A u. u R. = i Tranzisztoros erősítők Az erősítő feladata, és fő jellemzői

Átírás

1 3.7. Tranzisztoros erősítők Az erősítő feladata, és fő jellemzői A híradástechnika egyik leggyakrabban előfordló feladata a váltakozófeszültségek erősítése. A jelforrások (rádióvétel esetén az antenna, hangátvitel esetén a mikrofon stb., részletesen ld. a későbbi fejezetekn) elektromosan olyan váltakozófeszültségű generátorral modellezhetők, amelyek forrásfeszültsége sokszor csak néhány tized μv vagy mv, ezeket a jeleket feldolgozásk során V (esetleg 10 vagy 100 V) nagyságrendűre kell erősíteni. Az erősítő egészét az 1. ábra szerinti tömb mtatja (az összetett áramkörök működését ilyen tömbökből összeállított tömbvázlaton szokták mtatni). Az erősítendő váltakozófeszültséget az erősítő menetére kapcsoljk, az erősítő kimenetén ki erősített feszültség jelenik meg. 1.ábra Feszültségerősítés A feszültségerősítés a kimenő és menő feszültség hányadosa, jele A, kiszámítása: A Megjegyzés: 1. A menetre kapcsolt, és a kimeneten megjelenő feszültség fázishelyzete az erősítő tlajdonságaitól függően - különbözhet. Ha A pozitív szám, az arra tal, hogy és ki fázisban van ( növekedésekor ki is nő). Ha az erősítő fázisforgatása (mint a pont példájában) 180 -os, akkor növekedésekor ki csökken, amit a képlet helyettesített ki negatív előjelével jelzünk, és így A erősítés értéke negatívra adódik.. Az erősítő vizsgálatakor menő jelként szinszos váltakozófeszültséget tételezünk fel. Mint Forier matematikai formában kimtatta, minden periodiks jel összeállítható különböző frekvenciájú és fázisú szinszos jelek összegeként, így ha az erősítő tlajdonságait különböző frekvenciájú szinszos jelekre megismertük, e tlajdonságokat tetszőleges periodiks jelre vonatkoztatni tdjk. Bemenő ellenállás A menetre kapcsolt feszültség hatására i menő áram folyik, e két mennyiség hányadosa határozza meg az erősítő menő ellenállását ( ): i Az erősítő menő kapcsai tehát feszültséget szolgáltató generátort ellenállással zárják le, a generátor az erősítő menetét, mint nagyságú lezáró ellenállást látja. ki Kimenő feszültség és kimenő ellenállás Ha az erősítőt nem zárjk le terhelő ellenállással, nem folyik kimenő áram (i ki 0). Jelöljük az ekkor mérhető kimenő feszültséget ki0 -al, a feszültségerősítést pedig A 0 -al: A 0 ki0 1

2 Amikor az erősítő kimenetére t terhelő ellenállást csatlakoztatnk, a kimenő feszültség ki -re csökken, és t ellenálláson i ki ( ki / t ) kimenő áram alakl ki. Tehát az erősítő kimenete úgy viselkedik, mint egy valóságos feszültséggenerátor: van forrásfeszültsége ( ki0 A 0 ) és lső ellenállása [ ki ( ki0 - ki )/i ki ]. Az erősítő helyettesítő képe Fentiek alapján az erősítő 1. ábrán látható tömbjének lseje úgy modellezhető, mint - a menő kapcsok felőli ellenállás, - a kimenő kapcsok felől egy valóságos feszültséggenerátor, melynek forrásfeszültsége ki0 A 0, lső ellenállása pedig ki (ez az erősítő kimenő ellenállása). E modell szerint az erősítő egésze (a - és kimenő kapcsaihoz csatlakozó áramkörök szempontjából) a. ábra szerinti áramkörrel helyettesíthető (ezért azt az erősítő váltakozóáramú helyettesítő képének nevezik).. ábra Áramerősítés Ha a kimenet terhelő ellenállással le van zárva, folyik kimenő áram, és értelmezhető az erősítő áramerősítése: i A i i Teljesítményerősítés Az erősítő a menetén i teljesítményt vesz fel, míg a kimenetére kapcsolt t lezáró ellenálláson ki ki i ki teljesítményt ad le. Így a teljesítményerősítés ki kiiki ki iki A A Ai i i Megjegyzés: Az erősítő működéséhez külső energiaforrást (tápfeszültséget) igényel, ebből veszi fel a nagyobb kimenő teljesítmény előállításához szükséges energiát. ki Az erősítések db (decil) logaritmiks egységn Az erősítés kifejezése logaritmiks egységn A ki- és menő feszültségek (áramok, teljesítmények) által meghatározott erősítés mértékegység nélküli mérőszám. Gyakran célszerű, ha az erősítés mértékét logaritmiks egységekn fejezzük ki. Ekkor az erősítés mértékegységét db-n (decil-n) kapjk. A megállapodás szerint a teljesítményerősítés logaritmiks számítása: A [ db] 10lg ki [ db] élda: Egy amatőradó teljesítményerősítője a menetén 10W teljesítményt vesz fel, a kimenetére kapcsolt antennát pedig 100W teljesítménnyel hajtja meg. Mekkora a teljesítményerősítése? Megoldás: A 100 ki [ db ki , A ] 10lg 10lg 10lg dB 10 10

3 Ha az erősítő menő ellenállása, és szintén ellenállással zárjk le a kimenetét is, a menő áram i a menő teljesítmény pedig gyanígy számolva, a kimenő teljesítmény a teljesítményerősítés pedig Így adódik. A [ db] ki 10lg i ki ki ki ki ki 10lg ki ki 0lg Az erősítés tehát a ki- és menő feszültségekből közvetlenül is meghatározható az ki képlet segítségével. A [ db] 0lg ki Megjegyzés: A db-n való erősítés számításnál a - és kimenő feszültség abszolút értékét helyettesítjük a képlet (az esetleges fázisforgatásra taló negatív előjelet nem vesszük figyelem), tehát ki / minden esetn pozitív szám, melynek a logaritmsa értelmezhető. élda: Egy rádióadó végerősítőjének menő ellenállása 50Ω, a kimenetre szintén 50Ω-os ellenállást mtató antennát kapcsolnk. A menő feszültség 5V, a kimeneten 50V feszültség jelenik meg. Mekkora a feszültségerősítés, a teljesítményerősítés, illetve fejezzük ki az erősítést db-n! Megoldás: A ki A ki ki ki A 0 lg 0 lg dB Megjegyzés: Figyeljük meg, hogy gyanez az eredmény adódott volna, ha az erősítés db-n kifejezett értékét nem a feszültségek, hanem a teljesítmények aránya alapján határozzk meg: ki A 10 lg 10 lg dB Így a db-n való számolás egy előnyét már látjk: (azonos menő és lezáró ellenállás esetén) gyanaz a db érték adódik, akár a ki- és menő teljesítmények, akár a feszültségek alapján végezzük a számítást. 3

4 Számolás logaritmiks egységekkel Ha az erősítő ténylegesen erősít (a kimenő teljesítmény nagyobb, mint a menő teljesítmény), az erősítés 1-nél nagyobb, és mivel az 1-nél nagyobb számok logaritmsa pozitív a db-n kifejezett erősítés értéke is pozitív lesz. Ha az erősítő erősítése kisebb, mint 1 (tehát ténylegesen nem erősít, hanem csillapít), a db-n kifejezett erősítés negatív előjelű lesz, tekintettel arra, hogy az 1-nél kisebb számok logaritmsa negatív. Néhány teljesítményviszonyhoz tartozó db értékeket érdemes megjegyezni, mert így fejn is könnyen végezhetünk közelítő db/teljesítményviszony, ill. db/feszültségviszony átszámításokat: db ki / U ki /U , ,01-0 0,01 0,1-10 0,1 0,3-6 0,5 0,5-3 0,5 0,7-1 0,8 0,9 O ,3 1,1 3 1, , A decil/teljesítményviszony vagy decil/feszültségviszony fejn való számításának alapja, hogy a logaritmsok összeadása a szorzásnak, a logaritmsok kivonása pedig az osztásnak felel meg. Így ha deciln megadott értékeket összeadjk, azzal a teljesítmény (vagy feszültség-)arányokat összeszorozzk, míg a deciln megadott értékek kivonása a teljesítmény (feszültség-) arányok osztását jelenti. élda: 1. Mekkora feszültségviszonynak felel meg 14 db? Válasz: 14 db 0 db 6 db; a táblázatból már megjegyeztük, hogy 0 db 10-szeres, 6 db pedig -szörös feszültségviszonynak felel meg, a db-ek kivonása pedig a feszültségviszonyok osztásának, tehát 0 db - 6 db 14 db 10 : 5 azaz 14 db megfelel ötszörös feszültségviszonynak.. Hány db-nek felel meg 00-szoros feszültségviszony? Válasz: ; a táblázatból már megjegyeztük, hogy 100-szeres feszültségviszonynak 40 db, - szörös feszültségviszonynak 6 db felel meg, és tdjk, hogy a feszültségviszonyok szorzása a db értékek összeadásának felel meg, így db + 6 db 46 db azaz 00-szoros feszültségviszonynak 46 db felel meg. 3. Egy hálózat kimeneti teljesítménye a menő teljesítmény nyolcada. Hány db-es erősítésnek felel meg ez a teljesítményviszony? Válasz: 1/8 ¼ ½. A táblázatból már megjegyeztük, hogy ¼ teljesítményviszonynak 6 db, ½ teljesítményviszonynak 3 db felel meg, a szorzás pedig a db-ek összeadását jelenti: ¼ ½ 1/8-6 db + (-3 db) - 9 db Az eredmény 9 db; a negatív előjel jelzi, hogy a hálózat nem erősít, hanem csillapít. Némi gyakorlás tán fejn is ± 15% körüli pontossággal meg tdjk határozni egy db értékhez tartozó feszültség (teljesítmény-) viszonyt, és fordítva. 4

5 3.7.3 Elvi erősítő alapkapcsolások Elvi és gyakorlati kapcsolások Az erősítő alapkapcsolások elvi vizsgálatánál csak a kapcsolás legalapvetőbb, jellemző váltakozóáramú tlajdonságaival (erősítés, - és kimenő ellenállás) foglalkoznk. Ténylegesen működőképes erősítő összeállításához kell állítani az erősítő mnkapontját (ld és pont), azaz biztosítani kell a tranzisztor működéséhez szükséges egyenáramú állításokat, gondoskodni kell a - és kimenő váltakozó feszültségeknek az egyenfeszültségtől való elválasztásáról, valamint az áramkör megfelelő pontjainak váltakozóáramú földeléséről is. Az elvi erősítőkapcsolások jellemzői A tanzisztoros erősítő alapkapcsolások aszimmetriks üzemn dolgoznak, azaz - és kimenő feszültségüket a földhöz képest mérjük. Attól függően, hogy a tranzisztor melyik elektródája van (váltakozóáramúlag!) a földpotenciálon, három féle alapkapcsolást különböztetünk meg: Földelt emitteres kapcsolás Földelt emitteres kapcsolásban (melynek vázlatát a 4. ábra mtatja) a tranzisztor emittere váltakozóáramúlag földpotenciálon van (az ábrán az emitter ténylegesen le van földelve). A menő feszültség a bázisra (azaz a bázis és a földpont közé, így a bázis és az emitter közé) kerül. A kimenő feszültséget a kollektoráram mnkaellenálláson ejti. A földelt emitteres kapcsolás jellemzői: Erősítés: >1, fázist fordít Bemenő ellenállás: közepes Kimenő ellenállás: közepes 4. ábra Tranzisztor földelt emitteres alapkapcsolása Földelt bázisú kapcsolás A 5. ábrán mtatott földelt bázisú kapcsolásban a bázis van váltakozóáramúlag (az ábrán ténylegesen is) leföldelve. Ennek megfelelően a menő feszültséget az emitterre (azaz az emitter és a föld, tehát az emitter és a bázis közé) adjk, a kimenő feszültséget itt is a kollektoráram ejti mnkaellenálláson. 5. ábra Tranzisztoros erősítő földelt bázisú alapkapcsolása 5

6 A földelt bázisú kapcsolás jellemzői: Erősítés: >1, nem fordít fázist Bemenő ellenállás: kicsi Kimenő ellenállás: közepes Földelt kollektorú alapkapcsolás Földelt kollektorú alapkapcsolásban a kollektor van váltakozóáramúlag földpotenciálon. (Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a tápfeszültségre van kapcsolva, hiszen a tápfeszültség a földhöz képest változatlan, azaz váltakozóáramúlag földpotenciálon van.) Az alapkapcsolást az 6. ábra mtatja. A menő feszültséget a bázisra kapcsoljk, a kimenő feszültséget a tranzisztor emitteréről, ellenállásról vesszük le. A földelt kollektorú kapcsolás jellemzői: Erősítés: <1, nem fordít fázist Bemenő ellenállás: nagy Kimenő ellenállás: kicsi 6. ábra Tranzisztor földelt kollektorú alapkapcsolása Gyakorlati kapcsolások Az erősítés meghatározásakor az erősítőt lineárisnak tekintettük, azaz feltételeztük, hogy paraméterei a - illetve kimenő feszültségtől és áramtól függetlenek. (Tehát pl. ha kétszer akkora menő feszültséghez kétszer akkora menő áram tartozik, a hányadosk, a menő ellenállás értéke az áramtól függetlenül gyanakkora.) A lineáris erősítő csak lineáris áramköri elemeket tartalmaz. A valóságban az analóg technikában nem csak lineáris áramköri elemeket használnak fel (pl. a tranzisztor nemlineáris áramköri elem, mert karakterisztikái nem egyenesek, hanem görbék). Az áramkört mégis lineáris áramkörnek tekintjük, mert a nemlineáris elemet gör karakterisztikájának csak egy olyan kis szakaszán üzemeltetjük, amely jó közelítéssel egyenessel helyettesíthető. A tranzisztor megfelelő működéséhez tehát mnkapontját kell állítannk karakterisztikájának arra a szakaszára, amely környezetén működését lineárisnak tekinthetjük. Ehhez biztosítannk kell, hogy elektródáira a megfelelő egyenfeszültség kerüljön. A mnkapont állításának számos módszere alaklt ki, a következőkn ismertetett mód minden alapkapcsolásban alkalmazható. Földelt emitteres erősítő A példaként szolgáló, működőképes erősítő kapcsolását a 7. ábra mtatja. 6

7 7. ábra Földelt emitteres erősítő (mnkapontállítás: bázisosztóval) A számítások egyszerűsítése céljából tételezzük fel, hogy Q 1 szilícim tranzisztor áramerősítési tényezője (β) igen nagy, pl. β 500. A mnkaponti bázisfeszültség meghatározása A mnkaponti adatok meghatározását a bázisfeszültség kiszámításával kezdjük. (Minden pont potenciálját a földponthoz képest adjk meg.) Feltételezésünk szerint az alkalmazott tranzisztor áramerősítési tényezője (azaz a kollektoráram és a bázisáram viszonya) igen nagy, emiatt a bázisáram igen kicsi. Ha a bázisáram elhanyagolható az 1 - ellenállásokból álló bázisosztón folyó áramhoz képest, akkor az egyszerűség kedvéért úgy tekinthetjük, hogy a bázisáram 0. A bázisosztó árama I 0 U t / ( 1 + ) 1V / 100kΩ 10 μa, a bázis U B mnkaponti feszültsége pedig az I 0 áram által ellenálláson ejtett feszültség: -6 3 U B B I0 10 μa 18kΩ ,16V (Az áramot ampern, az ellenállást ohmban írtk a képlet, így az eredményt voltban kaptk.) A mnkaponti emitterfeszültség meghatározása A tranzisztor működéséhez szükséges, hogy emitterdiódája nyitva (kollektordiódája pedig zárva) legyen. A szilícimtranzisztor nyitott emitterdiódáján 0,5...0,7V feszültség esik. A pontos feszültség csak az adott tranzisztor EB diódája karakterisztikájának ismeretén lenne meghatározható, ennek hiányában azt feltételezzük, hogy a bázis-emitter diódán eső nyitófeszültség 0,6V. A bázis földhöz képest mért feszültsége,16v. Ez a feszültség két részre oszlik: a 0,6V-nak feltételezett U BE feszültségre, valamint az U E emitterfeszültségre (8. ábra). 8. ábra A bázis- és emitterfeszültség alaklása 7

8 Kirchhoff hroktörvényét alkalmazva U B B UBE + U E amiből Jelen esetn adódik. U E U B - U BE U E U B - U BE,16V - 0,6V 1,56V A mnkaponti emitteráram meghatározása Az emitterfeszültség az emitter és a föld között esik, tehát éppen E ellenálláson. Így Ohm törvénye segítségével kiszámítható az E ellenálláson folyó áram, amely (mivel C E kondenzátoron egyenáram nem folyik) megegyezik az emitterárammal. Az adott kapcsolásnál I E U E / E I E U E / E 1,56V / 1,5kΩ 1,04 ma A mnkaponti kollektoráram meghatározása A tranzisztor áramaira vonatkozó I E I C + I B egyenletn a tranzisztor nagy (β 500) áramerősítése miatt a bázisáram a kollektoráramhoz képest elhanyagolható, így jó közelítéssel I C I E azaz jelen esetn I C I E 1,04 ma A mnkaponti kollektorfeszültség meghatározása A kollektorfeszültséget megkaphatjk, ha a tápfeszültségből kivonjk az C ellenálláson eső feszültséget: U C U t - I C C 1V - 1,04 ma 5,6 kω 1V - 5,8V 6,18V Ezzel a mnkaponti adatokat meghatároztk: U B0,16V U E0 1,56V U C0 6,18V I C0 1,04 ma Az erősítő jelalakjai A mnkaponti adatok megadják az erősítő jellemző egyenfeszültségeit, és áramait kivezérlés nélkül, azaz akkor, amikor az erősítő menetére nem kapcsolnk erősítendő váltakozófeszültséget. Az erősítendő váltakozófeszültséget generátor szolgáltatja. Ez a földponthoz képesti szinszfeszültség, tehát a menő feszültség elektrolitiks középértéke 0, azaz a menő feszültség egyenfeszültségű szempontból földpotenciálon van. A mnkapont állításához azonban a bázist,16v egyenfeszültségre emeltük, ezért az erősítő menő pontja és a tranzisztor bázisa közé olyan alkatrészt kell helyeznünk, amely az egyenfeszültséget nem engedi át, viszont a váltakozófeszültséget igen. Ez az alkatrész C 1 elektrolitkondenzátor, amelynek 100μF kapacitása elég nagy ahhoz, hogy a működési frekvencián tanúsított reaktanciája elhanyagolhatóan kicsi legyen. (Figyeljük meg, hogy az ELKO pozitív kivezetése van a bázissal összekötve, hiszen a bázis potenciálja a földnél,16v-al pozitívabb.) Az erősítő kimenete a tranzisztor kollektora, amelynek mnkaponti feszültsége 6,18V. t terhelő ellenállásra csak a felerősített váltakozófeszültséget bocsátjk; a megoldás szintén egy, az egyenfeszültséget leválasztó, de a váltakozó feszültség számára elhanyagolhatóan kis reaktanciát tanúsító csatoló elektrolitkondenzátor (C ) alkalmazása. (Itt a tranzisztor kollektora a pozitívabb, ezért az ELKO pozitív kivezetése a kollektorhoz csatlakozik.) 8

9 Ahhoz, hogy a menő feszültség a tranzisztor bázisa és emittere közé kapcsolódjon, az emittert földelni kell. A mnkapont állításának részeként azonban az emitter a földhöz képest 1,56V egyenfeszültségen van, tehát a földelés csak váltakozóáramú szempontból végezhető el, ezt biztosítja C E ELKO, amelynek a működési frekvencián szintén elhanyagolhatóan kicsi a reaktanciája. Az erősítő feszültségerősítése (valamint - és kimenő ellenállása) matematikai módszerekkel meghatározható, de terjedelmünk nem ad lehetőséget a váltakozóáramú vizsgálat elvégzésére. Így kell érnünk a számítás eredményével, mely szerint az erősítő feszültségerősítése A 75,6. A negatív előjel azt jelzi, hogy az erősítő fázist fordít: a menő feszültség növekedésekor nő a bázisfeszültség (míg az emitterfeszültség változatlan), így nő a bázis-emitter feszültség, ez pedig a tranzisztor kollektoráramának növekedését okozza. A kollektoráram növekedése miatt nő a kollektorellenálláson eső feszültség, és kevesebb feszültség jt a tranzisztor kollektorára (vagyis a kollektor és a földpont közé). Tehát a menő feszültség növekedésekor a kimenő feszültség csökkent, ez a fázisfordítás. Az erősítő pontjain mérhető jelalakokat max 10 mv-os, 1 khz-es frekvenciájú (T 1 ms) szinszos jel esetén a 9. ábrán láthatjk. Mint látjk, a menő feszültség a földpont körül váltakozik 10 mv amplitúdóval. C 1 kondenzátoron keresztül e feszültség váltakozó komponense a bázisra kerül (U B ), B ezért a szinszjel ráül a mnkaponti,16v-os bázisfeszültségre (annak maximális értéke,17, minimma,15v lesz). A kollektoron (U C ) a felerősített jel (melynek amplitdója A -75,6 10 mv -756 mv, a negatív előjel mtatja, hogy a menő feszültség növekedésekor a kimenő feszültség csökken) a mnkaponti kollektorfeszültségre szperponálódik ( ül rá ). Az egyenfeszültséget C leválasztja, és t ellenálláson megjelenő ki feszültség már a földponthoz képesti 756 mv amplitdójú váltakozófeszültség. 9. ábra 9

10 Földelt bázisú kapcsolás A földelt bázisú kapcsolásban a tranzisztor bázisa váltakozóáramúlag földelve van, az erősítő menete a tranzisztor emittere. A kimenő jelet (gyanúgy, mint a földelt emitteres erősítőnél) a kollektorról vesszük le. A tranzisztor mnkapontját gyanúgy állítjk, mint a földelt emitteres erősítőnél, pl. az 10. ábrán mtatott kapcsolásban ez bázisosztóval történik. Abból a célból, hogy a számítás eredményeit könnyen össze lehessen hasonlítani a földelt emitteres erősítő számításánál adódott eredményekkel, a kapcsolás elemei azonos értékűek a 7. ábrán megadottakkal. 10. ábra Földelt bázisú erősítő (mnkapontállítás: bázisosztóval) A bázis váltakozóáramú földelését C B B kondenzátor végzi. A számítás egyszerűsítése érdekén ismét tételezzük fel, hogy a tranzisztor áramerősítési tényezője igen nagy. A mnkaponti adatok meghatározása Tekintettel arra, hogy a kapcsolás egyenáramúlag megegyezik a 7. ábrán mtatottal, mnkaponti adatai is azonosak az ott kiszámítottakkal: U B0,16V U E0 1,56V U C0 6,18V I C0 1,04 ma A két hasonló kapcsolás közt különbség csak a váltakozóáramú működésn van. A földelt emitteres erősítő emitterpontját földeltük ( hidegítettük ) egy nagy kapacitású (azaz a működési frekvencián váltakozóáramú szempontból rövidzárnak tekinthető) kondenzátorral, és egy másik gyanilyen kondenzátorral vezettük a menő jelet a tranzisztor bázisára, addig a földelt bázisú kapcsolásban a bázist földeljük váltakozóáramú szempontból, és a menő jelet az emitterre vezetjük. A menő jel a földelt bázisú kapcsolásban is a tranzisztor bázisa és emittere közé körül, de most a menő feszültség növekedésekor az emitterfeszültség nő, tehát (változatlan bázisfeszültség mellett) a bázis-emitter feszültség csökken. Ezért a tranzisztor kollektorárama és a kollektorellenálláson eső feszültség csökken, a kollektorfeszültség pedig nő, azaz a fokozat nem fordít fázist. A feszültségerősítés nagysága - az azonos egyenáramú állítás miatt gyanakkora, mint a földelt emitteres kapcsolásban. A kapcsolás jelalakjait a 11. ábra mtatja. A 10 mv amplitdójú menő feszültség változatlan, de a csatoló kondenzátoron keresztül váltakozó komponense U E emitterfeszültségre szperponálódik, így annak értéke 1,55 1,57V csúcsértékek között változik. 10

11 A kollektoron a váltakozó feszültség szintén 75,6-szorosára erősödik (amplitdója 756 mv), de fázisfordítás nincs; a jel azonos fázisú a menő jellel, és a mnkaponti 6,18V kollektorfeszültségre szperponálódik. Így a kollektorfeszültség minimma 5,44V, maximma 6,936V. C kimeneti csatoló kondenzátor leválasztja a kollektor 6,18V-os mnkaponti feszültségét, és a terhelő ellenállásra csak a váltakozó komponens, ki 756 mv amplitdójú szinszjel kerül. 11. ábra Földelt kollektoros kapcsolás Az áramkör kapcsolását a 1. ábra mtatja. A mnkapontállító elemek értéke azonos a földelt emitteres illetve földelt bázisú kapcsolásban alkalmazottakkal, azzal az eltéréssel, hogy a földelt kollektoros kapcsolás sajátosságainak megfelelően nincs kollektorköri ellenállás. A kollektor közvetlenül a (váltakozóáramú szempontból földpotenciálon lévő) tápfeszültségre csatlakozik. Az erősítő menete a tranzisztor bázisa, kimenete a tranzisztor emittere. A fokozat mnkapontjának számítása (a kollektorfeszültség kivételével) megegyezik a bázisosztóval állított földelt emitteres (illetve földelt bázisú) kapcsolásnál alkalmazottal. Mivel az alkatrészek azonosak, a számszerű eredmények is megegyeznek: U B0,16V U E0 1,56V I C0 1,04 ma Kivételt képez a kollektorfeszültség, amely megegyezik a tápfeszültséggel: U C0 U t 1V 11

12 1. ábra Földelt kollektoros kapcsolás (emitterkövető) A kapcsolás egyszerűsített működése a következő: menő feszültséget C 1 (az egyenfeszültséget leválasztó) kondenzátoron keresztül jttatjk a bázisra. Ha gyanúgy, mint a mnkaponti feszültségek számításánál úgy tekintjük, hogy a bázis feszültsége mindig 0,6V-al magasabb, mint az emitteré, akkor az emitter feszültsége követi a bázis feszültségét (mindig 0,6V-al alacsonyabb annál). Ezért ezt a kapcsolást másként emitterkövetőnek nevezik. Így az emitterről C kondenzátorral kicsatolt kimenő jel gyanolyan amplitdójú váltakozófeszültség lesz, mint, azaz a fokozat feszültségerősítése A ki 1 Megjegyzés: Ténylegesen a bázis-emitter feszültség nem állandó, mint a fenti egyszerűsítő feltételezés szerint, hanem a pillanatnyi emitteráram függvényén kis mértékn változik (ezt mtatja a tranzisztor menő karakterisztikája, ld pont 31. ábra), ezért az emitterkövető erősítése 1-nél valamivel kisebb: A < 1 Felvetődik a kérdés, hogy mi indokolja az emitterkövető alkalmazását, ha az a feszültséget nem erősíti, hanem csillapítja. A magyarázat az, hogy a fokozat teljesítményt erősít: nagy menő ellenállása miatt a meghajtó generátorról kis teljesítményt ( / ) vesz fel, míg a kimenő ellenállása kicsi, ezért nagy teljesítményt td leadni. Ha pl. egy nagy lső ellenállású generátorhoz kis terhelő ellenállást kell csatlakoztatni. Közvetlen összekapcsolás esetén a generátor forrásfeszültségének nagy része a lső ellenállásán esne, a terhelő ellenállásra alig jtna feszültség. A generátor és a terhelés közé emitterkövetőt helyezve, az nagy menő ellenállásával terheli csak a generátort, így a generátor forrásfeszültségének nagy része az emitterkövető menetére kerül. Közel gyanez a feszültség jelenik meg a kimenetén, kis kimenő ellenállása miatt akkor is, ha a terhelő ellenállás kicsi. Az emitterkövető jelalakjait a 13. ábra mtatja. A menő jel továbbra is 10 mv amplitdójú, 1 khzes (T 1 ms) szinszjel, amely C 1 kondenzátoron keresztül jt a tranzisztor bázisára, és ott a,16v-os mnkaponti feszültségre szperponálódik (U B ), B így csúcsértékei,15v és,17v lesznek. Az emitteren feltételezésünk szerint a bázisfeszültségnél mindig 0,6V-al kisebb feszültség jelenik meg (UE), ennek megfelelően itt a feszültség csúcsértékei 1,55V ill. 1.57V. C kondenzátor az egyenfeszültséget leválasztja, és t ellenállásra csak az emitterfeszültség váltakozó komponensét, a 10 mv amplitdójú szinszjelet engedi. 1

13 13. ábra A 1. ábra szerinti emitterkövető kapcsolásban a fokozat menő ellenállását csökkenti a bázisosztó 1 és ellenállásainak - váltakozóáramú szempontból a menet és a földpont között mtatkozó ellenállása, ez kedvezőtlen az elvárt nagy menő ellenállás szempontjából. Az emitterkövető menő ellenállásának növelése érdekén gyakran alkalmazzák a 14. ábra szerinti kapcsolást. A működési frekvencián váltakozóáramú rövidzárnak tekinthető C kondenzátor révén a kimenő feszültség (amely gyakorlatilag azonos a menő feszültséggel) a bázisosztó közös pontjára jt, így B B bázisellenállás mindkét sarkára közel azonos váltakozófeszültség kerül. Ezért az ellenálláson nem folyik a menetet terhelő váltakozóáram, azaz a fokozat menő ellenállása jelentősen megnő. Egyekn a fokozat működése azonos a 1. ábra kapcsolásával. 13

14 14. ábra Unipoláris (térvezérlésű, FET) tranzisztorokkal felépített erősítők Mindhárom elvi erősítőkapcsolás kivitelezhető térvezérlésű tranzisztorokkal is. Természetesen a FET elektróda elnevezéseinek megfelelően a kapcsolások elnevezése változik (földelt sorce, földelt gate, földelt drain). Az alapkapcsolások tlajdonságai némiképpen különböznek a bipoláris tranzisztoros változathoz képest (pl. a FET igen nagy menő ellenállása miatt a földelt sorce-s kapcsolás menő ellenállása is nagyon nagy). A mnkapont állítása JFET és kiűrítéses MOSFET esetén Az n-csatornás JFET és kiürítéses MOS FET egyaránt olyan mnkapontot igényel, amelyn a gatefeszültség negatívabb a sorcefeszültségnél. A szokásos kapcsolást már az elektroncsöves technikában is alkalmazták atomatiks rácselőfeszültség állító áramkör néven. A kapcsolást a 15. ábra mtatja. 15. ábra n csatornás JFET (és kiürítéses MOS FET) mnkapontállítása Az alapvető probléma, hogy - miközn az n csatornás eszköz a földhöz/sorce-hoz képest pozitív drainfeszültséget igényel, a megfelelő mnkapont állításához negatív gatefeszültségre van szükség. Azért, hogy ne kelljen ezért külön negatív tápfeszültséget alkalmazni, a negatív gatefeszültséget a következő módon állítják elő: 14

15 A gate G ellenálláson keresztül a földre van kötve. G -n csak a gate egyenáram folyik keresztül, amely elenyésző nagyságú, ezért úgy lehet tekinteni, hogy (bár G viszonylag nagy értékű) rajta mégsem esik feszültség. Ezért a gate egyenfeszültsége megegyezik a földpont feszültségével. I S sorce áram (amely, mivel a gate áram elhanyagolható, megegyezik a drain árammal), S ellenálláson folyik keresztül, és azon U S I S S feszültséget ejt, tehát a sorce a földhöz képest +U S egyenfeszültségen van. Ez egyúttal azt jelenti, hogy a föld a sorce-nál U S feszültséggel negatívabb. A gate egyenfeszültsége viszont a föld feszültséggel egyezik meg, tehát a gate U S -el negatívabb, mint a sorce feszültség, azaz a mnkapontot állítottk. Ha a FET karakterisztikája ismert, az I S0 mnkaponti áram állításához szükséges S ellenállást a következő módon határozhatjk meg (ld. a 16. ábrát). 16. ábra S meghatározása Tételezzük fel, hogy a állítandó mnkaponti áram 5 ma. A FET karakterisztikájából leolvassk, hogy I D 5 ma áramhoz U GS -,35V feszültség tartozik. Mivel a,35v U GS feszültség S ellenálláson I S I D 5 ma áram hatására esik, U GS,35V S 0, 47kΩ I 5mA D adódik. Váltakozóáramú szempontból a sorce-t C S földeli. A menő jel C 1 -en keresztül jt a gate-re. A fokozat menő ellenállása G (ez MΩ nagyságrendű szokott lenni), mert maga a FET gate gyakorlatilag végtelen menő ellenállást tanúsít. A mnkapont állítása növekményes MOS FET esetén A n csatornás növekményes MOS FET mnkapontjának a állításához pozitív tápfeszültség mellett pozitív gate-előfeszültséget kell biztosítani. Egy szokásos módszert a 17. ábra mtat. 17. ábra n csatornás növekményes MOS FET mnkapontállítása 15

16 Mivel gate egyenáram nem folyik, 1 és ellenálláson nem esik egyenfeszültség, ezért U GS U DS. Ez a mnkapontállítás általában kedvező a növekményes MOS FET esetén. Ha a FET karakterisztikája ismert, a kívánt I D mnkaponti áramhoz tartozó U GS feszültséget a 16 ábrán mtatott szerkesztéssel lehet meghatározni, majd D U t U I D DS U t U I D GS alapján D értékét. kiszámítani. C H hidegítő kondenzátor megakadályozza, hogy a DC mnkapontstabilizáló visszacsatolás váltakozóáramú szempontból is érvényesüljön. 1 és meghatározásánál azt kell figyelem venni, hogy a fokozat menő ellenállása 1 lesz Több fokozatú erősítők Az egy tranzisztorral felépített (egyfokozatú) erősítővel az esetek nagyobb részén nem lehet kielégíteni az erősítés, - ill. kimenő ellenállás (esetleg kis torzítás) iránti igényeket. Ilyen esetn több erősítő fokozatot kapcsolnak egymás tán olyan módon, hogy az első erősítő kimenő jele szolgáltatja a második erősítő menő jelét, a második kimenő jele a harmadik menő jelét, és így tovább. Az erősítők ilyen összekapcsolását kaszkád (vagy lánc) kapcsolásnak nevezik. A 18. ábrán egy háromfokozatú erősítő tömbvázlatát látjk. 18. ábra Láncba (kaszkádba) kapcsolt erősítők Ha az első erősítő erősítése A 1, és menetére feszültséget kapcsolnk, kimenetén A 1 feszültség jelenik meg, ez kerül a második fokozat menetére. Ha a második fokozat erősítése A, annak kimenetén a jel nagysága A 1 A, ez lesz az A 3 erősítésű harmadik fokozat menő jele. A kimeneten így A 1 A A 3 jel jelenik meg, azaz az egész erősítőlánc erősítése azaz az egyes fokozatok erősítésének szorzata lesz. A A 1 A A 3 A számítás még egyszerűbbé válik, ha az erősítést db-n számoljk, ekkor gyanis (tekintettel arra, hogy a szorzat logaritmsa a szorzótényezők logaritmsának összege) az egyes fokozatok erősítésének db-n megadott értékét egyszerűen össze kell adni: A db A 1 db + A db + A 3 db Az egyes erősítőfokozatokat galvaniksan, C csatolással, illetve transzformátoros csatolással lehet egymás tán (kaszkádba, láncba) kapcsolni. Galvaniks csatolás A legegyszerűbbnek látszó (és egyenfeszültség erősítésére egyedül alkalmas) megoldás, ha az erősítőfokozatokat egyenáramúlag, galvaniksan csatolják egymáshoz (19. ábra). 16

17 19. ábra Galvaniks csatolású kétfokozatú erősítő A T 1 tranzisztor mnkapontját az 1 - bázisosztó és E1 emitterellenállás állítja, a T tranzisztorét viszont T 1 mnkaponti kollektorfeszültsége és E emitterellenállás. (Mivel a fokozatok mnkapontját az előző fokozat mnkapontja állítja, több fokozatú erősítőnél nehezen oldható meg, hogy valamennyi fokozat optimális mnkapontban üzemeljen.) Ha a fokozattal egyenfeszültséget is erősíteni kívánnk, nem alkalmazhatnk az emitterellenállást átblokkoló kondenzátort, hiszen az egyenfeszültségen szakadásként viselkedik, nem hidegít. A galvaniks csatolás hibája, hogy az első fokozat mnkaponti feszültségének (pl. a környezeti hőmérséklet megváltozása miatti) kis változásai is erősödnek a további fokozatokon (így a kimenő feszültség folyamatosan változik), és ha az erősítőlánc erősítése nagy, az tolsó fokozat mnkapontja úgy eltolódhat, hogy az egész erősítőlánc működésképtelenné válik. l. ha egy háromfokozatú erősítő fokozatai egyenként 50-et erősítenek, és az első tranzisztor kollektorán csak 5 mv-ot változik a mnkaponti feszültség, az a második tranzisztor kollektorán 50 mv, a harmadik tranzisztor kollektorán már 1,5V feszültségváltozást eredményez(ne), azaz, ha a tápfeszültség 1V, az tolsó tranzisztor teljesen kinyit vagy lezár, tehát analóg üzemmódjából kikerül, nem erősít. A problémát speciális, több tranzisztort igénylő kapcsolással (differenciálerősítő), illetve erős negatív visszacsatolással lehet megoldani (ld. a és pontban). C csatolás A diszkrét (nem integrált) áramkörökből összeállított erősítőkn leggyakrabban alkalmazott csatolási mód az C csatolás (0. ábra). Az egyes erősítőfokozatok mnkapontját egymástól függetlenül lehet állítani, tehát valamennyi tranzisztor optimális mnkapontba állítható. Az erősítendő jel C 1, C, C 3 csatolókondenzátorokon keresztül jt a következő fokozatra illetve a terhelésre. A csatolókondenzátorok (és az emitterellenállásokat átblokkoló kondenzátorok) alkalmazása miatt az erősítés a kis frekvenciákon csökken. Az eddigiekn úgy tekintettük, hogy a csatoló és hidegítő kondenzátorok a működési frekvencián rövidzárnak tekinthetők. A frekvencia csökkenésével azonban a kondenzátorok reaktanciája X C 1/ωC összefüggés alapján nő, így ez a közelítés kis frekvenciákon már nem alkalmazható. (l. kis frekvenciákon a 0. ábra kapcsolásában a menetre kapcsolt feszültségnek csak egy része jt Q 1 tranzisztor bázisára, másik része C 1 kondenzátoron esik. Ugyanígy, a Q tranzisztor kollektorán megjelenő kimenő feszültségnek egy része C 3 kondenzátoron esik, és csak másik része jt t terhelésre.) 17

18 0. ábra C csatolású kétfokozatú erősítő Az erősítőlánc az egyenfeszültséget értelemszerűen nem erősíti, így egy fokozat mnkaponti feszültségek megváltozása nem hat ki a következő fokozat mnkapontjára. Transzformátoros csatolás Transzformátoros csatolás esetén az erősítőfokozatok mnkaellenállása a csatoló transzformátor primer tekercse, míg a következő fokozat menetére vagy a terhelésre a jel a transzformátor szeknder tekercséből jt (1. ábra). 1. ábra Kétfokozatú transzformátoros csatolású erősítő A mnkapont állítása fokozatonként történik. A második tranzisztor mnkapontját az 3-4 bázisosztó és E emitterellenállás állítja. A bázisosztó által leosztott feszültség a Tr1 transzformátor (egyenáramúlag rövidzárnak tekinthető) szeknder tekercsén keresztül jt a bázisra. A szeknder tekercsn indkálódott váltakozófeszültség erre az egyenfeszültségre szperponálódik, ezt erősíti T tranzisztor. A tranzisztor kollektorkörén Tr transzformátor primer tekercse található, a szeknder tekercsre t terhelő ellenállás kapcsolódik. 18

19 Az erősítők frekvenciamenete Az C csatolású erősítők tlajdonságai között említettük, hogy a csatoló és hidegítő kondenzátorok alkalmazása miatt az erősítés kis frekvenciákon csökken (ez egy fokozatú erősítőre is igaz, ha abban csatoló ill. hidegítő kondenzátort használnk). Az erősítő alsó határfrekvenciájának (f a ) azt a frekvenciát nevezik, ahol az erősítés 3 db-el (azaz a kimenő feszültség 1/ -ed részére, a kimenő teljesítmény pedig a felére) csökken. Megjegyzés: galvaniksan csatolt erősítő az egyenfeszültséget is erősíti, tehát alsó határfrekvenciája f a 0. Az erősítés a frekvencia növekedtével is csökken, a csatolás módjától függetlenül Ennek oka, hogy az ellenállásokkal - így az erősítőfokozat mnkaellenállásával és a terhelő ellenállással is - szórt kapacitások illetve az erősítő elemek lső kapacitásai kapcsolódnak párhzamosan. (Szórt kapacitásnak nevezzük azokat a kapacitásokat, amelyek szándéknk ellenére elkerülhetetlenül jönnek létre az áramkörn: ilyen pl. az egymással párhzamosan ftó vezetékek vagy alkatrész kivezetések között fellépő kapacitás. Ezeknek a század vagy tized pf nagyságrendű kapacitásoknak a reaktanciája kisebb frekvenciákon szinte végtelen, azonban a frekvencia növekedtével összemérhetővé válik az áramkör egyéb ellenállásaival, és ekkor hatásk már nem hanyagolható el.) A. ábra szerinti kapcsolásban a tranzisztor i kollektorárama két részére oszlik: i áram folyik v váltakozóáramú mnkaellenálláson, és i C a vele párhzamos C sz szórt kapacitáson.. ábra Áramviszonyok a tranzisztoros erősítőn a felső határfrekvencián A párhzamosan kapcsolódó v és C sz elemeken gyanaz az feszültség esik (gyanez a feszültség ellenkező előjellel lesz az erősítőfokozat kimenő feszültsége); az v ellenálláson folyó i áram e feszültséggel azonos fázisú, míg a C sz kapacitáson folyó áram 90 fokkal siet az feszültséghez képest, mint a vektorábra mtatja. A frekvencia növekedésével a kondenzátor reaktanciája csökken, ezért rajta az i kollektoráram egyre nagyobb hányada folyik át, és ezért i és ezzel együtt I v kimenő feszültség egyre kisebb lesz. A felső határfrekvencia az a frekvencia, ahol a kimenő feszültség a közepes frekvenciás értékéhez képest 3 db-el, azaz 1 / -ed részére csökken. A. ábra vektorábrája éppen ezt az állapotot mtatja:. A felső határfrekvencián tehát v ellenálláson és C sz kapacitáson azonos kapocsfeszültség mellett azonos áram folyik keresztül, azaz impedanciájk is megegyezik: 1 v ωfcsz ebből kifejezve a felső határfrekvencia ezen a frekvencián i i C i/ f f 1 ω f vcsz ω f 1 Π Π C v sz 19

20 A felső határfrekvencián a kimenő feszültség, így az erősítés is 3 db-el csökken. Az erősítő erősítésének frekvencia függvényén való változását (az erősítő frekvenciamenetét) grafikonon szokás ábrázolni, amelynek vízszintes tengelyére a frekvenciát logaritmiks léptékn mérik fel, függőleges tengelye szintén logaritmiks egységn (db) mtatja az erősítés változását (3. ábra). 3. ábra Visszacsatolás Visszacsatolás alatt az erősítő kimenő jele egy részének a menetre való visszajttatását értjük. Az erősítőt így az eredetileg a menetére adott jel és a visszacsatolt jel eredője vezérli. Amennyin a visszacsatolt jel a menetre adott jellel azonos fázisú, (ilyenkor a két jel eredője az összegük) pozitív, míg ha ellentétes fázisú (ekkor a jelek eredője a különbségük), negatív visszacsatolásról szélünk. Negatív visszacsatolással az erősítő különböző tlajdonságai (erősítése, határfrekvenciái, - és kimenő ellenállása, mnkapontjának stabilitása) előnyösen folyásolhatók. ozitív visszacsatolást általában rezgés keltése céljából, szinszos oszcillátoroknál alkalmaznak Nagyfrekvenciás hangolt erősítők Hangolt erősítő Sokszor nem szükséges, hogy az erősítő kis frekvenciákon is működjön, hanem kifejezetten egy frekvencián és annak a környékén (pl. egy rádióadó adási frekvenciáján) kell erősíteni. Ilyen esetn, ha már a szórt kapacitásokat nem tdjk csökkenteni, felhasználjk azokat olyan módon, hogy az erősítőfokozat mnkaellenállásával párhzamosan egy párhzamos rezgőkört kapcsolnk, melyn a kondenzátor kapacitása magába foglalja a szórt kapacitásokat is. (4. ábra) 4. ábra Hangolt erősítő 0

21 A párhzamos rezgőkör impedanciája rezonanciafrekvencián elvileg végtelen, tehát ha a rezgőkört az erősítő kívánt működési frekvenciájára hangoljk, akkor ezen a frekvencián csak mnkaellenállás érvényesül. A rezonanciafrekvencia környezetén a rezgőkör impedanciája csökken. Annak a két frekvenciának a különbsége, ahol az impedancia 1/ részére csökken, a rezgőkör B sávszélessége (ld pont). A 5. ábra a rezgőkör impedanciáját mtatja a körfrekvencia függvényén (a körfrekvenciában kifejezett sávszélességet ω B -vel jelölik, Bω B /Π. B 5. ábra A párhzamos rezgőkör sávszélessége annál nagyobb, minél kisebb a rezgőkör veszteségi ellenállása. A 4. ábra szerinti erősítő tranzisztorának kollektorárama a rezgőkör impedanciáján ejt feszültséget, (ez a kimenő feszültség), így a kimenő feszültség, és ezzel a fokozat erősítése gyanolyan módon változik a frekvencia függvényén, mint a rezgőkör impedanciája. Az erősítő frekvenciamenete tehát megegyezik a 5. ábrán látható görbével. A valóságos rezgőkör mint mnkaellenállás A hangolt erősítők ténylegesen a 4. ábra szerint állíthatók össze, azonban a számításoknál figyelem kell venni, hogy a rezgőkör nem ideális, hanem valóságos áramköri elemekből áll, ezért magának a rezgőkörnek is veszteségei vannak. A párhzamos rezgőkör veszteségei egy, a rezgőkörrel szintén párhzamosan kapcsolódó veszteségi ellenállásba vonhatóak össze. Ezt a veszteségi ellenállást mtatja a párhzamos rezgőkör rezonanciafrekvenciáján az ideális végtelen helyett. Ezért a sávszélesség számításához meg kell határozni a rezgőkör most említett párhzamos veszteségi ellenállását, amely a mnkaellenállással párhzamosan kapcsolódik, ezzel csökkenti az erősítést és növeli a sávszélességet. A rezgőkör veszteségei a tekercs és a kondenzátor veszteségeiből tevődnek össze. A kondenzátor veszteségei általában elhanyagolhatóak a tekercséhez képest. A valóságos tekercs jól közelíthető mint egy ideális tekercs és egy azzal sorba kapcsolt ellenállás (illetve a menetek közötti kapacitás mintegy hozzáadódik a rezgőköri kondenzátor kapacitásához). A soros ellenállás megegyezik a tekercs végpontjai között mérhető ellenállással. A tényleges rezgőkör tehát a 6.a ábra szerinti kapcsolással közelíthető. a) Tényleges rezgőkör b) A tekercs soros veszteségi ellenállásának átváltása párhzamos veszteségi ellenállássá 6. ábra 1

22 A feladat a 6.b. ábra szerint a tekercs r s soros ellenállását) átszámítani egy, a tekerccsel párhzamos p ellenállássá, amely a rezgőkör párhzamos veszteségi ellenállása lesz. A számítást arra alapozzk, hogy L tekercs és a vele soros r s ellenállás gyanolyan jóságú kell hogy legyen, mint L tekercs és a vele párhzamos p ellenállás. (Jóság alatt, gyanúgy, mint a rezgőkörnél, a reaktáns és a veszteségi teljesítmény viszonyát értjük.) Megjegyezzük, hogy ez az egyszerű átszámítás abban az esetn ad elfogadható eredményt, ha a tekercs jósága nagy. A soros L-r s elemeken azonos i s áram folyik. A tekercsen a reaktáns teljesítmény: Az ellenálláson disszipálódó veszteségi teljesítmény: r i s ωl v i s r s A soros áramkör jósága: r is ω L ωl Qs v is rs rs A párhzamos L- p elemeken azonos feszültség esik. A tekercsen a reaktáns teljesítmény: r p ωl A párhzamos ellenálláson disszipálódó veszteségi teljesítmény: v p p A párhzamos áramkör jósága: Q r p v p Feltételezésünk szerint Q s Q p, ezért ω ω o frekvencián p L p ω ωl p ω L és a rezgőkörre rezonanciafrekvencián érvényes 1 ω L r o s o p ω L ω o o C egyenlet helyettesítésével adódik, amelyből p -t kifejezve ω L r o s ω o C p p L C r s

23 Tehát egy C kapacitásból, és r s soros ellenállású L indktivitásból összeállított párhzamos rezgőkör (amennyin a jósága elég nagy), egyenértékű egy C kapacitásból, ideális L indktivitásból és p párhzamos veszteségi ellenállásból összeállított rezgőkörrel. Szkin (bőr-) hatás A tekercs jóságának számításánál azt is figyelem kell venni, hogy a nagyfrekvencián működő tekercsek soros veszteségi ellenállása nagyobb az egyenáramon mért r s értéknél. Ennek az az oka, hogy a nagyfrekvenciás áram által keltett, és a vezetékn az önindkció folytán indkálódott feszültség által létrehozott mágneses tér kölcsönhatásaként a nagyfrekvenciás áram nem a vezeték teljes keresztmetszetén, hanem csak annak külső felületén folyik. Minél nagyobb a frekvencia, a vezetésn részt vevő keresztmetszet annál inkább csökken (7. ábra). A vezető keresztmetszet csökkenése miatt a vezeték nagyfrekvencián tanúsított ellenállása megnövekszik. Ez a szkin (bőr-) hatás. 7. ábra A vezető keresztmetszet egyenáramon közepes nagy frekvencián A különböző frekvenciákhoz (és vezető anyagokhoz) meghatározható, hogy az áram a vezető külső felületéhez képest mennyire hatol a vezető anyagába. l. réz vezető esetén a következő eredmények adódnak: Frekvencia Behatolási mélység (mm) 60 Hz 8,57 1 khz,08 10 khz 0, khz 0,1 1 MHz 0,06 10 MHz 0,0 100 MHz 0,006 1GHz 0,00 A szkin hatást figyelem véve a nagyfrekvenciás vezetékeket, tekercseket úgy készítik, hogy - az áram által átjárt külső felületet megnövelik (Litze-hzal: egymástól elszigetelt, igen kis átmérőjű hzalokból készített sodrat; a nagyfrekvenciás áram az egymástól elszigetelt elemi szálak mindegyikének felületén folyik. l. a 0 0,05 -ös Litze-hzal 0 elemi szálának átmérője 0,05mm, ami azt jelenti, hogy 0,05 mm hatolási mélységig (néhány MHz) a hzal teljes keresztmetszete részt vesz a vezetésn. Néhány MHz feletti frekvencián azonban az elemi szálak közti kapacitás miatt az áram mint ha az elemi szálak nem is volnának egymástól elszigetelve a köteg felületére szorl ki, ezért Litze-hzalt nagyobb frekvencián nem alkalmaznak.) - a réz vezető felületét a hatolási mélységig kisebb fajlagos ellenállású anyaggal (ezüst) vonják, ez által csökkentve a vezető keresztmetszet ellenállását, - nagyobb teljesítményű alkalmazáskor (több 100 kw-os rádióadók végfokozatai) a tekercset réz csőből készítik, hiszen az áram úgyis csak a cső felületén folyik; a cső lsején hűtő folyadék áramoltatható. Kaszkádba kapcsolt hangolt erősítők Kaszkádba kapcsoláskor a követő fokozat menő ellenállása terheli az előző fokozat kimeneti rezgőkörét, azaz csökkenti a párhzamos veszteségi ellenállást. A rezgőköri tekercs megcsapolásával a terhelést atotranszformátorként az áttétel négyzetének arányában lehet növelni (8. ábra). 3

24 8. ábra Terhelés atotranszformátoros csatolása Ha az erősítő elem kimenő impedanciája, amely maga is párhzamosan kapcsolódik a rezgőkörrel, és csökkenti a párhzamos veszteségi ellenállást, túl kicsi, szintén a rezgőköri tekercs megcsapolásával, atotranszformátorként lehet a csatolást elvégezni (9. ábra): 9.ábra Tranzisztor és terhelés atotranszformátoros csatolása Több fokozatú erősítőnél az egymást követő erősítők rezgőkörei vagy azonos frekvenciára vannak hangolva (szinkron hangolt erősítők), ekkor az erősítő erősítése növekszik és sávszélessége csökken; vagy egymáshoz közeli, de különböző frekvenciákra (széthangolt erősítő), ekkor kisebb erősítés mellett nagyobb sávszélesség érhető el. (30. ábra) 30. ábra Átviteli gör a) szinkron hangolt erősítő b) széthangolt erősítő 4

25 Kaszkádba kapcsolt nagyfrekvenciás erősítők csatolt rezgőkörökkel A nagyfrekvenciás jelet az erősítő fokozatok között C csatolással is lehet továbbítani (9. ábra), de sokkal inkább szokásos ezt csatolt rezgőkörök útján megvalósítani. A csatolás azt jelenti, hogy két rezgőkör egyikéből (primer kör) a másikba (szeknder kör) valamilyen módon energia kerül át. A csatolás módja lehet transzformátoros (31.a. ábra), ekkor az egymással csatolásban lévő tekercsek révén jt a feszültség a primer körből a szeknder kör. Az alsó kapacitív csatolásnál (31.b. ábra) C ac kondenzátor mindkét rezgőkörnek eleme, a primer rezgőkörn folyó áram e kondenzátoron feszültséget ejt, ez a feszültség kelti a szeknder áramot. A csatolás annál szorosabb, minél kisebb C ac (értéke általában egy-két nagyságrenddel nagyobb, mint C 1 ill. C ). Felső kapacitív csatolásnál (31.c. ábra) a primer körön keletkezett feszültség C fc -n keresztül jt a szeknder körre. A csatolás annál szorosabb, minél nagyobb C fc (szokásos értéke 1- nagyságrenddel kisebb, mint C 1 ill. C ). 31. ábra A k val jelölt csatolási tényező azt fejezi ki, hogy a primer kör feszültségének milyen hányada kerül át a szeknder kör. l. alsó ill. felső kapacitív csatolásnál k C C 1, illetve C ac k C fc C 1 C A csatolt rezgőköröket általában egyforma jóságúra (Q) készítik. A kimenő feszültség (a primer kört minden frekvencián azonos árammal gerjesztve) a rezgőkörökön az impedanciájk arányában alakl, és frekvenciafüggése kq szorzat értékétől függ (3. ábra). 3. ábra A rezgőkör gör egy önálló rezgőkör rezonanciagörbéjét mtatja, a többi különböző csatolású rezgőkörökét. Látható, hogy laza csatolás (kq<1) esetén az átvitel kisebb mértékű de a frekvenciaátvitel a rezgőköréhez hasonló. A csatolás növekedtével a gör laposodik, és amikor kq1 (kritiks csatolás), mindkét rezgőkörn fele akkora a feszültség, mint amennyi egy rezgőkörön esne. Szoros csatolás (kq>1) esetén az átviteli gör szélesedik, gyanakkor rezonanciafrekvencián már csökken a kimenő feszültség. A feszültség csökkenése kq,4 értéknél már 3 db, ezért ennél szorosabb csatolást nem szoktak alkalmazni. 5

26 Nagyjelű erősítők A nagyjelű erősítő fogalma A nagyjelű erősítő feladata a kívánt (lehető legnagyobb) feszültség vagy teljesítmény átadása a terhelő ellenállásnak. A nagy kimenő teljesítmény (vagy feszültség) elérése érdekén az erősítőt maximálisan ki kell vezérelni. A tranzisztor kivezérelhetőségét a határadatok korlátozzák (33. ábra): - U CEmax : a tranzisztor kollektora és emittere között megengedett legnagyobb feszültség, amely mellett még nem következik a kollektordióda letörése (U CEmax értékét a katalógsban sokszor U CE0 -al jelölik). - I cmax : a tranzisztor megengedett legnagyobb kollektorárama, - dmax : a tranzisztor kollektorán disszipálható maximális teljesítmény. A tranzisztor kollektora-emittere között eső feszültség és a kollektoráram szorzata által adott teljesítmény a tranzisztor kollektorán hővé alakl, ezért a tranzisztor felhevül. Ha a kristály hőmérséklete a megengedett záróréteghőmérsékletet túllépi, a tranzisztor tönkremegy. Ezért a teljesítménytranzisztorokat (hűtőcsillaggal, hűtőbordával stb.) hűtik. A (hűtés módjától is függő) megengedett maximális disszipálható teljesítményt a katalógsban megadják. A dmax U CE I C állandó teljesítményű görbét a 33. ábrán látható hiperbolával lehet megadni. 33. ábra A tranzisztor kivezérlési területe A megadott határadatok korlátain lül a nagyjelű erősítőn maximális kivezérlésre törekednek, ezért - a korábban tárgyalt erősítőktől eltérően, ahol a mnkapont közelén történő kis kivezérlés esetén a tranzisztor jelleggörbéit érintőjükkel, egy egyenessel helyettesítettük - a tranzisztort itt nem tekinthetjük lineáris elemnek. Teljesítményerősítő méretezésénél a feszültségerősítés szinte közömbös, a cél az, hogy az erősítő a tápegységből felvett egyenáramú teljesítményt minél jobb hatásfokkal alakítsa át váltakozóáramú teljesítménnyé. 6

27 Torzítások Torzításnak nevezik, ha az áramkör kimenő jelének alakja eltér a menő jel jelalakjától. A torzítás lehet lineáris és nemlineáris. Lineáris torzítás Az erősítők kis- és nagyfrekvenciás átvitelének vizsgálatakor láttk, hogy az erősítés nem minden frekvencián egyforma. Az erősítő menetére egy szinszos jelet általában csak mérés céljából kapcsolnak. Egy hangerősítő menetére pl. a széd- vagy zenei hangnak megfelelő jel kerül, amely több különböző frekvenciájú és amplitúdójú jelkomponensből áll. l. a 34.a ábra szerinti U Σ jel az f 1 frekvenciájú U 1 alapharmoniks, és a háromszoros (3 f 1 ) frekvenciájú U 3 harmadik harmoniks komponensekből tevődik össze. Ha erősítőnk erősítése nem azonos f 1 és 3f 1 frekvencián, a két jelkomponens nem egyforma mértékn kerül erősítésre. Ha pl. az erősítés 3f 1 frekvencián csak fele az f 1 frekvenciás erősítésnek, az erősítő kimenő jelén (34. b. ábra) U 3 harmadik harmoniks amplitúdójának U 1 első harmonikséhoz viszonyított értéke a fele lesz csak annak, mint amennyi az erősítő menetére adott jeln (34.a. ábra). Ezért az összegükként adódó U Σ kimenő jel alakja szemmel láthatóan különbözik a 34.a. ábrán szereplő U Σ jelétől, azaz az erősítőnk torzít. Ezt, az erősítőnek a jel különböző frekvenciájú komponenseinek eltérő mértékű erősítéséből származó torzítását nevezik lineáris torzításnak. A torzítás azért lineáris, mert kétszer akkora amplitdójú menő jel esetén a kimenő jel amplitdója is kétszer akkora lesz, tehát a torzítás nem függ a jel amplitúdójától. 34. ábra Lineáris torzítás A lineáris torzítást az erősítő frekvenciamenetének (amplitúdó/frekvencia karakterisztikájának) megadásával lehet jellemezni. 7