38 04 tranzystor15 wspolny emiter, Podstawy

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pierwsze kroki
Tranzystory
dla początkujących
część
15
Układ ze wspólnym emiterem
Przed miesiącem podałem Ci minimum wiedzy na temat wzmacniacza ze wspólnym emiterem (OE), niezbędne każdemu
elektronikowi. Doszliśmy do dwóch ważnych wniosków:
1. Zwiększanie wzmocnienia następuje kosztem zmniejszania rezystancji wejściowej
2. Rezystancja wyjściowa jest równa rezystancji RC umieszczonej w obwodzie kolektora.
Obiecałem, że wspólnie zaprojektujemy dwa wzmacniacze OE i że podam kilka dalszych ciekawych informacji. Jeśli jesteś zu−
pełnym nowicjuszem, znaczna część wiadomości podanych w niniejszym odcinku nie jest Ci niezbędna, dlatego nie przerażaj się,
jeśli czegoś nie zrozumiesz. Zawsze możesz do tego wrócić za jakiś czas.
Tylko dla ciekawskich
Być może w poprzednim odcinku zo−
stałeś zaskoczony wnioskiem, że w ukła−
dzie OE wzmocnienie napięciowe nie jest
wyznaczone wartością wzmocnienia prą−
dowego tranzystora, tylko stosunkiem
"oporności kolektorowej" do "oporności
emiterowej".
Teraz, nie wyprowadzając zawiłych
równań, zastanowimy się nad maksymal−
ną wartością wzmocnienia w układach
z rysunków 8 i 9 (z poprzedniego numeru
EdW). Wygląda na to, że tranzystor "od
urodzenia" ma wbudowaną jakąś wewnę−
trzną rezystancję emiterową r
e
– porów−
naj rysunek 15. O jakiej wartości?
A właśnie tu leży cała trudność. Ta
"wbudowana rezystancja" nie jest stała.
Ale uważaj − jeśli chodzi o wzmocnienie
prądowe (
uznać, że nie ma tu żadnego rozrzutu
między egzemplarzami − wartość tej rezy−
stancji zależy od dwóch czynników:
przede wszystkim od prądu kolektora
(tym samym w jakiś sposób od prądu ba−
zy), oraz od tem−
peratury struktu−
ry. Nie musisz się
w to wgłębiać.
Podam tylko koń−
cowy wniosek. Ta
"wewnętrzna re−
zystancja emite−
rowa" r
e
wynosi
w temperaturze
pokojowej mniej
więcej:
r
e
= 26mV / I
C
Gdy wyrazisz
prąd kolektora
w miliamperach, oporność wyjdzie
w omach.
A skąd te napięcie 26mV? Związane
jest z pewnymi stałymi fizycznymi (ładun−
kiem elektronu, stałą Boltzmana) oraz
temperaturą − w książkach oznaczane jest
U
T
, gdzie T wskazuje zależność od tem−
peratury (bezwzględnej, wyrażonej w kel−
winach). Jeśli chcesz, to w podręczni−
kach poszukaj szczegółów.
Dla układu z rysunku 15 prąd kolektora
wynosi 6mA, więc
r
e
= 26mV / 6mA = 4,33
razy większa, czyli wyniesie
100*4,33
.
Wzmocnienie napięciowe nie może
być większe niż
Gmax = R
C
/ r
e
Gmax = 1000
=433
= 231
Przyjrzyjmy się temu bliżej. W poprze−
dnim odcinku dowiedziałeś się, że dobrze
jest stosować zewnętrzną oporność ob−
ciążenia R
L
(nie pokazaną na rysunku 15)
większą od rezystancji R
C
− porównaj
rysunki 11 i 13 w poprzednim odcinku.
No dobrze, a gdy oporność obciążenia, na
przykład oporność wejściowa następnego
/ 4,33
Rys. 15
), występuje bardzo duży roz−
rzut wartości wzmocnienia prądowego
między poszczególnymi egzemplarzami.
W przypadku "wewnętrznej rezystancji
emiterowej" r
e
jest inaczej. Możemy
34
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
Ω
a rezystancja wejściowa tranzystora
będzie
Pierwsze kroki
stopnia będzie duża, nawet bardzo duża
(np. dzięki zastosowaniu wtórnika emite−
rowego czy tranzystora polowego), to czy
można zwiększać R
C
i tym samym
wzmocnienie napięciowe wzmacniacza
OE bez ograniczeń? Zwiększając R
C
przy
okazji korzystnie zmniejszamy pobór prą−
du i straty mocy. Nie masz chyba wątpli−
wości, że w praktyce chcielibyśmy mieć
wzmacniacz o du−
żym wzmocnieniu
i dużej rezystancji
wejściowej.
Zwiększajmy
więc, uzyskując
układ z rysunku
16.
Sposób ze źródłem
prądowym ma jednak
specyficzną cechę,
która często jest wadą:
zwykle chcielibyśmy
zachować napięcie
spoczynkowe na kolek−
torze naszego tranzy−
stora zbliżone do poło−
wy napięcia zasilające−
go. Tymczasem źródło
prądowe daje prąd sta−
ły o ściśle określonej
wartości, więc nawet
niewielkie zmiany sta−
łego prądu kolektora spo−
wodują albo nasycenie albo odcięcie na−
szego tranzystora (to jest oczywiście ce−
cha wszystkich wzmacniaczy o wielkim
wzmocnieniu). Dlatego w praktyce obcią−
żenie kolektorowe w postaci źródła prą−
dowego nie jest stosowane w prostych
wzmacniaczach jednotranzystorowych
(takich jak na rysunku 17c). Stosowane
jest tylko w wielotranzystorowych
wzmacniaczach z zamkniętą pętlą stało−
prądowego sprzężenia zwrotnego. Nie
wiesz o co chodzi z tą "zamkniętą pętlą"?
Nie przejmuj się, na razie wystarczy ci
wiadomość, że taki sposób jest po−
wszechnie wykorzystywany w scalonych
wzmacniaczach operacyjnych, a nie−
zmiernie rzadko w układach budowanych
z pojedynczych tranzystorów. W każdym
razie pomysł ze źródłem prądowym jest
godny uwagi. Idźmy dalej.
Jak myślisz, czy mając porządne
źródło prądowe o bardzo dużej rezystan−
cji dynamicznej, możemy uzyskać dowol−
nie duże wzmocnienie napięciowe
wzmacniacza?
Niestety nie!
Kolejny raz dają o sobie znać właści−
wości tranzystora reprezentowane przez
parametr h
22
. Tak samo jak rzeczywiste
źródło prądowe z rysunku 17a, tak samo
obwód kolektorowy nie jest idealnym
źródłem prądowym – jego rezystancja dy−
namiczna jest reprezentowana przez
omawiany wcześniej parametr h
22
. Ilu−
Rys. 18
struje to rysu−
nek 18a. Lepiej to widać na rysunku 18b
− możemy tak narysować, bo dla prze−
biegów zmiennych masa i plus zasilania
to przecież to samo.
Znów niedoskonałość tranzystora, re−
prezentowana przez h
22
ogranicza maksy−
malne wzmocnienie, które we współcze−
snych tranzystorach nawet przy zastoso−
waniu idealnego źródła prądowego i nie−
skończenie wielkiej rezystancji obciąże−
nia R
L
i tak nie przekroczy kilku tysięcy.
W ogromnej większości przypadków sto−
sujemy w kolektorze nie źródła prądowe,
tylko zwykłe rezystory o wartości nie
większej niż kilka kiloomów. Taka rezy−
stancja kolektorowa jest znacznie mniej−
sza niż wartość "równoległej oporności
wewnętrznej" z rysunku 18, reprezento−
wanej przez h
22
, więc wpływ h
22
pomija−
my. I wtedy bez znaczącego błędu może−
my powiedzieć, że rezystancja wyjścio−
wa wzmacniacza OE jest równa wartości
rezystora obciążenia R
C
.
Jeśli za mną nadążasz, to właśnie zna−
lazłeś odpowiedź na pytanie: jaka może
być największa teoretyczna wartość
wzmocnienia napięciowego tranzystora.
Przy założeniu, że obciążeniem kolektoro−
wym jest źródło prądowe o (pomijalnie)
wielkiej oporności dynamicznej, wzmoc−
nienie maksymalne określone jest przez
stosunek rezystancji dynamicznej obwo−
du kolektora (1/h
22
) i rezystancji emitero−
wej r
e
− zobacz rysunek 18b.
Czy naprawdę do ciebie dociera, co
wynika z tych rozważań? A czy potrafił−
byś komuś wytłumaczyć, na ile maksy−
malne wzmocnienie napięciowe wzmac−
niacza tranzystorowego wyznaczone jest
wartością wzmocnienia prądowego
Stop!
Zwiększanie
rezystancji R
C
nie
zwiększy maksy−
malnego wzmoc−
nienia napięcio−
wego. Zastanów
się nad tym – jeśli zwiększasz R
C
, to mu−
sisz zmniejszyć stały prąd kolektora I
C
, by
tranzystor się nie nasycił. Jeśli zmniej−
szasz prąd I
C
, wzrośnie rezystancja r
e
(r
e
=26mV/60uA=433
). Wygląda na to,
że stosunek R
C
/r
e
pozostaje stały
(w pierwszym przybliżeniu).
A więc nie tędy droga do większego
wzmocnienia.
A może wykorzystać źródło prądowe
(mające z definicji nieskończenie wielką
rezystancję dynamiczną) umieszczając je
w miejsce R
C
? Zobacz rysunek 17a. Tym
razem pomysł jest świetny! Wprawdzie
rzeczywiste źródło prądowe ma jakąś re−
zystancję dynamiczną r
d
, ale ta rezystan−
cja dynamiczna dla przebiegów zmien−
nych będzie wynosić wiele kiloomów lub
nawet megaomów. Jednocześnie zacho−
wasz małą wartość r
e
, bo stały prąd tego
źródła może być znaczny.
W ten chytry sposób możemy znacz−
nie zwiększyć wzmocnienie − pojedynczy
stopień może mieć wzmocnienie napię−
ciowe wynoszące nawet kilka tysięcy.
Rysunek 17c pokazuje przykład realizacji.
?
Prawdopodobnie jesteś mocno zasko−
czony! Okazało się, że wzmocnienie prą−
dowe
i wzmocnienie napięciowe nie−
wiele mają ze sobą wspólnego! Wygląda
na to, że maksymalne wzmocnienie na−
pięciowe wzmacniacza OE może być
znacznie większe niż wzmocnienie prą−
dowe
. Natomiast wartość wzmocnie−
nia prądowego
Rys. 17
będzie mieć wpływ
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
35
Rys. 16
Pierwsze kroki
przede wszystkim na oporność wejścio−
wą. Czyż nie mówiłem, że ten tranzystor
to kapryśny i tajemniczy twór?
Hmm... Czy to jednak oznacza, że tran−
zystor o wzmocnieniu prądowym
równym 10 (stare tranzystory germano−
we miewały jeszcze mniejsze wzmocnie−
nie) mógłby dać wzmocnienie napięcio−
we równe na przykład 1000?
Co o tym sądzisz?
Teoretycznie tak, pod warunkiem, że
rezystancja obciążenia (kolektorowa) bę−
dzie bardzo duża (zastosujemy źródło prą−
dowe w roli obciążenia), a parametr h
22
użytego tranzystora będzie miał przyzwo−
itą wartość. Małe wzmocnienie prądowe
Dopiero
co, stosując
źródło prądo−
we uzyskali−
śmy duże
wzmocnie−
nie, radykal−
nie zwięk−
szając rezy−
stancję dy−
namiczną
w kolektorze
do kilkudzie−
sięciu czy
nawet kilkuset kiloomów. Pamiętaj jed−
nak, że rezystancja wyjściowa wzmacnia−
cza OE jest wyznaczona przez oporności
w kolektorze, które z konieczności są bar−
dzo duże. Tak jest − dołączenie małej rezy−
stancji obciążenia radykalnie zmniejszy
wzmocnienie napięciowe, z którego się
tak cieszyliśmy.
Możesz na to popatrzeć z dwóch
stron, a wniosek i tak będzie ten sam.
1. Jeśli rezystancja wyjściowa jest bar−
dzo dużą, to dołączenie niewielkiej rezy−
stancji obciążenia znacznie zredukuje sy−
gnał wyjściowy − patrz rysunek 13 oraz ry−
sunek 12b w poprzednim odcinku.
2. Dodanie zewnętrznej rezystancji ob−
ciążenia spowoduje zmniejszenie całko−
witej rezystancji kolektorowej i wzmoc−
nienia wyznaczonego przez stosunek wy−
padkowej rezystancji kolektorowej do
emiterowej − porównaj rysunek 12a i ry−
sunek 11.
Sam widzisz − nic za darmo! Zapamię−
taj więc raz na zawsze, że zewnętrzna
oporność obciążenia R
L
powinna być
większa, najlepiej wielokrotnie większa
od rezystancji R
C
. Tylko wtedy dołączenie
R
L
nie zmniejszy wzmocnienia w znaczą−
cym stopniu.
napięci na kolektorze będzie większe od
napięcia zasilającego. Tu nie ma żadnych
tajemnic − układ z przekaźnikiem już "ćwi−
czyliśmy", a układu z obwodem rezonan−
sowym w kolektorze nie będziemy szcze−
gółowo analizować. Powinieneś po pro−
stu wiedzieć, że coś takiego się zdarza
i że w niektórych układach (stopnie
wzmacniaczy w.cz.) trzeba stosować tran−
zystory, mające dopuszczalne napięcie
U
CE
co najmniej dwukrotnie większe niż
napięcie zasilające, a w innych (niektóre
przetwornice impulsowe) − jeszcze wy−
ższe.
Jeśli już weszli−
śmy w temat tak
daleko, zastanów
się jeszcze nad
sprawą pojemno−
ści kondensatora
wejściowego. Ry−
sunek 21 pokazu−
je problem. Jeśli
rezystancja wej−
ściowa tranzysto−
ra w układzie OE
jest mała, to aby układ przenosił także ma−
łe częstotliwości, pojemność kondensato−
ra wejściowego musi być odpowiednio
duża. Przykładowo jeśli dla układu z rysun−
ku 21 rezystancja wejściowa jest niewiel−
ka i wynosi około 250
spowodowałoby jednak, że oporność
r
e
, a tym samym rezystancja wejściowa
byłyby koszmarnie mała (rzędu pojedyn−
czych omów) co oznaczałoby nie tylko
znaczny prąd bazy, ale i wielkie znie−
kształcenia nieliniowe. Tak to wygląda
w teorii − wcześniej należałoby jednak za−
pytać, czy obwód kolektora tranzystora
o małym wzmocnieniu prądowym będzie
się zachowywał jak dobre źródło prądo−
we. Czy jego rezystancja dynamiczna (re−
prezentowana przez parametr h
22
) będzie
odpowiednio duża? Jeśli się okaże, że
kiepski tranzystor o małej wartości
Rys. 21
ma
jednocześnie niekorzystną wartość para−
metru h
22
, to właśnie wartość parametru
h
22
nie pozwoli uzyskać tak dużego
wzmocnienia.
Nie musisz się w to wgłębiać, zresztą
w podanych rozważaniach troszkę upro−
ściliśmy sobie życie i pominęliśmy pew−
ne subtelności. Jak by nie było, ze wszy−
stkich rozważań i tak wynika beznadziej−
nie prosty wniosek, powtarzający się
w kolejnych odcinkach jak refren: korzy−
stnie jest stosować tranzystory o jak naj−
większym wzmocnieniu prądowym.
A teraz pytanie testowe dla sprawdze−
nia, czy wszystko dobrze rozumiesz: co
się stanie z wartością wzmocnienia na−
pięciowego po dołączeniu do naszego re−
welacyjnego wzmacniacza z rysunku 17
zewnętrznej rezystancji obciążenia R
L
.
Sytuację pokazuje rysunek 19. Jak my−
ślisz?
, aby wzmacniacz
przenosił częstotliwości już od 20Hz, po−
jemność C
B
nie może być mniejsza niż
32
F
Oczywiście skorzystałem ze znanego
wzoru
C= 1 / (2
fR)
który zwykle stosujemy w postaci:
C = 0,16 / (f R)
Projektując jakiekolwiek wzmacniacze
tranzystorowe zawsze musisz pamiętać
o problemie pojemności kondensatorów
sprzęgających.
I kolejna sprawa ważna w praktyce.
Który układ z rysunku 22 uznałbyś za lep−
szy?
Dalsze zależności
Jak myślisz, czy napięcie na kolektorze
może być wyższe od napięcia zasilające−
go?
Dziwne pytanie?
Tylko na pozór.
Na rysunku 20 znaj−
dziesz układy,
w których chwilowe
Rys. 20
36
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
Rys. 19
 Pierwsze kroki
Rys. 23
− przecież napię−
cie na rezystorze
obciążenia jest
wyznaczone tyl−
ko przez prąd ko−
lektora (I
C
*R
C
),
a nie przez napię−
cie zasilające.
Zwróć uwagę, że
masę oscylosko−
pu podłączyłem
do plusa zasila−
nia, przez co
oscyloskop po−
kazuje napięcie
"ujemne" − ale to
drobiazg, w tej
chwili nie ważny.
Ale napięcie
zasilające nie
jest "czyste" − za−
wiera składową
zmienną. Oscy−
loskop dołączony
miedzy masę
a plus zasilania
pokazałby przebieg jak na rysunku
23b (dla pokazania zasady narysowałem
przebieg trójkątny, w rzeczywistości bę−
dzie to mieszanka różnych częstotliwo−
ści). Wreszcie rysunek 23c pokazuje prze−
bieg wyjściowy występujący między ma−
są a kolektorem. Składowa zmienna
napięcia zasilania dodaje się po prostu do
sygnału użytecznego i w całości przecho−
dzi na wyjście. Czy to jest jasne? Przeana−
lizuj to dokładnie − jeśli masz wątpliwości,
przeanalizuj jeszcze raz rysunki 4 i 5 w po−
przednim odcinku.
Teraz już wiesz − układ z rysunku
22a jest zdecydowanie lepszy od układu
z rysunku 22b. W tym drugim wszelkie
śmieci z obwodu zasilania przenoszą się
na bazę drugiego tranzystora i co gorsza,
są w tym drugim stopniu wzmacniane.
Potem na kolektor drugiego stopnia czyli
na wyjście, przechodzą jeszcze raz te
śmieci z zasilania. W układzie z rysunku
22a tego nie ma, bo obwód wejściowy
drugiego tranzystora "widzi" tylko czysty
sygnał z rezystora R
C
, a sygnałem wyj−
ściowym jest czysty sygnał z drugiego re−
zystora kolektorowego.
Właśnie nieuwzględnienie tego zjawi−
ska jest najczęstszą przyczyną kłopotów
ze zbudowaniem niskoszumnego wzmac−
niacza tranzystorowego. Może ty sam,
lub koledzy, natknęliście się już osobiście
na ten problem. Jeden z moich przyjaciół
opowiadał, że kiedyś zbudował "nisko−
szumny" przedwzmacniacz z zastosowa−
niem naprawdę porządnych tranzystorów.
Uzyskane parametry szumowe były bez−
nadziejne, gorsze niż najprostszego ukła−
du z archaiczna kostką 741. Przyczyną by−
ły właśnie szumy przedostające się z zasi−
lania. Już prosty przykład z rysunku 22 po−
kazuje, że skrótowe informacje o tranzy−
storach podawane w podręcznikach
szkolnych to jeszcze nie wszystko. Aby
zostać prawdziwym konstruktorem trze−
ba zdobyć sporą ilość rzetelnej wiedzy
i doświadczenia. Podany przykład nie wy−
czerpuje oczywiście problemu wzmacnia−
czy niskoszumnych. Dlatego nie zachę−
cam, by początkujący zabierali się za takie
tematy, tylko na pozór łatwe. Na margine−
sie wspomnę, że analiza projektów nad−
syłanych do Redakcji oraz części prac
nadsyłanych Szkole Konstruktorów i in−
nych pokazuje, że pewna część naszych
Czytelników ma zdecydowanie zbyt wy−
sokie mniemanie o własnych możliwo−
ściach. Nie rozumiejąc problemów takich
jak pokazany przed chwilą, bazując tylko
na podstawowych informacjach
z podręczników szkolnych, popełniają ele−
mentarne błędy. W rezultacie układ
wprawdzie jako tako działa, ale nie nadaje
się do publikacji, stanowiąc wręcz przy−
kład, jak nie należy robić. Właśnie z tego
powodu część prac nadsyłanych do Fo−
rum Czytelników czy działu E−2000 nie
może być opublikowana.
Tyle dygresji, a teraz dwa słowa na te−
mat projektowania wzmacniaczy OE.
Nie widzisz istotnych różnic?
Rzeczywiście, przy takich samych war−
tościach elementów R, C i takim samym
wzmocnieniu prądowym tranzystorów,
podstawowe parametry (wzmocnienie,
oporności wejściowa i wyjściowa) będą
jednakowe. Więc?
Zdecydowanie różna jest jednak odpor−
ność na tętnienia i wszelkie inne "śmieci"
przenoszące się z obwodu zasilania. Uwa−
żaj − to są zagadnienia naprawdę bardzo
ważne w praktyce i powinieneś je dobrze
rozumieć. Napięcie zasilające nie jest nig−
dy idealnie stabilizowane. Nawet w przy−
padku zastosowania dobrego stabilizato−
ra, w obwodzie zasilania wystąpią szumy
(własne tego stabilizatora) oraz spadki na−
pięć na rezystancjach ścieżek i przewo−
dów (w takt sygnałów zmiennych). W re−
zultacie w rzeczywistym obwodzie zasila−
nia na napięcie stałe zawsze nałożony jest
jakiś niewielki przebieg zmienny (szumy
i inne śmieci). Taki przebieg niewątpliwie
możemy traktować jako jakiś sygnał
zmienny. Czy przedostanie się on z obwo−
du zasilania na wyjście?
Pamiętaj, że obwód kolektora to źródło
prądowe. Prąd kolektora praktycznie nie
zależy od napięcia na kolektorze. A co
z napięciem na kolektorze? Jeszcze nie
widzisz problemu?
Pomoże ci rysunek 23. W sumie wszy−
stko zależy od punktu odniesienia. Prze−
bieg zmienny na rezystorze R
C
(mierzony
w stosunku do dodatniego bieguna zasila−
nia) jest "czysty" − jest to przebieg wyzna−
czony jedynie przez prąd I
C
oraz rezystan−
cję R
C
. Jeśli dołączyłbyś oscyloskop mię−
dzy plus zasilania a wyjście, zobaczyłbyś
przebieg jak na rysunku 23a. Nic nowego
Piotr Górecki
Rys. 22
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99
37
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • styleman.xlx.pl

    		•