Småsignalforsterkere : lavfrekvens 8200033333 [PDF]

Zitiervorschau

Edmund Svanes

Småsignalforsterkere Lavfrekvens BokmåL

• lana :‘.')epotbiblioteket

Universitetsforlaget

© Universitetsforlaget AS 1988 3. opplag 1991 ISBN 82-00-03333-3

Det må ikke kopieres fra denne bok i strid med åndsverksloven og fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med Kopinor, interesseorganisasjon for rettighetshavere til åndsverk. Godkjent av Rådet for videregående opplæring i januar 1988 til bruk i den videregående skolen

Henvendelse om denne boka kan rettes til: U niversitetsforlaget Boks 2959 - Tøyen 0608 Oslo 6

Trykk: P. J. Schmidt A/S, Vojens 1991

Forord Denne boka er en revidert utgave av bøkene Lavfrekvens del 1 og Lavfrekvens del 2. Boka tar først og fremst sikte på å dekke lærestoff i emnene forsterkerteknikk og passive og aktive filter for Videregående kurs I - Elektronikklinjen, i Den videre­ gående skolen. Jeg håper at boka også skal passe for andre som ønsker en grundig innføring i småsignalforsterkere. Elektronstrømsretningen er brukt i boka. Jeg har mottatt støtte til å lage boka fra Norsk Faglitterær Forfatterforening. Noe av det stoffet som er tatt med, er ikke pensum for VK I elektronikk. Dette lærestoffet kan være aktuelt å bruke som tilvalgsstoff. Med tanke på seinere utgaver er jeg takknemlig for å få forslag til forandringer og forbedringer av boka. Kristiansand 1988

Edmund Svanes

Innhold 1 Transistoren ..................................................................... 1.1 Innledning ............................................................... 1.2 Symboler.................................................................. 1.3 Definisjoner............................................................. 1.4 Transistorens forspenning .................................. 1.5 Spenningsdeling...................................................... 1.6 Spennings- og strømgenerator ........................... 1.7 Thevenin og Norton ...........................................

9 9 9 10 11 11 12 14

2 Transistoren som firpol................................................. 2.1 A-parametere........................................................... 2.2 y-parametere...........................................................

16 16 18

3 Desibel ...............................................................................

19

4 Transistoren i felles emitterkopling ............................ 4.1 Arbeidspunkt og lastlinje..................................... 4.2 Det brukbare området av lK/UKE-karakteristikken .................................................................... 4.3 Opplysninger om transistorer i datahåndbøker 4.4 Dataspredning i hFE og stabilisering.................... 4.5 Temperaturstabilisering....................................... 4.6 Det stabiliserte FE-trinnet...................................

25 25

27 29 31 34 36

5 RC-ledd ............................................................................

41

6 Klassifisering av forsterkere ....................................... 6.1 Innledning ................................................................ 6.2 Spenningsforsterkere ............................................ 6.3 Effektforsterkere ................................................... 6.4 Arbeidspunkt for transistorer.............................. 6.5 Typebetegnelser for halvlederkomponenter ... 6.6 Kapseltyper for dioder og transistorer............

49 49 49 50 50 51 53

7 Småsignalforsterkere...................................................... 7.1 Integrerte forsterkere............................................ 7.2 Småsignalforsterkere med transistor................. 7.3 Ekvivalentskjema for felles emitterkopling ... 7.4 Beregning av forsterkningen .............................. 7.5 Forsterkning og fasedreining ved lave frekven­ ser .................................................................. 60 7.6 Forsterkning og fasedreining ved høye frekven­ ser ................................................................... 62 7.7 Båndbredde og forsterkning................................ 7.8 Beregning av spenningsforsterkning ved hjelp av transistorsteilheten S......................................

54 54 54 55 55

68

8 Felles kollektorkopling .................................................

69

66

6

9 Felles basiskopling .........................................................

76

10 Felteffekttransistoren .................................................... 10.1 Innledning............................................................... 10.2 Sjiktfelteffekttransistoren (sjikt-FET).............. 10.3 Statiske karakteristikker for sjikt-FET............ 10.4 Praktiske felteffekttransistorkoplinger ............ 10.5 Oppbygning av metalloksidfelteffekttransistoren ...................................................................... 10.6 Ekvivalentskjema for en FET ........................... 10.7 Effekt MOSFET ...................................................

79 79 80 83 84

87 92 93

11 Ulineære forvrengninger ............................................... 96 11.1 Klirr og intermodulasjon.................................... 96 11.2 Spenningspulser som er forskjellige fra sinuskurven...................................................................... 103 12 Tilbakekopling ................................................................ 105 12.1 Innledning............................................................... 105 12.2 Medkopling og motkopling...................................105 12.3 Hvordan motkoplingen virker inn på spenningsforsterkningen ................................................. 106 12.4 Hvordan motkoplingen virker inn på frekvensgangen...................................................................... 108 12.5 Hvordan motkoplingen virker inn på ulineære forvrengninger........................................................ 111 12.6 Seriestrømmotkopling ......................................... 113 12.7 Parallell strømmotkopling.................................. 115 12.8 Seriespenningsmotkopling .................................. 116 12.9 Parallell spenningsmotkopling ............................. 118 12.10 Frekvensavhengig tilbakekopling....................... 119 12.11 Tilbakekopling over flere trinn .......................121 12.12 Målinger på en to-trinns spenningsmotkoplet forsterker....................................................... 122 12.13 RC-oscillatorer ....................................................... 124

13 Direktekoplede transistorforsterkere ............................ 127

14 Differanseforsterkeren....................................................... 129

15 Operasjonsforsterkere .................................................... 136 15.1 Innledning.................................................................. 136 15.2 Operasjonsforsterkerens egenskaper.................... 136 15.3 Inverterende og ikke-inverterendeinngang ... 137 15.4 Koplingsskjema for operasjonsforsterkeren . . 138 15.5 Offsetspenning, offsetstrøm ................................... 139 15.6 Justering av offsetspenningen................................ 139 15.7 Inverterende forsterker ........................................ 140

7

15.8 15.9 15.10 15.11 15.12 15.13 15.14 15.15 15.16 15.17 15.18 15.19 15.20 15.21 15.22

Ikke-inverterende forsterker.................................. 141 Addisjon av spenninger...................................... 143 Subtraksjon av spenninger................................... 144 Operasjonsforsterkeren som differanseforsterker ................................................................ 144 Spenningsfølgeren ................................................. 147 Potensiometrisk tilbakekopling ......................... 147 Operasjonsforsterkeren som komparator .... 149 Undertrykkingsforholdet (rejiseringsforholdet) 151 Stigehastigheten (slew rate) ................................. 153 Operasjonsforsterkerens lineære område........154 Operasjonsforsterkerens frekvensgang ............. 154 Operasjonsforsterkerens inngangsresistans ... 155 Praktiske eksempler på bruk av operasjonsfor­ sterkeren ....................................................... 156 Datablad for en operasjonsforsterker............. 160 Konsentrert oversikt over data for en opera­ sjonsforsterker .................................................163

16 Bredbåndsforsterkere

.................................................... 164

17 Avstemte kretser................................................................. 166 17.1 Innledning .................................................................. 166 17.2 Serieresonanskrets ................................................... 166 17.3 Båndbredde for en serieresonanskrets .............. 167 17.4 Parallellresonanskrets ........................................... 169 17.5 Avstemte forsterkere .............................................. 171

18 Akustikk............................................................................... 173 18.1 Lyd............................................................................. 173 18.2 Størrelser og målenheter for lyd........................... 175 18.3 Hvordan øret oppfatter lyd.................................. 175 18.4 Dynamikk og frekvensområde............................. 178 18.5 Akustiske grunnbegreper....................................... 180 19 Lavfrekvensfilter................................................................. 181 19.1 Innledning .................................................................. 181 19.2 Lavpassfilter ............................................................. 182 19.3 Høypassfilter............................................................. 184 19.4 Båndsperrefilter........................................................ 186 19.5 Båndpassfilter ........................................................... 190 19.6 Bass- og diskantfilter.............................................. 192 19.7 Tonekontroller ........................................................ 194 20 Inngangsforsterkere ............................................................201 20.1 Innledning.................................................................. 201 20.2 Forforsterker for magnetisk pickup ................... 202 20.3 Forforsterker for mikrofon .................................. 205 20.4 Inngangstrinn for båndopptaker ........................ 208

8

21 Lydstyrkekontroll (volumkontroll) ............................... 209 22 Støy 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5

...................................................................................... 211 Innledning ..................................................................211 Signal/støyforhold...................................................212 Motstandsstøy.......................................................... 213 Transistorstøy.......................................................... 214 Brum og motorbåting ........................................... 215

Stikkord ................................................................................ 217

1 Transistoren

1.1 Innledning Det har vært en utrolig utvikling i elektronikkfaget i årene etter den andre verdenskrigen. Årsaken er først og fremst utviklingen av halvlederdioden som var nødvendig i raderen under krigen. Men det store vendepunktet kom i 1948 da W. Shockley og medarbeiderne hans oppfant transistoren. Etter hvert ble den stadig forbedret. Germaniumtransistoren ble erstattet av silisiumtransistoren som tåler høyere temperatur. Dessuten har den langt mindre lekkasjestrøm, høyere øvre grensefrekvens og større forsterkning. Fra begynnelsen av 1970-årene er radiorøret, bortsett fra billedrøret, blitt brukt nesten bare i utgangstrinnet på større sendere. I de seinere årene er transistoren mer og mer blitt erstattet av operasjonsforsterkere og andre integrerte kretser i elektronisk utstyr. Romfartseventyret førte til et stort behov for kompo­ nenter som tar liten plass. Dette satte ekstra fart i utviklingen av halvlederkomponentene. Oppfinnelsen av mikroprosessoren i 1971 har åpnet nye muligheter innenfor elektronikken. Også mikroprosessoren har hatt en fantastisk utvikling. Prisen på disse brikkene er nå så lav at de kan nyttes selv i billig utstyr i underholdningselektronikk. Fremdeles blir transistoren brukt i en del utstyr sammen med integrerte kretser. Det gjelder spesielt i utgangstrinn på lavfrekvensforsterkere og i utstyr som skal arbeide med svært høye frekvenser. I lavfrekvens utgangsforsterkere på mer enn 20 W uteffekt er problemene med å lede bort varme fra de integrerte kretsene så store at de fleste fabrikker fortsatt bruker transistorer. Men det finnes integrerte utgangsforsterkere på mange hundre watt. Likevel er det nødvendig å ha godt kjennskap til halvlederdioder og transistorer, selv om de etter hvert blir mindre brukt. Både integrerte kretser og mikroprosessorer er nemlig bygd opp av halvlederelementer.

1.2 Symboler For likespenninger og likestrømmer bruker vi disse symbolene:

Ub

^ke(^ce) UBE

Lkb(^cb)

Batterispenning eller spenning fra strømfor­ syning Spenning mellom kollektor og emitter Spenning mellom basis og emitter Spenning mellom kollektor og basis

10

Spenning mellom dren (drain) og kilde (source) Spenning mellom port (gate) og kilde Kollektorstrøm Basisstrøm Emitterstrøm Drenstrøm (drainstrøm) Kildestrøm (sourcestrøm) Portstrøm (gatestrøm)

f'DS

Ugs ^k(^c)

Al Ae

A) 4 Ig

For vekselspenninger og vekselstrømmer blir disse symbolene brukt:

u, i U, I U, I

Øyeblikksverdier. Effektivverdier. Amplitudeverdier. »

Dersom vi foretar en liten forandring i spenning eller strøm, bruker vi disse symbolene: Al/ A7

En liten forandring i spenningen. En liten forandring i strømmen.

1.3 Definisjoner En transistor i felles emitterkopling har disse parametrene: Statisk strømforsterkningsfaktor:

Afe = -^ /b

(1.1)

Dynamisk strømforsterkningsfaktor:

A/k /ife =-—(l/KE kontant)

Ajb

(1.2)

Transistorsteilheten: A/K yfe = gm = s = —(l/KE konstant)

AI>be

(1.3)

Dynamisk inngangsimpedans:

AI/rf A/b

^ie = Kbe = ~—p(UKE konstant)

(1.4)

Dynamisk utgangsimpedans:

1 AI/Kf 7— = Rke = ““ (;B konstant) hoe A/k

(1.5)

11

1.4 Transistorens forspenning

Figur 1.1 Transistor som er forspent ved hjelp av motstanden RB

Figur 1.1 viser en transistor som er forspent ved hjelp av motstanden RB. Når transistoren benyttes i forsterkerkoplinger, forspennes basis/emitter-dioden i lederetning, og basis/kollektor-dioden forspennes i sperreretning. Størrelsen av RB bestemmer hvor mye strøm vi skal få i transistoren. En høy verdi på ÅB gir oss et lavt arbeidspunkt og liten strøm i transistoren, mens en lav verdi på ÆB gir høyt arbeidspunkt og stor strøm i transistoren. Vi kan betrakte transistoren som en variabel resistans. Når vi forspenner basis/emitter-dioden mye i lederetning, får den en lav resistans og strømmen blir stor. Er derimot basis/emitterdioden lite forspent i lederetning, blir transistorens resistans høy og strømmen lav.

1.5 Spenningsdeling Når vi skal lære å lese et skjema, er det svært viktig at vi får tak i prinsippet for spenningsdeling, både når det gjelder likestrøm og vekselstrøm. Figur 1.2 viser en krets med en likespenningskilde t/, i serie med tre motstander. Spenningen fordeler seg over de tre motstandene slik: Ui = Figur 1.2 Spenningsdeling fra en likespenningskilde

t/Ri+

+ UB2

Strømmen i kretsen blir:

Æi + Ri + R2 Spenningsfallet over R2 blir: ^R2 —

I‘

^2

R'i + R\ + R2

UcRi Rj + Ri + R2

(1.6)

Formelen i likning (1.6) kaller vi spenningsdelingsformelen. Denne kommer vi fra nå av til å sette opp direkte uten noen mellomregning. Figur 1.3 viser en spenningsdeling i en vekselstrømkrets. Her har vi: z=-= Ui Z ]/ (Ri + R)2 + Vc Figur 13 Spenningsdeling fra en vekselspenningskilde

Spenningsfallet over R blir: «R =

-------

(1.7)

/(Å, + A)2 + ^ Spenningsfallet over C blir: Uc =

.

,

/(^+Å)2+xé

(1.8)

12

1.6 Spennings- og strømgenerator

Figur 1.4 Ekvivalentskjema for en likespenningskilde

UK(T U|

Figur 1.5 Ekvivalentskjema for en vekselspenningskilde

Vi skal se på ekvivalentskjemaet for en spenningskilde. Enhver likespenningskilde kan vi tenke oss satt sammen av en bestemt elektromotorisk spenning (ems) med en indre resistans 7^ i serie, slik figur 1.4 viser. En vekselspenningskilde blir vanligvis kalt en spenningsgene­ rator. Spenningsgeneratoren kan vi tenke oss satt sammen av en bestemt elektromotorisk spenning w; med en indre impedans Zj i serie, slik figur 1.5 viser. Dersom en spenningsgenerator er ubelastet, er klemmespenningen uk lik den elektromotoriske spenningen u-v Vi sier da at generatoren arbeider i tomgang, og klemmespenningen kaller vi generatorens tomgangsspenning wko. Når spenningsgeneratoren blir belastet med en impedans ZL slik figur 1.6 viser, blir det en strøm i lasten som er:

Streken over Z betyr at dette er vektorstørrelser. Dem kan vi ikke summere direkte algebraisk, vi må summere geometrisk. Det vil si at vi må summere resistanser og reaktanser hver for seg og så bruke den pytagoreiske læresetning til å finne den resulterende impedansen i kretsen. Figur 1.6 Belastet spenningsgenerator

Talleksempel 1.1 En spenningsgenerator har en elektromotorisk spenning med effekttivverdi = 10 V. Den indre impedansen er en rein resistans Aj = 400D. Generatoren blir belastet med en konden­ sator med reaktans Xc — 1 k£? i serie med en motstand med resistans R = 1 W. a) b) c) d)

Finn laststrømmen IL. Finn generatorens klemmespenning Uk. Hvor stort blir spenningsfallet over den indre impedansen? Hvor stor er faseforskyvningen mellom strøm og spenning over lasten?

Løsning a) Z =

+

+

= ]/l,42 + l2 = 1,72 W

b) ZL = y'7?2 + X