1. TÖBBFOKOZATÚ ERŐSÍTŐK

Átírás

1 1. TÖBBFOKOZATÚ ERŐSÍTŐK A gyakorlati esetek jelentős részében egy erősítő fokozat nem elegendő a kívánt erősítés eléréséhez. A stabilitás, a zavarérzékenység csökkentése és a szükséges határfrekvencia érdekében egy erősítőfokozattal reálisan csak szeres erősítés érhető el (közelebb az alsó határhoz). A többfokozatú erősítők kialakításának célja lehet a nagyobb erősítés (általában feszültségerősítés elérése, pl. egyenáramú erősítők, jelkondicionálók), de lehet egy nagyobb teljesítményű erősítőfokozat meghajtása is (előerősítő és főerősítő) Az erősítő láncok csoportosítása, jellemzőik i) Az egyik ilyen lehetőség a fokozatok közötti csatoláson alapl. Az egyes fokozatok közötti csatolás lehet: a) közvetlen csatolás; b) RC csatolás; c) transzformátoros csatolás; d) optoelektronikai csatolás. A d) megoldás általában alacsonyabb linearitást eredményez, nagy elválasztási szigetelés mellett. A megoldásról többet az idevonatkozó szakirodalom tartalmaz. Az b) és c) megoldások csak váltakozó áramú jelek erősítésére alkalmasak, míg az a) megoldás mind egyen-, mind váltakozó áramú jel erősítése esetén használható. További lehetőség az erősítők frekvenciasávja szerinti csoportosítás: a) egyenfeszültségű erősítők; b) normálsávú erősítők; c) szélessávú erősítők; d) szelektív erősítők. Az egyenfeszültség erősítők nem csak egyenfeszültséget képesek erősíteni, hanem váltakozó feszültséget is és a legfontosabb jellemzőjük, hogy az alsó határfrekvenciájk: f a = 0 Hz. A normálsávú (esetleg hangfrekvenciás) erősítők általános célra használt erősítők. A szélessávú erősítőket gyakran nevezik implzs- vagy video erősítőknek is, mivel elsősorban implzs-szerű jelek erősítésére szolgálnak.

2 A szelektív erősítőknek mind áteresztő-, mind záró sávi tlajdonságai meghatározottak. Elsősorban a rádiófrekvenciás vagy e feletti frekvenciatartományban használt erősítők (lásd később). Lehet az erősítő láncokat az erősítésben betöltött szerepük szerint is csoportosítani: E szerint az erősítő lehet: a) előerősítő; b) főerősítő; c) végerősítő ábra. Többfokozatú erősítők általános felépítése [1] Az előerősítő célja az alacsony bemeneti jelnek a főerősítő által megkövetelt szintre erősítése. Az előerősítők nagy stabilitással és nagyon alacsony zajjal rendelkeznek, mivel a jel sokszor összemérhető a zajjal. Tlajdonságaik alapvetően meghatározzák az egész erősítőlánc tlajdonságait. A főerősítők illesztik jelet a végerősítőhöz és állítják be a végerősítők optimális mnkapontját. Általában nagyjelű feszültségerősítők. A végerősítők általában teljesítményerősítők. Az erősítőláncok olyan hálózatok, melyben az erősítőfokozatok egymás tán következnek. A visszacsatolás nélküli erősítőláncot a tömbvázlat szemlélteti 1.2. ábra ábra. Többfokozatú erősítők eredő üzemi jellemzői

3 Az eredő feszültségerősítés n fokozatú erősítő esetén: A er = A 1 A 2 A 3 A n Az eredő feszültségerősítés az egyes áramkörök erősítésének szorzata. A 1 = U U ki1 be1 A e r = U ki U be ; A 2 = U U ki2 be2 mivel ; A 3 = U U ki3 be3 és A n = U kin U ben Az eredő erősítés részletesen: U ki1 U ki2 U ki3 U kin... A er = U { be1 U { be2 U { be3 U { ben A1 A2 A3 Mivel U be2 = U ki1 ; U be3 = U ki2 ; U ben = U ki(n-1), A n ezért egyszerűsítések tán a következő összefüggés jön létre: A er = U U kin be1 U = U ki be Az eredő erősítés (db)-ben való meghatározása és az eredő fázistolás: A er(db) = A 1(dB) + A 2(dB) + + A n(db) ϕ er = ϕ 1 +ϕ 2 + +ϕ n Általában az erősítők visszahatása elhanyagolható. Ebben az esetben a többfokozatú erősítőlánc bemenő ellenállását a második fokozattal terhelt első fokozat bemenő ellenállása határozza meg. R beer = R be1 Az eredő erősítőlánc kimeneti ellenállása megegyezik az tolsó fokozat kimeneti ellenállásával.

4 R kier = R kin A többfokozatú erősítők egymást vezérlik. Valamely erősítő kimenő jele a következő erősítő bemenetét vezérli. Az erősítők kimeneti- és bementi pontjai egyenfeszültség szempontjából különböznek. Ezeket közvetlenül összekapcsolni általában nem szabad, hanem valamilyen csatoló áramkörön keresztül kell a váltakozó áramú jelet átvezetni. A csatoló áramkör feladata: egyenfeszültségű elválasztás; váltakozó feszültségű összekapcsolás (minimális csillapítású csatolás) egyidejű biztosítása. Váltakozó áramú erősítők csatolása: 1. R-C csatolás; 2. transzformátoros csatolás. Analóg integrált műveleti erősítőkben technológiai okok miatt nem használnak sem kondenzátorokat, sem tekercseket. Ezekben az erősítőkben (de sok más esetben is) közvetlen csatolást alkalmaznak 1.2. R-C csatolású, kétfokozatú erősítő A csatolást csatoló kondenzátorok valósítják meg. Két erősítő közötti csatolás esetén is gyanaz a feladatk, mint az az előzőekben részletesen kifejtésre került. Egyenáramúlag képviseljenek szakadást, a különböző egyenpotenciálú kollektor- és bázispontokat el kell választanik egymástól. Ugyanakkor váltakozóáramúlag impedanciájk legyen elhanyagolhatóan kicsi. Kétfokozatú erősítő kondenzátoros csatolását az 1.3. ábra mtatja RC csatolású erősítő

5 A két földelt emitteres erősítőt C C2 csatolja egymáshoz. C C1 a generátor felé, C C3 a terhelés felé valósít meg csatolást. A fokozatok mnkaponti változásai nem hatnak egymásra. Akár a hőmérséklet, akár a tápfeszültség változik meg, egyaránt fellép T 1 és T 2 mnkaponti feszültségeinek megváltozása is. C C2 ezeket a hatásokat szétválasztja. Az egyes erősítők egyenáramúlag egymástól függetlenek. A sávközépi váltakozó áramú rövidzár biztosításához az szükséges, hogy C C1, C C2, C C3 legyen nagy kapacitásértékű. A sávközépinél jóval kisebb frekvenciákon ezek a kondenzátorok erősítéscsökkenést okoznak, mivel impedanciájk a frekvencia csökkenésével arányosan növekedik. A kondenzátoros csatolás előnye, hogy egyszerű a számítása, hátránya, hogy sok áramköri elem szükséges az erősítő mnkaponti beállításához és a csatoláshoz Transzformátoros csatolás Ez a csatolási mód is váltakozó áramú csatolás. A csatolóelem a transzformátor, ami egyenáramú elválasztást biztosít, a csatolt erősítő fokozatok között egyenáramú (galvaniks) kapcsolat nincs. Egy transzformátoros csatolású erősítő áramköri rajza látható az 1.4. ábrán ábra. Transzformátoros csatolású erősítő [7] Az első fokozat bemenete jelen esetben kondenzátoros csatolású, míg a transzformátoros csatolás a második fokozat és a terhelés között került alkalmazásra. Természetesen a bemeneten is alkalmazható lenne transzformátoros csatolás. Ilyen csatolást általában illesztési célból használnak, példál hangfrekvenciás teljesítményerősítők esetén. Az ilyen módon csatolt erősítők felépítése olyan, hogy mnkapont beállító áramkörei egymástól függetlenek. A transzformátorok megvalósítása elsősorban hangfrekvencián viszonylag bonyollt. A transzformátor

6 frekvencia átvitele rendkívül kedvezőtlen. Kis értékű alsó határfrekvencia eléréséhez nagy primer indktivitású transzformátor szükséges. Ez a feltétel nagy menetszámmal és nagyméretű vasmaggal valósítható meg. Ez többlet súlyt jelent. Sajnos a primer tekercs indktivitás növelése a szórt indktivitást is növeli, ami rontja a magas frekvenciás átvitelt. Transzformátoros csatolással egyszerre kedvező kis- és nagyfrekvenciás jelátvitel nem valósítható meg. A nagyfrekvenciás szelektív erősítőkben előfordló transzformátorok mind méretben, mind súlyban sokkal kisebbek. Hatásfokk és frekvencia átviteli jellemzőik kedvezőbbek. Nagyfrekvencián ez a csatolási mód rendkívül gyakori Közvetlen (egyenfeszültségű) csatolás Ez a csatolási mód mind váltakozó-, mind egyenáramú jelek átvitelére egyaránt alkalmas. Az egyenáramú erősítő sem kondenzátort, sem transzformátort nem tartalmazhat. Az egy áramkörök összekapcsolása közvetlenül, galvaniksan történik (DC csatolás). A közvetlen csatolt erősítő fokozatok követhetik egymást sorosan (kaszkád erősítők), vagy párhzamosan (kaszkód erősítők). A kaszkód erősítők gyakran a különböző áramkörfajták előnyös tlajdonságait használják fel, pl. KE+KK kapcsolás. A közvetlenül csatolt erősítők egyenáramú mnkaponti jellemzői összefüggnek, ami hő-stabilitás szempontjából nagyobb igényeket támaszt az áramkörökkel szemben. Az egyik fokozat állítja be a másik fokozat mnkapontját és vissza, ami azt eredményezi, hogy az előző fokozat mnkapontjának megváltozása kihat a másik fokozat mnkapontjának stabilitására is. A fenti okok miatt gyakran alkalmaznak közös visszacsatolást, ami mindegyik fokozatra egyszerre hat, bár lehetséges az egyes fokozatok egyedi visszacsatolása is. Az 1.5. ábrán egy közvetlen csatolású kétfokozatú erősítőt ábrázol. Mivel a második fokozat bázisfeszültsége az első kollektor potenciáljával egyezik meg, ezért a második tranzisztornak nincs bázisosztó áramköre U B2 = U C1. Az ábrán látható kapcsolás csak a közvetlen csatolásra példa, nem egyenfeszültség erősítőről van szó, mert egyenfeszültség erőstőkben csatolókondenzátort sem a bemeneten, sem a kimeneten nem lehet alkalmazni. Ezen kívül egyenfeszültség erősítőkben emitter kondenzátort sem alkalmazhatnk.

7 1.5. ábra. Közvetlen csatolású erősítő [7] Egyenfeszültségű erősítők nllpont-hibája (offset) Ha egy erősítő bemenetét rövidre zárjk, akkor a kimenetén a várttal ellentétben általában nem nlla jelet mérünk 1.6. felső ábra. Ahhoz, hogy a kimeneti feszültség valóban nlla legyen, egy segédfeszültséget kell a bementre kapcsolnnk, amely kikompenzálja a hibafeszültséget. Ezt az b0 kompenzáló egyenfeszültséget a bementre redkált offset feszültségnek hívják 1.6. alsó ábra. Fentiek alapján az i b0 offset áram fogalma is bevezethető ábra. Az offszet feszültség fogalma [4] 1

8 2. VISSZACSATOLT ERŐSÍTŐK Az erősítők nemlineáris elemeket tartalmaznak, amelyek általában hőmérsékletfüggőek is, ami instabil működést, valamint torzítást eredményez. A negatív hatások csökkentésére visszacsatolást alkalmaznk. A visszacsatolás elve: az erősítő kimenetéről a bementére a kimeneti jellel arányos jelet vezetünk vissza és ezt a bemeneti jellel valamilyen módon összegezzük, aminek következtében az erősítő üzemi jellemzői megváltoztathatók. A visszacsatolások lehet negatívak vagy pozitívak aszerint, hogy a visszacsatolt jelet a bemeneti jelhez képest azonos vagy ellentétes fázisban adjk hozzá. Pozitív visszacsatolást valamely jelenség felnagyítására, míg a negatív visszacsatolást annak csökkentésére használjk, így lineáris erősítőkben csak a negatív visszacsatolás alkalmazható A visszacsatolt erősítő erősítése A negatív visszacsatolás általános hatásának vizsgálatához rajzoljk fel a visszacsatolt erősítő tömbvázlatát 2.1. ábra ábra. A visszacsatolt erősítő tömbvázlati rajza [2] A visszacsatolatlan erősítő erősítése: A A visszacsatoló hálózat átviteli tényezője: B A visszacsatolt rendszer bemeneti jele: J be A visszacsatoló hálózat kimeneti jele: J ki Az erősítőt ténylegesen vezérlő jele: J 1 A körrel jelölt tömb egy különbségképzőt jelképez, ami képezi a két bemeneti jele különbségét:

9 J 1 = J be J v (2.1) A visszacsatolt jel a kimenti jellel arányos: J v = BJ ki (2.2) A visszacsatolt erősítő kimeneti jele: J ki = AJ 1 (2.3.) Behelyettesítés és rendezés tán: J ki = A(J be J v ) =A(J be BJ ki ) (2.4) A visszacsatolt rendszer eredő erősítése: A v = J J ki be A = 1+ BA (2.5) Ha a bemeneti jelet nllának tekintjük, és a hrkot képzeletben megbontjk, akkor könnyen belátható, hogy a BA szorzat a hrok eredő erősítése, ezért ezt a szorzatot hrokerősítésnek nevezzük: ami negatív visszacsatolás esetén mindig pozitív: BA > 0. BA = H (2.6) A (2.5) összefüggés alapján megállapíthatjk tehát, hogy a negatív visszacsatolás hatására az erősítés 1+hrokerősítésed részére csökken. Ez így látszólag értelmetlen dolognak tűnik, hiszen egy erősítőtől azt várjk el, hogy minél nagyobb legyen az erősítése. A negatív visszacsatolás viszont csökkenti ez erősítő erősítését. Hamarosan látni fogjk viszont, hogy az erősítés csökkenés árán az erősítő számos jellemzőjét meg tdjk változtatni. Igazolható példál, hogy: A A v v A = A 1+ H ami úgy értelmezendő, hogy a visszacsatolt erősítő relatív bizonytalansága 1+H-szor kisebb, (2.7) mint a visszacsatolatlané. Ha a bizonytalanság csökken, akkor a stabilitás nő, vagyis a visszacsatolt erősítő 1+H-szor stabilabb, mint a visszacsatolatlan A negatív visszacsatolás alaptípsai Az erősítők jelei feszültség vagy áramjelek lehetnek, ezért a visszacsatolt jel is áram vagy feszültség, amely a kimeneti árammal vagy a kimeneti feszültségjellel arányos. Ezek alapján a negatív visszacsatolásnak a következő négy alaptípsa különböztethető meg:

10 a kimeneti feszültséggel arányos feszültség visszacsatolása; a kimeneti árammal arányos feszültség visszacsatolása; a kimeneti feszültséggel arányos áram visszacsatolása; a kimeneti árammal arányos áram visszacsatolása. A visszacsatolt rendszerben a 2.1. ábrán látható különbség képző nem önálló áramköri elem, gyanis feszültségek és áramok különbségét kell képezni, ami a kapocspárok soros vagy párhzamos kapcsolásával megoldható (lásd a következő ábrákon). A visszacsatolás alaptípsának konkrét megnevezésekor a visszacsatolás típsának elnevezésében az első tagban a különbségképzést megvalósító kapcsolás szerepel (soros vagy párhzamos), a szóösszetétel második tagja pedig a kimenetről visszacsatolt jel neve (feszültség vagy áram) Soros áram visszacsatolás a kimeneti árammal arányos feszültség visszacsatolása A visszacsatoló hálózat bementére a kimeneti áramot kell kapcsolni, ezért a kimeneten a négypólsok kapcsait sorba kell kötni 2.2. ábra ábra. Soros áram visszacsatolás [2] A bementi körre felírt hrokegyenlet alapján: ki = A 1 (2.8) 1 = be - v = be B ki (2.9) A v = ki be A = 1+ B A (2.10)

11 A soros áram visszacsatolás hatására tehát csökken az erősítő feszültségerősítése, összhangban a (2.5) összefüggéssel. A soros visszacsatolásoknál ügyelni kell arra, hogy a visszacsatolt feszültség a bemeneti feszültséggel mindig azonos fázishelyzetű legyen, mert (2.9.) összefüggés szerint a visszacsatolt feszültség kivonódik a bemeneti feszültségből és ha a visszacsatolt feszültség a bementi feszültséghez viszonyítva ellentétes fázishelyzetű lenne, akkor pozitív lenne a visszacsatolás! A visszacsatolt erősítő bemeneti árama és az erősítőt ténylegesen vezérlő áram megegyezik (i be = i 1 ), tehát a visszacsatolás az erősítő áramerősítésére hatástalan, csak a feszültségerősítést befolyásolja. A visszacsatolt erősítő bementi ellenállása be 1+ v 1+ BA 1 1(1+ BA ) R bev = = = = = R be (1+ B i i i i be be be be A ) (2.11) Vagyis a visszacsatolt erősítő bemeneti ellenállása nagyobb, mint a visszacsatolatlané és ez feszültségerősítőknél előnyös jellemző! Igazolható, hogy a kimeneti kapcsok szintén soros kapcsolódása miatt a kimeneti ellenállás a bemeneti ellenállához hasonlóan növekszik: R = (+ 1 B A ) R (2.12) kiv Kapcsolási megoldás Ha példál a már ismert kapcsolási megoldású földelet emitteres erősítő alapkapcsolásból elhagyjk az emitter kondenzátort, akkor az emitter ellenállás soros áram visszacsatolást hoz létre 2.3. ábra. U U ki

12 2.3. ábra. Az emitter kondenzátor elhagyás soros áram visszacsatolást eredményez Ha több fokozaton keresztüli soros áram visszacsatolást akarnk megvalósítani, akkor itt is ügyelni kell arra, hogy a visszacsatolt feszültség egyező fázishelyzetű legyen a bementi feszültséggel 2.4. ábra ábra. Több fokozaton keresztüli soros áram visszacsatolás Soros feszültség visszacsatolás a kimeneti feszültséggel arányos feszültség visszacsatolás A kimeneti feszültséggel arányos feszültséget a kimeneti kapcsok párhzamos kapcsolásával lehet a bemeneti kapcsokra visszavezetni. A bemeneti kapcsok sorba kötésével, a visszacsatolt feszültség a bementi feszültségből (a soros áram visszacsatoláshoz hasonlóan) itt is kivonódik 2.5. ábra.

13 2.5. ábra. Soros feszültség visszacsatolás [2] A bementi kapcsok soros kapcsolódása miatt a feszültségerősítés (2.10) és a bementi ellenállás (2.12) a soros áram visszacsatolásnál megismert módon alakl. A visszacsatolt erősítő kimeneti ellenállása A kimeneti ellenállás meghatározásához helyettesítsük az erősítőt Thevenin helyettesítő képpel 2.6. ábra. Ha feltételezzük, hogy a bementi feszültség nlla és a visszacsatolásnak az erősítőre gyakorolt terhelő hatásától eltekintünk: kio = B A ki (2.13) i ki ki R kio kio = ki (1 + B R kio A ) (2.14) 2.6. ábra. Segédábra a kimeneti ellenállás meghatározásához

14 R kiv = i ki ki R kio = (1+ B A ) (2.15) A (2.15) szerint a visszacsatolás hatására a kimeneti ellenállás csökken, ami feszültségerősítők esetében előnyös változás! A 2.7. ábra kapcsolási példát mtat a soros feszültség visszacsatolásra. A negatív visszacsatolás biztosításához a bemeneti és a visszacsatolt feszültségnek itt is azonos fázishelyzetűnek kell lennie. Az ábrán láthatjk, hogy csak a második fokozat kimenetéről csatolhatnk vissza, mert a kétszeres fázisfordítás miatt, a második fokozat kimenetén a feszültség fázishelyzete megegyezik a bementi feszültség fázisával ábra. Kapcsolási példa soros feszültség visszacsatolásra A 2.7. ábrán látható kapcsolási megoldásban két visszacsatolás is jelen van egyidejűleg. A már említett soros feszültség visszacsatolás mellett soros áram visszacsatolást hoz létre önmagában az R E1 emitter ellenállás, mivel nincs vele párhzamosan kapcsolt emitter kondenzátor. Az előző pontban tapasztalhattk, hogy ez soros áram visszacsatolást hoz létre Párhzamos feszültség visszacsatolás Párhzamos feszültség visszacsatolás esetén a kimeneti feszültséggel arányos áramot csatolnk vissza az erősítő bemenetére. A visszacsatoló hálózat bemenetére tehát a kimeneti feszültséget kell kapcsolni, ehhez a kimeneten a kapcsokat párhzamosan kell kapcsolni. Mint

15 a 2.8. ábrán is látható a visszacsatolt jel áram lesz. Áramokat csomópontban lehet összegezni ezért a bemeneten is párhzamosan kell a kapcsokat kötni ábra. A párhzamos feszültség visszacsatolás elvi megvalósítása [2] A bemeneti csomópontra felírható: i + be= i 1 i v a bemeneti áramkülönbség képzés miatt a meghajtó generátor csak áramgenerátor lehet, ezért minden olyan erősítő jellemzőre hatástalan a visszacsatolás, amelyben az be bemeneti feszültség szerepel. Ebből következik, hogy a párhzamos visszacsatolások a feszültségerősítés nagyságát nem befolyásolják. A bementi ellenállás a két négypóls párhzamos kapcsolódása miatt ránézésre megítélhetően is csökken. A levezetés mellőzésével értéke a következő összefüggés segítségével számítható: R bev = R beo Rv 1+ A (2.16) A 2.16 összefüggés szerint a párhzamos feszültség visszacsatolás hatására a bemeneti ellenállás csökken. Ez feszültségerősítőknél hátrányos tlajdonság! A kimenet megegyezik a soros-feszültségvisszacsatolás kimenetével, ezért a kimeneti ellenállást is azonos módon kell meghatározni. A párhzamos feszültség visszacsatolás gyakorlati megvalósítására mtat példát a 2.9. ábra.

16 2.9. ábra. Gyakorlati példa párhzamos feszültség visszacsatolásra Párhzamos áram visszacsatolás Az áramvisszacsatolás miatt a kimeneten a kapcsokat sorba kell kapcsolni. A visszacsatolt jel áram, ezért a bemeneteket pedeig párhzamosan kapcsoljk össze ábra ábra. A párhzamos áram visszacsatolás elvi megvalósítása [2] Mivel a négypólsok kapcsai a bemeneten gyan úgy párhzamosan kapcsolódnak, mint párhzamos feszültség visszacsatolás esetén, ezért a visszacsatolt erősítő bemeneti ellenállása is gyanúgy számítható, vagyis a összefüggéssel megegyező lesz: R bev = R beo Rv 1+ A A kimenetei kapcsok soros kapcsolódása miatt a kimeneti ellenállás viszont növekedni fog.

17 Korábbi tanlmányainkból ismert, hogy feszültségerősítők esetén az üzemi paramétereket illetően az a jó, ha minél nagyobb egy erősítő bemeneti ellenállása és minél kisebb a kimeneti ellenállása. Ez a fajta visszacsatolás viszont éppen ellenkező értelemben változtatja meg eze ábra. Kapcsolási példa a párhzamos áram visszacsatolásra ket a jellemzőket, ezért ezt a fajta visszacsatolást igen ritkán és speciális alkalmazási területeken szokták csak alkalmazni. Erre a visszacsatolás fajtára egy konkrét áramköri kapcsolási megoldást mtat a ábra Az 1. táblázat összefoglalva mtatja, hogy az egyes visszacsatolás fajták hogyan módosítják az erősítő üzemi jellemző paramétereit. 1. táblázat. Erősítőjellemzők módoslása az egyes visszacsatolások hatására Visszacsatolás soros feszültség párhzamos feszültség soros áram párhzamos áram

18 3. SZIMMETRIKUS ERŐSÍTŐK 3.1. A szimmetriks feszültség és a szimmetriks erősítő fogalma A föld-független pontok potenciálkülönbségét szimmetriks feszültségnek nevezzük ( bes ). Ha egy erősítőnek a földpont mellett még két föld-független bemenete (esetleg kimenete is) van, akkor szimmetriks erősítőről beszélünk 3.1. ábra. A föld-független, tehát szimmetriks bemenetek egyike sem kitüntetett pont, tetszés szerint felcserélhetőek. A föld-független pontok és a földpont közötti feszültséget (a korábbiakhoz hasonló módon) aszimmetriks feszültségnek nevezzük ( be1 és be2 ). A szimmetriks erősítők kitüntetett szerepet játszanak a modern integrált alapú erősítéstechnikában, de diszkrét megvalósításokban is alkalmazzák őket. Nagy előnyük az aszimmetriks megoldásokkal szemben, hogy zavarérzékenységük - elsősorban a külső elektromágneses zavarokra - sokkal kisebb, mint az aszimmetriks erősítőké. A műveleti erősítőknél döntően szimmetriks bemeneti fokozat van és az ipari műszererősítők is szinte kizárólagosan szimmetriks bemenettel rendelkeznek ábra. A szimmetriks erősítő és a szimmetriks feszültség ( bes ) [4] 3.2. A szimmetriks erősítő vezérlési lehetőségei Bár a feszültség nem vektormennyiség, de mivel nagyságán kívül a kezdőfázisa is jellemzi, számítástechnikailag a két aszimmetriks feszültséget és a belőlük származtatott szimmetriks feszültséget kezelhetjük vektorokként 3.2. ábra. Mivel Általános esetben a két földfüggetlen pontra kapcsolható feszültségek egymáshoz képest eltérő nagyságú és eltérő fázisú feszültségek lehetnek, a két feszültség vektorából a vektorokra vonatkozó különbségképzés módszerével képezhetjük a két feszültség különbségét, a szimmetriks feszültség vektorát. Az aszimmetriks feszültségek közös pontját és a szimmetriks feszültség vektorának felezőpontját összekötve az úgynevezett közös feszültség vektorát kapjk bek.

19 3.2. ábra. A szimmetriks feszültség meghatározása és a közös fázisú feszültség fogalma Általános vezérlés A feszültségeket vektorokkal ábrázolva jtottnk a 3.2. ábrához. A bemeneteket vezérlő be1 és be2 feszültségeket felírhatjk a bemenetekre jtó közös és szimmetriks komponensek segítségével. A közös komponens a bemenetekre kerülő vezérlőjelek összegének a fele, míg a szimmetriks komponens a két vezérlőjel különbségeként adható meg. Képletszerűen: Ezek alapján a bemeneti jelek a közös és szimmetriks összetevők segítségével a következő alakra hozhatók: Szimmetriks vezérlés Abban a speciális esetben, ha a bemeneti jeleknek közös komponense nincs, szimmetriks vezérlésről beszélünk. A szimmetriks vezérlés vektordiagramját az 3.3. ábra mtatja:

20

21

22

23

24

25 kis- és nagyjelű erősítők között. Ekkor a tranzisztor kivezérelhetőségét a határadatok korlátozzák A tranzisztor kivezérlési korlátai A nagyjelű erősítők kimeneti jelének növelése együtt jár az aktív elemen fellépő feszültség, áram vagy teljesítmény növekedésével. Az aktív elem károsodása nélkül ez nem növelhető korlátlanl. A tranzisztor kivezérelhetőségét a kimeneti karakterisztika segítségével vizsgáljk meg 4.1. ábra ábra. A tranzisztor kivezérlési korlátai [7] U CEmax : a tranzisztor kollektora és emittere között megengedett legnagyobb feszültség, amely mellett még nem következik be a kollektor-bázis átmenet letörése (U CEmax értékét a katalógsban sokszor U CE0 -al jelölik); I cmax : a tranzisztor megengedett legnagyobb kollektor árama; R H : határellenállás a karakterisztika meredek szakaszának egyenessel való közelítése. Ez a határ megegyezik a normál aktív működés határával (U CB = 0). Ezt akkor lépjük túl, ha az U CE annyira lecsökken, hogy kisebb lesz, mint U BE, ekkor telítésbe kerül a tranzisztor. Ezt vagy a határellenállással, vagy egy U CEsat határfeszültséggel vehetjük figyelembe (ez tóbbi értéke tranzisztortípstól függően néhány tized volt; P dmax : a tranzisztor kollektorán disszipálható maximális teljesítmény. A tranzisztor kollektora-emittere között eső feszültség és a kollektor áram szorzata által adott

26 teljesítmény a tranzisztor kollektorán hővé alakl, ezért a tranzisztor felhevül. Ha a kristály hőmérséklete a megengedett záróréteg-hőmérsékletet túllépi, a tranzisztor tönkremegy. Ezért a teljesítménytranzisztorokat (hűtőcsillaggal, hűtőbordával stb.) hűtik. A (hűtés módjától is függő) megengedett maximális disszipálható teljesítményt a katalógsban megadják. A P dmax = U CE I C állandó teljesítményű görbét a 1. ábrán látható hiperbolával lehet megadni. A megadott határadatok korlátain belül a nagyjelű erősítőben maximális kivezérlésre törekszünk, ezért a korábban tárgyalt erősítőktől eltérően, ahol a mnkapont közelében 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 váltakozó áramú teljesítménnyé Torzítások Torzításról beszélünk, ha az áramkör kimenő jelének alakja eltér a bemenő 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 bemenetére egy szinszos jelet általában csak mérés céljából kapcsolnak. Egy hangfrekvenciás erősítő bemenetére pl. a beszéd- vagy zenei hangnak megfelelő jel kerül, amely több különböző frekvenciájú és amplitúdójú jelkomponensből áll. Pl. a 4.2.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 mértékben kerül erősítésre. Ha pl. az erősítés 3f 1 frekvencián csak fele az f 1 frekvenciás erősítésnek, az erősítő kimenő jelében (4.2. b. ábra) U 3 harmadik harmoniks amplitúdójának U 1 első harmonikséhoz viszonyított értéke a fele lesz csak annak, mint amennyi az erősítő

27 bemenetére adott jelben (4.2.a. ábra). Ezért az összegükként adódó U Σ kimenő jel alakja szemmel láthatóan különbözik a 4.2. 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 mértéke nem a jel amplitúdójától és nem az aktív elem nemlinearitásától, hanem az erősítő frekvenciamenetétől függ. A lineáris torzítást az erősítő frekvenciamenetének (amplitúdó/frekvencia karakterisztikájának) megadásával lehet jellemezni ábra. Lineáris torzítás [7] Nemlineáris torzítás (harmoniks torzítás) Nemlineáris (harmoniks) torzítás akkor keletkezik, ha az erősítőeszköz átviteli karakterisztikája görbe 4.3. ábra. Az ábrából látható, hogy egyetlen szinszos bemenő jel esetén is a kimenő jelalak eltér a szinszostól. A torzítás nemlineáris, mert függ a bemenő jel amplitúdójától: kétszer akkora bemenő jelhez nem kétszeres értékű kimenő jel tartozik. A kimenő jel torzított szinszjel. Matematikailag kimtatható, hogy minden periodiks jel (így a torzított szinszjel is) előállítható egy alapharmoniksból és annak harmoniksaiból. Az

28 egyes harmoniksok frekvenciája az alapharmoniks frekvenciájának egész számú többszöröse (kétszerese, háromszorosa stb.), amplitúdójk és fázisszögük pedig harmoniksonként változó. Mivel a nemlineáris torzítás folytán a kimeneten a bemenetre kapcsolt szinszjel harmoniksai is megjelennek, szokás harmoniks torzításnak is nevezni. A nemlineáris torzítás számszerűen jellemezhető a harmoniks torzítási tényezővel, ez a definíció szerint: ahol 1 az alapharmoniks, 2 a második, 3 a harmadik, n az n-edik harmoniks amplitúdója ábra. Nemlineáris torzítás [7] 4.4.

29 4.4. Erősítőosztályok A teljesítményerősítőket osztályokba sorolják, amelynek alapja, hogy a végerősítő tranzisztor üzemidejének hány százalékában vezet. (Egy más megfogalmazás szerint a végerősítő tranzisztort szinsz jellel vezérelve, az hány fok tartományban vezet ez a folyási szög). Ennek megfelelően vannak A, B, AB, C és egyes szakirodalmak szerint D, E, F osztályú erősítők is. Az analóg technikában elsősorban az A, a B és az AB-osztályú erősítőknek van különösen nagy jelentőségük A -osztályú erősítők Az A -osztályú erősítőben (4.4. ábra) a mnkapont beállítása olyan, hogy a kivezérlés teljes ideje alatt folyik kollektor áram (a korábban tárgyalt erősítők mind A -osztályúak voltak). 4.4 ábra A -osztályú erősítő [7]

30 4.5. ábra. Az A osztályú, ellenütemű er0ősítő eredő transzfer karakterisztikája [8] Tekintettel arra, hogy a szinszos vezérlőjel egy teljes periódsának 360 o szögelfordlás feleltethető meg, jelen esetben a kivezérlés 360 o tartományában folyik kollektor áram, azt mondjk, hogy a kollektor áram folyási szöge 360 o. (Egyes szerzők ennek a szögnek a felét, a folyási félszöget nevezik folyási szögnek, ez jelen esetben 180 o ). Az A -osztályú erősítők végtranzisztorai optimális mnkapontba állítva üzemelnek, így a tranzisztorok 100%-ban vezetnek (folyási szög 360 ), pl. közös emitteres vagy közös kollektoros kapcsolás, ahol a kollektor, illetve emitter mnkapont-beállító ellenállás maga a terhelés. A teljesítményerősítők tervezése és működtetése során mindig arra törekszünk, hogy az erősítő fokozatból a lehető legnagyobb teljesítményt vegyük ki. Ahhoz, hogy ez teljesíthető legyen, az erősítő fokozathoz a terhelő ellenállást (ami sok esetben nagyon kis értékű, példál egy hangszóró 4 8 Ω-os ellenállása) illesztenünk kell, amit optimális értékűre vagy transzformátorral, vagy impedancia illesztő emitterkövető fokozattal transzformálnk fel. Az A -osztályú teljesítményerősítők optimális terhelés illesztése A körül határolt terület az (4.6. ábra), ahol a teljesítményerősítők biztonsággal működhetnek (lásd kivezérlési korlátok 4.1. ábra). Feltételezve három különböző terhelő ellenállást megállapítható, hogy az R t1 esetén a maximális kimeneti áram, R t3 esetén a maximális

31 kimeneti feszültség hamarabb határol, mintsem a maximális kimeneti teljesítményt elérnénk. Az R t2 az optimális terhelés esete, mivel mind a maximális kimeneti áramot, mind a maximális kimeneti feszültséget, azaz a maximális kimeneti teljesítményt el tdjk érni ábra. Az optimális terhelő ellenállás [9] A felvett teljesítmény a fenti ábra szerinti optimális kivezérlést feltételezve (függetlenül a kivezérlés mértékétől) állandó: az U t a tápfeszültség, R t a terhelő ellenállás. A maximális kimeneti teljesítmény (szinszos jelet feltételezve és a szatrációs feszültséget valamint a maradékáramot elhanyagolva): Az elérhető maximális hatásfok A -osztályú mnkapont beállítás esetén:

32 4.7. ábra. Az A osztályú erősítő teljesítmény viszonyai a kivezérlés függvényében [5] Az A -osztályú erősítők hatásfoka nagyon alacsony, kivezérlés nélkül akár nlla is lehet. Az optimális teljesítményillesztés (R t = R C ) miatt a terhelésnek viszonylag nagy értékűnek kell lenni, ami gyakran nem teljesül, ilyenkor megoldást jelenthet a transzformátoros illesztés (hangfrekvenciás transzformátorral!). A transzformátoros illesztés további előnye, hogy az elérhető hatásfok egészen 50%-ig emelkedhet (nem számítva a transzformátor veszteségeit) 4.7. ábra. Az A -osztályú erősítő kapcsolásnak megfelelnek a korábban tanlt földelt emitteres és földelt kollektoros kapcsolások, de alacsony terhelő impedanciák esetén elsősorban a földelt kollektoros kapcsolás jöhet szóba. Transzformátoros csatolás esetén (helyesen megválasztott transzformátor áttételnél) mindkét kapcsolás megfelelő, alacsony impedanciák esetén is. Lehetséges szimmetriks erősítőkkel is A -osztályú üzemet létrehozni, erre alkalmasak pl., az ellenütemű végfokozatok. Az A -osztályú teljesítményerősítők legfontosabb előnye a nagyon kedvező torzítási tényező, amely elsősorban szórakoztató elektronikai alkalmazásokban fontos.

33 B -osztályú erősítők Az A -osztályú erősítő rossz hatásfokát az okozza, hogy a tranzisztoron (átlagosan) folyamatosan a maximális kollektor áram kb. felét kitevő mnkaponti áram folyik keresztül. A hatásfokot javítani lehet, ha a mnkaponti áramot közel 0-ra csökkentjük. Ekkor a mnkapont a tranzisztor karakterisztikáján a 4.8. ábra szerinti helyzetbe kerül; ez a B - osztályú mnkapont beállítás ábra. A B -osztályú mnkapont beállítás [7]

34 4.9. ábra. Az ellenütemű, B-osztályú erősítő kollektor áram jelalakja [1] B -osztályú erősítőben a mnkapont a tranzisztor I E -U BE karakterisztikájának könyökpontjába van beállítva, ennél fogva ebben a beállításban csak a vezérlő jel egyik félperiódsában folyik kollektor áram (azaz a kollektor áram folyási szöge 180 o, félszöge 90 o ). Ezért a teljes jel erősítéséhez a teljesítményerősítőt két B -osztályú mnkapontba beállított tranzisztorból állítják össze (4.9. ábra), melyek közül egyiken a vezérlés negatív félperiódsában, a másikon pedig a vezérlés pozitív félperiódsában folyik áram. Az ellenütemű végfokozat elvi kapcsolása A kapcsolás tlajdonképpen egy npn és egy pnp tranzisztorpárra épülő közös kollektoros kapcsolás, ahol a terhelés egyben a mnkapont-beállító ellenállás is. A két fél-kapcsolás sorosan egymás tán működik, így a kapcsolás alapvető tlajdonságai megegyeznek a közös kollektoros kapcsolásnál tárgyaltakkal. A két végtranzisztort gyanazzal a jellel vezéreljük, így ami nyitó az egyikre, az záró irányú a másikra nézve. Nagyobb áramok esetén Darlington kapcsolást, esetleg több tranzisztorral kialakított Darlington kapcsolást alkalmaznk. Az ellenütemű, B -osztályú teljesítményerősítő fokozat működési viszonyait a ábrán kísérhetjük figyelemmel teljes kivezérlés esetén ábra. A komplementer emitterkövető elvi rajza [9]

35 A B -osztályú erősítő mnkaponti árama 0, a tápegységből csak kivezérlés esetén vesz fel áramot, így hatásfoka jó. Igazolható, hogy a B -osztályú ellenütemű erősítő elvi hatásfoka teljes kivezérlésnél elérheti 78,6% -ot AB -osztályú erősítő Mivel a tranzisztor U BE /I E karakterisztikája a könyökpont körül, a mnkapont közelében a leggörbébb, kis jeleknél, a mnkapont közelében B -osztályú mnkapont beállításnál jelentős harmoniks torzítás lép fel. A torzítást úgy csökkentik, hogy egy csekély mnkaponti áramot állítanak be, így kis kivezérlésnél a fokozat mintegy A -osztályban dolgozik, kisebb torzítással. Ha a jel két félperiódsát ellenütemben dolgozó tranzisztorokkal erősítjük, ezek kollektor áramának eredője lineárissá tehető (4.11. ábra), így a torzítás csökken (de a hatásfok romlik: max %). Az AB -osztályú üzem a nllpont körüli nemlinearitás okozta torzítások kivédésére szolgál. A tranzisztorokat a nyitás határáig előfeszítjük (U 0 egyenfeszültség alkalmazásával). Ez azt eredményezi, hogy a kapcsolás kivezérlés nélküli esetben is vesz fel teljesítményt (bár lényegesen kisebbet, mint A -osztályú üzem esetén), így hatásfoka akár nlla is lehet. A maximális kivezérlésnél elérhető hatásfok is csökken (bár nem jelentősen) a B -osztályúhoz képest.

36 4.11. ábra. Az AB -osztályú mnkapont beállítás [7] A ábrán egy AB -osztályú ellenütemű komplementer emitterkövető elvi kapcsolása látható. Az AB -osztályú mnkapontot beállító U 0 értéke a végfokozat konkrét kapcsolásától függ (Darlington, stb.). A tranzisztorok U BE (T) feszültsége a hőmérséklettől függ, így az U 0 feszültségnek is együtt kell változnia a az U BE (T) feszültséggel. Ez úgy érhető el, ha az U 0 előállítására szolgáló félvezetők hőmérséklete (a végtranzisztorokkal azonos hűtőfelületre szerelik) és hőfokfüggése megegyezik a végtranzisztorokéval. Szokásos megoldás az U 0 előállítására vagy dióda-sor alkalmazása, vagy tranzisztoros kapcsolás.

37 4.12. ábra. Az AB -osztályú komplementer emitterkövető elvi kapcsolási megoldása [9] A bemeneti karakterisztika változása a B -osztályú mnkapont beállításhoz képest ábra. Megfelelő U 0 alkalmazásával az ideális és a tényleges közel azonos értékre hozható, ami a torzítás jelentős csökkenését eredményezi ábra. Az AB -osztályú ellenütemű mnkapont beállítású fokozat eredő bemeneti karakterisztikája [9] A végfokozat szinteltolókkal történő mnkapont beállítására mtat példát a ábra. A két végtranzisztor bázisa között az AB -osztályú mnkapontot beállíthatjk tranzisztoros szinteltoló alkalmazásával, az A -osztályú mnkapontot pedig két db. dióda alkalmazásával.

38 4.14. ábra. Mnkapont beállítás szinteltolókkal [9] Az AB -osztályú erősítők a nagyjelű hangfrekvenciás erősítők gyakran alkalmazott megoldásai, ahol a torzítás és a hatásfok között kompromisszm szükséges. A ábra egy konkrét komplemeter emitterkövetős kapcsolási megoldást mtat ábra. Egy műveleti erősítő kimeneti fokozata [6]

39 5. SZELEKTÍV ERŐSÍTŐK A szelektív erősítők a frekvenciatartomány egy meghatározott tartományát erősítik, azon kívül a jelet el kell nyomnik. Alacsony frekvenciás megvalósításaik az aktív szűrők. Nagyfrekvenciás szelektív erősítők hangolt LC köröket tartalmazó erősítők, tlajdonképpen ezek is aktív sávszűrők, csak nem RC elemekkel felépítve Nagyfrekvenciás hangolt erősítők 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 esetben, ha már a szórt kapacitásokat nem tdjk csökkenteni, felhasználjk azokat olyan módon, hogy az erősítőfokozat mnkaellenállásával párhzamosan egy párhzamos rezgőkört kapcsolnk, melyben a kondenzátor kapacitása magába foglalja a szórt kapacitásokat is 5.1. ábra ábra. Hangolt erősítő [7] A hangolt erősítő Az eddig megismert erősítőktől azt kívántk meg, hogy adott frekvenciatartományban kis torzítással erősítsenek. Hangolt erősítőket azért készítünk, mert további követelményt is ki kell elégíteniük. Ez a követelmény lehet, hogy a kijelölt frekvenciatartományon kívül ne vigyenek át. Azokat az erősítőket, amelyek ezt a két követelményt egyaránt kielégítik, szelektív erősítőnek nevezzük. A szelektív erősítőkben a kívánt átviteli sávot kiválasztó rezgőkörök, hangolt körök vannak, innen ered az elnevezés is.

40 A párhzamos rezgőkör impedanciája rezonanciafrekvencián elvileg végtelen, tehát ha a rezgőkört az erősítő kívánt működési frekvenciájára hangoljk, akkor ezen a frekvencián csak R mnkaellenállás érvényesül. A rezonanciafrekvenciától távolodva a rezgőkör impedanciája csökken. Annak a két frekvenciának a különbsége, ahol az impedancia sávszélessége. részére csökken, a rezgőkör B 5.2. ábra. Az erősítő sávszélessége [7] Az 5.2. ábra a rezgőkör impedanciáját mtatja a körfrekvencia függvényében (a körfrekvenciában kifejezett sávszélességet ω B -vel jelölik, B = ω B/2π. A párhzamos rezgőkör sávszélessége annál nagyobb, minél kisebb a rezgőkör R veszteségi ellenállása. Az 5.1. ábra szerinti erősítő tranzisztorának kollektor árama a rezgőkör impedanciáján ejt feszültséget, (ez a kimenő feszültség), így a kimenő feszültség, és ezzel a fokozat erősítése gyanolyan módon változik a frekvencia függvényében, mint a rezgőkör impedanciája. Az erősítő frekvenciamenete tehát megegyezik az 5.2. ábrán látható görbével A valóságos rezgőkör, mint mnkaellenállás A hangolt erősítők ténylegesen a 5.1. ábra szerint állíthatók össze, azonban a számításoknál figyelembe 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

41 a veszteségi ellenállást mtatja a párhzamos rezgőkör rezonanciafrekvenciáján az ideális végtelen helyett. 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 az 5.3. ábra szerinti kapcsolással közelíthető (a soros veszteségi ellenállás párhzamossá való átváltozatásának számítását mellőzzük) ábra. A párhzamos rezgőkör és a tekercs jellemzői [7] Az 5.1. ábrán bemtatott kapcsolás csak egy elvi vázlat. Az előző megfontolások alapján felépített konkrét szelektív erősítő kapcsolását az 5.4. ábra mtatja.

42 5.4. ábra. Egy földelt emitteres kapcsolású szelektív erősítő kapcsolása

43 6. MŰVELETI ERŐSÍTŐK Az elektronika miniatürizálódási folyamata Az elektronika kezdeti korszakában aktív elemként kizárólag elektroncsöveket alkalmaztak az elektroniks berendezésekben. Eleinte a főleg a katonai célú alkalmazások, majd később a katonai alkalmazások mellett az űrktatás egyre összetettebb, bonyolltabb áramköri felépítésű eszközök kifejlesztését és gyakorlati alkalmazását igényelték. A növekvő alkatrész darabszám súly, térfogat, melegedési és megbízhatósági problémákat vetett fel az áramkörfejlesztők számára. Egyre szükségszerűbb igénnyé vált az elektronika miniatürizálása. A fejlesztés két irányban indlt el: az alkatrész technológia javításának az irányába, illetve a méretek csökkentésének az irányába, ami eleinte főleg a szerelési technológia javítását jelentette. A fejlesztőmnka eredményeként jött létre a modlrendszerű szerelés és a miniatűr elektroncsövek. Teljesen új lendületet adott a technikai fejlődésnek 1948-ban a tranzisztor feltalálása. Ez jelentősen csökkentette az aktív elem helyszükségletét, a feszültség és teljesítmény igényt, növelte a megbízhatóságot. Lehetővé tette a passzív elemek méretének jelentős csökkenését is és megváltoztatta az áramkör tervezési szemléletet is. A tranzisztorok, a kisméretű passzív alkatrészek és a nyomtatott hzalozású lemezek alkalmazásával felépített háromdimenziós modlokkal elérték az 1 ~ 2 alkatrész /cm 3 átlagos alkatrészsűrűséget. ezzel szemben elektroncsöves készülékek átlagos alkatrészsűrűsége 0,01~ 0,5 alkatrész/ cm 3 volt. Az alkatrészek méretének csökkentésével megnőtt a kivezetések, hordozók és védőelemek térfogata az aktív térfogathoz viszonyítva. A jobb térkihasználás érdekében felmerült az alkatrész geometriák azonosításának és az áramkörök egységenkénti közös brkolásának a gondolata. Az így megvalósított áramkörök a mikromodlok, melyekkel elérték a 20 alkatrész/cm 3 alkatrészsűrűség-értéket is. A mikromodlok1959-es megjelenésével kezdődött el a szorosabb értelemben vett mikroelektronika korszaka. Felismerték, hogy nem elsősorban az alkatrészek nagy száma okozza a legnagyobb nehézséget, hanem az, hogy az egyes elemeket külön állítják elő és aztán egyesítik azokat rendszerré. Így alaklt ki az integrált áramkörök kifejlesztésének a gondolata.

44 6.2. Az integrált áramkörök fajtái és jellemzőik A tranzisztor kifejlesztése (1948) tán az áramkörök miniatürizálása jelentősen felgyorslt. A jobb térkihasználás érdekében több alkatrészt közös kivezetésekkel és brkolattal ellátva, mikromodlként kezdtek el gyártani. A mikromodlok megjelenésével kialaklt az elektronika új területe, a mikroelektronika. A mikroelektronika területén azonban a legjelentősebb fejlődés az integrált áramkörök elterjedésével következett be. Az integrált áramkör egy alaplemezen egyidejűleg, azonos technológiai lépésekkel létrehozott alkatrészekből álló egységes áramkör. Az integrált áramkör jellemzői: roncsolás nélkül nem bontható alkotóelemeire; nem javítható; nem változtathatók meg az alkatrészeinek az értékei; nagy megbízhatóságú; széles körben felhasználható; kis helyigényű. Az integrált áramkörök megjelenése szinte grásszerűen csökkentette az elektroniks berendezések méretét és súlyát valamint az alkatrészek közötti hagyományos értelemben vett kötések számát. Az integrált áramkörökkel sikerült elérni a 100-as, illetve 1000-es nagyságrendű alkatrész/cm 3 -es alkatrészsűrűséget. Az integrált áramkörök két alapvető típsa: szigetelő alapú integrált áramkörök; félvezető alapú integrált áramkörök. A szigetelő alapú integrált áramkörök szigetelő hordozón egymás mellett, ill. egymás felett meghatározott geometriai elrendezésben kialakított vezető és szigetelő rétegekből épülnek fel. A különböző elektromos tlajdonságú rétegek segítségével egy-vagy többrétegű, hzalozású pályák, kontaktsfelületek, ellenállások, kondenzátorok, igen kis értékű indktivitások, elosztott paraméterű hálózatok, mikrohllám tápvonalak és rezonátorok stb. állíthatók elő. Rétegtechnológiával az indktivitások csak nagy felületigénnyel és kis értékkel valósíthatók meg, ezért alkalmazásk csak egy-két speciális esetre korlátozódik. A szigetelő alapú integrált áramkörök kétféle típsa létezik: a vékonyréteg és a vastagréteg integrált áramkörök.

45 Szigetelő alapú, vékonyréteg integrált áramkörök A vékonyréteg áramköröknél az alaplemez alkáliaszegény üveg lemez. Erre a lemezre (hordozóra) vákmgőzöléssel vagy ún. katódporlasztással viszik fel a vezető-, ellenállás- és szigetelő-réteget (a fémezendő tárgyat vákmkamrában a hevített bevonó fém gőzsgarának útjába helyezik. A tárgyak felületén kondenzálódó atomok képezik a bevonatot, amely néhány Angströmtől néhány tizedmilliméter vastagságúra készíthető). Az ellenállások anyaga krómnikkel ötvözet, az összeköttetéseké arany 6.1. ábra ábra. Szigetelő alapú vékonyréteg hibrid integrált áramkör [11] 6.2. ábra. Szigetelő alapú vastagréteg hibrid integrált áramkör [11]

46 Mindkét áramkörre vonatkozóan: 1 hordozó; 2 ellenállás; 3 kondenzátor; 4 hzalozási pálya; 5 hzalkereszteződés; 6 kontaktsfelület a kivezető lábhoz; 7 kontaktsfelület a hibrid elem beültetéséhez; 8 hibrid elem; 9 dielektrikm a kereszteződések között; 10 kondenzátor dielektrikm. A szigetelő alapú integrált áramkörök jellemzője, hogy a közös alapon (hordozón) integrált formában a passzív elemeket és az összekötő vezetékhálózatot valósítják meg. A technológiai nehézségek miatt a gyakorlatban félvezető elemeket nem hoznak létre ily módon. Az aktív elemeket tólag ültetik be ebbe az integrált RC hálózatba ezeket hibrid áramköröknek nevezik. E technológia előnye a stabil és jó minőségű ellenállás megvalósítása. Ugyancsak előnye a viszonylagos alacsony előállítási költség. Ugyanakkor a félvezető elemek ilyen hibrid jellegű megvalósítása kényelmetlen és a miniatürizálás ellen hat. Alkatrészsűrűségük körülbelül alkatrész/cm Szigetelő alapú, vastagréteg integrált áramkörök A vastagréteg áramköröknél a jól vezető ellenállás és szigetelő rétegeket a kerámia hordozóra szitanyomással viszik fel. Az ellenállások és összeköttetések anyagai speciális összetételű paszták, melyeket a felvitel tán a kerámia alapba beégetnek 6.2. ábra. A vékonyréteg áramkörökhöz hasonlóan itt is tólag ültetik be a félvezető elemeket (szitanyomtatás: a keretre kifeszített maszkot a nyomtatókés a hordozóhoz szorítja, majd állandósebességgel elhalad rajta. Közben a kés éle elé helyezett pasztaanyag a maszk szabad nyílásaiba préselődik. A rgalmas maszk a kés elhaladása tán visszargózik a hordozótól, ez elősegíti, hogy a szita nyílásaiba préselt és a hordozóhoz adhézióval tapadó pasztaanyag a hordozón maradjon) ábra. Az ellenállás áramkörbe csatlakoztatása [11]

47 A vékonyréteg integrált áramkörökben a rétegvastagság néhányszor 10 vagy 100 nm, míg a vastagréteg integrált áramkörökben néhányszor 10 µm A monolitiks integrált áramkör A monolitiks integrált áramkörben az áramkör valamennyi aktív és passzív elemét (tranzisztorok és diódák, illetve ellenállások és kis értékű kondenzátorok), valamint a hozzájk tartozó összekötéseket egyetlen félvezető-egykristály lemezkén vagy chip -en (morzsán) alakítják ki. Ezt a kialakítást szokás félvezető alapú integrált áramkörnek is nevezni. A félvezető alapanyag a legtöbb esetben szilícim. Az áramkörök elemeit több egymás tán következő és egymáshoz kapcsolódó gyártási fázisban adalékanyagok különböző mértékű bevitelével, illetve zárórétegek kialakításával hozzák létre, nagy pontosságú planár technológiával. Az integrált áramkörök gyártástechnológiájának első lépése a nagy tisztaságú szilícimegykristály rúd növesztése. Eztán ebből vékony tárcsákat szeletelnek, a kristályrács meghatározott irányában. Az integrált áramkör méreteire jellemző, hogy egy szeleten egymás mellett több tcatot lehet előállítani. Planár technológia A planár technológia legfontosabb lépései: a szilícim szelet felületén szilícim-dioxid (SiO2) réteg kialakítása; a szilícim szelet felületén létrehozott oxidrétegből fotolitográfiai és maratási eljárással oxidmaszk kialakítása. Az adalékanyag (p vagy n típsú szennyező) bejttatása az oxidmaszk nyílásán keresztül a kristályba Szerelési technológiák Az elektronikai szereléstechnológiában lényegében két szerelési módszert különböztetünk meg egymástól: fratszerelési technológia (THT Throgh Hole Technology); felületszerelési technológia (SMT Srface Mont Technology). Szokás SMD áramköröknek is nevezni (Srface Mont Devices SMD).

48 Fratszerelt áramkörök A fratszerelési technológiánál alkalmazott alkatrészek kivezetéseit (melyek lehetnek merev vagy hajlékony kialakításúak) a szerelőlemez alkatrészoldalán a fratokba helyezik, majd a lemez másik oldalán (a forrasztási oldalon) megtörténik az elektromos bekötés, azaz a forrasztás, amely hllámforrasztás segítségével történik. A merev kivezetéssel rendelkező fratszerelhető alkatrészek lábait a fratok elhelyezkedésének függvényében méretre vágják és hajlítják, míg a hajlékony kivezetések lábkiosztását szabványok alapján alakítják ki. A fratszerelési technológia egyre inkább háttérbe szorlását misem bizonyítja jobban, minthogy napjainkban a szerelőlemezre beültetett alkatrészek mindössze 3 5% a fratszerelt alkatrész, a maradék 95 97% a SMD. A fratszerelési technológia hátránya, hogy a szerelőlemez mindkét oldala felhasználásra kerül, valamint az, hogy alkatrészek helyigénye nagy a fratok miatt. A 6.8. ábra egy fratszerelt modláramkört mtat ábra. Fratszerelt modláramkör [12] Felületszerelt áramkörök A felületszerelést a legegyszerűbben úgy lehet értelmezni, hogy az alkatrészek és azok rögzítése a panelhez gyanazon oldalon történik, tehát itt nem különböztetünk meg egymástól alkatrész-, illetve forrasztási oldalt, vagy úgy is tekinthetjük, hogy mindkét oldal alkatrész-, valamint forrasztási oldal is. A felületszerelési technológia lényege, hogy a speciálisan e célra

49 kialakított alkatrészek elektromos kivezetői közvetlenül kapcsolatba kerülnek a panelen kialakított kontakts felületekkel, az úgynevezett padekkel. A felületszerelhető alkatrészek kivezetéseit kétoldalas vagy többrétegű nyomtatott hzalozású lemez felületén kialakított vezetékmintázatra illesztik, és forrasztással gyanazon oldal vezetékmintázatához kötik. A 6.9. ábrán egy felületszerelt modláramkör látható. A felületszerelési technológia előnyei: azoknál a hordozóknál, melyeknél csak felületszerelhető alkatrészek kerülnek beültetésre, nincs szükség fratozásra, köszönhetően a kivezető hzalok elmaradásának; a gyártás folyamatai olcsóbbak és atomatizálhatóak; az alkatrészek térfogata szabványosított, ami az atomatizálhatóság felé pozitívan jelentkezik; 6.9. ábra. Felületszerelt modláramkör [12] a felületszerelhető alkatrészek mérete jóval kisebb a fratszerelhető alkatrészekénél, ezért lényegesen kevesebb területre van szükség a beültetésükhöz.

50 A felületszerelési technológia hátrányai: ez a technológia jóval bonyolltabb tervezést igényel a nagy alkatrész-szám és a méretcsökkenés miatt; az alkatrészek beültetése rendkívül nagy pontosságot követel meg; az egy hordozón előfordló nagyszámú alkatrész megnehezíti a hibák feltárását, keresését Műveleti erősítők Az integrált áramkör (angoll: Integrated Circit, röviden IC) fő jellemzője, hogy itt az áramköri aktív és passzív áramköri elemek egy-egy csoportját és az ezeket egybefoglaló összekötéseket egyidejűleg, azonos (a korábbiakban röviden ismertetett) gyártástechnológiával hozzák létre, ellentétben az egyedi (diszkrét) alkotórészekből felépített áramkörökkel, amelyeknél külön végezték el az alkatrészek gyártását és összeszerelését. Ezek az erősítők különleges tlajdonságokkal rendelkeznek, bonyollt felépítésűek és sokoldalúan felhasználható egyenáramú erősítők. Az elnevezés onnan ered, hogy eredetileg a szabályozástechnika és az analóg számítógépek megoldandó feladataihoz készültek diszkrét, majd integrált formában. A megfelelően alacsony árk lehetővé teszi a műveleti erősítők széleskörű használatát és a felhasználási területek bővülését. Így jelenlegi felhasználási területük kiterjed az elektronika, híradástechnika, mérés- és irányítástechnika területeire. Szinte minden olyan helyen alkalmazható, ahol egyen vagy váltakozó jeleket kell erősíteni kis teljesítmény esetén. A felhasználók többségét már nem igazán érdekli a belső felépítés, cspán az a fontos számkra, hogy hogyan kell alkalmazni, hogyan kell velük meghatározott paraméterekkel rendelkező áramköröket tervezni és kiépíteni Műveleti erősítők felépítése, áramköri jelölése A műveleti erősítő tömbvázlatos felépítése ábra ábra. A műveleti erősítők általános felépítése [14]

51 Ezek az erősítők egyenáramú erősítők, amelyek olyan váltakozó feszültségű erősítők melynek alsó határfrekvenciája nlla. Tehát alkalmas egyen- és váltakozó feszültségű jelek erősítésére is. A műveleti erősítők felhasználásakor fontos feladat a drift alacsony értéken tartása, ezért bemenetükön kivétel nélkül differenciálerősítőt alkalmaznk. A bemeneti differenciálerősítő nagy érzékenységű és jelentős feszültségerősítésű. A második fokozat a fázisösszegző áramkör, amely a jelet aszimmetrikssá alakítja és szintillesztés tán újabb feszültségerősítő fokozat következik. Az integrált erősítők általában többfokozatúak és szimmetriks bemenetűek. Kimeneti fokozatk azonban szinte kivétel nélkül aszimmetriks ( aminek az az oka, hogy a terhelés egyik végpontja többnyire földelt). Ezért az erősítőn belül a szimmetriks és aszimmetriks fokozatot egymáshoz csatolni kell. Ezt a feladatot látja el a fázisösszegző áramkör, s differenciál-erősítő két földszimmetriks jelét egyetlen jellé egyesíti (lehetőleg csillapítás nélkül). A kimeneti teljesítményerősítőt egy szinteltoló fokozaton keresztül vezéreljük. Az integrált műveleti erősítők rajzjele a ábrán látható ábra. A műveleti erősítő rajzjele [6] A - jellel jelölt bemenetet invertáló vagy fázisfordító bemenetnek nevezik, mivel erre a bemenetre kapcsolt feszültség (Un ábra) a kimeneten fordított polaritással, illetve 180 -os fázistolással jelenik meg. Az erősítő az invertáló bemenetére kapcsolt feszültséget felerősíti és invertálja. A + jellel jelölt bemenetet neminvertáló vagy fázist nem fordító bemenetnek nevezik, mivel a rákapcsolt feszültség (Up ábra) azonos polaritással, illetve azonos fázishelyzetben jelenik meg a kimeneten. Az erősítő neminvertáló bemenetére kapcsolt feszültséget felerősíti, de nem invertálja.

52 Működés szempontjából a műveleti erősítő a vonatkoztatási ponthoz képest szimmetriks tápfeszültséget igényel. Ha a műveleti erősítő két bemenetére különböző feszültséget kapcsolnk, akkor a kimeneten a két feszültség felerősített különbsége jelenik meg. A feszültségek a közös pontra, a testpontra vonatkoznak, amelyet a ábrán tüntettünk fel ábra. A műveleti erősítő vonatkoztatási pontjai [6] Ha a műveleti erősítő két bemenetére a ábrán látható feszültséget kapcsolnk, akkor a kimeneti kapcsokon a két jel különbsége felerősítetten jeleneik meg: U ki =A o ( Up U N ) = A o U D ahol az U D a két bemeneti pont közötti feszültségkülönbség, az A o pedig a differenciális nyílthrkú erősítés. Az analóg integrált áramkörök két nagy csoportra oszthatók: niverzális integrált áramkörök: amelyek sokféle üzemmódban, sokféle célra használhatóak. (Az niverzális áramkörök közül kiemelkedő jelentősége van az integrált műveleti erősítőknek, amelyek a mérés- és irányítástechnika, híradástechnikai rendszerek niverzális elemeként tekinthetőek); fnkcionális áramkörök: ezek meghatározott célfeladat megoldására készülnek. A megfelelően alacsony árk lehetővé teszi a műveleti erősítők széleskörű használatát és a felhasználási területek bővülését. Így jelenlegi felhasználási területük kiterjed az elektronika, híradástechnika, mérés- és irányítástechnika területeire. Szinte minden olyan helyen alkalmazható, ahol egyen vagy váltakozó jeleket kell erősíteni kis teljesítmény esetén. Ezek az erősítők egyenáramú erősítők, amelyek olyan váltakozó feszültségű erősítők melynek alsó határfrekvenciája nlla. Tehát alkalmas egyen- és váltakozó feszültségű jelek erősítésére is.

53 Műveleti erősítők jellemző paraméterei A következőkben összefoglaljk a műveleti erősítők legfontosabb katalógs-jellemzőit definíciószerű megfogalmazásban (a teljesség igénye nélkül). A gyakorlati felhasználás elősegítése érdekében a szakkifejezések angol megfelelőit is megadjk. Nagyjelű (szimmetriks) feszültségerősítés (large signal differential voltage gain): A o. Szimmetriks bemeneti jel mellett a műveleti erősítő visszacsatolás nélkül, alacsonyfrekvencián mért feszültségerősítése terheletlen kimenet vagy adott terhelő ellenállás esetén. (A visszacsatolás hiánya alatt itt csak a külső visszacsatolásokat értjük, mert az integrált kivitelű erősítő belsejében egyébként lehetnek visszacsatolások.). A műveleti erősítők nagyjelű feszültségerősítése szokásosan db körüli érték. Ez feszültségviszonyban több százezerszeres erősítést jelent. Az egységnyi erősítés határfrekvenciája: f 1 (nity gain freqency). Azt a frekvenciát értjük alatta, melynél szimmetriks bemeneti jel mellett a műveleti erősítő visszacsatolás nélküli feszültségerősítésének abszolút-értéke terheletlen kimenet vagy adott terhelő ellenállás esetén egységnyire (0 decibellre) csökken. A jelenlegi áramkörök egységnyi feszültségerősítéshez tartozó határfrekvenciája néhány száz MHz-es tartományba esik ábra.

54 6.14. ábra. A visszacsatolatlan műveleti erősítő erősítése a frekvencia függvényében [6], [14] A nyílthrkú feszültségerősítés határfrekvenciája: f o (open loop bandwith) Azt a frekvenciát értjük a nyílthrkú feszültségerősítés határfrekvenciáján, melynél szimmetriks bemeneti jel mellett a műveleti erősítő visszacsatolás nélküli feszültségerősítése terheletlen kimenet, vagy adott terhelő ellenállás esetén az alacsonyfrekvencián mért értékéhez képest 3 db-el csökken. Ez az érték gyakran meglepően alacsony, esetleg néhány Hz ábra. Kivezérlés-határfrekvencia (maximm otpt swing bandwith): f kv. Az a maximális frekvenciaérték, melynél a kapcsolás a maximális kimeneti feszültséget (Ukimax) adott torzítás mellett még szolgáltatni képes. Értéke tipiksan néhány 100 khz. Közös módsú feszültségerősítés (common mode voltage gain): A ok.közös bemeneti jel mellett a műveleti erősítő visszacsatolás nélkül, alacsonyfrekvencián mért feszültségerősítése terheletlen kimenet vagy adott terhelő ellenállás esetén. Értékét legtöbbször közvetve adják meg a CMRR segítségével, azaz a nagyjelű (szimmetriks) feszültségerősítéshez viszonyítva.

55 Közös módsú feszültségelnyomási tényező (common mode rejection ratio): CMRR. A közös módsú feszültség elnyomási tényező a nagyjelű (szimmetriks) [Ao] és közös módsú feszültségerősítés [Aok] hányadosa decibelben kifejezve. A CMRR értéke a mai korszerű műveleti erősítőkben legalább 90 db. Bemeneti ellenállás (differential inpt resistance): R bes. A műveleti erősítő szimmetriks bemeneti ellenállása. Jellemző értéke bipoláris technológiával készült műveleti erősítők esetén néhány MΩ, míg térvezérlésű tranzisztorokat alkalmazó bemeneti fokozat esetén ennél még 6 nagyságrenddel nagyobb, azaz Ω. A differenciálerősítőre vonatkozó korábbi tanlmányainkból tdjk, hogy a közös vezérlőjelekre nézve a bemeneti ellenállás a szimmetriks vezérlésre megadott értékeknél körülbelül százszor nagyobb. A közös módsú bemeneti ellenállás nem minden esetben szerepel a katalógs-adatok között. A bemeneti impedancia már egy tágabb fogalom. Ebbe beletartoznak a kapacitív összetevők is. Kimeneti ellenállás (otpt resistance): R ki. Az aszimmetriks kimenetű műveleti erősítő kimeneti ellenállása. Értékét a kimeneti rövidzár elleni védelem kapcsolástechnikai megoldása döntően meghatározza. (A rövidzárvédelmi megoldások valamelyest növelik a kimeneti ellenállás értékét, de jelentőségük miatt nem célszerű kihagyni őket a kapcsolásból.) Aktív rövidzárvédelem esetén 100 Ω alatti is lehet, míg passzív rövidzárvédelmi megoldás esetén néhány 100 Ω a jellemző paraméter. Mivel a műveleti erősítőket az esetek döntő többségében negatív feszültség visszacsatolás mellett alkalmazzák, ezért ezek az értékek a teljes kapcsolásra nézve a hrokerősítés mértékével osztódnak. Így a műveleti erősítővel felépített kapcsolás kimeneti ellenállása akár 1 Ω alatti értéket is felvehet. Bemeneti nygalmi áram (inpt bias crrent): I B. Közös bemeneti jel esetén a nlla kimeneti egyenfeszültséghez tartozó bemeneti egyenáramok (az invertáló és a neminvertáló bemeneteken mért egyenáramok) átlaga. Tipiksan 100 na bipoláris és 30 pa térvezérlésű tranzisztorokkal felépített bemeneti fokozatok esetén. Értéke főleg FET-bemenetű műveleti erősítők esetén erősen hőmérsékletfüggő, mert a gate-en folyó szivárgási áram a hőmérséklet emelkedésével kb. tíz fokonként megdplázódik. Bemeneti ofszet áram (inpt offset crrent): I bo. A Bemeneti ofszet áram alatt azt a bemeneti szimmetriks egyenáramot értjük, melynek hatására a műveleti erősítő

56 kimeneti egyenfeszültsége nlla lesz. Értéke tipiksan néhány tíz na bipoláris és egykét pa térvezérlésű tranzisztorokkal felépített bemeneti fokozatok esetén. Bemeneti ofszet feszültség (inpt offset voltage): U bo. Bemeneti ofszet feszültség alatt azt a bemeneti szimmetriks egyenfeszültséget értjük, melynek hatására a műveleti erősítő kimeneti egyenfeszültsége nlla lesz. Értéke néhány mv. A műveleti erősítők nagy feszültségerősítése miatt a bemeneti fokozat parányi aszimmetriája is érzékelhető kimeneti jelet eredményez. Bemeneti jel nélkül a kimeneti feszültség nllától különböző értéket vesz fel, ami a vezérlés során már nem választható szét a hasznos jeltől és ezért hibához vezet ábra. A műveleti erősítő helyettesítő képe alacsony frekvencián [6] Az ofszet kiegyenlítésére gyakran a bemeneti fokozat két kivezetett pontján keresztül lehetőségünk van. A kapcsolási megoldások a különböző műveleti erősítőknél erősen eltérőek lehetnek. Míg egyes típsoknál a gyártó végzi el a beállítást, példál lézeres trimmeléssel. Az ofszet feszültség és -áram léte kétségtelenül hátrányos jelenség. A kapcsolás felélesztésekor, behangolásakor értéke finoman kinllázható. Attól válik kritikssá, hogy az előzőleg kinllázott ofszet nem marad változatlan. Az ofszet megváltozását driftnek nevezzük. A driftet több jelenség együtt is okozhatja. Leggyakrabban három tényező válthatja ki. Ezek a hőmérséklet és a tápfeszültség változása, valamint az áramkör öregedése. A hőmérséklet változása miatt bekövetkező ofszet vándorlás oka a kapcsolást felépítő alkatrészek

57 hőmérsékletérzékenységében keresendő. Elsősorban az aktív alkatrészek mnkapontja változik meg. A mnkapontot számottevően befolyásolja többek között a bázis-emitter dióda nyitóirányú feszültségének 2,2 mv/ C-os változása, a lezárt kollektor-bázis dióda záróirányú áramának exponenciális hőmérsékletfüggése, továbbá a bipoláris tranzisztorok áramerősítési tényezőjének (integrált áramköri kivitel mellett) néhány tized%/ C-os növekedése. Bemeneti hőmérsékleti feszültségdrift (inpt ofset voltage drift): U do. Bemeneti hőmérsékleti feszültség drift alatt a bemeneti ofszet-feszültségnek a környezeti hőmérséklet hatására bekövetkező megváltozását értjük. Szokásos értéke 3-10 mv/ C. Bemeneti hőmérsékleti áram drift (inpt ofset crrent drift): I do. Bemeneti hőmérsékleti áram drift alatt a bemeneti ofszet-áramnak a környezeti hőmérséklet hatására bekövetkező megváltozását értjük. Értéke bipoláris kivitelű műveleti erősítők esetén néhány tized na/ C, térvezérlésű eszközökből kialakított bemeneti fokozattal rendelkező műveleti erősítőknél tíz-száz pa/ C. Az ofszet-vándorlás másik oka a tápfeszültség megváltozása miatt bekövetkező mnkapont-eltolódásból ered. Tápfeszültség drift (spply voltage sensitivity): U dt. Tápfeszültség drift alatt az 1 V tápfeszültség-változás hatására bekövetkező bemeneti ofszetfeszültség-változást értjük. Gyakorlati értéke 10 és 100 mv/v közé esik. (A harmadik driftet okozó jelenség a kapcsolás öregedése. Általában nem találnk erre taló katalógsjellemzőt. Az ofszet feszültség az idő függvényében nagyságrendileg 1-2 mv/hónap változást mtat). Maximális tápfeszültség (maximm spply voltage): U tmax. Az a maximális tápfeszültség érték, melyet a műveleti erősítőre adva a kapcsolás nem károsodik. Az analóg áramköri technika nagyon gyakran ±15 V-os tápellátást igényel, ezért a műveleti erősítők többsége a biztonsági tartalék miatt kb. ±18 V-os maximális tápfeszültséget visel el károsodás nélkül. Minimális tápfeszültség (minimm spply voltage): U tmin. Az a minimális tápfeszültség érték, melynél a műveleti erősítő már üzemszerűen működik. Főleg telepes vagy akkmlátorról dolgozó kapcsolások esetén nyújt értékes információt ez az adat. Léteznek olyan CMOS technológiájú műveleti erősítők, melyek már ±0,5 V- os tápfeszültségről működnek, természetesen kompromisszmokkal.

58 Tápfeszültség elnyomási tényező (spply voltage rejection ratio): SVRR. A tápfeszültség elnyomási tényező a tápfeszültség drift és az azt létrehozó tápfeszültségváltozás hányadosa. Ekkor mv/v-ban adják meg értékét, mely 100 mv/v körüli. Amikor db-ben látjk kifejezve, akkor az előző érték reciprokának hússzoros logaritmsát adják meg és ez esetben értéke hozzávetőleg 80 db. Maximális kimeneti feszültség (maximm peak otpt voltage swing): U kimax. Meghatározott torzítás mellett terhelő ellenállás nélkül vagy adott terhelés esetén a kimeneti csúcsfeszültség maximális értéke. Értéke a műveleti erősítők felépítéséből következően mivel leggyakrabban komplementer emitterkövető végfokozatot alkalmaznak általában csak 2-3 V-ra tdja megközelíteni a tápfeszültséget. Vannak azonban MOS végfokozattal rendelkező olyan ún. Rail to Rail áramkörök, melyek gyakorlatilag a tápfeszültség határokig kivezérelhetők. Ez az érték erősen függ a kimenetre kapcsolt terhelő ellenállás értékétől. A katalógsok általában grafiksan ismertetik a maximális kimeneti feszültség változását a terhelő ellenállás függvényében. Maximális kimeneti áram (maximm otpt crrent): I kimax. A műveleti erősítők szinte kivétel nélkül védettek a kimeneti rövidzárral szemben. Ez a rövidzár védelem megakadályozza, hogy a műveleti erősítő a megnövekedett kimeneti áram okozta disszipáció miatt tönkremenjen. Mivel a szokásos tokozási formák mw maximális disszipációra képesek, ezért figyelembe véve a tápfeszültséget a műveleti erősítők maximális kimeneti áramát ma körüli értékűre korlátozzák. Ekkora kimeneti áramot a kapcsolás gyakorlatilag korlátlan ideig képes károsodás nélkül elviselni. Maximális (kimeneti) jelváltozási sebesség (slew rate): SR. A kimeneti feszültség maximális jelváltozási sebessége a műveleti erősítők egyik legfontosabb paramétere. Értékét V/ms-ban adják meg. A gyors működésre kifejlesztett műveleti erősítők ma már V/ms-os slew rate értékre képesek. A kimeneti feszültség maximális jelváltozási sebessége külső kompenzálású áramkörök esetén jelentősen befolyásolható a kompenzáló elemekkel. Üzemi hőmérséklettartomány (operating temperatre range): T. Azt a hőmérséklettartományt értjük alatta, melyben a gyártó garanciát vállal arra, hogy az

59 eszközre megadott paraméterek egy tűrésmezőn belül maradnak vagy a megadott határértéknél jobbak. A gyakorlatban három hőmérséklettartományt definiálnak. Ezek: 0 C-tól +70 C-ig kommersz, (háztartási, otthoni) használatra szánt berendezésekhez; 25 C-tól +85 C-ig ipari berendezések számára; 55 C-tól +125 C-ig katonai, hadiipari felhasználásra. A műveleti erősítők jellemző számszerű adatai közül a legfontosabbakat az alábbiakban foglaljk össze: A műveleti erősítők gyakorlati alkalmazásának vizsgálata, valamint a vele kapcsolatos számítások során nem követünk el jelentős hibát, ha a napjainkban gyártott és alkalmazott nagyon jó minőségi paraméterekkel rendelkező áramkört ideálissal helyettesítjük. Egy ideálisnak tekintett műveleti erősítő legfontosabb jellemzői: nyílt hrkú feszültségerősítés: A o = ; bemeneti ellenállás: R be = ; kimeneti ellenállás: R ki = 0 Ω; működési frekvencia tartomány 0 Hz Hz; közös módsú elnyomás: CMRR = ; közös módsú erősítés: A k = 0; kimeneti zajfeszültség: U kizaj = 0 V;

60 a bemeneti áramok értékei: I B+ = I B = 0; a bemeneti áramok különbsége: I B+ I B = 0; a hibajellemzők i8dő, tápfeszültség és környezeti hőmérsékletfüggése: = Műveleti erősítő alapkapcsolások Mielőtt az alapkapcsolások ismertetésére rátérnénk a ábrán bemtatjk egy jellegzetes műveleti erőstő, a hazánkban is már évtizedek óta használt µa 741-es típsjelű integrált műveleti erősítő belső kapcsolási megoldását. A kapcsolás részletes elemzésétől eltekintünk ábra. A µa 741-es integrált műveleti erősítő belső kapcsolási megoldása [4] A ábrán pedig néhány tokozási megoldást mtatnk be.

61 6.18. ábra. Analóg integrált műveleti erősítők néhány tokozási megoldása [6] Invertáló erősítő Az erősítő a bemeneti jelet felerősíti, de a kimeneti feszültség a bemenetihez viszonyítva ellentétes fázisú, az erősítő fázistolása 180 o vagyis invertál ábra. Invertáló erősítő alapkapcsolás műveleti erősítővel A műveleti erősítő nagyon nagy értékű, nyílthrkú erősítése miatt az bes feszültség olyan kis értékű, hogy 0-nak tekinthető (a valóságban persze nem 0, csak elhanyagolhatóan kis értékű). Ezért a műveleti erősítő ( )-jelű, invertáló bemenete gyakorlatilag földpotenciálúnak tekinthető, vagyis virtális földpont (leföldelni természetesen nem szabad, mert akkor bes valóban nlla lenne és ennek feszültségerősítés-szere, azaz a kimeneti feszültség is nlla lenne!). Ezért:

62 i = 2 A műveleti erősítő bemenete a nagyon nagy bementi ellenállása miatt szakadásnak tekinthető, így a bemeneti árama 0, tehát: i 1 = i 2 és R = i1 R1 a feszültségirányok összehasonlítása alapján: ki = 1 és a visszacsatolt erősítőkapcsolás erősítése: A = ki be i1 R = be 1 = be be R R 1 2 R = R 1 2 A kapcsolás bemeneti ellenállása: R i i R be be be be = = = = be 2 be 2 R 2 A kapcsolás kimeneti ellenállása: a kapcsolás negatív soros - feszültség visszacsatolás típsú, ezért a kimeneti ellenállás jelentősen csökken. Minél nagyobb a visszacsatolás, annál kisebb a kimeneti ellenállás. A kimenet közel ideális feszültséggenerátor, amíg a kimeneti terhelés el nem éri a maximális kimeneti áram értékét Nem invertáló bemenetről vezérelt erősítő Ebben az esetben a kimeneti jel szintén erősítésszerese a bemeneti jelnek, de a kimeneti és a bementi jel azonos fázisú.

63 6.20. ábra. Nem invertáló erősítő alapkapcsolás műveleti erősítővel Az előző pontbeli vizsgálathoz hasonlóan: mivel a szimmetriks bementi feszültség nllának tekinthető az invertáló bemenet feszültsége megegyezik a nem-invertáló bemenet feszültségével, így az be feszültséggel is, ezért: Ebből: A A kapcsolás bemeneti ellenállása R be = R ki R 1 R + R 1 + R ki 1 2 = = = 1+ be R1 be = i be be = i be bp 2 R R 2 1 be = 0 A kapcsolás soros- feszültség visszacsatolás típsú az invertáló kapcsoláshoz hasonlóan, ezért a kimeneti ellenállás hasonlóan változik Egységnyi erősítési erősítő (feszültségkövető) Ez már nem egy újabb alapkapcsolás, hanem a nem-invertáló erősítő egy speciális esete. Az invertáló bemenet feszültsége megegyezik a nem-invertáló bemenet feszültségével, így a bemeneti feszültséggel, valamint a kimeneti feszültség is megegyezik az invertáló bemenet feszültségével, így ki = be és az erősítés A = 1. A bemeneti ellenállás R be, a kimeneti ellenállás rendkívül kicsi. Felhasználási területek:

64 Impedancia illesztés: a nagy bemeneti- és kicsi kimeneti ellenállás miatt alkalmas két áramkör közötti impedancia illesztésre pl. egy kis bemeneti impedanciájú feszültség bemenetű áramkör illesztésére egy nagy kimeneti impedanciájú áramkörhöz. Meghajtó: a kimenet ellenállása rendkívül kicsi. A bemeneten -a nagy ellenállás miattnem terheli a meghajtó áramkört és egységnyi erősítésű, így a kimeneten -a határáram tartományán belül- ideális feszültség-forrásként terhelhető ábra. Feszültség követő Negatívan visszacsatolt műveleti erősítő frekvencia függvénye A visszacsatolás nélküli műveleti erősítő A0 erősítése csak 0 - ω0 tartományban érvényes. Ez a felső határfrekvencia meglepően alacsony. A ábrán Látható, hogy a negatív visszacsatolás hatására csökkenő erősítési tényezővel lineárisan nő az erősítő sávszélessége. Levezetés nélkül: A0 ωv ω 0 v A

65 6.22. ábra. A negatívan visszacsatolt erősítő erősítése a frekvencia függvényében [4]