No title

PODROBNÝ OBSAH 1

PØENOSOVÉ VLASTNOSTI PASIVNÍCH LINEÁRNÍCH KOMPLEXNÍCH JEDNOBRANÙ A DVOJBRANÙ ..... 9

1.1

Úvod ............................................................................................................. 10

1.2

Èasové charakteristiky obvodu – pøechodné dìje .................................. 10

1.3

Pøechodné charakteristiky obvodù prvního øádu .................................... 12

1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.2.3 1.3.3 1.3.3.1 1.3.3.2 1.3.3.3 1.4

Pøechodný dìj v obvodu s kondenzátorem .............................................. 12 Nabíjení kondenzátoru .................................................................................. 12 Vybíjení kondenzátoru .................................................................................. 16 Pøechodný dìj v obvodu s cívkou ............................................................. 18 Nabíjení cívky ............................................................................................... 18 Vybíjení cívky ................................................................................................ 21 Porovnání pøechodných jevù v obvodech s cívkou a s kondenzátorem ....... 23 RC a RL èlánky v impulzních obvodech ................................................... 24 RC a RL èlánek v obvodu s jedním impulzem .............................................. 24 RC a RL èlánek v prostøedí s øadou impulzù ................................................. 27 Vstupní impulzy jsou symetrické vùèi zemi ................................................... 32 Pasivní lineární obvodové prvky v prostøedí harmonického signálu .... 35

1.4.1

Struèné zopakovaní závìrù o ideálních prvcích v prostøedí harmonického signálu .............................................. 35

1.4.2

Vázané cívky v prostøedí harmonického signálu ..................................... 38

1.4.3

Impedance, admitance, vodivost (konduktance), susceptance ............. 39

1.5

Základní pasivní RC a RL obvody v prostøedí harmonického signálu .. 40

1.5.1 1.5.1.1 1.5.1.2 1.5.1.3 1.5.1.4 1.5.1.5 1.5.2 1.5.2.1 1.5.2.2 1.5.2.3 1.5.2.4 1.5.2.5 1.6

Kmitoètová charakteristika (frequency response) .................................. 40 Napìový pøenos signálu dvojbranem .......................................................... 41 Integraèní RC èlánek v prostøedí harmonického signálu .............................. 43 Derivaèní RC èlánek v prostøedí harmonického signálu ............................... 54 Integraèní LR èlánek v prostøedí harmonického signálu ............................... 58 Derivaèní RL èlánek v prostøedí harmonického signálu ................................ 59 Zatížený RL a RC èlánek ............................................................................. 59 Integraèní èlánek RC zatížený rezistorem RZ .............................................. 59 Integraèní RC èlánek zatížený kondenzátorem CZ ...................................... 64 Derivaèní RC èlánek zatížený kondenzátorem ............................................. 65 Derivaèní RC èlánek zatížený rezistorem RZ ............................................... 68 Zatížený LR èlánek ....................................................................................... 68 Pøenosové funkce složených RC a RL dvojbranù ................................... 73

1.6.1

Napìové pøenosové funkce složených elektronických obvodù ........... 73

1.6.2 1.6.2.1 1.6.2.2 1.6.2.3

Pøenosové funkce složených RC a RL obvodù ........................................ 75 Složené integraèní RC èlánky s oddìlovacím èlenem .................................. 75 Složené integraèní RC èlánky bez oddìlovacího èlenu ................................ 78 Složené derivaèní èlánky .............................................................................. 80

4

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 4. DÍL

A

1.6.2.4 1.6.2.5 1.7

Spojení derivaèního a integraèního èlánku ................................................... 81 Složené integraèní a derivaèní RL èlánky ..................................................... 85 Jednoduché RLC èlánky ............................................................................ 88

1.7.1

Pøechodný dìj v RLC obvodu .................................................................... 88

1.7.2 1.7.2.1 1.7.2.2 1.7.2.3 1.7.3

Sériový RLC obvod v prostøedí harmonického signálu .......................... 92 Impedance sériového obvodu RLC ............................................................... 93 Proudový pøenos šíøka pásma a èinitel jakosti Q .......................................... 97 Sériový RLC obvod jako dvojbran ................................................................. 99 Paralelní RLC obvod v prostøedí harmonického signálu ...................... 103

1.7.4

Napájení rezonanèních obvodù ............................................................... 107

2

PASIVNÍ KMITOÈTOVÉ FILTRY 1. A 2. ØÁDU .... 109

2.1

Selektivní filtry .......................................................................................... 110

2.2

Pasivní filtry 1. øádu .................................................................................. 111

2.3

Pasivní filtry druhého øádu ...................................................................... 113

2.3.1 2.3.1.1 2.3.1.2 2.3.2

Filtry RC 2. øádu ........................................................................................ 113 Dolní, horní a pásmové propusti RC ........................................................... 113 Pásmové zádrže RC ................................................................................... 120 Filtry RLC 2. øádu ...................................................................................... 123

2.4

konstrukce modulové charakteristiky z obvodové funkce ......................................................... 125

3

ANALÝZA ÈASOVÌ PROMÌNNÝCH SIGNÁLÙ .... 129

3.1

Èasová závislost periodických signálù .................................................. 131

3.2

Kmitoètová závislost signálù – spektrální analýza ................................ 132

3.2.1

Harmonické signály .................................................................................. 132

3.2.2

Spektrální analýza periodického signálu ................................................ 133

3.3

Urèení harmonických složek periodického signálu .............................. 134

3.3.1

Fourierovy øady ......................................................................................... 134

3.3.2

Diskrétní Fourierova transformace a rychlá Fourierova transformace 138

4

ZESILOVAÈE ....................................................... 141

4.1

Úvod ........................................................................................................... 142

4.1.1

Definice zesilovaèe ................................................................................... 142

4.1.2

Hlavní typy zesilovaèù .............................................................................. 143

4.1.3

Dùležité obecné parametry zesilovaèù ................................................... 145

4.1.4

Vícestupòové zesilovaèe .......................................................................... 151

4.2

Zpìtná vazba ............................................................................................. 153

4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.1.3 4.2.2

Princip a základní druhy zpìtné vazby ................................................... 153 Kladná a záporná zpìtná vazba ................................................................. 155 Vliv zpìtné vazby na pøenosové vlastnosti zesilovaèù ............................... 159 Základní druhy zpìtné vazby vzhledem k zapojení .................................... 161 Stabilita zesilovaèe se zpìtnou vazbou .................................................. 166

A

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 4. DÍL

5

4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.3

Zjištìní stability pomocí Bodeho charakteristik ........................................... 166 Nyquistovo kritérium stability ...................................................................... 168 Parazitní zpìtná vazba .............................................................................. 170

4.3

Zesilovaèe s bipolárními tranzistory ....................................................... 173

4.3.1

Teplotní, kmitoètové a šumové vlastnosti bipolárních tranzistorù ...... 173

4.3.2

Nastavení pracovního bodu tranzistoru ................................................. 178

4.3.3 4.3.3.1 4.3.3.2 4.3.4

4.3.5

Teplotní stabilizace nastavení pracovního bodu ................................... 182 Stabilizace pracovního bodu zavedením záporné zpìtné vazby ................ 182 Kompenzaèní metody stabilizace pracovního bodu tranzistoru .................. 188 Napìové nízkofrekvenèní jednostupòové zesilovaèe v zapojení se spoleèným emitorem ......................................................... 190 Oblast dolních kmitoètù ............................................................................... 192 Oblast støedních kmitoètù ........................................................................... 195 Oblast horních kmitoètù .............................................................................. 197 Orientaèní návrh tranzistorového zesilovaèe v zapojení se spoleèným emitorem ............................................................. 198 Zapojení nízkofrekvenèního zesilovaèe se spoleèným kolektorem ..... 201

4.3.6 4.3.6.1 4.3.6.2 4.4

Vícestupòové tranzistorové zesilovaèe .................................................. 203 Støídavé vazby ............................................................................................ 203 Stejnosmìrné vazby ................................................................................... 206 Zesilovaèe s unipolárními tranzistory ..................................................... 209

4.3.4.1 4.3.4.2 4.3.4.3 4.3.4.4

4.4.1

Nastavení pracovního bodu unipolárních tranzistorù ........................... 212

4.4.2

Zapojení se spoleèným emitorem ........................................................... 213

4.5

Diferenèní (rozdílové) zesilovací stupnì ................................................ 219

4.5.1

Zesílení rozdílového signálu .................................................................... 222

4.5.2

Zesílení souhlasného signálu .................................................................. 225

4.5.3 4.5.3.1 4.5.3.2 4.5.3.3 4.5.3.4 4.5.4

Dùležité parametry diferenèních zesilovaèù .......................................... 226 Èinitel potlaèení souhlasného signálu (Common Mode Rejection Ratio-CMRR) .................................................... 226 Vstupní napìová a proudová nesymetrie .................................................. 226 Vstupní a výstupní odpor ............................................................................ 227 Teplotní závislosti diferenèního zesilovaèe ................................................. 228 Diferenèní zesilovaè a velký signál ......................................................... 229

4.5.5

Zdroje konstantního proudu .................................................................... 230

4.5.6

Použití proudových zrcadel v diferenèních zesilovaèích ...................... 233

4.5.7

Pøíklad orientaèního výpoètu diferenèního zesilovaèe ......................... 235

4.6

Koncové a výkonové zesilovací stupnì ................................................. 238

4.6.1 4.6.1.1 4.6.1.2 4.6.1.3 4.6.2 4.6.2.1 4.6.2.2 4.6.2.3

Tøídy zesilovaèù ........................................................................................ 238 Analogové tøídy zesilovaèù ......................................................................... 238 Realizace analogových koncových výkonových zesilovaèù ....................... 245 Pøíklad orientaèního návrhu dvojèinného zapojení ..................................... 252 Tøídy spínaných zesilovaèù ..................................................................... 253 Zesilovaèe tøídy D a I .................................................................................. 254 Zesilovaè tøídy T .......................................................................................... 257 Zesilovaèe tøídy E, F ................................................................................... 257

6

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 4. DÍL

A

4.6.3

Porovnání vlastností jednotlivých tøíd zesilovaèù ................................. 258

4.6.4

Chlazení tranzistorù výkonových stupòù ............................................... 259

4.7

Širokopásmové (obrazové) zesilovaèe ................................................... 261

4.7.1 4.7.1.1 4.7.1.2 4.7.2

Hlavní zpùsoby provádìní korekcí .......................................................... 261 Korekce v oblasti dolních kmitoètù .............................................................. 261 Korekce v oblasti vysokých kmitoètù .......................................................... 262 Zesilování impulzních signálù ................................................................. 263

4.8

Vysokofrekvenèní zesilovaèe .................................................................. 264

4.8.1

Úvod ........................................................................................................... 264

4.8.2

Širokopásmové vysokofrekvenèní zesilovaèe ....................................... 265

4.8.3

Vysokofrekvenèní zesilovaèe se selektivní zátìží ................................. 266

4.9

Závìr .......................................................................................................... 273

DODATKY ...................................................................... 275 DODATEK A ............................................................................................................... 276 DODATEK B ............................................................................................................... 279

KNIHY NAKLADATELSTVÍ BEN – TECHNICKÁ LITERATURA ............................................ 282 KONTAKTY NA PRODEJNY TECHNICKÉ LITERATURY 286

A

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 4. DÍL

7

O KNIZE Vývoj aplikací elektronických systémù je založen na širokém využití integrovaných obvodù a jejich stále se rozšiøujících funkèních schopností. Aèkoliv pro nerùznìjší aplikace elektroniky bìžnì používáme monolitické èi hybridní integrované obvody jako elektronické funkèní bloky a integrované zesilovaèe jsou dnes stejnì dostupnými souèástkami jako tranzistory (nìkdy i za podobnou cenu), mìli bychom pøed jejich použitím pochopit princip èinnosti základních elektronických obvodù, které tvoøí základ vnitøní obvodové struktury tìchto funkèních blokù. Proto je tento díl uèebnice zamìøen na výklad chování jednoduchých elektrických RC, RL a RLC obvodù v prostøedí impulzních a harmonických signálù. Jsou zde popsány pøechodné dìje a pøenosové vlastnosti základních dvojbranù v kmitoètové oblasti. Velká èást textu je vìnována použití tranzistorù ve funkci zesilovacích stupòù. Vhodným složením rùzných typù zesilovacích stupòù potom dojdeme k principu operaèních zesilovaèù, integrovaných výkonových, vysokofrekvenèních a širokopásmových zesilovaèù. Pochopení této èásti usnadní pochopení vlastností a aplikaèních schopností integrovaných funkèních blokù, mezi které, kromì již zmínìných operaèních a dalších typù zesilovaèù, mùžeme zaøadit analogovì èíslicové obvody až po analogovì-èíslicové programovatelné integrované funkèní bloky používané napø. pro moderní formy pøenosu a zpracování informací. Tøebaže vedlo používání integrovaných obvodù ke zlepšování technických parametrù, ke zvyšování spolehlivosti, zmenšování rozmìrù, snižování energetické spotøeby a ceny elektronických zaøízení, pøesto se nìkdy neobejdeme bez použití diskrétních souèástek. Jako pøíklad je možné uvést tøídu zesilovaèù oznaèovaných jako High-End, u kterých je možné dosáhnout nejvyšších kvalitativních parametrù pouze zapojeními s diskrétními souèástkami. Probíraná látka pøedpokládá znalost matematiky na úrovni støední školy, ètenáø by mìl být seznámen s vlastnostmi základních obvodových prvkù, bipolárních a unipolárních tranzistorù na úrovni 1. a 2. dílu této uèebnice.

8

J. DOLEÈEK: MODERNÍ UÈEBNICE ELEKTRONIKY – 4. DÍL

A