43 08 tranzystor17 wzmacniacz tranzystorowy, Podstawy

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pierwsze kroki
Tranzystory
dla początkujących
część
17
Wzmacniacz OB i inne cegiełki
W poprzednich odcinkach wgłębialiśmy się w zawiłości wzmacniaczy tranzystorowych ze wspólnym kolektorem
i wspólnym emiterem. Wiesz bardzo dużo na ten temat i niewątpliwie ta wiedza przyda się w praktyce.
W najbliższych odcinkach przestawione zostaną nie tylko wzmacniacze ze wspólną bazą,
ale też kilka innych ważnych i potrzebnych układów.
Wzmacniacz
ze wspólną bazą − OB
Prosty przykład wzmacniacza OB znaj−
dziesz na rysunku 1. Choć układ wygląda
trochę dziwnie, bo sygnał wejściowy po−
dawany jest na emiter, tym razem analiza
pójdzie szybko. Zaczniemy ją jednak od
rysunku 2.
U1 wyznacza napięcie na R
E
, a tym sa−
mym prąd płynący przez R
E
[I
E
=(U1−
0,6)/R
E
]. Zakładając duże wzmocnienie
prądowe tranzystora możemy przyjąć, iż
prąd kolektora jest równy prądowi emite−
ra (pomijamy niewielki prąd bazy). Napię−
cie na kolektorze to napięcie zasilania U2,
pomniejszone o spadek napięcia na R
C
(równy I
C
*R
C
, w przybliżeniu I
E
*R
C
).
Zauważ, że o wszystkim decyduje
prąd emitera (i równy mu prąd kolektora).
Gdy zmienimy napięcie w punkcie
A o 0,5V w stronę napięć ujemnych, na−
pięcie na R
E
zwiększy się. Wzrośnie też
prąd I
E
, a tym samym I
C
i napięcie wyj−
ściowe. Sytuację w układzie pokazuje ry−
sunek 2b.
Gdy z kolei zmienimy napięcie w punk−
cie A o 0,5V w stronę napięć dodatnich,
napięcie na R
E
zmniejszy się, i odpowie−
dnio zmaleje prąd emitera (i kolektora).
Sytuację pokazuje rysunek 2c.
Rys. 1
Niech na początku sytuacja wygląda
jak na rysunku 2a. Najpierw dla upro−
szczenia załóżmy, że napięcie U
BE
w cza−
sie pracy zawsze wynosi 0,6V. Napięcie
Rys. 2
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99
37
 Pierwsze kroki
Zmiany napięcia na kolektorze są dzie−
sięć razy większe niż w punkcie A − sto−
pień ma wzmocnienie równe 10. To
znów nie jest przypadek − wartość
wzmocnienia napięciowego wyznaczona
jest przez stosunek rezystorów R
C
/R
E
.
Natomiast wzmocnienie prądowe jest
praktycznie równe 1 − prąd wyjściowy
(kolektora) jest równy prądowi wejścio−
wemu (emitera).
Zwróć uwagę, że źródło U1 musi do−
starczyć cały prąd emitera. Musi to więc
być źródło o znacznej wydajności prądo−
wej. Inaczej mówiąc, wzmacniacz ze
wspólną bazą ma bardzo małą oporność
wejściową − jaką? W układzie z rysunku 2
jest to rezystancja R
E
. Możesz to spraw−
dzić, obliczając rezystancję dynamiczną,
czyli stosunek zmian napięcia do zmian
prądu (Rwe =
zwarta z masą. Możemy i powinniśmy
przyjąć, że napięcie na bazie się nie zmie−
nia − mówiąc slangiem − jest sztywne jak
drut.
Przez tranzystor płynie spoczynkowy
prąd stały wyznaczony najpierw przez na−
pięcie bazy (ustala to dzielnik R
B1
, R
B2
),
a dalej przez napięcie emitera i wartość
rezystora R
E
. Oczywiście prąd kolektora
jest praktycznie równy prądowi emitera
(pomijamy niewielki prąd bazy).
A teraz odpowiedz: jaka będzie rezy−
stancja wejściowa wzmacniacza z rysun−
ku 1 dla przebiegów zmiennych? Czy bę−
dzie równa R
E
czy raczej r
e
? A może su−
mie R
E
+r
e
?
Masz problem?
Nie czytaj na razie dalszego ciągu −
spróbuj samodzielnie znaleźć odpowiedź.
Będzie to mały teścik, na ile naprawdę
czujesz zależności w układach tranzysto−
rowych.
...
No i do czego doszedłeś?
Na podstawie rysunku 1 powinieneś
narysować schemat zastępczy dla prze−
biegów zmiennych − celowo nie zamieści−
łem tego rysunku na tej stronie, żeby Ci
nie ułatwiać zadania. Punktem
odniesienia − masą, jest baza
tranzystora (w końcu jest to
układ OB). Ponieważ dla przebie−
gów zmiennych kondensator C
B
zawiera bazę z minusem zasila−
nia, więc... ostatecznie rezystan−
cja wejściowa jest równa
równo−
ległemu
połączeniu R
E
ir
e
− prze−
analizuj starannie rysunkii
4a i 4b zamieszczone na końcu
artykułu. Ponieważ jednak
w praktyce R
E
ma wartość dużo
większą od r
e
, więc bez sporego
błędu możemy mówić, że rezy−
stancja wejściowa układu z rysunku 1 dla
przebiegów zmiennych jest równa r
e
. Pa−
miętaj, że rezystancja ta zależy od prądu
(r
e
=26mV/Ic) i jej wartość wynosi kilka do
kilkunastu omów.
Tak jest − wzmacniacz OB ma bardzo
małą rezystancję wejściową (dla porów−
nania przypominam, że układ OE ma rezy−
stancję
dziemy się w to wgłębiać, bo okazałoby
się, że przy większych częstotliwościach
trzeba uwzględniać także wewnętrzne
pojemności, i oporność wejściowa nie
jest wtedy czystą rezystancją.
I
E
).
Nietrudno się domyślić, że oporność
wyjściowa jest równa oporności kolekto−
rowej R
C
, podobnie jak w układzie OE.
Jasne?
Jeśli tak, to chyba nie będziesz miał
kłopotów z określeniem rezystancji wej−
ściowej oraz wzmocnienia układu z ry−
sunku 3a.
Uwe/
Iwe=
U1/
Rys. 5
Po drugie, ze względów, o których
opowiem Ci za chwilę, wzmacniacz OB
pozwala na pracę przy częstotliwościach
zdecydowanie wyższych, niż układ OE.
Stąd układ OB stosowany jest tam, gdzie
trzeba uzyskać dużą szybkość stopnia,
czyli szerokie pasmo przenoszonych czę−
stotliwości. Dotyczy to zarówno typo−
wych wzmacniaczy w.cz., jak i wszelkich
szybkich wzmacniaczy.
I to w zasadzie wszystko, co powinie−
neś wiedzieć o układzie OB. Wzmacnia−
czy w układzie OB praktycznie nie bę−
dziesz stosował. Chyba, że chcesz budo−
wać wzmacniacze na zakres wysokiej
częstotliwości. Ale to jest dość trudne za−
danie, więc będziesz się musiał jeszcze
sporo nauczyć.
Rys. 3
Gdzie te wzmacniacze?
Czy po zapoznaniu się z podstawowy−
mi konfiguracjami wzmacniaczy tranzy−
storowych nie masz przypadkiem uczucia
niedosytu? Zarówno w szkole, jak i w na−
szym cyklu wałkujemy szczegółowo te
nieszczęsne wzmacniacze OE, OC, OB.
I co?
Gdy weźmiesz do ręki schemat jakie−
goś "prawdziwego" wzmacniacza, na
przykład Giganta 2000 (przedruk z Elekto−
ra w poprzednim numerze EdW str. 14),
to nie doszukasz się poznanych właśnie
elementarnych stopni OC, OE, OB. No,
może uda Ci się zidentyfikować parę
tranzystorów w układzie OC, ale... w ob−
wodach stabilizatorów napięcia. Może
rozpoznasz jeszcze jakieś źródła prądo−
we... I chyba nic poza tym!
Czarna rozpacz!? Dziesiątki tranzysto−
rów są połączone w jakiś pokrętny spo−
sób, a Ty prawie nic z tego nie rozumiesz.
Trzeba tu pamiętać o omówionej we
wcześniejszych odcinkach wewnętrznej
rezystancji emiterowej r
e
, którą na rysun−
ku 2 pominęliśmy, zakładając stałe napię−
cie U
BE
równe 0,6V. Rysunek 3b uzasa−
dnia, że wzmocnienie napięciowe stop−
nia jest równe R
C
/r
e
, przy czym rezystan−
cja wejściowa jest bardzo mała, równa r
e
.
O "wewnętrznej rezystancji emiterowej"
r
e
szeroko mówiliśmy w jednym z po−
przednich odcinków.
W praktyce zazwyczaj nie stosujemy
zasilania podwójnym napięciem, tylko
stosujemy układ podobny do tego z ry−
sunku 1 (na początku artykułu). Wróćmy
do niego. Dzielnik R
B1
, R
B2
ustala napięcie
na bazie. Obecność kondensatora C
B
gwarantuje, że na bazie nie ma żadnych
napięć zmiennych (gdyby nawet pojawiły
się niewielkie zmiany wynikające ze zmian
prądu bazy, kondensator je odfiltruje).
Dla przebiegów zmiennych baza jest
*r
e
). Wbrew pozorom nie jest to
dyskwalifikującą wadą. Po pierwsze układ
OB wykorzystywany jest przede wszyst−
kim w układach w.cz., a tam oporności ro−
bocze są rzędu 50 czy 75
i stosunkowo
łatwo można dopasować oporność wej−
ściową tranzystora do typowej oporności
roboczej 50 czy 75
. Można to robić na
kilka sposobów, między innymi dodając
rezystor R
E1
wg rysunku 5. Co prawda
zmniejsza to wzmocnienie, ale zwiększa
rezystancję wejściową i liniowość stop−
nia. Można też dopasować oporności ina−
czej, za pomocą elementów L, C. Nie bę−
38
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99
Pierwsze kroki
Tak to jest w życiu. Choć znajomość
wzmacniaczy OC, OE, OB jest wręcz nie−
zbędna, jest to dopiero wstęp do wiedzy
o wzmacniaczach. Właśnie artykuł z Elek−
tora i zamieszczone tam rozważania pro−
jektowe znakomicie to udowadniają. Aby
samodzielnie zaprojektować tranzystoro−
wy wzmacniacz mocy do domowego ze−
stawu audio lub do dyskoteki, nie wystar−
czy poznać konfiguracje OC, OE, OB. Wy−
magana jest bardzo rozległa wiedza, i to
nie tylko o podstawowych układach, blo−
kach i "chwytach". Tranzystor tranzystoro−
wi nie równy. W ekstremalnych warun−
kach pracy, przy dużych mocach, napię−
ciach i prądach, dają o sobie znać dodat−
kowe cechy zarówno zastosowanych roz−
wiązań układowych, jak i użytych podze−
społów. Dlatego niełatwo zaprojektować
dobry wzmacniacz tranzystorowy. Po za−
projektowaniu własnego wzmacniacza,
a nawet po skopiowaniu jakiegoś znane−
go z literatury, zazwyczaj pojawiają się
przykre niespodzianki w postaci samo−
wzbudzenia, nadmiernych zniekształceń
i podwyższonych szumów. I dopiero wte−
dy zaczyna się problem − co zrobić, by zli−
kwidować te wady? Niektórzy próbują
znaleźć rozwiązanie "na macanego", me−
todą ślepca, inaczej mówiąc metodą prób
i błędów. Tylko nieliczni doświadczeni
konstruktorzy mają na tyle dużą wiedzę,
żeby przeanalizować zagadnienie "od ko−
rzeni" i od razu obliczyć oraz zapropono−
wać sensowny układ. W ramach niniej−
szego cyklu nie sposób przekazać całej
wiedzy o wzmacniaczach, zwłaszcza że
w dużej mierze opiera się ona na indywi−
dualnych doświadczeniach. Nie znaczy to
jednak, iż nie warto próbować, zaczyna−
jąc od prostszych konstrukcji, o mniejszej
mocy. Eksperymentować trzeba! Nawet
nieudane próby czegoś uczą. Wcześniej
trzeba jednak poznać kolejne elementar−
ne cegiełki, stosowane do budowy
"prawdziwych" wzmacniaczy. Zajmijmy
się kilkoma takimi cegiełkami.
tora przenoszą się przez nią z powrotem
na bazę, zmniejszając wzmocnienie
. Czy
zawsze?
Na pewno zjawisko to najsilniej wystę−
puje właśnie w układzie OE, bo sygnały
użyteczne występują tam na kolektorze
i na bazie. W układzie OC na kolektorze
tranzystora sygnały zmienne nie wystę−
pują, więc nie powinno być tego proble−
mu. Podobnie... no właśnie... w układzie
OB też nie ma problemu, bowiem na ba−
zie nie występują sygnały zmienne. Dla
przebiegów zmiennych baza jest zwarta
do masy i to, co ewentualnie przeniesie
się z kolekto−
ra przez po−
jemność, zo−
staje zwarte
do masy.
Rzeczywi−
ście, wzmac−
niacz OE ma
w zakresie
wysokich
częstotliwo−
ści właściwo−
ści znacznie
gorsze, niż
wzmacniacz
z tym samym
tranzystorem
w układzie
OC lub OB.
A wszystko
ze względu
na tę szkodli−
wą pojemność między kolektorem a bazą
i szkodliwy sygnał ujemnego sprzężenia
zwrotnego przenoszący się z kolektora na
bazę. Jednak wzmacniacz OE ma cenne
zalety. Szkoda z nich rezygnować. Aby
wyeliminować szkodliwy wpływ wspo−
mnianej pojemności, należałoby wyna−
leźć taki wzmacniacz OE, w którym zmia−
ny napięcia na kolektorze są jak najmniej−
sze. Niemożliwe? Wzmacniacz taki
(w wersji bardzo uproszczonej) pokazany
jest na rysunku 6a. Taki dwutranzystoro−
wy układ nazywamy kaskodą (nie pomyl
z kaskadą). Zauważ, że dolny tranzystor
(T1) pracuje w układzie OE, a górny (T2) −
OB. Co najważniejsze, choć prąd kolekto−
rów obu tranzystorów zmienia się w takt
sygnału, napięcie na kolektorze dolnego
tranzystora jest praktycznie niezmienne,
cały czas o około 0,6V mniejsze od napię−
cia U1. A jeśli zmiany napięcia na kolekto−
rze są bardzo małe, to szkodliwy wpływ
pojemności kolektor−baza tego dolnego
tranzystora jest znacząco zredukowany.
Czyli dolny tranzystor pracuje w układzie
OE, ale zmiany napięcia na jego kolekto−
rze są minimalne, bo pracuje on na nie−
wielkie obciążenie r
e
górnego tranzystora
− porównaj rysunek 6b. Górny tranzystor
to najprostszy przykład realizacji wzmac−
niacza OB. Można powiedzieć, że dolny
tranzystor wzmacnia prąd, a górny napię−
cie. Dzięki takiemu połączeniu, kaskoda
łączy zalety układów OB i OE i jest stoso−
wana zwłaszcza we wzmacniaczach wy−
sokiej częstotliwości i szerokopasmo−
wych. Kaskoda pozwala na uzyskanie du−
żych napięć wyjściowych dzięki zastoso−
waniu wysokonapięciowego górnego
tranzystora (nawet o niezbyt dobrych pa−
rametrach) i dobrego dolnego tranzysto−
ra, który w dużym stopniu decyduje
o właściwościach całego stopnia. Tyle
powinieneś wiedzieć o kaskodzie.
Rys. 6
Darlington
Z określeniem
tranzystor Darlingtona
,
albo krócej (i nieprecyzyjnie) Darlington
lub darlington, na pewno się już spotka−
łeś. Może uważasz, że ten "darlington" to
rodzaj tranzystora o bardzo dużym
wzmocnieniu. Sugeruje to wiele dzisiej−
szych katalogów. Tymczasem gość o na−
zwisku Darlington nie wynalazł nowego
typu tranzystora, tylko wykombinował
genialnie prosty
układ
. Połączył mianowi−
cie dwa tranzystory. Uzyskał element,
który zachowuje się jak zwykły tranzy−
stor, ale ma bardzo duże wzmocnienie
prądowe. Typowy ukłład Darlliingtona
w wersjach NPN i PNP zobaczysz na ry−
sunku 7.
Zauważ, że ten twór zachowuje się tak
jak zwykły tranzystor. Znaczącą różnicą
jest tylko większe napięcie U
BE
wymaga−
ne do jego otwarcia (dwukrotnie większe
niż w zwykłym tranzystorze). Co bardzo
ważne, wynalazek ten ma bardzo duże
wzmocnienie prądowe:
Kaskoda
Czy słyszałeś o zjawisku (lub pojemno−
ści) Millera? Informacje na ten temat
znajdziesz w każdym podręczniku elek−
troniki. Nie będę Ci tłumaczył szcze−
gółów. Omówimy problem w sposób
uproszczony. Odszukaj w EdW 11/98 na
stronie 65 rysunek 3 przedstawiający
schemat − model tranzystora (Ebersa−
Molla). Możesz także zerknąć na zamie−
szczony tam rysunek 4. Nietrudno się do−
myślić, że obecność pojemności między
kolektorem a emiterem ma niekorzystny
wpływ na właściwości wzmacniacza.
Wraz ze wzrostem częstotliwości opor−
ność (reaktancja pojemnościowa) kon−
densatora maleje − a więc przy większych
częstotliwościach
zmiany napięcia kolek−
2.
Sprawdź − już przy wzmocnieniu każdego
z tranzystorów równym 50, wypadkowe
wzmocnienie prądowe wyniesie 2500!
A przy
=
1 *
1=
2=200 wzmocnienie wynosi
40 tysięcy!
Rewelacja!
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99
39
Pierwsze kroki
prądu stałego i przy sto−
sunkowo małych często−
tliwościach. Ze względu
na swe lenistwo nie są
stosowane nawet do
wzmacniaczy mocy audio
wyższej klasy. Ta ospa−
łość darlingtonów zwięk−
sza poziom zniekształceń;
jest on zauważalnie więk−
szy niż we wzmacnia−
czach tranzystorowych ze
"zwykłymi" tranzystorami, a tym bardziej
z MOSFET−ami.
Kiedyś zdecydowanie zalecano, by
przy samodzielnym składaniu darlingtona
z dwóch tranzystorów, dodać rezystor,
jak pokazuje rysunek 9. W przypadku
tranzystorów germanowych było to po−
trzebne ze względu na duże prądy
zerowe, płynące także przy braku
prądu bazy. We współczesnych tran−
zystorach krzemowych w tempera−
turze pokojowej prądy zerowe są na−
prawdę małe, rzędu nanoamperów
i nie ma konieczności stosowania ta−
kiego rezystora. Jedynie w przypad−
ku, gdyby tranzystor T1 miał wysoką
temperaturę złącza, rezystor taki
może być potrzebny.
Czasem jednak stosuje się taki
rezystor do zwiększenia szybkości wyłą−
czania. Chodzi o to, by szybciej usunąć
nośniki z obszaru bazy T2. Rezystor przy−
spiesza ten proces. W takim przypadku
czym ten rezystor ma mniejszą wartość,
tym szybciej następuje wyłączenie. Nale−
ży tylko pamiętać, że dodanie rezystora
zmniejsza wzmocnienie prądowe darling−
tona − mówiłem Ci nie raz − nic za darmo.
Niekiedy w literaturze spotyka się
symbol "darlingtona"
jak na rysunku 10, su−
gerujący, że chodzi tu
o pojedynczy ele−
ment, a nie układ
składający się
z dwóch tranzysto−
rów. Dlatego zamiast
"układ Darlingtona",
obecnie coraz czę−
ściej mówi się "tranzy−
stor Darlingtona" lub
po prostu darlington −
na rynku znajdziesz
mnóstwo takich "tran−
zystorów".
Produkowane są także elementy za−
wierające układ
z rezystorem jak
na rysunku 9.
Oprócz zwy−
kłego, klasyczne−
go układu darling−
tona, w praktyce
często jest uży−
wany darling−
ton "komple−
mentarny" −
zobacz rysu−
nek 11.
Zapamiętaj
ten układ, bo
będziesz go
często stosował −
istotną różnicą w stosunku do układu
z rysunku 7 jest to, że do otwarcia "kom−
plementarnego" darlingtona wystarczy
napięcie U
BE
około 0,6V, jak w zwykłym
tranzystorze, a do otwarcia "klasycznego"
darlingtona napięcie U
BE
jest dwukrotnie
większe.
Nie zapomnij też, że zarówno w "zwy−
kłych" darlingtonach (wg rysunku 7), jak
i "komplementarnych" (rys. 11), nawet
przy wysterowaniu dużym prądem bazy,
napięcie "nasycenia" kolektor−emiter nie
będzie mniejsze niż 0,6...0,9V, zależnie
od warunków pracy. W pojedynczym
tranzystorze napięcie nasycenia wynosi
kilka do kilkuset miliwoltów. W darlingto−
nach jest inaczej. Napięcie U
CE
tranzysto−
ra wyjściowego nie może spaść poniżej
0,6...0,8V − gdyby było niższe, nie mógłby
płynąć prąd bazy T2, który w każdym
przypadku musi płynąć przez (nasycony)
tranzystor T1. O tym zawsze pamiętaj −
są układy, gdzie muszą być stosowane
zwykłe tranzystory właśnie ze względu
na to znaczne napięcie nasycenia darling−
tonów.
W następnym odcinku opowiem Ci
o kolejnych typowych "cegiełkach", sto−
sowanych do budowy praktycznych
wzmacniaczy.
PNP
Rys. 11
Rys. 7
A przecież możliwe jest też połączenie
trzech tranzystorów wg rysunku 8 i wte−
dy wzmocnienie prądowe będzie rzędu
milionów! Jeśli tak, to dlaczego wszyst−
kie produkowane dziś tranzystory nie są
tymi cudownymi "darlingtonami"?
Rys. 8
Stop! Nie przesadzaj! Znów nic za dar−
mo! Owszem, produkowane dziś darling−
tony mają duże wzmocnienie, ale za to są
generalnie bardzo wolne. O ile tak zwany
"tranzystor małej mocy, małej częstotli−
wości", na przykład BC108 czy BC548 ma
częstotliwość graniczną rzędu
300...500MHz, a zwykły tranzystor "dużej
mocy, małej częstotliwości" też ma czę−
stotliwość graniczną znacznie powyżej 1
megaherca, o tyle ogromna większość
darlingtonów mocy może pracować jedy−
nie do częstotliwości 10...50kHz. Zobacz
rysunek 9 na str. 37 w EdW 1/99. Tak
więc darlingtony są dobre jedynie do spe−
cyficznych zastosowań: w obwodach
Piiotr Góreckii
Rys. 4
Rys. 9
Rys. 10
40
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/99
NPN
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

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

    		•