No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

Úvod První èást této knížky tvoøí analogová technika – zesilovaèe, klasické a spínané zdroje, oscilátory, obvod NE 555, aplikace operaèních zesilovaèù, základy automatizace, televizní techniky, elektroakustiky a telekomunikaèní techniky. Druhý celek tvoøí klasická èíslicová technika – obvody CMOS 40xx a 45xx a obvody HCMOS. Ve tøetí èásti se zabývám mìøicí technikou. Tuto publikaci jsem složil z mých døíve napsaných publikací Základní elektronické obvody a zaøízení, Aplikace moderních integrovaných obvodù, Aplikovaná elektronika, Vlastnosti a užití CMOS obvodù, Mìøení elektronických velièin. Kapitola TV technika je pøevzata z publikace Elektronické pøístroje. Mým cílem bylo vytvoøit univerzální, jednoduchou, moderní a struènou uèebnici slaboproudé elektroniky a zpopularizovat elektroniku tak, aby byla zajímavá pro studenty støedních škol a pro zaèínající zájemce. Snažil jsem se celou problematiku maximálnì zestruènit a zmodernizovat. Jsem si vìdom toho, že studenti si musí kupovat uèebnice za své peníze a že pøíliš obsáhlé publikace jsou nejen drahé, ale i pro zaèáteèníky nepøehledné. K slouèení mých døíve vydaných publikací jsem se rozhodl proto, že u vìtších publikací je nižší cena za jednu stránku. Dále jsem chtìl tyto publikace pøizpùsobit novým trendùm v tomto oboru. To se týká hlavnì publikace Základní elektronické obvody a zaøízení, která vznikla pøed 10 lety a u které jsem pøekreslil vìtšinu obrázkù a rozšíøil nìkteré kapitoly. Navíc jsem zpracoval kapitoly o pøenosu informací, automatizaci a regulaci a o elektroakustice. Jednotlivé èásti této publikace byly vytváøeny pomocí rùzných programù, zajistit jednotnou grafickou úpravu proto nebylo možné. Potøebné základní znalosti pro pochopení tohoto uèiva najde ètenáø v publikaci Základy elektrotechniky. V dalších mých publikacích Konstrukèní návody, Postavte si zesilovaè, Zapojení s analogovými obvody, Doplòky nf zesilovaèe, Elektronika pro hudebníky, Elektronické pøístroje a Elektronické konstrukce pro pokroèilé najdou zájemci velké množství jednoduchých konstrukèních návodù vhodných pro zaèáteèníky, které jim umožní pochopit celou problematiku z praktické stránky. K pochopení této publikace je bezpodmíneènì nutné mít potøebné základní znalosti: 1. Vlastnosti základních elektrotechnických souèástek Odporù (U = RI), kondenzátorù (X c = 1/2pfC), cívek (X L = 2pfL), diod (princip, V-A charakteristika), Zenerových diod (V-A charakteristika) a tranzistorù (princip, zapojení vývodù, vlastnosti, V-A charakteristika). 2. Vlastnosti støídavého napìtí, definice jeho støední, maximální a efektivní hodnoty a vztah mezi nimi pro sinusový prùbìh Umax = 1,41 . Uef, Ustø = 2Umax/p, Uef = 1,11.Ustø

3. Øešení základních elektrických obvodù Sériové øazení rezistorù a kondenzátorù – R = R1 + R2, C = C1 . C2/(C1+C2). Paralelní øazení rezistorù a kondenzátorù – R = R1 . R2/(R1 + R2), C = C1 + C2. Kirchhoffovy zákony (åI v uzlu se rovná nule, åU v uzavøené smyèce se rovná nule), výpoèet dìlièe napìtí a jeho náhrada pomocí Theveninovy vìty (Un = U1 . R1/(R1 + R2), Rn = R1 . R2/(R1 + R2), závislost impedance na frekvenci pro sériový a paralelní RC obvod a pro Wienùv èlánek (fm = 1/2pRC), vlastnosti sériového a paralelního rezonanèního obvodu, Thomsonùv vzorec (frez = 1/2pÖ(LC)).

J. Vlèek: Moderní elektronika

1

1

Zesilovaèe

Jsou aktivní lineární dvojbrany, které slouží k zesilování napìtí, proudu a výkonu. Rozdìlujeme je: a) podle šíøky pásma (úzkopásmové, širokopásmové), b) podle zpracovaného kmitoètu (stejnosmìrné, nízkofrekvenèní, vysokofrekvenèní, mikrovlnné), c) podle velikosti vstupního signálu (pøedzesilovaèe, koncové zesilovaèe).

1.1

Hlavní parametry zesilovaèù

a) Napìové zesílení Au = U2/U1, èasto se udává v decibelech (dB), Au[dB] = 20log (U2/U1). Tab. 1 Pøevod napìového zesílení na decibely

$XG% $X

 

 

 

 

 

 

 

 

   

b) Vstupní odpor c) Výstupní odpor d) Šíøka pásma – je nutné urèit pro jaký pokles byla namìøena (nejèastìji se udává pro pokles o 3 dB).

Obr. 1.1 a) Náhradní schéma zesilovaèe b) Kmitoètová charakteristika c) Emitorový sledovaè d) Zesilovaè se spoleèným emitorem

e) Zkreslení: (viz kapitolu Harmonická analýza). f) Odstup od rušivých napìtí: udává se v dB.

2

J. Vlèek: Moderní elektronika

1.2

Zesilovaèe s tranzistory

a) Zesilovaè se spoleènou bází: zesiluje napìtí, má malý vstupní a velký výstupní odpor, vysoký mezní kmitoèet, používá se nìkdy ve vf zesilovaèích. Fáze vstupního a výstupního signálu je stejná. b) Zesilovaè se spoleèným kolektorem (emitorový sledovaè): má velký vstupní, malý výstupní odpor, napìové zesílení menší než 1, zesiluje proud, používá se ke vzájemnému oddìlení jednotlivých obvodù. Výstupní odpor ~ Re, Re a Rb volíme tak, aby UE = Un/2. Fáze vstupního a výstupního signálu je stejná. c) zesilovaè se spoleèným emitorem: Má nejvìtší výkonové zesílení, používá se nejèastìji. Zesiluje proud i napìtí. Otáèí fázi o 180°. Pro optimální funkci tohoto zapojení je nutné správnì nastavit pracovní bod. Na kolektoru tranzistoru musí být pøibližnì polovina napájecího napìtí, aby zesilovaè limitoval obì pùlvlny støídavého napìtí symetricky. Výstupní odpor zesilovaèe je pøibližnì roven odporu Rc. Zesilovaè je od vstupního a výstupního obvodu oddìlen kondenzátory. Pracovní bod zesilovaèe je nutné stabilizovat stejnosmìrnou zápornou zpìtnou vazbou v emitoru tranzistoru. (Zvýší-li se Ic, zvýší se UE, zmenší se UBE a tranzistor se pøivøe). Na bázi tranzistoru pøivádíme z napìového dìlièe stejnosmìrné pøedpìtí (napìtí UC, UB a UE jsou vztažena vùèi zemi). Platí:

Ic = (Un – UC)/Rc

UB = UE + 0,6 V Ic = Ib . b

kde b je h21e = proudový zesilovací èinitel tranzistoru

8% =

8 Q  5 ,% 5 + 5  5 + 5  5 + 5 

Rezistory R1 a R2 volíme tak, aby proud jimi procházející byl vìtší než IB a zároveò aby tyto rezistory nebyly pøíliš malé a nezmenšovaly vstupní odpor zesilovaèe. Je-li požadavek na velký RVST., je možné rezistor R1 vynechat, pøípadnì rezistor R2 zapojit mezi bázi a kolektor tranzistoru. Kondenzátor CE slouží ke zkratování záp. zpìtné vazby pro støídavé napìtí a tím ke zvìtšení zesílení pro støídavé signály. Není-li zapojen, potom platí Au = Rc/Re. Kondenzátory CB a Cvýst. volíme tak, aby neomezovaly pøenos nízkých kmitoètù. Pøi návrhu obvodu zvolíme nejprve proud Ic a Rc podle požadovaného výst. odporu Ic . Rc = Un/2, emitorové napìtí UE volíme asi 0,5 až 1 V (èím vìtší je UE, tím lépe je pracovní bod stabilizován) a vypoèteme Re = UE/Ic. Vždy pøi návrhu obvodù s tranzistory pøedpokládáme UBE = 0,6 V. Toto zapojení je pøíkladem zesilovaèe ve tøídì A – tranzistor zesiluje souèasnì obì pùlvlny støídavého napìtí. K tomu je nutné, aby mìl tranzistor stejnosmìrné pøedpìtí a aby jím protékal klidový proud. Toto zapojení je vhodné pouze pro zpracování malých výkonù (jeho max. úèinnost je 50 %).

1.2.1 Koncový stupeò Pøi zesilování vìtších výkonù je nutné zvl᚝ zesilovat obì pùlvlny støídavého napìtí. Tranzistory pracují buï ve tøídì B (bez klidového proudu), nebo ve tøídì AB (s malým klidovým proudem). Úèinnost takových zapojení je kolem 70 %. Pøi prùchodu signálu nulou mùže ale nastat urèité pøechodové zkreslení, které je nutné minimalizovat zápornou zpìtnou vazbou, která rovnìž zajištuje J. Vlèek: Moderní elektronika

3

stejnosmìrnou stabilitu zesilovaèe a toto zapojení je v souèasné dobì vhodné realizovat pomocí IO (pro výkony do 30–50 W), které rovnìž zajišují ochranu proti zkratu a pøehøátí. Pro vìtší výkony je nutné používat diskrétní souèástky. Následující zapojení je èástí koncového nf zesilovaèe. Darlingtonùv tranzistor T1,2 pracuje ve tøídì A, na jeho kolektoru je bez signálu polovina napájecího napìtí. Pøi vybuzení se tranzistor otvírá v kladné pùlvlnì vstupního signálu a v záporné se zavírá, tranzistor otáèí fázi signálu o 180 °. Jeho pracovní bod je v klidovém stavu v bodì P (obr. 1.2), pøi vybuzení se pohybuje po zatìžovací pøímce. Malá zmìna vstupního napìtí vyvolá velkou zmìnu výstupního napìtí. Výstupní napìtí mùže nabývat hodnot témìø od 0 do Un. Za tento tranzistor nemùžeme pøímo pøipojit nízkoimpedanèní zátìž, výstupní odpor je pøibližnì roven R3, úèinnost zesilovaèe ve tøídì A je maximálnì 50 %. Tranzistory T3 a T4 pracují jako sledovaèe napìtí (zesilují pouze proud, viz zapojení emitorového sledovaèe). Zmenšují tak výstupní odpor. T3 zpracovává zápornou pùlvlnu, T4 kladnou. V klidovém stavu jsou oba tranzistory zavøené, pøi vybuzení se nesmí otevøít souèasnì. Dioda D1 tyto tranzistory trochu pootvírá, aby se pøi prùchodu signálu nulou omezilo pøechodové zkreslení (tranzistor se otevírá pro UBE > 0,6 V. Z výstupu do báze T1,2 je zapojena stejnosmìrná zpìtná vazba – R2. Dìliè R1, R2 zajišuje v klidovém stavu na výstupu polovinu napájecího napìtí Un/2 . R1/(R1 + R2) = 1,2 V (pokud jsou R1 a R2 dostateènì malé, abychom mohli zanedbat proud do báze T2,3. Toto zapojení se nazývá komplementární (na výstupu je dvojice tranzistorù NPN a PNP). Existují i jiná zapojení, napø. kvazikomplementární se dvìma NPN tranzistory na výstupu a s komplementární dvojicí budících tranzistorù. Tranzistor T1,2 je pøíkladem Darlingtonova zapojení. Zesílení tohoto „supertranzistoru“ se rovná souèinu zesílení obou tranzistorù. Používá se hlavnì ve výkonových aplikacích, oba tranzistory jsou v jednom pouzdru a jsou ještì doplnìny jedním nebo dvìma rezistory a diodou chránící proti pøepólování. Zesílení výkonových tranzistorù bývá pomìrnì malé (10 až 20, což èasto nestaèí). Zesílení univerzálních tranzistorù bývá nìkolik set. Darlingtonovo zapojení mívá zesílení asi 1000, mezi bází a emitorem je typicky napìtí 1,2 V. K správné funkci koncových tranzistorù potøebujeme zápornou zpìtnou vazbu – viz dále, která mùže být stejnosmìrná nebo støídavá. Výstupní výkon je úmìrný druhé mocninì napájecího napìtí a nepøímo úmìrný impedanci zátìže. P = Uvýst2/R. Od napájecího napìtí musíme pouze odeèíst saturaèní napìtí dvou koncových tranzistorù, které je pøibližnì 4 V (plný rozkmit výstupního napìtí až do velikosti napájecího napìtí zpravidla nelze využít. Koncové zesilovaèe se vìtšinou (pro výkony do 15 až 20 W vyrábìjí v integrovaném provedení. Jsou to pøevážnì speciálnì upravené operaèní zesilovaèe (viz dále), které mají invertující a neinvertující vstup (a pro které platí stejné vzorce pro pøenos), a jejichž výstupní odpor je velmi nízký (1–2 W). Jsou dále vybaveny tepelnou pojistkou a ochranou proti zkratu na výstupu, pøípadnì i ochranou proti zvìtšení napájecího napìtí a jeho pøepólování. Vyšší napájecí napìtí nebo nižší zatìžovací impedanci, než povoluje výrobce, nesmíme použít, jinak hrozí znièení obvodu. U vìtšiny integrovaných zesilovaèù je maximální napájecí napìtí 36 V (nebo o nìco málo více). Jedná se o omezení dané technologií výroby operaèních zesilovaèù. Pøi impedanci 4 W to znamená výkon okolo 20 W. Vìtšina integrovaných zesilovaèù pracuje do impedance 4 W. Pøi zvìtšení impedance na 8 W je výkon teoreticky polovièní, prakticky se rovná dvìma tøetinám pùvodního výkonu. Zesilovaè se totiž nechová jako ideální zdroj napìtí, má svùj vnitøní odpor daný ztrátami na transformátoru, usmìròovacích diodách a na koncových tranzistorech. Uplatòuje se i zvlnìní napìtí na filtraèním kondenzátoru (viz kapitola klasické zdroje).

4

J. Vlèek: Moderní elektronika

K zajištìní požadovaného výkonu je nutné dobré chlazení, což znamená minimálnì 1 dm2 èernìného hliníkového chladièe tl. 2–4 mm na každých 20 W ztrátového výkonu. Lesklý chladiè má polovièní úèinnost oproti èernému. Vìtšina moderních integrovaných obvodù je vybavena tepelnou pojistkou, která pøi pøehøátí omezí výstupní výkon, aby se obvod neznièil. Potom nemusíme výše uvedenou hodnotu vždy dodržet (za bìžného provozu je maximální výkon do zátìže dodáván pouze ve špièkách). Tepelné ztráty zesilovaèe jsou maximální pøi jedné polovinì až dvou tøetinách maximálního možného výkonu (tehdy se užiteèný a ztrátový výkon pøibližnì rovnají), úèinnost roste s vybuzením zesilovaèe.U lineárních zesilovaèù nebývá vìtší než 80 %. (Ve vf technice se nìkdy používají i zesilovaèe ve tøídì C, které zesilují pouze èást jedné pùlvlny, které pracují s velkým zkreslením a velkou úèinností. Maximální výkon zase závisí na napájecím napìtí. Zesilovaèe s výkonem okolo 1 W se chladí pøes vhodnì navržený plošný spoj. Vìtší zesilovaèe musí být vždy pøipojeny k chladièi. Ten je zpravidla elektricky spojen se zemí (pøívodem záporného napájecího napìtí. Zkreslení je pøi normálních provozních podmínkách velmi malé (setiny nebo desetiny %), pøi velmi malé úrovni signálu se nìkdy mùže projevovat pøechodové zkreslení, pøi plném vybuzení prudce vzrùstá. Na okrajích akustického pásma zkreslení mírnì vzrùstá. Kmitoètová charakteristika je zde totiž èasto linarizovaná pomocí zpìtné vazby, není zde tak velká rezerva v zesílení. Zkreslení vzniká jednak nelinearitou výstupních tranzistorù a limitací signálu pøi hodnotách blízkým napájecímu napìtí – „oøezání“ signálu, jednak pøi pøechodu signálu z kladné polarity do záporné a naopak – pøechodové zkreslení. Zesilovaè akustických signálù proto není dobré využívat do maxima, pro kvalitní poslech je nezbytná reserva výkonu. Klidový proud vìtšiny zesilovaèù mírnì vzrùstá s rostoucím napájecím napìtím. Namìøené hodnoty se nesmí pøíliš lišit od hodnot udávaných výrobcem. Pokud jsou vyšší, zesilovaè pravdìpodobnì zakmitává. Pro zajištìní stability bývá èasto na výstupu Boucherùv èlen – keramický kondenzátor a velmi malý odpor v sérii. Napájecí napìtí se rovnìž doporuèuje blokovat kermickým kondenzátorem. Tyto souèástky musí být co nejblíž koncovému zesilovaèi. V pøípadì rozkmitání musíme zmìnit jejich hodnoty, pøípadnì pøidat další blokovací kondenzátory nebo omezit zesílení nadakustických kmitoètù (paralelnì ke zpìtnovazebnímu rezistoru (R2) pøidat kondenzátor).

Obr. 1.2 a) dvojèinný zesilovaè, b) závislost klidového proudu na napájecím napìtí, c) závislost zkreslení na výstupním výkonu, d) závislost výstupního výkonu na zatìžovací impedanci, e) závislost výkonu na napájecím napìtí, f) závislost zkreslení na kmitoètu, g) závislost ztrátového výkonu na výstupním výkonu, h) závislost úèinnosti na výstupním výkonu J. Vlèek: Moderní elektronika

5

Vìtšina integrovaných zesilovaèù v sobì má zabudovanou i ochranu proti zkratu na výstupu. Výstupní proud se v takovém pøípadì omezí na hodnotu, pøi které se obvod neznièí. Zvláštní kategorii tvoøí zesilovaèe pro autorádia, u kterých je požadavek co nejvìtšího výstupního výkonu pøi malém napájecím napìtí (12 V). Za tím úèelem se musí používat zátìž o impedanci 2 (1,6) W nebo mùstkové zapojení. Kromì tepelné pojistky a ochrany proti zkratu na výstupu, bývají vybaveny i ochranou proti pøepólování napájecího napìtí nebo jeho zvýšení (dvì autobaterie v sérii). Úèinnost zesilovaèe (pomìr výstupního výkonu a pøíkonu) vzrùstá s rostoucím vybuzením, tepelné ztráty mají své maximum zhruba pøi 60 až 70 % maximálního výkonu. Z tohoto hlediska nemá být napájecí napìtí pøíliš vysoké. Z dùvodù nízkého zkreslení potøebujeme zase urèitou, ne pøíliš vysokou napìovou reservu. Následující závislosti uvádím proto, že jsou typické pro vìtšinu zesilovaèù, bez ohledu na to, zda jsou realizovány monolitickým integrovaným obvodem nebo pomocí tranzistorù. Chceme-li si postavit zesilovaè, mùžeme se rozhodnout pro symetrické nebo nesymetrické napájecí napìtí (viz kapitola klasické zdroje), u vìtšiny integrovaných zesilovaèù si uživatel mùže zpùsob napájení zvolit sám. Pøi nesymetrickém napájecím napìtí je na výstupu polovina napájecího napìtí, zátìž musí být oddìlena kondenzátorem. Jeho hodnota má vliv na dolní mezní kmitoèet (fm = 1/(2pRzC)). Symetrické napájení vyžaduje transformátor s dvojím vinutím a zdroj se dvìma filtraèními kondenzátory. Reproduktor, který je pøi symetrickém napájejí pøímo pøipojen ke koncovému stupni, by mìl být chránìn speciálním obvodem pøed pøípadným poškozením stejnosmìrným napìtím, které do reproduktoru nikdy pøijít nesmí. Cívkou v takovém pøípadì protéká velký proud, cívka se nepohybuje, nechladí se a velmi brzy se pøepálí. Cena profesionálního reproduktoru s výkonem okolo 100 W a citlivostí 100 dB je nìkolik tisíc Kè. Nebylo by dobré jej znièit, pøi náhodném proražení výstupního tranzistoru. Obvod ochran (s relé nebo s tyristory) je zpravidla stejnì složitý jako vlastní koncový stupeò. Proto doporuèuji dát pøednost nesymetrickému napájecímu napìtí, se kterým se lépe pracuje. Jednotlivé obvody jsou pøi nìm oddìleny filtraèními kondenzátory, takže se nemohou vzájemnì stejnosmìrnì ovlivòovat, což je dùležité pøi vyhledávání závad. Nepotøebujeme obvod ochrany reproduktoru. Oddìlovací kondenzátory zároveò potlaèují subakustické kmitoèty a tím zlepšují stabilitu. Jedinou nevýhodou je pøechodový jev (lupnutí) pøi zapnutí. Existují i integrované obvody s vìtším napájecím napìtím (okolo 50 W). Jejich cena je zatím ale vyšší než u tranzistorových zesilovaèù. Také se obèas setkáme se zvláštními integrovanými obvody – budièi koncových tranzistorù, ke kterým pøipojujeme pouze dvojici (nebo dvì dvojice u stereofonního obvodu) komplementárních výkonových tranzistorù. Výkon zesilovaèe mùžeme zvýšit i mùstkovým zapojením, kdy dva stejné koncové stupnì pracují v protifázi do spoleèné zátìže, na jejich výstupech jsou signály fázovì posunuté o 180°. Výstupní napìtí na zátìži se zdvojnásobí, zdvojnásobit se musí také zatìžovací impedance. Potom se zdvojnásobí oproti jednoduchému zapojení i výstupní výkon. Pmùst = (2U)2/ 2R = 2 U2/R = 2P. Taková zapojení jsou ale nároènìjší na provedení i na toleranci souèástek a nedoporuèuji je zaèáteèníkùm. Používají se tam, kde nemáme k dispozici dostateènì velké napájecí napìtí nebo dostateènì výkonné souèástky (autorádia nebo zesilovaèe extrémnì velkých výkonù – stovky wattù). Chceme-li zvìtšit výkon zesilovaèe nad jeho pøirozené možnosti (maximální proud a ztrátový výkon tranzistorù), mùžeme postavit koncový stupeò z paralelnì øazených MOS tranzistorù a snížit impedanci zátìže. Chceme-li dosáhnout vìtších výkonù (100 W a víc) je zatím ekonomické používat zapojení s tranzistory. Technika jde v tomto oboru také kupøedu. Používají se i zesilovaèe ve tøídì T s úèinností

6

J. Vlèek: Moderní elektronika

pøes 90 %. Vstupní analogový signál je v nìm vzorkován a digitalizován. Na výstup se pøivádìjí pøes spínací MOS tranzistory obdélníkové impulsy o kmitoètu 2 MHz, ze kterých vytváøí výstupní LC filtr sinusový signál. Vìtšinu zájemcù by ale asi odradila vysoká cena budièe (zhruba tisíc Kè), problémy s jeho shánìním a možné problémy spojené s pøípadným rušením (nároky na peèlivost provedení jsou mimoøádnì. Výkon zesilovaèe se správnì mìøí pomocí sinusového generátoru a umìlé zátìže po dobu alespoò jedné hodiny. Výkon se udává vždy pro urèitou hodnotu zkreslení (u seriózních výrobcù 1 %, nìkdy se udává i pro k = 10 %). Namìøená hodnota se nazývá sinusový výkon. Pøi poslechu hudby není zatížení zesilovaèe rovnomìrné, výkonové špièky trvají jen zlomky sekundy. Støední hodnota výkonu je nìkolikanásobnì nižší. U zesilovaèù s tranzistory, které nemají tepelnou pojistku, na to ale nemùžeme spoléhat a chladiè nesmíme v žádném pøípadì ošidit. Pøípadná amatérská realizace tepelné pojistky (termistor mechanicky spojený s chladièem a další obvody) není bez problémù. Tepelná pojistka funguje spolehlivìji uvnitø integrovaného obvodu, kde všechny souèástky mají stejnou teplotu. Dostateènì velký filtraèní kondenzátor v napájecím zdroji zajišuje nejen dobrý odstup od síového brumu, ale mùže špièkový (hudební) výkon zesilovaèe trochu zvýšit. Samozøejmì za pøedpokladu dostateènì velké napìové rezervy.

Obr. 1.3 Mùstkové zapojení zesilovaèe V nìkterých zapojeních (pøevážnì vf) se také používají zesilovaèe ve tøídì C (zesílena pouze èást jedné pùlvlny, úèinnost je asi 90  %).

1.2.2 Tranzistor jako spínaè V souèasné dobì jsou tranzistory v zesilovaèích a stabilizátorech nahrazovány integrovanými obvody, které umožòují zmenšit rozmìry, pøíkon i cenu pøístrojù. Obtíže pøi aplikaci tranzistorù pùsobí i rùzná velikost proudového zesilovacího èinitele, která zhoršuje reprodukovatelnost zapojení. Proto se tranzistory nyní hlavnì používají jako spínaèe. Od spínaèe vyžadujeme, aby Rsep ® 0 a Rrozep ® ¥. Na bázi tranzistoru je pøivedeno spínací napìtí Us. Je-li toto napìtí menší než 0,6 V, tranzistor je zavøený (rozepnutý spínaè). Zbytkový proud je u moderních tranzistorù øádovì 1 mA a je témìø zanedbatelný. Je-li Us > 0,6 V, tranzistor se otvírá a jeho pracovní bod se posunuje po zatìžovací pøímce. V pøípadì, že iB . h21 > iC, dostane se pracovní bod tranzistoru na mezní pøímku. Tranzistor je úplnì otevøen (sepnutý spínaè) a jeho saturaèní napìtí je u vìtšiny tranzistorù < 0,2 V, u výkonových maximálnì 1–2 V. Pøi návrhu obvodu musíme zvolit vhodný typ tranzistoru (nepøekroèit IcMAX, UceMAX) a vhodný rezistor RB (zajistit úplné otevøení tranzistoru a zároveò nepøekroèit IBMAX). J. Vlèek: Moderní elektronika

7

Obr. 1.4 Tranzistor jako spínaè VA charakteristika tranzistoru (P – pracovní bod v lineárním režimu ve tøídì A)

1.2.3 Diferenciální (rozdílový) zesilovaè Má dva vstupy a zesiluje jejich rozdílové napìtí, zatímco souètové napìtí potlaèuje. Budeli Uvst kladné, otevøe se více T1, klesne-li napìtí na jeho kolektoru, roste jeho kolektorový proud. Protože oba tranzistory napájí spoleèný zdroj proudu, bude klesat proud tranzistorem T2 a poroste napìtí na jeho kolektoru. Bude-li Uvst záporné, otevøe se T2 a zavøe se T1. Diferenciální zesilovaè je tedy schopen zesilovat napìtí v obou polaritách, velikost prahového napìtí UBE = 0,6 V zde nepùsobí problémy. K tomu musí být napájen ze zdroje symetrického napìtí. Vstupní a výstupní napìtí mùže být v rozsahu témìø od –U do +U. Diferenciální zapojení se používá ve vstupních obvodech operaèních zesilovaèù – viz dále. Báze T1 bude neinvertující vstup. Pokud pøipojíme na tento vstup kladné napìtí oproti druhému (invertujícímu) vstupu, bude mít výstupní napìtí stejnou polaritu jako vstupní napìtí (u støídavého signálu stejnou fázi). Báze T2 je invertující vstup. U signálu, který na nìj pøivedeme se otáèí polarita (fáze). Pokud bude na obou vstupech stejné promìnné napìtí (souètový signál) výstupní napìtí se bude mìnit velmi málo. Dobré potlaèení souètového signálu zajišují stejné odpory Rc (minimální tolerance), stejné zesílení T1 a T2 a jejich stejná provozní teplota. Uvnitø integrovaných obvodù se tyto požadavky dají splnit lépe než pøi použití diskrétních souèástek. Dále je zapotøebí aby oba vstupní tranzistory T1 a T2 mìly v emitoru co možná nejkvalitnìjší zdroj proudu (ideální zdroj proudu má nekoneèný vnitøní odpor, jedná se o zdroj velkého napìtí v sérii s velkým odporem). Samotný rezistor Re tomu úèelu pøíliš nevyhovuje. Jako zdroj proudu používáme tranzistor T3. Pøivedeme-li na jeho bázi napìtí Uref, bude jeho kolektorový proud I = (Uref – 0,6)/Re nezávislý na jeho kolektorové zátìži (pokud se tranzistor nedostane do saturace). Rozdílové napìtí z kolektorù tranzistorù T1 a T2 se vede do dalších pøímo vázaných stupòù ke zpracování, zesiluje se a stejnosmìrnì se posouvá a nakonec se pøivádí k dvojèinnému koncovému stupni. Tím vytvoøíme operaèní zesilovaè, jeho realizace z diskrétních souèástek, viz konec kapitoly Aplikace OZ. Jeho skuteèné zapojení je ale složitìjší, obsahuje asi 20 tranzistorù. Diferenciální zesilovaè se používá v mnoha zapojeních v IO vèetnì operaèních zesilovaèù, v modulátorech, smìšovaèích apod.

8

J. Vlèek: Moderní elektronika

Obr. 1.5 a) mùstkový zesilovaè, b) diferenciální zapojení tranzistorù

1.3

Operaèní zesilovaè

Má 2 vstupy: – invertující (otáèí fázi nebo polaritu) + neinvertující

Obr. 1.6 a) invertující zesilovaè, b) neinvertující zesilovaè, c) sledovaè signálu, d) zapojení invertující nesymetrické, e) zapojení neinvertující nesymetrické

1.3.1 Základní vlastnosti ideálního OZ 1. Nekoneèný vstupní odpor 2. Nekoneènì velké napìové zesílení 3. Nulový výstupní odpor Ideální operaèní zesilovaè se používá pøi teoretickém návrhu obvodù s OZ. Parametry skuteèného OZ je nìkdy nutné brát v úvahu. U skuteèného OZ s bipolárními tranzistory je vstupní odpor 106–107 W. U OZ s J-FETEM na vstupu až 1012 W. Napìové zesílení je 104–105. Výstupní odpor vìtšiny OZ je kolem 100 W, max. výst. proud je kolem 10–15 mA. Existují ale i speciální typy OZ používané jako koncové nf zesilovaèe, které pracují pøi výkonu 10–20 W do 4 W zátìže. J. Vlèek: Moderní elektronika

9

OZ zesiluje rozdílové napìtí mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem, souètové napìtí potlaèuje. Výstupní napìtí má vždy koneènou hodnotu, takže pøi nekoneènì velkém zesílení se vstupní napìtí blíží nule (napø. pro Uvýst = 10 V, Au = 104 je rozdílové Uvst = 1 mV). Za pøedpokladu, že OZ není pøebuzen, platí vždy, že na obou vstupech je vždy stejné napìtí. OZ je univerzální obvod pro zpracování stejnosmìrných a nízkofrekvenèních napìtí a má mnoho rùzných použití v mìøící, automatizaèní a v nf technice.

1.3.2 Invertující zesilovaè Pøi odvození pøenosu tohoto zapojení (a všech ostatních zapojeních s OZ) uvažujeme, že napìtí na obou vstupech je stejné (v daném pøípadì 0) a proud tekoucí do vstupù OZ je nulový. Potom platí (1. Kirchhoffùv zákon) – viz obr. 1.6a: I1 = –I2

8 8 =-  5 5 $X = -

8 8

$X = -

(záporné znaménko u zesílení nás informuje o otoèení polarity nebo fáze) (definice napìového pøenosu)

8 5 =-  8 5

Rvst = R1

U tohoto zapojení (a i u všech dalších zapojení s OZ) jsou vlastnosti zapojení závislé pouze na vnìjších souèástkách, nikoliv na parametrech OZ. Vstupní odpor invertujícího zapojení nelze zamìòovat se vstupním odporem OZ, který se blíží nekoneènu. Pøi náhradì rezistoru R2 potenciometrem je možné realizovat zesilovaè s promìnným ziskem, nastavitelným od 0 (aktivní potenciometr). Odpor R2 vytváøí zápornou zpìtnou vazbu z výstupu do invertujícího vstupu. Èást výstupního signálu se pøivádí zpìt do vstupu s obrácenou fází a odeèítá se od vstupního signálu. Tím se omezí zesílení a zároveò se zlepšují všechny ostatní parametry zesilovaèe. Zlepší se odstup od rušivých napìtí, zmenší se zkreslení, zvìtší se šíøka pøenášeného pásma, zmenší se výstupní odpor. Všechna zapojení OZ, která zpracovávají spojitý signál potøebují k správné èinnosti zápornou zpìtnou vazbu. Zisk jednotlivých OZ se doporuèuje volit maximálnì 100–1000 (40–60 dB).

1.3.3 Neinvertující zesilovaè Stejnì jako u invertujícího zesilovaèe, vycházíme pøi øešení tohoto obvodu z pøedpokladu rovnosti napìtí na obou vstupech. Proud tekoucí do vstupu OZ je nulový. Potom rezistory R1 a R2 tvoøí nezatížený napìový dìliè (obr. 1.6b).

8 = 8 

5 5 + 5 

Vyjádøíme napìová zesílení

10

J. Vlèek: Moderní elektronika

$X =

5 8 5  + 5 = = +  5 8 5

Podobnì jako u invertujícího zesilovaèe je zesílení dáno pouze vnìjšími souèástkami. Nedochází k otoèení fáze a zisk je vždy vìtší, nebo roven 1. Vstupní odpor je velmi vysoký a je dán pouze vlastnostmi OZ (u bipolárních jednotky MW, u zesilovaèù s J-FETEM na vstupu ještì vìtší). Ve vìtšinì aplikací je vhodné, aby vstupní odpor mìl pøesnì definovanou hodnotu, proto se ke vstupu pøidává rezistor R3. Èasto je také zapotøebí oddìlit od sebe dva obvody pomocí obvodu s vysokou vstupní a nízkou výstupní impedancí. K tomu se používá sledovaè signálu ze ziskem 1 (obr. 1.6c).

1.3.4 Zapojení OZ s nesymetrickým napájecím napìtím OZ ke své èinnosti potøebují symetrické napájecí napìtí (+U, ^ ,–U) – viz obr. 1.6d, e. Takové napìtí není vždy k dispozici nebo je zbyteènì nákladné jej vytvoøit (pøístroje napájené z baterie). Proto je nutné napájet OZ také z nesymetrického zdroje (+ a – spojené se zemí). Taková zapojení potøebují vytvoøit polovinu napájecího napìtí pomocí odporového dìlièe a støídavì ji blokovat kondenzátorem proti zemi (umìlá nula). Toto zapojení je možné používat pouze pro zesilování støídavých napìtí. Na obou vstupech i na výstupu OZ musí být v klidovém stavu polovina napájecího napìtí. Ta musí být oddìlena kondenzátory od vstupu, výstupu, pøípadnì od zemì. Tyto kondenzátory zároveò omezují pøenos nízkých kmitoètù. Pøi návrhu zesilovaèe jejich kapacitu volíme tak, aby pro nejnižší pøenášený kmitoèet fm platilo:  IP = p5& kde R je pøíslušný rezistor tvoøící s kondenzátorem horní propust (oznaèeno èárkovanì). Rezistory R3 a R4 v obvodu umìlé nuly volíme 10–100 kW, kondenzátor 5–50 mF. Vzorce pro pøenos platí nad kmitoètem fm stejnì jako u symetrických zapojení. Obvod umìlé nuly mùžeme použít pro napájení vìtšího poètu OZ souèasnì. Nesymetrická zapojení OZ umožní zjednodušit napájecí zdroj a zároveò zajistí potlaèení nízkých subakustických frekvencí a bezproblémové stejnosmìrné oddìlení jednotlivých zesilovacích stupòù, pøípadnì reproduktorových soustav. Jejich použití je v nf technice výhodné. Jedinou nevýhodou je pøechodový jev pøi zapnutí a vypnutí.

1.3.5 Závislost výstupního napìtí na napájení Koncový stupeò každého OZ obsahuje 2 komplementární tranzistory, které se støídavì otvírají a zavírají v závislosti na zmìnách vstupního napìtí. Velikost výstupního napìtí se mùže pohybovat v rozmezí (–U + 2V; +U –2 V) a nikdy nemùže tyto meze pøesáhnout. Pøi pøebuzení OZ dochází k limitaci (zkreslení signálu). U správnì nastaveného zesilovaèe zaèíná limitace pøi pøebuzení u obou pùlvln souèasnì (na výstupu je v klidovém stavu 0, pøíp. polovina napájecího napìtí). Hodnota saturaèního napìtí je pøibližnì 2 V, mohou ale nastat drobné odchylky (obr. 1.7c). Pøíklad: Zesilovaè je napájen z ±12 V. Jaký mùže dávat maximální výkon do 4W zátìže? J. Vlèek: Moderní elektronika

11

Øešení:

U(špièka-špièka) = 24 – 4 = 20 V Uef = U(š-š)/(2 .Ö 2) = 7 V P = U2ef /R = 12 W

Vypoèítanou hodnotu je dále nutné snížit o ztráty vzniklé na transformátoru, usmìròovaèi, zvlnìní nap. napìtí, ztráty na konc. stupni. Výše uvedený výpoèet platí pro nesymetrické napájecí napìtí, pro zapojení s tranzistory i IO. Operaèní zesilovaè je možné napájet ±3 až ±18 V (+6 až +36 V nesym.). Èím vyšší je napájecí napìtí, tím vìtší je možný rozkmit výstupního napìtí, tím vìtší je odolnost proti pøebuzení. Mezních hodnot se ale nedoporuèuje pøíliš využívat, zvyšuje se tím poruchovost pøístroje. Optimální je proto napájení ±15 V (+30 V). Není pøitom nutné, aby napájecí napìtí OZ bylo symetrické. Pokud budeme napø. zpracovávat vstupní napìtí 0 až 20 V, mùžeme klidnì zvolit napájecí napìtí –5 a + 24 V. U vìtšiny OZ musí platit, že se napìtí invertujícího a neinvertujícího vstupu nesmí pøiblížit napájecímu napìtí (–U +2 V< Uvst < +U –2 V). Jinak OZ nemusí fungovat správnì. Existují ale OZ, které jsou vyrobeny technologií CMOS, pracují s velmi malým napájecím napìtím (+5 V i ménì) a u kterých mùže vstupní napìtí dosáhnout hodnot napájecího napìtí. U invertujícího a neinvertujícího zesilovaèe mùžeme zmìøit pøevodní charakteristiku U2 = f (U1), která je dána výhradnì zesílením, tedy hodnotami vnìjších pøipojených rezistorù (R1, R2, obr. 1.7a, b). V pøevodní charakteristice rozlišujeme aktivní oblast, kdy OZ zesiluje vstupní napìtí a kdy závislost U2 na U1 je èistì lineární a oblast saturace, kdy se výstupní napìtí blíží hodnotám napájecího napìtí (limitace signálu) a není závislé na vstupním napìtí. V obr. 1.7a, b je nakreslena pøevodní charakteristika pro dvì rùzné hodnoty zesílení OZ (tence pro menší zesílení). V této publikaci pro zjednodušení pøedpokládám hodnotu saturaèního napìtí (rozdíl výstupního a napájecího napìtí) 2 V. Jedná se o maximální hodnotu. Pøi kladné saturaci bývá tato hodnota èasto okolo 1 V, nìkteré OZ (CMOS technologie) dokáží na svém výstupu využít témìø celý rozsah napájecího napìtí. Pøevodní charakteristika nemusí pøesnì procházet poèátkem, viz napìová kompenzace. Pøi zesilování støídavého napìtí zpùsobuje pøebuzení limitaci signálu. Ta je nejmenší, je-li výstupní napìtí v klidovém stavu rovné Un/2 (v nesymetrickém zapojení) nebo je-li rovné nule (v symetrickém zapojení, viz na obr. 1.7e hodnoty v závorce). Jinak se limituje jedna pùlvlna døív než druhá a vlastnosti zesilovaèe (schopnost dávat maximální výkon ) nejsou dobøe využity. Napájecí proud vìtšiny OZ je okolo 1 až 2 mA (pro TL 071 1,6 mA). Maximální výstupní proud omezuje vnitøní proudová pojistka, která zabraòuje pøi zkratu na výstupu znièení souèástky.

Obr. 1.7 a), b) pøevodní charakteristika invertujícího a neinvertujícího OZ, c) limitace signálu, d)Nyquistovo kritérium stability, e) náhradní schém OZ pro nf

12

J. Vlèek: Moderní elektronika

Vyrábìjí se i OZ s menší spotøebou (TL 061 má 0,3 mA), jejichž maximální výstupní proud je ale trochu menší (5 až 10 mA). Existují i programovatelné OZ, které je možné vnìjším napìtím pøivedeným na zvláštní vývod obvod „vypnout“ a omezit jeho spotøebu na nìkolik mikroampér. Nejèastìji se používají 2 a 4násobné OZ se spoleèným napájecím napìtím, které jsou relativnì levnìjší (podstatnou èást nákladù pøi výrobì IO tvoøí pouzdro). Ušetøí nám místo na plošném spoji a zjednoduší jeho návrh.

1.3.6 Kmitoètová kompenzace Zesilovaè je stabilní, jestliže bod (1,0) leží vnì fázorové charakteristiky. (Nyquistovo kriterium stability). Zesilovaè se rozkmitá, jestliže bod (1,0) leží na rozhraní nebo uvnitø fázorové charakteristiky. To znamená, že signál pøivedený na vstup projde zesilovaèem a zpìtnovazebními obvody a vrátí se na vstup se stejnou amplitudou a fází (obr. 1.7d). Uvnitø OZ je 15–20 tranzistorù. Každý z nich má urèitou parazitní kapacitu, která vytváøí s dalšími souèástkami RC èlánky posouvající fázi. Vznikne-li v uzavøené zpìtnovazební smyèce fázový posun o 360°, pro urèitý kmitoèet a zároveò je pro tento kmitoèet zesílení vìtší nebo rovné 1, dojde k rozkmitání obvodu. Tento jev mùže nastat i pøi záporné zpìtné vazbì, která se pro nìkterý kmitoèet zmìnila na kladnou (obr. 1.7e). Proto je nutné umìle omezit mezní kmitoèet všech obvodù (pøedevším OZ), u kterých se používá záporná zpìtná vazba pøes nìkolik zesilovacích stupòù. Tomuto opatøení se øíká kmitoètová kompenzace, která mùže být vnìjší nebo vnitøní. U OZ s vnitøní kmitoètovou kompenzací je uvnitø OZ umístìn kondenzátor, omezující pøenos vyšších kmitoètù. Obvod musí být stabilní pøi jakékoliv zpìtné vazbì s dostateènou rezervou. Toto zapojení je sice jednodušší, ale nemusí vyhovovat všem uživatelùm. U operaèních zesilovaèù s vnìjší kmitoètovou kompenzací uživatel pøipojuje k OZ dle doporuèení výrobce kompenzaèní souèástky. Jejich hodnotu je možné optimálnì volit podle požadovaného zesílení. Pøípadné vynechání kompenzace zpùsobí rozkmitání na frekvenci 100 kHz až 10 MHz. Její zbyteèné pøedimenzovávání sníží kmitoètový rozsah, omezí rychlost pøebìhu OZ (ta se udává ve V/µs a udává maximální možnou zmìnu výst. napìtí za jednotku èasu). Bìžné OZ zpracovávají frekvence do 100 kHz, rychlost pøebìhu je øádovì 1 až 10 V/ms. Èím je zesílení menší, tím vìtší je náchylnost zesilovaèe k rozkmitání. Bez zpìtnovazebního odporu (komparátor) se OZ nerozkmitá. (Pokud nám „kmitᓠkomparátor, je to zpùsobeno rušivým napìtím na vstupu). V souèasnosti se již vìtšina OZ vyrábí s vnitøní kompenzací, uživatel se o tento problém nemusí starat. Výrobce vìtšinou zaruèuje, že zapojení OZ bude pøi jakéholiv zpìtné vazbì stabilní. Pozor, neplatí to pro kapacitní nebo indukèní zátìž na výstupu, tehdy se OZ snadno rozkmitají. Takovou zátìž doporuèuji od výstupu oddìlit odporem asi 100 W.

Obr. 1.8 a) pøíklad OZ s vnìjší kompenzací, b) zkreslení signálu zpùsobené malou rychlostí pøebìhu, c) kompenzace vstupního klidového proudu, d) kompenzace vstupní napìové nesymetrie J. Vlèek: Moderní elektronika

13

Pokud je napø. mezní kmitoèet OZ rovný 3 MHz (TL 071), mùžeme takový zesilovaè mez omezení používat zhruba do 20 až 50 kHz. Pøi vyšších kmitoètech záleží už na amplitudì signálu. Koneèná rychlost pøebìhu (slew rate) zpùsobuje hlavnì zkreslení pøi prùchodu signálu nulou, kdy je nejvìtší zmìna napìtí za jednotku èasu. Ze sinusového signálu se tak s rostoucí frekvencí a amplitudou stává pilovitý prùbìh. S dalším rùstem kmitoètu se jeho amplituda zaèíná zmenšovat, OZ nestaèí sledovat rychlé zmìny napìtí.

1.3.7 Napìová kompenzace Pøi používání OZ je nutné si uvìdomit, že skuteèný OZ má urèitou vstupní napìovou nesymetrii (jednotky mV), která udává jak velké napìtí musíme pøivést mezi vstupy OZ, aby na výstupu bylo nulové napìtí. Ta má teplotní drift (mV/°C). Do vstupu OZ teèe urèitý klidový proud (100 nA). Vliv tìchto proudù odstraníme, když k obìma vstupùm jsou pøipojeny odpory stejné velikosti. Vstupní napìová nesymetrie zesílená OZ zpùsobuje na jeho výstupu chybové strejnosmìrné napìtí. Pøi každé jeho aplikaci musíme uvážit, jestli toto napìtí nenaruší èinnost obvodu. U støídavých zesilovaèù (zesílení max. 100 na každý OZ), kde jednotlivé zesilovací stupnì jsou oddìleny kondenzátory je zpravidla zanedbatelné. V nìkterých pøípadech (napø. ss zesilovaèe malých napìtí) jej ale musíme kompenzovat. Pro napìovou kompenzaci májí nìkteré OZ zvláštní vývody, ke kterým dle doporuèení výrobce mùžeme pøipojit odporový trimr (viz. katalog). Tímto trimrem potom nastavíme na výstupu nulové napìtí. Není-li napìová kompenzace využita, musí její vývody zùstat nezapojeny. Pokud OZ nemá vývody pro napìovou kompenzaci (napø. vícenásobné OZ), mùžeme kompenzaèní napìtí (jednotky mV) pøivést mezi vstupy OZ z pomocného obvodu. Ten musí být navržen tak, aby nulové napìtí na výstupu bylo možné nastavit trimrem s potøebnou pøesností. Hodnoty na obr. 1.8d nejsou kritické, jsou pouze informativní.

1.3.8 Nízkofrekvenèní pøedzesilovaèe Pomocí OZ je možné realizovat pøedzesilovaè s požadovanou kmitoètovou charakteristikou. Ta se popisuje nejèastìji v logaritmických souøadnicích, zisk se udává v dB, jako referenèní kmitoèet se volí 1 kHz.

Obr. 1.9 a) Schéma a kmitoètová charakteristika nf pøedzesilovaèe b) Princip kmitoètového korektoru Pøenos každého zapojení, obsahující vìtší poèet kmitoètovì závislých souèástek, je vhodné poèítat zvl᚝ pro nízké, støední a vysoké kmitoèty. Nejprve je nutno vypoèítat mezní kmitoèty. V oblasti støedních kmitoètù mùžeme kondenzátor C2 zanedbat (jeho impedance je mnohem vìtší než R2) a kondenzátor C1 nahradit zkratem (jeho impedance je mnohem menší než R1). Pøenos je potom dán vztahem:

14

J. Vlèek: Moderní elektronika

$X = ORJ

5 5

Pro kmitoèty menší než fm1 se impedance kondenzátoru C1 pøièítá k R1 a zisk se zmenšuje se strmostí 6 dB/oktávu (20 dB/dek). Pro kmitoèty vìtší než fm2 se uplatní impedance C2, s rostoucím kmitoètem pøenos klesá se strmostí 6 dB/okt.

I P =

 p5&

IP =

 p5 & 

Pøíklad 1: Navrhnìte invertující nf pøedzesilovaè se ziskem 26 dB, RVST=10 kW pro f=20 Hz až 16 kHz (obr. 1.9). Øešení:

R1 = RVST = 10 kW

zesílení 26 dB = 20 dB + 6 dB = 10.2 = 20 (viz tab. 1)

5 =  5 R2=200 kW

& =

  =  —) @  —) & = =  S) @  S)  IP5  IP5

Pøíklad 2: Navrhnìte neinvertující pøedzesilovaè se ziskem 14 dB, RVST = 1 MW, který zesiluje frekvenci vyšší než 20 Hz, který pracuje do zatìžovací impedance 600 W. Øešení:

R3=1 MW (obr. 1.7e)

& =

  = =  Q)  I5   

& =

  = =  —) @  —)  I5]   

R1, R2 a C2 mùžeme zvolit libolnì, pouze musí platit:

$X =  G% = 

5 + 5

5 = 5

 =

  &5

Vypoètené kapacity zaokrouhlujeme nahoru na nejbližší vyrábìné hodnoty. Kdyby byl obvod napájen symetrickým napájecím napìtím a kondenzátory by byly elektrolytické, byly by problémy s jejich správným pólováním. Pøi návrhu obvodù z OZ je zpìtnovazební odpory èasto možné volit témìø libovolnì v rozsahu 1 kW–1 MW. Pøi použití menších odporù mùže dojít k proudovému pøetížení OZ, který má výstupní proud max. 15 mA, a tím ke zkreslení UVÝST. Pøi pøi užití odporù vìtších než 1 MW se uplatòuje již koneèný vstupní odpor OZ a parazitní kapacity spojù, skuteèné vlastnosti se mohou lišit od vypoètených. J. Vlèek: Moderní elektronika

15

Šum zesilovaèe se udává pomocí ekvivalentního vstupního šumového napìtí (equivalent input noise voltage), které je tím vìtší, èím vìtší je šíøka pøenášeného pásma. U vìtšiny OZ bývá v desítkách  nV/Hz. U nízkošumových zesilovaèù potøebujeme malé vstupní impedance (jednotky až desítky kiloohmù), aby se neuplatòoval šum rezistorù a indukce rušivých napìtí. Pøi urèitém vstupním odporu zesilovaèe nastává optimální šumové pøizpùsobení, kdy je šum nejmenší. (Toto šumové pøizpùsobení není pøesnì shodné s optimálním výkonovým pøizpùsobením, kdy výstupní odpor pøedcházejícího obvodu se rovná vstupnímu odporu následujícího obvodu). K dosažení nízkého šumu je zapotøebí malý proud vstupního diferenciálního zesilovaèe. Existují OZ, u kterých je možné pomocí rezistoru pøipojeného ke zvláštnímu vývodu OZ tento proud mìnit. Vyrobit OZ, který bude rychlý, pøesný a nízkošumový souèasnì není snadné. Proto se vyrábí velký poèet rùzných typù OZ. Vývoj jde v této oblasti stále kupøedu. Existují OZ s velmi malým napájecím napìtím (+3 V), velmi malým klidovým proudem (jednotky mikroampér), malým zkreslením (0,01 %), malým šumem (jednotky nV/Hz).

1.3.9 Aktivní kmitoètový korektor (ekvalizér) V nf technice se velmi èasto používají obvody pro úpravu kmitoètové charakteristiky (obr. 1.9b). U invertujícího zesilovaèe v tomto zapojení ve støední poloze potenciometru je zisk 1. V poloze min. 5 5 +3 $X = je zisk menší než 1, v poloze max. $ X =  je zisk vìtší než 1. 3 + 5 5 R3 a R4 volíme stejné, asi 10krát menší, než je hodnota potenciometru P. Je-li takových potenciometrù použito nìkolik (2–5) a v jejich obvodech jsou umístìny kmitoètovì závislé obvody, získáme ekvalizer. Vstup ekvalizéru musí být napájen ze zdroje s malým vstupním odporem (OZ1), všechny potenciometry musí být lineární. Pomocí OZ je možné realizovat i složitìjší filtry a korektory. Pomocí OZ je možné také vytvoøit umìlou indukènost a získat tak snadno rezonanèní obvod. Rovnìž vìtšina integrovaných výkonových zesilovaèù pracuje na principu OZ.

2

Regulaèní a automatizaèní technika

2.1

Užití OZ v automatizaèní technice

Èasto se OZ používají pøi pøevádìní neelektrických velièin na elektrické. Používá se zde velmi èasto mùstkových mìøících metod. Vstupy OZ jsou zapojeny v diagonále mùstku. Užití OZ pøi mìøení teploty (pøíp. jiných velièin): pøi rostoucí teplotì se zmenšuje odpor termistoru, zmenšuje se napìtí na invertujícím vstupu, zvìtšuje se napìtí na výstupu OZ. Rezistory R2 a R3 nastavují pøibližnì polovinu napájecího napìtí, potenciometrem P se nastavuje teplota, pøi které zapojení pracuje, R4 urèuje citlivost (zesílení). Jeho vynecháním se zesilovaè zmìní v komparátor.

16

J. Vlèek: Moderní elektronika