Az A-osztályú erősítők csekély torzításának és a B-osztályú erősítők jobb hatásfokának előnyeit egyesíti. Kis kivezérléseknél A-osztályú erősítőként viselkedik. Nagy jelszinteknél B osztályú erősítőként működik. M munkapont nyugalmi áram hányad része a maximális kollektoráram felének M=0 B-osztályú M=1 A-osztályú

56 AB-osztályú erősítő teljesítményviszonyait

57 Irodalomjegyzék Borbély Gábor Dr.: Elektronika I. Győr : Széchenyi István Egyetem, p. [elektronikus jegyzet (pdf) U.tietze-Ch. Schenk: Analog és Digitális Áramkörök Hainzmann- Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök. Tankönyvkiadó, Budapest, 1992