Vo všetkých odvetviach elektroniky sa vyskytuje požiadavka zosilniť niektorý parameter elektrického signálu ( najčastejšie výkon, ale môže to byť aj napätie alebo prúd ) tak, aby sa zväčšila ich amplitúda a pritom ich časový priebeh zostal nezmenený. K tomuto účelu sa používajú elektronické zosilňovače. Zosilňovač elektrických signálov pracuje v podstate ako energetický menič a môžeme ho definovať nasledovne :

Zosilňovačom nazývame elektronické zariadenie, v ktorom vstupný signál relatívne malého výkonu riadi prenos podstatne väčšej energie z napájacieho zdroja do záťaže. Ako regulačný prvok sa tu používa vhodná elektronická aktívna súčiastka - dnes najčastejšie tranzistor.

Keďže výkon je súčin dvoch obvodových veličín, napätia a prúdu, v praxi sa najčastejšie riadenie energie zo zdroja do záťaže vstupným signálom malého výkonu realizuje tak, že najprv sa zosilňuje napäťová zložka vstupného signálu a až v poslednej časti zosilňovacieho reťazca sa zosilní aj jeho prúdová zložka. V podstate ide o to, že zosilnenou napäťovou zložkou vstupného signálu sa riadi veľkosť prúdu dodávaného z napájacieho zdroja do vonkajšej záťaže. Teda výstupný (zosilnený) signál je funkciou vstupného (zosilňovaného) signálu.

Každý zosilňovač musí mať dve vstupné svorky a dve výstupné svorky a preto ho môžeme zaradiť medzi štvorpóly, respektíve medzi dvojbrány. Zosilňovač ako taký sa dnes používa skoro v každom elektronickom zariadení, ktoré sa používa v rádiotechnike, meracej a riadiacej technike, v automatizácii a v priemyselnej elektronike.

Každá oblasť, čí už priemysel, domácnosť, zdravotníctvo a pod., v ktorej sa zosilňovače používajú, má svoje špecifické požiadavky na ich vlastnosti a technické prevedenie. Vymenovať všetky v tejto téme nie je možné a ani by to nemalo zmysel. Sú však určité všeobecné vlastnosti, ktoré sú spoločné pre všetky zosilňovače, bez rozdielu oblasti ich použitia a tiež určité skutočnosti, ktoré tieto vlastnosti ovplyvňujú. Práve týmito všeobecnými vlastnosťami, ale aj skutočnosťami, ktoré ich ovplyvňujú sa budeme zaoperať v nasledujúcich podtémach. Pri ich popisovaní a vysvetľovaní budeme používať niektoré pojmy, ktoré si najprv zadefinujeme, aby sme im rozumeli. Úplne na úvod si však zosilňovače rozdelíme podľa rozličných hľadísk.

Všetko, čo tu bolo spomenuté, je popísané v nasledujúcich podtémach :

1. Zosilňovače     -     rozdelenie
2. Zosilňovače     -     základné pojmy
3. Zosilňovače     -     hlavné technické vlastnosti
4. Zosilňovače     -     skreslenia
5. Zosilňovače     -     pracovné triedy

V rádioelektronických zariadeniach sa používa veľké množstvo rôznych zosilňovačov elektrických signálov. Tieto zosilňovače môžeme rozdeliť podľa rôznych hľadísk. Niektoré z nich si teraz popíšeme :

ZOSILŇOVAČE - ROZDELENIE

1. Podľa druhu pracovných režimov:

1. zosilňovače veľkých signálov
2. zosilňovače malých signálov
3. zosilňovače veľmi malých signálov

U zosilňovačov veľkých signálov sa značne menia napätia a prúdy zosilňovacej súčiastky. Úlohou týchto zosilňovačov je dodať do záťaže signál s veľkým výkonom. Pracovný bod svojou polohou často zasahuje aj do nelineárnych častí VA charakteristík zosilňovacích súčiastok. Napriek tomu sa od týchto zosilňovačov okrem výkonu požaduje veľká účinnosť a minimálne skreslenie. Návrh takýchto zosilňovačov sa najčastejšie realizuje graficko-výpočtovou metódou využívajúcou VA charakteristiky koncových výkonových zosilňovacích súčiastok. Tieto zosilňovače sa často nazývajú výkonové alebo koncové zosilňovače.

Zosilňovače malých signálov pracujú len s malým rozkmitom pracovného bodu okolo jeho kľudovej polohy. Pracovný bod sa vždy pohybuje len v lineárnej časti prevodovej charakteristiky zosilňujúcej súčiastky a preto vlastnosti zosilňovača môžeme vyhovujúcou presnosťou popísať lineárnymi rovnicami štvorpólových parametrov zosilňujúcich súčiastok. Od týchto zosilňovačov sa obvykle vyžaduje dostatočné napäťové zosilnenie, vhodná vstupná a výstupná impedancia, malé skreslenie signálu a veľká dynamika rozkmitu amplitúdy. Tieto zosilňovače sa často nazývajú predzosilňovacie stupne.

Na zosilňovače veľmi malých signálov sa kladú prísne požiadavky hlavne z hľadiska šumových vlastností a tiež stability kľudového pracovného bodu. Použitie nachádzajú hlavne v stupňoch vysokofrekvenčných zosilňovačov, ale aj napr. nízkofrekvenčných mikrofónových zosilňovačov.

2. Podľa druhu budiaceho signálu:

1. nízkofrekvenčné (nf)
2. vysokofrekvenčné (vf)
3. jednosmerné
4. impulzové

Nízkofrekvenčné zosilňovače sú používané na zosilňovanie striedavých signálov, najmä akustických signálov, teda na zosilnenie reči a hudby. Vysokofrekvenčné zosilňovače slúžia na zosilňovanie signálov v oblasti rádiových vĺn - rozhlas, televízia, teda bezdrôtový prenos správ. Jednosmerné zosilňovače sa používajú na zosilnenie jednosmerných, ale aj striedavých signálov. Najbežnejšie sa používajú v meracích, počítačových a regulačných obvodoch.

Impulzové zosilňovače sa používajú na zosilňovanie rádiolokačných alebo televíznych signálov. Každý z týchto typov zosilňovačov má svoje špecifické vlastnosti a tiež obvodové riešenie.

3. Podľa spôsobu spracovania signálu:

1. zosilňujúce signál priamo
2. zosilňujúce signál nepriamo - namodulovaný na nosný signál (rádiové spojenie)

Zosilňovače zosilňujúce signál priamo sú všetky zosilňovače, ktoré zosilňujú signál nezmenený z h+adiska frekvencie a tvaru, teda taký, aký generuje budiaci zdroj. Príkladom môže byť signál z mikrofónu, elektrickej gitary a pod. Medzi zosilňovače zosilňujúce signál neprimo - namodulovaný na nosný signál patria všetky vysokofrekvenčné zosilňovače používané v rádiotechnike a televíznej technike. Aj tu platí, že každý z týchto typov zosilňovačov má svoje špecifické vlastnosti a tiež obvodové riešenie.

4. Podľa šírky prenášaného pásma:

1. úzkopásmové
2. širokopásmové

Pre úzkopásmové zosilňovače je typické, že šírka prenášaného frekvenčného pásma, odpovedajúca poklesu o 3 dB, je len niekoľko percent strednej frekvencie f0. Tieto zosilňovače sa používajú tak na zosilnenie ako aj na výber (selekciu) signálov určitého frekvenčného pásma od ostatných signálov. Typickým predstaviteľom môže byť medzifrekvenčný zosilňovač rozhlasového prijímača. Širokopásmové zosilňovače sú určené na zosilňovanie signálov, ktoré spadajú do frekvenčného pásma, ktorého šírka je niekoľko-násobkom strednej frekvencie f0.  Typickým predstaviteľom je obrazový zosilňovač televízneho prijímača.

5. Podľa zapojenia zosilňujúcej súčiastky:

1. zapojenie so spoločnou bázou SB  (hradlom, mriežkou)
2. zapojenie so spoločným emitorom SE  (katódou)
3. zapojenie so spoločným kolektorom SK  (anódou)

Obr. 1.  Zapojenie SB

Obr. 2.  Zapojenie SE

Obr. 3.  Zapojenie SK

Zosilňovače so spoločným bázou - obr. 1. majú malú vstupnú a veľkú výstupnú impedanciu, veľké napäťové a stredne veľké výkonové zosilnenie, ale prúdové zosilnenie vždy o niečo menšie ako jedna. Ich využitie je najčastejšie vo vysokofrekvenčných zosilňovačoch pre ich schopnosť zosilňovať signály s frekvenciami vyššími ako je tranzitná frekvencia fT tranzistora zapojeného so spoločným emitorom. Uplatnenie majú tiež v niektorých zapojeniach nízkofrekvenčnej techniky pre ich malú vstupnú impedanciu, napr. mikrofónové a gitarové vstupné predzosilňovacie stupne.

Zosilňovače so spoločným emitorom - obr. 2. sú v praxi najpoužívanejšie. Majú pomerne veľký vstupný a výstupný odpor, veľké napäťové, prúdové a výkonové zosilnenie. Majú použitie najmä v predzosilňovacích stupňoch.

Zosilňovače so spoločným kolektorom - obr. 3. sú typické veľmi veľkým vstupným a malým výstupným odporom, veľkým prúdovým a stredne veľkým výkonovým zosilnením, ale napäťovým zosilnením vždy o niečo menším ako jedna. Ich použitie je hlavne všade tam, kde potrebujeme pripojiť zdroj signálu s veľkou výstupnou impedanciou na vstup zosilňovača s malou vstupnou impedanciou, teda ako impedančné transformátory.

6. Podľa spôsobu činnosti:

1. jednočinné stupne
2. dvojčinné stupne

Funkcia jednočinných zosilňovacích stupňov závisí na činnosti jedného zosilňovacieho prvku. Medzi jednočinné zosilňovacie stupne patrí väčšina zosilňovacích stupňov. Aj viacstupňové zosilňovače sú väčšinou zostavené z viacerých jednočinných zosilňovacích stupňov.

Dvojčinné zosilňovacie stupne obsahujú dva zosilňovacie prvky, ktoré sú zapojené tak, že pracujú v protifáze (protitakte) a ich výkony na spoločnej záťaži sa sčítajú. Prednosťou týchto stupňov je, že môžu pracovať s veľkou účinnosťou a malým skreslením signálu. Preto sa používajú v koncových výkonových stupňoch najmä nízkofrekvenčných zosilňovačov. Pri týchto stupňoch sa môžeme stretnúť aj s pomenovaním súmerné, poprípade protitaktné alebo pušpulové ( z angličtiny push-pull, tlačiť-ťahať.)

7. Podľa spôsobu väzby na zdroj a záťaž:

1. s väzbou priamou (jednosmernou) - obr. 4.
2. s väzbou kapacitnou - obr. 5.
3. s väzbou transformátorovou - obr. 6.
4. s väzbou autotransformátorovou - obr. 7.

Obr. 4.	Obr. 5.	Obr. 6.	Obr. 7.

• Zosilňovače s priamou väzbou - obr. 4. sú zosilňovače, u ktorých nie sú použité pre prepojenie zdroja signálu so vstupom alebo záťaže s výstupom zosilňovača žiadne kondenzátory alebo transformátory. Väzba medzi jednotlivými stupňami vo viacstupňovom zosilňovači je tiež priama, jednosmerná. Táto väzba sa používa napr. v jednosmerných zosilňovačoch meracích prístrojov.
• Zosilňovače s kapacitnou väzbou - obr. 5. sú zosilňovače, u ktorých sú použité pre prepojenie zdroja signálu so vstupom alebo záťaže s výstupom zosilňovača kondenzátory. U takýchto zosilňovačov väzba medzi jednotlivými stupňami vo viacstupňovom zosilňovači môže byť priama, jednosmerná, alebo tiež kapacitná. Táto väzba sa používa vo všetkých zosilňovačoch striedavých signálov. Označuje sa často ako striedavá väzba.
• Zosilňovače s transformátorovou väzbou - obr.6. sú vhodné pre prenos len striedavých signálov. Umožňujú impedančné prispôsobenie záťaže k zosilňovaču. Ich použitie je vo vysokofrekvenčnej technike, ale tiež v koncových nízkofrekvenčných zosilňovačoch výkonu realizovaných elektrónkmi.
• Zosilňovače s autotransformátorovou väzbou - obr. 7. slúžia na prispôsobenie impedančných pomerov vo vysokofrekvenčných zosilňovačoch.

8. Podľa počtu zosilňujúcich stupňov:

1. jednostupňové
2. viacstupňové

Jednostupňové zosilňovacie stupne sú tvorené jednou zosilňovacou súčiastkou a s touto súčiastkou majú definované špecifické vlastnosti. Ich použitie je najmä ako nízkošumové predzosilňovacie stupne, ktorými sa zosilňujú veľmi malé signály na primeranú úroveň vhodnú na spracovanie ďalšími zosilňovacími stupňami, alebo ako impedančné transformátory - tzv. emitorové sledovače. Viacstupňové zosilňovacie stupne sú tvorené viacerými zosilňovacími súčiastkami, medzi ktorými môže byť jednosmerná alebo striedavá väzba. Takýto zosilňovací stupeň má potom ako celok svoje špecifické vlastnosti.

ZOSILŇOVAČE - ZÁKLADNÉ POJMY

Pri rozbore vlastností zosilňovačov budeme veľmi často používať pojmy, ktorých obsah je potrebné si vysvetliť a zadefinovať. Ide o tri základné pojmy a to : Elektrický signál , Budiaci zdroj a Vonkajšia záťaž .

• Elektrický signál

sú obvodové veličiny (napätie, prúd), ktoré vo svojom časovom priebehu obsahujú (prenášajú) určitú informáciu. Takouto informáciou môže byť napr. hovorené slovo, hudba, dvojkový - binárny kód v číslicovej technike a pod.

• Budiaci zdroj

je to obvod, z ktorého výstupných svoriek vstupuje elektrický signál do vstupných svoriek zosilňovača. Budiacim zdrojom môže byť napr. mikrofón, magnetofónová hlava, fotoelektrický snímač a pod.

• Vonkajšia záťaž  Zv

je to obvod, do ktorého z výstupných svoriek zosilňovača vstupuje signál na vyhodnotenie alebo iné spracovanie. Vonkajšou záťažou môže byť napr. reproduktor, slúchadlá, žiarovka, LED, relé a pod.

Obr. 8.  Znázornenie vstupnej, výstupnej a zaťažovacej impedancie zosilňovača

Z_v - predstavuje pre zosilňovač zaťažovaciu impedanciu. Treba ju odlíšiť od výstupnej impedancie Z_výst, ktorá je súčasťou vlastného zapojenia zosilňovača a určuje jeho pracovný režim. Budiaci zdroj a vonkajšia záťaž ovplyvňujú vlastnosti zosilňovača a preto pri jeho návrhu treba brať do úvahy aj ich vlastnosti.

ZOSILŇOVAČE - HLAVNÉ TECHNICKÉ VLASTNOSTI

Pre posudzovanie kvality zosilňovača sú dôležité jeho určité technické vlastnosti , v technickej praxi označované ako "Technické parametre zosilňovača". Takýchto kvalitatívnych vlastností je veľké množstvo a mnohé sú viazané na špecifickú oblasť využitia zosilňovača. No existuje niekoľko technických vlastností, ktoré sú dôležité pre kvalitu zosilňovača bez ohľadu na oblasť jeho použitia.  Sú to tieto vlastnosti (parametre):

Zosilnenie  A : je definované ako pomer výstupnej veličiny k zodpovedajúcej vstupnej veličine. Ide o známy parameter popisujúci prenosové vlastnosti dvojbrán a vzhľadom nato, že prenos je vždy väčší ako 1, teda  A > 1, označujeme tento prenos pojmom "zosilnenie".  Poznáme tri základné zosilnenia :

napäťové	prúdové	výkonové

Vo všeobecnosti pre striedavé signály ide o komplexné čísla, pretože v zosilňovači sa vždy nachádzajú nejaké reaktancie, napr.: väzobné kondenzátory alebo parazitné kapacity. Preto je veľkosť zosilnenia pre striedavé signály závislá od frekvencie vstupného signálu a nie od veľkosti jeho amplitúdy. Zosilnenie vyjadrené v dB označujeme ako zisk a  zosilňovača. (v anglickej literatúre označované G.)

Dynamický rozsah D : je daný pomerom najväčšieho k najmenšiemu signálu na vstupe zosilňovača, ktorý je zosilňovač schopný preniesť pri definovanom výstupnom výkone a skreslení. Úzko súvisí s amplitúdovou charakteristikou. Dynamický rozsah zosilňovača vieme v absolútnom vyjadrení a v pomernom, decibelovom vyjadrení vyhodnotiť z nasledujúcich vzťahov :

Amplitúdová charakteristika : je grafické znázornenie závislosti amplitúdy výstupného napätia U2 od amplitúdy U1 vstupného signálu pre určitú konštantnú frekvenciu  f  vstupného signálu . Graficky je možné túto skutočnosť zakresliť nasledovne :

Obr. 9.  Amplitúdová charakteristika zosilňovača

Ako z obrázku vidno, výstupné napätie  U₂ má vždy určitú počiatočnú hodnotu rovnú šumovému napätiu  U_šum, aj keď na vstupe nie je žiadne napätie  U₁. Toto napätie je dané vlastným hlukovým napätím (brumom) a šumom použitých zosilňovacích súčiastok. Od napätia  U_1min  po  U_1max je charakteristika lineárna. V tejto časti má zosilňovač svoje najširšie použitie. Nad úrovňou  U_1max sa charakteristika zakrivuje vplyvom konečného napájacieho napätia  U_cc. Rozkmit výstupného napätia  U₂ nemôže byť väčší než napätie napájania  U_cc, pokiaľ nie je použitý na väzbu medzi zosilňovačom a záťažou transformátor. V technickej praxi sa táto charakteristika označuje pojmom "Prevodová charakteristika zosilňovača"  (alebo tiež iného elektronického obvodu.)  Táto charakteristika môže byť realizovaná aj pre jednosmerný signál, teda pre f = 0 Hz , napr. u jednosmerných zosilňovačov.

Vstupná impedancia Zvst : je daná pomerom napätia U1 medzi vstupnými svorkami zosilňovača a prúdom I1 vtekajúcim do vstupných svoriek zosilňovača. Vo všeobecnosti je vstupná impedancia komplexné číslo, teda má svoju reálnu a imaginárnu časť, vplyvom prítomnosti reaktančných prvkov vo vstupnom obvode. Vstupná impedancia nezávisí od veľkosti budiaceho signálu, ale závisí od jeho frekvencie.

   [W]

Obr. 10.  Znázornenie vstupnej a výstupnej impedancie zosilňovača a obvodových veličín

Výstupná impedancia Zvýst :  je daná pomerom napätia U20 medzi výstupnými svorkami zosilňovača pri odpojenej záťaži (naprázdno) a výstupného prúdu I2k , ktorý je výstupný obvod zosilňovača schopný dodať pri skratovaných výstupných svorkách. Podobne ako vstupná impedancia, aj výstupná impedancia je vo všeobecnosti komplexné číslo, teda má svoju reálnu a imaginárnu časť a taktiež nezávisí od veľkosti výstupného signálu, ale od jeho frekvencie.

 [W] 

Výstupný výkon P2ef : sa udáva ako maximálny efektívny výkon na výstupných svorkách zosilňovača pri definovanom skreslení, frekvencii, tvare signálu a záťaži. Pri činnej záťaží je výstupný výkon daný vzťahom :

   [W]

Účinnosť h : je pomer výstupného efektívneho výkonu P2ef  na výstupných svorkách zosilňovača k jednosmernému príkonu P0  zosilňovača odoberaného z napájacieho zdroja UCC. Účinnosť vypočítame zo vzťahu :

   [%]

Citlivosť : sa udáva veľkosťou menovitého napätia na vstupe zosilňovača, ktorým na výstupe dosiahneme požadovaný výkon (poprípade veľkosť výstupného napätia pre predzosilňovacie stupne) pre určité skreslenie, záťaž, frekvenciu a tvar vstupného signálu. Pásmo priepustnosti B-3 (šírka prenášaného frekvenčného pásma) : je pásmo frekvencií vstupných signálov, pri ktorých je zosilnenie zosilňovača v daných technických podmienkach. Graficky je možné túto skutočnosť zakresliť v podobe "Amplitúdovo-frekvenčnej (AF) charakteristiky" nasledovne :

Obr. 11.  Amplitúdovo-frekvenčná charakteristika zosilňovača

AF charakteristika je ohraničená hornou medznou frekvenciou  f_h a dolnou medznou frekvenciou  f_d.  Medzné frekvencie sú frekvencie, pri ktorých dochádza k poklesu zosilnenia  a_u  o 3dB voči referenčnej frekvencii f₀. V technickej praxi sa táto charakteristika označuje pojmom "Prenosová charakteristika zosilňovača"  (alebo tiež iného frekvenčne závislého elektronického obvodu.)  U jednosmerných zosilňovačov môže byť medzi frekvencie vstupných signálov zahrnutý aj jednosmerný signál, teda signál s frekvenciou  f = 0 Hz , čo je zároveň aj dolnou medznou frekvenciou f_d  jednosmerného zosilňovača.

Vlastné hlukové napätie : je určité malé napätie, ktoré je na výstupných svorkách zosilňovača aj keď na vstup neprivádzame žiadny signál. Vytvára nežiadúci hluk v pozadí užitočného signálu a znižuje tak citlivosť elektronckého zariadenia. Toto napätie je spôsobené zdrojmi hluku z okolia, ale aj z vnútra zariadenia a šumom a hlukom samotných súčiastok a zosilňovacích prvkov. Skladá sa :

1. zo sieťového brumu z napájacieho zdroja
2. z indukovaného napätia z blízkych zdrojov elektrických a elektromagnetických polí (transformátory, antény a pod)
3. z teplotného šumu rezistorov;
4. zo šumu zosilňovacích prvkov.

Sieťový brum z napájacieho zdroja je môžné odstrániť dobrým filtrovaním jeho výstupného napätia, zamedziť vytváraniu zemných slučiek a zemnením celého zariadenia do jedného bodu (myslí sa tým elektrická zem elektroniky zariadenia.)  Zamedzenie indukovania rušivého napätia, či už v podobe brumu alebo šumu, z blízkych zdrojov elektromagnetických polí je možné zabezpečiť dobrým tienením citlivých častí elektronického zariadenia, alebo jeho umiestnením ako celku do kovovej skrinky. Šíreniu elektromagnetického poľa zo sieťového transformátora je možné jeho umiestnením do kovového krytu, najlepšie z mosadzného plechu. Tieto hlukové napätia zaraďujeme do skupiny nevlastných šumov. Ďalšie dve zložky hlukového napätia, teplotný šum rezistorov a šum zosilňovacích prvkov, patria do skupiny vlastných šumov.  Tieto sú prejavom štruktúry hmoty a ich zdrojmi sú všetky súčiastky používané v elektronike. Šumové napätie má všeobecne nesínusový charakter a jeho časový priebeh nie je periodický. Rušivý vplyv vlastných šumov je možné obmedziť voľbou súčiastok, vhodným obvodovým zapojením, vhodnou voľbou spracovania prenášaných signálov a pod. Problematike šumu, hlavne z hľadiska jeho pôvodu, sa budeme v menšom rozsahu venovať v samostatnej podtéme.

K základným technickým vlastnostnostiam zosilňovačov patrí ešte päť základných druhov skreslení. Skresleniu v zosilňovačoch je venovaná samostatná podkapitola.

ZOSILŇOVAČE - SKRESLENIA

Medzi všeobecnými technickými vlastnosťami, ktoré sú dôležité pre posúdenie kvality zosilňovača bez ohľadu na oblasť jeho použitia určite zaujímajú významné miesto "skreslenia"  v zosilňovači.  Skreslenia, ktoré vznikajú v zosilňovači ovplyvňujú zosilňovaný striedavý signál či už tvarovo, frekvenčne alebo fázovo. Jednoznačne môžeme povedať, že skreslenia v zosilňovači ovplyvňujú vernosť prenosu striedavého signálu zosilňovačom, to je, že výstupný signál sa vstupnému signálu podobá v tvare, fáze aj šírke prenášaných frekvencií. Skreslenia delíme do dvoch veľkých skupín, na  "lineárne"  a  "nelineárne" , ktoré obsahujú prílušné typy skreslení. My sa budeme zaoberať len typmi, ktoré sa sledujú u všetkých zosilňovačov, bez ohľadu na oblasť ich použitia. Sú to tieto skreslenia :

Nelineárne   

 

1. tvarové (harmonické)
2. intermodulačné

Lineárne

1. frekvenčné
2. fázové
3. prechodové

Tvarové (harmonické) skreslenie : je spôsobené nelineárnou VA charakteristikou zosilňovacích alebo magnetických prvkov.

Ako vidíme na grafe nižšie, po prechode signálu súčiastkou s nelineárnou VA charakteristikou, na výstupe dostávame tvarovo skreslený signál (dolná polvlna je tvarovo zdeformovaná oproti hornej polvlne.)  Dôvodom tejto deformácie je objavenie sa vyšších harmonických zložiek s frekvenciami  2.f1, 3.f1,.....n.f1 vo výstupnom signále zosilňovača, aj keď na vstup bol privedený harmonický signál s frekvenciou  f1. Toto skreslenie je závislé od amplitúdy vstupného budiaceho signálu. Veľkosť tvarového skreslenia vyjadruje činiteľ tvarového (harmonického) skreslenia.

Obr. 12.  Tvarové skreslenie signálu na nelineárnej VA charakteristike zosilňovacej súčiastky

Činiteľ tvarového (harmonického) skreslenia k_h  je vyjadrený vzťahom :

   [%]

ak  U₁²  >> U₂² + U₃² + ... U_n ² ,  potom :

   [%]

kde  U₁ je amplitúda základnej harmonickej a U₂, U₃  až U_n  sú amplitúdy vyšších harmonických zložiek výstupného signálu. Pri tomto tvarovom (harmonickom) skreslení je potrebné si zapamätať, že príčinou jeho vzniku je nelineárna VA charakteristika zosilňovacej súčiastky.  Fyzikálna podstata spočíva v prítomnosti vyšších harmonických zložiek vo výstupnom signále, ktoré vznikli prechodom neskresleného signálu nelineárnou súčiastkou.  Vonkajší prejav tohto typu skreslenia, pokiaľ sledujeme tento signál osciloskopom, je v jeho tvarovej deformácii a pokiaľ ide o akustický signál, teda analyzujeme ho sluchom, zvuk je skreslený, piskľavý, reč obsahuje veľa sykaviek.

Intermodulačné skreslenie :  vzniká v zosilňovači pôsobením aspoň dvoch signálov s rôznymi frekvenciami na jeho vstupe. V zosilňovači vplyvom nelinearít VA charakteristík elektronických súčiastok vznikajú súčtové a rozdielové zložky, ako aj vyššie harmonické zložky, takže možných kombinačných zložiek je veľký počet. Takýto proces tvorby kombinačných zložiek nazývame modulácia. Toto skreslenie hodnotí činiteľ intermodulačného skreslenia, ktorý udáva úroveň hlavných nežiaducich kombinačných zložiek, ktoré vznikli v zosilňovači pri budení dvoma sínusovými signálmi. Vzhľadom na to, že nie všetky kombinačné zložky majú harmonický vzťah k frekvencii vstupných signálov, teda nie sú ich celočíselným násobkom, ich prítomnosť vo výstupnom signále sa prejavuje omnoho rušivejšie než prítomnosť harmonických zložiek. Všeobecne je toto skreslenie asi 3 až 4 - krát rušivejšie ako tvarové skreslenie. Frekvenčné skreslenie : je spôsobené závislosťou zosilnenia Au od frekvencie f vstupného signálu. Je zapríčinené prítomnosťou reaktančných prvkov v obvode zosilňovača. Znázorňuje sa amplitúdovo-frekvenčnou (AF) charakteristikou, pre potreby zobrazenia tohto skreslenia nazývanou tiež "Útlmová charakteristika" daného zosilňovača.

Obr. 13.  Útlmová charakteristika znázorňujúca frekvenčné skreslenie zosilňovača 

Činiteľ frekvenčného skreslenia k_f  sa udáva ako pomer zosilnenia A_ref  pri referenčnom kmitočte f₀  k zosilneniu A_f  pri meranom kmitočte f :

   [-]

Rozdiel zosilnení  A_umax  a  A_umin  nám udáva maximálne zvlnenie  DA_u  plochej časti útlmovej charakteristiky zosilňovača. V mnohých prípadoch je hodnota maximálneho prípustného zvlnenia  DA_u  presne daná a niekedy je presne definovaný aj tvar útlmovej charakteristiky, ako napr. v obrazových zosilňovačoch televíznych prijímačov.

Fázové skreslenie : je definované ako fázový rozdiel medzi fázou výstupného a vstupného signálu  Činiteľ fázového skreslenia kj  je vyjadrený vzťahom:

   [ ° ]

Zobrazuje sa fázovo-frekvenčnou (FF) charakteristikou zosilňovača.

Obr. 14.  Fázovo-frekvenčná charakteristika znázorňujúca fázové skreslenie zosilňovača.

Toto skreslenie je závislé od frekvencie a je spôsobené výlučne lineárnymi reaktančnými prvkami. Fázový posun, ktorý vnáša do obvodu aktívny polovodičový prvok sa nepovažuje za fázové skreslenie. Pri prenose reči alebo hudby sa neprejavuje rušivo, pretože ľudské ucho toto skreslenie ako rušivý vplyv nevníma. V zosilňovačoch pre meraciu techniku sa veľkosť fázového skreslenia musí obmedziť, pretože jeho prítomnosť skresľuje výsledky merania. Napr. v zosilňovačoch akostných elektronických osciloskopov sa pripúšťa v oblasti nízkych kmitočtov fázové skreslenie asi 3°až 5°.

Prechodové skreslenie : vzniká v zosilňovači prechodom signálu s veľkou amplitúdou, ktorý má vo svojom časovom priebehu veľmi rýchlu, skokovú zmenu napäťovej úrovne.  Toto skreslenie sa znázorňuje prechodovou charakteristikou, ktorá predstavuje časový priebeh výstupného napätia, ak na vstup zosilňovača privedieme tzv. jednotkový napäťový skok, čo je normalizovaná hodnota náhleho skoku napätia. Toto skreslenie patrí do skupiny lineárnych skreslení. Je spôsobené prítomnosťou reaktančných prvkov L , C v obvode zosilňovača. Sledovať toto skreslenie má veľký význam najme u zosilňovačov impulzných signálov, ale aj u nízkofrekvenčných zosilňovačov veľkých výkonov. Uvažovaný typ skreslenia sa prejavuje troma spôsobmi : zmenou sklonu nábežnej hrany (čela) impulzu, prekmitnutím a skreslením plochej časti (temena) impulzu. Tieto typy sú zobrazené na nasledujúcich obrázkoch.

Obr. 15.   a) Jednotkový skok na vstupe zosilňovača b) Skreslenie čela a skreslenie prekmitnutím	Obr. 16.   c) Pravouhlý impulz na vstupe zosilňovača d) Skreslenie temena impulzu

 

Obr. 15.a)  zobrazuje jednotkový skok privedený na vstup zosilňovača,  obr. 15.b)  zobrazuje skreslenie sklonu nábežnej hrany a skreslenie prekmitnutím tohto jednotkového skoku na výstupe zosilňovača.  Obr. 16.c)  zobrazuje pravouhlý impulz privedený na vstup zosilňovača a  obr. 16.d)  zobrazuje skreslenie plochej časti (temena) impulzu na výstupe zosilňovača.       

Skreslenie čela impulzu - vyjadruje tzv. doba prechodu  T_r , ktorá je definovaná ako doba, počas ktorej vzrastie výstupné napätie z 10 % na 90 % konečnej ustálenej amplitúdy. Tento typ skreslenia, t.j. zmena sklonu čela impulzu úzko súvisí s prenosovými vlastnosťami zosilňovača v oblasti vysokých kmitočtov prenášaného frekvenčného pásma. Preto pri analýze používame náhradnú schému zosilňovača pre vysoké frekvencie. V technickej praxi s týmto typom skreslenia úzko súvisí sledovaný parameter popisujúci dynamické vlastnosti zosilňovača nazývaný rýchlosť prebehu, označovaného ako "slew rate" - SR. Udáva rýchlosť zmeny amplitúdy výstupného napätia pri veľkej skokovej zmene amplitúdy vstupného signálu. Táto hodnota úzko súvisí s maximálnou frekvenciou prenosu  f_max  a amplitúdou signálu U₀  na výstupe zosilňovača a je daná vzťahom :

     [V.ms^-1 ; MHz, V]

Skreslenie prekmitnutím g - sa udáva ako pomer rozdielu maximálneho prekmitnutia  U ´_max  a napätia odpovedajúcemu ustálenému stavu  U_S  k napätiu ustáleného stavu  U_S   a je dané vzťahom :

     [% ; V, V, V]

Tento typ skreslenia úzko súvisí s prenosovými vlastnosťami zosilňovača v oblasti nízkych kmitočtov prenášaného frekvenčného pásma, preto pri analýze tohto typu skreslenia sa využíva náhradná schéma zosilňovača pre nízke frekvencie.

Skreslenie plochej časti (temena) impulzu D - sa prejavuje kladnou alebo zápornou odchýlkou od ustálenej hodnoty napätia  U_S. Veľkosť odchýlky sa vyjadruje vzťahom :

      [% ; V, V, V]

Prechodové skreslenie úzko súvisí s frekvenčným a fázovým skreslením daného zosilňovača. Dá sa dokázať, že pre jednu kombináciu amplitúdovej (útlmovej) charakteristiky frekvenčného skreslenia a fázovej charakteristiky fázového skreslenia zosilňovača existuje jediná prechodová charakteristika prechodového skreslenia. Platí to aj naopak. Zosilňovač s určitou prechodovou charakteristikou má jedinú odpovedajúcu kombináciu amplitúdovej a fázovej charakteristiky. Dá sa to dokázať matematicky, ale výpočty vedú ku veľmi zložitým matematickým operáciám.

ZOSILŇOVAČE - PRACOVNÉ TRIEDY

V predchádzajúcich podtémach sme sa zaoberali vlastnosťami zosilňovačov, ktorými vieme hodnotiť hlavne ich kvalitu. Je prirodzené, že spomínané vlastnosti závisia od konštrukcie samotného zosilňovača. Niektoré vlastnosti zosilňovačov závisia totiž od toho, v ktorom mieste prevodovej charakteristiky zosilňovacieho prvku je umiestnený kľudový pracovný bod P₀. Podľa jeho polohy zaraďujeme zosilňovače do tzv. "pracovných tried". Hlavným hľadiskom pre toto delenie je doba, čas, počas ktorého tečie prúd kolektorom tranzistora (anódou elektrónky) vzhľadom na periódu vstupného zosilňovaného signálu. Podľa toho rozlišujeme 3 pracovné triedy zosilňovačov:

1. Zosilňovače pracujúce v triede A
2. Zosilňovače pracujúce v triede B
3. Zosilňovače pracujúce v triede C

Trieda A : je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu Po v strede lineárnej časti prevodovej charakteristiky a uhol otvorenia 2ao = T = 360°, takže prúd tečie kolektorom tranzistora (anódou elektrónky) počas celej periódy vstupného signálu.

Vlastnosti :

Zosilnenie : najväčšie     
Skreslenie : najmenšie     
Uhol otvorenia : 2a_o < T/2 =360°   
Účinnosť : malá (pre sínusový signál max. 25 %)  

Obr. 15.  Prevodová charakteristika pracovnej triedy A

Trieda B : je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu Po do miesta zániku kolektorového prúdu, takže uhol otvorenia 2ao = T/2 =180° a kolektorom tranzistora (anódou elektrónky) tečie prúd počas celej polperiódy vstupného signálu.

Vlastnosti :

Zosilnenie : stredné     
Skreslenie :      veľké     
Uhol otvorenia : 2a_o < T/2 =180°   
Účinnosť : najväčšia (teoreticky 50 %)

Prakticky sa trieda B v zapojení s jedným tranzistorom nepoužíva. Používa sa v tzv. dvojčinnom zapojení (účinnosť teoreticky 78 %)      Použitie : v koncových výkonových stupňoch NF zosilňovačov

Obr. 16.  Prevodová charakteristika pracovnej triedy B

Trieda C : je definovaná umiestnením kľudového pracovného bodu Po za miesto zániku kolektorového prúdu, takže kolektorom tranzistora (anódou elektrónky) tečie prúd v kratšom čase ako je polperióda vstupného signálu a uhol otvorenia 2ao < T/2 =180°

Vlastnosti :

Zosilnenie : najmenšie     
Skreslenie : najväčšie     
Uhol otvorenia : 2a_o < T/2 =180°   
Účinnosť : stredná

Použitie : vysokofrekvenčné zmiešavače, nasobiče kmitočtu a koncové stupne vf vysielačov

Obr. 17.  Prevodová charakteristika pracovnej triedy C

Poznámka :   Vlastnosti sú porovnávané medzi jednotlivými triedami.

 

Autor článku : Ing. Alexander Žatkovič

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 200.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!