SE2 - Diferenční zesilovač a výkonové zesilovače

Diferenční (rozdílový, diferenciální) zesilovač je zařízení, které má zesilovat rozdíl vstupních signálů. Zapojení souměrného rozdílového zesilovače je na následujícím obrázku. 

Obr. 1: Základní zapojení symetrického diferenčního zesilovače

Princip činnosti tohoto zesilovače vychází z podmínky, že součet emitorových proudů obou tranzistorů je konstantní. Předpoklady pro řešení jsou shodné vlastnosti obou tranzistorů, shodná velikost kolektorových rezistorů (\(R_1=R_2\)).

Jsou-li obě vstupní napětí shodná, jsou shodné i kolektorové proudy, tím i úbytky napětí na kolektorových rezistorech. Na zátěži pak je nulové napětí. Poměr výstupního napětí k rozdílu vstupních napětí se označuje jako rozdílové (diferenční) zesílení.

\(A_d=\frac{u_{výst}}{u_1-u_2}\simeq -\frac{h_{21e}R_{ZN}}{h_{11e}+R_G}\dot=4y_{21e}R_{ZN}\frac{y_{21e}R_E}{1+2y_{21e}R_E} \)

kde 

\(R_{ZN}=\frac{R_C\cdot \frac{R_Z}{2}}{R_C+\frac{R_Z}{2}}\)

Protože tranzistory nemají stejné vlastnosti, zesilovač zesiluje i souhlasné (soufázové) napětí. Proto se definuje přenos soufázového signálu.

\(A_{CM}=\frac{u_{výstS}}{u_{vstS}}\simeq - \frac{h_{21e}R_C}{h_{11e}+R_G+2(1+h_{21e})R_E}\)

Důležitým parametrem je tzv. činitel potlačení soufázového (součtového) signálu, označovaný symbolem CMRR, nebo CMR.

\(CMRR=\frac{A_d}{A_CM}\simeq \frac{h_{11e}+R_G+2(1+h_{21e})R_E}{h_{11e}+R_G}\)

Tato veličina se často udává v decibelech: \(H=20 log(CMRR)\).

Ze vztahu pro CMRR vyplývá, že činitel potlačení je dán především proudovým zesilovacím činitelem h_21e a velikostí emitorového odporu. Velikost CMRR je ukazatelem kvality diferenčního zesilovače, čím vyšší je tím je zesilovač lepší. Běžná velikost je od 80 dB do 100 dB, zvýšením CMRR lze dosáhnout zapojením tranzistorů v Darlingtonově zapojení, které zvýší zesilovací činitel \(h_{21e}=h_{21eT_1}\cdot h_{21eT_2}\). Také použití proudového zdroje místo R_E zlepší parametry, ideální proudový zdroj má nekonečný odpor, pro realizaci z bipolárního tranzistoru platí velikost \(R_I\simeq\frac{h_{21e}}{h_{22e}}\). 

Obr. 2: Závislost kolektorových proudů I_C1, I_C2 na \(U_d/U_T\)

Vlastnosti podle obr. 2:

1. Lineární rozsah zesilovače je pro velikost diferenčního napětí \(-U_T \leq U_d \leq U_T\) (cca 50 mV).
2. Nasycení zesilovače dochází při \(|U_d| \geq 4U_T\) (cca 200 mV).
3. Strmost křivek určuje zesílení rozdílového zesilovače,  je závislá na proudu I_E, teplotě, a proudovém zesilovacím činiteli h₂₁.
4. Připojením rezistorů k emitorům lze rozšířit lineární pracovní rozsah, přičemž se zvýší i odolnost proti velkým signálům na vstupu, ale zmenší se tím zesílení zesilovače.  

Použití:

Diferenční zesilovače se používají především jako vstupní stupně operačních zesilovačů, používají se v měřící, popř. řídící, technice, ale je využít i v obvodech směšovačů, analogových násobiček a demodulátorech.

Výkonové zesilovače

Výkonový zesilovač musí mít následující parametry:

• velký výstupní výkon,
• malé nelineární zkreslení,
• vysokou účinnost,
• malý výstupní odpor.

Podle zapojení se výkonové zesilovače dělí na jednočinné a dvojčinné.

Pracovní třídy zesilovače

Podle způsobu činnosti zesilovací součástky rozlišujeme tři základní pracovní třídy zesilovačů. 

Třída A

Zesilovací součástka pracuje po celou periodu zesilovaného signálu. Úhel otevření zesilovací součástky je \(2\alpha_0=360\)°.

Vlastnosti:

• malé zkreslení
• malá účinnost (až 50 %)

Třída B

Klidový pracovní bod P zesilovací součástky je nastaven do bodu zániku výstupního proudu. Při činnosti otvírá součástku vždy jen jedna půlvlna vstupního signálu. Ta se zesílí a pronikne do výstupu. Úhel otevření součástky je \(2\alpha_0=180\)°. Druhá polovina periody se nezesiluje, proto je nutné dvojčinné zapojení. 

Vlastnosti:

• vyšší účinnost než třída A (až 70 %) 
• vzniká přechodové zkreslení

Třída C

Zesilovací součástka je v klidu uzavřena vhodným předpětím U_p. Otvírá se, až signál překoná toto předpětí. Úhel otevření je menší než polovina periody (\(2\alpha_0<180\)°).

Vlastnosti:

• vyšší účinnost než třída B (až 100 %) 
• velké zkreslení 

Třída AB

Jedná se o dvojčinný zesilovač v třídě B s posunutým pracovním bodem. Má nižší účinnost než B, ale nevzniká zde přechodové zkreslení, takže se blíží k třídě A.

Jednočinný výkonový zesilovač v třídě A

Obr. 3: Jednočinný výkonový zesilovač pracující ve třídě A

Pracovní bod je nastaven pro maximální výkon P_CMAX:

\(U_{CEP}=\frac{U_{CEM}}{2}\)

\(I_{CP}=\frac{P_{CMAX}}{U_{CEP}}\)

Dvojčinný výkonový zesilovač v třídě B

Obr. 4: Dvojčinný výkonový zesilovač pracující ve třídě B

Jedná se o komplementární spojení dvou emitorových sledovačů.

Dvojčinný výkonový zesilovač v třídě AB

Obr. 5: Základní zapojení dvojčinného zesilovače ve třídě AB

Proud proudových zdrojů musí být větší než maximální proud bází při plném vybuzení. Zdroje konstantního proudu mohou být realizovány pomocí bipolárních tranzistorů, integrovanými obvody atd.

 

Použitá literatura:

• BRANDŠTETTER, Pavel. Elektronika. Dotisk 2. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita, 1999, 316 s. ISBN 80-707-8966-2
• MAŤÁTKO, Jan. Elektronika: pro 4. ročník gymnázií. Praha: SNTL, n. p., 1989, 200 s. ISBN 80-03-00038-6

---

Přidal Vojtěch Šotola. Naposledy upravil Vojtěch Šotola dne 2020-05-16 14:51:36.