Číslo projektu
CZ.1.07/1.5.00/34.0581
Číslo materiálu
VY_32_INOVACE_ENI_2.MA_04_Zesilovače a Oscilátory
Název školy
Střední odborná škola a Střední odborné učiliště, Dubno
Autor
Ing. Miroslav Krýdl
Tematická oblast
ELEKTRONIKA
Ročník
druhý
Datum tvorby
16.6.2012
Anotace
Tematický celek je zaměřen na problematiku základů elektroniky. Prezentace je určena žákům 2.ročníku, slouží jako doplněk učiva.
Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora
Rozdělení, vlastnosti a parametry zesilovače
ZESILOVAČ Zesilovač je zařízení, které zesiluje vstupní signál. Má vstup a výstup, tzn. je to čtyřpól na jehož vstupní svorky přivádíme signál, který chceme zesílit. Základní rozdělení zesilovačů mechanické (jednoduché stroje, převody, atd.) elektromechanické (relé, stykač) elektronické ( s elektronkami či tranzistory )
Zesilovač Výstup
Vstup
2
1 Vstup 1´
Zesilovač
Výstup 2´
ZESILOVAČ Zesilovač je elektronické zařízení, které zesiluje elektrický signál. Má vstup a výstup, tzn. je to čtyřpól na jehož vstupní svorky se přivádí signál, který se zesiluje (obr. 7.1). Zesilovač není zdroj energie, ale ke své práci potřebuje zdroj, který doplňuje vstupní energii na výstupní. Druhou část napájecí energie zesilovač mění ve ztrátové teplo. Úkolem zesilovače je zesilovat vstupní elektrický signál. Vstupní i zesílený výstupní signál mají určitou velikost napětí a mohou do obvodu dodávat určitý proud. Protože součin velikosti proudu a napětí tvoří elektrický výkon, můžeme u elektrického signálu určit i výkon odevzdávaný do zátěže.
PARAMETRY ZESILOVAČE Základními parametry (vlastnostmi) zesilovače jsou: - zesílení, - nelineární zkreslení, - stabilita - odolnost proti rozkmitání, - šířka pásma - kmitočtový rozsah, který je zesilovač schopen zesílit.
ZESÍLENÍ A ZISK ZESILOVAČE Výstup
Vstup
Zesilovač Zesílení zesilovače definujeme jako poměr výstupního signálu ku vstupnímu. Pro zesilovač sledujeme: - napěťové zesílení AU - proudové zesílení AI - výkonové zesílení AP Zesílení zesilovače je bezrozměrná jednotka a udává kolikrát se změní příslušný parametr (napětí, proud, výkon). Zisk zesilovače je vyjádření jednotlivých zesílení v decibelech. Pro zesilovač sledujeme : - napěťový zisk aU - proudový zisk aI - výkonový zisk aP
NAPĚŤOVÉ ZESÍLENÍ A NAPĚŤOVÝ ZISK ZESILOVAČE 2
1
U1
Zesilovač
U2 2´
1´
Napěťové zesílení:
U2 AU [ ] U1
Napěťový zisk:
aU 20 log A U dB U2 dB aU 20 log U1
PROUDOVÉ ZESÍLENÍ A PROUDOVÝ ZISK ZESILOVAČE 2 Proudový zisk: Proudové zesílení:
1
I1
Zesilovač
I2 2´
1´
U2 AU [ ] U1
aI 20 log A I dB I2 aI 20 log dB I1
VÝKONOVÉ ZESÍLENÍ A VÝKONOVÝ ZISK ZESILOVAČE 2
1
P1 1´
Zesilovač
P2 2´
Výkonové zesílení:
Výkonový zisk:
a 10 log A dB
P P P2 U2 I2 AP [ ] U2 I2 a 10 log dB P1 U1 I1 P U I 1
1
Rozdělení zesilovačů podle třídy nastavení pracovního bodu
Třída A
Třída B
Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál se zkreslením
Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál se zkreslením
- kladná zesílená půlvlna má maximální hodnotu - záporná zesílená půlvlna má maximální hodnotu
- kladná zesílená půlvlna má maximální hodnotu
U1
- záporná zesílená půlvlna je maximálně zkreslená => má nulovou amplitudu U1
t
U2
t
U2
t
t
Třída AB
Třída C
Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál bez zkreslení
Zesilovač zesiluje vstupní střídavý signál se zkreslením
- kladná zesílená půlvlna má maximální hodnotu
- kladná zesílená půlvlna je zkreslená => má nižší než maximální hodnotu
- záporná zesílená půlvlna je zkreslená => má menší než maximální amplitudu
- záporná zesílená půlvlna je maximálně zkreslená => má nulovou amplitudu
U1
U1
t
t U2
U2
t
t
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě A
IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14
PA´
PA´
12
60 mA 50 mA
10
PA
PA
8
PA´ ´
40 mA 30 mA
PA´ ´
6
20 mA
4
10 mA
2
IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
UCC 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
UCE [V]
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě AB
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě AB IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14 60 mA
12
50 mA
10
40 mA
8
PAB´
PAB´
6
20 mA
4 PAB 2
PAB
PAB´´
IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
30 mA
1
10 mA ´´ UCC PAB
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
UCE [V]
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě B
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě B IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14
60 mA
12
50 mA
10
40 mA
8
PB´
6
30 mA
PB´
20 mA
4 2
IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
10 mA
PB 1
UCC 2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
PB
UCE [V]
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě C
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě C IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14 60 mA
12
50 mA
10
40 mA
8
30 mA
6
PC´ 4 2 IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
20 mA
PC´
10 mA
UCC 1
PC
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
PC UCE [V]
Nízkofrekvenční zesilovač
Zesiluje kmitočty akustického rozsahu, tj. 16 Hz až 20 kHz. Používá se zesilovač třídy „A“.
Vstup zesilovače tvoří svorky 1-1', na nějž je přivedeno napětí ze střídavého zdroje. Výstup 2-2' je připojen na zátěž RZ. Zdroj a vnější zátěž jsou od zesilovače stejnosměrně odděleny vazebními kondenzátory CV1 a CV2. Klidový pracovní bod P, zvolený ve třídě A, je ve výstupních charakteristikách nastaven stejnosměrným kolektorovým proudem Ic, kolektorovým napětím UCE a proudem báze lB. Požadované hodnoty napětí a proudů se nastaví ve vstupním obvodu rezistorem RB, ve výstupním obvodu rezistory RC a RE. Obvody zesilovače prochází stejnosměrný proud a naměříme zde pouze stejnosměrná napětí. Jedná se o stejnosměrné nastavení pracovního bodu a se obvod nachází ve statickém stavu. Kondenzátor CE zajišťuje, že se emitorový rezistor RE pro střídavou složku emitorového proudu takřka neuplatní.
Zatěžovací přímka určuje proudové a napěťové poměry kolektorového obvodu. Pro ten můžeme podle II. Kirchhoffova zákona napsat rovnici UN = Rclc + UCE + REIE Jelikož platí IC - IE, můžeme výraz zjednodušit na UN = Ic(Rc + RE) + UCE Přímka je určena dvěma body, které určíme jako průsečíky s osami UCE a IC. bod A mezní stav-tranzistor uzavřen → IC = 0 Po dosazení do výrazu (1 ) dostaneme UCE = UN, čili souřadnici průsečíku přímky s osou UCE. bod B mezní stav-tranzistor zkratován → UCE = 0 Po dosazení do výrazu (1 ) dostaneme Icmax = UN/ RC+RE , čili souřadnici průsečíku s osou IC.
Spojením bodů A a B obdržíme zatěžovací přímku, která určuje veškeré možné poměry na tranzistoru. Přímka protíná zvolenou VA charakteristiku tranzistoru v pracovním bodě P, který určuje klidový proud báze. Ten se nastaví při napájecím napětí UN pomocí rezistoru RB.
Vytvoření zatěžovací přímky a převodní charakteristiky IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14 60 mA
12
50 mA
10
40 mA
8
30 mA
6
20 mA
4
10 mA
2
IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
UCC 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
UCE [V]
Nastavení pracovního bodu ve tříděA – statický stav IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14
60 mA
12
50 mA
10
PA
PA
8
40 mA 30 mA
6
20 mA
4
10 mA
2
IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
UCC 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
UCE [V]
Nastavení pracovního bodu ve tříděA – dynamický stav IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14
PA´
PA´
12
60 mA 50 mA
10
PA
PA
8
PA´ ´
40 mA 30 mA
PA´ ´
6
20 mA
4
10 mA
2
IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
UCC 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
UCE [V]
Výkonové zesilovače
Úlohou výkonových (koncových) zesilovačů je zesílit signál z předzesilovače či zesilovače na požadovaný výkon do zátěže. Zátěž je většinou tvořena reproduktorovou soustavou.
1
2
U1
PZ
Z
KZ
U2
RZ
Třístupňový zesilovač
RZ
Dvoustupňový zesilovač
2´
1´ 1 U1
2
Z
KZ
U2 2´
1´
Výpočet výstupního napětí zesilovače pro dodání potřebného výkonu do zátěže. 2
U U P U2 IZ U2 2 2 RZ RZ
U2
P RZ
Druhy koncových zesilovačů
- Jednočinné koncové tranzistorové zesilovače - Dvojčinné koncové tranzistorové zesilovače
Pracovní třídy koncových zesilovačů - Jednočinné koncové tranzistorové zesilovače pracují výhradně ve třídě A
- Dvojčinné tranzistorové zesilovače Pro zesilování výkonu se používá dvojčinné zapojení, tj. zesiluje se zvlášť kladná půlvlna signálu a zvlášť záporná. Pracují ve třídě A, B nebo AB.
Jednočinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě A
Obr. 7.16
IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
P1
70 mA
P1
14
60 mA
12
50 mA
10
PA
40 mA
PA
8
30 mA
6
20 mA
4
P2 IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
10 mA
2
UCC
P2 1
2
3
4
5
6
7
8
Největší výstupní výkon se dosáhne, volíme-li pracovní klidový bod tranzistoru v bodě PA.
9 10 11 12
UCP
UCE [V]
1 UC MAX 2
Rozkmity výstupního napětí a proudu pro největší vstupní signál, který je zesilovač schopen bez omezení zpracovat odpovídají krajním polohám P1 a P2 pracovního bodu.
ΔP2 ΔU2 ΔI2 ΔUCE ΔIC
8,5 11103 93,5 10 3 93,5mW
Dvojčinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě A
Nastavení pracovního bodu tranzistorů T1 a T2 : Ze zdroje +UN teče proud I přes odpor RB do středu sekundárního vinutí transformátoru Tr1. Zde se rozdělí na proud IB, který teče tranzistorem T1 a na proud IB, který teče tranzistorem T2. Tyto proudy jsou stejně velké, ale opačné velikosti. Tím se nastaví pracovní body ve třídě A tranzistorů T1 a T2. Zesilování střídavého signálu: Střídavý signál se transformuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr1. Při kladné půlvlně je kladnější signál na bázi tranzistoru T1 a zápornější na bázi tranzistoru T2. Tranzistor T1 je oproti klidovému pracovnímu bodu více otevřen a teče jím větší kolektorový proud IC1, tranzistor T2 je oproti klidovému pracovnímu bodu více zavřen a teče jím menší kolektorový proud IC2,. Kolektorové proudy IC1 a IC2 tečou do primárního děleného vinutí transformátoru Tr2, kde se rozdíl těchto proudů indukuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr2 a tento proud teče přes zátěž (reproduktor). Při záporné půlvlně je činnost opačná.
+
I C1 I B1 I B2
-
I C2
IC [mA]
TranzistorVýstupní T1 více charakteristika otevřen
Převodní charakteristika 18
Tranzistor T2 více zavřen 80 mA
IC max
16
P1
70 mA
P1
14
60 mA
12
Tranzistor T1 více 50 zavřen mA
10
PA
PA
8
Tranzistor T2 více otevřen 40 mA
30 mA
6
20 mA
4
P2 IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
10 mA
2
P2 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
UCC UCE [V]
Dvojčinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě B Nastavení pracovního bodu tranzistorů T1 a T2 : Ze zdroje +UN teče proud I přes odpor RB do středu sekundárního vinutí transformátoru Tr1. Zde se rozdělí na proud IB, který teče tranzistorem T1 a na proud IB, který teče tranzistorem T2. Pro třídu B platí, že proudy IB = 0, tím je nastaví pracovní body ve třídě B tranzistorů T1 a T2. Zesilování střídavého signálu: Střídavý signál se transformuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr1. Při kladné půlvlně je kladnější signál na bázi tranzistoru T1 a zápornější na bázi tranzistoru T2. Tranzistor T1 je oproti klidovému pracovnímu bodu otevřen a teče jím kolektorový proud IC1, tranzistor T2 je oproti klidovému pracovnímu bodu zavřen a neteče jím menší kolektorový proud IC2,. Kolektorové proud IC1 teče do primárního děleného vinutí transformátoru Tr2, kde se indukuje do sekundárního vinutí transformátoru Tr2 a tento proud teče přes zátěž (reproduktor). Při záporné půlvlně je činnost opačná.
+
I C1 I B1 I B2
-
I C2= 0
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě B IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14
PB´
PB´
12
60 mA 50 mA
10
40 mA
8
30 mA
6
20 mA
4
10 mA
2
UCC
PB IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
ΔP2 ΔU2 ΔI2 ΔUCE ΔIC 8,5 11,5 103 97,75 103 97,75mW (platí pro 1 půlvlnuzesilovaného signálu) Pro úplný zesilovanýsignál platí : P ΔP2 2 97,75 103 2 195,5 103 195,5mW
PB
UCE [V]
Dvojčinný koncový tranzistorový zesilovač ve třídě AB
Jedná se kombinaci předchozích dvou variant ( třída A a třída B ). Proudy báze jednotlivých tranzistorů nejsou nulové , ale jsou sníženy na minimální hodnotu ( v pracovním bodě je např. 10 mA ). Tím se posune poloha pracovního bodu na zatěžovací přímce a toto zapojení vykazuje určité zkreslení zesilovaného signálu.
Nastavení pracovního bodu zesilovače ve třídě AB IC [mA] Převodní charakteristika
Výstupní charakteristika 18
80 mA
IC max
16
70 mA
14
PAB´
PAB´
12
60 mA 50 mA
10
40 mA
8
30 mA
6
20 mA
4 PAB 2
IB [mA]
80 70
60
50
40
30
20 10
PAB
10 mA
UCC 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
UCE [V]
Dvojčinný výkonový zesilovač ve třídě B s komplementární tranzistory
Komplementární (doplňkové) tranzistory jsou tranzistory, které mají opačnou vodivost. Jeden tranzistor je typu PNP a druhý je typu NPN (platí pro bipolární tranzistory) Pro unipolární tranzistory platí, že jeden tranzistor je s kanálem P a druhý s kanálem N. Tuto vlastnost lze využít u koncových zesilovačů, pracující v dvojčinném zapojení. Jedná se o soufázové buzení a zapojení se pak chová jako dvojčinný zesilovač.
Předpokládejme dvě zcela shodná zapojení s tranzistory PNP a NPN. V kolektorech obou obvodů jsou tranzistory RC, předpětí báze je nulové, takže kolektorovými obvody procházejí pouze malé zbytkové proudy. Přivedeme-li na vstup každého tranzistoru střídavé sinusové napětí, které v okamžiku t1 vzrůstá od nulové hodnoty do kladných hodnot, v čase t2 je opět nulové a klesá do záporných hodnot, v čase t3 je nulové a opět vzrůstá. Kladná půlperioda vstupního signálu v obvodu s tranzistorem PNP nevyvolá téměř žádnou změnu kolektorového proudu. Tranzistor byl v klidovém stavu uzavřen a kladné napětí jej ještě více uzavře, takže výstupní kolektorové napětí se nezmění, a proto bude na kolektorovém výstupu tranzistoru plné napětí zdroje UCC = -10 V.
Při záporné půlperiodě vstupního střídavého signálu na bázi se tranzistor typu PNP otevře a v závislosti na velikosti amplitudy střídavého signálu na vstupu, může toto kolektorové napětí vzrůst z napětí -10 V na téměř nulovou hodnotu. Při kladné půlvlně je tranzistor PNP opět uzavřen atd. U tranzistoru NPN je tomu naopak. Je otevírán kladným napětím na vstupu.
Záporná půlvlna na vstupu neovlivní poměry na výstupu. V podstatě tedy kladná půlvlna vstupního napětí otevírá tranzistor NPN a neovlivňuje tranzistor PNP a naopak záporná půlvlna otevírá tranzistor PNP a nemá vliv na tranzistor NPN.
Dvojčinný výkonový zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory (SE) a 2 napájecími zdroji Oba tranzistory jsou bez budícího signálu uzavřeny a chovají se téměř jako rozpojený obvod. Rezistor RC v kolektorovém obvodu se uplatňuje pouze v jedné půlperidě, a to ještě u každého rezistoru v jiné. Oba obvody lze spojit v jeden a rezistor RC = RZ považovat za společný pro oba tranzistory. Též vstupy obou dílčích obvodů můžeme spojit => zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory a se dvěma napájecími zdroji.
Nevýhoda : - tranzistory PNP a NPN musí mít stejné parametry - oba zdroje musí shodné vlastnosti
Obr. 58.1
Dvojčinný výkonový zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory (SE)a 1 napájecím zdrojem Pro odstranění nevýhody použití dvou napájecích zdrojů se používá zapojení s jedním napájecím zdrojem u tohoto zesilovače. Rezistor RZ nemusí být průchozí pro stejnosměrný proud a v sérii s ním může být zařazen kondenzátor s dostatečně velkou kapacitou. V okamžiku, kdy je tranzistor NPN zavřen dojde k nabití kondenzátoru, v okamžiku, kdy je tranzistor NPN otevřen, kondenzátor slouží jako zdroj a přes otevřený tranzistor se vybíjí a vybíjecí proud teče opačným směrem než byl proud nabíjecí. Tím tento kondenzátor pracuje jako druhý zdroj.
Nevýhoda :
- tranzistory PNP a NPN musí mít stejné parametry
Dvojčinný výkonový zesilovač třídy B s komplementárními tranzistory s jedním napájecím zdrojem v zapojení SC Jelikož je obtížné vybrat dvojici komplementárních tranzistorů se zcela symetrickými vlastnostmi, je výhodné používat zapojení se společným kolektorem.
Toto zapojení s napěťovou zápornou zpětnou vazbou neklade tak velké nároky na symetrii použitých tranzistorů, proto se v mnohých případech emitorovému sledovači dává přednost.
OSCILÁTORY
OSCILÁTOR Oscilátor je zdroj střídavého napětí, jehož kmitočet je určen vnitřními součástkami. Nezpracovává žádný signál, ale je sám zdrojem signálu. Na rozdíl od zesilovače je oscilátor dvojpól. Skládá se z: - řídícího obvodu (určuje kmitočet střídavého signálu oscilátoru) - aktivního obvodu oscilátoru (nahrazuje ztráty, které vzniknou v obvodu a dodává energii)
Řídící obvod
Aktivní obvod
Princip vzniku harmonických kmitů Harmonické kmity vzniknou při použití paralelního rezonanční obvodu LC. Impedance laděného obvodu je veličina kmitočtově závislá, která ve stavu rezonance nabývá maxima a má čistě reálný charakter. Činitel jakosti tohoto obvodu určuje šířku pásma. Rezonanční kmitočet fR lze spočítat dle Thomsonova vzorce fR nabíjení kondenzátoru C
+U
+ =
t
-U T
netlumené harmonické kmity (průběh bez ztrát) tlumené harmonické kmity (skutečný průběh se ztrátami)
Kladná zpětná vazba Zpětnovazební signál se sčítá se vstupním signálem.
AU
β
u2 ; zesílenízesilovačebez zpětné vazby u1
uZ zpětnovazební přenos u2
u1 u 0 u Z u 0 u1 u Z
uZ β u2
A U ´
u2 u0
u2 u1 u Z
u2 u 1 βu 2
u2 u2 u1 u1 u 1 βu 2 u1 u β 2 u1 u1 u1
AU 1 βA U
Vliv kladné zpětné vazby na zesilovač b
Zpětnovazební signál se sčítá se vstupním signálem, což se projeví tím, že po zesílení zesilovačem je výstupní napětí U2 větší.
Zesilovač - AU
Tím se zvětší zpětnovazební signál a po součtu obou signálů, opět dojde k navýšení napětí na výstupu zesilovače.
UZ SČ U0
U2
AU A U´ 1 βA U
Výsledkem je neustálé zvyšování zesílení, toto zesílení dosáhne nekonečně velké hodnoty, jeli ( 1 – bAU ) = O.
Člen ve jmenovateli ( 1 – bAU ) se nazývá stupeň vazby a označuje symbolem N. Zesílení takto zapojeného zesilovače roste nade všechny meze a ze zesilovače se vlivem kladné zpětné vazby stává oscilátor. Nárůst amplitudy je omezen zakřivením charakteristiky tranzistoru. Pro trvalé kmitání oscilátoru musí byt splněna amplitudová a fázová podmínka:
AMPLITUDOVÁ PODMÍNKA OSCILACÍ b UZ SČ
Zesilovač - AU
U0
U2
AU A U´ 1 βA U
Maximální zesílení bude tehdy, je-li jmenovatel pro celkové zesílení roven O. 1 – bAu = 0 => bAu = 1 Amplitudová podmínka bAu = 1 znamená, že přenos zpětnovazební smyčky se musí rovnat jedné.
FÁZOVÁ PODMÍNKA OSCILACÍ b UZ SČ
Zesilovač - AU
U0
U2
Fázovou podmínku vyjadřuje rovnice A + B = 2p A je fázový posun způsobený zesilovačem - B je fázový posun zpětnovazebního členu
Řídící obvod
Aktivní obvod
A je fázový posun způsobený aktivním obvodem - B je fázový posun řídícího obvodu
DRUHY OSCILÁTORŮ Oscilátory rozlišujeme: - podle druhu řídicího obvodu (tj. jaké jsou součástky v obvodu zpětné vazby b) podle frekvence (nf a vf) - a podle tvaru kmitů (sinusové a nesinusové) Sinusové oscilátory LC (řídící obvod tvoří rezonanční obvod LC)
RC (řídící obvod je tvořen fázovacím obvodem RC – není rezonanční !!!) Krystalové (řídící obvod je tvořen krystalem, který má vlastnosti sériového a paralelního rezonančního obvodu)
Nesinusové oscilátory pilových průběhů rázovací (blokující) oscilátory klopné obvody atd.
LC OSCILÁTORY
Oscilátory LC A) S INDUKTIVNÍ VAZBOU Řídicí rezonanční obvod je zapojen přímo na výstupní svorky zesilovače. Vstup zesilovače je induktivně vázán s řídicím rezonančním obvodem (obr 8.2). Po zapnutí napájení se prudce zvyšuje proud v cívce L, zvýšení vyvolá indukcí zvýšení proudu do báze tranzistoru, to zvýší kolektorový proud a ten přes indukční vazbu M opětně zvyšuje proud báze. Zastavení nárůstu nastane vlivem zakřivení charakteristik tranzistoru (nasycený stav). Tím nastane nepatrné snížení kolektorového proudu, to vlivem kladné zpětné vazby vyvolá snížení proudu báze a stejný děj včetně nasycení se opakuje opačným směrem (záporná část kmitu). V rezonančním obvodu tak vzniká sinusový průběh kmitů. Oscilátor kmitá na rezonančním kmitočtu daným Thomsonovým vzorcem:
Oscilátory LC B) V TŘÍBODOVÉM ZAPOJENÍ Dva druhy těchto oscilátorů jsou obvodově nejjednodušší, jejich realizace je vázána na zesilovací součástku ( bipolární nebo unipolární tranzistor, elektronku – trioda, neboť se jedná o trojpóly )
Tyto oscilátory mají ve zpětnovazebním řídicím obvodu vždy paralelní rezonanční obvod, který má jako třetí připojovací bod vyveden střed cívky nebo kondenzátoru. Hartleyův oscilátor (obr 8.3) má indukční větev paralelního rezonančního obvodu provedenu jako dělič napětí, jehož výstup je připojen k emitoru tranzistoru. Colpittsův oscilátor (obr 8.4) má stejný princip jako je u Hartleyova oscilátoru. Pouze dělič napětí je v kapacitní větvi rezonančního obvodu. Kvalita sinusových oscilátorů se posuzuje dle stability frekvence kmitů (neměnnost kmitočtu) poměrem f / f0 a bývá pro uvedená zapojení řádově 10-3.
RC OSCILÁTORY
Oscilátory RC Kvalita RC oscilátorů posouzená podle stability frekvence kmitů f / f0 je řádově 10-2. Oscilátory RC (obr 8.5) mají zpětnou vazbu (řídicí obvod) vytvořenou kombinací R a C. Kmitočet oscilátoru je dán hodnotami R a C. Výhodou těchto oscilátorů je jednoduchost, protože nemají indukčnost, která se obtížně realizuje v integrovaných obvodech. Řídicí obvod je fázovací obvod a je tvořen třemi derivačními články: C1R1, C2R2 a C3R3 (obc 8.6), celkový fázový posuv musí být 180° a proto každý derivační článek posunuje fázi svého výstupního napětí o 60°. Protože tranzistor posouvá fázi o 180° ( p ), je splněna fázová podmínka A + B = 2 p .
1 f0 2π 6RC
UC1
UC2
UC3
Fázorový diagram řídícího obvodu pro RC oscilátor Obr. 8.6.1
U2 U R1
UR3 = U1
UR2
UC1
UC2 UR1 UC3
UR2 60°
UR3 = U1
60°
60°
U2
Krystalové oscilátory
Krystalové oscilátory Požadavek na vysokou stabilitu oscilátorů nejlépe splňují oscilátory řízené krystalem. Kmitočet krystalových oscilátorů je rovněž mnohonásobně stabilnější, dosahuje stability 10-5 až 10-7, ve speciálních případech až 10-9. Stabilita např. 10-7 znamená, že při kmitočtu 1 MHz je odchylka nejvýše ± 0,1 Hz od jmenovitého kmitočtu. Zapojení využívá piezoelektrických vlastností výbrusu krystalu křemene. Křemenný výbrus (krystal) se přiloženým napětím deformuje a naopak při deformaci se na jeho polepech objeví elektrické napětí. V elektrickém obvodu se chová jako rezonanční obvod.
Krystalové oscilátory
Náhradní schéma krystalu. Kondenzátor CR a cívka Lp tvoří sériový rezonanční obvod, jehož ztráty vyjadřuje odpor RR. Kapacita Cp představuje kapacitu polepů krystalu a vývodů. Z náhradního zapojení plyne, že krystal má dva rezonanční kmitočty a to pro sériový obvod a pro paralelní obvod. Obr. 9
sériovýrezonančníkmitočet 1 fS 2π LR CR
paralelnírezonančníkmitočet 1 fP C CP 2π LR R CR CP
IMPEDANCE KRYSTALU
Obr. 10
Při kmitočtu fs je impedance krystalu nejmenší, to znamená, že se krystal chová jako sériový rezonanční obvod. Zvyšováním kmitočtu impedance prudce narůstá a při kmitočtu fp dosáhne maxima. Krystal se teď chová jako paralelní rezonanční obvod. Další zvyšování kmitočtu vede k prudkému poklesu impedance. Činitel jakosti Q krystalu je neobyčejně vysoký - 104 až 106, tedy řádově 100krát až 10 000 krát větší než u obvodů LC. Indukčnost cívky LR v náhradním obvodu krystalu je velká a kapacita CR je velmi malá. Má-li být proto kmitočet obvodu krystalu zásadně určen krystalem, musí se do základního obvodu zapojit tak, aby jeho impedance měla indukční charakter.
sériovýrezonančníkmitočet 1 fS 2π LR CR
paralelnírezonančníkmitočet 1 fP C CP 2π LR R CR CP
Nesinusové oscilátory
Nesinusové oscilátory Jedná se o zdroje, které vytvářejí střídavý signál který není podle matematické funkce sinus (cosinus). Tyto oscilátory vyrábějí např. signál obdélníkového (čtvercového), pilového (trojúhelníkového), lichoběžníkového či jiného průběhu. Tyto průběhy lze realizovat: a) omezovačem amplitudy signálu b) tvarovacími obvody c) klopnými obvody
Nesinusové oscilátory s omezovačem amplitudy signálu
Základem tohoto oscilátoru je RC oscilátor nebo LC oscilátor nebo krystalový oscilátor, který vytváří sinusový signál o frekvenci f. Omezovač amplitudy provede zkreslení (omezení) průběhu střídavého signálu, tím dojde k tvarování průběhu střídavého signálu. Výsledný průběh po omezení se blíží obdélníkovému (čtvercovému) nebo lichoběžníkovému průběhu.
RC Oscilátor LC Oscilátor
Krystalový oscilátor
Omezovač amplitudy signálu
Nesinusové oscilátory s omezovačem amplitudy signálu RC Oscilátor
LC Oscilátor Krystalový oscilátor
Omezovač amplitudy signálu
+U
t
-U
Nesinusové oscilátory s tvarovacími obvody Jsou to takové obvody, které pomocí lineárních nebo nelineárních prvků mění tvar impulzů. Základem je derivační a integrační článek, který působí na analogový signál obdélníkového průběhu ( impulzů ). DERIVAČNÍ ČLÁNEK
Je to obvod CR, který představuje horní propust. INTEGRAČNÍ ČLÁNEK Je to obvod RC, který představuje dolní propust.
Obr. 11
Obr. 12
Nesinusové oscilátory s tvarovacími obvody DERIVAČNÍ ČLÁNEK
Obr. 13
Obr. 14 použití:
- ze stejnosměrného pulsujícího signálu vytváří střídavý - z jednoho impulsu vytvoří impulsy dva (první na čelo impulsu, druhý na týl vstupního impulsu - zdroj pilových (trojúhelníkových) impulsů
Nesinusové oscilátory s tvarovacími obvody INTEGRAČNÍ ČLÁNEK
Obr. 15
Obr. 16 použití:
- zdroj pilových (trojúhelníkových) impulsů
Nesinusové oscilátory s klopnými obvody Klopný obvod vznikne spojením dvou tranzistorů, které pracují ve spínacím režimu. To znamená, že je-li tranzistor zavřený, je na jeho kolektoru téměř plné napájecí napětí, a naopak otevřený tranzistor na svém kolektoru vykazuje napětí téměř nulové. Spojení je provedeno prvky R nebo C v kladné zpětné vazbě. Jsou to obvody pro získávání obdélníkových impulzů ze stejnosměrného napětí. Podle zapojení se klopný obvod může během své činnosti nacházet ve stabilním nebo nestabilním stavu. STABILNÍ STAV - je takový pracovní režim obvodu, ve kterém setrvává klopný obvod tak dlouho, dokud není vnějším impulzem převeden (překlopen) do druhého stabilního nebo nestabilního stavu.
NESTABILNÍ STAV - je pracovní režim s omezenou dobou trvání, ze kterého se obvod samovolně překlopí zpět do stabilního, nebo do druhého nestabilního stavu. Podle těchto fyzikálních stavů rozlišujeme tyto klopné obvody: BISTABILNÍ (BKO) - má dva stabilní stavy a žádný nestabilní stav,
MONOSTABILNÍ (MKO)
- má jeden stabilní a jeden nestabilní stav,
ASTABILNÍ (AKO)
- nemá žádný stabilní stav a dva nestabilní stavy .
BISTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD Bistabilní klopný obvod setrvává ve dvou různých stabilních stavech, které lze měnit jen vnějším zásahem.
Q1
1 SS
In 1 – S ( SET ) ( Nastavení )
2 SS
In 2 - R ( RESET) ( Nulování )
Q2
Q BKO
Q
R S S=0 R=0 S=1 R=1
Po připojení napájení a jsou-li nepřipojeny vstupy In 1 (SET) In 2 (RESET) nastane vnitřní stav klopného obvodu. a) Q1 = 0 ; Q2 = 1 b) Q1 = 1 ; Q2 = 0 Pokud není vnější řízení setrvává obvod v tomto stavu nekonečně dlouhou dobu. Vnější řízení (překlopení) BKO.
Činnost BKO po připojení napětí
+
+
+
+
-
-
Připojíme-li napájecí napětí +UN, začnou se oba tranzistory otevírat. Rychlejší z nich (ten, který má nepatrně větší zesílení) - např. T1 se otevře dříve, jeho kolektorové napětí UCE1= 0 => UR1 = max (T1 otevřen => IC1 = max). Přes R2 se pokles napětí přenese (kolektor je zápornější) na bázi T2 a ten se uzavře. Zavře-li se tranzistor T2, dojde ke zvýšení napětí na jeho kolektoru => UCE2=max a UR4 = min (T2 zavřen => IC2 = min), tím je kolektor kladnější a tato změna se přenese přes R5 na bázi T1, který se ještě více otevře. Toto smyčkové zavazbení způsobí lavinovité sepnutí (okamžité otevření) tranzistoru T1. Klopný obvod se nachází v jednom ze dvou stabilních stavů.
Obr. 17
Překlopení klopného obvodu Záměny stabilních stavů (překlopení) lze dosáhnout jen pomocí spouštěcích impulzů, a to kladným impulzem do báze právě uzavřeného tranzistoru, nebo záporným impulzem do báze právě otevřeného tranzistoru. Po přivedení kladného impulzu na bázi T2 se tranzistor otevře, pokles napětí na jeho kolektoru se přenese přes R5 na bázi T1 a způsobí jeho zavření. V tomto stavu (T1 zavřený, T2 otevřený) klopný obvod setrvá až do příchodu dalšího impulzu. Současný příchod kladného impulzu na bázi otevřeného tranzistoru T1 nemůže způsobit žádnou změnu, neboť se nemůže tranzistor pochopitelně již více otevřít. POUŽITÍ BISTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU Bistabilní klopný obvod se nejčastěji používá pro realizaci paměťových obvodů, neboť má schopnost zaznamenat (pamatovat si) impulz, který již přestal existovat. Je-li tranzistor T2 zavřený, je na jeho kolektoru (tj. výstupu) téměř napětí zdroje. Tomuto napětí přiřadíme logickou "1" (jedničku). Obvod si tento stav "pamatuje". Je-li tranzistor T2 otevřený, poklesne jeho kolektorové napětí téměř na nulu a tomuto stavu výstupu přiřadíme logickou "0" (nulu). Obvod si tento stav "pamatuje". Tato nejmenší možná velikosti paměti má velikost 1 bit. Bistabilní klopný obvod má proto kapacitu paměti velkou 1 bit.
MONOSTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD Monostabilní klopný obvod je schopen setrvat v jednom stavu neomezeně dlouhou dobu, zatím co ve druhém stavu může setrvat jen určitou krátkou dobu. Klidový stav Po zapnutí napájecího zdroje se přes R3 přivede kladné napětí na bázi T2 a ten se úplně otevře. Pokles napětí z kolektoru T2 se přes R5 přenese na bázi T1 a ten se zavře. Kondenzátor je nabit s vyznačenou polaritou + - . Překlopení klopného obvodu Obr. 18
Na bázi T1 se přivede kladný impulz U1.. Impulz vyvolá krátké otevření T1, který tím uzemní levý vývod kondenzátoru C. Pokles napětí na kolektoru T1 se přenese přes C na bázi tranzistoru T2 a tím jej zavře. Na pravém vývodu C je proto nyní záporný potenciál. Nyní se C nabíjí přes R3 s časovou konstantou t = R3 . C (obr. 1.10), až vznikne na bázi T2 malé kladné napětí, které začne tranzistor T2 otevírat. Pokles napětí na kolektoru T2 se přenese přes R5 na bázi T1. Vlivem kladné zpětné vazby dojde opět k lavinovitému rychlému překlopení, které tranzistor T2 plně otevře. POUŽITÍ MONOSTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU
Obr. 19
Monostabilního klopného obvodu se používá jako generátoru obdélníkových impulzů, jako zpožďovacího obvodu, jako obnovitele tvaru impulzu atd.
ASTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD Astabilní klopný obvod nemá stabilní stav, ale periodicky překlápí z jednoho stavu do druhého. Činnost obvodu Zapojení je teoreticky symetrické, ve skutečnosti jeden tranzistor se začne otevírat dřív až se zcela otevře. Předpokládáme, že T1 je zavřený a T2 je otevřený. C2 je nabit na napětí +UN. C1 je spojen se zemí přes T2. Následuje nabíjení kondenzátoru C1 přes R3 a otevřený T2 až se zvýší napětí na bázi T1 (UB1) na otevírací hodnotu a začne otevírat T1. Obr. 20 Pokles napětí na kolektoru T1 se přenese přes C2 na bázi T2 a ten zavře, zvýšení napětí kolektoru T2 se přenese přes C1 na bázi T1 a to jej ještě více otevře. Nastane lavinovité překlopení až se T1 úplně otevře a T2 zavře. C2 se spojí přes T1 se zemí. Nyní se nabíjí C2 přes R2 a otevřený T1 až se zvýší napětí na bázi T2 (UB2) a T2 se začne opět lavinovitě otevírat. Pokles napětí na jeho kolektoru přes C1 uzavře T1. Výsledkem této činnosti je neustálé překlápění obou tranzistorů a proto můžeme z jejich kolektorů odebírat pravoúhlé periodické impulzy (výstupy U1 a U2). Průběhy napětí na kolektorech a bázích obou tranzistorů ukazuje obr. 1.12. POUŽITÍ ASTABILNÍHO KLOPNÉHO OBVODU Astabilní klopný obvod lze použít jako generátor impulzů. Obr. 21
Použité zdroje: Kesl, Jan. Elektronika I – Analogová technika. Praha :BEN, 2003. 118 s. ISBN 80-7300-074-1. Obr. 7.1; 7.14; 7.15; 7.16; 7.18; 7.23; 7.30; 8.2; 8.3; 8.4; 8.5; 8.6; 8.6.1: Kesl, Jan. Elektronika I – Analogová technika. Praha :BEN, 2003. 118 s. ISBN 80-7300-074-1. Obr. 9; 10; 11; 12; 13; 14; 15; 16; 17; 18; 19; 20; 21: Kesl, Jan. Elektronika I – Analogová technika. Praha :BEN, 2003. 118 s. ISBN 80-7300-074-1. Obr. 13; 53; 57; 58; 58.1; 59; 60: Dr. Ing. Boltík, Jiří; Ing. Český, Milan; Ing. Hojka, Jiří.; Ing. Vomela,Ladislav. Elektronická zařízení. Praha :SNTL, 1990. 440 s. ISBN L26-C2-II-84/55936. Ilustrace: archiv autora
