Wzmacniacze prądu 

stałego

 

 

Wstęp

Wzmacniaczem prądu stałego nazywamy wzmacniacz 

sygnałów zawierających składowe stałe.

Sygnałami wejściowymi w takich wzmacniaczach

mogą być napięcia lub prądy,

których zmiany mogą następować w ciągu minut, 

godzin, itd.

 

 

Porównanie charakterystyk 

częstotliwościowych wzmacniaczy prądu 

zmiennego i stałego

|Ku|

|Ku|

f

f

f

d

f

g

f

g

f

d

=0

Wzmacniacz prądu stałego

Wzmacniacz prądu zmiennego

DC

AC

 

 

Dryft napięciowy i dryft prądowy

Dryft napięciowy

Jest to zmiana poziomu napięcia wyjściowego wywołana 

zmianami temperatury i/lub wzmocnienia przy 

U

WE

=const.

Dryft prądowy

Jest to zmiana wartości prądu wyjściowego wywołana 

zmianami temperatury i/lub wzmocnienia przy 

U

WE

=const.

W  idealnym wzmacniaczu prądu stałego:

U

WY

=f(U

WE

)=const. jeśli U

WE

=const

W rzeczywistym wzmacniaczu prądu stałego 

napięcie (prąd)

na wyjściu zmienia się, mimo że sygnał wejściowy 

jest stały.

Zjawisko to nazywamy dryftem wzmacniacza.

 

 

Przyczyny powstawania dryftu

1. Zmiany temperatury

2. Zmiany napięć zasilających

3. Starzenie się elementów

4. Wpływ promieniowania jonizującego

 

 

Termiczny dryft napięciowy i prądowy

T

U

u

WY

DT







T

I

I

WY

DT







T

U

U

u

WY

WY

DT







T

I

I

i

WY

WY

DT







T [K]

U

WY

, I

WY

U

WE

=const.

Dryft termiczny powstaje wskutek zmian

punktów pracy elementów (tranzystory, diody)

 

 

Dryft wzmocnienia

czas
temperatura

Ku

x

K

U





x

Dryft wzmocnienia powstaje wskutek zmian

punktów pracy elementów

Dryft krótkookresowy - zmiany temperatury w czasie
Dryft długookresowy - starzenie się elementów

 

 

Modelowanie dryftu

Wzmacniacz 

rzeczywisty

~

Ro

U  = f(Rg,T)

D

Rg

Us

Wzmacniacz 

bezdryftowy

~

Ro

Rg

Us

u

n

n

i

Wzmacniacz 

bezdryftowy

~

Ro

Rg

Us

u

n

i   Rg

n

U

D

  

k

U

 

=

 

u

u

WY

D



U

WY

+U

W

Y

U

WY

+U

W

Y

U

WY

+U

W

Y

Napięciowe źródło 
dryftu

Prądowe źródło 
dryftu

 

 

Modelowanie dryftu - przykłady

R

R

E

B

E

B

 I

C



o



U

EB

 I

CBO



R

R

E

B

E

B

 I

C



o



U

EB

 I

CBO



U

1



 I

1

R

R

E

B

 I

C



o



U

EB

 I

CBO



E

1



 I

1

R

1

R

2

 

 

Dryft jest zjawiskiem szkodliwym, szczególnie przy
małych poziomach sygnałów i dużych wzmocnieniach

    

U

K

K

K

+

U

K

K

 

+

U

K

 

=

 

))

U

K

 

+

 

(U

K

 

+

(U

 

K

 

=

D1

1

2

3

D2

2

3

D3

3

D1

1

D2

2

D1

3

WY

U

o

o

K

K

K

1

2

3

o

o

U

WE

=0

U

WY

0

U

D

1

U

D

2

U

D

3

 

 

Zmniejszanie dryftu

1. Dryftów nie da się wyeliminować całkowicie.

2. Stosowanie ujemnych sprzężeń zwrotnych 
zmniejsza
   dryft wzmocnienia i zmniejsza zmiany punktów 
pracy.

3. Kompensacja w obwodach zasilania 
tranzystorów
    zwiększa stałość punktów pracy.

4. Stosowanie układów kompensujących dryft 
    - wzmacniacze różnicowe.

 

 

Struktury wzmacniaczy prądu stałego

1. Wzmacniacze z przetwarzaniem

2. Wzmacniacze o sprzężeniach galwanicznych

 

 

Wzmacniacz z przetwarzaniem

MODULATOR

DETEKTOR

U

WE

Generator
fali nośnej

Wzmacniacz AC

U

WY

 

 

Najprostszy wzmacniacz prądu stałego

+Vcc

DLATEGO praktycznie nie stosowany

1. Problemy z polaryzacją tranzystorów
2. OLBRZYMI wpływ temperatury

U

WE

, U

WY

>0

Dla U

WE

= 0 wzmacniacz nie działa

 

 

PRZYKŁAD

T1=27C, T2=28C

 

 

T=27C

T=28C

PRZYKŁAD

 

 

T1=27C
T2=28C

PRZYKŁAD

 

 

Przesuwniki poziomów napięć; 

rozwiązanie problemów z polaryzacją

+6V

+0.7V

Przesuwnik

poziomu

U

1

U

2

R

I

+Vcc

Wzmacniacz

Przesuwnik poziomu

 

  

0,7V)

 

-

 

U

 

 

(U

I

R

 

-

 

U

 

-

 

U

 

=

 

U

1

 

 

K

1

2

BE

1

2

u







U

WE

U

WY 

zawsze

 

>0

Dla U

WE

=0 wzmacniacz nie działa

 

 

Źródła prądowe

R

+E

UCC

I    = const

B

I C

Wpływ temperatury !

1

2

3

R

+E

4

R

+E

R

bardzo dobry w układach dyskretnych

5 +E

R

I

R

IR

5`

+E

R

I < I

I

R

R

RE

+E

I

R

6

I

R

Kompensacja wpływu temperatury

Lustro prądowe

Lustro prądowe ze sprzężeniem
prądowo-równoległym

Zasada działania

 

 

Przykładowe struktura wzmacniacza

R

C1

R

C2

R

2

T

1

T

2

i

D

i

B

i    >>

D

i

B

+E

-E

2

1

A

B

u

i

Charakterystyka diody Zenera

1

2

3

4

Przesuwnik 
poziomów 
napięć

U

WE

, U

WY

>0

 

 

Przykładowa struktura wzmacniacza

Przesuwnik 
poziomów 
napięć

U

WE

, U

WY

>0

R

C1

R

C2

R

2

T

1

T

2

+E

-E

2

1

DZ

 

 

Przykładowa struktura wzmacniacza

U

WE

U

WY

U

WE

, U

WY

>0

U

CC

 

 

Zagadnienie zerowych napięć U

WE

 i U

WY

1. Stosowanie dwóch źródeł zasilających (np. rys.)
2. Wykorzystanie wzmacniacza różnicowego

U

WE

U

WY

U

CC

U

EE

Można uzyskać U

WY

=0 przy U

WE

=0

 

 

Napięcia niezrównoważenia

U

WE

U

WY

U

IN

U

IN

 - wejściowe napięcie niezrównoważenia

U

ON

 - wyjściowe napięcie niezrównoważenia

U

ON

U

ON

IN

K

U

U 

K

U

ON

U

WE

WY

U

K

U

U







 

 

Polaryzacja wejść wzmacniacza

Do wejścia każdego wzmacniacza prądu stałego dołączone są

Do wejścia każdego wzmacniacza prądu stałego dołączone są

elektrody sterujące tranzystorów

elektrody sterujące tranzystorów

Należy je tak połączyć aby umożliwić przepływ

Należy je tak połączyć aby umożliwić przepływ

prądów polaryzacji (wejściowe prądy polaryzacji)

prądów polaryzacji (wejściowe prądy polaryzacji)

I

POL

I

POL

 

 

Wzmacniacz różnicowy

we1        wy1

we2        wy2

U

U

U

WY1

WE1

WY2

WE2

U

U

WY

U

WEr

2

WY

1

WY

WY

2

WE

1

WE

WEs

2

WE

1

WE

WEr

-U

U

U

)

U

(U

2

1

U

-U

U

U









we1        wy1

we2        wy2

~

~

~

U

WY

U

WEr

2

WEr

U

2

WEr

U

WEs

U

Us

Ur

WEs

WY

Us

WEr

WY

Ur

K

K

CMRR

U

U

K

U

U

K







 

 

Wzmacniacz różnicowy na tranzystorach 

bipolarnych

T'

T''

R

E

C

R

C

R

A

2

WEr

U

2

WEr

U

U

WY

U

CC

U

EE

Wyjście asymetryczne 1

Wyjście asymetryczne 2

Wyjście symetryczne 

I

B1c

I

B2

 

 

Wzmacniacz różnicowy na tranzystorach 

bipolarnych

T'

T''

C

R

C

R

A

2

WEr

U

2

WEr

U

U

WY

U

CC

U

EE

r

źr

I

EE

 

 

Wzmacniacz różnicowy z obciążeniem R

L

T'

T''

C

R

C

R

A

2

WEr

U

2

WEr

U

U

L

U

CC

U

EE

R

L

I

E1

I

E2

R

E

, r

źr

 

 

Uproszczony małosygnałowy model wzmacniacza 

różnicowego

R

C

R

C

U

be2

U

be1

U

WE2

U

WE1

U

L

U

WY2

U

WY1

g

m1

U

b

e1

g

m2

U

b

e2

R

L

r

bb’1

r

bb’2

r

b’e

1

r

b’e

2

Brak pojemności w modelach tranzystorów,
zakres małych i średnich częstotliwości

R

E

 lub r

źr

I

WE

 

 

Parametry wzmacniacza różnicowego

z obciążeniem R

L

E

weT

m

weT

2

WE

1

WE

WEs

WEs

weT

2

e

'

b

1

e

'

b

2

'

bb

1

'

bb

WE

WEr

WEr

E

21

E

L

C

us

L

C

m

L

C

21

ur

R

r

g

2

r

2

1

I

I

U

R

r

2

r

r

r

r

I

U

R

R

y

2

CMRR

R

2

2

R

||

R

-

K

2

R

||

R

g

2

R

||

R

-y

K









































Dla układu ze źródłem prądowym: R

E 

 r

źr

 

 

Makromodel wzmacniacza różnicowego

~

WY1

WY2

WE1

WE2

K

Us

U

WEs

2

U

K

WEr

Ur



2

U

K

WEr

Ur



E

m

2

,

1

weT

R

g

r





1

weT

r

2

weT

r

 

 

Charakterystyki stałoprądowe wzmacniacza 

różnicowego

0.1

0.9

I

I

E1

E2

200

-200

U

WEr

 [mV]

I

E1

, I

E2

T

ir

T

ir

U

EE

2

E

U

- 

EE

1

E

+e

1

I

 

 

 I

  

+e

1

I

 

 

 I











 

 

Charakterystyki stałoprądowe wzmacniacza 

różnicowego

U

WEr

 [mV]

200

-200

0

I

EE

 = 

I

2

  > 

I

1

2      1

 1

I

EE

 = 

I

1

U

WY

 [V]

5

-5

)

2

U

(

h

tg

2

R

||

R

U

2

R

||

R

)

I

I

(

U

T

WEr

L

C

WY

L

C

2

C

1

C

WY













]

mV

[

26

e

T

k

T









 

 

1. Przy napięciach wejściowych różnicowych  większych od 
około 100mV  wzmacniacz różnicowy na tranzystorach 
bipolarnych zaczyna ograniczać poziom sygnału.

2. Dla napięć wejściowych różnicowych powyżej 200mV 
wzmacniacz różnicowy przestaje wzmacniać.

3. W celu zwiększenia impedancji wejściowych wzmacniacza 
różnicowego stosuje    się:

układy Darlingtona:

tranzystory polowe (układy tzw. BiFet):

4. Tranzystory tzw. Super-Beta o wzmocnieniu prądowym 
n*1000 A/A

 

 

Zastosowania wzmacniacza różnicowego

1. Praktycznie wszystkie stopnie wejściowe wzmacniaczy operacyjnych.

2. Stopnie wejściowe wzmacniaczy mocy.

3. Wzmacniacze o liniowo regulowanym wzmocnieniu.

 

 

Zastosowania układu o strukturze

wzmacniacza różnicowego

1. Jako wzmacniacz sygnałów różnicowych, z 

jednoczesnym   

    tłumieniem sygnałów wspólnych.

2. Jako tzw. wzmacniacz-ogranicznik (eliminacja 

zakłóceń).

3. Klucz prądowy.

4. Regulator poziomu sygnału.

5. Układ mnożący - modulator amplitudy, detektor fazy, 

itp.

6. Kaskoda (o regulowanym wzmocnieniu).