Elektronika Négypólusok, erősítők

Négypólusok Meghatározott szempontok szerinti jellemzés Rendszer jellemző paraméterek vagy függvények segítségével egyéb rendszertulajdonságok meghatározása Eredő rendszerviselkedés meghatározása Eredetileg lineáris, koncentrált paraméterű elemeket tartalmazó rendszerekre A villamos gyakorlatban gyakoriak az összetett, bonyolult kapcsolások, amelyek vizsgálata –az elemek nagy száma miatt- gyakorlatilag lehetetlen vagy csak speciális körülmények fennállása esetén lehetséges. Megoldást jelenthet, ha az összetett rendszert kisebb egységekre bontva tudjuk vizsgálni, majd a részeket újra összerakva az egész viselkedése, tulajdonságai meghatározhatók.

A négypólusok pozitív vonatkoztatási irányai A lehetséges 6 négypólus-paraméter: Z impedancia Y admittancia H hibrid D inverz hibrid A lánc B inverz lánc Arra szolgálnak, hogy az adott irányokhoz képesti változásokat értelmezni lehessen. Ugyanezeket a vonatkoztatási irányokat használjuk a későbbiekben az elektronika négypólusainál is beleértve a digitális elektronikát is. A két-két feszültségből és áramból kettő független kettő függő változó, így összesen 6 különböző paraméter-sereget lehet felállítani, amelyek (miután ugyanarra a rendszerre vonatkoznak) összefüggnek egymással.

Z paraméterek Mátrix alakban: üresjárási bementi impedancia üresjárási kimeneti impedancia üresjárási transzfer impedancia Az üresjárási impedancia azt jelenti, hogy sem a kimenet nincs terhelve (I2=0), sem a bemenetet tápláló generátornak nincs belső ellenállása (Rg=0). A transzfer impedancia elnevezés onnan származik, hogy ez a paraméter mutatja a ki- és bemenet egymásra hatását. Egyszerűsítő feltételek  Reciprok a négypólus, ha a Z12=Z21. Ekkor elegendő három paraméter a négypólus jellemzésére.  Szimmetrikus a négypólus, ha a ki- és a bemeneti kapcsokat felcserélve a számított négypólus paraméterek nem változnak meg. Ekkor két paraméter is egyértelműen leírja a négypólus viselkedését.

Tranzisztor kisjelű helyettesítőképe A tranzisztort a munkaponti mennyiségekhez képest kisebb jelekkel vezéreljük A vezérlőjel lehet egyenfeszültség vagy váltakozó feszültség Elvárt, hogy karakterisztikája lineáris szakaszán működjön, amely behatárolja a vezérlő jel megengedett nagyságát Viselkedését leírhatjuk koncentrált paraméterű ideális alkatrészekkel Több módszer is ismert a helyettesítőkép megalkotására. Ki lehet indulni a konkrét fizikai mennyiségekből (hibrid- π, amely elsősorban a kapcsolásból történő paraméter-számításra alkalmas) vagy fel lehet állítani egy helyettesítőképet a négypólus-elmélet paraméterei alapján (H-paraméterek, ez elsősorban katalógus alapján történő tervezésnél kitűnő). A helyettesítőképek és paraméterek között egy adott munkapontban megfeleltetés teremthető.

Hibrid-π helyettesítőkép rb’b bázis hozzávezetési ellenállás: a bázis elektróda és a bázis réteg közötti ellenállás. rb’e bázis-emitter ellenállás: a bázis réteg és az emitter közötti bemeneti ellenállás (ez gyakorlatilag az rBE értékével egyezik meg) rb’c a vr visszahatást modellező ellenállás rce kollektor-emitter kimeneti ellenállás (=rCE) Cb’e bázis-emitter átmenetben kialakuló kapacitás (a réteg és a diffúziós kapacitás összege) Cb’c kollektor-emitter átmenetben kialakuló kapacitás A helyettesítőkép az egyes rétegek dinamikus ellenállásai, az aktív tartományban elérhető meredekség vagy áramerősítési tényező és az egyes átmenetekben végbemenő töltésfelhalmozást reprezentáló kondenzátorok alapján építhető fel. Az egyes rétegeket a helyettesítőképben kisbetűvel jelöljük utalva a kisjelű üzemmódra. A helyettesítőképet a tranzisztor közös emitteres kapcsolására építjük fel, ami jól használható közös kollektoros esetben. A közös bázisú eset is levezethető a megalkotott helyettesítőképből. A teljes helyettesítőképet magasabb frekvenciákon használjuk inkább, ahol a ~pF értékű kapacitások hatása nem hanyagolható el.

A tranzisztor egyszerűsített (alacsony frekvenciás) helyettesítőképe Alacsony frekvencián a helyettesítőkép egyszerűsíthető H12 paraméter elhanyagolható.

H-paraméterek fizikai jelentése h11 – bemeneti ellenállás [Ω] h12 – kimeneti visszahatás [–] h21 – áramerősítési tényező [–] h22 – kimeneti vezetőképesség [S = 1/Ω] A tranzisztornál a bemeneti jelnek az ib bázisáramot, illetve vbe feszültséget, míg kimeneti jelnek az ic kollektor áramot, valamint a vce feszültséget tekintjük. A h11 és a h21 megállapításánál a kollektor-emitter feszültséget vettük konstansnak (állandónak), míg a h12 és a h22 paramétereknél az ib bázisáram az állandó. Mind a négy esetben a karakterisztikák (relatív) lineáris szakaszain végeztük el a számításainkat.

Közös emitteres erősítőfokozat A bemeneti feszültségosztó méretezését két alapvető szempont figyelembevételével kell elvégeznünk: •Be kell állítanunk a segítségével a megfelelő nagyságú bázisfeszültséget, illetve figyelni kell arra is, hogy a feszültségosztó terheletlen legyen a működés közben. •A feszültségosztó terheletlenségének biztosítása azt jelenti, hogy a bázisáramnak elhanyagolható nagyságúnak kell lennie a feszültségosztó áramához képest.

Többfokozatú erősítők Egy erősítőfokozat nem elegendő a kívánt erősítéshez Feszültségerősítők Jelkondicionálók Teljesítmény erősítő fokozat meghajtása A stabilitás, a zavarérzékenység csökkentése és a szükséges határfrekvencia érdekében egy erősítő fokozattal reálisan csak 10..50-szeres erősítés érhető el

Csoportosításuk Csatolás alapján: Frekvenciasáv alapján: Közvetlen csatolású RC csatolás Transzformátoros csatolás Optoelektronikai csatolás Frekvenciasáv alapján: Egyenfeszültségű Normálsávú Szélessávú Szelektív Teljesítményerősítésben betöltött szerep alapján: Előerősítő Főerősítő Végerősítő Közvetlen csatolás egyen és váltakozó áramú jelek, míg a többi csak váltakozó áramú jelek csatolására alkalmas. Az előerősítő célja az alacsony bemeneti jelnek a főerősítő által megkövetelt szintre erősítése. Az előerősítők nagy stabilitással és nagyon alacsony zajjal rendelkeznek, mivel a jel összemérhető a zajjal. Tulajdonságaik alapvetően meghatározzák az egész erősítőlánc tulajdonságait. A főerősítők illesztik a jelet a végerősítőhöz és állítják be a végerősítők optimális munkapontját. Általában nagyjelű feszültségerősítők. A végerősítők teljesítményerősítők.

Közvetlen csatolt erősítő S=h22*Ib Au=S1*S2*(RCE2XRC2XRt)*(RCE1XRC1XRBE2) A közvetlenül csatolt erősítők egyenáramú munkaponti jellemzői összefüggnek, ami hőstabilitás szempontjából nagyobb igényeket támaszt az áramkörökkel szemben. Az egyik fokozat állítja be a másik fokozat munkapontját és vissza, ami azt eredményezi, hogy az előző fokozat munkapontjának megváltozása kihat a másik fokozat munkapontjának stabilitására is. A fenti okok miatt gyakran alkalmaznak közös visszacsatolást, ami mindegyik fokozatra egyszerre hat, bár lehetséges az egyes fokozatok egyedi visszacsatolása is.

RC csatolt erősítő Au=AI*AII Az RC-csatolt erősítők egymáshoz kondenzátoros elválasztással csatlakoznak. Az egyenáramú munkapontot az egyes fokozatok külön-külön állítják be. Ez a megoldás több alkatrészt igényel és elvileg sem lehetséges egyenfeszültség erősítése. Transzformátoros csatolást elsősorban a terhelő impedancia illesztésénél alkalmazunk, de lehetséges fokozatok közötti elválasztásra is hangfrekvenciás transzformátort alkalmazni. A transzformátorok fizikai méretei azonban nem illeszkednek a modern elektronika méreteihez és költségeihez, ezért alkalmazása csak speciális esetben illetve nagyfrekvencián indokolt.

Szimmetrikus erősítők Kisebb zavarérzékenység elektromágneses zavarokra Műveleti erősítők Ipari műszererősítők Alapvető szimmetrikus erősítő a differenciál erősítő: Tranzisztoros FET-es Tranzisztoros: Nagyobb alkatrész szimmetria Alacsony hőfokfüggés Magasabb bemeneti impedancia FET-es: Kicsi bementi áram Rendkívül nagy be- és kimeneti impedancia Nagyobb asszimmetria Erősebb hőfokfüggés

Tranzisztoros differenciálerősítő Párba válogatott Közös hűtőfelület Integrált tranzisztor-pár Műveleti erősítő bementi fokozata Nyugalmi állapotban egyforma áram folyik a 2 tranzisztoron (I0/2) Ubes=Ube1-Ube2=UBE1-UBE2 A kapcsolás helyes működésének alapja a teljesen egyforma félvezetők alkalmazása, amelyet legkönnyebben integrált megvalósítással érhetünk el, de van diszkrét tranzisztorokkal megvalósított differenciálerősítő is.

Kollektor áram szimmetrikus vezérlőjel függvényében Kis bemeneti feszültség esetén is az áram majdnem teljesen átterhelődik az egyik tranzisztorra A differenciálerősítők ezen tulajdonságát használják ki a két feszültség összehasonlítására szolgáló komparátoroknál, illetve a telítetlen logikás ECL digitális áramkörökben.

Differenciálerősítő meredeksége A meredekség nem állandó, ami nemlinearítást okoz. A maximális meredekséget az ubes=0 esetén kapjuk. A meredekség változása az erősítés változását okozza, amely erős nemlinearítást eredményez. Ennek kivédésére különböző módszereket alkalmaznak attól függően, hogy diszkrét elemekkel felépített vagy integrált kivitelű differenciál erősítőről van-e szó:

Meredekség változásának kivédése Negatív visszacsatolás Bemeneti jeltartomány korlátozása Diszkrét elemekkel felépített differenciálerősítők esetén negatív visszacsatolást alkalmazunk az emitter-körben. Ennek következtében a meredekség maximális értéke is jelentősen csökken, azonban vele együtt csökken a meredekség változása is. Integrált differenciálerősítők esetén nincs mód külső beavatkozásra, hanem a bemeneti jeltartományt korlátozzák le, ami a gyakorlatban megvalósítható, mert a maximális bemeneti jeltartomány lineáris üzemben kisebb, mint 50V általában. Ebben a tartományban a meredekség változása elhanyagolható

Nyugalmi áram és ofszet hiba Nyugalmi áram (bias): Ofszet (hiba) áram: A bemeneti áramoknak, teljesen szimmetrikus bemenetek és ubes=0 esetén, egyformának kellene lennie, azonban teljesen egyforma karakterisztikájú és tulajdonságú félvezetők nem gyárthatók, így az áramok is különbözni fognak.

Erősítők nemlinearitása Harmonikus torzulás, amikor a szinusz jel amplitúdójának torzulása következtében megjelennek a felharmonikusok Az erősítő karakterisztikájának nemlinearítása következtében két frekvencia létrehozhat egy harmadik (az eredeti jelben nem szereplő) frekvenciát is (intermodulációs torzítás) Analóg erősítőknél elsősorban a harmonikus torzulásokkal számolunk, amely lehet az alapharmonikusra vett torzítás és a teljes harmonikus torzítás (THD). Teljes harmonikus torzítás (THD): Az aktív elemek alapvetően nemlineáris elemek. Kapcsolási megoldásokkal (pl. negatív visszacsatolás) a nemlienarítás csökkenthető, azonban –különösen a nagyjelű erősítőknél- teljesen nem szüntethető meg. A nemlinearítás hatására az erősített jellemző torzul. A torzulás bekövetkezhet amplitúdóban, fázisban és frekvenciában is.

Teljesítményerősítők Nagyjelű erősítők kategóriája Végerősítő A teljesítményerősítőket osztályokba sorolják, amelynek alapja, hogy a végerősítő tranzisztor/MOSFET munkapontja hol helyezkedik el az aktív tartományban. Ez összefügg azzal is, hogy egy félvezető szinuszos vezérlés esetén a szinusz mely tartományát vezérli.

Teljesítményerősítők A, B, AB, C, D (E, F) kategóriájú erősítők Analóg technikában A, B és AB D (AD, BD) osztályú erősítők kapcsolóüzemben Terhelés illesztése lehet: Közvetlen csatolt Kondenzátoros leválasztású Transzformátoros leválasztású D osztály nagyon jó hatásfok, de bonyolult felépítés jellemzi őket. Elterjedésük folyamatos elsősorban is a szórakoztató elektronikában.