Elektronika

Maturitní otázky

ZESILOVAČE – ROZDĚLENÍ, VLASTNOSTI

21.Zesilovače – rozdělení, vlastnosti

Zesilovače jsou elektrická zařízení, která slouží k zesilování a úpravě elektrických signálů. Patří do kategorie dvojbranů, tj. obvodů, které mají dvě vstupní a dvě výstupní svorky.

Z elektrotechnického hlediska můžeme dělit zesilovače podle různých hledisek :

podle použitého zesilovacího prvku se dělí na zesilovače :

-          tranzistorové

-          elektronkové

-          magnetické

-          parametrické apod.

podle velikosti budícího signálu dělíme zesilovače na:

-          zesilovače velkých signálů

-          zesilovače malých signálů

-          zesilovače velmi malých signálů

podle druhu budícího signálu se dělí na zesilovače :

-          nízkofrekvenční - používají se převážně v akustické technice

-          vysokofrekvenční - vyskytují se prakticky v každém zařízení pro zpracování radiotechnických signálů

-          impulsové - pro zpracovávání radiolokačních nebo televizních signálů

-          zesilovače stejnosměrné - vyskytují se v lékařských, měřících a regulačních obvodech podle šířky přenášeného pásma dělíme zesilovače na :

o        úzkopásmové - třídecibelová šířka přenášeného kmitočtového pásma (B₃) činí několik procent středního kmitočtu f₀.

o        širokopásmové - třídecibelová šířka přenášeného pásma je srovnatelná se středním kmitočtem f₀.

podle polohy pracovního bodu rozeznáváme zesilovače třídy :

A - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po celou periodu signálu - říkáme, že úhel otevření a₀ = 2p

B - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po dobu půl periody, tzn., že úhel otevření a₀ = p

C - výstupní proud teče v zesilovacím prvku po dobu menší, než je půl periody, tzn. že a₀ < p.

D - zesilovače které pracují na principu pulní šířkové modulace, signál řídí pulzně spínaní zesilovače a šířkám pulzů odpovídá zesílený signál.

třída A                                            třída B                                                   třída C

podle zapojení zesilovacího prvku - rozeznáváme zesilovače  

a) se společným emitorem (SE)

b) společným kolektorem  (SC)

c) společnou bází  (SB)

SE                                               SC                                          SB

Podobné zapojení mají i zesilovače s unipolárními tranzistory nebo elektronkami.

podle způsobu činnosti dělíme zesilovače na

a) jednočinné

b) dvojčinné

podle vazby mezi stupni dělíme zesilovače na zesilovače s

a) kapacitní vazbou

b) přímou (galvanickou) vazbou

c) transformátorovou vazbou

Základní parametry zesilovačů

Amplitudové charakteristiky mají obvykle průběh, znázorněný na obr. Charakteristika platí pro sinusový signál o jednom kmitočtu. Nulovému vstupnímu napětí odpovídá nenulové napětí na výstupu. Toto nežádoucí rušivé napětí U_2r má charakter šumu nebo brumu, jeho původ je v nedokonalosti zesilovače a omezuje nám jeho použitelnost. Čím větší jsou nároky na kvalitu zesilovače, tím musí být větší odstup užitečného signálu od rušivého. Např. amplituda výstupního napětí U_2M musí být 10 x větší, než amplituda U_2r.

Má-li zesilovač pracovat jako lineární čtyřpól, nesmí pracovní oblast na jeho amplitudové charakteristice vybočit z lineární oblasti.

Činitel napěťového zesílení -  je bezrozměrné číslo. Někdy se označuje jako napěťové zesílení nebo napěťový přenos.

Zisk zesilovače je vyjádřením napěťového zesílení v dB, tedy . Stejně je definován proudový zesilovací činitel a proudový zisk  a  .

Mají-li vstupní a výstupní veličiny sinusový průběh, ale různou fázi, zavádí se pojem komplexní amplitudy střídavého napětí , čímž se oba údaje o napětí U i fázi j vyjádří jednou komplexní  veličinou. Potom činitel napěťového zesílení je dán .

Analogicky platí i pro proudový zesilovací činitel

Na základě Ohmova zákona lze proudy signálů vyjádřit odpovídajícími hodnotami napětí a impedancí a získat vztah mezi napěťovým a proudovým zesílením , kde Z₁ je vstupní impedance a Z₂ je výstupní impedance.

Výkonové zesílení se udává jako poměr činného výkonu, dodávaného do zátěže k činnému výkonu, dodávanému zdrojem budícího signálu.

Činný výkon dodávaný do zátěže lze vyjádřit jako . Činný výkon, dodávaný zdrojem je , kde G₁ = 1/R₁ je vstupní vodivost, G₂ = 1/R₂ je výstupní vodivost zesilovače.

Dosazením výše uvedených vztahů pro výkonové zesílení dostaneme vztahy  .

Výkonový zisk je výkonové zesílení, vyjádřené v dB a platí vztahy

.

Vstupní a výstupní impedance zesilovače jsou pasivní prvky náhradních schémat zesilovače, dle obr.

Aktivní prvky v náhradních schématech U₂₀ a I₂₀ jsou ideální zdroje, závislé na budícím signálu. Uvedená schémata jsou rovnocenná a platí, že Z₁ = Z_vst, Z₂ = Z_výst.

Nelineární zkreslení

Budí-li se zesilovač sinusovým signálem, není průběh výstupního signálu čistě sinusový. Provede-li se harmonická analýza výstupního napětí zesilovače, buzeného vstupním signálem o frekvenci f, získá se základní harmonická složka výstupního napětí s amplitudou U_f a vyšší harmonické s amplitudami U_2f, U_3f, atd. Velikost nelineárního zkreslení se vyjadřuje činitelem harmonického zkreslení k podle vztahu

     nebo také     

Činitel harmonického zkreslení je závislý na vybuzení zesilovače. Nejpřísnější požadavky na zkreslení bývají u zesilovačů akustických signálů, protože zde i malá změna obsahu harmonických složek působí rušivě. U jakostních signálů se požaduje, aby činitel harmonického zkreslení byl menší než 1%.

Zesilovače jsou často buzeny více sinusovými signály současně. Potom vzniká v zesilovačích větší množství nežádoucích kmitočtových složek. Vedle harmonických složek jednotlivých sinusových signálů vznikají vlivem nelinearit charakteristik také další nežádoucí složky signálu, jejichž kmitočty jsou dány kombinacemi součtových a rozdílových kmitočtů vstupních signálů a jejich harmonických složek. Tomuto zkreslení říkáme intermodulační zkreslení a určuje se měřením pro které je normou ČSN 367420 stanovena velikost kmitočtů a amplitud měrných vstupních signálů. Produkty intermodulačního zkreslení nemají přímý vztah k vstupnímu signálu a proto působí mnohem rušivěji, než složky harnonické. Ovšem měření intermodulačního zkreslení je mnohem obtížnější, proto se udává jen v závažných případech. U kvalitních zesilovačů se toleruje do 3%, t.j. do trojnásobku přípustné hodnoty harmonického zkreslení.

Kmitočtové charakteristiky

Názornou představu o základních vlastnostech zesilovače poskytuje kmitočtová charakteristika komplexního zesílení . Kreslí se buď v Gaussově rovině nebo v pravoúhlé souřadnicové soustavě. V Gaussově rovině lze odečíst pro libovolný kmitočet reálnou složku napěťového zesílení , imaginární složku napěťového zesílení  modul napěťového zesílení A_u  a fázový argument j_u.

(Fázor)

Mezi komplexním napěťovým zesílením a jeho složkami platí vztahy:

,

V pravoúhlé soustavě se vynáší zpravidla kmitočet na vodorovnou osu v logaritmickém měřítku a zesílení na vertikální osu v dB.

Šířka pásma je obor kmitočtů, v kterém je absolutní hodnota odchylek zisku menší než 3 dB. Tento obor je na straně nižších kmitičtů vymezen tzv.dolním mezním kmitočtem f_d a na straně vyšších kmitočtů tzv. horním mezním kmitočtem f_h. V pravoúhlých souřadnicích se zobrazuje také kmitočtová závislost fázového argumentu j_u = f(j_u) a nazývá se fázová charakteristika daného zesilovače nebo zkráceně fázová charakteristika.

Podle průběhu kmitočtových charakteristik lze posoudit, do jaké míry zesilovač vyhovuje danému použití. Nemá-li zesilovač zkreslovat, musí být splněny následující podmínky:

a) výstupní signál smí obsahovat jen ty harmonické složky, které jsou ve vstupním signálu (tj. činitel harmonického zkreslení je v celém rozsahu přenášených kmitočtů a výstupních výkonů roven nule).

b) na výstupu musí být všechny harmonické složky, které jsou ve vstupním signálu (t.j. zesilovač vykazuje v celém rozsahu přenášených kmitočtů co nejmenší odchylky zisku). 

Typický průběh fázové charakteristiky je na obr.

Přenášené pásmo kmitočtů je od 10² do 10⁴ Hz. V tomto frekvenčním pásmu mívá zesilovač stálý zisk, roven celistvému násobku p. Naopak v kmitočtových oblastech, kde se mění zisk zesilovače nastává i změna fázového argumentu, způsobujícího fázové zkreslení. T.zn., že i z průběhu ziskové charakteristiky lze soudit na průběh fázového zkreslení.

Přechodová charakteristika

Jakost  zesilovačů lze také posuzovat podle průběhu t.zv. přechodové charakteristiky, což je odezva zesilovače na jednotkový skok vstupního signálu u₁(t). Zobrazuje se v pravuůhlých souřadnicích. Přechodové charakteristiky mohou mít buď monotónní průběh, nebo mohou vykazovat překmity, viz obr.

( T_n doba náběhu )

Čím více se průběh přechodové charakteristiky podobá vstupnímu skoku, tím je zesilovač jakostnější.  Průběh přechodové charakteristiky je dán obvodovými prvky L,R,C daného zesilovače. Z průběhu kmitočtové charakteristiky lze metodami vyšší matematiky získat přechodovou charakteristiku a naopak. Tato možnost se využívá převážně při analýze a syntéze zesilovačů, určených pro impulsní signály.

Šumové vlastnosti

Každý zesilovač má na výstupu signály, které nesouvisí s budícím signálem. Jsou to rušivá napětí, neboť vytváří nežádoucí hluk v pozadí užitečného signálu. Tato rušivá napětí jsou dvojího druhu:

- brumová napětí - která mají kmitočet rovný kmitočtu síťového napájení nebo jeho celistvým násobkům. Vznikají obvykle nedokonalým odstíněním nebo filtrací napájecích napětí nebo elektromagnetických polí síťových transformátorů.

- šumová napětí - jsou napětí s nahodile proměnným průběhem. Tato tvoří soubor velkého množství střídavých složek všech možných kmitočtů. Jejich původ je v ohmických rezistorech a v aktivních prvcích zesilovačů.

Brumová napětí lze potlačit dokonalou filtrací napájecích napětí a vhodnou konstrukcí s použitím stínících krytů. Šumová napětí lze potlačit mnohem obtížněji, zejména u zesilovačů s velkým zesílením a velkou šířkou přenášeného pásma. Šumové poměry na vstupu zesilovače jsou vyznačeny na obr.

Zdroj budícího napětí s vnitřním odporem R_s produkuje nejen užitečný signál U_S, ale také šumové napětí s efektivní hodnotou U_Š.Pro srovnávání šumových vlastností zesilovačů jsou stanoveny t.zv. normální šumové podmínky:

a) Šumové napětí U_Š je tepelné šumové napětí vznikající na vnitřním odporu zesilovače při šumové teplotě Q₀=290K.

b) Vstupní odpor zesilovače je roven vnitřnímu odporu zdroje (R_vst = R_S).

Pro výpočet efektivní hodnoty tepelného šumu platí vztah ,   (V, J.K^-1, K, W, Hz), kde k = 1,38.10^-23 J/K  je Bolzmanova konstanta, Q₀ je šumová teplota odporu R_S v kelvinech, Df je šumová šířka přenášeného pásma. Přibližně se rovná  B_3dB     zesilovače

Při výkonovém přizpůsobení budícího generátoru a vstupu zesilovače se na vstupní svorky zesilovače přivádí napětí U_Š1 = U_Š/2, jemuž odpovídá výkon, dodávaný do zesilovače

Vztah mezi vstupním a výstupním výkonem užitečného signálu je

Ideální zesilovač, který by neobsahoval žádný zdroj šumu by produkoval na výstupu šumový výkon P_š2i, rovněž A_p krát větší, než je šumový výkon, přiváděný na vstup  P_š2i = A_pP_š1. Každý reálný zesilovač ale obsahuje řadu zdrojů šumu (rezistory, tranzistory a p.), takže jeho výstupní šumový výkon je větší, než u ideálního zesilovače.Proto můžeme psát P_š2 = F.P_š2i = F.A_p.P_š1. Koeficient F  vyjadřuje šumové vlastnosti zesilovače a nazývá se šumový součinitel daného zesilovače za normálních šumových podmínek. Ideální nešumový zesilovač by měl F=1. Udává tedy šumový činitel, kolikrát je šumový výkon na výstupu reálného zesilovače větší, než by byl v případě, kdyby zesilovač neobsahoval žádný zdroj šumu.              

Šumový činitel lze definovat i jinak. Vlastní šum zesilovače způsobuje, že odstup signál/šum je na výstupu vždy menší než na jeho vstupu. Proto platí nerovnost

Dosadíme-li za jednotlivé výkony, shledáme, že tento podíl výkonových poměrů signálu k šumu na vstupu a výstupu se rovná šumovému činiteli F

Šumový činitel tedy udává, kolikrát je poměr signál/šum na vstupu  zesilovače větší než na jeho výstupu.