1.1. Uvod Uvod - leda.elfak.ni.ac.rsleda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika/predavanja/prethodna/11... · Uvod Namena • Koriste se kao izlazni stepen, na kraju poja čavačkog

POJAČAVAČI

VELIKIH SIGNALAVELIKIH SIGNALA

18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 1

Sadržaj1.1. UvodUvodNN•• NNamenaamena

•• Oblast sigurnog rada tranzistoraOblast sigurnog rada tranzistoraBBilil ( t i k išć j )( t i k išć j )•• BBilailanns snage (stepen iskorišćenja)s snage (stepen iskorišćenja)

•• KKlir faktorlir faktorKKl ifik ij j č č l ž j dl ifik ij j č č l ž j d•• KKlasifikacija pojačavača prema položaju radne lasifikacija pojačavača prema položaju radne tačketačke

2.2. Pojačavač snage u klasi A sa BJT Pojačavač snage u klasi A sa BJT

33 OObrtači fazebrtači faze3.3. OObrtači fazebrtači faze

4.4. Pojačavač snage u klasi B sa BJTPojačavač snage u klasi B sa BJT•• Simetrična sprega u klasi BSimetrična sprega u klasi B•• SSimetrična sprega sa komplementarnim paromimetrična sprega sa komplementarnim parom

18. decembar 2012.

p g p pp g p pPojačavači velikih signala

Sadržaj

4.4. PojačavačPojačavačii snage u klasi ABsnage u klasi AB

5.5. CMOS pCMOS poojačavači snagejačavači snage

6.6. Primer integrisanog pojačavača snagePrimer integrisanog pojačavača snage

77 PoPojačavač snage u klaci Cjačavač snage u klaci C7.7. PoPojačavač snage u klaci Cjačavač snage u klaci C

8.8. PPrekidački pojačavači snagerekidački pojačavači snage•• Pojačavači snage klase D, E, FPojačavači snage klase D, E, F•• Pojačavači snage klase S, I, TPojačavači snage klase S, I, Tj gj g•• Pojačavači snage klase G, HPojačavači snage klase G, H

18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala

Uvod

1.1. UvodUvod•• NNamenaamena•• NNamenaamena•• Oblast sigurnog rada tranzistoraOblast sigurnog rada tranzistora•• BBilailanns snage (stepen iskorišćenja)s snage (stepen iskorišćenja)•• BBilailanns snage (stepen iskorišćenja)s snage (stepen iskorišćenja)•• KKlir faktorlir faktor•• KKlasifikacija pojačavača prema položaju radnelasifikacija pojačavača prema položaju radneKKlasifikacija pojačavača prema položaju radne lasifikacija pojačavača prema položaju radne

tačketačke


Uvod

NNNNamenaamena•• Koriste se kao izlazni stepen, na kraju pojačavačkog Koriste se kao izlazni stepen, na kraju pojačavačkog

lanca: lanca: •• Opterećen je potrošačem, tako da je veoma važno da se Opterećen je potrošačem, tako da je veoma važno da se

i l i d il di t š č ( j č či l i d il di t š č ( j č čizlazna impedansa prilagodi potrošaču (za pojačavače izlazna impedansa prilagodi potrošaču (za pojačavače napona napona –– mala izlazna otpornost). mala izlazna otpornost).

•• Prethodno je siPrethodno je siggnal već dovoljno pojačan tako da pobudninal već dovoljno pojačan tako da pobudni•• Prethodno je siPrethodno je siggnal već dovoljno pojačan, tako da pobudni nal već dovoljno pojačan, tako da pobudni signali nisu mali.signali nisu mali.

•• OOčekuju se veliki signali na izlazu.čekuju se veliki signali na izlazu.j gj g•• Koristi se cela radna oblast tranzistora.Koristi se cela radna oblast tranzistora.•• Izlazni signal izobličen.Izlazni signal izobličen.

N ž li iN ž li i l i l i d lil i l i d li•• Ne važe linearni Ne važe linearni mmalosignalni modeli.alosignalni modeli.•• Veliki signali impliciraju velike snage Veliki signali impliciraju velike snage –– zato je važan odnos zato je važan odnos

korisne snakorisne snagge na potrošaču i ukupne uložene snagee na potrošaču i ukupne uložene snage18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala

korisne snakorisne snagge na potrošaču i ukupne uložene snage.e na potrošaču i ukupne uložene snage.

POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA

Da se podsetimo:Izlazne karakteristike bipolarnog tranzistora koji radi u konfiguraciji sa zajedničkim emiteromradi u konfiguraciji sa zajedničkim emiterom

I IB9

Pojačavači malih signala k i jli ijiIC

IB8

IB9 koriste samo najlinearniji deo karakteristika tranzistora

IB6

IB7

tranzistora

IIB4

IB5

B6

VCEIB1

IB2IB3



To se postiže izborom jednosmerne radne tačke, odnosno jednosmernom polarizacijom tranzistora

IC

VCE

Npr. u RT sa IB=60μABićBićeIc=1.5mA iV =4.5V


Vce 4.5V


jednosmerna polarizacija tranzistora

Rc

IC=1.5mA

R1 Rc

IB=60μA

VCE=4,5VVBE=0.6V

VCC

1

T1BE

R2

2



Pobuda malim naizmeničnim signalom prko Csizazvaće na Rc promenu od Rc(βiB), tako da će na potrošaču da se javi naizmenična komponenta Vp=RpIP

RcR1 Cs

IPIB=(60 ± 20)μA IC=1.5mA±0.5mACs

T1 VCC

1

VCE=4,5V 2V± VP

R2 Rp+- Vin

T1 VCC

2



jednosmerna polarizacija tranzistora

IC

VCE



Realno, karakteristike BJT nisu linearne



Od pojačavača velikih signala očekuje se da koristi se što veću oblast rada tranzistora!

IC IB9

Oblast rada ograničena je saPdmax

IB8

ICmax

ICmin

ICmax

IIB6

IB7 VCEmax=BVCE

VCEmin=VCEzas

IIB3

IB4

IB5 Pdmax

Sekundarni probojVCEIB1

IB2ICmin

V V


VCEminVCEmax


P j č či k ji k i š ć d bl i jPojačavači koji koriste što veću radnu oblast nazivaju se pojačavačima snage.Zadatak im je da što veću snagu dopreme do potrošača – (generalno snage veće od 1W)potrošača – (generalno snage veće od 1W).

Dobro je da se definiše pojam snage vezan za pojačavače.



Generalno, za svaki uređaj definiše se pojam

l ž i• uložene snage i

• korisne snagekorisne snage

Opšte prirodno načelo kaže da uložena snaga mora biti ć d t š d k ibiti veća od utrošene, odnosno korisne snage.

Puloženo > Pkorisnouloženo korisno

Šta je sa razlikom?

Razlika se odnosi na snagu gubitaka.



Šta se ulaže?

D bi j č č di b j d j iDa bi pojačavač radio, potebno je da se napaja iz izvora VCC.

Pojačavač “crpi” snagu iz izvora napajanja.

S k j i j j d j d t ljSnaga koju izvor za napajanje daje, predstavlja ukupnu utrošenu snagu i ona iznosi

PCC=VCC*ICC



PCC=VCC*ICC

Rc

C

RcR1 Cs ICC

VP

Cs

T1 VCC

1

R2 Rp+- Vin

2


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALAKorisna snaga je ona koja se ostvari na potrošačuKorisna snaga je ona koja se ostvari na potrošaču

ona iznosi Pk=PP=VP*IPk P P P

RcR1 Cs

Cs

T1 VCC

1

ICIB

IP VPR2 Rp+- Vin

T1 VCC

2

VCE



Stepen iskorišćenja, η, predstavlja odnos korisne snage na potrošaču,

Pk =VPIPi ukupne snage koju predaje izvor za napajanje

PCC=VCCIC

k

PPη =maxCCP

ηmax



Osim na potrošaču, snaga izvora za napajanje troši se i na:• aktivnim elementima (tranzistori)• na pasivnim elementima pojačavača (R Rna pasivnim elementima pojačavača (R1, R2, RC,...)

Rc

C

RcR1 Cs

Cs

T1 VCC

1

R2 Rp+- Vin

2



Termička snaga tranzistora (tranzistor se greje) kojase troši na tranzistoru zove se Snaga disipacijese troši na tranzistoru zove se Snaga disipacije

ona iznosi Pd=VCE*IC

RcR1 Cs

ICCs

R1 Cs

VCE

Rp+T1 VCC

12

R2 Rp+- Vin



Snaga na aktivnom elementu (tranzistoru) predstavlja snagu koja se utroši na tranzistoru da p j g jbi se obezbedio željeni položaj radne tačke i u odsustvu korisnog signalag g

Pd=VCE IC (za bipolarni tranzistor)Pd=VDS ID (za FET/MOSFET)d DS D

Snaga na aktivnom elementu ne sme da premaši maksimalnu snagu disipacije koja je tehnološki parametar i nalazi se u katalozima

Pdmaxinače će tranzistor da pregori.



Zato je radna oblast tranzistora ograničena hiperbolom disipacije definisanom sa p p j

Pdmax=IC*VCE

I I Za svako dato VIC

IB8

IB9PdmaxZa svako dato VCEpostoji maksimalna strujaI

I

IB7

strujaIC=Pdmax/VCE

IC

I

IIB4

IB5

IB6

i za svaku datu ICpostoji maksimalni

IC

VCEIB1

IB2IB3

p jnapon

VCE=Pdmax/ICV V18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 22

CE dmax CVCE VCE

Da se podsetimoQ1

RC

12

VCC

1

RB1 2

IC

VBB

12

2IB VB

E

Uticaj temperature na Pd.•promena radne temperature T1 < T2

0

IB=0.7mAI =0 6mA

IC(mA) Pdmax=380mWIB=0.6mAIB=0.5mAIB=0.7mA

IB=0.6mA60

Pd Pdmax=350mW

IB=0.4mAIB=0.3mA

IB=0.5mAIB=0.4mA

50

40

IB=0.2mAIB=0.1mA

IB=0.3mAIB=0.2mA

IB=0.1mA

30

20

IB=0mABIB=0mA10

VCE(V)161412108642 VCE(V)161412108642


Pojačavač snage klase A sa bipolarnim tranzistorom

Disipacija u funkciji TEMPERATURETO - Temperatura okolineTSmax – temperatura spoja,

Pd0maxTSmax temperatura spoja,

maksimalna

TO0 TS

maxmax dthoS PRTT ⋅=−

TO0 TSmax

th

oSd R

TTP −= max

maxZa To>TO0

Rth – termička otpornost O-SPdmax – max. Pd


thRdmax d


Domaći 11.1:Bipolarni tranzistor karakteriše snaga disipacije od Pd0max= 2W, p g p j d0max ,pri TO0=25oC i maksimalna temperatura spoja TSmax=150oC. Odrediti termičku otpornost tranzistora i maksimalnu snaguOdrediti termičku otpornost tranzistora i maksimalnu snagu koju tranzistor može da disipira pri temperaturi okoline T =50oCTO=50 C.[]



Idealni pojačavač snage bio bi onaj koji imap j g j j

• stepen iskorišćenja η=100% (PK=PCC) znači: snaga izvora za napajanje bez gubitaka dođe do potrošačadođe do potrošača

• neizobličen signal na potrošaču g p

Takvi pojačavači NE POSTOJE


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALADa se podsetimo

Kao mera kvaliteta pojačavača služi poređenje sa p j p jidealnim.

S P i P ž d i č / i iSnage PCC i PK možemo da izračunamo/merimo i odredimo stepen iskorišćenja η.

Kako odrediti i kvantifikovati izobličenje signala?


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALADa se podsetimo

Izobličenje se meri veličinom koja se naziva klir faktor i označava se sa k.f

Klir faktor n-tog harmonika signala x, definiše se kao odnos amplitude n tog i amplitude osnovnogkao odnos amplitude n-tog i amplitude osnovnog harmonika

kn= Xnm/X1m

N

i XXk 1∑=

Ukupan klir faktor

mi

im XXk 12

∑=



Sa karakteristika tranzistora očigledno je da će veći signali biti više izobličeni.g

Stepen izobličenja zavisi od položaja radne tačke.

Ovo se najbolje vidi sa prenosnih karakteristikatranzistora i pojačavačaz p j

RcR1 Cs

I

ICIBCs1 CC

1

R1 Cs

IPVCE VP

R2 Rp+- Vin

T1 VCC

2



Prenosna karakteristika tranzistora



Prenosna karakteristika pojačavača

VCmax≈ VCC VC= VCC-IC(VBE)*RC

VCmin≈ VCEs



Položaj RT na prenosnoj karakteristicitranzistora i pojačavača

B ABC

AA

B AB

B ABC



Klasa A, B i AB za širokopojasne pojačavače

A B AB

Klasa C za uskopojasne, selektivne, pojačavače



Klasa A, B i AB za širokopojasne pojačavače

A B AB




Kl ifik ij j č čKlasifikacija pojačavačaPrema radnoj tački (A, B, AB, C )

A B AB CA B AB C

B ABC

AA

B

B ABC



Klasa A, B ili AB za širokopojasne pojačavače


(B/fs)=(fv-fn)/fs

opseg od 10 kHz čija je srednja frekvencija 7 kHzši okopojasni

opseg od 10 kHz čija je srednja frekvencija 1 MHz

širokopojasni

p g j j j jselektivni



Pored pojačavača čiji je radni režim definisan položajem radne tačke podešene u tački A, B, AB ilipoložajem radne tačke podešene u tački A, B, AB ili C, postoje pojačavači snage kod kojih tranzistor radi u prekidačkom režimu (u zakočenju ili uradi u prekidačkom režimu (u zakočenju ili u zasićenju).

Ovi pojačavači klasifikuju se kao pojačavači koji rade u klasi de u sD, E, F,

S, I, T, , , ,G, H



Kako izabrati Da bi se dobiloKako izabrati •aktivni element, •elemente kola,

Da bi se dobilo • željena snaga na izlazu• minimalna izobličenjaelemente kola,

•veličinu ulaznog signala,

• minimalna izobličenja, • dozvoljena disipacija na aktivnom elementusignala,

•otpornost potrošača

na aktivnom elementu

potrošača



Kompromis:

Izobličenja – korisna snaga (prvog harmonika)


Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom

1 5

Rb1 r

n:14 8

Rp

VCC

1

T1

Cs

+- Vin Ce 2

ReRb2

Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom i transformatorskom spregom sa potrošačem


i transformatorskom spregom sa potrošačem


Rb1

VCC

1

T1

2

ReRb2

Šema za JS Pojačavač snage u klasi A sa BJT i transformatorskom spregom sa potrošačem18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 41



Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistoromStatička radna prava ~ 1/Rep

18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 42VCC


Za NS RP se preslikava u kolo kolektora kao r = n2R

VnVCP p' =r = n Rp

1 5

nIIC /P=Rb1 r

n:14 8

Cs

Rp

CP VnV p'+- Vin Ce

VCC

12

T1

ReRb2 C

CPnI

VnI

VrP

p'/

==

pRnIV

nr 2

P

p2 ==

r određuje dinamičku radnu pravu



Rb1 n2Rp

T1

+- Vin Rb2

Šema za NS pojačavača snage u klasi A sa BJTi transformatorskom spregom sa potrošačem18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 44



Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom

Dinamička radna prava

18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 45VCC VCEmax > VCC


izlazne karakteristiketipičnog tranzistora u sprezi sa zajedničkim emitorom

ulazne karakteristike


tipičnog tranzistora u sprezi sa zajedničkim emitorom


Naponska pobuda

Rb1 r1 5

Rp

Cs

Rb1

VCC

1

Rg

n:14 8

p

+- Vg Ce

VCC

2

T1

ReRb2

(mali signali)



Efekat VELIKIH signala

JBm=0,3mA

-JBm=0,2mA

VELIKI signali



Efekat VELIKIH signala

JCm=20mA

-JCm=19mA

VELIKI signali-V =5V VCEm=6,7


-VCEm=5V VCEm 6,7V


Talasni oblici pri naponskoj pobudi

) Ul i b) Ulazna strujaa) Ulazni napon b) Ulazna struja

18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 50c) Izlazna strujad) Izlazni napon


Gde postaviti radnu tačku da bi se dobio maksimalni neizobličeni signal na izlazu?

Ograničenje IOgraničenje ICmax




Ograničenje VOgraničenje VCEmax




Simetrični signalSimetrični signal



U idealnom slučaju najveći neizobličeni signal dobiće se za RT definisanu sa VCEM= VCC = VCEmax/2 i ICM= ICmax /2

ICmax

ICm

ICM

IC

VCEM= VCC

ICm

VCEm

VCEmax=2VCC

VCEm


CEm


U idealnom slučaju najveći neizobličeni signal dobiće se za RT definisanu sa VCEM= VCC = VCEmax/2CEM CC CEmax

i ICM= ICmax /2ICmax

Amplituda napona iznosiVCEm=VCC

ICmCEm CC

a strujeICm=ICM

ICM

ICCm CMTada se očekuje najveći stepen iskorišćenja

ICm

VCEm VCEmstepen iskorišćenja.

Koliko on iznosi? VCEM= VCCVCEmax=2VCC


CEmax CC


Tada je maksimalna korisana snaga

ICmax

CMCCmmk IV11P == CCE IV

=ICM

CMCCmmk IV2

2

P == CCE IVICm

IC ICM

ICm VCEm VCEm

ICm

VCEm=VCEM= VCCVCE =2VCC

CEm CEm

VCEmax 2VCC



Dok je ukupna snaga koju daje baterija

IVP ICmax

CMCCCC IVP = Cmax

I

ICm

ICM

ICm VCEm VCEmTako da je

VCEM= VCC

VCEmax=2VCC1 IV50.

IVIV

21

IV2

PPη

DMCCDMCC

CMCCCCk

max ====CmCEm IV

IV2IVP DMCCCMCCCC


Pojačavač snage klase A sa bipolarnim tranzistoromNajveća moguća vrednost stepena iskorišćenjaNajveća moguća vrednost stepena iskorišćenja pojačavača snage koji rade u klasi A

TeoretskiICmax

Teoretski η =50% ICM

ICm

ηmax 50%VCEM= VCC

ICm VCEm VCEm

Praktično 40%

VCEM VCC

VCEmax=2VCC

η < 40%



Ukupan stepen iskorišćenja

η=ηpojačavača ⋅ηtransformatora



PkmaxMinimalna izobličenja

kmax

Kompromis pRc=22k

Zavisnost korisne snage i klir faktora god veličine kolektorske otpornosti



Q1 ZC, a Q2 izvor konstantne strujekonstantne struje –polarizacija.I =I+iIE1=I+iLIE1>I za najveće iL da bi radio u klasi A inače Qradio u klasi A, inače Q1ide u zakočenje.



Prenosna karakteristika pojačavača



Talasni oblici napona i snage



Disipacija snage

Na Q1 najveća VCCI, kada je vo=0 Definisana sa DC RT.

Na Q2:Teče konstantna struja I, tako da je najveća kada je najveći napon vo=VCC i iznosi

2V IpD2max=2VCCI. Srednja snaga na Q2 je VCCI



Efikasnost – stepen korisnog dejstva


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALADomaći 11 2:Domaći 11.2:U kolu sa slike poznato je VCC=15V, tranzistore karakteriše V 0 2V V 0 7V i β>>1VCEsat=0,2V, VBE=0,7V i β>>1.Odrediti vrednost otpornika R koja obezbeđuje dovoljnu struju I, da bi ik R d bi k i l i di ički i lbi se na otporniku Rp dobio maksimalni dinamički opseg signala.

Odrediti dinamički opseg p gizlaznog signala, kao i minimalnu i maksimalnu

Vu

Rp

vrednost emitorske struje.

[0 97k ±14 8V 0 29 6mA][0,97k, ±14,8V, 0-29,6mA]


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALADomaći 11 3:Domaći 11.3:U kolu sa slike poznato je VCC=10V, I=100mA i Rp=100Ω, usvojiti V 0V i α 1VCEsat=0V i α=1.Odrediti disipaciju snage na svakom od tranzistora kada je Vu=0V.

Odrediti disipaciju snage na svakom od tranzistora, snagu na potrošaču i stepen iskorišćenja, ukoliko je

Vu

Rp

pojačavač pobuđen prostoperiodičnim signalom najveće moguće amplitude. [1W, 1W, 0.5W,

18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 671W, 0.5W, 25%]

Pojačavači snage u klasi A

Pojačavače snage u klasi A karakteriše:

vrlo mali klir faktor

velika disipacija snage na aktivnom elementuvelika disipacija snage na aktivnom elementu (u najpovoljnijem slučaju oko 60% od ukupne uložene snage)ukupne uložene snage)

Izrada pojačavača velikih snaga u klasi A zahteva skupe i komplikovane komponenete za hladjenje

Koriste se za relativno male snage do 1W


Pojačavači snage u klasi BPojačavači snage u klasi B


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALA klasa B

Položaj RT na prenosnoj karakteristici tranzistora

B


Pojačavači snage u klasi B

Radna tačka aktivnog elementa nalazi se u tački gde prestaje da teče g p jizlazna struja – granica zakočenja.

Primenom samo jednog aktivnogPrimenom samo jednog aktivnog elementa dolazi do velikih izobličenja izlaznih signalaizobličenja izlaznih signala.

Izlazni signal čini povorka pozitivnih g p pili negativnih implusa sinusoidnog oblika


Simetrična sprega u klasi B

Primenom simetrične sprege ovaj nedostatak se uklanja.


R d t čk l i i iSimetrična sprega u klasi B

Radna tačka nalazi se na granici praga provođenja aktivnih

l telemenata.

U odsustvu signala oba aktivnaU odsustvu signala oba aktivna elementa su zakočena.

J d kti i l t či j dJedan aktivni element počinje da vodi čim signal postane veći od 0,

d i či i l b d ji d 0a drugi čim signal bude manji od 0.


Simetrična sprega sa komplementarnim parom u p g p pklasi B


Simetrična sprega sa komplementarnim parom u klasi B

Kada je signal pozitivan, vodi tranzistor QN(NPN tipa) i njegova izlazna struja teče preko ( p ) j g j potpornika Rp .

Tranzistor QP (PNP tipa) je zakočen.P p j

RP



Kada je signal negativan vodi tranzistor QP i obezeđuje struju kroz potrošač dok je tranzistor QNj j p j Nje zakočen.

RP



Pojačavač radi u klasi B. Ako je pobuda sinusoidalna Q vodi u pozitivnoj a Q uAko je pobuda sinusoidalna, QN vodi u pozitivnoj a QP u

negativnoj poluperiodi. N R ti blik l (id li )Napon na Rp prati oblik ulaznog napona (idealizovano)

RP





S obzirom da se radi o pojačavaču u konfiguraciji sa zajedničkim kolektorom, naponsko pojačanje je manje od 1.

Važno je da se uoči da je pojačana snaga jer je struja na ulazu – struja baze, a na izlazu je kolektorska struja (β puta veća), tako da je snaga na izlazu veća (β puta veća).

naponnaponnapon

RP

struja

20. decembar 2011. Pojačavači velikih signala 79struja


Prenosna karakteristika

NPN u zasićenju

NPN aktivanPNP zakočenPNP zakočen

NPN zakočenPNP aktivan NPN zakočen

PNP ić j

NPN zakočenNPN zakočen

PNP u zasićenju



U svakoj poluperiodi vodi samo jedan tranzistor, tako da se ukupna otpornost preslikava u kolo svakog aktivnog elementapreslikava u kolo svakog aktivnog elementa.

Ukupna KORISNA snaga koju predaje svaki aktivni element odnosi se na jednusvaki aktivni element odnosi se na jednu poluperiodu i iznosi

Pk1 =(1/2)* [(1/2)(I1m V1m )]=1/4*I1m *[V0 –Vmin ], maksimalna na Rp:≈1/4*I1m*[VCC –VCEsat ]

Maksimalna korisna snaga koju daju oba g j jaktivna elemnta jePk = 2*Pk1 =1/2*I1m [VCC –VCEsat]


Snaga svakog od izvora za napajanje (±V )Simetrična sprega sa komplementarnim parom u klasi B

Snaga svakog od izvora za napajanje (±VCC) koja se predaje jednom aktivnom elamentu je P =VCC* IP1 =VCC I0

(I0 – jednosmerna komponenta impulsne struje)T1 dtti

TI

T⋅= ∫

000 )(1

i0(t) 0 0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅= ∫∫ dtdttI

TI

T

T

TCm

2/

2/

0max0 0sin1 ω

0

⎠⎝ T 2/0

( ) ( )ωωπ

ωωω

ππ

0

max

0

max0 sin

21sin1 CmCm tdtTIT

tdtIT

I ⋅=⋅= ∫∫

( ) ( ) ( )( )π

ππ

ωπ

π maxmax0

max0

00

0cos(cos2

cos2

CmCmCm IItII =−−=−=


πππ 22


Odakle sledi da se po jednom aktivnom elementu trošielementu troši

P1 = P2 = (1/π)* VCC*ICmmax1 2 ( ) CC Cmmax

Ukupna maksimalna snaga koju dajuUkupna maksimalna snaga koju dajubaterije iznosi

P=(2/π) *VCC * I1mmax


St i k i ć j i t ičSimetrična sprega sa komplementarnim parom u klasi B

Stepen iskorisćenja simetrične sprege po jednom aktivnom elementu jednak je

t i k išć j l j č čstepenu iskorišćenja celog pojačavačaη =Pk1 / P1 = Pk / Pη k1 1 k

= π/4 *(VCC – VCEsat )/VCC

0 785*(1 V /V )η =0.785*(1-VCEsat/VCC)

Stepen iskorišćenja pojačavača snage uStepen iskorišćenja pojačavača snage u klasi B u idealnom slučaju (VCEsat=0) je

η =78 5%η =78.5%.



Disipirana snaga na jednom aktivnom elementu je

Pd1=P1 – Pk1 = V0 I1m /π -1/4*V1m I1m

Pd1 =V0 I1m /π-(1/4)RI1m2

Maksimalna vrednost disipacije je za V0=VCCMaksimalna vrednost disipacije je za V0 VCC

I1m = (2/π) (VCC /R)

Pd1max = (1/π2 )(VCC2 / R)

Poređenjem sa korisnom snagom

Pk1 =(π2 / 4)Pd1 ~2 5 Pd120. decembar 2011. Pojačavači velikih signala 85

Pk1 (π / 4)Pd1max 2.5 Pd1max

Simetrična sprega u klasi B

Korisna snaga aktivnog elementa pojačavača

sa simetričnom spregom u klasi B

veća je 2 5 putaveća je 2,5 puta

od disipirane (nekorisne) snage


PrimerSimetrična sprega u klasi B

Ako se želi pojačavač kod koga je izlazna snaga na potrosaču 20W, svaki element treba da da po 10W.

Primer

U klasi B će se na svakom elementu disipirati po 4W, a u klasi A (simetrična), u idealnom slučaju po 10W. ( ), j p

U odsustvu signala na aktivnim elementima u pojačavaču klase B neće se disipirati snaga, a upojačavaču klase B neće se disipirati snaga, a u pojačavaču klase A disipiraće se čitavih 20W.

Komponente koje se ugrađuju u pojačavač klase BKomponente koje se ugrađuju u pojačavač klase B,mogu da imaju dva i po puta manju snagu disipacije od onih koje se koriste u klasi A, a da pojačavačj p jobezbeđuje istu korisnu snagu potrošaču.


Poređenje karakteristika pojačavača snage klase A i B

Pojačavač u klasi B daje veću korisnu snaguPojačavač u klasi B daje veću korisnu snagu

(78,5% : 50%)

Disipacija na aktivnim elementima pojačavača u klasi B, 2,5 puta je manja od disipacije u klasi A

Pojačavač u klasi B ima veća izobličenja od

u klasi B, 2,5 puta je manja od disipacije u klasi A

j jpojačavača u klasi A

Jednosmerna komponenta aktivnog elementa nije konstantna i može da ugrozi ostali deo kola


Veća korisna snaga zahteva veću dinamiku signala koja se postiže povećanjem napona napajanja – u pretpojačavačima naponakoristi se manji napon napajanja

Pad napona DC

AC smetnje

koristi se manji napon napajanja.

AC smetnje

Izvođenjne napajanja kod kola koja sadže pojačavače snageu izlaznom stepenu



Praktično pojačavač radi u klasi C jer tranzistoripočinju da vode tek kada je napon između baze ip j j pemitora > 0,5V.



Vezivanjem dve direktno polarisane diode između baza NPN i PNP tranzistora obezbeđuje se razlika jod oko 1V, koja je neophodna da bi se RT tranzistora pomerila na granicu provodnog režima.

AsimetričnoAsimetrično napajanje!!! ic(t)

+ -



Diode obezbeđuju bolju temperatursku stabilnost. Kako diode utiču na temperatursku stabilnost?



Važno je obezbediti dovoljnu struju kroz diode, tako da one ostanu direktno polarisane i pri najvećim str jama ba estrujama baze

JI ≥ maxDmD JI ≥

02212 DDDDCC IRVVIRV =−−−−

/)7.02/( 2

07.021

CC

VVVD RVIul

DD−=

===

2/CCiu VVV ==ViVu


Simetrična sprega sa komplementarnim parom u klasi BDodatakAnaliza za naizmenične signale - vodi jedan tranzistor

Dodatak

2maxmaxmax / RVJJ umBmDm +=

21 BE JhRV ≈ max21max BmEpum JhRV


Simetrična sprega sa komplementarnim parom u klasi BDodatakAnaliza za naizmenične signale - vodi jedan tranzistor

Dodatak

2RVJJ imBmDm /maxmaxmax +=

BEi JhRV 21≈ maxmax BmEpim JhRV 21

max,/ imCC VVRhR −− 702

max

max,/im

imCCpE V

VVRhR =7

212


Simetrična sprega sa komplementarnim parom u klasi BDodatak

Pojačanje Dodatak

RJpu

i

RR

JJA

22−==s

Strujno

V 1≈=ul

i

VVANaponsko

ul



Snaga BaterijeBaterije

00 IVP CC=+ -1 T

∫ ω

2/0

max0 sin1

T

Cm dttJT

I ⋅= ∫

( )ωωπ

2/

0

max0 sin

2

TCm tdt

TTJI ⋅= ∫

( )π

ωπ

π max0

max0 cos

2CmCm JtJI =−=

i (t)iCC(t) π/max0 CmCC JVP =



Snaga

Korisna, na potrošaču+ -

maxmaxmax 21

21

21

CmCCCmimk JVJVP ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛== maxmaxmax

1222 CmCCCmimk

JVP

⎟⎠

⎜⎝

max4 CmCCk JVP =



Stepen iskorišćenja u idealnom slučaju

+ -πJVPη

Cik 2

1maxmax

== πJVP

ηCCC

1max0

max ==

πJV

JVη

CCC21

21 max

max =I0

%πη

JV CCC

578100

2 maxmax

%,η 5781004max ==

%5,78η <20. decembar 2011. Pojačavači velikih signala 99


VMaksimalna moguća struja kroz Rp

p

CCpCCCm R

VRVJ2

2 == /)/(max

Maksimalni mogući napon na Rp

pcmCC

im RJVV maxmax 2==

Maksimalna korisna snaga na potrošačuVVV11 2

2

p

CC

p

CCCCCmimk R

VR

VVJVP8222

121 2

=== maxmaxmax


pp


Maksimalna snaga disipirana na tranzistoru2

2

2maxmax

max0pCmCmCC

kd

RJπ

JVPPP −=−=2π

Od interesa je da se odredi pri kojoj struji Jcmmax di i i j ćse disipira najveća snaga

CCd VJP=⇒=

∂ 0

V 2p

CmCm πR

J, J

=⇒=∂ max

max

0

p

CC

)/(π(VJdd Rπ

VPPpCCcm

2max 2max

===



Izobličenja

Uočljivo je da u delu malih struja izlazna strujaUočljivo je da u delu malih struja izlazna struja odstupa od sinusoide.



Pojačavače snage u klasi B karakteriše• veći stepen iskorišćenjaveći stepen iskorišćenja• veća izobličenja

d j č č kl i Aod opjačavača u klasi A


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALADomaći 11 4:Domaći 11.4:Odrediti vrednost VCC pojačavača sa slike, koji radi u klasi B, tako da bude za 5V veći od maksimalnog napona na potrošaču od 8Ωda bude za 5V veći od maksimalnog napona na potrošaču od 8Ω, kada se na njemu ostvaruje korisna snaga od 20W.

Odrediti maksimalnu struju svakog tranzistora, ukupnu g , psnagu izvora napajanja, stepen korisnog dejstva i maksimalnu Vu

Rp

g jdisipiranu snagu na svakom tranzistoru. [VCC>22.9V, Ipmax=2.25A, [ CC pmax

PCC=32.8W, η=61%, Pdn=Pdp=6.7W]


POJAČAVAČI VELIKIH SIGNALADomaći 11 5:Domaći 11.5:Za pojačavač sa slike koji radi u klasi B poznato je: VCC = 6V, Rp=4Ωi β β 50 Izmerena je maksimalna vrednost izlaznog naponai βN=βP=50. Izmerena je maksimalna vrednost izlaznog napona Vpmax=4.5V. Odrediti:

a) Snagu na potrošačub) Snagu svakog izvorab) Snagu svakog izvorac) Stepen iskorišćenja

Vu

Rpd) Maksimalnu ulaznu strujue) Snagu disipacije svakog ) g p j g

tranzistora. [Pk=2.53W, PCC+=PCC-

=2.15W, A, η=59%, Ium=22.1mA,


,Pdn=Pdp=0.91W]

Šta smo naučili?

U čemu se ogleda osnovna razlika između• U čemu se ogleda osnovna razlika između pojačavača malih i velikih signala?

• Klasifikacija pojačavača snage prema položaju• Klasifikacija pojačavača snage prema položaju radne tačke (ucrtati u prenosnim karakteristikama tranzistora i pojačavača)p j )

• Skicirati talasni oblik napona na izlazu pojačavača snage u klasi A koji je pobuđen idealnim sinusnim naponom (prikazati DC i AC komponentu)?

• Skicirati talasni oblik napona na izlazu pojačavača snage u klasi B koji je pobuđen idealnim sinusnimsnage u klasi B koji je pobuđen idealnim sinusnim naponom (prikazati DC i AC komponentu)?

106Pojačavači sa povratnom spregom18. decembar 2012.

Ispitna pitanja1. Namena, specifičnosti i zahtevi koji se postavljaju pred pojačavače snage. 2. Zavisnost maksimalne snage disipacije bipolarnog tranzistora od

temperature.3. Pojačavač snage u klasi "A" sa bipolarnim tranzistorom 3. Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom

transformatorskom spregom sa potrošačem (električna šema, statička i dinamička radna prava, stepen iskorišćenja)

4 Pojačavač snage u klasi "A" sa bipolarnim tranzistorom i direktnom4. Pojačavač snage u klasi A sa bipolarnim tranzistorom i direktnom spregom sa potrošačem (električna šema, prenosna karakteristika, stepen iskorišćenja)

5 Pojačavač snage u klasi "B" sa komplementarnim parom i simetričnim5. Pojačavač snage u klasi "B" sa komplementarnim parom i simetričnim napajanjem (električna šema i princip rada)

6. Pojačavač snage u klasi "B" sa komplementarnim parom i simetričnim j j ( i iš j )napajanjem (stepen iskorišcenja).

7. Pojačavač snage u klasi "B" sa komplementarnim parom i nesimetričnim napajanjem (električna šema i princip rada)

8. Pojačavač snage u klasi "B" sa komplementarnim parom i nesimetričnim napajanjem (stepen iskorišcenja)

9. Izvodenje napajanja kod višestepenih pojačavača koji sadrže i stepen j p j j p p j j ppojačanja snage.

10718. decembar 2012. Pojačavači sa povratnom spregom

Pojačavač snage klase A sa bipolarnim tranzistoromDodatak

Kako projektovati pojačavač snage?Projektovati = odrediti topologiju i

Rb1 r1 5

4 8Rp vrednosti

l k lVCC

1

n:1

T1

Cselemenata kola,

+- Vin Ce 2

ReRb2

da bi se ispunili određeni zahtevi



Izabrati

CCCEM VV ≤

VCE=VCC-REIC

ICM’ICM

VCE=VCC-REIC

18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 109VCEM

Pojačavač snage klase A sa bipolarnim tranzistoromPostupak projektovanja:

Dodatak

1. Definišemo ΔICM=ICM’-ICM

Postupak projektovanja:

CM CM CM2. Izaberemo r=RC=22k (kompromis snaga/izobličenja);

R je poznato a n (trafoa) se podešava R/RP je poznato, a n (trafoa) se podešava,

3. Izračunamo VCEM: RPV ⋅=

pRrn /=

CEM CdCEM RPV ⋅= max

CEMdCM /VPI´ =4. Izračunamo ICM’CEMdCM /VPI max

CMCMCM ΔII´I −=5. Izračunamo ICM CMCMCM ΔIIICM



6. Izračunamo IBM

/βII CMBM =III

CMECEMCC IRVV +≈CMCE III =≈7. Izračunamo RE za

R =(V V )/ICMECEMCC IRVV + RE =(VCC-VCEM)/ICM

8. Izračunamo RB1 i RB2B1 B2



( )VVII 1Radna prava za naizmenični signal

( )CEMCEC

CMC VVR

II −−=−

Aproksimacija strujnog zasićenjaj g j

IC=VCE/Ron

U preseku je ICmax



i i i jProveriti da li je ICmax > od d ljdozvoljene

Za poznato IC iZa poznato ICmin

izračunati VCEmax

Proveriti da li je V > BV


VCEmax > BVCE0

Dodatak

Simetrična sprega u klasi Ap g


Simetrična sprega u klasi ADodatak

Treba obezbediti minimalna nelinearna izobličenja i maksimalnu korisnu snagu

Jedno od rešenja za smanjenje nelinearnihJedno od rešenja za smanjenje nelinearnih izobličenja i povećanje stepena iskorišćenja nudi

simetrična sprega



SIMETRIČNA SPREGA je:

specijana sprega dva aktivna elementa identičnih karakteristika, koja omogućavaidentičnih karakteristika, koja omogućava dobijanje dvostruko veće korisne snage uz znatno manje nelinearnih izobličenja uznatno manje nelinearnih izobličenja u odnosu na stepen sa jednim aktivnim elementomelementom



Simetrična sprega u klasi A sa bipolarnim trazistorima18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 117

trazistorima


Analiza upotrebom simetričnog pojačavača sa p g p juopštenim aktivnim elementom



Na ulazu simetrične povratne sprege nalazi se transformator T1se transformator T1

Sekundar ovog transformatora ima i ič i i dsimetrična tri izvoda

Tako se dobija da su ulazini signali aktivnihTako se dobija da su ulazini signali aktivnih elemenata iste amplitude i suprotne faze



Potrošač je, takođe, priključen preko i t ič t f t k ji i t isimetričnog transformatora koji ima tri

izvoda



Za prostoperiodičnu pobudu na izlazu se dobija izobličeni signal sa harmonicima:izobličeni signal sa harmonicima:

i1= I + I1m cosω t +I2m cos2ω t +I3m cos3ωt +..

i2 =I + I1m cos[ωt+π]+I2m cos2[ωt + π]+

I 3[ t ]+ I3m cos3[ωt +π]+…i2 =I – I1m cosωt + I2m cos2ωt – I 3mcos3ωt +…



Struja u sekundaru transformatora T2 dobijaStruja u sekundaru transformatora T2 dobija se iz:

i i in2 i1 – n2 i2 = ipip = n2 (i1 –i2 )=n2 (2I1m cosωt + 2I3m cos3ωt+…)p 2 ( 1 2 ) 2 ( 1m 3m )

Struja potrošača ne sadrži jednosmernu k t i h ik !komponentu ni parne harmonike!

Poništeni su primenom simetrične spregep p g


Obrtači fazeDodatak

Ulazni trnsformator služi da generiše dva signala čije su amplitude jednake, a fazesignala čije su amplitude jednake, a faze suprotne.

T f t iš d i iTransformator više doprinosi amplitudskim i faznim izobličenjima i na

i ki i i ki f k ijniskim i na visokim frekvencijama nego što to čine aktivni elementi

Zato se umesto transformatora koriste elektronska kola koja obezbeđuju signaleelektronska kola koja obezbeđuju signale istih amplituda a suprotnih faza.

O i j f i b t či18. decembar 2012. Pojačavači velikih signala 123

Ona se nazivaju: fazni obrtači.

Dodatak

Obrtači fazeObrtači faze



Diferencijalni pojačavač sa nesimetričnim ulazom.

Rb1 Rb1RcRc Cs

CsT1CsVCC

1

T1

Rb2+- V1 Rb2

2

T1

Re

V2V2´

Re

Napon

20. decembar 2011. Pojačavači velikih signala 125Struja


Pod uslovom da je kolo simetrično

i da je R >>h važi:Rb1 Rb1Rc

Rc Csi da je RE >>h 11E važi:Rb2

CsT1

+- V1 Rb2

CsVCC

12

T1

ReV2

V2´

121

1112 2V

hRhVAV CE−== 1

11

211122 2

Vh

RhVAV'E

CE+==

112h E

V2 = -V’2

112h E

1112111

1121211112 212

1 V))R/(hh(h)/Rhh(RhVAV

EEEE

EEECE++

++−==Tačna analiza daje

1112111

21211122 212

1 V))R/(hh(h

)h(RhVAV'EEEE

ECE+++

+==


112111 212 ))R/(hh(h EEEE ++


Osnovni pojačavač kao obrtač faze

Napon

RcRb1

Napon

Struja

Cs

Csj

VCC

12

T1 Cs

+ V1 V ´ 2

Rb2 Re- V1V2

V2

Za RC =RE 122 ' VVV ≈−=



Primer primene obrtača faze kao zamena za ulaznitransformator:

Položaj radne tačke (klasa A B ili C) podešava se padom napona na otporniku R1 (izborom vrednosti R1).napona na otporniku R1 (izborom vrednosti R1).

Nedostatak: a) primena transformatora na izlazu

20. decembar 2011. Pojačavači velikih signala 128b) temperaturski nestabilno

Dodatak

Simetrična sprega sa komplementarnim parom


Simetrična sprega sa komplementarnim paromDodatak

Komplementarni tranzistori ?PNP i NPNPNP i NPN

identične karakteristike

Nema izlaznog trafoa!!!



Komplementarni tranzistori DC signalDC signal

Baze razdvojene za DC

DC struja kroz potrošač IP=020. decembar 2011. Pojačavači velikih signala 131

j p P


Komplementarni tranzistori

DC struja kroz potrošač IP=0



Komplementarni tranzistori

AC signal



Komplementarni tranzistori identičnih karakteristika

NaponStrujaStruja



Gde vezati masu potrošača?



Masa u čvoru 1č č čPojačavači sa zajedničkim emitorom



Masa u čvoru 1konfiguracija sakonfiguracija sa

zajedničkim emitorom

Veliko pojačanjeVeliko pojačanje

Ni jedan kraj baterije nije vezan za masu!!!

Negativna povratna sprega preko RB (smanjuje pojačanje)



Masa u čvoru 1konfiguracija sakonfiguracija sa

zajedničkim emitorom

Moguća neutralizacija negativne povratne sprege



Masa u čvoru 2

Konfiguracija saKonfiguracija sa zajedničkim kolektorom



Masa u čvoru 2Konfiguracija sa zajedničkim kolektoromKonfiguracija sa zajedničkim kolektorom

elik

i

• Potreban je veći ulazni signal jer je bi

ti ve

vač)g j j

pojačanje manje

mož

e oj

ačav

•Izlazna otpornost sign

al

pret

po

•Izlazna otpornost je manja

lazn

i s (p


Ul

Documents

1.1. Uvod Uvod - leda.elfak.ni.ac.rsleda.elfak.ni.ac.rs/education/elektronika/predavanja/prethodna/11... · Uvod Namena • Koriste se kao izlazni stepen, na kraju poja čavačkog