2. (ERŐSÍTŐK) ELŐADÁS JEGYZET 2003

MISKOLCI EGYETEM VILLAMOSMÉRNÖKI INTÉZET

ELEKTROTECHNIKAIELEKTRONIKAI TANSZÉK

DR. KOVÁCS ERNŐ

ELEKTRONIKA II/2. (ERŐSÍTŐK)

ELŐADÁS JEGYZET 2003.

Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszék

2.6. Erősítők Az erősítők az erősítő típusú diszkrét félvezetők és integrált elektronikus áramkörök leggyakoribb lineáris alkalmazásai. Erősítők nemcsak villamos jellemzők erősítésére, de egyéb -a mindennapi gyakorlatban fontos- fizikai mennyiségekre is léteznek (pl. hidraulikus, pneumatikus erősítők, mágneses erősítők, stb.). A fejezet további részében azonban csak olyan erősítőkkel foglalkozunk, amelyeket az alap villamos jellemzők (feszültség, áram és teljesítmény) nagylinearítású erősítésére alkalmaznak. Ezek közül is gyakorlati fontosságuk miatt- kiemelt jelentőséget a feszültség és a teljesítményerősítők kapnak. Az áramerősítők, esetleg az áram bemenetű feszültségerősítők (meredekség erősítők) kisebb gyakorlati jelentőséggel bírnak. A kapcsolásoknál nem tárgyaljuk az integrált áramkörökön (műveleti erősítők) alapuló kapcsolásokat, mivel ezekkel egy külön fejezet foglalkozik (Elektronika III.). Az erősítők tárgyalása során nem foglalkozunk a nagyfrekvenciás kapcsolásokkal, csak a hangfrekvenciás és középfrekvenciás erősítőkkel. A nagyfrekvenciás erősítők speciális jellegük miatt egyéb tárgyak anyagát képezik. 2.6.1.

Erősítők csoportosítása

Az erősítőket csoportosíthatjuk erősített jellemzőjük alapján, mint: • Feszültségerősítők • Áramerősítők • Teljesítményerősítők, de csoportosíthatjuk őket a be- és kimeneti jelnek egy kitüntetett ponthoz (földpont/vezeték, referencia vezeték, vonatkoztatási vezeték, a továbbiakban földvezeték vagy földpont elnevezést használjuk) való viszonya alapján is: • Aszimmetrikus erősítők • Szimmetrikus erősítők o Szimmetrikus bemenetű, de aszimmetrikus kimenetű erősítők o Szimmetrikus ki- és bemenetű erősítők 2.6.1.1. Aszimmetrikus erősítők A ki- és bemeneti pont egy földvezetékhez viszonyítva értelmezett. ibe ube

iki uki

A bemeneti és a kimeneti jellemzők nem feltétlenül azonos fázisúak, ezért célszerű vektormennyiségeket használni. A bemeneti impedancia: Z be =

U be I be

A kimeneti impedancia: Z ki = −

U kiü I kiz

Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

2


Az Ukiü az üresjárási kimeneti feszültség, az Ikiz a kimeneti zárlati áram. (A negatív előjel a felvett pozitív vonatkoztatási irányok miatt van.) Az erősítés (az elektronikai gyakorlatban gyakrabban alkalmazott skalár mennyiségekkel kifejezve) attól függően, hogy mi az erősített jellemző: Au =

uki ube

Ai = −

iki ibe

    Pki ukiiki uki  iki  Ap = =− = − Pbe ubeibe ube  ibe  { {  Au  Ai 

A fenti mennyiségeket célszerűen általában dB-ben szokás megadni. Az összefüggések nem adnak felvilágosítást a ki- és bemeneti jel egymáshoz viszonyított (frekvenciától függő) fázishelyzetére. Az olyan alkalmazásoknál, ahol ez kritikus, az átvitelt a komplex frekvencia-tartományban kell meghatározni. 2.6.1.2. Szimmetrikus bemenetű erősítők A szimmetrikus bemenet jellemzője, hogy a bemeneti pontok egyike sem kitüntetett pont, pl. földpont. A két földfüggetlen bemeneti pont közötti feszültséget szimmetrikus bemeneti (kimenet esetén kimeneti) feszültségnek nevezzük, míg a földponthoz mért feszültségeket aszimmetrikus (vagy azonos fázisú) feszültségnek nevezzük. Az aszimmetrikus feszültségek alapján határozhatjuk meg a közösmódusú feszültséget. A fentiek alapján így minden mennyiség esetében definiálható a szimmetrikus és a közösmódusú erősításen túl a ki- és bemeneti ellenállás is. A szimmetrikus bemenetű erősítők aszimmetrikus vagy szimmetrikus kimenetűek lehetnek. A gyakorlatban az aszimmetrikus kimenetűek lényegesen gyakoribbak, de speciális alkalmazásokban a szimmetrikus kimenetűek is előfordulhatnak. i) Szimmetrikus bemenet, aszimmetrikus kimenet iki

ibe1 ubes ube1

Ubes Ube1

Ubek Ube2

ibe2

uki

ube2

A bemeneti mennyiségek általános esetben fáziseltéréssel is rendelkeznek, ezért célszerűen vektormennyiségként értelmezzük azokat. A két aszimmetrikus bemeneti feszültség különbsége a szimmetrikus bemeneti feszültség (Ūbes), míg a közösmódusú feszültség (Ūbek) a két aszimmetrikus feszültség számtani középértéke.


3


U bes = U be1 − U be 2 U bek =

U be1 + U be 2 2

Definiálhatjuk a szimmetrikus bemeneti áramot (Ībes) és a közösmódusú bemeneti áramat (Ībek) is: I be1 − I be 2 2 = I be1 + I be 2

I bes = I bek

Így a két bemeneti áram a szimmetrikus paraméterekkel kifejezve: I bek 2 I − bek 2

I be1 = I bes + I be 2 = I bes

Szimmetrikus (Zbes) és a közösmódusú (Zbek) bemeneti impedanciák: Z bek =

U bek I bek

Z bes =

U bes I bes

A feszültségerősítés is lehet szimmetrikus (Aus) vagy közösmódusú (Auk).

Aus = Auk =

uki ubes

u bek = 0

uki ubek

u bes = 0

Az uki az aszimmetrikus kimeneti feszültség.

A szimmetrikus bemenetű erősítők hibája (közösmódusú elnyomási tényező): A szimmetrikus bemenetű erősítőket úgy tervezik, hogy azok csak a szimmetrikus jelet erősítsék, így a közösmódusú erősítés hibának tekinthető. Ez alapján definiálható a közösmódusú elnyomási tényező (KME vagy gyakrabban az angol rövidítéssel CMRR): CMRR = 20 lg

Aus [dB] Auk

A kimenet az aszimmetrikus erősítőhöz képest nem változott, így a kimeneti impedancia:

Z ki =

U kiü a korábban definiáltak szerint. I kiz


4


ii) Szimmetrikus be- és kimenetű erősítő ibe1 ubes ube1

iki1 iki2 uki2

ube2

ukis

uki1

A bemeneti paraméterek változatlanok, de az erősítésnél értelmezni kell a szimmetrikus és az aszimmetrikus kimenet esetére vonatkozó erősítést is. A szimmetrikus (ukis) és a közösmódusú (ukik) kimeneti feszültség definíciója hasonló, mint az a bemeneti feszültség esetén volt.

Auss = Ausk =

Auks = Aukk =

ukis ubes

u bek = 0

ukis ubek

u bes = 0

ukik ubes

u bek = 0

ukik ubek

u bes = 0

A szimmetrikus és a közösmódusú kimeneti erősítés között fennáll az alábbi összefüggés: Auss = 2 Auks A kimeneti ellenállás is lehet szimmetrikus és közösmódusú a fentiek szerint. 2.6.2.

Negatív visszacsatolás

Az erősítők nemlineáris elemeket tartalmaznak, amelyek általában hőmérsékletfüggőek is, ami instabil működést, valamint torzítást eredményez. A negatív hatások csökkentésére visszacsatolást alkalmazunk. A visszacsatolások lehet negatívak vagy pozitívak aszerint, hogy a visszacsatolt jel a bemeneti jelhez képest azonos vagy ellentétes fázisban kerül hozzáadásra. Pozitív visszacsatolást valamely jelenség felnagyítására, míg a negatív visszacsatolást annak csökkentésére használjuk, így lineáris erősítőkben csak a negatív visszacsatolás alkalmazható. A negatív visszacsatolás általános hatásának vizsgálatához vegyük fel a hatásvázlatot:

ube + -

ube-uv

A0

uki

uv

K Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

5


A K elnevezése visszacsatolási tényező, értéke 0..1 között van. A K lehet frekvenciafüggő vagy frekvencia-független esetleg aktív elemeket is tartalmazó áramkör. A frekvenciafüggés lehetővé teszi speciális frekvenciakarakterisztikák megvalósítását is (pl. frekvenciafüggő kompressziók, dekompressziók, stb.). Az uv a kimenetről a bemenetre visszacsatolt jel. Jelöljük A0 az erősítő nyílthurkú vagy visszacsatolatlan erősítését, T-vel a hurokerősítést (körerősítést), legyen Av a visszacsatolt rendszer erősítése! Mind a nyílthurkú erősítés, mind a visszacsatolt erősítés lehet (sőt a gyakorlatban mindig) frekvenciafüggő. (A frekvenciafüggés hatását a “Műveleti erősítők” fejezetben tárgyaljuk részletesen.)

uki = A0 (ube − uv ) uv = Kuki Av =

uki A0 = ube 1 + A0 K

T = A0 K A visszacsatolt erősítés képletéből látható, hogy az erősítés csökkent a visszacsatolás hatására, ami nem előny, hanem következmény. A negatív visszacsatolás előnyeinek ismertetése különböző áramkörök kapcsán kerül sorra: • a sávszélesség növekedése (a műveleti erősítőknél tárgyaljuk), • a kapcsolás stabilitásának növekedése (a diszkrét erősítőknél kerül tárgyalásra), • az erősítő nemlinearításai által okozott torzítások csökkentése (a torzult kimeneti jel egy részének visszacsatolása a bemenetre negatív előjellel, “előtorzítás”), • a zárt hurokban fellépő külső zavarások hatásainak csökkentése az előzőek szerint az előtorzítás alkalmazásával. A negatív visszacsatolások stabilitása alapvető az egész kapcsolás stabilitása szempontjából. Amennyiben a frekvenciafüggő hurokerősítés (vektoriális értéke) bármely frekvencián eléri a T=-1 értéket (Barkhausen kritérium) a kapcsolás önfenntartó gerjedésbe megy át. Ha T<-1, akkor az eddig negatív visszacsatolás pozitív visszacsatolásba megy át. Mind az önfenntartó gerjedést, mind a pozitív visszacsatolást felhasználjuk különböző áramkörök megvalósítására (pl. oszcillátorok, hiszterézises komparátorok, stb.) A visszacsatolandó jel lehet feszültség vagy áram, amelyet a bemenethez sorosan vagy párhuzamosan csatolhatunk. Ennek megfelelően négy alaptípusa van a negatív visszacsatolásnak: a) Soros-feszültség b) Soros-áram c) Párhuzamos-feszültség d) Párhuzamos-áram Az egyes visszacsatolás típusoknál feltételezzük, hogy a visszacsatoló hálózat a visszacsatolandó áramkört nem terheli sem a bemeneti, sem a kimeneti oldalon. Ez a feltétel alkalmanként nem teljesül (elsősorban is diszkrét erősítőknél), ilyenkor a terhelés hatását is figyelembe kell venni.


6


a) Soros-feszültség típusú visszacsatolás ibe

ubeo

A0

uv

K

uki

ube

A visszacsatolt/zárthurkú feszültségerősítés (Auv): uki = A0ube 0 ube 0 = ube − uv = ube − Kuki Auv =

uki A0 = ube 1 + A0 K

Megállapítható, hogy a soros-feszültség típusú visszacsatolás visszacsatolt feszültség erősítése csökken! A visszacsatolt áramkör bemeneti ellenállása (Rbev) Legyen a visszacsatolatlan erősítő bemeneti ellenállása Rbe0! Rbe 0 =

ube 0 ibe

Rbev =

u ube ube 0 + uv ube 0 + A0 Kube 0 = = = (1 + A0 K ) be 0 = (1 + A0 K )Rbe 0 ibe ibe ibe ibe { Rbe 0

A visszacsatolt bemeneti ellenállás nő, ami feszültségerősítők esetén előny! A kimeneti ellenállás (Rkiv): A kimeneti ellenállás meghatározásához helyettesítsük az erősítő kimenetét a Theveninhelyettesítő-képpel. Hanyagoljuk el a visszacsatolásnak az erősítőre gyakorolt terhelő hatását és legyen a bemeneti jel ube=0. iki U ki 0 = − Kuki A0 iki ≅

1 + KA0 uki − U ki 0 = uki Rki 0 Rki 0

Rkiv =

ubeo

uki Rki 0 = iki 1 + KA0

A visszacsatolt kimeneti ellenállás csökken, ami feszültségerősítők esetén előny!

uv

Rki0

Uki0

uki

K

Az áramerősítés értéke a visszacsatolás miatt nem változik! (Sem a bemeneti, sem a kimeneti áramot nem befolyásolja a visszacsatolás.)


7


b) Soros-áram visszacsatolás

ibe

Iki ubeo

A0

uv

K

uki

ube

Rsc

A feszültségerősítés, az áramerősítés és a bemeneti ellenállás értéke a bemeneti oldalra történő visszacsatolás típusától függ. Ez nem változott, tehát az előzőleg kiszámolt értékek sem változtak. A kimeneti ellenállás (Rkiv): A kimeneti ellenállás meghatározásához helyettesítsük az erősítő kimenetét a Theveninhelyettesítőképpel. Hanyagoljuk el a visszacsatolásnak az erősítőre gyakorolt terhelő hatását és legyen a bemeneti jel ube=0. Helyettesítsük a visszacsatoló hálózatban levő összes olyan egység eredő ellenállását Rsc (áramérzékelő, sense current) ellenállással, amely a kimeneti áram feszültséggé történő átalakításában részt vesz.

iki U ki 0 = − A0ube 0 = A0uv = Kiki Rsc A0

ubeo

Rki0

Uki0

uki

u − U ki 0 uki − Kiki Rsc A0 = iki = ki Rki 0 + Rsc Rki 0 + Rsc Rkiv =

uki = Rki 0 + Rsc (1 + KA0 ) iki

uv

K

Rsc

A kimeneti ellenállás kis mértékben nő (az Rsc a gyakorlatban kicsi érték a többi impedanciához képest), gyakran a változást elhanyagolhatjuk! c) Párhuzamos-feszültség visszacsatolás

ibe ube

ibe0 iv

ubeo

uv

A0

uki

K

A kimenet megegyezik a soros-feszültségvisszacsatolás kimenetével, ezért a kimeneti ellenállást is azonos módon kell meghatározni. Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

8


A visszacsatolt feszültségerősítés (Auv): ube = ube 0 = uv uki = A0ube 0 = A0ube Auv =

uki = A0 ube

A feszültségerősítést a visszacsatolás nem változtatja! A visszacsatolt áramkör bemeneti ellenállása (Rbev) A bemeneti ellenállás meghatározásához helyettesítsük a visszacsatoló áramkört egy Rv ellenállással! Vegyük figyelembe, hogy a bejelölt áramirányok és feszültségirányok mellett a negatív visszacsatolás –A0 esetén áll fenn! Rbe 0 = iv =

ibe

1 + A0 ube − uki = ube Rv Rv

Rbev = =

ube 0 ibe 0

ube

ibe0 iv

ubeo

ube ube = = ibe ibe 0 + iv ube

1 + A0 ube 0 + ube Rbe 0 Rv

A0

uki

Rv

= Rbe 0 ∗

Rv 1 + A0

uv

K

A bemeneti ellenállás csökken az erősítéstől és a visszacsatoló ellenállástól függően. Ez feszültségerősítők esetén hátrány. Az áramerősítés értéke a visszacsatolás miatt csökkenni fog! Konkrét értékét csak konkrét kapcsolás esetén lehet pontosan megállapítani. d) Párhuzamos-feszültség visszacsatolás ibe ibe0

ube

iv

ubeo

uv

A0

uki

K

A jellemző paraméterek az eddigiek szerint a bemeneti oldalon megegyeznek a párhuzamos visszacsatolásra, a kimeneti oldalon pedig az áram visszacsatolásra meghatározottakkal.


9


Táblázatosan összefoglalva a kiszámolt értékeket: Visszacsatolás típusa Soros-feszültség Soros áram Párhuzamosfeszültség Párhuzamos-áram

Auv

Aiv

Rbev

Rkiv

A0/(1+A0K) A0/(1+A0K) A0

Ai0 Ai0 csökken

Rbe0(1+A0K) Rbe0(1+A0K) Rbe0*Rv/(1+A0)

Rki0/(1+A0K) Rki0+Rsc(1+A0K) Rki0/(1+A0K)

A0

csökken

Rbe0*Rv/(1+A0)

Rki0+Rsc(1+A0K)

Példa:

Ut

Vizsgáljuk meg a fenti összefüggések ismeretében a korábban tárgyalt “munkapontbeállítás bázisárammal egyenáramú visszacsatolással” alapkapcsolást.

RC R1

iC uki

uBE

ube

Rajzoljuk át a kapcsolást a negatív visszacsatolásoknál alkalmazott formára: Megállapítható, hogy a visszacsatolás feszültség típusú visszacsatolás.

párhuzamos-

Ut A0

A nyílthurkú erősítés:

RC

Au 0 = − S (rCE ∗ RC ) A nyílthurkú bemeneti ellenállás:

uki

uBE

ube

Rbe 0 = rBE A nyílthurkú kimeneti ellenállás Rki 0 = rCE ∗ RC

K

R1

Felhasználva az előbbiekben a párhuzamos-feszültség visszacsatolásra meghatározott összefüggéseket: Zárthurkú feszültségerősítés: Au 0 = Auv Zárthurkú bemeneti ellenállás: Rbev = Rbe 0 ∗

R1 Rv = rBE ∗ 1 + Au 1 + Au

A zárthurkú kimeneti ellenállás:

Rkiv =

Rki 0 1 + A0 K


10


Rki 0 = rCE ∗ RC K=

1 1 − =0 Auv Au 0

Rkiv =

rCE ∗ RC = rCE ∗ RC 1 + S (rCE ∗ RC )K

Összehasonlítva az így kapott eredményeket a korábban a kisjelű helyettesítő-kép alapján meghatározott összefüggésekkel megállapítható, hogy a különböző módszerekkel nyert eredmények azonosak lesznek. 2.6.3.

Aszimmetrikus kisjelű erősítők

Aszimmetrikus erősítőket tranzisztorral is és FET-vel is felépíthetünk. A FET-es kapcsolások megegyeznek a korábbi fejezetben bemutatott JFET és MOSFET alapkapcsolásokkal, ezért az alábbiakban csak a tranzisztoros erősítőket tárgyaljuk részletesen. 2.6.3.1. Közös emitteres kapcsolások

A közös emitteres kapcsolások korábban tárgyalt elvi kapcsolásai azért nem megfelelőek gyakorlati célokra, mert a kapcsolások stabilitása alacsony, a hőmérséklet a kapcsolások működését erősen befolyásolja. A kapcsolások munkapontbeállító áramköre bármelyik lehet a korábban tárgyalt három alap megoldás közül, de a továbbiakban csak a feszültségosztós megoldással fogjuk a kapcsolások működését tárgyalni. A kapcsolásoknál negatív visszacsatolásokat alkalmaznak a stabilitás növelésére. A közös emitteres kapcsolásnál a negatív visszacsatolást az emitter-körbe helyezett ellenállással valósítják meg. Annak érdekében, hogy az egyenáramú és a váltakozó áramú visszacsatolás eltérő legyen a munkapontbeállító ellenállások egy része (vagy akár az egész) kondenzátorral áthidalásra kerül. Az alábbi kapcsolásnál a nem “hidegített” ellenállás (RE2) kisjelű/váltakozó áramú szempontból visszacsatolás, azonban egyenáramú szempontból mindkét ellenállás visszacsatolás, mivel a kondenzátor egyenáramon szakadásnak tekinthető. Ut R1

RC

iC

Cs2

Cs1 ube

R2

uki=uCE

uBE UB RE


Rt

RE2 +

CE

11


Határozzuk meg a visszacsatolás típusát: A meghatározáshoz részeire bontjuk a kapcsolást és összehasonlítjuk az elvi ábrával. Ut RC

R1

iC

IB

Cs2

uBE

Cs1 ube

Iki

uki=uCE

uBE

R2

Rt

iE

ube

iE

UB

RE2

uE

RE2

uE

A0

RE1

uki

Rsc

+

RE1

A visszacsatolás típusa tehát soros-áram visszacsatolás! A visszacsatoló ellenállás kialakítására a fenti kapcsoláson (a) kívül egyéb lehetőségek (pl. b és c) is rendelkezésre állnak: Cs1 ube

R2 UB

Cs1

Cs1 uBE

ube

RE2 RE1

R2 UB

+

CE

uBE

ube RE

R2 UB

uBE RE

+

CE

a) b) c) A b) esetben az RE mind egyenáramú, mind váltakozó áramú szempontból visszacsatolás. A c) esetben az RE csak egyenáramú szempontból visszacsatolás, váltakozó áramú szempontból nincs visszacsatolás. Az alábbi egyenleteket ennek megfelelően értelemszerűen lehet alkalmazni. Jelöljük REDC–vel az egyenáramú szempontból visszacsatoló ellenállást és REAC–vel a váltakozó áramú szempontból is visszacsatoló ellenállás! kapcsolás REDC RE1+RE2 a RE b RE c

REAC RE1 RE -

Az eltérő egyenáramú és váltakozó áramú visszacsatolás célja a megfelelő erősítés beállítása a stabilitás megőrzése mellett. Nagyjelű működés: U BM = U t

R2 R1 + R2


12


I0 =

Ut R1 + R2

U EM = U BM − U BEM I EM = I BM = U CEM

U EM ≈ I CM REDC I CM >> I 0 B ≅ U t − I CM (RC + REDC )

A munkapont stabilizálás hatásvázlata: Tételezzük fel, hogy nő a hőmérséklet! T↑⇒UBE↓⇒UE↑⇒IE↑⇒IC↑⇒IB↑⇒UBE↑ A hőmérsékletváltozás hatására a munkapont megváltozik, azonban a kapcsolás a változás egy részét kikompenzálja az REDC ellenállásokon létrejövő negatív visszacsatolással! Kisjelű viselkedés: B uBE rBE ube

R1 R2

C

iB SuBE

rCE

uCE E

E uE

RC uki

Rt

REAC

Feszültségerősítés:

β >> 1 ⇒ u E ≅ Su BE REAC = βiB REAC

ube = u BE + u E = u BE + Su BE REAC = u BE (1 + SREAC ) uki = − Su BE ( RC ∗ Rt ) Auv =

uki − Su BE ( RC ∗ Rt ) S ( RC ∗ Rt ) = =− 1 + SREAC ube u BE (1 + SREAC )

A kimeneti feszültségben az rCE ellenállással nem számoltunk, mert a gyakorlatban megvalósított ellenállásokat feltételezve a hatása elhanyagolható. Ha SREAC>>1, akkor az erősítés értékét a (nagyon stabil) ellenállások szabják meg: Auv ≅ −

RC ∗ Rt REAC

Bemeneti ellenállás: A bemeneti ellenállást három lépésben számítjuk ki: I Meghatározzuk a tranzisztor bemeneti ellenállását (rBE) II Meghatározzuk a negatívan visszacsatolt tranzisztor bemeneti ellenállását. (RbeII) III Meghatározzuk a kapcsolás bemeneti ellenállását (Rbe) Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

13


uBE iB RbeI ube Rbe=RbeIII

R1 R2 RbeII

SuBE rBE uE

rCE

RE2

RbeI = rBE RbeII =

ube u BE (1 + SREAC ) iB rBE (1 + SREAC ) = = = rBE (1 + SREAC ) ibe iB iB

RbeIII = Rbe = R1 ∗ R2 ∗ rBE (1 + SREAC )

Az RbeII a negatívan visszacsatolt alaperősítő bemeneti ellenállása, ami az elméleti értékkel jól egyezik. A teljes kapcsolás tényleges bemeneti ellenállása (RbeIII) azonban a bázisosztó miatt kisebb. Kimeneti ellenállás: Rki =

ukiü − Su BE RC ≅ ≅ RC − Su BE ikiz

A kimeneti ellenállás az alapkapcsoláshoz képest csekély mértékben nőtt. Hasonlítsuk össze a kapott eredményeket a soros-áram visszacsatolásra kiszámított összefüggésekkel: Auv =

S (RC ∗ Rt ) 1 + SREAC

Av =

A0 = S (RC ∗ Rt ) K =

A0 1 + A0 K

REAC RC ∗ Rt

Rbe II = rBE (1 + SREAC ) Rbe = Rbe 0 (1 + A0 K ) 14243 1+ A0 K

Rki ≅ RC

Rkiv = Rki 0 + Rsc (1 + A0 K ) =

= rCE ∗ RC + REAC (1 + SREAC ) ≅ RC REAC << RC

Az összefüggések megfelelő hasonlóságot mutatnak (több megfontolás csak a kimeneti ellenállás számításánál van, mert ott több elhanyagolást is tettünk.)


14


2.6.3.2. Közös kollektoros kapcsolások

Ut RC

R1 Cs1 ube

uBE

R2

Cs2

UB

uki

RE

Az RC ellenállás alkalmazása a kapcsolásban opcionális. Feladata a tranzisztor melegedésének csökkentése a tranzisztorra jutó UCE feszültség csökkentésével (és így a Pd=UCEIC csökkentésével). A továbbiakban azt az esetet vizsgáljuk csak, amikor nincs RC ellenállás. Az előző kapcsolás alapján meghatározhatjuk a visszacsatolás típusát. A bemeneti körben semmi sem változott, ezért a soros jelleget külön nem kell bizonyítani. Az RE ellenállás a visszacsatoló ellenállás, ami azonban közvetlenül a kimenetre csatlakozik, így a kimeneti feszültséget csatolja vissza, ellentétben az előző áram visszacsatolásos kapcsolással. A visszacsatolás típusa tehát soros feszültség visszacsatolás. Nagyjelű működés: U BM = U t

R2 R1 + R2

I0 =

Ut R1 + R2

U EM = U BM − U BEM I EM = I BM = U CEM

U EM RE

I CM ≈ I EM

I CM >> I 0 B ≅ U t − I CM RE

Munkapont-stabilizálás hatásvázlata: Tételezzük fel, hogy nő a hőmérséklet, akkor T↑⇒UBE↓⇒UE↑⇒IE↑⇒IC↑⇒IB↑⇒UBE↑ A hőmérsékletváltozás hatására a munkapont megváltozik, azonban a kapcsolás ennek egy részét kikompenzálja az RE ellenálláson létrejövő negatív visszacsatolással! Kisjelű viselkedés: B uBE rBE ube

R1 R2

C

iB SuBE

rCE

E

E uE


uCE

RE

uki

15


Terhelő ellenállást –az eddigiektől eltérően- azért nem veszünk fel, mert gyakori, hogy az RE ellenállás maga a terhelés is! Feszültségerősítés:

β >> 1 ⇒ uki = u E ≅ Su BE RE = β iB RE

ube = u BE + u E = u BE + Su BE RE = u BE (1 + SRE ) Auv =

uki Su BE RE SRE = = <1 ube u BE (1 + SRE ) 1 + SRE

Ha SRE>>1, akkor az erősítés egységnyi. Bemeneti ellenállás: A bemeneti ellenállás meghatározása a közös emitteres kapcsoláshoz hasonlóan történik. A bemeneti áramkör azonos kialakítású a két kapcsolásban, ezért a bemeneti ellenállás meghatározása is azonos lesz. Gyakorlati esetet feltételezve azonban a közös kollektoros kapcsolás esetében nagyobb a bemeneti ellenállás, mert az R1 és R2 közel egyforma, így eredőjük nagyobb, mint a közös emitteres kapcsolásban, ahol jelentősen eltérnek egymástól az ellenállások. Rbe = R1 ∗ R2 ∗ rBE (1 + SRE ) Kimeneti ellenállás: Két esetre tudjuk meghatározni: a) RE része a kapcsolásnak és a terhelés külön terhelő ellenállás Rki =

ukiü SuBE RE ≅ ≅ RE ikiz Su BE

b) RE egyben a terhelő ellenállás is (pl. teljesítményerősítők) Az ellenállás kiszámításához ube=0 vesszük. ube = 0 u E = u BE Rki =

1 ukiü u ≅ BE = ikiz Su BE S

A kimeneti ellenállás nagyon kicsi (S=0.01..0.5 [S], így Rki=2..100 [Ω]) A b) esetben egyszerűen meghatározhatjuk az áramerősítés mértékét is. Az áramerősítés: Ai =

iki ie = ≅β ibe ib

A kapcsolás teljesítményerősítése:

Ap = Au Ai ≅ β


16


A fentiek alapján a közös kollektoros kapcsolás felhasználási területei: • Teljesítményerősítés (lásd később) • Impedancia illesztés • Meghajtó áramkörök A közös kollektoros kapcsolás (FC) bemeneti ellenállása nagy, a kimeneti ellenállása kicsi, az erősítése ~1. Ha egy áramkör kimeneti impedanciája (Rki1) nem sokkal kisebb, mint a rácsatlakozó másik áramkör bemeneti impedanciája (Rbe2), akkor a második áramkör terheli az első áramkör kimenetét. Ez feszültségerősítőknél megengedhetetlen (lásd statikus és dinamikus munkaegyenes). Ezt elkerülendő alkalmazunk impedancia illesztő áramköröket. Egy közös kollektoros kapcsolást iktatunk az elválasztandó áramkörök közé. 1.

2.

1.

Rki1 << Rbe2

FC

2.

Rki1 << RbeFC RkiFC << Rbe2

A meghajtó (buffer) áramkörök nagyobb kimeneti árammal rendelkeznek, általában kisvagy egységnyi erősítéssel, a bemenetükön elhanyagolható teljesítményfelvétellel. A közös kollektoros kapcsolás megfelel ezeknek a kritériumoknak és gyakran alkalmazzák nagyobb áramigényű fogyasztók meghajtására. Ez a funkció nagyon közel áll a teljesítményerősítőkhöz azzal a különbséggel, hogy itt általában csak az áramerősítés fontos. 2.6.3.3. Közös bázisú kapcsolások

Ut R1

RC

iC

Cs2

CB uki=uCE ube R2

Cs1

Rt

RE

Nagyjelű működés: A nagyjelű munkaponti adatok számítása megegyezik a közös emitteres kapcsolásnál alkalmazott módszerrel. U BM = U t I0 =

R2 R1 + R2

Ut R1 + R2

U EM = U BM − U BEM


17


I EM = I BM = U CEM

U EM RE I CM >> I 0 B ≅ U t − I CM (RC + RE )

Kisjelű viselkedés: B

uBE rBE E

ube

C

iB SuBE

rCE

uCE E

uE

RC uki

Rt

RE

Feszültségerősítés: iB = −

ube rBE

uki = − β iB ( RC ∗ Rt ) = β Auv =

ube ( RC ∗ Rt ) rBE

uki β = ( RC ∗ Rt ) = S ( RC ∗ Rt ) ube rBE

A kimeneti feszültségben az rCE ellenállással nem számoltunk, mert gyakorlatban megvalósított ellenállásokat feltételezve a hatása elhanyagolható. Az erősítés abszolút értékben megegyezik a visszacsatolatlan közös emitteres kapcsolás erősítésével.

Bemeneti ellenállás: Rbe = ibe =

ube ibe

ube ube + + Sube ≅ Sube rBE RE

Rbe ≅

ube 1 ≅ Sube S

A bemeneti ellenállás nagyon kicsi (~10Ω), amely a feszültségerősítők szempontjából hátrányos.

Kimeneti ellenállás A kimeneti kör nem változott a közös emitteres kapcsoláshoz képest, így a kimeneti ellenállás értéke: Rki ≅ RC Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

18


A közös bázisú kapcsolás legnagyobb előnye, hogy a CBE és CBC kapacitások nem visszacsatoló kapacitások, így a felső határfrekvencia értéke nem erősítésfüggő, azonos körülmények között a legnagyobb a három alapkapcsolás körül. Elsődleges felhasználási területe a szélessávú és nagyfrekvenciás erősítők. 2.6.3.4. 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 erősítő fokozattal reálisan csak 10..50-szeres erősítés érhető el (közelebb az alsó határhoz). A többfokozatú erősítők kialakításának célja lehet a nagyobb erősítés (ált. feszültségerősítés elérése, pl. egyenáramú erősítők, jelkondicionálók), de lehet egy nagyobb teljesítményű erősítő fokozat meghajtása is (előerősítő és főerősítő). Az erősítő láncok több szempont szerint is csoportosíthatók. i) Az egyik ilyen lehetőség a fokozatok közötti csatoláson alapul. Az egyes fokozatok közötti csatolás lehet: a) Közvetlen csatolás b) RC csatolás c) Transzformátoros csatolás d) Optoelektronikai csatolás

A d) megoldás általában alacsonyabb linearítást eredményez, nagy elválasztási szigetelés mellett. A megoldásról többet az Optoelektronika fejezet tartalmaz (Elektronika IV.). Az b) és c) megoldások csak váltakozó áramú jelek erősítésére alkalmasak, míg az a) megoldás mind egyen-, mind váltakozó áramú jel erősítése esetén használható.

ii) További lehetőség az erősítők frekvenciasávja szerinti csoportosítás: a) Egyenfeszültségű erősítők b) Normálsávú erősítők c) Szélessávú erősítők d) Szelektív erősítők Az egyenfeszültségű erősítőknek nincs alsó határfrekvenciájuk. A felső határfrekvenciájuk a hangfrekvenciás tartományba esik. Elsősorban méréstechnikai célokra alkalmazzák őket. A normálsávú (esetleg hangfrekvenciás) erősítők általános célra használt erősítők. A szélessávú erősítőket gyakran nevezik impulzus- vagy video erősítőknek is, mivel elsősorban impulzus-szerű jelek erősítésére szolgálnak. A szelektív erősítőknek mind áteresztősávi, mind zárósávi tulajdonságai meghatározottak. Elsősorban a rádiófrekvenciás vagy afölötti frekvenciatartományban használt erősítők, de szélesebb értelemben ide sorolhatók az aktív szűrők is. iii) Lehet az erősítő láncokat a teljesítményerősítésben betöltött szerepük szerint is csoportosítani: a) Előerősítő b) Főerősítő c) Végerősítő Az előerősítő célja az alacsony bemeneti jelnek a főerősítő által megkövetelt szintre erősítése. Az előerősítők nagy stabilitással és nagyon alacsony zajjal rendelkeznek, mivel a


19


jel összemérhető a zajjal. Tulajdonságaik alapvetően meghatározzák az egész erősítőlánc tulajdonságait. A főerősítők illesztik a jelet a végerősítőhöz ás állítják be a végerősítők optimális munkapontját. Általában nagyjelű feszültségerősítők. A végerősítők teljesítményerősítők. 2.6.3.4.1. Közvetlen csatolt erősítők (Direct Coupled)

A közvetlen csatolt erősítő fokozatok követhetik egymást sorosan (kaszkád erősítők), vagy párhuzamosan (kaszkód erősítők). A kaszkód erősítők gyakran a különböző áramkörfajták előnyös tulajdonságait használják fel, pl. KE+KK kapcsolás. A közvetlenül csatolt erősítők egyenáramú munkaponti jellemzői összefüggnek, ami hőstabilitás szempontjából nagyobb igényeket támaszt az áramkörökkel szemben. Az egyik fokozat állítja be a másik fokozat munkapontját és vissza, ami azt eredményezi, hogy az előző fokozat munkapontjának megváltozása kihat a másik fokozat munkapontjának stabilitására is. A fenti okok miatt gyakran alkalmaznak közös visszacsatolást, ami mindegyik fokozatra egyszerre hat, bár lehetséges az egyes fokozatok egyedi visszacsatolása is.

Egy tipikus közvetlen (DC) csatolt kétfokozatú erősítő: Ut RC2

RC1 Cs1

T1

Cs2 T2

ube Rv

RE

uki=uCE

Rt

CE

A kapcsolás két visszacsatolást tartalmaz: áram-soros visszacsatolást a T2 emitter-körében és egy áram-párhuzamos visszacsatolást a két fokozat között.

Nagyjelű üzem: (az első tranzisztor körében levő elemek és paraméterek 1 indexet, míg a második esetén 2 indexet kapnak) I C1= B1I B1 U CE1 = U t − I C1R C1 U E 2 = U CE1 − U BE 2 IC 2 ≅ I E 2 =

UE2 RE

U CE 2 = U t − I C 2R C 2 I B1 =

U E 2 − U BE1 Rv

U BE1 = f (I B1 )


20


Kisjelű viselkedés (A kapcsolás váltakozó áramú szempontból visszacsatolást nem tartalmaz.)

RC1 rBE1 S1uBE1

ube Rv

rBE2 S2uBE2

rCE1

rCE2

RC2 uki

Erősítés: uki = − S 2 (rCE 2 ∗ RC 2 ∗ Rt )(− S1 (rCE1 ∗ RC1 ∗ rBE 2 )ube ) Au = S1S 2 (rCE 2 ∗ RC 2 ∗ Rt )(rCE1 ∗ RC1 ∗ rBE 2 )

Bemeneti ellenállás: Rbe = Rv ∗ rBE1 Kimeneti ellenállás: Rki = RC 2 ∗ rCE 2

A fenti kapcsolás a CS1 és CS2 csatolókondenzátorok elhagyása esetén egyenfeszültségtől képes erősíteni, bár ekkor a nagyjelű viselkedést a külső elemek (meghajtógenerátor, terhelés) is befolyásolja. 2.6.3.4.2. RC csatolt erősítők

Az RC-csatolt erősítők egymáshoz kondenzátoros elválasztással csatlakoznak. Az egyenáramú munkapontot az egyes fokozatok külön-külön állítják be. Ez a megoldás több alkatrészt igényel és elvileg sem lehetséges egyenfeszültség erősítése. Pl. kétfokozatú RC csatolt közös emitteres erősítő: Ut R1

ube

Ut

RC1

R3

Cs1

Cs2

R2

R4 RE1 AI

+

CE1

RC2

Cs3 uki

RE2

+

Rt

CE2

AII

Az eredő erősítés: A = AI AII

A nagyjelű viselkedés illetve a fokozatok kisjelű viselkedésének meghatározása a közös emitteres kapcsolásnál tárgyaltak szerint történik. Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

21


2.6.3.4.3. Transzformátoros csatolás

Transzformátoros csatolást elsősorban a terhelő impedancia illesztésénél alkalmazunk, de lehetséges fokozatok közötti elválasztásra is hangfrekvenciás transzformátort alkalmazni. A transzformátorok fizikai méretei azonban nem illeszkednek a modern elektronika méreteihez és költségeihez, ezért alkalmazása csak speciális esetben illetve nagyfrekvencián indokolt. 2.6.4.

Szimmetrikus erősítők

A szimmetrikus erősítők kitüntetett szerepet játszanak a modern integrált alapú erősítéstechnikában, de diszkrét megvalósításokban is alkalmazzák őket. Nagy előnyük az aszimmetrikus megoldásokkal szemben, hogy zavarérzékenységük -elsősorban is a külső elektromágneses zavarokra- sokkal kisebb. A műveleti erősítőknél döntően szimmetrikus bemeneti fokozat van és az ipari műszererősítők is szinte kizárólagosan szimmetrikus bemenettel rendelkeznek (lásd Elektronika III.) Alapvető szimmetrikus erősítő a differenciálerősítő, amelyet mind tranzisztorral, mind FET-vel megvalósítanak. A tranzisztoros megoldás nagy előnye a nagyobb alkatrész szimmetria és az alacsonyabb hőfokfüggés, de magasabb bemeneti impedanciával rendelkeznek és bár kicsi, de nem mindig elhanyagolható a bemeneti áramuk. A FETbemenetű differenciálerősítők elhanyagolhatóan kicsi bemeneti árammal rendelkeznek, mind a szimmetrikus, mind az aszimmetrikus bemeneti impedanciájuk rendkívül nagy, de nagyobb az aszimmetria és erősebb a hőfokfüggés. 2.6.4.1. Tranzisztoros differenciálerősítő

A kapcsolás helyes működésének alapja a teljesen egyforma félvezetők alkalmazása, amelyet legkönnyebben integrált megvalósítással érhetünk el, de van diszkrét tranzisztorokkal megvalósított differenciálerősítő is. Elvi kapcsolás a vonatkoztatási irányokkal:

+Ut RC

ube1

RC

UE ubes uBE2 uBE1 iE1 iE2 ube2 I0

ukis uki1

uki2

-Ut A lehetséges fizikai megvalósítások: • Párba válogatott (paraméter egyezőség alapján) közös hűtőfelületre szerelt tranzisztor-pár • Integrált differenciálerősítő tranzisztor-pár, esetleg beintegrált (mikrochip) hőmérséklet stabilizálással • Műveleti erősítők bemeneti fokozata, amely döntően differenciálerősítővel épül fel Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

22


A kapcsolás alapján felírható összefüggések: U E = ube1 − u BE1 = ube 2 − u BE 2 ⇒ ubes = ube1 − ube 2 = u BE1 − u BE 2 iE 1 ≅ I E 0 e

u BE 1 UT

i  ⇒ u BE1 =U T ln E1   IE0 

I 0 = iE1 + iE 2 = I E 0e u  − bes  1 + e UT = I E 0e 124 3  iE1 u BE 1 UT

u BE 1 UT

+ I E 0e

u BE 2 UT

= I E 0e

u   − bes  = i 1 + e U T  E1   

u BE 1 UT

+ I E 0e

u BE 1 − u bes UT

=

   

Az IE0 a maradékáram. I0

iE 1 =

iE 2

u − bes UT

=

u I 0  1 + th bes  2  2U T

1+ e u I  = 0 1 − th bes 2  2U T

   ≅ iC1  

   ≅ iC 2  

Ábrázoljuk a kollektor áramokat a szimmetrikus vezérlőfeszültség függvényében:

I0 ic2

0.982I0 I0/2

ic1

0.018I0 ubes

4UT Megfigyelhető, hogy már viszonylag kis bemeneti feszültség (4UT=104 mV) esetén is az áram majdnem teljesen átterhelődik az egyik tranzisztorra. A differenciálerősítők ezen tulajdonságát használják ki a két feszültség összehasonlítására szolgáló komparátoroknál, illetve a telítetlen logikás ECL digitális áramkörökben. Nyugalmi állapotban a kapcsolás két tranzisztorán egyforma áram folyik (I0/2), így a szimmetrikus kimeneti feszültség nulla. A differenciálerősítő meredeksége: S=

∂iC I = 0 ∂ubes 4U T

S max u

bes

=0

=

 u 1 − th 2 bes 2U T 

  

I0 4U T

A meredekség nem állandó, ami nemlinearítást okoz. A maximális meredekséget az ubes=0 esetén kapjuk.


23


A meredekség változásának grafikus ábrázolása: S

Smax

ubes A meredekség változása az erősítés változását okozza, amely erős nemlinearítást eredményez. Ennek kivédésére különböző módszereket alkalmaznak attól függően, hogy diszkrét elemekkel felépített vagy integrált kivitelű differenciál erősítőről van-e szó. a) Diszkrét elemekkel felépített differenciálerősítők esetén negatív visszacsatolást alkalmazunk az emitter-körben. Ennek következtében a meredekség maximális értéke is jelentősen csökken, azonban vele együtt csökken a meredekség változása is. (lásd “a” görbe) b) Integrált differenciálerősítők esetén nincs mód külső beavatkozásra, hanem a bemeneti jeltartományt korlátozzák le, ami a gyakorlatban megvalósítható, mert a maximális bemeneti jeltartomány lineáris üzemben kisebb, mint ±50µV általában. Ebben a tartományban a meredekség változása elhanyagolható (“b” görbe). A valóságban a hasznos jeltartomány lineáris üzemben a fenti étéknél is kisebb lehet. S Smax

a)

b)

ubes

A bemeneti áramoknak, teljesen szimmetrikus bemenetek és ubes=0 esetén, egyformának kellene lennie, azonban teljesen egyforma karakterisztikájú és tulajdonságú félvezetők nem gyárthatók, így az áramok is különbözni fognak. Nyugalmi áram (bias)

Ib =

I B1 + I B 2 2

Ofszet (hiba) áram I b 0 = I B1 − I B 2

Bemeneti ellenállások: a) Szimmetrikus bemeneti ellenállás (Rbes): Rbes = 2rBE


24


b) Közösmódusú bemeneti ellenállás (Rbek) Helyettesítsük a valós áramgenerátort a Norton-helyettesítő kapcsolásával (Rg).

Rbek = rBE (1 + SRg )

Az Rbek>>Rbes (akár több nagyságrenddel is). A bemeneti ellenállások nagy értékűek egy megvalósított kapcsolásnál, így gyakran csak a szimmetrikus bemeneti ellenállást kell figyelembe venni, mert a közösmódusú bemeneti ellenállás ehhez képest is nagyságrendekkel nagyobb. Értelmezhetjük a szimmetrikus kimeneti ellenállást (Rkis) és az aszimmetrikus kimeneti ellenállást (Rki) is. A kimenetek közül azonban vagy csak a szimmetrikus vagy valamelyik aszimmetrikus kimenetet használjuk, de nem egy időben. A két ellenállás így együtt nem értelmezett. 2.6.4.2. FET-es differenciálerősítő

A differenciálerősítőket leggyakoribban a műveleti erősítők bemeneti fokozataként alkalmazzuk. Elsősorban az általános célú műveleti erősítők kategóriájában a FET -azon belül is a JFET- differenciálerősítő alkalmazása egyre jobban terjed. Nagy előnye az ilyen erősítőknek, hogy a JFET bemenet miatt a bemeneti áramok teljes mértékben elhanyagolhatók (néhány nagyon különleges alkalmazási esettől eltekintve, pl. töltéscsatolt erősítők), a bemeneti ellenállás rendkívül nagy. További előny a FET alacsonyobb zaja. Hátránya azonban, hogy a félvezetők aszimmetriája nagyobb, mint a bipoláris tranzisztorral felépített differenciálerősítők esetén (bár ez egyre javul), ezért a hibafeszültség (ofszet feszültség) általában nagyobb. További hátrány a FET-ek erősebb hőmérsékletfüggése, amely minden paramétert befolyásol. A FET bemenetű differenciálerősítő elvi kapcsolása: +Ut RD

RD

ukis uki1

ube1

IS1 IS2 I0

uki2

ube2

-Ut 2.6.5.

Erősítők nemlinearítása (torzítás)

Az aktív elemek alapvetően nemlineáris elemek. Kapcsolási megoldásokkal (pl. negatív visszacsatolás) a nemlienarítás csökkenthető, azonban –különösen a nagyjelű erősítőknélteljesen nem szüntethető meg. A nemlinearítás hatására az erősített jellemző torzul. A torzulás bekövetkezhet amplitúdóban, fázisban és frekvenciában is. Szinuszos vezérlő jelet feltételezve a torzulás lehet harmonikus torzulás, amikor a szinusz jel amplitúdójának torzulása következtében megjelennek a felharmonikusok (a nemszinuszos periodikus jeleknek megfelelően, lásd Elektronika I.). Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

25


Az erősítő karakterisztikájának nemlinearítása következtében két frekvencia létrehozhat egy harmadik (az eredeti jelben nem szereplő) frekvenciát is (intermodulációs torzítás). Az erősítő fázis-karakterisztikájának nemlinearítása azt eredményezheti, hogy a különböző frekvenciájú jelek eltérő fázishelyzetben jelennek meg az erősítő kimenetén. A fázistorzulás jellemzésére a csoportfutási idő karakterisztikát használják, amelynek különös jelentősége van az impulzus-erősítőknél. Analóg erősítőknél elsősorban a harmonikus torzulásokkal számolunk, amely lehet az alapharmonikusra vett torzítás és a teljes harmonikus torzítás (THD). Tételezzünk fel egy feszültségerősítőt, legyen az alapharmonikus effektívértéke U1, akkor a keletkező felharmonikusok: U2, U3, U4,…. A harmonikus torzítás esetén az egyes keletkező felharmonikusokat külön-külön vonatkoztatjuk az alapharmonikusra (általában százalékos mértékben), pl. a második harmonikus torzítás: D2 =

U2 U1

A teljes harmonikus torzítás (THD): ∞

THD =

∑U i=2

2 i

U1

A csoportfutási időt a szűrőknél definiáljuk. 2.6.6.

Erősítők határfrekvenciája

A korábban vizsgált kapcsolásoknál a fizikailag megvalósított kondenzátorok és a félvezetőkben keletkező szórt kapacitások hatásaitól eltekintettünk. Vizsgáljuk először a valóságos kondenzátorok (be- és kimeneti csatoló kondenzátor és emitter “hidegítő” kondenzátor) hatását:

a) csatoló kondenzátorok hatása erősítő

Rg Cbe Ug

Cki Rki

Ube Rbe

Uki

Rt Ut

AvUbe A bemeneti és a kimeneti körre felírható: U be ( s ) = U g ( s )

U t ( s ) = U ki ( s )

Rbe Rbe + Rg + Rt

Rt + Rki +

1 sCbe

1 sCki

= U g ( s)

= U ki ( s )


sRbeCbe sCbe (Rbe + Rg ) + 1

sRt Cki sCki (Rki + Rt ) + 1

26


A=

sRbeCbe sRt Cki sRt Cki U t U be ( s ) = = Av = Av 1 + sCbe (Rbe + Rg ) [1 + sCki (Rki + Rt )] sCki (Rki + Rt ) + 1 U g U g ( s)

[

s = Av

s

ωbe*

]

ωki*

1 + s  1 + s  ωbe   ωki  

ωbe =

1

Cbe (Rbe + Rg )

, ωki =

1 Cki (Rki + Rt )

A csatoló kondenzátorok, együttesen a meghajtó generátor és a terhelés ellenállásával, az erősítő eredő erősítését a fenti egyenlet szerint változtatják meg. Az erősítés frekvenciafüggésének ábrázolásához tételezzük fel, hogy ωbe<ωki (Ez nem feltétlenül igaz. A gyakorlatban bármelyik lehet kisebb vagy nagyobb, sőt egyenlő is. Ez az elvet azonban nem befolyásolja.) A(ω)

20lgAv -3dB

ωbe

20lgA

ωki ωki* ωbe*

lgω

Mindkét csatoló kondenzátor -az ábra szerint- az alsó határfrekvenciát befolyásolja. Amennyiben ωbe<<ωki, akkor a -3 dB-es határfrekvencia ωa=ωki, ha ez a feltétel nem teljesül, akkor az ωbe is befolyásolja a határfrekvenciát. (ωki<<ωbe esetén természetesen mindez fordítva van).

b) emitter hidegítő kondenzátor hatása A hatást a korábban tárgyalt közös emitteres kapcsolás c) változata (az emitter ellenállás egyenáramú szempontból visszacsatolás, váltakozó áramú szempontból a kondenzátor miatt rövidre van zárva) alapján vizsgáljuk. Ha nem hanyagoljuk el a kondenzátor hatását, akkor az erősítés: Au 0 = − S (RC ∗ Rt ) A( s ) = −

S (RC ∗ Rt )  1 1 + S  RE ∗ sC E 

  

= − S (RC ∗ Rt )


1 SRE 1+ 1 + sC E RE

27


1+ s S (RC ∗ Rt ) 1 + sC E RE 1 + sC E RE ωE A( s ) = − S (RC ∗ Rt ) =− = − Auv 1 + sC E RE + SRE 1 + SRE 1 + s CE RE 1+ s * 1424 3 ωE 1 + SRE Auv

ωE =

1 CE RE

ωE* =

1 + SRE = ω E (1 + SRE ) CE RE

Ábrázolva az erősítés változását a frekvencia függvényében: Auv(ω)

20lg|Auv| ωE*

ωE

lgω

Az ábra alapján megállapítható, hogy az emitter-hidegítő kondenzátor is az alsó határfrekvenciát változtatja (ωE). A töréspont hatására ugyanaz érvényes, amit a csatolókondenzátoroknál megállapítottunk, azaz a domináns töréspont -bármelyik lehet a három töréspont közül- határozza meg a határfrekvencia értékét. Tervezés esetén úgy választunk, hogy azt a töréspontot vesszük az előírt alsó határfrekvenciára, amelynek ellenállásai a legkisebbek (mert ehhez kell a nagyobb kondenzátor) és a másik két töréspontot az alsó határfrekvenciához képest egy dekáddal kisebbre választjuk (így nem lesz hatásuk az alsó határfrekvencia értékére). A félvezetők szórt kapacitásainak hatása

A korábbi kapcsolásokban mindig a tranzisztor, illetve a FET alacsonyfrekvenciás kisjelű helyettesítő-képét használtuk és az aktív elemek szórt kapacitásainak hatását elhanyagoltuk. A tranzisztorok esetén szórt kapacitás a bázis-emitter átmenetben és a kollektor-bázis átmenetben alakul ki (nagysága katalógus adat). A FET-nél ennek megfelelően a gate és a csatorna, azaz a gate-source és a gate-drain között alakul ki. Vizsgáljuk meg a szórt ube kapacitás hatását a közös emitteres tranzisztoros alapkapcsolás alapján.

Ut R1

R2

RC CCB

iC

uki CBE

Kisjelű viselkedés: B ube

R1 R2 uBE

C

CCB rBE

rCE

uCE E

RC uki

CBE SuBE A visszacsatoló kondenzátort (CCB) letranszformálhatjuk a ki- és a bemenetre a korábban meghatározott transzformációs összefüggések alapján (lásd Miller-hatás). A kimeneten a Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

28


kondenzátor gyakorlatilag változatlan kapacitás érték mellett transzformálódik és figyelembe véve, hogy a kimeneti ellenállás általában jóval kisebb, mint a bemeneti, így a kimeneti kör hatása elhanyagolható a bemeneti körhöz képest. A továbbiakban ennek megfelelően csak a bemeneti kör hatását vizsgáljuk. A két szórt kapacitás közel azonos értékű, azonban a transzformáció miatt a CCB kapacitásnak van domináns hatása, mivel értéke erősítésszer nagyobb, mint a CBE kapacitás. Auv = S ( RC ∗ rCE ∗ Rt )

' CCB = CCB (1 + Auv )

' Ce = CBE + CCB ≅ CCB (1 + Auv )

U be (s ) = U g

Au ( s ) =

Rbe ∗

1 sCe

Rg + Rbe ∗

1 sCe Rbe ∗

1 sCe

U ki ( s ) U ki ( s ) U be ( s ) = = Auv = 1 U g ( s ) U be ( s ) U g ( s ) Rg + Rbe ∗ sCe

Rbe Au 1 = Auv = Rbe + Rg 1 + sCe (Rbe ∗ Rg ) 1 + s ωf 142 43 Au

ωf =

1

Ce (Rbe ∗ Rg )

≅

1 1 ≅ , Rbe >> Rg Ce Rg CCB (1 + Auv )Rg

Feszültségerősítés esetén a bemeneti ellenállásnak jóval nagyobbnak kell lennie, mint a meghajtó generátor ellenállása, hogy az erősítő ne terheljen be, ezért az Rbe hatása elhanyagolható. Au(ω)| 20lgAu0 -20dB/D ωf

lgω

A szórt kapacitás tehát a felső határfrekvenciát befolyásolja. Annál nagyobb a felső határfrekvencia, minél kisebb az erősítés. A közös bázisú kapcsolások esetén egyik kapacitás sem visszacsatoló, így nincs transzformáló-hatás. Ekkor érhető el a legnagyobb határfrekvencia, ezért a közös bázisú kapcsolásokat gyakran alkalmazzák nagyfrekvenciás vagy széles sávú alkalmazásokban.


29


2.6.6.

Teljesítményerősítők

A teljesítményerősítők a nagyjelű erősítők kategóriájába tartoznak és az erősítő láncban elfoglalt helyük alapján gyakran nevezik őket végerősítőknek is. A teljesítményerősítőket osztályokba sorolják, amelynek alapja, hogy a végerősítő tranzisztor/MOSFET üzemidejének hány százalékában vezet. (Egy más megfogalmazás szerint a végerősítő tranzisztort/MOSFET-et szinusz jellel vezérelve az hány fok tartományban vezet -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, B és az AB osztályú erősítőknek van különösen nagy jelentőségük. IC IB5 IB4 IIB3 B

M(A)

IB2 M(AB)

ICE0

M(B)

IB1 UCE

Ûki(A) Ûki(B) Ûki(AB) A terhelés illesztése is különböző lehet: • közvetlenül csatolt, • kondenzátoros leválasztású • transzformátoros csatolású. A teljesítményerősítők optimális illesztése:

-Ukimax +Ikimax

iki

Rt1

Rt2 Rt3

Pdmax

uki Pdmax

-Ikimax

+Ukimax


A vonallal határolt terület az, ahol a teljesítményerősítők biztonsággal működhetnek (SOA). Feltételezve három különböző terhelő ellenállást megállapítható, hogy az Rt1 esetén a maximális kimeneti áram, Rt3 esetén a maximális kimeneti feszültség hamarabb határol, mintsem a maximális kimeneti teljesítményt elérnénk. Az Rt2 az optimális terhelés esete, mivel mind a maximális kimeneti áramot, mind a maximális kimeneti feszültséget, azaz a maximális kimeneti teljesítményt el tudjuk érni.

30


2.6.6.1. A osztályú erősítők

Az A osztályú erősítők végtranzisztorai optimális munkapontba állítva üzemelnek, így a tranzisztorok 100%-ban vezetnek (folyási szög 360°), pl. közös emitteres vagy közös kollektoros kapcsolás, ahol a kollektor illetve emitter munkapont-beállító ellenállás maga a terhelés. A felvett teljesítmény a fenti ábra szerinti optimális kivezérlést feltételezve (függetlenül a kivezérlés mértékétől) állandó: Pf =

U t2 2 Rt

Az Ut a tápfeszültség, Rt a terhelő ellenállás. A maximális kimeneti teljesítmény (szinuszos jelet feltételezve és a szaturációs feszültséget valamint a maradékáramot elhanyagolva): U U Uˆ ki = t ⇒ U ki = t 2 2 2 2 2 U U Pki max = ki = t Rt 8Rt Az elérhető maximális hatásfok:

η=

Pki max 1 = ⇒ 25% Pf 4

Az A osztályú erősítők hatásfoka nagyon alacsony, kivezérlés nélkül akár nulla is lehet. Az optimális teljesítményillesztés (Rt=RC) 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). Az A osztályú erősítő kapcsolásnak megfelelnek a korábban tárgyalt KE ás KK kapcsolások, de alacsony terhelő impedanciák esetén elsősorban a KK kapcsolás jöhet szóba. Transzformátoros csatolás esetén (helyesen megválasztott transzformátor áttételnél) mindkét kapcsolás megfelelő, alacsony impedanciák esetén is. Lehetséges szimmetrikus erősítőkkel is A osztályú üzemet létrehozni, erre alkalmasak pl., az ellenütemű transzformátoros csatolású soros vagy párhuzamos meghajtású végfokozatok. Az A osztályú teljesítményerősítők legfontosabb előnye a nagyon kedvező torzítási tényező, amely elsősorban szórakoztató elektronikai alkalmazásokban fontos. 2.6.6.2. B osztályú erősítők

A B osztályú erősítők munkapontja az UCE=Ut pontban van. Szinuszos jelet feltételezve ez azt jelenti, hogy egy végtranzisztorral egy fél periódust lehet erősíteni, tehát a másik fél periódus erősítéséhez egy az előzővel ellentétes fázisban működő másik végtranzisztorra van szükség.


31


Működési viszonyok teljes kivezérlés esetén: npn tranzisztor működik +IC

A pillanatnyi munkapont mozgása pnp tranzisztor működik

npn ±Ut

pnp

Ûki

-IC A B osztályú erősítők tipikus áramköre az ellenütemű (push-pull) végfokozatok. Az ellenütemű végfokozat elvi kapcsolása: A kapcsolás tulajdonképpen egy npn és egy pnp tranzisztorpárra épülő közös kollektoros kapcsolás, ahol a terhelés egyben a munkapont-beállító ellenállás is. A két fél-kapcsolás sorosan egymás után működik, így a kapcsolás alapvető +Ut tulajdonságai megegyeznek a közös kollektoros kapcsolásnál tárgyaltakkal. A két végtranzisztort ugyanazzal a jellel vezéreljük, így ami nyitó az egyikre az záró irányú a másikra nézve. Nagyobb áramok esetén Darlington kapcsolást, esetleg több tranzisztorral ube uki kialakított Darlington kapcsolást alkalmazunk. Azonos típusú végtranzisztorokkal is felépíthető a kapcsolás, azonban ekkor a pnp tranzisztort kompozit-Ut Darlington kapcsolással kell felépíteni. +Ut ube1 uki ube2

Léteznek kvázi-komplementer kapcsolások is, amikor a két végtranzisztor npn típusú, ekkor azonban a végfokozat meghajtásában kell gondoskodni az ellenütemű üzemállapot biztosításáról, azaz a két tranzisztort kell két különböző (ellenfázisú) jellel vezérelni.

-Ut Ellenütemű erősítők elvi hatásfoka: A maximális kimeneti teljesítmény, ha elhanyagoljuk a szaturációs feszültséget: Pki max =

U t2 2 Rt


32


Egy tranzisztor veszteségi teljesítménye: 1 PdT 1 = 2π =

1 Rt

u (t ) 1 ∫0 (U t − uki (t )) kiRt dt = 2π

π

∫ (U

π

t

0

Uˆ sin (ωt ) dt = − Uˆ ki sin (ωt ) ki Rt

)

Uˆ kiU t Uˆ ki2  −   π 4  

A veszteségi teljesítmény egy tranzisztorra maximális kimeneti teljesítmény esetén:

Uˆ ki = U t PdT 1 =

1  U t2 U t2  U t2 = 0 . 068 − R t  π Rt 4 

A hatásfok teljes kivezérlés esetén:

η=

Pki max Pki max + 2 PdT 1

U t2 2 Rt = 2 = 0.786 ⇒ 78.6% Ut U t2 +2 0.068 2 Rt Rt

Meghatározhatjuk a tranzisztorok maximális veszteségi teljesítményét. A levezetésből megállapítható, hogy a végtranzisztorok maximális veszteségi teljesítménye nem a teljes kivezérlésnél lép fel, hanem 64%-os kivezérlés esetén: dPdT 1 U 1 U 2Uˆ ki  ⇒ Uˆ ki = 2 t ≅ 0.64U t =0=  t −  Rt  π π 4  dUˆ ki

PdT 1 max

2  U  Ut   t 2     2 Ut 1 π   U t2 =  π − = Rt  π 4  Rtπ 2    

A tranzisztorok hűtését a fenti teljesítményre kell méretezni! A B osztályú végfokozat működése kis kivezérlések esetén: Ideális karakterisztika

ibe

Tranzisztor bemeneti karakterisztika

ube

Kis jelek esetén a bemeneti karakterisztika nullpont körüli nemlinearítása miatt jelentős torzítás lép (gyakran nevezik ezt a torzítást kereszt-torzításnak is). Ennek kivédésére az AB osztályú üzemmód alkalmas.


33


Végtranzisztorok hőmegfutása: A közös jelről vezérelt végtranzisztorok, ha a hőmérsékletük eltérő, vagy paramétereik – elsősorban is a bemeneti karakterisztikájuk és annak hőfokfüggése- eltérnek egymástól, akkor különbözőképpen vezetnek változó hőmérséklet esetén. A jobban vezető tranzisztor nagyobb áramot kényszerít a terhelésre, amire a tranzisztor jobban melegszik, mire (a negatív hőfokfüggésű bemeneti karakterisztika miatt) még jobban kinyit, ami további melegedést okoz. Ez a folyamat akár a végtranzisztor tönkremenetelét is okozhatja. Védekezés: • Párba válogatott tranzisztorok (paraméter egyezőség) • Azonos hőmérséklet biztosítása (közös hűtőfelületre szerelés) • Negatív visszacsatolás alkalmazása az emitterkörben +Ut

Az emitter ellenállásnak kis értékűnek kell lennie a terhelő ellenálláshoz képest, mert csökkenti a hatásfokot.

RE ube

RE

uki

-Ut

Ugyanezt a végfokozatot kapcsolóüzemben is használják (D osztályú erősítő), amikor a határfrekvencia közelében történő üzemelés esetén előfordulhat, hogy az egyik tranzisztor még nem zárt le és a másik tranzisztor még nem nyitott ki teljesen. Ilyenkor közvetlenül egy áram indul meg a két tápfeszültség között, ami rontja a hatásfokot és növeli a melegedést. Ennek korlátozására is jó az emitter ellenállás alkalmazása. Megjegyezzük, hogy ellenütemű kapcsolóüzemű alkalmazásokban egyéb áramköri kialakítások is szokásosak.

A B osztályú erősítőket olyan alkalmazásokban használjuk elsősorban, amikor lényeges a jó hatásfok, de nem kritikus a torzítás, pl. ipari elektronikai alkalmazások: szolenoidok vezérlése, elektromechanikus működtetésű aktuátorok vezérlése, arányos mágnes szelepek vezérlése, stb. 2.6.6.3. AB osztályú erősítők

+Ut U0 ube U0

uki -Ut

Az AB osztályú üzem a nullpont körüli nemlinearítás okozta torzítások kivédésére szolgál. A tranzisztorokat a nyitás határáig előfeszítjük (U0 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 nulla is lehet. A maximális kivezérlésnél elérhető hatásfok is csökken (bár nem jelentősen) a B osztályúhoz képest.

Az U0 értéke a végfokozat konkrét kapcsolásától függ (Darlington, stb.). A tranzisztorok UBE(T) feszültsége a hőmérséklettől függ, így az U0 feszültségnek is együtt kell változnia a az UBE(T) feszültséggel. Ez úgy érhető el, ha az U0 előállítására szolgáló félvezetők hőmérséklete (a végtranzisztorokkal azonos hűtőfelületre szerelik) és hőfokfüggése megegyezik a végtranzisztorokéval. Szokásos megoldás az U0 előállítására vagy dióda-sor alkalmazása, vagy tranzisztoros kapcsolás. Dr. Kovács Ernő: Elektronika előadás jegyzetek (II/2.)

34


A bemeneti karakterisztika változása B osztályhoz képest: Ideális karakterisztika

Tranzisztor bemeneti karakterisztika B osztály

ibe U0

ube U0

Tranzisztor bemeneti karakterisztika AB osztály

Megfelelő U0 alkalmazásával az ideális és a tényleges közel azonos értékre hozható, ami a torzítás jelentős csökkenését eredményezi. Pl. tranzisztoros munkapont-beállító kapcsolás:

R1 U0

U BE = U 0

 R2 R  ⇒ U 0 = U BE 1 + 1  R1 + R2  R2 

R2 Végfokozat AB osztályú munkapontbeállítással: +Ut

+Ut

I

I U0

U0 uki

ube

-Ut

uki ube

-Ut

Az AB osztályú erősítők a nagyjelű hangfrekvenciás erősítők gyakran alkalmazott megoldásai, ahol a torzítás és a hatásfok között kompromisszum szükséges. Lehetséges egy tápfeszültséges teljesítményerősítők megvalósítása is. Ekkor azonban a két tranzisztor emittere nem nulla feszültségen lesz, így a terhelésre egyenfeszültség jutna. Az egyenfeszültség a terhelésen vagy nem megengedett (pl. induktív terhelés), vagy felesleges melegedést és fogyasztást okozna, ezért kondenzátoros leválasztás szükséges a terhelés a kimenet közé. A kis kimeneti impedancia miatt azonban nagy értékű kondenzátor szükséges, ami megbízhatatlan és nagy méretű.


35


2.6.7.

Szélessávú erősítők

A tranzisztoros (FET-es) alapkapcsolások nagyfrekvenciás tulajdonságait az erősítés és a visszacsatoló szórt kapacitás határozta meg. Nagy sávszélesség esetén alacsony erősítést lehetett megengedni. Közös bázisú kapcsolás esetén pedig egyéb tulajdonságok romlottak. A nagy sávszélesség előállításához ezért speciális kapcsolásokat –általában erősítő láncokat- hoznak létre. Kedvező sávszélességű kapcsolások, pl. a KE+KK kapcsolásokkal megvalósított kaszkód erősítők. 2.6.8.

Szelektív erősítők

A szelektív erősítők a frekvenciatartomány egy meghatározott tartományát erősítik. Alacsony frekvenciás megvalósításaik tulajdonképpen az aktív szűrők, amelyek részletes tárgyalására az Elektronika III. jegyzet “Aktív szűrők” fejezetében kerül sor. Nagyfrekvenciás szelektív erősítők hangolt LC köröket tartalmazó erősítők, tulajdonképpen ezek is aktív sávszűrők, csak nem RC elemekkel felépítve.

Ajánlott irodalom: [1] [2] [3]

Tietze, U-Schenk, Ch.: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki Könyvkiadó, 1990. Millman,J-Grabel,A: Microelectronics, McGraw-Hill Int. Publ., 1987. Savant-Roden-Carpenter: Electronic Design, The Benjamin-Cummings Publ. 1991.


36


Tartalomjegyzék 2.6. Erősítők.................................................................................................................. 2 2.6.1. Erősítők csoportosítása .................................................................................. 2 2.6.1.1. Aszimmetrikus erősítők......................................................................... 2 2.6.1.2. Szimmetrikus bemenetű erősítők.......................................................... 3 2.6.2. Negatív visszacsatolás ................................................................................... 5 2.6.3. Aszimmetrikus kisjelű erősítők ................................................................... 11 2.6.3.1. Közös emitteres kapcsolások............................................................... 11 2.6.3.2. Közös kollektoros kapcsolások ........................................................... 15 2.6.3.3. Közös bázisú kapcsolások ................................................................... 17 2.6.3.4. Többfokozatú erősítők......................................................................... 19 2.6.3.4.1. Közvetlen csatolt erősítők (Direct Coupled) ....................................... 20 2.6.3.4.2. RC csatolt erősítők .............................................................................. 21 2.6.3.4.3. Transzformátoros csatolás ................................................................... 22 2.6.4. Szimmetrikus erősítők ................................................................................. 22 2.6.4.1. Tranzisztoros differenciálerősítő ......................................................... 22 2.6.4.2. FET-es differenciálerősítő ................................................................... 25 2.6.5. Erősítők nemlinearítása (torzítás)................................................................ 25 2.6.6. Erősítők határfrekvenciája........................................................................... 26 2.6.6. Teljesítményerősítők ................................................................................... 30 2.6.6.1. A osztályú erősítők .............................................................................. 31 2.6.6.2. B osztályú erősítők .............................................................................. 31 2.6.6.3. AB osztályú erősítők ........................................................................... 34 2.6.7. Szélessávú erősítők...................................................................................... 36 2.6.8. Szelektív erősítők ........................................................................................ 36 Ajánlott irodalom: ........................................................................................................... 36 Tartalomjegyzék .............................................................................................................. 37


37

2. (ERŐSÍTŐK) ELŐADÁS JEGYZET 2003

Recommend Documents