Az erősítő áramkör valósítja meg a kis energiájú elektromos jelek felerősítését egy olyan szintre, melyet a következő alkalmazás megkíván.
Az erősítés egy vezérelt teljesítmény-átalakítási folyamat, melyben egy aktív négypólusra kapcsolt kis energiájú jelet a tápegység energiája révén lehet nagyobb szintre növelni.
Fajtái Egyenfeszültségű erősítő (általában: feszültségstabilizátor) Váltakozó feszültségű erősítő széles sávú erősítő (kis vagy nagyfrekvenciás szűrőkkel) szelektív erősítő (csak a hasznos frekvenciatartomány erősítésére)
illetve: Műveleti erősítő Differenciálerősítő (aszimmetrikus kimenethez: fázisösszegzős áramkörrel) Darlington-kapcsolás Nagyjelű erősítő Teljesítményerősítő (A; AB; B; C; D osztályok – lásd: erősítő) Nagyjelű feszültségerősítő (pl: katódsugárcső erősítője)
Az erősítés jellemzői Az erősítés nagysága feszültségerősítés áramerősítés teljesítményerősítés Az erősítő frekvenciamenete (sávszélessége) Bemeneti és kimeneti ellenállása (impedanciája) Jel/zaj viszony
Fontos tényező az erősítés fázisszöge (φ) is, ami frekvenciafüggő (ennek a visszacsatolásnál van szerepe.)
Az erősítő sávszélessége az erősítő alsó és felső határfrekvenciája közötti tartomány. Ez a két érték az, ahol az erősítés értéke 3 dB-lel kisebb a közepes frekvencián elértnél.
Erősítő alapkapcsolások Bipoláris tranzisztorral
A földelt – emitteres alapkapcsolás általános célú nagy erősítésű fokozat, egy erősítő láncban főerősítőként használjuk. A földelt – kollektoros alapkapcsolás egy illesztő fokozat, használható bemeneti és kimeneti illesztésekre. A földelt – bázisú alapkapcsolás alacsony impedanciás jelforrásokat illeszt. Alkalmazása: URH és FM tunerek bemeneti fokozata.
Tranzisztorok munkapont beállításai A tranzisztor esetében ez a megfelelő nyitó és záró irányú előfeszítést jelenti. Az egyenáramú feszültség és áramértékek, megfelelő beállítását munkapont beállításnak nevezzük. A munkapont beállítás független a tranzisztor váltakozó áramú munkapont beállításától, tehát mindhárom alapkapcsolásban azonos elven történik. A munkapont a tranzisztor karakterisztikáján kell, hogy legyen vezérlés nélkül, e pont jellemzői mérhetők a tranzisztoron. Vezérlés hatására a munkapont körül jön létre a megváltozás. A tranzisztor karakterisztikája nemlineáris, a munkapont megválasztása jelentősen befolyásolja a jel torzulását. A helyes működéshez úgy választunk munkapontot, hogy a vezérlőjel amplitúdójának megfelelően a karakterisztika lineárisnak legyen tekinthető. Nagyjelű erősítő esetében a kivezérelhetőség is megszabja a munkapont megválasztását.
A földelt emitteres erősítőkapcsolás Fájl:Simple transistor amplifier.svg
Az áramkör bemenetére érkező váltakozó áramú jelet a (jelzés nélküli) bemeneti kondenzátor az egyenfeszültségről leválasztva az R1, R2 ellenállásokon keresztül a tranzisztor bázisára továbbítja. Az R1, R2 ellenállások a bázisfeszültség beállításával az erősítő munkapontját határozzák meg. A kapcsolás erősítése (elhanyagolásokkal): -R3/R4. Az erősítés negatív előjele azt jelzi, hogy az erősítő fázist fordít.
Földelt kollektoros alapkapcsolás A kollektor a tápfeszültség forráson keresztül váltakozó áramúlag földelve van. A kimeneti ellenállás két részből tevődik össze. A kapcsolás látszó belső ellenállásából melybe a bemeneten lévő alkatrészek is beleszólnak, ezzel a látszó ellenállásértékkel kapcsolódik párhuzamosan az emitter ellenállás, és a tranzisztor kimeneti ellenállása. A kapcsolás jellegzetességei right közel egységnyi, de annál kisebb a feszültségerősítés nagy áramerősítés nagy bemeneti ellenállás kis kimeneti ellenállás teljesítményerősítése közepes
A nagy bemeneti ellenállás nem terheli a megelőző fokozatot, a kis kimeneti ellenállás alacsony impedancián teszi lehetővé a teljesítményillesztést, emiatt a kapcsolást elsősorban elválasztó, meghajtó fokozatnak használják, szokás emitter követőnek is nevezni.
Földelt bázisú alapkapcsolás A tranzisztor jellegzetessége, hogy a bázis – emitter diódán keresztül vezéreljük, ha váltakozó áramúlag a bázist földeljük a bemeneti elektróda szerepét az emitter veszi át. A munkapont beállítás ugyanúgy kell, hogy történjen, csak a váltakozó áramú csatlakozások helyeződnek át.
A tranzisztor vezérlő feszültségét a h11 paraméteren eső feszültség adja. A földelt bázisú alapkapcsolásban ezt a feszültséget az emitter áram hozza létre, ez h21szer nagyobb, mint a földelt –emitteres alapkapcsolásban az i1 áram. Mivel a tranzisztoron ugyanaz a bázis – emitter feszültség keletkezik a földelt – bázisú kapcsolásban látszólag h11/h22 ellenállás hozza létre ezt a feszültség esést. A tranzisztor kimeneti vezetése lecsökken, azaz a kimeneti ellenállása h21 szeresére nő, ezért az Rc mellett elhanyagolható.
Jellemzői: right kicsi bemeneti ellenállás nagy kimeneti ellenállás nagy feszültség erősítés egységnyinél kisebb áramerősítés fázist nem fordít teljesítményerősítése nagy
Térvezérlésű tranzisztorral A térvezérlésű tranzisztorok munkapont beállítása
A j–FET működésének feltétele, hogy a GATE a SOURCE-hoz képest negatívabb legyen, ehhez a GATE-et egy ellenálláson keresztül a földre kötjük, ami azért lehetséges, mert nincs GATE áram, így bármekkora ellenállással egyen szinten földelni tudjuk a GATE-et. Az Rs ellenállással olyan feszültséget állítunk be a SOURCE-on, hogy a kívánt negatív előfeszítés létrejöjjön. Rg-t úgy választjuk meg, hogy az erősítőfokozata nagy bemeneti ellenállását ne rontsa el, ezért MΩ nagyságrendű.
A bipoláris tranzisztorok áramvezérelt áramgenerátorok, működtetésükhöz vezérlő áram, és vezérlő teljesítmény szükséges. A FET tranzisztorok ezzel szemben vezérlőteljesítmény nélkül, feszültséggel vezérelhetők, így olyan alapkapcsolások hozhatók létre, melyek nagyon nagy bemeneti ellenállással rendelkeznek, így nem terhelik a jelforrásokat. Ilyenek például a mérőerősítők.
Földelt SOURCE alapkapcsolás Munkapont számítás. A GATE negatív munkaponti feszültségét az Rs értékén keresztül állítjuk be, mivel a GATE-en nem folyik egyenáram. Rg tetszőleges értéke mellett Ug0=0, azaz Rg-n nincs egyenfeszültségű feszültségesés. Váltakozó áramú helyettesítő képe: A FET-es kapcsolások helyettesítő képében admittancia (Y) vagy inverz hibrid (D) paramétereket alkalmazunk.
Jellemzők: right A földelt source hasonló a földelt emittereshez. Általános célú erősítőkapcsolás. Közepes feszültségerősítés Nagy áramerősítés Nagyon nagy bemeneti ellenállás Közepes kimeneti ellenállás Nagy teljesítményerősítés
Földelt DRAIN alapkapcsolás Ez a kapcsolás a földelt kollektoros alapkapcsolású tranzisztor megfelelője. SOURCE követőnek is nevezni, ugyanúgy illesztési célokra is használható. Azért van szükség a GATE osztóra, mivel a Földelt Source kapcsolásnál megismert módszerrel nem állítható be a kívánt UGS0 és UDS0 érték, mivel hiányzik az RD ellenállás, így a tápfeszültség UDS0+ID0*RS.
Fájl:Földelt drain.jpg
Földelt GATE alapkapcsolás right
A földelt bázisúhoz hasonlóan a FET is vezérelhető a földelt elektródáján keresztül, úgy hogy a GATE váltakozó áramúlag földelve van. A munkapont beállítás megegyezik a földelt SOURCE alapkapcsolással.
Jellemzők: Feszültségerősítés közepes Áramerősítés megközelítőleg egységnyi Kicsi a bemeneti ellenállás Közepes a kimeneti ellenállás Közepes a teljesítményerősítés
Többfokozatú erősítők A gyakorlatban általában több, sorba kapcsolt erősítő áramkört használunk. Ezek a bemenő oldaltól kezdve: Előerősítő Főerősítő (szintén több részből állhat) Teljesítményerősítő
Erősítőfokozatok csatolása A megismert alapkapcsolások eltérő váltakozó áramú jellemzőkkel rendelkeznek. Egy adott alkalmazásban a kívánt tulajdonságokat több alapkapcsolás összekapcsolásával biztosíthatjuk. Az így nyert erősítő kapcsolást többfokozatú erősítőnek nevezzük.
A többfokozatú erősítő jellemzői: a bemeneti ellenállást az első fokozat, a kimeneti ellenállást az utolsó fokozat határozza meg az egyes fokozatokat négy pólusként kezelhetjük, Az egymás után kapcsolt négy pólusokat lánckapcsolásnak hívjuk
A többfokozatú erősítők szükségessége: gyakran szükségünk van olyan nagy erősítésre amekkorát egyetlen fokozattal nem tudunk, vagy nem szerencsés létrehozni. Ezért ebben az esetben többfokozatú erősítőt alkalmazunk.
Az erősítő fokozatok összekapcsolása:
Az egyes fokozatok összekapcsolását csatolásnak nevezzük. A csatolást külön csatoló négy pólusként kezeljük, ennek alapján különböző csatolási módokat különböztetünk meg.
Fájl:Erősítőcsatolás.jpg
Legelterjedtebben három csatolási módot használunk: közvetlen (galvanikus DC ) csatolás RC Csatolás Transzformátoros csatolás
Közvetlen csatolás (DC) A DC csatolás lényege, hogy az egymást követő fokozatok egyenáramú elválasztás nélkül, közvetlenül kapcsolódnak össze, emiatt az egyes tranzisztorok munkapontja nem független a többitől. Emiatt kevesebb munkapont beállító elemre van szükség, viszont minden változás befolyásolja az összes többi fokozatot.Másik hátránya, hogy a szükséges munkaponti feszültségekkel eltolódnak az egymást követő tranzisztorok feszültség szintjei. Így nyugalmi helyzetben is jelentős egyenfeszültség van a kimeneten.
A legnagyobb probléma a DC erősítők alkalmazásakor a munkapont vándorlás, ezt DRIFT-nek nevezzük. Két fő oka van a tápfeszültség változás és a hőmérsékletváltozás. Az előbbit stabilizálással ki lehet küszöbölni, az utóbbit megfelelő kapcsolástechnikával, szinteltolással kompenzáljuk.
DC csatolást akkor alkalmazunk, ha feltétlenül szükséges az egyen szint átvitel, pl. mérőerősítőkben.
Kétfokozatú DC erősítő: right Ez a kapcsolás így működésképtelen, mert pozitív irányba csak 0,4V kivezérelhetősége marad. T2 tranzisztor munkapont beállítása nem lehet A osztályú, csak AB osztályú, emiatt magasabb tápfeszültséget kell alkalmazni, és a kapcsoláson belül gondoskodni kell az eltolódó egyen szint visszaállításáról, ezt szinteltoló megoldásokkal tehetjük meg.
Szinteltolás feszültségosztóval right Hátránya, hogy nemcsak a DC szintet tolja el, hanem csillapít is, ezért nem célszerű alkalmazni.
Diódás szinteltolás right A dióda nyitó irányba előfeszítve 0,6 – 0,7V egyenfeszültségű szinteltolást eredményez, a katódja és az anódja között. Váltakozó áramúlag viszont nagyon kis dinamikus ellenállással rendelkezik, ezért a hasznos jelet alig osztja le, ehhez feltétel, hogy munkaponti feszültségnél sokkal kisebb legyen a váltakozó jel amplitúdója.
Az RC csatolású erősítők Ha nem szükséges a DC jel erősítése, nem használunk DC csatolást A két erősítőfokozat közé csatolókondenzátorokat teszünk. A kondenzátor az előző fokozat kimeneti (Rki) és a következő fokozat bemeneti (Rbe) ellenállásával egy RC időállandót (Tau) alkot, mely frekvenciafüggő jelátvitelt okoz. Másképpen a csatolókondenzátor egy felül áteresztő szűrőt képez az ellenállással emiatt az erősítő jelátvitele frekvenciafüggő lesz. A csatolókondenzátorok frekvenciafüggő hatása az alacsonyfrekvenciás jelek csillapítását okozza, ezt a frekvenciafüggő jelátvitelt lineáris torzításnak nevezzük.
A bemeneti csatolókondenzátor a generátor belső ellenállásából és az erősítő bemeneti ellenállásából egy RC időállandót alkot
right
Az időállandók által meghatározott frekvenciát törésponti frekvenciának nevezzük. Egy időállandó által okozott csillapítást törésponti frekvenciát -3 dB. A csatolókondenzátor felül áteresztő szűrőt alkot → a törésponti frekvencia alatt 20 dB/dekád meredekséggel csökken a jelátvitel.
Többfokozatú erősítőkben az előző fokozat a következő fokozat terheléseként tekinthető. Így minden két fokozat között meghatározható a törésponti frekvencia Ezek közül a legnagyobb az alsó határfrekvencia (fa). Az egymáshoz közel eső töréspontok hatása összeadódik és módosítja a karakterisztikát. Ezért úgy kell megválasztani az időállandókat, hogy egy alsó határfrekvencia meghatározó legyen. Ez célszerűen a bemeneti és a többi pedig ennél legalább 1 dekáddal alacsonyabb frekvencián legyen
Az emitterkondenzátor hatása