Minule jsme začali nejjednodušším zesilovačem s tranzistorem a 2 odpory a postupně jsme přídávali a přidávali až vzniklo něco takového :
Jenom než budeme "v jízdě" pokračovat dovoluju si upozornit, že zesilovače jsou opravdu stavebnice, takže sice jsme dodali emitorovou degeneraci a dělič na vstupu, ale pokud nám nevadí Crossover distortion a potřebujeme ušetřit nějaké ty diody - pryč s D1 a D2, a pokud potřebujeme ušetřit i tranzistory na výstupu - pryč s nimi R2 zapojíme do kolektoru Q1, jenom jsme minule říkali, že R1 je 10 Kohm - to je trochu moc takže je R1 i R4 posuneme na 3K3 a 330 ohm a dokonce nemusíme dělič R2/R3 ani měnit. Američani tomu dnes říkají "performance fine tuning" - tedy nastavíte si vlastnosti (výrobku) přesně tam, kde je chcete mít.
Jedeme dále - tak jako se v matematice prohazují proměnné z levé na pravou stranu rovnice - my si můžeme dovolit zaměnit tranzistory NPN za PNP - tento zesilovač bude fungovat zcela stejně jako předchozí.
když už jsme zaměnili PNP za NPN tak jsme si udělali prostor zeilovač ještě vylepšit - a to tím, že přidáme "diferenciální stupeň". ten je zázračný, protože je rychlý, a navíc nám dokonale stabilizuje výstupní stejnosměrné napětí - takže se nemusíme z žádným počítáním příliš smolit - napětí které je mezí R7 a R8 bude i na výstupu a hotovo. Navíc poměr R2/R3 nám určuje zesílení.
Možná jste se zalekli ale schválně si porovnejte zesilovač s diferenciálním vstupem a bez něj - co tam přibylo. A protože tam přibylo trochu mnoho máme jedno zjednodušení. Vynechali jsme R5 a na funkci zesilovače to vůbec nebude mít vliv. Samozřejmě můžeme ve zjednodušování pokračovat, Diody pryč, Q2, Q3 pryč - prostě je to stavebnice, která je velice blbuvzdorná a pořád bude fungovat.
Vyhodili jsme odpor R5 a tím jsme ušetřili součástku, ale trochu plýtváme vlastnostmi zesilovače, takže místo R5 a R6 jsme zapojili "proudové zrcadlo" - Proud přes Q7 je řízen proudem přes Q6 - tim se nám zesílení diferenciálního stupně mnohonásobně zvětší. Tento zesilovač je dokonale blbuvzdorný - pomocí R7/R8 nastavujeme stejnosměrné napětí na výstupu, pomocí R2/R3 zesílení a R1 je přibližně rovno vstupnímu odporu. Všechny hodnoty odporů můžeme měnit v širokém rozmezí od stovek ohmů po stovky kiloohmů - zpětné vazby v zesilovači si s tím vždy nějak poradí. Lze si přát více ?
Zesílení zesilovače je tak vysoké že se může rozkmitat - tak použijeme fintu známou už z operačních zesilovačů - přidáme frekvenční "single pole stabilization" a to ve formě kondenzátoru C4 - doporučená hodnota je 4.7 -100 pF.
Tím jsme se natolik přiblížili ke konstrukci operačního zesilovače, že si klidně můžeme dovolit vyvést oba vystupy a takový zeslilovač si vyrobit. Jestli si myslíte, že je to blbost - tak vězte, že armádní technika v 50 letech byla plná operačních zesilovačů udělných z diskrétních součástek - zapojených velice podobně. Dokonce ještě Seymour Cray v počítačích Cray 1 používal takové moduly - ne proto, že by počítal analogově, ale proto, že analogové moduly byly rychlejší než tehdejší digitální hradla.
Našemu "operačnímu zesilovači" chybí k dokonalosti jenom jedno - odpor R1 v emitoru diferenciální dvojice omezuje napěťový rozkmit na vstupu směrem k 0V - tak se R1 zbavíme ne ? Šup tam další proudové zrcadlo a teď to máme opravdu jak z Apolla 11. Náš operační zesilovač sice není rekordman v šumu a zkreslení, ale pokud použijete vhodné tranzistory - bude rychlý jako ďábel. Jinými slovy jsme dospěli ke klasíckému vidláckému řešení - místo rychlého operáku za 300 - halda drátových součástek za 20 a taky to funguje.
Poznámka při druhém čtení : "Koncový stupeň" tvořený dvěma tranzistory a dvěma diodami (jakože D1, D2, Q2, Q3) má nezanedbatelný "ohnivý potenciál" i když použijete diody s relativně malým napěťovým spádem (dopručuju obyč 1N4007) má to to zapojení tendenci k pozitivní zpětné vazbě. Na obou tranzistorech je polovina napájení - takže se mírně zahřejí , tím se jejich napětí báze-emitor sníží (o 2 mV na stupeň) tím se proud oběma tranzistory zvýší, tím se ohřejí ještě více, tím napětí B-E zase klesne - atd - až k plamenným efektům ! Proto silně doporučuju provozovat tento koncový stupěň jenom na napětí 5V a nejlépe se stabilizátorem s proudovou pojistkou 100mA (78L05). Pokud to nejde tak jako správní vidláci - vynechte D1 i D2. to vám ale zkreslí malé signály - pokud právě ty potřebujete - tak vynechte i Q2 a dejte místo něj odpor 1K - tim se koncový stupeň změní na emitorový sledovač, který je až do 24V naprosto v pohodě.
Mimochodem za domácí úkol - všechny zesilovače postavit na kontaktním poli a vyzkoušet postupné přidávání "features". Doufám, že se mi podařilo trochu rozbít nemístný respekt některých lidí, ze složitějších analogových zapojení. Já jsem pro dnešek skončil a zbývá už jenom rada paní Kubáčové novomanželkám : Pokud jako žena subtilní postavy sedíte potichu v rohu pohovky a váš krátkozraký manžel kolem vás několikrát projde bez povšimnutí - dříve než se urazíte - zkontrolujte jestli nemá špinavé brejle !!!
m.marianek | 7. listopadu 2013 v 10:29
hezky napsaný článek, jen bych si dovolil malou poznámku k předposlednímu odstavci: co takhle dát do emitorů Q2 a Q3 nějaký rezistorek, hm? ;)