1. Narysować schemat dwustopniowego wzmacniacza RC.

1. od których elementów zależy jego wzmocnienie napięciowe ?

2. od których elementów zależy jego górna częstotliwość graniczna ?

3. od których elementów zależy jego dolna częstotliwość graniczna ?

4. od których elementów zależy jego rezystancja wejściowa ?

5. omówić jego działanie.

Kolektor pierwszego tranzystora T₁ połączone jest z bazą drugiego tranzystora T₂ kondensatorem sprzęgającym C_S3. Kondensator ten łączy dla przebiegów zmiennych wyjście pierwszego stopnia (kolektor tranzystora T₁) z wejściem drugiego stopnia (baza tranzystora T₂). Jednocześnie kondensator C_S3 oddziela napięcia stałe na kolektorze T₁ i bazie T₂.

Na wejściu i na wyjściu wzmacniacza znajdują się kondensatory sprzęgające C_S. Kondensator C_S1 łączy dla przebiegów zmiennych wejście układu z bazą tranzystora. Jednocześnie oddziela on wejście wzmacniacza od napięcia stałego U_B, polaryzującego bazę tranzystora oraz oddziela bazę od napięcia stałego, jakie może być doprowadzone do wejścia wzmacniacza. Kondensator C_S2 łączy dla przebiegów zmiennych kolektor tranzystora z wyjściem wzmacniacza, oddziela natomiast wyjście wzmacniacza od dużego napięcia stałego występującego na kolektorze tranzystora.

Wzmocnienie napięciowe zależy od rezystancji: R_C1, R_C2 i R₀. Wzmocnienie napięciowe wyraża się wzorem:

, gdzie R_L jest całkowitą rezystancją obciążenia (R_C || R₀ ). Wzmocnienie napięciowe we wzmacniaczu dwustopniowym będzie wyrażone wzorem: k_u = k_u1 * k_u2, gdzie odpowiednio k_u1 będzie wzmocnieniem zależnym od rezystancji R_C1 i R₀, a k_u2 będzie wzmocnieniem zależnym od rezystancji R_C2 i R₀ i oznaczają one rzeczywiste wzmocnienia kolejnymi stopniami wzmacniacza.

Górna częstotliwość graniczna to częstotliwość, przy której w zakresie dużych częstotliwości wzmocnienie wzmacniacza spada o 3 dB (0,707 wartości maksymalnej). Oznaczana jako f_g. Zależy ona od pojemności układu wejściowego - C_we, (w której skład wchodzą pojemności montażu (C_S1+C_S2) i wejściowa elementu wzmacniającego (C_E1+C_E2)), a także od rezystancji R_g i rezystancji wejściowej r_we, które się składają na rezystancję równoległą: R_r = R­_g || r_we:

Dolna częstotliwość graniczna to częstotliwość, przy której w zakresie małych częstotliwości wzmocnienie wzmacniacza spada o 3 dB (0,707 wartości maksymalnej). Oznaczana jako f_d. Zależy ona od rezystancji R_g, rezystancji wewnętrznej wzmacniacza r_we (które określone są zależnością rezystancji szeregowej R_SZ=R_g+r_we) i pojemności kondensatora sprzęgającego C_S1:

Rezystancja wejściowa wzmacniacza jest równa stosunkowi napięcia wejściowego U₁ do prądu wejściowego I₁. We wzmacniaczu tranzystorowym pod wpływem zmiennego napięcia wejściowego U₁ prąd płynie przez obwód baza-emiter tranzystora oraz przez rezystory R₁ i R₂. Dla przebiegów zmiennych źródło zasilania E_C stanowi zwarcie a więc dla tych przebiegów rezystory R­₁ i R₂ połączone są równolegle. Wypadkowa rezystancja wejściowa wzmacniacza jest, zatem równa rezystancji równoległego połączenia rezystorów: R₁, R₂ i rezystancji wejściowej tranzystora:

2. W jaki sposób wzmacniacz RC przenosi przebieg prostokątny, dla małych, średnich i dużych częstotliwości?

Wzmacnianie impulsów przez wzmacniacz prowadzi zwykle do wystąpienia zniekształceń impulsów. Zniekształceniom ulegają zarówno zbocza impulsów, jak i ich grzbiet. W obrębie zbocza następują bardzo szybkie zmiany napięcia w czasie. Wzmacniacz zwykle nie może wzmacniać tak szybkich zmian napięcia ze względu na istnienie pojemności szkodliwych (poprzecznych). Pojemności te tworzą wraz z odpowiednimi rezystancjami wzmacniacza układy całkujące, zmniejszające stromość zboczy impulsów. Przyjmuje się, że czas narastania lub opadania impulsu, to odstęp czasu, w którym napięcie narasta (opada) od wartości 0,1 do 0,9 U_m (od 0,9 do 0,1 U_m). Ze względu na zniekształcenia zboczy impulsu istnieje konieczność jednoznacznego określenia czasu trwania impulsu t_i. Definiuje się go jako odstęp czasu, w którym napięcie ma wartość większą od 0,5U_m. Zniekształceniu przy wzmacnianiu we wzmacniaczu RC ulega również grzbiet (część płaska) impulsu. Powodem tego są utworzone przez pojemności sprzęgające i rezystancje układu różniczkujące.

3. Od czego we wzmacniaczu RC zależy wartość maksymalnego niezniekształconego napięcia wyjściowego, które elementy na schemacie są za to odpowiedzialne?

Wartość maksymalnego niezniekształconego napięcia wyjściowego we wzmacniaczu RC zależy od napięć zasilających. W przypadku wzmacniaczy: jednostopniowego i dwustopniowego, maksymalna wartość zniekształcenia jest taka sama, ale wzmacniacz dwustopniowy zniekształca napięcie wyjściowe przy wielokrotnie mniejszym napięciu wejściowym, co obrazuje wykres:

Elementami odpowiedzialnymi za zniekształcenie są: źródło prądu zmiennego E_g, rezystancja wewnętrzna tego źródła R_g i rezystancja dołączanego odbiornika R₀.

4. Dlaczego we wzmacniaczu RC stosuje się skomplikowany układ zasilania z potencjometrycznym zasilaniem bazy i sprzężeniem emiterowym?

Zastosowanie takiego dość złożonego układu polaryzacji elektrod powodowane jest koniecznością stabilizowania punktu pracy tranzystora. Zmiany spoczynkowego punktu pracy wynikać mogą z silnej zależności parametrów tranzystora od temperatury. Zmiany te następują również przy wymianie tranzystorów, z powodu różnic wartości parametrów poszczególnych egzemplarzy tranzystorów. Wpływ mają również zmiany napięć zasilających. Dlatego układu zasilania wzmacniaczy RC muszą być realizowane tak, aby zapewniały dobrą stałość spoczynkowego punktu pracy przy zmianach temperatury, napięć zasilających lub wymianie egzemplarza tranzystora.

5. Narysować schemat prostego wzmacniacza prądu stałego i omówić jego działanie.

Cechą szczególną wzmacniacza prądu stałego jest możliwość wzmacniania sygnałów o dowolnie małej częstotliwości. Przy częstotliwości sygnału równej zeru, wzmacniacz posiada wzmocnienie k. Podstawową własność wzmacniacza opisują wzory:

U₂ = k_u * U₁

I₂ = k_i * I₁

Wynika stąd, że sygnał wyjściowy powinien być proporcjonalny do sygnału wejściowego.

W układzie przedstawionym na rysunku na zaciskach wejściowych jest napięcie U_we równe: U_we = U_RE + U_BE. Natomiast na zaciskach wyjściowych napięcie U_wy = U_CE + U_RE. Zwykle napięcie wyjściowe U_wy w rozważanym układzie jest różne od zera, nawet, gdy napięcie źródła sterującego E_g jest zerowe. Jest to zasadniczą wadą tego układu, gdyż nie spełnia on podstawowej własności wzmacniacza - stałości napięcia. Ponadto w tym układzie zachodzi trudność stabilizacji punktu pracy (stabilizacja poprawi się, gdy wzrośnie R_E, wtedy jednak zmaleje wzmocnienie). Zachodzą także trudności z budową wzmacniaczy wielostopniowych.

6. Co to jest dynamika wzmacniacza i od czego zależy?

Dynamika wzmacniacza jest to zależność napięcia wyjściowego wzmacniacza od napięcia wejściowego U₂(U₁). Charakterystyka ta dla małych napięć wejściowych jest prostoliniowa i zmiany napięcia wyjściowego są proporcjonalne do zmian napięcia wejściowego. Przy większych napięciach wejściowych charakterystyka zagina się - zwiększanie napięcia wejściowego nie powoduje proporcjonalnego wzrostu napięcia wyjściowego. Spowodowane jest to wkraczaniem chwilowych punktów pracy tranzystora w nieliniowy zakres charakterystyk.

7. Narysować charakterystykę częstotliwościową wzmacniacza prądu stałego. Od których elementów zależy jego górna częstotliwość graniczna?

Górna częstotliwość graniczna zależy od rezystancji wejściowej i rezystancji R_g, będącej rezystancją wewnętrzną źródła sterującego E_g.

8. Co to jest niezrównoważenie napięciowe we wzmacniaczu prądu stałego (zjawisko i definicja) i w jaki sposób można je zlikwidować?

Zwykle napięcie wyjściowe U_wy we wzmacniaczu prądu stałego jest różne od zera, nawet, gdy napięcie źródła sterującego E_g jest zerowe. Jest to zasadniczą wadą tego układu, gdyż nie spełnia on podstawowej własności wzmacniacza, czyli proporcjonalności sygnału wyjściowego do sygnału wejściowego. Pokrótce jest to różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym (U_we ≠ U_wy). Dla skompensowania stałego napięcia na wyjściu przy E_g=0 należy zasilać wzmacniacz z dwóch baterii.

9. Co to jest dryft we wzmacniaczu prądu stałego (zjawisko i definicja) i od czego zależy? Czy można go zlikwidować?

Dryftem nazywa się zmiany sygnału wyjściowego, nie będące wynikiem zmian sygnału wejściowego. We wzmacniaczu prądu stałego jest on spowodowany zmianami cieplnymi parametrów tranzystora (U_BE, I_CEO, β₀). Dryft zmienia spoczynkowy punkt pracy tranzystora i jest on zmienny. Dryft może być skompensowany poprzez doprowadzenie do wejścia wzmacniacza pewnego napięcia u_n i prądu i_n. Wartość tego napięcia i prądu jest miarą dryftu wzmacniacza. Zależnie od tego, czy źródło sygnału szkodliwego ma charakter prądowy czy napięciowy, wygodnie jest operować prądem dryftu (decydujący, jeśli rezystancja obwodu wejściowego jest duża) lub napięciem dryftu (decydujący, jeśli rezystancja obwodu wejściowego jest mała). Jakkolwiek sygnały szkodliwe mogą powstawać we wszystkich stopnia wzmacniacza, to jednak najbardziej groźny jest dryft stopnia wejściowego, ponieważ podlega on wzmocnieniu w dalszych stopniach.

10. Co to jest wzmacniacz różnicowy i w jakim celu go się głównie stosuje?

Wzmacniacz różnicowy jest układem symetrycznym. Składa się z dwóch tranzystorów sprzężonych ze sobą za pośrednictwem rezystora R_E. Ponadto rezystor ten stabilizuje punkty pracy obu tranzystorów i wymusza on wartość prądu I_E płynącego we wspólnym obwodzie. Przy dużej wartości rezystancji R_E prąd I_E nie zmienia się. Wzmacniacz różnicowy może być sterowany z dwóch źródeł, które dołącza się do baz obu tranzystorów tzw. sterowanie symetryczne, albo z jednego źródła - asymetryczne. Wyjście układu może być symetryczne - z kolektorów obu tranzystorów albo asymetryczne - między kolektorem jednego z tranzystorów a masą. Układ umożliwia, więc asymetryczne bądź symetryczne wejście i wyjście w różnych kombinacjach. Głównymi zastosowaniami są wzmacnianie, mnożenie, ograniczanie, przełączanie oraz jako elementy niektórych układów cyfrowych.

Przy budowie wzmacniaczy różnicowych dąży się do uzyskania dużej rezystancji wejściowej oraz małych sygnałów niezrównoważenia i ich dryftów, ponadto dąży się do uzyskania dużego wzmocnienia różnicowego k_ur, dużego współczynnika redukcji sygnału wspólnego, przykładanego jednocześnie do obu wejść i definiowanego wzorem:

, gdzie k_ur jest wzmocnieniem wzmacniacza dla sygnału różnicowego przyłożonego między oba wejścia, a k_us jest wzmocnieniem wzmacniacza dla sygnału wspólnego przyłożonego między masę i zwarte oba wejścia.

---