4.B 4.B 4.B Tranzisztoros alapáramkörök Frekvenciaüggés ok és torzítások Frekvenciaüggés Alsó határrekvencia A közös emitteres erısítı alapkapcsolásban (srekvenciás tartományban) a csatolókondenzátorok és az emitterkondenzátor okoz rekvenciaüggést és ázistolást. A csatolókondenzátorok hatásának vizsgálata a srekvenciás helyettesítıkép alapján történik. +U t R R Ki Be T R g U R t R U g R A közös emitteres erısítı kapcsolási rajza B i B β i B R g r r U R R R U R t U g R A közös emitteres erısítı srekvenciás helyettesítıképe Az erısítı meneti körén a csatolókondenzátor az R és az R g soros R tagot alkot. A meneti körn a az R és az R t is soros R tag. - így a meneti kör határrekvenciája: π c ( R R - a meneti kör határrekvenciája: π c ( R g R t ) ).) Mindkét határrekvencián külön-külön az átvitel 3dB-lel csökken.) A határrekvenciák alatt mindkét R-tag 0dB/dek értékkel változtatja az erısítı erısítését 3.) Az R-tagok egyenként +45 0 -os ázistolást okoznak a határrekvenciájukon az erısítı eredeti ázistolásához képest 4.) A határrekvenciák környezetén a ázistolás változása 45 0 /dekád a változás R-tagonként max +90 0.
4.B 4.B élda egy olyan erısítıre ahol az alsó határrekvenciát a meneti kör határozza meg: +0dB/dek a ϕ Au /dek -35 0 /dek -80 0-5 0 A csatolókondenzátorok hatása Az emitterkondenzátor az emitterellenállásal párhuzamos R-tagot alkot. A rekvencia csökkenésével a kapacitív reaktancia egyre nı egészen s rekvenciákon olyan nagy értékővé válik hogy szakadásnak tenthetı az R ellenállás mellett. Ilyenkor tehát az R nincs rövidre zárva váltakozó áramú szempontból. Az a rekvencia amely alatt ez igaz az emitter köri rekvencia amelynek értéke: π R Az emitterköri határrekvencia alatt az erısítı egy soros negatív áram-visszacsatolással rendelkezı kapcsolás amelynek erısítése: Au h + h R R t Auv Auv h ( ). R h + + h R Az elett az erısítés 0dB/dekád értékkel növekszik addig amíg eléri közepes rekvenciákon érvényes értéket. +0dB/dek v h ϕ Au -35 0-80 0-5 0-70 0 Az emitterkondenzátor miatti rekvenciaüggés Az ehhez tartozó rekvencia az h törésponti rekvencia amelynek értéke az ábra alapján:
4.B 4.B h A A U UV A párhuzamos R -tag miatt a ázistolás az h rekvencián -45 O csökkentve a rekvenciát 45 /dekáddal csökken maximum 90 -os ázistolást okozva. Az rekvencia környezetén a ázistolás változása ellentétes irányú. A közös emitteres erısítı erısítésének srekvenciás változását a csatolókondenzátorok és az emitterkondenzátor együttesen határozzák meg. A három határrekvencia közül a legnagyobb az erısítı a alsó határrekvenciája. +0dB/dek +60dB/dek h a ϕ Au -35 0-80 0-5 0-70 0 A csatolókondenzátorok és az emitterkondenzátor hatása Nagyrekvenciás tartományban a tranzisztorok elektródái között meglévı kapacitások reaktanciája egyre csökken ezért a tranzisztort vezérlı meneti váltakozó áram és meneti áram egy része ezeken olyik el. Az elektródakapacitásokon kívül olyásolják az erısítı mőködését az áramkörök megépítésekor jellemzı szerelési- és szórt kapacitások valamint a terhelıellenállás mellett jellemzı esetleges kapacitás (pl. a következı okozat meneti kapacitása). zek együttes hatását a továbbiakban egy a meneten jelentkezı t terhelıkapacitással vesszük igyelem. Az elektróda és a terhelıkapacitás jelenléte miatt változnak a tranzisztorral elépített erısítık jellemzıi. Az a rekvencia amely elett ezek a változások már számottevıek az erısítı elsı határrekvenciája. Felsı határrekvencia Bipoláris tranzisztorral elépített közösemitteres kapcsolás nagy rekvenciás helyettesítıképének elhasználásával meghatározható a kapcsolás elsı határrekvenciája. B i B β i B R g SZ M B SZ U R r U g R r R R t U A közös emitteres kapcsolás nagyrekvenciás helyettesítıképe A meneti körn a B és M Miller-kapacitásból számítható meneti kapacitással párhuzamosan kapcsolódnak az R g R R és h ellenállások ezért a meneti kör határrekvenciája: ahol és π ( R R ) B M g + + SZ 3
4.B 4.B M ( A ) U B R R R h e SZ a meneti szerelési és szórtkapacitás. A meneti kör határrekvenciája: ahol és π ( + ) ( R R ) B + R R h e SZ t t SZ a meneti szerelési és szórtkapacitás. Mindkét határrekvencia elett az erısítés külön-külön 0dB/dekáddal csökken. A ázistolás mindkét határrekvencián külön-külön az eredetihez képest -45 okkal változik a környezetén 45 /dekáddal csökken max. 90 -kal. Az erısítı elsı határrekvenciája a - és meneti határrekvencia közül a sebb. -0dB/dek -40dB/dek ϕ Au -35 0-80 0-5 0-70 0-35 0-360 0 Közös emitteres kapcsolás nagyrenkvenciás átvitele és ázistolása Sávszélesség A s- és nagyrekvenciás tartományban jelentkezı rekvenciaüggést együttesen igyelem véve meghatározható az a rekvenciatartomány amelyen lül az erısítés értéke rekvenciaüggetlen. zt a rekvenciatartományt az erısítı sávszélességének (B) nevezzük. A sávszélességet az erısítı alsó és elsı határrekvenciája jelöli. B - a Az erısítıvel szemn támasztott gyakorlati igények általában meghatározott erısítésjellemzıket és sávszélességet írnak elı. Érdemes tehát megvizsgálni hogyan lehet a sávszélességet (a lehetıségek határain lül) meghatározott értékre állítani. Amennyin az erısítı eredeti B-jének csökkentése a cél akkor ez szőrıáramkörök alkalmazásával megoldható. Ha az erısítı B-jét növelni kell akkor a következı módszerek közül lehet választani a eladatnak legjobban megelelıt: az erısítı rekvenciaüggését olyásoló elemeinek helyes megválasztásával korlátozott mértékn ugyan de növelhetı a B a közös emitteres erısítıt közös kollektoros okozattal illesztve a generátorhoz ill. a terheléshez szintén növelheti a B soros negatív visszacsatolást alkalmazva csökken ugyan az erısítés de hatékonyan növelhetı a B külön-külön változtatható kedvezı irányba az alsó és elsı határrekvencia az erısítı kompenzálásával 4
4.B 4.B Az erısítı elemeinek helyes megválasztása a határrekvenciákat meghatározó összeüggések elemzésével lehetséges. zek alapján az a -t az emitter- és csatolókondenzátorok növelésével lehet csökkenteni. A növelése a tranzisztorok kapacitásainak csökkenését kívánja ami nagy rekvenciás tranzisztorok alkalmazásával oldható meg. A visszacsatolás sebb erısítés mellett jelentısen növeli a B-t. A növekedés mértéke egyszerően állítható a visszacsatolás mértékével. A B növekedésének az szab határt hogy a határrekvenciák eltolódásával változik az erısítı ázistolása is így elıordulhat hogy eléri a pozitív visszacsatoláshoz szükséges mértéket. z közös emitteres erısítınél 360 (vagy 0 ) ázistolásnál következik. Akkor járunk el helyesen a visszacsatolás mértékének megválasztásánál ha a gerjedési rekvenciától távolmaradunk: ázistartalékkal méretezzük a visszacsatolást. Így meghatározható a állítható minimális visszacsatolt erısítés és a hozzátartozó határrekvencia maximális értéke. +0dB/dek -0dB/dek -40dB/dek +60dB/dek Au h a k B -35 0-80 0-5 0-70 0-35 0-360 0 A közös emitteres erısítı teljes átvitele ázistolása és sávdzélessége Zajok és torzítások rısítıkn keletkezı orrásai A jel a eszültség vagy az áram meghatározott idıüggvény szerinti változása. Ha a jel nem tartalmaz a elhasználó számára hasznos inormációt akkor zavaró jelnek röviden nak nevezzük. A zavaró jelek egy részének idıüggvénye periodikusan ismétlıdı másik részének idıli leolyása sztochasztikus. Az erısítıkn keletkezı eredı eszültség idıüggvénye szabálytalan. Zajeszültség idıüggvénye rısítıkn keletkezı ok típusai Az elsı csoport jelenségei azért lépnek el mert az elektronikus áramkörök a környezet olyása alatt állnak. zért a mechanikai erık szórt elektromágneses terek stb. hatása ugyanúgy jelentkezik mint valamely hasznos jel. Mivel az elektronikus rendezések megelelı intézkedéssel (pl. elektromágneses árnyékolással) megvédhetık a külsı olyásokkal szemn ezek a orrások elvileg küszöbölhetık. A második csoportba olyan zavaró jelenségek tartoznak amelyek elvileg nem tüntethetık el. zek alapja a 5
4.B 4.B termodinamika harmadik ıtétele amely szerint minden rendszer energiája egyensúlyi állapotban is ingadozásokat mutat a makroszkopikus törvénye által megszabott közepes érték körül. A termodinamikailag jelentkezı elektromos energia az áram vagy a eszültség értékének az ingadozását jelenti ez a töltéshordozók (elektronok) rendezetlen mozgásának az eredménye. zek a zavaró jelek minden ohmos ellenállásban illetve ohmos veszteségő passzív elemn és az aktív élvezetı elemekn is ellépnek. A rendezetlen elektronmozgásból eredı ok több típusát különböztetjük meg: termikus sörét villódzási vagy licker. A termikus A termikus a töltéshordozók rendezetlen hımozgásának a következménye. z a rendezetlen mozgás létrehozza a k T B teljesítményt. k: Boltzmann állandó. Ha egy R lsı ellenállású generátor illesztett állapotban teljesítményt ad le a generátor orrásárama I 4 G a generátor orráseszültsége pedig U 4 R. Az összeüggéseket B sávszélességn alkalmazva egy R ellenállású termikus generátor esetén: az átlagos termikus eszültség U 4 R 4 k T B R az átlagos termikus áram I 4 G 4 k T B G A B rekvenciasáv szélességet az elektronikában a elhasznált rendezések vagy áramkörök sávszélessége határozza meg. A termikus sebb nagyobb mértékn minden passzív és aktív áramköri elemn létrejön. Villódzási vagy licker- A villódzást vagy licker- az elektronikai alkatrészek nem tökéletes gyártástechnológiájának következménye. A mőködési rekvencia csökkenése növeli a nagyságát. A licker- minden aktív és passzív áramköri elemn ellép. Igen nagy értékő licker-jal rendelkeznek a MOSFT-ek. Sörét Sörétnak azt a jelenséget nevezzük amely élvezetı eszközökn kíséri az áramot. A töltéshordozók potenciálküszöbön (N-átmeneten) való áthaladása idézi elı. Nagysága ordítottan arányos a rekvenciával és az áram növekedése esetén növekszik. rısítık tényezıje gy erısítı meneti eszültsége az erısítı orrásainak együttes hatását ejezi és a helyettesítı képn elhelyezett generátorokkal adható meg: U U + U + + U "... n Az erısítı osságának jellemzésére a jel/ viszonyt és az F tényezıt adják meg. Meghatározás szerint a jel/ viszony a jelteljesítmény és a teljesítmény db-n ejezett hányadosával egyenlı: ( db) jel jel 0 lg taj A tényezıt a és menetre vonatkoztatott jel/ viszony hányadosa adja meg: F jel jel A p 6
4.B 4.B ahol A a teljesítményerısítés. jel p jel A tényezı ejezése db-n: ( ) F db 0 lg F A tényezı ideális esetn nulla a valóságban mindig F > 0. gy erısítı tényezıjét legnagyobb mértékn mindig az alkalmazott erısítıelem szabja meg. Többokozatú erısítık át elsısorban a meneti okozat tényezıje határozza meg mivel a többi okozat már elerısített jelet kap. zért az erısítık meneti okozatában s ú tranzisztorokat és a szempontjából optimális munkapont-állítást alkalmaznak. Torzítás ogalma Az erısítıktıl ideális esetn azt kívánjuk hogy ha meneti jelének valamelyik jellemzıje megváltozik akkor a meneti jel hasonló jellemzıje egyenes arányosság szerint kövesse. Amennyin valamelyik jellemzıre (amplitúdó F ázishelyzet) nem áll enn az arányosság akkor a meneti jel torzított lesz. A torzítást az erısítı hozza létre mert: az erısítın elhasznált tranzisztor jelleggörbéje nem lineáris az erısítés rekvenciaüggésébıl következıen a meneti jel különbözı rekvenciájú összetevıit különbözıképpen erısíti a ázistolás rekvenciaüggése miatt a meneti jel különbözı rekvenciájú összetevıi különbözı mértékő ázistolást szenvednek A torzításoknak két ajtáját különböztetjük meg: Lineáris torzítás Nemlineáris torzítás Lineáris torzítások Lineáris a torzítása az erısítınek ha a különbözı rekvenciájú jeleket nem egyormán erısíti vagy megváltoztatja a jelösszetevık egymáshoz viszonyított ázishelyzetét. Ha a jel különbözı rekvenciájú összetevıit az erısítı nem egyormán erısíti akkor rekvenciatorzításról szélünk. A rekvenciatorzítás nagyságát az erısítı amplitúdó karakterisztikájával jellemezhetjük. Az amplitúdó karakterisztikában megadhatjuk hogy a vizsgált rekvenciatartományban ( a - ) mekkora az erısítés legnagyobb eltérése a közepes rekvencián k mért értéktıl. A torzítások egy másik ajtája a ázistorzítás amely a ázistolás rekvenciaüggését jelenti. A ázistorzítás esetén a jelösszetevık egymáshoz viszonyított ázishelyzete megváltozik. Az erısítık ázistorzításának értékét a áziskarakterisztika jellemzi. z megmutatja hogy a vizsgált rekvenciatartományban ( a - ) mekkora az erısítés szögének ϕ a legnagyobb eltérése az ideális áziskarakterisztikától. Az elızıekn tárgyalt lineáris torzításokat a rekvenciaüggı lineáris elemek (L és -tagok) gerjesztik. miatt a lineáris torzítások nagysága úgy csökkenthetık ha közvetlen csatolást alkalmazunk az erısítıokozatok között és elhagyjuk az emitterkondenzátorokat. A szükséges csatoló- és emitterkondenzátorok értékét kívánt nagyságúra kell választani. rısítı amplitúdó karakterisztikája rısítı ázis karakterisztikája Nem lineáris torzítások Nemlineáris a torzításról szélünk ha az erısítı a különbözı amplitúdójú jeleket nem egyormán erısíti. A nemlineáris torzítás eredménye hogy az erısítı olyan jelösszetevıket hoz létre a menetén amelyek nincsenek jelen a meneti jeln. A torzított jel tehát az alaphullámokon kívül elharmonikusukat is tartalmaz. 7
4.B 4.B A nemlineáris torzítások két típusát különböztetjük meg: Harmonikus torzítások; az erısítı által termelt jelösszetevık rekvenciája a meneti jelösszetevık egész számú többszörösei. Modulációs torzítások a termelt jelösszetevık rekvenciája a meneti jelösszetevık rekvenciájának összege és különbsége. A harmonikus torzítás mértéke a k h harmonikus torzítási tényezıvel ejezhetı : k h a elharmonikusok eektív értéke a teljes jel eektív értéke ahol u az alapharmonikus u u + u + u 3 + u +... + u 3 n +... + u n u kétszeres rekvenciájú összetevı (.harmonikus) u n n-szeres rekvenciájú összetevı (n.harmonikus). A torzítás kényelmesebn mérhetı a következı meghatározás alapján: k h a elharmonikusok eektív értéke az alapharmonikus eektív értéke 3 u + u +... + u A nemlineáris torzításokat az erısítı nemlineáris elemei okozzák (pl. diódák tranzisztorok). A s jelő erısítıokozatok nemlineáris torzítása általában % alatti míg nagy jelő erısítık 0%-os torzítást is létrehozhatnak. A hangrekvenciás erısítık modulációs torzítása kellemetlen hangképet eredményez és % eletti értéke erısen érzékelhetı. A harmonikus torzítás az emri ül számára kevés kellemetlen de 3 % körüli értéke már érzékelhetı. A nemlineáris torzítások csökkenthetık a nemlineáris elemek karakterisztikáinak minél lineárisabb szakaszán történı mőködtetéssel. A torzítások igen hatásosan csökkenthetık negatív visszacsatolás alkalmazásával. u n A harmonikus torzítás során termelt meneti összetevık 8