Elektronika I Dr. Istók Róbert IV. előadás
Nagyfrekvenciás frekvenciakompenzáció • Közös emitteres kapcsolásoknak a nagyfrekvenciás átviteli tulajdonságait , kapcsolás csekély módosításával javítjuk.
• Nagyfrekvenciás töréspont minél nagyobb lesz.
Párhuzamos kompenzáció 𝑅𝑡 növeljük, így az erősítésnövekedés kompenzálja a kapcsolás nagyfrekvencián jelentkező erősítéscsökkenését
Közös emitteres kapcsolás feszültségerősítése hidegítetlen
emitter ellenállás esetén Nagyfrekvenciás törésponti frekvencia kétszeresére növelhető
Emitterköri kompenzáció Az emitter-ellenállást csökkenti le a párhuzamos
kondenzátor
• Nagyfrekvenciás törésponti frekvencia 1,72-szeresére növelhető • Az emitterköri kompenzáció kompenzáló kapacitása 𝐶𝑘𝑜𝑚𝑝 nem azonos
a közös emitteres kapcsolás emitterhidegítő kondenzátorával 𝐶𝐸 . • 𝐶𝑘𝑜𝑚𝑝 nagyobb frekvenciákon dolgozik 𝐶𝑘𝑜𝑚𝑝 → 𝐶𝐸 pF →µF
Kisfrekvenciás átvitelt befolyásoló tényezők • Kisfrekvenciás töréspontjait a bemeneti és kimeneti csatolókondenzátor, az emitterhidegítő kondezátor, a bázishidegítő kondezátor okozza. • A felsorolt kondenzátorok µF nagyságrendűek
Bemeneti csatolókondenzátor
Kimeneti csatolókondenzátor
Kimeneti csatolókondenzátornak a frekvenciamenetre gyakorolt hatása a bemeneti csatolókondenzátoréhoz teljesen hasonló
Emitterhidegítő kondenzátor Sávközépen és a felett az emitterhidegítő kondenzátor rövidzárnak tekinthető 𝑓𝐸 =
1 2·π·𝐶𝐸 ·𝑅𝐸
A bázisköri ellenállások (β+1)-ed részére csökkennek az emitterkörből vizsgálva
𝐶𝐸 értékét egy két nagyságrenddel nagyobra kell választani, mit 𝐶𝑏𝑒
illetve 𝐶𝑘𝑖 értékeit
Kisfrekvenciás kompenzáció Osztott kollektor ellenállás Kisfrekvenciáknál 𝑅𝑡 =𝑅𝐶1 +𝑅𝐶2 +𝑅𝑓 ezáltal a feszültségerősítés nagyobb
Az eredő frekvencia átvitel Hidegített emitteres közös emitteres
kapcsolás tipikus frekvenciamenete látható töréspontoson közelítve.
Kisfrekvenciás töréspontok közül a legnagyobb adja meg a kapcsolás
alsó határfrekvenciáját. A nagyfrekvenciás töréspontok közül a legalacsonyabb lesz a kapcsolás felső határfrekvenciája
Kapcsolások aktív munkaellenállással Tranzisztoros áramgenerátor, áramtükör • Közös emitteres kapcsolásnál a kollektor áramot a bázis emitteren beállított feszültség határozza meg. • Kollektor áram szinte független a kollektor ellenállástól
• Közös emitteres kapcsolás, kollektor-körét tekintve, áram generátor. • Az aramgeneratorok feladata, hogy allando aramot szolgaltassanak egy terhelesen, fuggetlenul a rajta esett feszultsegtől. Áramgenerátor belső ellenállása
Hőmérséklet stabilizált áramgenerátor • Integrált áramköri kivételben
𝑅1 ellenálláson átfolyó áram 𝑅1 és 𝑅2 átfolyó áramok a tranzisztorok áramerősítési tényezőjétől függően azonosak. Az 𝑅1 -en átfolyó áram tükröződik az 𝑅2 -en
Áramgenerátor FET használásával • J1 - n csatornás j-FET • Zener diódán stabil feszültség → gate source feszültség stabil → drain áram állandó, függetlenül a drain feszültségtől • Állandó drain áram → stabil source áram →
MOSFET-ekből kialakított áramtükrök
Aktív terhelés tranzisztoros áramtükörrel •
Nagyobb terhelő ellenállás T1 kollektor körben → nagyobb feszültségerősítés (a fogyasztónak nagy az impedanciája)
•
𝑇1, 𝑇2 azonos emitter árammal rendelkeznek
𝐴𝑢 >1000 Integrált kivételben 𝐴𝑢 >10000 µ - feszültség visszahatási tényező (10−5 )
Előnyök: jó kivezérelhetőség; kis helyigény integrált formában
Darlington kapcsolás • Két azonos típusú bipoláris tranzisztor • T2 bázis árama azonos T1 emitteráramával • Tulajdonságok: • Nyitófeszültsége: 𝑈𝐵𝐸0𝑒𝑘𝑣 =2𝑈𝐵𝐸0 • Áramerősítési tényező: (1+β𝑒𝑘𝑣 )=(1+β1 ) (1+β2 ) • Nagy bemeneti ellenállás
Bipoláris és FET tranzisztorpárok
•
Nem lehetséges két FET tranzisztor egy párban.
•
A FET feszültségvezérelt eszköz, miközben a drain és a source áramat szolgáltat a kimenetén.
•
Mindig a FET az első és a bipoláris a második tag.
•
Végtelen bemeneti ellenállása
Szimetrikus erősítők • Két egymástól független bemenet • Két vagy egy kimenet Szimetrikus erősítők vezérlése
• Általános • Szimetrikus • Aszimetrikus • Közös
Általános vezérlés • 𝑈𝑏𝑒1 , 𝑈𝑏𝑒2 bemeneti feszültségek • 𝑈𝑏𝑒𝑘 közös komponens • 𝑈𝑏𝑒𝑠 szimetrikus komponens
Speciális vezérlés Szimetrikus vezérlés
• Bemeneti jeleknek nincs közös komponense. • Bemeneti jelek azonos nagyságúak, de fázisuk ellentétes
Közös vezérlés • Bemeneti jelnek az amplitúdója és a fázisa is megegyezik • A két bemenet összevan kötve
Aszimmetrikus vezérlés • Az egyik bemeneti jel nulla
Kimeneti jelek
Bemeneti és kimeneti jelek közötti kapcsolat
Szimmetrikus bemenetű aszimmetrikus kimenetű kapcsolás 𝐴𝑢𝑠𝑠 𝐴𝑢𝑠𝑘
• 𝐸𝑘 =
• 𝑬𝒌 közösjel-elnyomási tényező. Szimmetrikus, illetve a közös bemeneti jel hatására létrejövő szimmetrikus kimeneti jelre vizsgált feszültségnek az erősítésének a hányadosa 𝐴𝑢𝑠𝑠 𝐴𝑢𝑘𝑘
• 𝐷𝑢 = •
𝑫𝒖 Diszkriminációs tényező. Szimmetrikus bemeneti jel hatására létrejövő szimmetrikus kimeneti feszültség-erősítés és a közös bemeneti jel hatására létrejövő közös kimeneti feszültség-erősítés hányadosa
Szimmetrikus bemenetű aszimmetrikus kimenetű kapcsolás • 𝐴𝑢𝑠𝑠 minél nagyobb legyen
CMRR – Common Mode Rejection Ratio (Közösmódusú jel-nyomási tényező) 𝑬𝒌 közösjel-elnyomási tényező 𝑫𝒖 Diszkriminációs tényező. CMRR- nagy értéke legyen
Differenciálerősítők •
T1, T2 tranzisztorok azonosak.
•
Két bemeneti jel amplitúdójának különbségét erősíti.
•
Ha a két bemenőjel azonos erősségű, a kimenőjel nulla.
•
Minél nagyobb a különbség, annál nagyobb lesz a kimenőjel erőssége.
Transzfer karakterisztika
•
𝑈𝑏𝑒𝑠 =0 az 𝐼c1 = 𝐼c2 =α𝐼0 /2
•
𝑈𝑏𝑒𝑠 növekedésével T1 tranzisztor árama nő, T2 tranzisztor árama csökken.
•
𝑈𝑏𝑒𝑠 ≈ 4𝑈𝑇 ≈100mV teljes 𝐼0 az egyik tranzisztoron folyik, a másik zárva van
Meredekség
•
𝑆0 maximális meredekség
•
Meredekség a teljes bemeneti tartományban
Differenciálerősítő negatív soros áram visszacsatolással
•
A transzfer karakterisztika laposobbá válik, a linearitási tartomány megnő.
•
Kapcsolás meredeksége (ezáltal feszültségerősítése is) csökken
Differenciálerősítők különböző vezérlési formák esetén • Szimmetrikus vezérlése •
A tranzisztorok közös emitter pontjának és a fogyasztó középpontjának egyenfeszültsége nem változik, virtuális földpontnak tekinthetők
• Közös vezérlése •
Fogyasztó két végpontja mindig azonos potenciálon lesz
• Aszimmetrikus vezérlése •
A bemeneti jellel nem vezérelt tranzisztor (𝑇2 ) közös bázisú kapcsolássá válik, míg a vezérelt tranzisztor (𝑇1 ) közös emitteres kapcsolás lesz, melynek emitterkörében a 𝑇2 -ből felépülő közös bázisú kapcsolás bemeneti ellenállása látszik
További differenciálerősítők • Bemeneti jel • Szimmetrikus komponenseit minél nagyobb mértékben erősíteni • Közös komponensei ne erősödjenek vagy csökkenjenek • 𝐴𝑢𝑠𝑠 >𝐴𝑢𝑠𝑘 ; 𝐴𝑢𝑘𝑘 ; 𝐸𝑘 , 𝐷𝑢 minél nagyobb
• Alap kapcsolás Auss 35-40dB • 𝐸𝑘 és 𝐷𝑢 növelhető egyidejűleg ha (1+𝑔𝑚 *𝑅𝐸 ) nagy • 𝑔𝑚 tranzisztor meredeksége munkaponti áramtól függ. Növelése a tápfeszültség korlátozza. • 𝑅𝐸 emitter ellenállás nem lehet tetszőlegesen nagy
Visszacsatolás A kimeneti jelnek vagy annak egy részét visszacsatolása a bemenetre többféle céllal
történhet: • Az erősítő tulajdonságait passzív elemekkel erősítjük • Visszacsatolással valamilyen tulajdonságot javítunk: frekvencia kimenet, erősítés, bemeneti-kimeneti impedancia •
Kapcsolás stabil működése, vagy instabil (oszcillátorok esetén)
• Visszacsatoló kimenetén β𝑢 𝑢𝑘𝑖 • Erősítő bemenetére 𝑢𝑏𝑒 - β𝑢 𝑢𝑘𝑖
• Negatív jelet a fázisfordítás adja
𝐴𝑢 β𝑢 - hurokerősítés (H)
Soros feszültség-visszacsatolás (SU) A kimeneti feszültséggel arányos jelet csatolunk vissza a kapcsolás bemenetére. A visszacsatolt feszültségjel sorba kapcsolódik az erősítőt vezérlő jellel H=𝐴𝑢 β𝑢
Legnagyobb előny az hogy a bemeneti ellenállás jelentősen növekszik
Soros feszültség-visszacsatolás
A visszacsatolás negatív soros feszültség visszacsatolás
Párhuzamos feszültség-visszacsatolás A visszacsatolt jel a bemeneti jellel
párhuzamosan kapcsolódik Hurokerősítés: H=𝑍𝐴 ∗ 𝑌β
Kapcsolás visszacsatolással nyert transzfer impedancia 𝑍𝐴 ∗ és admittancia 𝑌𝐴 ∗
Negatív párhuzamos feszültségvisszacsatolás A visszacsatolt jel: •
a kimeneti feszültséggel arányos,
• a bemeneti jellel ellentétes fázisú • a bemeneti jellel párhuzamosan kapcsolódik A kimeneti és a bemeneti ellenállás kicsi. Nagyfrekvenciás áramkörökben használják mint tápvonal illesztő
Soros áram-visszacsatolás A kimeneti árammal arányos feszültség jelet csatolunk vissza az erősítőt vezérlő jellel sorba
𝑌𝐴 - bemeneti feszültségjellel vezérelt kimeneti áram 𝑍β - visszacsatolt jel a kimeneti árammal arányos feszültségjel H= 𝑌𝐴 ∗ 𝑍β
Hidegítetlen emitteres közös emitteres kapcsolás Visszacsatolt jel a kimeneti árammal lesz arányos( áram visszacsatolás).
A tranzisztort vezérlő jellel sorba kapcsolódik (soros visszacsatolás), és a bemeneti jellel azonos fázisú
(negatív visszacsatolást eredményez)
Párhuzamos áram-visszacsatolás A feszültségerősítés nem változik. Kisebb a bemeneti ellenállás Nagyobb a bemeneti ellenállás H= 𝐴𝑖 ∗ β𝑖
Összefoglaló
Végerősítők A végerősítők feladata a megfelelő teljesítmény biztosítása a fogyasztó felé. 1W kimeneti teljesítmény felett a végerősítő fokozatot teljesítményerősítőnek hívjuk. Végerősítők hatásfoka: η 𝑃 η= 𝑘𝑖 𝑃𝑓
𝑃𝑓 - felvett teljesítmény 𝑃𝑘𝑖 - leadott hasznos teljesítmény 𝑃𝑑 - disszipált teljesítmény (hő formában)
Maximális teljesítmény Végerősíő fokozatból kivehető maximális
teljesítmény
Ha az 𝑢𝑘𝑖 , 𝑖𝑘𝑖 maximális értékeire semmilyen megkötés nincs
Tranzisztor jellegzetes határadatai 𝑢𝑘𝑖𝑚𝑎𝑥 , 𝑖𝑘𝑖𝑚𝑎𝑥 korlátokat a végtranzisztorok határadatai szabják meg • A megengedhető maximális kollektoráram, kollektoremitter feszültség túllépésekor az eszköz tönkremegy. • A maximális dissipációs teljesítmény a chip hőmérséklete korlátozza • A szekunder letörést a tranzisztoron belül inhomogén árameloszlás
okozza, mely helyi túlmelegedést, átütést okoz
Ellenütemű erősítő Az ellenütemű erősítők olyan nagyjelű szimmetrikus erősítők, melyek kimeneti árama lehet pozitív és negatív. Az egyik tranzisztor az egyik, másik tranzisztor az ellentétes polaritású szinuszos jelek kezelésére alkalmas.
A kimeneti tranzisztorok váltakozó áramú szempontból párhuzamosan kapcsolódnak. A kimeneti áramot a tranzisztorok áramváltozásának az
összege adja.
A-osztályú ellenütemű erősítő Mindkét végtranzisztor vezet. A tranzisztorok erősítő vezéreletlen állapotban is vezet A osztályú erősítők végtranzisztorainak munkapontja
Kivezérlés nélkül mindkét tranzisztor kollektor-emitter feszültsége 𝑈𝑡 nagyságú
Teljesítményviszonyak
A-osztályú erősítő maximális hatásfoka 50%
B-osztályú ellenütemű erősítő Vezéreletlen állapotban az erősítő mindkét végtranzisztora zárt. Kivezérlés során mindig csak az egyik tranzisztor dolgozik.
Teljesítményviszonyak
Áramjelek átlagértéke egyik-egyik tranzisztorra
B osztályú erősítők nemlineáris torzítása Tranzisztorok transzfer karakterisztikája nem
nullából indul és nem töréspontos, emiatt a B osztályú erősítők
nemlineárisok. Nagy bemeneti jeleknél a jeltorzító hatás kisebb
AB- osztályú ellenütemű erősítő Az A-osztályú erősítők csekély torzításának és a B-osztályú erősítők jobb hatásfokának előnyeit egyesíti. Kis kivezérléseknél A-osztályú erősítőként viselkedik. Nagy jelszinteknél B osztályú erősítőként működik. M – munkapont nyugalmi áram hányad része a maximális kollektoráram felének
M=0 B-osztályú M=1 A-osztályú
AB-osztályú erősítő teljesítményviszonyait
Irodalomjegyzék Borbély Gábor Dr.: Elektronika I. Győr : Széchenyi István Egyetem, 2006. 201 p. [elektronikus jegyzet (pdf) U.tietze-Ch. Schenk: Analog és Digitális Áramkörök Hainzmann- Varga-Zoltai: Elektronikus áramkörök. Tankönyvkiadó, Budapest, 1992
