Elektronické skriptum

Elektronické obvody
Ing. Pavel Kobrle
Studijní text pro předmět Elektronika a sdělovací technika.
Materiál je určen výhradně pro třídu A3 SPŠ UL, školní rok 2013/14.
Je zakázáno kopírování a jakékoliv použití bez svolení autora.
16. Klasické síťové napájecí zdroje
Síťové zdroje jsou zdroje stejnosměrného napětí pro napájení různých elektronických obvodů.
Vstup se připojuje obvykle na jednofázovou síť 230V, 50Hz, výjimečně trojfázovou.
Výstup je stejnosměrný, velikost napětí je podle potřeby.
Základní skupiny síťových zdrojů:
Klasické napájecí zdroje: obsahují transformátor na 50 Hz, usměrňovač a doplňkové výstupní obvody; transformátor bývá
rozměrný, těžký a drahý.
Spínané napájecí zdroje: modernější, pracují ve spínacím (impulsním) režimu, mají menší rozměry a vyšší účinnost.
KLASICKÉ SÍŤOVÉ NAPÁJECÍ ZDROJE
Rozdělení podle různých hledisek:
podle počtu fází: jednofázové (1f), trojfázové (3f);
podle počtu pulsů za jednu periodu: jednopulsní, dvoupulsní, trojpulsní, šestipulsní;
podle směru proudu ve vinutí transformátoru: jednocestné (proud teče jen jedním směrem, vzniká stejnosměrná
magnetizace magnetického obvodu transformátoru, ten je hůře využit), dvoucestné (proud teče oběma směry).
JEDNOFÁZOVÁ ZAPOJENÍ
Jednopulsní jednocestné zapojení
Transformátor pracuje jen v jedné půlperiodě.
Výstupní napětí je pulsující, což není vhodné
pro zátěž.
Dvoupulsní jednocestné zapojení
Musí
být
vyvedený
střed
transformátoru. V každé půlperiodě
pracuje vždy jen jedna polovina
výstupního vinutí.
Na výstupu je pouze poloviční
amplituda
oproti
můstkovému
zapojení (při stejném převodu
transformátoru).
Dvoupulsní dvoucestné zapojení
Též Graetzův můstek, můstkové
zapojení, jednofázový můstek.
Střídavě vedou diody D1, D4 a D2, D3.
Výstupním vinutím transformátoru teče
proud oběma směry, proto dvoucestné
zapojení.
Jde
o
nejvýhodnější
jednofázové zapojení – používá se
nejvíce. Výstupní napětí nicméně
(v základním zapojení) pulsuje.
Zapojení můstkového usměrňovače pro získání symetrického napětí:
Poskytuje kladné a záporné napětí proti zemi. Kapacitní dělič slouží
současně k vyhlazení napětí (viz dále).
Užití: jako dvojitý zdroj napětí pro napájení mnohých integrovaných
obvodů, např. operačních zesilovačů (OZ).
© Ing. Pavel Kobrle
2
2014
TROJFÁZOVÁ ZAPOJENÍ
Vyskytují se jen ve zdrojích velkých výkonů
napájených z trojfázové sítě. Prakticky připadá
v úvahu jen trojfázové šestipulsní dvoucestné
zapojení, tedy trojfázový můstek.
Vedou vždy dvě diody, jedna z horní a jedna
z dolní skupiny, příslušející k fázím, jejichž
okamžitá hodnota napětí je nejkladnější a
nejzápornější.
Trojfázový můstek osazený tyristory či nověji
IGBT tranzistory je základním zapojením
usměrňovačů a také střídačů ve výkonové
elektronice.
DIMENZOVÁNÍ TRANSFORMÁTORU A USMĚRŇOVAČE
Transformátor
Navrhuje se zdánlivý výkon S, průřez magnetického obvodu S Fe, počet závitů N1, N2 a průřez vinutí SCu.
zdánlivý výkon S = k.UAV.IAV [VA]
k je konstanta závislá na zapojení, např. pro jednofázový můstek má hodnotu 1,11; U AV a IAV jsou střední (stejnosměrné)
hodnoty na výstupu usměrňovače požadované zátěží.
Příklad: UAV = 24 V; IAV = 1,5 A => S = 1,11.24.1,5 = 40 VA
1,2 S [cm2; VA]
počet závitů N1 se spočítá podle transformátorové rovnice U1 4,44 B.S Fe . f .N1 , kde f = 50 Hz, U = 230 V, B volíme
průřez železa se navrhne podle empirického vzorce, např. S Fe
1,2 – 1,5 T.
počet závitů N2 se určí z rovnice pro převod
N1
N2
U1
, kde U2 je efektivní hodnota napětí na výstupu transformátoru;
U2
např. jednofázový můstek má U2 = 1,11 UAV, ale vyhlazené výstupní napětí (viz dále) je vyšší, než je efektivní hodnota U2,
může se blížit amplitudě U2m, pak potřebné
U 2TR
1,11
U AV ; závitů se však obvykle navrhuje o něco víc (např. o 5%)
2
s ohledem na úbytek napětí při zatížení.
průřezy vodičů se navrhují podle proudů obou vinutí pro doporučenou proudovou hustotu, např. J = 5 A/mm 2.
Usměrňovač
Navrhuje se IFM a URM diod (maximální propustný proud, maximální závěrné napětí).
Pro jednofázový můstek platí:
IAV = IFM;
URM = 1,41 UAV, navrhujeme ho však s několikanásobnou rezervou kvůli přepětí.
DOPLŇKOVÉ OBVODY A VLASTNOSTI JEDNOFÁZOVÉHO MŮSTKU
Výstupní napětí usměrňovače je pulsující, zatímco požadavek s ohledem na zátěž je napětí co nejvíce vyhlazené.
Vyhlazení napětí se dosáhne:
vyhlazovacím či sběracím kondenzátorem C0
navíc použitím filtru
Zapojení se sběracím kondenzátorem
Napětí na výstupu usměrňovače je znázorněno modře.
Interval a: zdrojem je transformátor a usměrňovač, současně se dobíjí C 0.
Interval b: zdrojem je C0, transformátorem a usměrňovačem proud neteče.
© Ing. Pavel Kobrle
3
2014
ΔU je rozdíl mezi amplitudou na výstupu usměrňovače a minimální hodnotou na výstupu C 0 (kolísání napětí na výstupu);
častěji se vyjadřuje spíše efektivní hodnota střídavé složky U s.
Úhel otevření usměrňovače 2α0 – úhel, během něhož v jedné periodě usměrňovač vede proud. 2
a
0
a
b
360 
2a
360 
T
Výpočet C0 – požadovaná kapacita C0 bývá velmi veliká, používají se proto elektrolytické kondenzátory.
Přibližný výpočet: C0
I
2. f . U
I
[F]
100. U
Zapojení s filtry
Filtry slouží k dalšímu vyhlazení výstupního napětí. Jsou LC nebo RC.
Na LC filtru (obrázek) vzniká na tlumivce menší úbytek napětí při zatížení než na rezistoru v RC filtru. Zdroj má tvrdší
zatěžovací charakteristiku. Tlumivka je však složitější součástka než rezistor.
Zavádějí se tyto činitele:
US2
100% ; UAV je výstupní stejnosměrné
U AV
napětí, US2 efektivní hodnota střídavé složky napětí na zátěži čili za filtrem. Kvalitní zdroje mívají činitel zvlnění jen
tisíciny až setiny procent.
činitel zvlnění výstupního napětí: charakterizuje kvalitu výstupního napětí.
činitel vyhlazení filtru
v
U S1
U S2
zv
. Charakterizuje filtr, udává, kolikrát se filtrováním zmenší střídavá složka (vždy je
větší než 1). US1, US2 jsou efektivní hodnoty střídavých složek před filtrem a za filtrem.
Výstupní (zatěžovací) charakteristiky zdroje
Úbytek napětí při zatížení vzniká v transformátoru, na diodách a na tlumivce či rezistoru filtru.
© Ing. Pavel Kobrle
4
2014
17. Spínané zdroje
V současnosti již převažují nad klasickými napájecími zdroji. Vlastnosti:
pracují ve spínacím režimu s vyšší frekvencí (desítky až stovky kHz), spínacím prvkem je obvykle tranzistor
mají mnohem menší rozměry - neobsahují velký a drahý transformátor
mají vyšší účinnost než klasické zdroje
pomaleji reagují na změnu zátěže, může být problematický chod naprázdno a zkrat
jsou zdrojem rušení
OBECNÉ BLOKOVÉ SCHÉMA SPÍNANÉHO ZDROJE (MĚNIČE):
vstupní odrušovací filtr F1 – usměrňovač – vyhlazovací filtr F2 – spínací prvek (unipolární, bipolární či IGBT tranzistor) –
oddělovací vf transformátor – usměrňovač – výstupní filtr F3
Existuje mnoho různých zapojení měničů. Z nich uvedeme příklady:
blokující měnič (flyback converter) jednočinný
propustný měnič jednočinný (forward converter) a dvojčinný (push – pull).
BLOKUJÍCÍ MĚNIČ JEDNOČINNÝ
Princip
Takt 1: spínač S (tranzistor) se sepne – proud (modře) protéká L, narůstá, magnetický
tok v L roste, L hromadí energie (v mag. poli), L indukuje protinapětí; zdrojem pro
zátěž je pouze C0, napětí a proud zátěže roste.
Takt 2: S se rozepne – L se brání změně a indukuje napětí v opačném směru (červeně),
stává se zdrojem a protlačuje proud původním směrem, ten může téci jen přes D do
výstupu - do zátěže Rz a do C0, který se dobíjí, energie z L se přenáší na výstup, napětí a
proud zátěže klesá.
Praktické zapojení
Je nutné galvanické oddělení od sítě a obvykle značné snížení napětí (z usměrněného
síťového např. na 5 V), což zajistí transformátor TR.
Takt 1: T se sepne – proud teče primárním vinutím TR a mag. tok roste, do obou vinutí
TR se indukuje napětí (+ u tečky), energie se hromadí v mg. obvodu, zdrojem proudu
zátěže je pouze C0 (modře).
Takt 2: T se rozepne – V obou vinutích se indukuje napětí (– u tečky), sekundárním
vinutím TR teče proud přes D (červeně) do zátěže a C0, tok klesá, energie mg. se přelévá
do výstupu.
Podle velikosti zatížení může být provoz přerušovaný a nepřerušovaný. Výhodnější je
nepřerušovaný (při větším zatížení – na obr. průběhy proudů primárního a sekundárního
vinutí), kdy tok neklesá na nulu, jinak dochází k zákmitům ui.
Vlastnosti
použití do maximálního výkonu 100 – 200 W (pro menší výkony)
transformátor musí mít vzduchovou mezeru (větší obsah energie ve
vzduchu než ve feritu)
relativně jednoduché zapojení - je potřeba pouze jedna induktivní
součástka (transformátor)
poněkud nižší účinnost oproti ostatním druhům
PROPUSTNÝ MĚNIČ JEDNOČINNÝ
Princip
Takt 1: S se sepne – proud (modře) teče do zátěže a C0, L indukuje
protinapětí a její mag. tok roste; část energie se hromadí v mag. poli a
část přechází do zátěže a do C0, napětí a proud zátěže roste.
Takt 2: S se rozepne – L indukuje napětí v opačném směru (červeně),
stává se zdrojem, protlačuje proud přes zátěž a diodu, energie mag.
pole se předává se do zátěže; C0 podporuje L a je rovněž zdrojem,
napětí a proud zátěže klesá.
© Ing. Pavel Kobrle
5
2014
Praktické zapojení
Takt 1: T se sepne – ve vinutí 1 narůstá proud,
do vinutí 1 i 2 se indukuje napětí (+ u tečky), do
zátěže teče proud přes D1 (modře), L hromadí
energii, C0 se dobíjí.
Takt 2: T se rozepne – ve vinutích 1 i 2 se
indukuje opačné napětí (– u tečky), vinutím 2
(ani 1) proud neteče, L indukuje napětí (+
vpravo), proud z L podporovaný proudem z C0
teče do zátěže a uzavírá se přes D2 (červeně).
Demagnetizační vinutí 3 indukuje rovněž
napětí; v taktu 2 (– u tečky) z něj do zdroje teče
proud přes D3 (zeleně) a tím se zajistí
demagnetizace - pokles toku na nulu (je třeba,
aby před dalším sepnutím T byl tok TR nulový).
Vlastnosti
použití do maximálního výkonu asi 500 W (pro střední výkony), vyskytuje se poměrně zřídka
transformátor musí mít tři vinutí
jsou potřeba dvě induktivní součástky, akumulační L musí být poměrně veliká
má vyšší účinnost než jednočinný blokující měnič
PROPUSTNÝ MĚNIČ DVOJČINNÝ
Princip
Takt 1: T2 se sepne – ve vinutí 2 narůstá proud, do
vinutí 3 se indukuje napětí (+ u tečky), do zátěže teče
proud přes D1, v L se hromadí energie a indukuje
protinapětí (vlevo +), C0 se dobíjí.
Takt 2: T2 se rozepne – L indukuje napětí v opačném
směru a protlačuje proud zátěž, přes vinutí 4 a D 2.
Navíc se do vinutí 4 indukuje napětí (– u tečky),
které podporuje tok proudu, a trafo se demagnetizuje.
Takty 3 a 4: tranzistory, části vinutí a diody si
vymění funkce: T1 se sepne – ve vinutí 1 roste proud,
do vinutí 4 se indukuje napětí (- u tečky), do zátěže
teče proud přes D2, T1 se vypne, proud teče přes
vinutí 3 a D1 atd.
Vlastnosti
použití do výkonu až jednotek kW
transformátor musí mít vyvedené středy obou vinutí, nepotřebuje však demagnetizační vinutí
jsou potřeba dvě induktivní součástky
má vysokou účinnost i maximální výkon
řízení je poměrně složité
ŘÍDÍCÍ OBVODY SPÍNANÝCH ZDROJŮ
Úkol: udržovat výstupní napětí na žádané hodnotě, zamezit nedovolenému nárůstu proudu.
Základní principy regulace (na obr. průběh primárního proudu blokujícího jednočinného měniče):
Změna doby sepnutí tON při konstantní době vypnutí tOFF spínacího prvku a při proměnné periodě spínání T.
Změna tOFF při konstantní tON a proměnné T.
Změna poměru tON a tOFF při konstantní T. Tento způsob je nejvýhodnější pro využití akumulačního prvku, tj.
transformátoru a tlumivky.
© Ing. Pavel Kobrle
6
2014
18. Násobiče napětí, střídače a zdroje nepřerušovaného napájení
NÁSOBIČE NAPĚTÍ
Jsou to zdroje celistvého násobku napětí transformátoru či jiného střídavého napětí. Nesou názvy podle svých tvůrců, jako např.
Grenacher, Delon, Villard.
Vlastnosti:
Jsou velmi měkké, nelze je zatížit vyššími výkony.
Jsou levnější než zdroje vysokého napětí s výstupním transformátorem.
GREINACHERŮV ZDVOJOVAČ
Činnost (obr. vlevo): v kladné půlperiodě se nabíjí C1 přes D1 na Um zdroje (výstupu transformátoru), v záporné pak C2 přes D2
taktéž. Výstupní napětí je proto 2Um.
KASKÁDNÍ DELONŮV NÁSOBIČ NAPĚTÍ
Činnost (obr. vpravo): v kladné půlperiodě napětí zdroje (červeně) se nabíjí C1 přes D1 na Um, při záporné C2 přes D2 na 2Um
(protože C1 je již nabitý na Um a je se zdrojem v sérii). V další půlperiodě se nabíjí C3 přes D3 na 2Um, protože trafo má +Um a
je v sérii s C2 s napětím +2Um a opačně nabitým C1 -1Um. Všechny další případné C se nabijí na 2U m a z různých bodů
výstupního obvodu lze odebírat sudé a liché násobky Um.
Použití
elektrostatické filtry pro odstranění prachu (např. popílku v tepelných elektrárnách); elektrostatické stříkání barev; zkoušky
izolace vysokým napětím; ionizace vzduchu, tvorba O3; lapače hmyzu; laboratorní účely
STŘÍDAČE
Slouží k napájení spotřebičů určených pro střídavou síť z akumulátorů. Jsou také součástí zdrojů nepřerušovaného napájení
(UPS).
MŮSTKOVÝ STŘÍDAČ
Obvyklé je můstkové zapojení se spínacími tranzistory V1 – V4 a zpětnými diodami V01 – V04.
Průběh výstupního napětí je různý podle požadavků zátěže.
Nejjednodušší je obdélníkový průběh, kdy se střídají ve vedení proudu pravidelně dvojice spínacích tranzistorů V1, V4
a V2, V3. Zpětné diody slouží k vedení proudu zpět do zdroje v případě, že zátěž obsahuje indukčnost.
Ve střídačích s pulsně šířkovou modulací (PWM) se pracuje s vysokou frekvencí spínání. Perioda T spínacího cyklu je
stálá, ale mění se střída (poměr dob sepnutí obou dvojic tranzistorů) takovým způsobem, aby střední hodnota výstupního
obdélníkového napětí v každé periodě T byla co nejblíže sinusovce žádaného výstupního napětí, tj. většinou 230 V, 50 Hz
(obr. vlevo).
Pro
trojfázovou zátěž se používá střídač zapojený do trojfázového můstku.
© Ing. Pavel Kobrle
7
2014
ZDROJE NEPŘERUŠOVANÉHO NAPÁJENÍ
UPS (Uninterruptible Power Source).
Jejich účelem je zajištění nepřetržité dodávky el. energie při výpadku sítě. Obvykle zvládají výpadek v řádu jednotek až desítek
minut v závislosti na kapacitě akumulátoru a odběru zátěže. Delší výpadky je nutno řešit motorgenerátorem.
UPS se zapojují mezi síť a napájené zařízení. Mohou nejen eliminovat výpadek napájení, ale také (v závislosti na druhu)
dlouhodobé podpětí či přepětí, kolísání frekvence, rušení či harmonické zkreslení.
Označování UPS je podle zkratek V – voltage, F – frequency, I nebo D – independent nezávislý, dependent závislý.
OFF-LINE – VFD
Při běžném provozu se napájí zařízení ze sítě (přes S1), při výpadku
z akumulátoru AKU přes střídač STŘ a S2. Akumulátor se nabíjí přes
usměrňovač USČ.
(+) Jednoduché zařízení a nejlepší účinnost.
(-) Napětí a kmitočet kolísá dle sítě. Krátký výpadek kvůli přepínání při
výpadku (v řádu jednotek ms).
LINE INTERACTIVE – VI
Při běžném provozu se napájí zátěž ze sítě přes S1 a regulátor napětí (např.
autotransformátor ATR s automatickým přepínáním odboček), aby se
kompenzovalo kolísání napětí sítě. Při výpadku sítě pak z akumulátoru přes
střídač a S2. Akumulátor se nabíjí přes usměrňovač.
(+) Poměrně jednoduché zařízení, vcelku dobrá účinnost, nezávislost napětí
na zátěži a na kolísání v síti. Krátký výpadek při přepínání. Chrání zátěž
před přepětím a podpětím.
ON-LINE S DVOJÍ KONVERZÍ - VFI
Za normálního provozu se energie dodává přes S1, usměrňovač a
střídač. Bypass (obtok) přes S2 se použije jen v případě poruchy.
Užívají se u nejnáročnějších zařízení.
(+) Výstupní napětí a kmitočet jsou stálé a nezávislé na síti,
přepnutí režimu je okamžité.
(-) Nižší účinnost a vyšší cena.
ON-LINE S DELTA KONVERZÍ - VI
Výkon do zátěže a pro dobíjení akumulátoru se dodává přes
tzv. delta převodník PŘ. Přes střídač přichází do zátěže jen
ta část výkonu, která případně chybí (kompenzují se vyšší
harmonické). Při výpadku sítě celý výkon dodává střídač.
Vhodné pro nejvyšší výkony.
(+) Podstatně lepší účinnost, než on line s dvojí konverzí,
okamžité přepnutí.
Příklad klasifikace UPS
VFI-SY-333
SY značí tvar výstupního napětí za běžného provozu a při výpadku (S – sinusový, Y - nesinusový)
333 je kód pro dynamické chování výstupu a rychlost reakce při výpadcích sítě
Použití UPS:
telekomunikační zařízení; počítačové systémy; systémy zajišťující chod letišť; nemocniční přístroje
© Ing. Pavel Kobrle
8
2014
19. Stabilizátory napětí
Mají za účel udržovat na zátěži konstantní napětí bez ohledu na velikost zatížení (proudu) a kolísání napětí zdroje.
Mohou mít i ochranu proti překročení maximálního proudu (omezovač proudu).
PARAMETRICKÉ STABILIZÁTORY
Využívají vlastností (parametrů) součástek, např. nedestruktivního průrazu Zenerovy diody.
Příklad: nejjednodušší parametrický stabilizátor se Zenerovou diodou
stabilizovat lze na Zenerovo napětí UZ
na rezistoru R je rozdíl napětí mezi napětím zdroje U1 a stabilizovaným napětím Ustab
U
malý diferenciální odpor v P
Rd
I
velká změna proudu ΔI – nepatrná změna ΔU
přibližný výpočet R:
R
U 1max
I ZD
U stab
IZ
R musí být dimenzován na Imax = IZD + IZ
Vlastnosti: stabilizace je nepříliš přesná, závislá na Zenerově napětí a velmi ztrátová – ztráty vznikají na R i na Zenerově diodě.
ZPĚTNOVAZEBNÍ STABILIZÁTORY
Jsou spojité, využívají záporné zpětné vazby.
Princip: Sériově zapojený tranzistor se otevírá nebo přivírá tak, aby úbytek napětí
vykompenzoval kolísání vstupního napětí U1 a Ustab tak bylo konstantní.
Příklad 1: zapojení s bipolárním tranzistorem T1 a proudovým omezením
(červeně)
zdrojem referenčního (stálého) napětí UZD je Zenerova dioda
činnost: např. při poklesu Ustab se UBE T1 zvětší, tranzistor se více otevře, UCE
se zmenší a Ustab se vrátí na původní hodnotu
proudové omezení: vzroste-li úbytek napětí na malém odporu Rč, tranzistor
T2 se otevře a sníží napětí mezi UBE tranzistoru T1,.čímž dojde opět
k přivření T1
Příklad 2: zapojení s operačním zesilovačem (OZ)
OZ řídí tranzistor T1
referenční napětí UZD se porovnává se skutečným (z děliče R2 a R3) a
zesiluje se v OZ
jejich zesílený rozdíl se přivádí na bázi T 1, který se podle potřeby
otevírá nebo přivírá
např. klesá-li Ustab, klesne U na R3, zvýší se napětí výstupu OZ a T1 se
více otevře
proudové omezení: když UBE a úbytek na Rč překročí součet prahových
napětí obou diod, diody se otevřou a výstupní napětí OZ již neroste
Zpětnovazební stabilizátory se vyrábějí integrované, např. jako obvody 78xx (7812 na 12 V atd.). Ustab lze změnit (zvýšit)
děličem napětí R1, R2 (obr. vpravo).
Vlastnosti: přesnější stabilizace napětí než u parametrických, nicméně jsou značně ztrátové (trvalé ztráty UCE.IC).
© Ing. Pavel Kobrle
9
2014
SPÍNANÉ STABILIZÁTORY
Princip: Pracují ve spínacím režimu, mají proto mnohem nižší ztráty. Spínání se řídí tak, aby se výstupní napětí udržovalo
konstantní. Spínané stabilizátory jsou samostatné IO, nebo jejich funkci plní spínané zdroje.
Příklad ( principiální schéma):
rozdílový zesilovač OZ porovnává skutečné napětí výstupu z děliče s referenčním napětím na ZD
výstupní napětí zesilovače uv je úměrné rozdílu mezi skutečným a referenčním napětím
toto napětí se přivádí do komparátoru K a porovnává se s pilovitým napětím z oscilátoru uGP
komparátor se překlápí podle toho, které napětí je větší
výstupním napětím z komparátoru se spíná T1
např. bude-li klesat střední hodnota výstupního napětí U v, vzroste UOZ, komparátor K se překlopí do + výstupního napětí
na delší dobu to
vyžadují nejméně tři externí součástky (akumulační L, vyhlazovací C a rychlou Schottkyho diodu D)
mají mnohem vyšší účinnost, nemají prakticky trvalé ztráty, pouze spínací
Příklad: integrovaný obvod LM2596 (Texas Instruments) - 3.3 V, 5 V, 12 V či nastavitelné napětí, 3 A, spínací frekvence
150 kHz, doporučená L = 33 H, C = 220 F, účinnost až 95% (obrázek)
© Ing. Pavel Kobrle
10
2014
20. Zesilovače – základní vlastnosti a parametry
zesilují elektrický signál
lze je chápat jako aktivní dvoubrany
potřebují napájení ze zdroje energie, protože výstupní výkon je větší než vstupní
ROZDĚLENÍ ZESILOVAČŮ
Různá hlediska
podle zesilované veličiny: napětí (napěťové zesílení Au), proud (Ai), výkon (Ap)
podle aktivních prvků: s bipolárními tranzistory, unipolárními tranzistory, elektronkové
podle tříd: A, AB, B, C, D, G, H, S, T
podle kmitočtů: stejnosměrné, střídavé – nízkofrekvenční (nf, akustické), vysokofrekvenční (vf, více skupin, např. rádiové)
podle přenášeného pásma: širokopásmové, úzkopásmové, selektivní
podle vazby mezi stupni: přímá galvanická, přímá s děličem, diodová, kapacitní, transformátorová, rezonanční
podle velikosti vstupního signálu: zesilovače malého signálu (předzesilovače), zesilovače velkého signálu (výkonové
zesilovače)
ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY A PARAMETRY ZESILOVAČŮ
Frekvenční charakteristiky
Charakteristika zisku
je to závislost zisku na frekvenci (osa f je logaritmická): AUdB
napěťový zisk, obecně napěťová úroveň: AUdB
20 log AU
podobně proudový zisk: AIdB
20 log AI
20 log
I2
I1
výkonový zisk (pozor!): APdB
10 log AP
10 log
P2
P1
f(f)
U
20 log 2
U1
Fázová charakteristika
je to závislost na fáze frekvenci (osa f je logaritmická):
f(f)
fáze - fázový posuv výstupního napětí před vstupním
Přechodová charakteristika
odezva výstupu na jednotkový skok na vstupu (vlevo)
bez překmitu (aperiodicky), s překmitem (periodicky tlumeně)
Základní parametry
maximální výkon, rozumí se sinusový Pmax
účinnost
U 22
Rz
P2
(P1 je napájecí příkon, P2 výkon)
P1
zkreslení (viz níže)
vstupní a výstupní impedance Zvst, Zvýst
dolní a horní mezní kmitočet fd, fh (viz char. zisku)
šířka pásma B3 (viz char. zisku)
odstup signálu od šumu (obr. vpravo)
TŘÍDY ZESILOVAČŮ
Rozlišují se podle polohy klidového pracovního bodu, popřípadě způsobu práce.
Označují se vybranými velkými písmeny.
Třída A
klidový pracovní bod P je v lineární části převodové charakteristiky; zesilují se obě
půlperiody střídavého signálu, pracovní bod se pohybuje mezi 1 a 2
je-li převodová charakteristika v dané oblasti lineární, je nepatrné zkreslení
nevýhodou je nízká účinnost (pod 40%), jsou velké ztráty v klidovém P
© Ing. Pavel Kobrle
11
2014
použití u předzesilovačů, korekčních zesilovačů (výkonové stupně jen ojediněle)
Třída B
klidový P je v nule, zesiluje se jedna půlperioda signálu, pracovní bod se pohybuje mezi 1 a P
pro zesílení obou půlperiod signálu je nutné dvojčinné zapojení
vlivem nelinearity převodové charakteristiky v blízkosti nuly vzniká přechodové zkreslení
použití u výkonových a koncových stupňů, velká účinnost (60%)
Třída AB
klidový P je v blízkosti nuly, nejlépe za nelineární částí převodové charakteristiky, pracovní
bod se pohybuje mezi 1 a 0 (ale využívá se jen část mezi P a 1)
je nutné dvojčinné zapojení, zesiluje se jedna půlperioda jako u třídy B
není zde přechodové zkreslení
má vyšší účinnost než A, ale jen o málo horší účinnost než B
použití: jako B
Třída C
klidový P je posunut do záporných hodnot vstupní veličiny, zesiluje se jen část jedné půlperiody,
pracovní bod se pohybuje mezi 1 a 0
použití ve zvláštních případech, např. v koncových stupních vysokofrekvenčních zesilovačů
Třída D
používá spínací režim aktivního prvku (tranzistoru) s pulsně šířkovou modulací PWM
výhoda - vyšší účinnost (přes 80%)
nevýhoda - větší zkreslení
Třída G
podobná třídě AB, ale napájecí napětí se mění, a to ve dvou nebo více hladinách; díky tomu se zvýší účinnost
Třída H
podobná třídě G, ale napájecí napětí se mění plynule; má ještě vyšší účinnost, ale poněkud komplikované zapojení
Třída S
vylepšená třída D, digitální, bez výstupního filtru (filterless)
Třída T
podobná třídě D, ale je u ní vylepšená technologie řízení, má špičkové parametry a účinnost kolem 90%
ZKRESLENÍ
Je to odchýlení výstupního signálu od lineárně zesíleného vstupního signálu.
Lineární
Je způsobeno tím, že se jednotlivé frekvence nezesilují stejně. Jiná věc je záměrná úprava charakteristiky zisku pomocí
ekvalizéru, který zesiluje či potlačuje některé frekvence.
Nelineární harmonické
Vlivem tohoto zkreslení se na výstupu vyskytují vyšší harmonické (celistvé násobky kmitočtů) vstupního signálu, které mají
pochopitelně menší amplitudu, ale působí rušivě.
THD (Total Harmonic Distortion) - činitel harmonického zkreslení, uvádí se v % výkonu vyšších harmonických
z 1. harmonické.
Intermodulační
Je způsobeno vznikem součtových a rozdílových kmitočtů, projevuje se zejména při náhlých změnách parametrů vstupu.
(Projevy u akustických zesilovačů - nepřirozené sykavky, akordy.)
TID (Transient Intermodulate Distortion) = činitel intermodulačního zkreslení [%]
Přechodové
Vzniká u zesilovačů třídy B a AB v důsledku nelinearity počáteční části převodové charakteristiky. Projevuje se zkresleným
přechodem nulou, kdy se střídají tranzistory v činnosti.
Crossover Distortion
Dynamické
Vzniká v důsledku rychlých změn vstupního signálu, např. u operačních zesilovačů, kdy je omezená rychlost přeběhu
výstupního napětí při skokové změně vstupního napětí. (Akustické zesilovače - vyskytují se parazitní zvuky při náhlé změně
hlasitosti.)
Digitální:
Vzniká při digitálních modulacích (jitter – odchylky od harmonického průběhu; dither – záměrný přídavný šum k zamaskování
chyb při kvantování).
© Ing. Pavel Kobrle
12
2014
Další druhy zkreslení
Existují i jiné druhy zkreslení, např. TIM (Transient Intermodulation Distortion), SID (Slew rate Induced Distortion).
Šumové vlastnosti
Brum
Vzniká vlivem síťového kmitočtu, při síťové frekvenci 50 Hz je 100 Hz, lze odfiltrovat.
Šum
Frekvence obsažené na výstupu vznikají vlivem nahodilých jevů v součástkách, zejména nelineárních, zahrnují prakticky celé
přenášené pásmo, nelze zcela odfiltrovat (anglicky noise).
ZPĚTNÁ VAZBA V ZESILOVAČÍCH
v zesilovačích se používá záporná zpětná vazba (ZZV)
princip činnosti: část výstupní veličiny se přivádí na vstup, kde se odečítá (ZZV)
Vliv záporné zpětné vazby na přenos
odvození napěťového přenosu:
A – napěťové zesílení vlastního zesilovače
β - činitel zpětné vazby (β < 1)
U
U1
U2 ;
celkové zesílení
AC
U2
U2
U1
AU ;
1
1
A
U2
A
U1
U2
; je-li A velké, pak lim AC
1
A
důsledek: při velkém zesílení A vlastního zesilovače závisí celkové zesílení pouze na vlastnostech zpětné vazby
je-li pak zpětná vazba lineární, dosáhne se výrazného zvýšení linearity
zavedením ZZV se také zvětší šířka pásma, zlepší se stabilita pracovního bodu
a sníží se zkreslení
sníží se však zesílení
mění se také vstupní a výstupní impedance (závisí na druhu ZZV)
ZZV může být sériová nebo paralelní, proudová nebo napěťová
© Ing. Pavel Kobrle
13
2014
21. Zesilovací stupeň s bipolárním a unipolárním tranzistorem
ZESILOVACÍ STUPEŇ TŘÍDY A S BIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM NPN, ZAPOJENÍ SE
u1: napětí vstupu
u2: napětí výstupu
+UCC: napětí zdroje
RC: zatěžovací kolektorový odpor
je na něm část napětí zdroje
chrání též tranzistor před zkratem při jeho plném otevření
NASTAVENÍ KLIDOVÉHO PRACOVNÍHO BODU
Pracovní bod P ve třídě A zvolíme v polovině zatěžovací přímky:
1. pomocí RB
velikost RB určuje IB1
IB1 má vhodnou velikost, aby polovina napájecího
napětí UCC byla na RC a druhá polovina na
tranzistoru (UCE)
bývá RB >> RC
RB se určí z výstupních charakteristik tranzistoru
nebo zkusmo
napájení báze odpovídá napájení ze zdroje proudu
příklad: IB = 20 A, UCC = 15 V, IC = 5 mA
RC
RB
U CC
2I C
15V
1,5k
2.5mA
U CC
U BE
IB
15V 0,7V
20 A
715k
(zvolíme např. z řady E6 680 k )
pomocí děliče napětí
použijeme dělič napětí složený z odporů RB1, RB2
U1 se nastavuje děličem RB1/RB2, který musí být dostatečně tvrdý, tj. proud děličem je alespoň
o řád vyšší než IB
zapojení obsahuje zpětnovazební odpor RE (viz dále)
podle zadání výše uvedeného příkladu: I1 volíme 200 A, RE = 150 (desetina RC)
U CC U CE
15V 7,5V
IC
4,5mA
RC R E
1,5k
150
U BE U RE U BE RE I C 0,7V 150 .4,5mA
RB 2
6,87 k
(zvolíme např. 6,8k )
I1
I1
200 A
2.
ZPĚTNÉ VAZBY
Sériová proudová zpětná vazba
sériová - zpětnovazební odpor RE je zapojen v sérii
proudová – napětí na zpětnovazebním odporu závisí na proudu
napěťové zesílení se zmenší, je přibližně AU = - RC/RE (výstupní
napětí je v protifázi), proudové zesílení se nemění
vstupní i výstupní impedance se zvětší
činnost: např. při zvýšení IC (třeba vlivem zahřání T) se zvětší
úbytek napětí na RE vyvolaný proudem IC, takže se zmenší UBE, T
se přivře a IC se opět sníží
Paralelní napěťová zpětná vazba
paralelní - zpětnovazební odpor RB je zapojen paralelně
napěťová – proud přiváděný zpětnou vazbou na vstup je
úměrný výstupními napětí
proudové zesílení se zmenší, napěťové se nemění
činnost: např. při zvýšení IC se zvětší úbytek napětí na RC,
takže se zmenší UCE i proud tekoucí RB, tedy IB, T se opět
přivře a IC se zmenší
vstupní i výstupní impedance se zmenší
pozn.: sériová napěťová a paralelní proudová ZV se užívá méně
© Ing. Pavel Kobrle
14
2014
ZAPOJENÍ JEDNOSTUPŇOVÉHO ZESILOVAČE SE MALÉHO STŘÍDAVÉHO SIGNÁLU
kapacity C1 a C2 zajistí, aby do zdroje signálu ani do zátěže netekl stejnosměrný proud
toto zapojení obrací fázi (při kladné hodnotě vstupního signálu se T více otevírá a napětí
na výstupu klesá a naopak)
střídavý signál nesmí mít amplitudu vyšší než necelá polovina stejnosměrného napětí
(pokud je pracovní bod přesně v polovině zatěžovací přímky)
v opačném případě dojde k deformaci - „ořezávání“ signálu
pokud je třeba sériovou proudovou zpětnou vazbu, potřebnou ke stabilizaci klidového
pracovního bodu, pro střídavý signál vyřadit, překlene se zpětnovazební odpor R E tzv.
blokovací kapacitou CE
je třeba, aby všechny kapacity byly velké – u nízkofrekvenčních zesilovačů se používají
elektrolytické kondenzátory
Použití: nízkofrekvenční předzesilovače, výkonové zesilovače pouze ve speciálních případech (HiFi)
ZESILOVACÍ STUPEŇ TŘÍDY A S UNIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM MOSFET ZAPOJENÍ SS
NASTAVENÍ KLIDOVÉHO PRACOVNÍHO BODU
Unipolární tranzistory se řídí napětím. Klidový pracovní bod může být v závislosti na druhu a tranzistoru i požadavcích návrhu
při nulovém, kladném i záporném řídícím napětí UGS.
Pracovní bod při UGS > 0
tranzistor MOSFET typu N s indukovaným kanálem (nebo i vodivým kanálem)
nastaví se pomocí děliče napětí RG1, RG2
proud děličem by měl být alespoň o řád menší než I D
příklad: UDD = 10 V, ID = 0,5 mA, požadované UGS = 3 V (např. podle výstupních
charakteristik tranzistoru)
RD
U DD
2I D
10V
2.0,5mA
1k
volíme proud děličem napětí např. I1 = 20 A
RG1
RG 2
U DD U GS
7V
350k
I1
20 A
U GS
3V
150k
I1
20 A
volíme např. 330 k
Pracovní bod při UGS = 0
tranzistor MOSFET typu N s vodivým kanálem
na odporu RG nevzniká stejnosměrný úbytek napětí - vstupní proud tranzistoru je
nulový
odpor RG volíme v řádu jednotek M , aby vstupní odpor zesilovače byl veliký
Pracovní bod při UGS < 0
tranzistor MOSFET typu N s vodivým kanálem, JFET typu N
je nutno zařadit odpor RS, na kterém vzniká
při průchodu proudu ID kladný úbytek napětí stejné
velikosti jako záporné UGS
U GS
Rs I D
RS působí jako zpětnovazební, je možno ho zablokovat
pro střídavý signál kapacitou CS
ZAPOJENÍ ZESILOVACÍHO STUPNĚ
odpovídá zapojení s bipolárním tranzistorem
příslušné zapojení se opatří oddělovacími kapacitami C1, C2, popř. blokovací CS
© Ing. Pavel Kobrle
15
2014
22. Vícestupňové a výkonové zesilovače
VÍCESTUPŇOVÉ ZESILOVAČE – DRUHY VAZEB MEZI STUPNI
Přímá galvanická vazba (drátová)
je možné zapojení SE – SE (s malým zpětnovazebním RE)
výhodnější je však navázat na zapojení SE zapojením SC
(vpravo)
výstupní napětí pak lépe odpovídá požadovanému napětí
mezi bází a zemí druhého tranzistoru
toto zapojení není frekvenčně závislé
Přímá galvanická vazba děličem napětí (odporová)
výstupní napětí prvního tranzistoru se sníží
poměrem R2/(R1+R2) a přivádí na druhý stupeň
klesne přitom zesílení
Diodová vazba
využívá vlastností diod
pro střídavý signál je mnohem menší odpor
(diferenciální) než pro stejnosměrnou složku
(statický)
Kapacitní vazba
používá se nejčastěji
kondenzátor propouští pouze střídavou složku
nastavení stejnosměrného pracovního bodu P
jednoho stupně neovlivňuje další stupeň
kondenzátor může spolu s odpory tvořit parazitní
RC články, které způsobují frekvenční závislost
Transformátorová vazba
vazbu tvoří vzájemná indukčnost transformátoru M
použití dnes zřídka – rozměrné a složité
transformátory
Rezonanční vazba
vhodná pro selektivní zesilovače
zesilují se jen ty frekvence v okolí rezonane
používá se pro vyšší frekvence
Darlingtonovo zapojení
zvláštní zapojení dvou tranzistorů, nejčastěji v jednom
pouzdře se třemi vývody
často bývá navenek podobný obyčejnému tranzistoru
má velké zesílení (téměř násobek zesílení obou
tranzistorů)
zapojení: E prvního tranzistoru přímo navazuje na B druhého (zapojení SC+SC nebo SC+SE)
vhodné pro výkonové stupně, mají lepší přizpůsobení impedanci zátěže (malý R výst odpovídá zátěži, kterou může tvořit
např. 4 Ω reproduktor)
© Ing. Pavel Kobrle
16
2014
VÝKONOVÉ ZESILOVAČE
slouží ke konečnému zesílení signálu
navazují na předzesilovače
jde o zesilovače výkonu
mají být impedančně přizpůsobeny (malá výstupní impedance)
vyžaduje se dobrá účinnost, proto třída B, popř. AB (či G, H) nebo třídy s PWM (D, S, T)
v současné době je snaha o zvýšení účinnosti - vyloučení třídy A a nepoužití transformátorů (rozměrné a drahé)
Dvojčinné zapojení třídy B s bipolárními tranzistory
výhodné je zapojení komplementárního páru tranzistorů,( tj. dvou tranzistorů stejných
vlastností, ale opačného typu)
každý tranzistor zesiluje jednu půlperiodu signálu (modře)
zapojení SC – malá výstupní impedance je přizpůsobena malé impedanci zátěže
dochází k přechodovému zkreslení
Zapojení ve třídě AB
BT – budicí tranzistor z předchozího stupně
úbytek napětí na diodách je roven úbytku napětí mezi B a E obou tranzistorů
tím se zajistí posunutí pracovního bodu na začátek lineární části převodní
charakteristiky tranzistorů
toto zapojení nemá přechodové zkreslení
Nahrazení symetrického zdroje napětí jedním napěťovým zdrojem
dvojitý zdroj napětí je nepraktický - nahrazuje se jedním zdrojem a kondenzátorem
kondenzátor se stává zdrojem v druhé půlperiodě signálu
činnost: při zesilování kladného půlperiody se otevře tranzistor NPN, proud teče ze
zdroje do zátěže a současně se nabíjí kondenzátor; při zesilování záporné půlperiody se
otevře tranzistor PNP a zdrojem je kondenzátor
kondenzátor musí mít velkou kapacitu, volí se proto elektrolytický
pro střídavý signál se kondenzátor (i zdroj napětí) jeví jako zkrat
Poznámky
je-li třeba velké napěťové zesílení, je výhodné použít zapojení SE
výkonové stupně jsou citlivé na přetížení a musí se vždy chladit
výkonové IO obsahují tranzistory, pomocné součástky i ochrany
obvykle je nutno je doplnit jen vnějšími kondenzátory
Úpravy frekvenčních charakteristik
tónová clona – omezené vyšších rušivých frekvencí
korektory výšek a hloubek
o pasivní – LC či RC filtry, mají určitý útlum i v propouštěném pásmu
o aktivní – zesilují propouštěné pásmo; v ZZV je filtr, pro potlačované frekvence je ZZV nejsilnější
ekvalizéry – oddělené nastavení úrovně signálu ve všech částech spektra
aktivní reproduktorové soustavy – po rozdělení frekvencí se každé pásmo zesiluje zvlášť a má svůj koncový stupeň i reproduktor
© Ing. Pavel Kobrle
17
2014
23. Vysokofrekvenční zesilovače
Rozdělení - videozesilovače
selektivní zesilovače – „širokopásmové“, úzkopásmové
VIDEOZESILOVAČE (OBRAZOVÉ, ŠIROKOPÁSMOVÉ)
Slouží pro zesílení širokého pásma (např. 0-10 MHz, 0-100 MHz) nebo impulsů (široké pásmo
kvůli zkreslení). Šířka pásma se hodnotí v ustáleném stavu, nikoliv v přechodových stavech.
Základní vlastnosti
jako aktivní prvky se používají speciální vf tranzistory s kmitočtově nezávislými parametry
osamocený stupeň videozesilovače vypadá jako nízkofrekvenční ve třídě A (obrázek)
má však vyšší hodnoty kapacit a menší velikost RC (ten tvoří s parazitními kapacitami
nežádoucí RC článek)
dnes se vyrábějí videozesilovače jako integrované obvody, které obsahují i operační
zesilovače a je k nim třeba doplnit jen velké indukčnosti a kapacity
Korekční obvody
rozšiřují frekvenční pásmo na straně vf nebo nf straně
při nízkých frekvencích klesá zesílení kvůli nedostatečně
blokovanému zpětnovazebnímu odporu RE kapacitou CE
při vysokých frekvencích klesá zesílení kvůli parazitním
kapacitám
parazitní kapacita mezi kolektorem a zemí prakticky zkratuje
výstup
Korekce na straně vf
může být paralelní nebo sériová
u paralelní korekce se přidává na výstup paralelně L (vlevo) – obvod se uzavírá přes zdroj s nepatrným vnitřním odporem
vznikne tak s parazitní C paralelní rezonanční obvod, který má velkou impedanci
je však nutné optimální naladění a zatlumení RO, aby nedošlo k deformaci frekvenční charakteristiky
u sériové korekce se přidává L na výstup do série (uprostřed), čímž vznikne s parazitními kapacitami CC a CB π-článek
Korekce na straně nf
přidává se kapacita CK (vpravo)
při nízkých frekvencích je zesílení dáno součtem RC1 + RC2, zesílení je větší, při vysokých frekvencích je RC1 zkratován
kapacitou CK přes zdroj
SELEKTIVNÍ VF ZESILOVAČE MALÉHO SIGNÁLU
Mají mnohem užší pásmo než videozesilovače. Mezi
„širokopásmovými“ (ovšem s mnohem užším pásmem než mají
videozesilovače) a úzkopásmovými není pevná hranice, bývá B3
= 2 – 3% f0.
Základní vlastnosti
ladí se nejčastěji pomocí rezonančních obvodů (RO), které
(zjednodušeně řečeno) zaujmou pozici Rc nf zesilovače
k pasivním obvodům používaným u vf zesilovačů patří tedy
především rezonanční obvody (RO)
© Ing. Pavel Kobrle
18
2014
princip vf zesilovacího stupně s RO třídy A (obrázek):
o při rezonanci je impedance RO velká, takže kmitočty v okolí rezonance
se zesílí hodně
o naopak při f0 mimo rezonanci je impedance RO malá, tomu odpovídá
malé zesílení
tyto zesilovače mohou mít buď RO v jednotlivých stupních (3 až 6 stupňů) nebo
mají soustředěnou selektivitu (zesilovací stupeň s filtrem a dále videozesilovač)
Impedanční přizpůsobení rezonančního obvodu
každý zesilovací stupeň je zatížen následujícím stupněm
výstupní impedance předcházejícího stupně totiž bývá velká (tranzistor se chová
na výstupu jako zdroj proudu), ale následujícího stupně bývá malá (malý R vst
tranzistoru)
pokud bychom zatížili zesilovač naladěný při výstupu naprázdno, došlo by
vlivem zatížení k rozladění a zatlumení RO (poklesu zesílení)
činitel jakosti naprázdno Q0 je totiž větší než činitel jakosti při zatížení Q
kvůli tomu se musí impedančně přizpůsobit následující stupeň – musí se zvětšit
jeho impedance
Impedanční přizpůsobení lze provést např. vyvedením výstupu RO
odbočkou z cívky
přes indukční vazbu
z rozdělené kapacity
Příklad obvodového řešení dvou navazujících stupňů je na obrázku vpravo.
Provedení zesilovacích stupňů
Úzkopásmové selektivní zesilovače
co největší Q a zesílení stupně
volná vazba následujících stupňů (velký poměr děliče
při impedančním přizpůsobení), aby výstupní
impedance byla co nejmenší
Širokopásmové selektivní zesilovače
mohou mít ladění:
souběžné – stejná f0, čím více stupňů, tím větší zesílení a menší šířka pásma (vlevo)
rozložené – různá f0 (vpravo)
Další součásti vysokofrekvenčních zesilovačů
vázané rezonanční obvody, rezonanční obvody tvořené úseky vedení
vícenásobné filtry, keramické filtry, krystalové filtry
obvody automatického řízení zesílení (zisku) AGC, automatické vyrovnávání citlivosti (AVC) aj.
KONCOVÉ STUPNĚ
Jde o výkonové vysokofrekvenční zesilovače.
bývají ve třídě C, aby měly co největší účinnost
třídy C se dosáhne záporným předpětím UBE na
tranzistoru
výstup budicího tranzistor třídy A je navázán na
výkonový stupeň tranzistoru VT (zde jednočinné
zapojení)
zátěž Rz tvoří anténa, která může být navázána
rovněž přes rezonanční obvod (na obrázku ho
tvoří C1, C2, L ve tvaru -článku)
© Ing. Pavel Kobrle
19
2014
24. Operační zesilovače – vlastnosti, parametry
Operační zesilovač (OZ; operational amplifier) - název pochází z původního účelu, kdy OZ plnily matematické operace
v analogových počítačích.
bývají obvykle rozdílové
existuje mnoho druhů dle žádaných parametrů (rychlé, širokopásmové, výkonové, nízkošumové)
vyrábějí se jednoduché i dvojité OZ (2 v jednom pouzdře)
značka rozdílového OZ a vývody – invertující a neinvertující vstup, výstup
napájení: z dvojitého zdroje napětí – zbývající póly zdroje se spojí se zemí
zdroj se ve schématech obvykle nekreslí
HLAVNÍ VLASTNOSTI
výstupní odpor (či impedance) je velmi malý, OZ se blíží ideálnímu zdroji napětí
vstupní odpor (impedance) je velmi velký, takže vstupní proud je téměř nulový
zesílení je velmi velké
rozdílové OZ zesilují rozdílové napětí mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem
standardní režim OZ:
o pomocí záporné zpětné vazby si OZ na výstupu nastaví takové napětí, aby napětí mezi oběma vstupy bylo nulové
saturační režim OZ:
o je-li mezi vstupy přivedeno vnucené rozdílové napětí, bude na výstupu kladné nebo záporné saturační (tj. maximální
možné) napětí USAT, které má velikost jen o něco menší, než napájecí napětí; např. kladnější napětí na + vstupu oproti
– vstupu má za důsledek kladné USAT na výstupu (a naopak)
o k saturaci dojde i se ZZV, pokud by v určitém zapojení by mělo výstupní napětí dosáhnout vyšší hodnoty než USAT
ideální OZ: nekonečně velké zesílení, nulový vstupní proud, nekonečně velký vstupní odpor, nulový výstupní odpor,
frekvenční nezávislost
BLOKOVÉ A ZJEDNODUŠENÉ SCHÉMA
DZ - diferenciální zesilovač v můstkovém zapojení
ZKP - proudový zdroj v zapojení jako emitorový sledovač
BS – budicí stupeň v Darlingtonově zapojení
KS – koncový stupeň ve třídě AB
proudový zdroj zajišťuje konstantní součet proudů
nezávislý na napájecím napětí
činnost emitorového sledovače: udržuje IC.konstantní;
např. při nárůstu proudu IC se zvětší úbytek napětí na
URE, proto se zmenší UBE, T se přivře a IC opět klesne
činnost diferenciálního zesilovače: rozdíl vstupních
napětí je zesílen nezávisle na napájecím napětí; při
stejných vstupních napětích jsou T1 i T2 stejně otevřeny, oběma větvemi teče stejný IC; při rozdílných vstupních napětích se
IC v jedné větvi zmenší a v druhé zvětší
např. vzroste-li napětí na neinvertujícím vstupu (+), T2 se více otevře, vzroste úbytek na jeho R c, výstupní napětí
rozdílového zesilovače klesne, Darlington se přivře, výkonový tranzistor NPN se více otevře (napětí na jeho bázi je
kladnější), PNP se více přivře a na výstupu je kladné zesílené rozdílové napětí
PARAMETRY REÁLNÝCH OPERAČNÍCH ZESILOVAČŮ
napěťová nesymetrie UIO (input offset) - takové rozdílové vstupní napětí, aby výstupní napětí bylo nulové; bývá řádu
100 mV i méně
vstupní klidové proudy IIB (input bias) - tečou mezi vstupem a zemí při nulovém vstupním signálu; bývají v řádech 102 nA
i méně; jsou-li stejné, považuje se OZ za poloideální
vstupní proudová nesymetrie IIO (input offset) - rozdíl vstupních klidových proudů
do neinvertujícího a invertujícího vstupu; u poloideálního zesilovače je nulová
vstupní odpor RIN – odpor mezi vstupem a zemí (druhý vstup je uzemněn), bývá
106 – 1012
napěťové zesílení AOL (open loop) – zesílení OZ bez ZZV; bývá řádově např. 104-105
doba přeběhu Tp je doba mezi 10% a 90% náběžné hrany přechodové charakteristiky
rychlost přeběhu S (slew rate) je strmost nárůstu napětí na přechodové charakteristice
u
... a mnoho dalších
S
[V / S ]
t
© Ing. Pavel Kobrle
20
2014
25. Základní zapojení s OZ se zpětnou vazbou
Účinek ZZV: napětí mezi oběma vstupy se blíží se nule; to platí, pokud výstupní napětí nedosáhne saturace.
Při odvození přenosu předpokládáme vždy nulové napětí mezi oběma vstupy a nulový vstupní proud tekoucí do OZ.
INVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ
ZZV tvoří zpětnovazební odpor R2 > R1 (jinak zapojení nezesiluje, viz dále)
virtuální zem (zde na invertujícím vstupu) má k zemi nulové napětí, ale není
přímo galvanicky spojena se zemí (tak jako neinvertující vstup)
napěťový přenos:
.Au
U2
U1
(definice)
U
I 2 , podle Ohmova zákona 1
R1
podle 1. Kirchhoffova zákona I1
U2 ,
R2
U2
R2
U1
R1
invertující zapojení obrací znaménko (případně fázi při střídavém u1)
vstupní odpor RVST = R1 (podle Ohmova zákona), může být malý, což může být nevýhodné, (požadujeme-li u invertujícího
zesilovače velké zesílení, je třeba, aby byl R1 mnohem menší než R2)
výstupní odpor RVÝST je velmi malý
napěťový přenos je tedy
Au
NEINVERTUJÍCÍ ZESILOVAČ
ZZV tvoří odpor R2
na R1 je napětí U1 (mezi oběma vstupy je nulové napětí)
napěťový přenos můžeme vyřešit jako napěťový dělič:
Au
U2
U1
( R2
R1 )
R1
R2
R1
1
neinvertující zapojení neobrací znaménko (či fázi)
vstupní odpor RVST je velmi velký, je roven vstupnímu odporu vlastního OZ
SOUČTOVÝ ZESILOVAČ
podle1. Kirchhoffova zákona pro uzel v invertujícím vstupu
I 11
I 12
I 13
I2
U11
R1
U12
R1
U13
R1
U2
R2
R2
(U 11 U 12 U 13 )
R1
odtud U
2
ROZDÍLOVÝ ZESILOVAČ
podle1. Kirchhoffova zákona pro uzel v invertujícím vstupu
I 11
U11 U
R1
I2
U2 U
R2
proud I12 teče odpory R1 i R2;; vyjádříme ho pomocí Ohmova zákona
U12 U
R1
U
R2
Odečtením obou rovnice se vyloučí U* a následně vyjádří U2:
U2
R2
(U 12
R1
U 11 )
DERIVÁTOR A INTEGRÁTOR
proud kondenzátorem je obecně ic
c
du
dt
derivační zesilovač:
du
du1
u2
u2
RC 1
C
dt
dt
R
integrační zesilovač:
1
u1
du
u2
u1dt
C 2
RC
R
dt
časová konstanta
RC
© Ing. Pavel Kobrle
21
2014
NAPĚŤOVÝ SLEDOVAČ
výstupní napětí je stejné jako vstupní: u2 = u1
působí jako měnič impedance
vstupní impedance Zvst je velká, výstupní Zvýst malá
LINEÁRNÍ USMĚRŇOVAČ
na výstupu je usměrňovač v můstkovém zapojení
u1
výstupní proud i 2
R
tento proud je přímo úměrný vstupnímu napětí nezávisle na nelineární
charakteristice diod usměrňovače
linearizuje rozsah analogových i digitálních měřicích přístrojů
SYNTETICKÉ REAKTANCE
nahrazují cívku, tedy problematickou součástku technologie plošných spojů
obsahují (kromě OZ) jen odpory a kapacity
na obrázku je jedno z možných zapojení
platí

U1

RI1


R I 2 ; RI1

úpravou rovnic se získá U1

U1
(2 R

RI1

jX C I 3

R( I1

I3 )

0 ; I1

RI1

I2

RI1

I3
0

2 I1
R
jX C
R 2  a obvod se chová jako RL s impedancí Z
) I1
jX C
2R
j R 2C
EXPONENCIÁLNÍ A LOGARITMICKÝ ZESILOVAČ
využívají tvaru VA charakteristiky diody, kterou lze zjednodušeně popsat
rovnicí I
keaU
dioda se použije v invertujícím zapojení, kde
exponenciální zesilovač:
I1
U2
, U2
R
keaU1
I2
Rke aU1 ; výstupní napětí
se mění exponenciálně, zesiluje slabé signály málo a silné hodně; používá se
např. v obvodech pro potlačení šumu
logaritmický zesilovač:
U1
R
keaU2 , U 2
1
U
. ln 1 ; výstupní
a
kR
napětí má logaritmický průběh, slabší signály se zesilují hodně, silnější málo;
používá se např. v elektroakustice
AKTIVNÍ FILTRY
zesilují určité frekvenční pásmo, ostatní frekvence potlačují
vhodnou kombinací RC se dá vytvořit dolnofrekvenční, hornofrekvenční
propust nebo pásmová propust či zádrž

příklad: AU

U2

U1

R2 I 2
1 
( R1
) I1
j C
j R2C
j R1C 1
přenos připomíná derivační RC člen; při nízkých frekvencích klesá k nule,
R2
; jde tedy
R1
při vysokých lze zanedbat 1 ve jmenovateli a zesílení je
o hornofrekvenční propust
© Ing. Pavel Kobrle
22
2014
26. Zapojení OZ v saturačním režimu
Je-li mezi vstupy přivedeno vnucené rozdílové napětí, bude na výstupu kladné nebo záporné saturační napětí USAT. Saturační
napětí je maximálně možné napětí (teoreticky součin rozdílového napětí a velikého zesílení vlastního OZ, tedy velmi velké,
ve skutečnosti má velikost jen o málo menší, než napájecí napětí).
KOMPARÁTORY
porovnávají napětí na obou vstupech
je-li napětí na neinvertujícím vstupu (+) kladnější než napětí na invertujícím vstupu
(-), je na výstupu kladné USAT, a naopak
je-li UREF nulové, překlápí se komparátor při průchodu u1 nulou (vlevo - časový
průběh obou napětí a převodní charakteristika)
Je-li UREF např. kladné, překlápí se výstup při této kladné hodnotě napětí (vpravo)
grafy znázorňují časový průběh obou napětí a převodní charakteristiku
KOMPARÁTORY S HYSTEREZÍ
vzniknou doplněním komparátorů o dělič napětí v kladné zpětné vazbě
na neinverující vstup se přivádí kromě U REF část výstupního saturačního napětí U SAT , a
to U R1 na odporu
R1 , daný poměrem děliče U R1
jako polarita saturačního napětí
komparátor se překlápí, dosáhne-li
U SAT R1
, kde polarita U R1 je stejná
R1 R2
u1 součtu U REF U R1 nebo U REF U R1 ; záleží
tedy na předchozím stavu výstupu
obvod se chová podobně jako klasický Schmittův klopný
obvod
díky hysterezi má výstupní signál odolnost vůči zákmitům
na vstupu
ASTABILNÍ KLOPNÉ OBVODY
pomocí OZ v saturačním režimu lze realizovat např. jednoduchý astabilní klopný obvod (též
generátor obdélníkových kmitů nebo multivibrátor)
popis funkce obvodu: předpokládáme např., že výstup je v kladné saturaci U SAT ; C se
z něj exponenciálně nabíjí přes
R3C ; jakmile převýší napětí
U SAT R1
na kondenzátoru úbytek napětí na R1 daný dělicím poměrem U R1
, překlopí se
R1 R2
OZ do
R3 s časovou konstantou
U SAT a C se začne vybíjet exponenciálně do výstupu OZ
lze odvodit trvání periody T výstupního obdélníkového napětí
např. pro rostoucí exponenciálu při nabíjení C řešíme rovnici:
T
u2 ( )
2
2U SAT
R1
R1
R2
(U SAT U SAT
vyřešením rovnice dostaneme T
R1
R1
)(1 e
R2
2 R1 R2
2 R3C.ln
R2
T
2
R3 C
t
) (obecně platí u (t ) U (1 e ) )
GENERÁTORY FUNKCÍ
Budou popsány v kapitole o generátorech nesinusových kmitů.
© Ing. Pavel Kobrle
23
2014
27. Generátory sinusových kmitů
Generátory periodických signálů - obvody, které vytvářejí periodické signály různého průběhu.
Rozdělení:
generátory sinusových průběhů – též oscilátory, sinusové oscilátory (oscillator, sine oscillator)
generátory nesinusových průběhů (obdélník, trojúhelník, pila – generátory funkcí, funkční generátory (function generator)
generátory programovatelných či libovolných průběhů (arbitrary waveform generator)
ZPĚTNOVAZEBNÍ OSCILÁTORY
Kladná zpětná vazba
využívá se jí ve zpětnovazebních oscilátorech
princip: část výstupního napětí se přivádí zpět na vstup, kde se přičítá
v obvodu se zpětnovazební smyčkou platí:
ˆ
odtud odvodíme celkové zesílení: A
C
Uˆ1
Uˆ 2
Uˆ1
Uˆ 2
Aˆ
Uˆ 2
Aˆ
1 ˆAˆ
oscilátory mají kmitat, aniž by se do nich přiváděl vstupní signál, tedy Uˆ 1
0
ˆ 0 neboli ˆAˆ 1 ; to je také podmínka stabilních oscilací
proto také musí být 1 ˆA
komplexní podmínka v sobě skrývá dvě dílčí podmínky:
 modulová (amplitudová) A 1

fázová
0 nebo celistvý násobek 2 (360º)
A 1 , jsou kmity tlumené a zanikají
je-li A > 1 , amplituda kmitů se zvětšuje až do saturace zesilovače
je-li
v praxi se nastavuje A zpočátku mírně větší než jedna, aby se oscilátor sám rozkmital, následně se vlivem vlastností
zesilovače či přídavné záporné zpětné vazby zmenší na 1
LC OSCILÁTORY
používají na vysoké frekvence – RF (radio frequency)
Oscilátory s induktivní zpětnou vazbou
kladná zpětná vazba vzniká díky vzájemné indukčnosti M
základ tvoří paralelní rezonanční obvod, na jehož
f0
1
2
LC
oscilátor kmitá
zesilovač musí kompenzovat ztráty v PRO a zajistit, aby kmity byly netlumené
PRO může být zapojený v obvodu kolektoru nebo báze
příklad: Armstrongův oscilátor – PRO je v obvodu báze
 řídicí obvod – paralelní rezonanční obvod L1C
 aktivní obvod – tranzistor BJT v zapojení SE
 KZV (modře) je zavedena z řídicího obvodu přes vazební CV do báze
 nastavení klidového pracovního bodu P tranzistoru – odporem RB
 ZZV pro stabilizaci P – odpor RE s blokovacím kondenzátorem CE pro
střídavou složku
popis funkce: roste-li např. napětí na PRO (+ u tečky), které se KZV přivádí
na bázi, T se více otevírá, proud IC roste, L2 se brání změně a indukuje protinapětí
(+ u tečky), ale hlavně do L1 se indukuje přes M napětí (+ tečky) a podporuje růst
napětí na PRO; jinak by kmity PRO byly vlivem ztrát tlumené
© Ing. Pavel Kobrle
24
2014
Oscilátory v tříbodovém zapojení
kladná zpětná vazba vzniká přivedením části napětí paralelního rezonančního obvodu na vstup zesilovače
tato zapojení jsou ve sdělovací RF technice velmi oblíbená a existuje jich celá řada pojmenovaných podle jejich tvůrců
příklady – zleva:
 Hartley
 Clapp
 Colpitz
existují různá obvodová řešení podle zapojení tranzistoru (SE, SC, SB)
příklad vpravo: Clappův oscilátor v zapojení SE
 řídicí obvod – paralelní rezonanční obvod
 aktivní obvod – tranzistor BJT v zapojení SE
 KZV (modře) je zavedena z C1, tedy z části řídicího obvodu přes vazební
CV do báze
 nastavení klidového pracovního bodu P tranzistoru – děličem napětí RB1,
RB2
 ZZV pro stabilizaci P – odpor RE s blokovacím kondenzátorem CE pro
střídavou složku
popis funkce: KZV přivádí do báze tranzistoru uBE v protifázi k uCE.; jelikož
zapojení SE tranzistoru obrací fázi o dalších 180°, výsledný fázový posun je 360º,
což je fázová podmínka KZV
Krystalové oscilátory
kmitavý LC obvod je tvořen krystalem z oxidu křemenu (quartz - Si02)
piezoelektrický jev: po přiložení střídavého napětí se
krystal se rozkmitá; kmity budou nejsilnější při frekvenci
mechanické rezonance
z pohledu obvodu se krystal chová jako rezonanční obvod
náhradní schéma: RLC – vlastní krystal, C0 – kapacita
držáků
krystal vykazuje dvě rezonanční frekvence, nižší sériovou
a vyšší paralelní (využití jedné z nich podle účelu)
při vyšších rezonančních frekvencích se zmenšují rozměry krystalu
pro vysoké frekvence (nad 30 MHz) by byl krystal už příliš malý, proto se využívá lichých harmonických rezonanční
frekvence
existuje řada různých zapojení připomínajících tříbodové oscilátory – např. Colpitzův oscilátor (obr.)
používají se nejvíce, a to i v generátorech referenčních kmitočtů - tvarovacími obvody lze z nich získat generátory impulsů
Laditelné oscilátory
mechanické ladění – kapacitní trimry, feritová jádra cívek
elektrické ladění – ladí se pomocí napětí – VCO (voltage controlled oscillator), VCXO - krystalové
o varikapy
o fázový závěs
použití: vysokofrekvenční, sdělovací, výpočetní technika
© Ing. Pavel Kobrle
25
2014
Základní parametry LC oscilátorů
jmenovitý kmitočet – má na něm kmitat oscilátor
přesnost - odchylka kmitočtu (uvádí se v ppm – relativní odchylka za milión kmitů)
výstupní výkon
stárnutí – změna pracovního kmitočtu v čase
změna pracovního kmitočtu při změně napájecího napětí (frequency pushing)
změna pracovního kmitočtu při změně zatížení (frequency pulling)
teplotní závislost kmitočtu
potlačení harmonických složek a šumu
RC OSCILÁTORY
používají se na nízké frekvence max. stovky kHz
jsou jednoduché, levné, neobsahují indukčnosti
mají malou stabilitu, obtížně se přelaďují
Oscilátory s postupně posouvanou fází
kladnou zpětnou vazbu tvoří kaskádně spojené RC
články (také fázovací články)
na obrázku je zapojení s integračními články
každý z článků posouvá fázi o 60°, dohromady tedy
posunou fázi o 180°; dalších 180° zajistí tranzistor
v zapojení SE
odvození přenosu a mezní frekvence je složité,
protože články nejsou naprázdno, ale zatížené dalšími
články
lze dokázat, že fo
6
2 RC
zesilovač musí mít zesílení přibližně 30:
AU
U2
U1
29 (činitel zpětné vazby
29 )
ke stabilizaci amplitudy kmitů používala v záporné zpětné vazbě místo RE žárovka (nelineární odpor; zahřátím roste odpor)
obdobně lze zapojit derivační RC články, kde fo
1
2 RC 6
Můstkové oscilátory
oscilátor s Wienovým můstkem v kladné zpětné vazbě
RC oscilátor se rozkmitá na mezní frekvenci Wienova můstku fo
1
2 RC
zesílení se nastavuje pomocí napěťového děliče R2, R1 tak, aby zesílení bylo
rovno třem: AU
U2
U1
R1
R2
R1
3
DVOUBODOVÉ OSCILÁTORY
nemají zpětnou vazbu
využívají vlastností některých součástek – záporného diferenciálního odporu Rd v části voltampérové charakteristiky
praktické využití je malé
příklad: zapojení s tunelovou diodou TD (vlevo její VA char.) připojenou k paralelnímu rezonančnímu obvodu
© Ing. Pavel Kobrle
26
2014
28. Generátory nesinusových kmitů
GENERÁTORY OBDÉLNÍKOVÉHO PRŮBĚHU
též multivibrátory, astabilní klopné obvody (AKO)
lze je realizovat mnoha různými způsoby
PŘÍKLADY:
Zapojení s diskrétními součástkami – tranzistory
popis činnosti:
 RB1, RB2 >> RC1, RC2, nabíjení kapacit přes RC je mnohem rychlejší
 předpokládáme, že T1 vede, T2 nevede, nabití C podle tabulky, stav 1
 C1 se rychle přebije s časovou konstantou τ = RC2.C1, stav 2 (červeně)
 C2 se začne pomalu přebíjet s τ = RB2.C2 do stavu 3 (modře)
 jakmile se na C2 objeví napětí kolem 0,6 V, otevře se T2
 tím se uzemní báze T1 (přes C1 a T2) a T1 se zavře
 zavřením T1 se rychle přebije C2 s τ = RC1.C2, stav 4
 C1 se také se pomalu začne přebíjet s τ =RB1.C1 do stavu 5
 při napětí na C1 kolem 0,6 V se otevře T1, zavře T2 a cyklus se opakuje
 nabíjení a vybíjení C je podle exponenciální křivky; lze odvodit, že
např. doba uzavření tranzistoru T2 je T2 0,7 RB 2C2
C2
1
2
3
4
5
+
+
+
+
C1
+
-
+
+
+
+
+
-
Zapojení s časovačem 555
časovač 555 – rozšířený obvod umožňující mnoho rozmanitých zapojení
obvod se skládá z napěťového děliče, komparátorů K1 a K2, klopného obvodu RS, invertoru IZ a spínacího tranzistoru T
vstupní dělič obsahuje tři shodné odpory 5 k , připojené na napájecí napětí UB
na napětí 1/ 3U B je připojen neinvertující vstup K2, na napětí 2 / 3U B invertující vstup K1
činnost obvodu:
 při vzrůstu napětí na prahovém vstupu 6
nad 2 / 3U B se dostane na výstup K1
kladné napětí a vynuluje KO (reset) –
výstup 3 má úroveň L a tranzistor T se
otevře
 při poklesu napětí na spouštěcím vstupu 2
(invertující vstup K2) pod 1/ 3U B se
dostane na výstup K2 kladné napětí a
nastaví klopný obvod (set) – negovaný
výstup má úroveň L, výstup 3 úroveň H
činnost zapojení multivibrátoru
 C se nabíjí přes R1 a R2 s časovou
konstantou τ = (R1 + R2).C, na výstupu je
úroveň H
 po dosažení uc 2 / 3U B se překlopí K1,

vynuluje KO (reset), na výstupu bude L, T
se otevře a C se přes něj vybíjí do země
s časovou konstantou τ = R2.C
při poklesu uc 1 / 3U B se překlopí K2,
nastaví KO (set), na výstupu bude H, T se
uzavře, vybíjení C se zastaví
v tomto zapojení se časová konstanta při
nabíjení a vybíjení C liší
© Ing. Pavel Kobrle
27
2014
Zapojení s hradly
obvod s dvěma invertory A a B a RC členem
popis činnosti:
 rozlišujme dvě úrovně: H a L
 předpokládáme A: vstup H, výstup L; B: vstup L, výstup H; C nabit + –
 z výstupu B se začne C přebíjet na – + s časovou konstantou τ =R.C
 vzrůst U na C změní vstup B z L na H, čímž se výstup B překlopí do L
 ten je spojen také se vstupem A, který se změní na L
 výstup A se změní ihned na H
 C se začne přebíjet přes R do výstupu B s úrovní L na + – a cyklus se
opakuje
Další druhy generátorů obdélníkových kmitů
monostabilní klopný obvod (MKO): jeden stabilní stav, do druhého se přivádí dočasně vstupním impulsem
bistabilní klopný obvod (BKO): dva stabilní stavy, překlápí se dvěma impulsy
BKO a MKO nejsou generátory periodického průběhu v pravém slova smyslu.
Zapojení s operačními zesilovači
bylo popsáno v kapitole o zapojeních OZ
GENERÁTORY TROJÚHELNÍKOVÝCH A PILOVITÝCH KMITŮ
Generátor trojúhelníka - zapojení s OZ
obvod se dvěma OZ – integrátorem
a komparátorem
popis činnosti:
 integrátor (vlevo) integruje v čase vstupní
napětí (bod 1)
 je-li toto napětí konstantní, výstupní napětí
integrátoru u1 se mění lineárně; při
kladném vstupu výstup klesá a naopak,
neboť jde o invertující zapojení
 napětí u1 má trojúhelníkový průběh
 změna u1 z nárůstu na pokles nebo naopak nastává při překlopení komparátoru
 komparátor se překlopí z kladné do záporné saturace, prochází-li napětí v bodě 2
nulou do záporných hodnot
u1
R1
u2
R2
U 2 sat
, odtud u1
R2
R1
R2

to nastane, je-li

proud I je vždy konstantní; při záporné saturaci konstantní je roven
U 2 sat
I
protože napětí na invertujícím vstupu integrátoru je 0 (virtuální zem)
u1
; čas t
t

tento proud teče i kapacitou C; platí I

od překlopení komparátoru do záporné saturace při napětí
T1
C
u1
I
0 ( U 2 sat
C
U 2 sat
R
R1
)
R2
C
RC
C
u1
U 2 sat
,
R
u1
I
U 2 sat
R1
do průchodu napětí u1 nulou uplyne čas
R2
R1
; perioda kmitů je pak čtyřnásobná: T
R2
4 RC
R1
R2
Generátor pily
předchozí zapojení se doplní diodou paralelně k R
je-li dioda otevřená, integrace neprobíhá
(na invertující vstup integrátoru se přímo dostane
napětí z výstupu komparátoru)
© Ing. Pavel Kobrle
28
2014
GENERÁTORY FUNKCÍ
generuji tyto průběhy: sinus, obdélník, trojúhelník, pilu
nf generátory s analogovými obvody – oscilátory, obvody s OZ
hlavní vlastnosti: přesnost nastavení frekvence, spektrální čistota (bez nežádoucích harmonických), nezávislé nastavení
napětí
GENERÁTORY IMPULZŮ
pulsy – obdélníkové průběhy s jednou polaritou
hlavní parametry:
 T – perioda
 t+ doba trvání pulzu
 t- - doba do následujícího pulsu
 t+/T činitel plnění čili střída (duty factor)
 tr doba trvání náběžné hrany (rise time)
 td doba trvání sestupné hrany (fall time)
nastavitelné parametry generátorů:
 amplituda, frekvence, šířka pulsu
 někdy strmost hran, stejnosměrná složka (offset)
 speciálně: nastavení zkreslení – špičky, zákmity aj.
složitější generátory - možnost generovat skupiny pulsů (burst)
29. Frekvenční syntezátory
Frekvenční syntezátory (frequency synthesizers) generují frekvence odvozené od základního (hodinového) kmitočtu oscilátoru,
zpravidla krystalového.
nepřímá frekvenční syntéza – využívá pro generování výstupu fázového závěsu
přímá digitální frekvenční syntéza – výstup se tvoří přímo z kmitočtu oscilátoru pomocí čítačů a dalších obvodů
FÁZOVÝ ZÁVĚS
PLL _ phase-locked loop
přes 80 let starý známý princip
lze realizovat analogovými i číslicovými obvody
jde o obvod se smyčkou – zápornou zpětnou vazbou
popis funkce podle blokového schématu:
 fázový detektor FD porovnává vstupní a výstupní kmitočet f1 a f2
 vstupní referenční kmitočet f1 přichází z oscilátoru
 výstupní kmitočet f2 generovaný VCO (oscilátorem řízeným napětím) se přivádí na vstup FD zápornou zpětnou vazbou
 na výstupu fázového detektoru je napětí úměrné rozdílu fází obou kmitočtů, které řídí VCO
 jsou-li oba kmitočty stejné, napětí FD je stálé (nikoliv nulové), VCO generuje stálý kmitočet f2
 vznikne-li rozdíl obou kmitočtů, změní se výstupní napětí FD, které ovlivní VCO a jeho kmitočet se „zavěsí“ – přiblíží f1
 při nulovém řídícím napětí kmitá VCO na své základní frekvenci
podrobnější vysvětlení funkce:
 FD je v podstatě násobička, na jejímž výstupu se objevuje součtový kmitočet, který se odfiltruje dolnofrekvenční
propustí DP, a rozdílový kmitočet, přesněji napětí úměrné sin[( 1
] ; při rovnosti kmitočtů pak
2 )t
stejnosměrné napětí úměrné sin
je-li rozdíl základního kmitočtu VCO a f1 velký, f2 se nezavěsí
oblast zachycení: frekvenční pásmo, ve kterém dojde k zavěšení f2 na f1
oblast udržení: frekvenční pásmo, ve kterém se již zachycený závěs udrží v synchronizaci
Zapojení PLL jako generátoru různých kmitočtů
základní obvod se doplní děličkami
v ustáleném stavu platí
výstupní kmitočet f 2
f1
M
f1
f2
N
N
M
kombinací celých čísel M a N lze získat
prakticky jakýkoliv výstupní kmitočet
přesnost výstupního kmitočtu závisí na přesnosti oscilátoru f1
zapojení je jednoduché, ale pomaleji reaguje na změnu
Použití
v levnějších funkčních generátorech
v jiných oblastech – frekvenční a fázové demodulátory, digitální tunery, mobilní telefony
© Ing. Pavel Kobrle
29
2014
PŘÍMÁ DIGITÁLNÍ SYNTÉZA
DDS – direct digital synthesis
je složitější a dražší než PLL, ale také rychlejší a univerzálnější
má digitální a analogovou část
popis funkce podle blokového schématu:
Digitální část
 oscilátor OSC vytváří hodinový kmitočet f1
 číslo reprezentující fázi φ je drženo v akumulátoru fáze AKU
(na obrázku má AKU 7 bitů)
 v registru změny fáze R
je uložena hodnota změny fáze Δφ
(na obrázku Δφ = 3)
 číslo v AKU narůstá o Δφ v pravidelných intervalech, které závisejí
na hodinovém kmitočtu f1 z oscilátoru OSC
 velikostí změny fáze je ovlivněna frekvence f2 - větší Δφ znamená
větší f2
 pro každé číslo z AKU se vybere odpovídající hodnota z funkční
tabulky LUT (look-up table) – na obr. má LUT 4 bity – 16 hodnot
 obvykle bývá méně funkčních hodnot v LUT než fází, vzniká tak
aproximační chyba
Analogová část
 vybraná digitální hodnota z LUT je převedena D/A převodníkem
na analogové napětí
 přitom vznikají vyšší harmonické a aliasing, jež se odfiltrují pomocí
dolnofrekvenční propusti DP
nejmenší krok je dán výrazem
f1
, kde N je počet bitů akumulátoru fáze
2N
funkční tabulka je paměť
 typu ROM pro sinusový průběh
 programovatelná typu RAM pro libovolný průběh (AWF – Arbitrary Waveform)
Použití
přesné a kvalitní generátory libovolných funkcí (ARB WFG)
funkce rozmítání (sweep) – změna kmitočtu v určitém pásmu za určitý čas
v jiných oblastech - digitální modulátory a demodulátory, vysílače FM
30. Harmonická analýza, Fourierův rozvoj
HARMONICKÁ ANALÝZA
Zabývá se rozkladem periodického průběhu veličin.
je matematicky dokázáno, že libovolný periodický průběh lze vyjádřit
součtem tzv. harmonických
frekvence harmonických jsou celistvým násobkem frekvence
původního periodického signálu
amplitudové spektrum periodických průběhů je závislost velikosti
jednotlivých harmonických na frekvenci; je čárové
velikost harmonické se uvádí jako amplituda, popř. efektivní hodnota
příslušné veličiny (např. ve V) nebo v poměrných jednotkách - jako
úroveň v dB
je-li uvedena úroveň v dB, je vztažnou hodnotou 1. harmonická
méně často se uvádí
 fázové spektrum – hodnoty fází jednotlivých harmonických
 amplitudově fázové spektrum, které znázorňuje určitým způsobem
amplitudu harmonické i její fázi (často jen 0 nebo (180°))
© Ing. Pavel Kobrle
30
2014
Fourierova věta
Každou periodickou funkci můžeme vyjádřit nekonečnou řadou
f(t) = a0 + a1 cos ω0t + a2 cos 2ω0t +... + b1 sin ω0t + b2 sin 2ω0t + …
stejnoměrná složka
1. harmonická
2. harmonická
a0 – stejnosměrná složka; a1, a2,… b1, b2,… amplitudy harmonických; ω0 – úhlová frekvence periodického průběhu
Fourierův rozvoj tedy obsahuje stejnosměrnou složku, sinusové a kosinusové harmonické složky.
PROVEDENÍ ANALÝZY
Musíme vždy znát průběh analyzovaného signálu. Je třeba zjistit konstanty a0, a1, a2, … b1, b2, …
ANALYTICKY
Konstanty se vypočítají určitými integrály podle následujících vzorců:
a0
1
T
T
2
T
T
2
T
T
f (t )dt a1
0
b1
t )dt a 2
f (t ). cos(
0
0
f (t ). sin(
t )dt
b2
0
0
2
T
T
2
T
T
f (t ). cos( 2. 0t )dt an
0
f (t ). sin( 2. 0t )dt bn
0
2
T
T
2
T
T
f (t ). cos( n. 0t )dt
0
f (t ). sin( n. 0t )dt
0
NUMERICKY
Perioda průběhu se rozdělí na c dílků a konstanty se spočítají jako součty (sumy)
podle vzorců
a0
1
c
c
u i an
i 1
2
c
c
2
c
ui . cos( n i ) bn
i 1
(ui je střední hodnota funkce v příslušném dílku,
i
c
ui .sin( n i )
i 1
je fáze tohoto dílku)
Z DIGITÁLNÍCH VZORKŮ
DFT - diskrétní Fourierova transformace
 numerickými metodami se určuje spektrum z diskrétních vzorků signálu
 má vysoké nároky na výpočetní techniku
FFT - rychlá Fourierova transformace (Fast Fourier Transform)
 vychází z DFT, ale algoritmy jsou zkrácený výpočet
 používá se ve spektrálních analyzátorech a novějších digitálních osciloskopech (DSO) - přístroje zobrazí na monitoru
frekvenční spektrum
 při praktickém měření musíme dodržovat určitá pravidla (nastavit vhodnou vzorkovací frekvenci, zvolit vhodné
vzorkovací okno, nastavit vhodné měřítko na ose frekvence – span - atd.)
 frekvence harmonických a jejich úrovně se změří pomocí kurzorů
ZJEDNODUŠENÍ FOURIEROVA ROZVOJE
Platí několik pravidel, podle nichž lze v určitých případech některé členy rozvoje vynechat:
1. Rovnají-li se obsahy S1 a S2, je stejnosměrná složka a0 je nulová.
2. Je-li funkce sudá, obsahuje rozvoj pouze kosinusové složky.
3. Je-li funkce lichá, obsahuje rozvoj pouze sinusové složky.
4. Opakují-li se hodnoty z první půlperiody v druhé s opačným znaménkem, obsahuje rozvoj jen liché harmonické.
5. Opakují-li se hodnoty z první půlperiody v druhé se stejným znaménkem, obsahuje rozvoj jen sudé harmonické.
1
© Ing. Pavel Kobrle
2
3
31
4
5
2014