2.ročník - Rutar

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 1Zesilovače a oscilátoryObsah:Zesilovače – rozdělení, základní pojmy a vlastnostiRozdělení zesilovačů dle pracovních třídRozdělení zesilovačů dle druhu vazby mezi jednotlivými stupni zesilovačeRozdělení zesilovačů dle zapojení tranzistorůNízkofrekvenční zesilovačeStabilizace pracovního boduVýkonové (koncové) zesilovačePracovní třídy výkonových zesilovačůZesilovače s IO, emitorový sledovač, Darlingtonův zesilovačZpětná vazbaVysokofrekvenční zesilovačeŠirokopásmové zesilovačeOscilátory – úvod, principOscilátory LCOscilátory RCOscilátory řízené krystalemRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 1

2Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryZesilovače - rozdělení, základní pojmy a vlastnosti-elektronické zařízení, které zesiluje elektrický signál (není to zdroj energie)-k práci potřebuje jiný zdroj, který doplňuje vstupní energii na výstupní, část přitom mění na ztrátové teplo-jde o čtyřpól, který má vstup a výstup-na vstupní svorky přivádíme signál, který chceme zesílit, na výstupu pak tento zesílený signál odebíráme-úkolem zesilovače je tak zesilovat vstupní elektrický signál-vstupní signál i zesílený výstupní signál mají určitou velikost napětí, mohou do obvodu dodávat určitý proud-součin proudu a napětí tvoří elektrický výkon, tudíž můžeme u el.signálu určit i výkon odevzdaný do zátěžeParametry zesilovače-udávají základní vlastnosti zesilovače-Zesílení-Nelineární zkreslení-Stabilita (odolnost proti rozkmitání)-Šířka pásma (kmitočtový rozsah, který je zesilovač schopen zesílit)Zesílení-udává kolikrát je signál na výstupu větší než signál na vstupu zesilovače-(kolikrát je vstupní signál na výstupu zesílen)-zesílení je bezrozměrová jednotka, bezrozměrné číslo-často se udává v decibelech [dB] y = log x x = 10 YZesílení zesilovače je vždy definováno poměrem změny výstupního napětí nebo proudu ke změně napětínebo proudu na vstupu.Je nutné si uvědomit, že se jedná o zesilování změn napětí, změn proudu, nikoliv pouze o zesilování napětí čio zesilování prouduZměna vstupního parametruAby zesilovač mohl pracovat, potřebuje přivádět el.energii z vnějšku. Ta se např. přivádí přes výstupní obvodzesilovače. Rovněž ke vstupu zesilovače je nutné přivádět další pomocné napětí, aby zesilovač mohl správněpracovat. Tato pomocná, ale pro funkci zesilovače nutná napájecí napětí, nemají s vlastním signálem, kterýchceme zesilovat, nic společného.Zesílení zesilovače je proto vždy definované poměrem změny amplitudy výstupního signálu (napětí, proudu)ke změně amplitudy vstupního signálu (napětí, proudu). Jde-li o střídavý signál, považujeme střídavé napětí(proud) za periodické změny a zesílení je analogicky dáno poměrem velikosti výstupního k velikosti vstupníhostřídavého signálu.2 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 3Zkreslení signáluDalším požadavkem na zesilovač je, aby průběh výstupního signálu byl přesně lineárně zvětšený obrazvstupního signálu (nebyl nějak zkreslený). Zesilovače však zesilují signál dostatečně lineárně jen za určitýchpodmínek. Čím více se zesilovač od těchto podmínek odchyluje, tím více se projeví nelinearita v zesílení.Říkáme, že zesilovač zkreslujeZkreslení je způsobeno nelinearitou aktivních součástek. Jednoduše řečeno se změnou vstupního napětí semění i zesílení. Toto tzv. nelineární zkreslení vykazuje každý zesilovač. Jeho velikost vyjadřuje tzv. činitelharmonického zkreslení k, který udává, kolik procent vyšších harmonických kmitočtů se po zesílenív původním signálu objevilo.Nelineární zkreslení např. zvukových (nf) zesilovačů bývá v rozmezí 0,1 až 5%. Zkreslení větší než 1% lze užrozeznat sluchem. Zesilovače třídy HiFi mají povoleno zkreslení max. 0,5%Zkreslení velmi závisí na amplitudě. Při zvětšování hlasitosti reprodukce zvuku se od určité meze zkreslenívelmi zvětšuje.Rozdělení zesilovačů-dle frekvencenf zesilovače, zpracovávají slyšitelné kmitočty (16Hz až 20kHz)vf zesilovače, zesilují jen určité frekvenční pásmo-dle velikosti vstupního signálupředzesilovače, zesilují signály malé úrovněvýkonové zesilovače, zesilují signály z předzesilovačů na požadovaný výkon-dle šířky přenášeného pásmaúzkopásmovéširokopásmové(šířka pásma je relativní, vztahuje se ke střednímu kmitočtu pásma)-dle pracovních třídzákladní jsou zesilovače třídy A, B, CRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 3

4Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryRozdělení zesilovačů dle pracovních tříd-rozdělení je dáno polohou pracovního bodu na převodní charakteristice tranzistoru-převodní charakteristika je závislost kolektorového proudu I k na proudu do báze I bZesilovač třídy A-má klidový pracovní bod umístěný v lineární části charakteristiky-výstupní proud Ik prochází tranzistorem po celou dobu trvání signálu-zesilovače mají malé zkreslení a všeobecné použitíZesilovač třídy B-má klidový pracovní bod umístěn v době zániku kolektorového proudu Ik-obvykle se používají v tzv. dvojčinném zapojení-(každý tranzistor zesiluje jednu polovinu periody signálu)-při nulovém signálu neprotéká žádný proud, proto má zesilovač třídy B velkou účinnost.Zesilovač třídy C-má pracovní bod pod zánikem kolektorového proudu Ik-(část signálu se tak ořízne a zbytek zesílí)-používá se tam, kde nám nevadí velké zkreslení, oddělovací stupně, omezovače4 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rozdělení zesilovačů dle druhu vazby mezi jednotlivými stupni zesilovače-rozeznáváme vazbu stejnosměrnou, transformátorovou, s RC členyRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 5Stejnosměrná vazba-báze následujícího tranzistoru je galvanicky spojená s kolektorovýmvýstupem předchozího stupněTransformátorová vazba-oba zesilovací stupně jsou galvanicky (stejnosměrně) oddělenyKapacitní vazba-vazební člen tvoří kondenzátor C V , který stejnosměrně odděluje obastupněRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 5

6Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryRozdělení zesilovačů dle zapojení tranzistoruZapojení SE (společný emitor)-má poměrně velký vstupní i výstupní odpor-velké napěťové, proudové a výkonové zesílení-používá se velmi často-používá se též jako tranzistorový spínačZapojení SB (společná báze)-má malý vstupní a velký výstupní odpor-velké napěťové a výkonové zesílení-malé proudové zesíleníZapojení SK (společný kolektor)-zapojení se nazývá emitorový sledovač (výstup z emitoru je ve fázi se vstupem)-se společným kolektorem proto, že vstup je do báze a výstup je z emitoru,proto musí být společný kolektor(kolektor je spojen se společným vodičem prostřednictvím napájecího zdroje)-velký vstupní a malý výstupní odpor-malé napěťové, velké proudové a výkonové zesíleníRozdělení zesilovačů dle zesilovacích prvků-rozeznáváme zesilovače elektronkové, tranzistorové (bipolární NPN, PNP a unipolární např. FET…),integrované (operační, výkonové zesilovače)6 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 7Nízkofrekvenční zesilovače-zesiluje kmitočty akustického rozsahu, pásmo slyšitelnosti (16Hz až 20kHz), používá se zesilovač třídy APopis:-vstup zesilovače tvoří svorky 1 a 1‘, na něž je přiveden signál určitého napětí ze střídavého zdroje-výstup tvoří svorky 2 a 2‘, na něž je připojena zátěž R Z-zdroj signálu, který chceme zesílit, je od zesilovače stejnosměrně oddělen vazební kapacitou C V1-zátěž R Z je od zesilovače rovněž stejnosměrně oddělena vazební kapacitou C V2-klidový pracovní bod P ve třídě A, je ve výstupních charakteristikách nastaven pomocí I K , U KE , I B-( I K -kolektorový proud, U KE -kolektorové napětí, I B -proud báze)-požadované hodnoty napětí a proudů se nastaví ve vstupním obvodu pomocí R B , ve výstupu pomocí R K a R E-obvody zesilovače prochází stejnosměrný proud a naměříme zde pouze stejnosměrná napětí-jedná se o stejnosměrné nastavení pracovního bodu, říkáme, že obvod se nachází ve statickém stavu-kapacita C E zajišťuje, že se emitorový rezistor R E pro střídavou složku emitorového proudu takřka neuplatníNastavení pracovního bodu-pracovní bod P leží na určité výstupní charakteristice použitého tranzistoru a na tzv. zatěžovací přímce-volba charakteristiky, neboli nastavení proudu do báze, je určena velikostí rezistoru R B-zatěžovací přímka určuje proudové a napěťové poměry kolektorového obvodu-pro kolektorový obvod můžeme dle II. Kirchhoffova zákona napsat rovnici U KK = R K .I K + U KE + R E .I E-jelikož platí, že I K ~ I E můžeme rovnici zjednodušit U KK = I K .(R K + R E ) + U KE-výraz vyjadřuje rovnici zatěžovací přímky-přímka je určena dvěma body, které stanovíme jako průsečíky přímky s osami U KE a I KZatěžovací přímkaBod A-mezní stav, tranzistor uzavřen → I K = 0-dosazením do rovnice zatěžovací přímky dostaneme→ U KE = U KK (čili souřadnice průsečíku s osou U KE )Bod B-mezní stav, tranzistor zkratován → U KE = 0-dosazením do rovnice zatěžovací přímky dostaneme→ I Kmax =U KK / (R K +R E ), (průsečík s osou I K )-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, jenž určuje klidový proud báze-I B se nastaví při napájecím napětí U KK pomocí rezistoru RBBDynamický stav-po připojení signálu, tedy střídavého napětí u 1 , se dle okamžité hodnoty signálu posouvá pracovní bod-(obvod se nachází v dynamickém stavu)-změna napětí báze-emitor ∆U BE vyvolá změnu proudu do báze I B-změna proudu I B vyvolá změnu kolektorového proudu ∆I K dle zatěžovací přímky-změna kolektorového proudu ∆I K pak vyvolá změnu kolektorového napětí ∆U KERutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 7

8Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryStabilizace pracovního bodu-poloha klidového pracovního bodu je neměnná, pokud je teplota okolí stálá-teplota okolí se však mění, navíc se tranzistor sám zahřívá průchodem kolektorového proudu I KVliv teploty-při změně teploty se posune pracovní bod po zatěžovací přímce a změní se tak kolektorový proud I KStabilizační obvod-kolísání pracovního bodu způsobuje změnu zesílení tranzistoru (proto používáme tzv. stabilizaci obvodu)-lineární a nelineární prvky stabilizačního obvodu jsou zapojeny tak, aby na nich vzniklé úbytky napětípůsobily proti změnám proudu, které jsou způsobeny změnami teplotyZpětnovazební stabilizační obvod-zpětné působení proti nějakému jevu se nazývá zpětná vazba-(proto v našem případě hovoříme o zpětnovazebním stabilizačním obvodu)-napětí U B0 je dáno děličem R B1 a R B2 ze stabilizovaného napájecího zdroje a je proto konstantní-platí U B0 = U BE + R E .I E-při zvýšení teploty tranzistoru se zvýší I K a I E-tím se zvýší U RE = R E .I E-U B0 je konstantní (stabilizovaný napájecí zdroj)-dle rovnice U B0 = U BE + R E .I E se tak musí snížit U BE-snížení napětí U BE vede ke zmenšení proudu báze I B-zmenšení proudu báze I B vyvolá snížení proudu I KStručně řečeno:Zvýšení I K vyvolá zpětnou vazbou jeho sníženíStabilizační obvod tedy způsobuje, že změna I K vyvolanázměnou teploty je menší než by byla v obvodu bezstabilizaceBezprostřední příčinou teplotní změny I K je změnazbytkového kolektorového proudu I KE0Jiný způsob stabilizace pracovního bodu-vzroste-li kolektorový proud I K poklesne napětí U KE-pokles napětí se přes zpětnovazební odpor R ZV přenese na bázi-tím poklesne i napětí U BE a to sníží kolektorový proud I K8 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 9Výkonové (koncové) zesilovače-zesilují signál z předzesilovačů na výkon požadovaný do zátěže-zátěž tvoří obyčejně reproduktorová soustava, ve které se elektrický výkon přemění na akustický-reproduktory se k zesilovači připojují pomocí výstupního transformátoru (VT)-dnes se stále častěji připojují už bez VT-používá se dvojčinné zapojení, tj. zesiluje se zvlášť kladná půlvlna signálu a zvlášť záporná půlvlna signálu-proto je nutné použít dva zesilovače třídy B pracující paralelněNa sekundárním vinutí transformátoru TR 1získáme dva symetrické signály fázověposunutých o 180°Při kladných půlvlnách se otevírá tranzistorT 1 , při záporných půlvlnách se otevírá T 2Ve výstupním transformátoru Tr 2 se obazesílené kolektorové proudy sečítajíTranzistorový invertor-vybudit tranzistory T 1 a T 2 můžeme i jinak-vstupní transformátor nahradíme tranzistorovým invertorem-napětí U 2 a U 2 ‘ mají rovněž opačnou fázi-výstupy z invertoru tak otevírají T 1 a T 2 stejně jako v předešlém zapojení-určitým zapojením lze nahradit i výstupní transformátor-použitím tzv. doplňkových (komplementárních) tranzistorů lze vynechat i invertorZesilovač bez výstupního transformátoru-je nutno použít dva naprosto stejné (parametricky) tranzistory-(stejné zesílení, výkon, odpor a ostatní parametry)-liší se pouze typem vodivosti (jeden je typu PNP, druhý NPN)-takovéto dvojici tranzistorů říkáme doplňkové (komplementární)-oba tranzistory jsou buzeny nesouměrně z jednoho bodu-kladná půlvlna vstupního signálu otevírá T 1 , T 2 je zavřený-procházející i 1 vytvoří na R Z zápornou půlvlnu výstupního napětí-(cesta proudu i 1 → + zdroj, RZ, C, T1, - zdroj)-záporná půlvlna výstupního napětí nabije kondenzátor C na →(- +)-záporná půlvlna vstupního napětí otevírá T 2 , T 1 je zavřený-C se začne vybíjet přes R Z a T 2 proudem i 2-proud i 2 vytvoří na R Z kladnou půlvlnu výstupního napětí-komplementární zapojení se používá pro výkony až desítky wattůRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 9

10Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryPracovní třídy výkonových zesilovačů-charakterizují chování tranzistoru ve funkci zesilovače, při konkrétním nastavení pracovního bodu-v podstatě jde o to, do jaké míry bude tranzistor v klidovém stavu (bez buzení) otevřen, případně uzavřen-pracovní bod se týká převodní charakteristiky tranzistoru-pracovní bod se po ní s časem pohybuje, v závislosti na okamžité úrovni a polaritě vstupního signálu.-názorněji to ukáže graf s převodní charakteristikou tranzistoru, znázorněnou v prvním kvartálu (vlevo nahoře)na obr. 1.109.-zidealizovaná přímka zde vyjadřuje vtah dvou veličin: kolektorového proudu I C a proudu báze I B-platí, že kolektorový proud je funkcí proudu báze-třídy rozeznáváme a označujeme velkými písmeny abecedy: A, B, AB, C, D, G, H, S, T-označení třídy svým způsobem definuje:bud' pracovní charakteristiku koncového stupně výkonového zesilovačenebo základní princip činnosti celého zesilovače-třídy se mohou dle potřeb ještě dále podrobněji dělitMalina slovník obrázek „třídy zesilovačů“Výkonový zesilovač ve třídě APracovní bod nastavíme do středu mezi max. a min. hodnotoukolektorového proudu I C , tj. do bodu A převodní charakteristiky-takto jsou nastaveny všechny napěťové zesilovače-pro ně je charakteristická velikost napětí na kolektoru tranzistoru-U C = poloviční napětí zdroje-tranzistorem teče trvale klidový proud-zesilovač při své činnosti signál nezkresluje-pracuje po celou periodu, tzn. je otevřen 360°V nf technice třídy A se v koncovém stupni používají výkonové součástky (bipolární tranzistory, MOSFET,elektronky atd.) obvykle v jednočinném zapojení a mají nastavený klidový proud takové velikosti, aby bylystále ve vodivém (neboli aktivním) stavu.Díky velkému klidovému proudu pracují výkonové součástky zhruba uprostřed své lineární pracovní oblasti(tranzistorem prochází proud po celou dobu periody vstupního střídavého signálu) a mají ze všech třídnejmenší zkreslení signálu.Velkou nevýhodou třídy A je velice malá energetická účinnost koncového stupně. Z toho vyplývá relativněvelký příkon, který se z větší části mění v teplo.Zesilovač vyžaduje velice robustní konstrukci s dobrým odvodem tepla zvýkonových součástek a jsou v něm kladeny značné nároky jak navýkonové součástky zesilovače, tak i na napájecí zdrojVýkonové zesilovače ve třídě A nejsou příliš rozšířeny, objevují se pouzena trhu High-End zařízení, kde se uvádí podíl zhruba 10 procent ze všechzesilovačů na spotřebitelském trhu..Výhody:- mají ze všech tříd nejmenší zkreslení signáluNevýhody:10 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 11- malá energetická účinnost koncového stupněVýkonový zesilovač ve třídě ABTranzistor je téměř uzavřen, teče jen nepatrný klidový proud. Pracovní bod je nastaven v dolní částicharakteristiky, do bodu AB. Tranzistor reaguje prakticky jen na jednu půlvlnu střídavého signálu (180°),podle své vodivosti. Proto v nf zesilovači jsou potřebné vždy dva tranzistory (dvojčinné zapojení). Účinnost,zesilovače je pak mnohem vyšší než ve třídě A-vf zesilovač se spokojí i s jedním tranzistorem, jestliže jev kolektoru zapojen rezonanční obvod-třída AB je kompromisním řešením mezi třídami A a B s tím,že má poněkud blíže ke třídě B-jedná se v podstatě o pracovní třídu B se zavedeným malýmklidovým proudem.-klidový proud sice nepatrně zvyšuje spotřebu a snižujeúčinnost, ale zdaleka ne tak, jako u zesilovačů třídy A-výhodou je naopak podstatné zmenšení přechodovéhozkreslení ve srovnání s výkonovými stupni ve třídě BZjednodušeně lze říci, že při malých signálech pracuje zesilovač třídy AB jako zesilovač ve třídě A a přivelkých signálech jako zesilovač ve třídě B se všemi výhodami z toho vyplývajícími (dobrou účinností a velmimalým nelineárním zkreslením)Z těchto důvodů se staly výkonové zesilovače pracující ve třídě AB nejoblíbenější a většina lineárníchzesilovačů na trhu jsou právě výkonové zesilovače ve třídě AB.Výhody:-podstatné zmenšení přechodového zkreslení ve srovnání s výkonovými stupni ve třídě B-dobrá účinnost a velmi malé nelineární zkresleníVýkonový zesilovač ve třídě BOd třídy AB se liší tím, že tranzistor je zcela uzavřen, neteče žádný klidový proud. Pracovní bod se pohybujev aktivní oblasti po dobu nejvýše 180°, zpracovává tak pouze jednu půlvlnu. V dvojčinném zapojení sloužítakový zesilovač v nf koncových stupních, jestliže se vhodným způsobem zamezí přechodovému zkreslení. Vevf technice nachází plné využití (lineární zesilovače SSB), podobně jako zesilovače třídy AB.V nf technice se v koncovém stupni tříd B používajívýkonové součástky ve dvojčinném zapojení a majínastavený nulový klidový proud.V jedné polovině koncového stupně jsou výkonovésoučástky aktivní pouze při kladné polaritězpracovávaného signálu a při záporné polaritě signálujsou nevodivé.Obě poloviny koncového stupně se tak v závislosti napolaritě nf signálu střídají v činnosti a vzájemně sedoplňují.Protože přechod z nevodivého do aktivního stavu je pouze pozvolný, jsou v okolí průchodu zpracovávanéhosignálu nulou výkonové součástky v obou polovinách koncového stupně téměř nevodivé a na průběhuvýstupního signálu tak vzniká jakýsi "schod"Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 11

12Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryVzniklé nelineární zkreslení signálu se nazývá přechodové, je velmi dobře slyšitelné a uplatní se zejména usignálů s malou amplitudou.Výhodou třídy B oproti třídě A je větší účinnost, bez signálu neodebírá koncový stupeň žádný proud. Přimalém signálu se proudový odběr jen pozvolna zvětšuje.Kvůli velkému zkreslení se výkonové zesilovače v čisté třídě B v nf technice téměř nepoužívají.Výhody:-oproti třídě A je podstatně větší účinnostNevýhody:-velké nelineární zkreslení signáluVýkonový zesilovač ve třídě CPro nf zapojení nemá význam, zato ve vf technice se dobře uplatní pro vysílače AM a FM. Tranzistor neníotevřen ani polovinu periody vstupního signálu (předpětí báze). Pracovní bod C se pohybuje v aktivní oblastipo mnohem kratší dobu než je 180° a nachází se na „prodloužené“ převodní charakteristice. Vzniklé zkreslenínení překážkou, jestliže je v kolektoru vf rezonanční obvod. Zesilovač vyžaduje větší budící signál, ale zároveňpracuje s nejvyšší účinností.Výkonové součástky zesilovače v této třídě mají nulový klidový proud a navíc mají zavedeno předpětí, které jedále zavírá. Proto přecházejí z nevodivého do aktivního stavu až ve špičkách vstupního signálu, jejichž velikostdosahuje řádu desítek procent napájecího napětí. Zkreslení výstupního signálu je proto ještě mnohemvýraznější než ve třídě B.Z tohoto důvodu jsou výkonové zesilovače ve třídě C v nf technice nepoužitelné. Používají se však vjednočinném i ve dvojčinném zapojení ve vysokofrekvenční technice ve vysílačích.Výkonový zesilovač ve třídě D-nepatří do kategorie lineárních zesilovačů-pro zpracování signálu používají techniku pulsně šířkové modulace PWM (Pulse Width Modulation)-často se užívá označení "digitální zesilovač"-velká účinnost, pohybující se zpravidla kolem 80 % a více(zesilovače odvozené od třídy B nedosahují účinnosti ani 50 % a účinnost zesilovačů ve třídě A je ještě horší)Velká účinnost vyplývá z toho, že koncové tranzistory (elektronky se nepoužívají) výkonového zesilovače vetřídě D pracují ve spínacím režimu (bud' jsou vypnuté nebo plně sepnuté).Nevýhoda, která vyplývá ze samotného principu činnosti, je sice ne velké, ale přece jen větší zkreslení, než seběžně dosahuje se zesilovači ve třídě A nebo AB. Pokud by mělo být zkreslení srovnatelné, vyžadovalo by todalší složitější obvodové řešení.Je však nutné si uvědomit, že výkonové zesilovače ve třídě D jsou ve srovnání s lineárními zesilovači ve tříděA nebo třídě AB relativně novou záležitostí a jsou tudíž stále ještě ve vývoji. Avšak už i dnes existujespousta digitálních výkonových zesilovačů, které mohou se svými staršími, lineárními konkurenty smělesoutěžit.Výkonové zesilovače ve třídě D zpracovávají analogový signál, jak již bylo výše uvedeno, s použitím technikypulsně šířkové modulace PWM, což je klíčem k dosažení extrémně velké účinnosti tohoto typu výkonovýchzesilovačů. Na výstupu zesilovače jsou pravoúhlé impulsy o vysokém kmitočtu s proměnnou šířkou, která neseinformaci o analogovém vstupním signálu.12 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 13Na obrázku je průběh signálu na výstupu digitálníhozesilovače ve třídě DObdélníkový průběh je před filtrací, sinusový pofiltraci výstupním filtremVýhody:-velká účinnost, pohybující se zpravidla kolem 80 % a víceNevýhody:-běžně větší zkreslení, než se dosahuje se zesilovači ve třídě A nebo třídě ABVýkonový zesilovač ve třídě GVýkonové zesilovače ve třídě G využívají zpravidla koncový stupeň ve třídě AB, takže se neliší v prácisamotného koncového stupně. Liší se však ve způsobu napájení koncových tranzistorů, které je dvou nebo ivícestupňové, což zjednodušeně znamená, že se velikost napájecího napětí koncového stupně přizpůsobujevelikosti požadovaného výstupního výkonu.Při menším výkonu pracuje koncový zesilovač s menším napájecím napětím, a když výstupní výkon přesáhneurčitou nastavenou velikost, je připojeno větší napájecí napětí, aby koncový stupeň mohl dodat větší výstupnívýkon.Výhodou pracovní třídy G je zvětšená účinnost oproti pracovní třídě AB a z toho odvozená menší hmotnost arozměry zesilovače. To vše za cenu poněkud složitějšího návrhu zapojení.Výhody:-zvětšená účinnost oproti pracovní třídě ABNevýhody:-složitější návrh zapojení.Výkonový zesilovač ve třídě HVýkonové zesilovače v této třídě mají stejný základ jako zesilovače ve třídě G, ale velikost napájecího napětíkoncového stupně se v tomto případě nemění skokově, nýbrž přesně sleduje velikost vstupního signálu.Napájecí napětí koncového stupně je tak drženo přesně na takové úrovni, jaká je potřebná pro zachovánísprávné činnosti výkonových součástek s ohledem na aktuální velikost požadovaného výstupního výkonu. Navýkonových součástkách zesilovače je tedy vždy konstantní úbytek napětí.Výhody:-ještě větší účinnost než u třídy GNevýhody:-značná složitost zapojeníRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 13

14Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryVýkonový zesilovač ve třídě STakto bývají dnes označovány modernější typy spínaných (neboli digitálních) výkonových zesilovačů, které seod třídy D liší tím, že díky implementaci novějších metod digitálního zpracování signálu již na výstupunepotřebují filtr LC k potlačení spínacího kmitočtu a dalších produktů spínání - tzv. spínané zesilovače"Filterless".Výhody:-velká účinnost, pohybující se zpravidla kolem 80 % a více-nepotřebují filtr LC k potlačení spínacího kmitočtuNevýhody:-běžně větší zkreslení, než se dosahuje se zesilovači ve třídě A nebo třídě ABVýkonový zesilovač ve třídě TVýkonové zesilovače ve třídě T tvoří principem činnosti a z toho vyplývajícími dosaženými parametry průlomv nelineárním, digitálním zpracování signálu.Výkonové zesilovače pracují na podobném principu jako zesilovače třídy D, ale s použitím vylepšeného avelice dobře propracovaného algoritmu řízení. Výsledkem je účinnost výkonového zesilovače kolem 90 % apředevším to, že zesilovače této třídy dosahují opravdu vynikajících zvukových parametrů.Firma Tripath Technology vyvinula speciální algoritmus pro modulaci zpracovávaného nízkofrekvenčníhovstupního signálu vzorkovacím signálem s vysokým kmitočtem. Technologie kombinuje analogové i digitálnízpracování signálů a celý algoritmus byl vyvinut na základě nejnovějších poznatků. Zmiňovaný originálníalgoritmus je odvozen od algoritmů využívaných zejména v signálových procesorech pro telekomunikace.Nf výkonové zesilovače s těmito obvody dosahují vynikajících kvalitativních parametrů, mezi něž v první řaděpatří velmi malé zkreslení a vysoká účinnost při dosažených velkých výstupních výkonech.Z velké účinnosti zesilovačů automaticky vyplývá řada dalších výhod, jako jsou minimální nároky na chlazenía následně i nižší náklady s tím spojené. Potřeba buď žádného, nebo jen velmi malého chladiče přispívá kcelkové robustnosti zesilovače a kompaktnosti řešení - odtud vynikající poměr objemu a váhy zesilovače kvýstupnímu výkonu. I cena je s ohledem na dosažené vynikající parametry poměrně nízká a celkové řešenísvým způsobem jednoduché.Řadu výkonových zesilovačů ve třídě T od firmy Tripath Technology tvoří v současné době více jak jednadesítka obvodů. První tři obvody (TA1101 B, TA2020-020 a TA2022) jsou úplné výkonové zesilovače, tedyvčetně koncového stupně s výkonovými tranzistory, které jsou součástí čipu integrovaného obvodu.Ostatní obvody (TA3020, TA0102A, TA0103A a TA0104A) koncový stupeň nemají a jejich výstupy fungujíjako "drivery", tj. budiče vnějších výkonových spínacích tranzistorů, které tak tvoří koncový stupeňvýkonového zesilovače.Výhody:-velmi vysoká účinnost výkonového zesilovače (kolem 90 %)-velmi malé zkreslení-možnost dosažení velkých výstupních výkonůNevýhody:-nevhodný návrh desky s plošnými spojí, rozmístění součástek či odchylky jejich parametrů mohou výraznědegradovat parametry celého zesilovače.14 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 15Zesilovače s IO, emitorový sledovač, Darlingtonův zesilovačIntegrovaný zesilovač-dnes se často používají výkonové nf integrované zesilovače-(MA0403, MBA810, MDA2010, 2020 atd.)-vnitřní zapojení bývá dosti složité-vnější součástky mají hlavně funkci filtrační-nebo chránící proti parazitním kmitům-v zapojení s MBA 810 je při výstupním napětí 60mV výstupní výkon5W do zátěže R Z =4ΩEmitorový sledovač-ze všech zapojení má největší vstupní impedancia nejmenší výstupní impedanci (i to je někdy výhodné)-nedochází k fázovému posunutí-fáze výstupního napětí U 2 je stejná jako u vstupního U 1Parametry vedlejšího obvodu:R vstup = 250kΩR výst = 5 až 100ΩA U = 0,9 (napěťové zesílení)A I = 20 až 100 (proudové zesílení)Darlingtonův zesilovač-vznikne kaskádním zapojením dvojice tranzistorů v zapojení SK-SK-podobně lze zapojit i Darlington v provedení tranzistorů PNP-vynikající impedanční vlastnosti a velké zesílení-parametry jsou výhodnější než u emitorového sledovače-kombinace obou tranzistorů se na vývodech chová jako jeden tranzistor-proudové zesílení h 21E je rovno násobku proudových zesílení obou tranzistorů: h 21E = h 21E (T 1 ) · h 21E (T 2 )-používá se ke zvětšení zesílení výkonových tranzistorů, které mívají proudové zesílení řádově desítkyPrincip:-přivedením proudu do bT 1 se T 1 pootevře-jeho kolektorový proud I C1 = I B · h 21E (T 1 ) teče do bT 2 , čímž se T 2 pootevře-kolektorový proud tranzistoru T 2 bude přibližně I C = I C2 = I C1 · h 21E (T 2 ) = I B · h 21E (T 1 ) · h 21E (T 2 )Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 15

16Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryZpětná vazba-zpětnou vazbou v zesilovací technice se rozumí přenesení části výstupního signálu znovu na vstup-takovýto zpětný přenos má podstatný vliv na vlastnosti zesilovačeVliv zpětné vazby na velikost zesílení-přenos celého zesilovače můžeme rozdělit na:Přímý přenos zesilovače(zesílení bez zpětné vazby)Zpětnovazební přenosPřenos celého zesilovače(zesílení se zpětnou vazbou)Zesílení zesilovače s kladnou zpětnou vazbouz obrázku vyplývá: u 1 = u 0 + u Z z toho u 0 = u 1 – u Z po dosazení za u Z = β.u 2 dostaneme výraza po vydělení čitatele a jmenovatele u 1 dostanemeneboli-součin přenosů zesilovače a zpětné vazby β.A U snižuje velikost jmenovatele v předcházejícím zlomku-proto bude nutně A U ‘ > A U , neboli tato tzv. kladná zpětná vazba zvyšuje zesílení zesilovačeZesílení zesilovače se zápornou zpětnou vazbouZ obrázku vyplývá: u 1 = u 0 - u Z(překřížením vodičů jsme přehodili výstup zpětnévazby, nastává tak jiná zpětná vazba, záporná)a výraz se změní na-součin přenosů zesilovače a zpětné vazby β.A U zvyšuje velikost jmenovatele v předcházejícím zlomku-proto bude nutně A U ‘ < A U , neboli tato tzv. záporná zpětná vazba snižuje zesílení zesilovače16 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Vlivy zpětné vazby na další vlastnosti zesilovačeKladná zpětná vazba-na vstupu se zpětnovazební signál sčítá se zesilovaným vstupním signálemZvyšuje se zesíleníZvětšuje se zkresleníZmenšuje se stabilita, může dojít k rozkmitání zesilovače (využito u oscilátorů)Záporná zpětná vazba-na vstupu se zpětnovazební signál odčítá od zesilovaného vstupního signáluZmenšuje se zesíleníZmenšuje se zkresleníZlepšuje se stabilitaZvětšuje se šířka pásma (kmitočtový rozsah, který je zesilovač schopen zesílit)Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 17Příklady zapojení obvodů se zpětnou vazbou v zesilovačíchProudová zpětná vazba-zpětnovazební napětí UZ se vytváří na rezistoru RE při vynechání CE-zpětná vazba je úměrná kolektorovému proudu (proto se nazývá proudová)Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 17

18Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryVysokofrekvenční zesilovače-zesilují elektrické signály jen v určitém, přesně stanoveném frekvenčním pásmu-signály s frekvencí mimo toto pásmo jsou potlačeny-využívá se vlastností paralelního rezonančního (laděného) obvoduVf zesilovače můžeme rozdělit na:Kanálové:-zpracovávají signály určité frekvence s nejbližším okolím. (např. potřebné k přenosu jedné stanice)Pásmové:-určité pásmo kanálů ( VKV I,VKV II, UHF, VHF)Širokopásmové:-všechna pásma, využívá vlastností paralelního rezonančního obvodu-některé příkladyVf zesilovač s jednoduchým laděným obvodemParalelní rezonanční obvod tvoří selektivní zátěž, kteráje naladěná na střední frekvenci zesilovaného frekvenčního pásmaStejnosměrný pracovní bod je nastaven R B1 , R B2a R E . R V je vstupní odpor následujícího obvoduImpedance laděného obvodu je veličina frekvenčně závislá,která ve stavu rezonance nabývá maximaa má určitý reálný charakterZesílení zesilovače určuje jednak zesílení tranzistoru T,ale i rezonanční impedance laděného obvoduČinitel jakosti tohoto obvodu určuje šířku přenášeného pásmaZesílení je největší ve středu pásma,tj. pro rezonanční kmitočet dle Thomsonova vzorce, pro nižší a vyšší frekvence klesáŠířka pásma je dána poklesem zesílení o -3dB na každou stranuod rezonanční frekvencePopsaný zesilovač se značně liší od požadovaného (ideálního) stavuPři velkém činiteli jakosti Q je malá šířka přenášeného pásmaa při malém Q je nevyhovující selektivita(neostrý přechod mezi potlačenými a požadovanými kmitočty)18 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 19Vázané rezonanční obvodyPro výše uvedené důvody se u jakostnějších vfzesilovačů používají tzv. vázané rezonančníobvodyJde o vf zesilovač s větší šířkou pásmaPřenos energie ze vstupního do výstupního obvoduurčuje činitel vazby mezi rezonančními obvody,které lze nastavit vzájemnou indukčnost MStupeň vazby upravuje tvar rezonanční křivky natzv. vazbu kritickou, nadkritickou a podkritickouNejvětší šířka pásma je u vazby nadkritickéI zde jsou vlastnosti zesilovače dány zesílenímtranzistorů, ale i vázanými laděnými obvodyPomocí odboček na vinutí laděného obvodu sezmenšuje tlumící vliv tranzistoru na laděný obvodRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 19

20Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryŠirokopásmové zesilovače-šířka pásma zesilovaných frekvencí je podstatně větší než u běžných zesilovačů-v osciloskopech, v TV jako obrazové zesilovače se šířkou pásma 6MHz, v přijímačích radiolokátorů atd.-rozdělují se na širokopásmové zesilovače:-s nosnou frekvencí-bez nosné frekvenceŠirokopásmové zesilovače s nosnou frekvencí-nejjednodušší provedení představuje vícestupňový vf zesilovač s jednoduchými laděnými obvody mezi stupni-všechny laděné obvody jsou nastaveny na stejnou frekvenci-nazývají se také souběžně laděné-šířka pásma se dosáhne tlumením laděných obvodů-(přídavnými tlumícími rezistory)-počet stupňů určuje zesílení zesilovače-s počtem stupňů ale klesá šířka pásma (asi 1MHz)Šířku pásma je možné zvětšit tak,že naladíme obvody jednotlivých zesilovacích stupňůna různé frekvence, vzhledem ke středu pásmaTakový zesilovač se nazývá rozloženě laděnýPřenosové charakteristiky dvoustupňového zesilovače tohoto typu je na obrázkuŠirokopásmové zesilovače bez nosné frekvence-tento druh zesilovačů má rovnoměrně zesilovat signály o frekvenci několika Hz až několik MHz-nejčastěji se používají pro zesílení obrazového signálu v TV technice, proto se také nazývají videozesilovače-základní zapojení představuje zesilovač s vazbou s členy RC-při malé hodnotě zatěžovacího rezistoru a se zápornou zpětnou vazbou-takový zesilovač rovnoměrně zesiluje obrazové signály v dosti širokém frekvenčním pásmuPokles přenosu signálů vysokých frekvencí, způsobených parazitními kapacitami tranzistorů a spojů, sekompenzuje obvody s cívkami a kondenzátory a pomocí rozdělení zatěžovacího rezistoru (pomocí tzv.kompenzačních obvodů).20 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 21Oscilátory-zdroj střídavého napětí, jehož frekvence je určena vnitřními součástkami-nezpracovává žádný signál, je sám zdrojem signáluZesílení oscilátoru:Zesílení zesilovačePřenos zpětné vazbyZesílení zesilovače se zpětnou vazbouA po dosazeníZesilovač jako oscilátor-výsledek předcházejícího výpočtu dokazuje, že zesílení výše zapojeného zesilovače roste nade všechny meze-ze zesilovače se vlivem kladné zpětné vazby stává oscilátor-nárůst amplitudy je omezen zakřivením charakteristiky tranzistoru-pro trvalé kmitání oscilátoru musí být splněna amplitudoví a fázová podmínkyAmplitudová podmínkaβ.A U = 1 → přenos zpětnovazební smyčky se musí rovnat jednéFázová podmínkaφ A + φ B = 2π → φ A fázový posun tranzistoru, φ B fázový posun zpětné vazbyDruhy oscilátorů-oscilátory rozlišujeme podle:druhu řídícího obvodu (podle součástek v obvodu zpětné vazby β)frekvence (nf a vf)tvaru kmitů (sinusové→LC, RC, řízené krystalem, nesinusové→pilovité, blokující, klopné obvody, aj.)Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 21

22Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátoryOscilátory LCS induktivní vazbou-řídící rezonanční obvod je zapojen přímo na výstup zesilovače-vstup zesilovače je induktivně vázán s řídícím rezonančním obvodem-po zapnutí napájení se prudce zvyšuje proud v cívce L-zvyšování proudu vyvolá indukcí zvýšení proudu do bT-zvýšení I B zvýší I K-zvýšení I K přes indukční vazbu opět zvyšuje I B-zastavení nárůstu nastane až nasyceným stavem tranzistoru-(vlivem zakřivení charakteristik tranzistoru)-tím nastane nepatrné snížení I K-snížení I K vyvolá vlivem kladné zpětné vazby snížení I B-a stejný děj včetně nasycení se opakuje opačným směrem-(záporná část kmitu)-v rezonančním obvodu tak vzniká sinusový průběh kmitů-oscilátor kmitá na rezonanční frekvenci dle Thomsonova vzorceV tříbodovém zapojení-obvodově nejednodušší jsou tyto dva druhy-indukční větev paralelního rezonančního obvodu je provedena jako dělič napětí-rezonanční obvod (jako dělič napětí) je k tranzistoru připojen ve třech bodech-rezonanční obvod tvoří zpětnovazební řídící obvod-princip je stejný jako u Hartleyova oscilátoru-pouze dělič napětí je tvořen kapacitní větví paralelního rezonančního obvoduKvalita sinusových oscilátorů se posuzuje dle stability frekvence kmitů (neměnnost kmitočtu)Stabilita se vyjadřuje poměrem ∆f / f 0 a bývá pro uvedená zapojení řádově 10 -322 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory

Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 23Oscilátory RC-mají zpětnou vazbu (řídící obvod) vytvořenou kombinací R a C-frekvence oscilátoru je dána hodnotami R a C-jejich výhodou je jednoduchost-nemají v zapojení indukčnost (obtížně se vždy realizuje)-řídící obvod tvoří tři derivační články (C 1 R 1 , C 2 R 2 , C 3 R 3 )-každý z nich posunuje fázi svého výstupního napětí o 60°-tranzistor posouvá fázi o 180°-fázová podmínka φ A + φ B = 2π je splněnaOscilátory řízené krystalem-splňují požadavek na vysokou stabilitu a přesnost-zapojení využívá piezoelektrických vlastností výbrusu krystalu křemene-křemenný výbrus (zkráceně krystal) se přiloženým napětím deformuje-a naopak, budu-li ho mechanicky deformovat objeví se na jeho polepech napětí-v elektrickém obvodu se chová jako rezonanční obvod-jeho náhradní schéma je vpravo na obrázku-kapacita C R a cívka L R tvoří sériový rezonanční obvod, jehož ztráty vyjadřuje odpor R R-kapacita C P představuje kapacitu polepů krystalu a jeho vývodů-z náhradního zapojení plyne, že krystal má dvě rezonanční frekvence-pro obvod sériový a pro obvod paralelní-tomu odpovídající průběh impedance v závislosti na kmitočtu ukazuje další obrázek-při frekvenci f S je impedance krystalu nejmenší-krystal se chová jako sériový rezonanční obvod-zvyšováním frekvence impedance prudce narůstá, při f P dosáhne maxima-krystal se chová jako paralelní rezonanční obvod-další zvyšování frekvence vede k prudkému poklesu impedance-činitel jakosti Q krystalu je neobyčejně vysoký (10 4 až 10 6 )-řádově tedy 100x až 10.000x větší než u obvodů LC-kmitočet krystalových oscilátorů je rovněž mnohonásobně stabilnější-dosahuje stability 10 -5 až 10 -7 , ve speciálních případech až 10 -9-stabilita 10 -7 znamená, že při kmitočtu 1MHz je odchylka nejvýše ±0,1 Hz od jmenovitého kmitočtuIndukčnost cívky L R v náhradním zapojení krystalu je velká a kapacita C R je zase velmi malá. Má-li být protokmitočet obvodu zásadně určen krystalem, musí se zapojit tak, aby jeho impedance měla indukční charakter.To splňují již jednoduché oscilátory z následujících obrázkůRutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory 23

24Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory-nejjednodušší možné zapojení oscilátoru řízeného krystalem-tranzistor je v zapojení SE-tříbodové zapojení, ve kterém krystal představuje induktivní reaktanci-vytváří rezonanční obvod s paralelně připojenými dělenými kapacitami-tranzistor je v zapojení SK-aby měl krystal induktivní charakter musí frekvence generovaných kmitůležet mezi frekvencemi f S a f POscilátory řízené krystalem se používají tam, kde je zapotřebí dlouhodobě dodržet kmitočet s velkou přesností(kmitavý normál ve vysílačích, počítačích, přesných hodinkách atd.)Činitel jakosti krystalu Q je vysoký, stabilní kmitočet (1MHz ±0,1Hz)24 Rutar Jaromír, Zesilovače a oscilátory