Úvod

Mnozí se často baví o zisku, rezervě zisku, zkreslení a mnoha dalších parametrech zesilovače aniž by jen tušili jejich souvislosti. Tak jsem si dal tu práci abych tuto problematiku nepatně objasnil a nastavil tak zrcadlo mnohým bludům, které se často na rádoby odborných webech vyskytují.

Vymezení zkreslení

Pro začátek budu uvažovat o zesilovači jehož výstupní napětí dosahuje amplitudy 2V a zkreslení způsobené vnitřními obvody dosahuje amplitudy 1V.

Vycházejme z předpokladu, že tvar zkreslení není nikdy nespojitý. Pro další úvahu se oprostíme o vstupní a výstupní užitečný signál a budeme se bavit pouze o zkreslení jako takovém.

Pro tento účel jsem realizoval v prostředí MC zapojení dle schématu s OZ LF147, jako zdroj zkreslení jsem použil generátor s označením V3 u kterého jsem měnil frekvenci a sledoval, jak si zesilovač s takovým zkreslením poradí.

10Hz

Jako první měření bylo provedeno měření při 10Hz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 99,74dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 79,74dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=10,233mV-10,027mV

U=206μV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/206μV)=79,74dB.

Můžeme tedy napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

100Hz

Jako další měření bylo provedeno měření při 100Hz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 91,4dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 71,4dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=10,398mV-9,861mV

U=537μV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/537μV)=71,4dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

1kHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 1kHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 72,1dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 52,1dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=12,625mV-7,635mV

U=4,99mV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/4,99mV)=52,1dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

10kHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 10kHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 52,1dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 32,1dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=35,053mV+14,792mV

U=49,845mV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/49,845mV)= 32,1dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce.

100kHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 100kHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky 32,1dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB je rezerva zisku 12,1dB.

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=252.839mV+232,559mV

U=485,398mV.

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/485,398mV)= 12,3dB.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce a drobnou odchylku 0,2dB přičteme ještě na vrub přesnosti.

1MHz

Jako další měření bylo provedeno měření při 1MkHz, zde má OZ zesílení otevřené smyčky pouhých 12dB, při nastaveném zesílení zesilovače 20dB již není žádná rezerva!

Podíváme-li se na rozkmit výstupního napětí, pak můžeme odečíst

U=1,047V+0,948V

U=1.995V

Podělíme-li napětí zdroje V3, které nám tvoří umělé zkreslení napětím, které se nám dostává skutečně na výstup, pak dostaneme 20log(2V/ U=1.995V)= 0dB!

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce, rezerva však již není a celé chybové napětí se nám nyní dostává na výstup!

Závislost potlačení zkreslení na frekvenci

Jako poslední měření bylo provedeno měření přes celé pásmo od 1Hz až do 100MHz. Měření bylo provedeno s malou amplitudou a může se od předchozích měření nepatrně lišit, nicméně přesně s předchozími měřeními a výpočty koreluje.

Můžeme tedy znovu napsat, že zesilovač potlačil vnitřní zkreslení o hodnotu, které je rovna hodnotě rezervy zisku v otevřené smyčce, dále je nutné si uvědomit, že samotná zpětná vazba žádné zkreslení nezanáší či nevytváří, naopak potlačuje zkreslení vytvořené nelinearitou aktivních prvků zesilovače, které je závislé jak na frekvenci, tak na amplitudě, čímž se nám rezerva zisku a její frekvenční a amplitudový průběh rázem stává nejdůležitějším parametrem zesilovače.

 Závěr

Abych naplnil obsah článku, jehož směr jsem vytyčil v samotném úvodu, pak bych musel dopočíst jednotlivá zkreslení.

Pro:

10Hz by to bylo 2V užitečného signálu a 206µV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

206μV/2V=0,010.3%

100Hz by to bylo 2V užitečného signálu a 537µV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

537µV/2V=0,026.8%

1kHz by to bylo 2V užitečného signálu a 4,99mV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

4,99mV/2V=0,249.5%

10kHz by to bylo 2V užitečného signálu a 50mV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

50mV/2V=2,5%

100kHz by to bylo 2V užitečného signálu a 485mV zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

485mV/2V=25,25%

1MHz by to bylo 2V užitečného signálu a 2V zkreslení, vyjádřeno v % by jsme dostali

2V/2V=100%

Krom uvedených hodnot zkreslení můžeme ještě napsat, že pokles rezervy zesílení vždy způsobuje nárůst zkreslení. Dále je nutno dodat, že jsem uvažoval, že převodní charakteristika je nelineární, ale frekvenčně stálá u běžného zapojení však s frekvencí pravděpodobně nelinearita poroste a výsledný nárůst zkreslení bude větší jak pokles rezervy zisku.

Tento článek není o přesném stanovení míry zkreslení, ale ukazuje na velmi těsnou vazbu mezi rezervou zisku a samotným zkreslením.

Dále je patrné, že ne vždy je nutno řešit zapojení jako ultra lineární, pokud bude zdánlivě méně vhodným zapojením způsobený nárůst nelinearity menší jak přidaná rezerva zisku, pak bude vždy dosaženo lepšího výsledku!

Lze  napsat, že vlastní zkreslení - nelinearita zesilovače je potlačena úměrně rezervě zisku, ale pokud rezerva zisku zanikne, pak zanikne i potlačení vlastního zkreslení, které se nám na výstupu projeví plnou měrou.

Dále lze napsat, že na celkovém zkreslení hraje rezerva zisku mnohonásobně větší roli než bezhlavá snaha o maximální linearizaci zapojení, obzvláště když přihlédneme ke skutečnosti, že každý tranzistor je nelineárním prvkem.

Diskuse