Tranzystory, cz14.pdf

Pierwsze kroki

W tym odcinku zapoznasz się

ze wzmacniaczem tranzystorowym

w układzie wspólnego emitera. Podej−

dziemy do tematu inaczej niż szkolne

podręczniki i okaże się, że występujące

tu zależności wcale nie są trudne. Po−

znasz podstawowe informacje, które po−

zwolą Ci samodzielnie zaprojektować ta−

ki wzmacniacz. Nie znaczy to jednak, że

w swych konstrukcjach powinieneś go

często stosować. O ile układ ze wspól−

nym kolektorem (wtórnik emiterowy)

jest stosowany bardzo często, o tyle

wzmacniacz przebiegów zmiennych ze

wspólnym emiterem rzadko bywa stoso−

wany we współczesnych konstrukcjach.

Zamiast niego wykorzystujemy wzmac−

niacze operacyjne. Nie można jednak być

prawdziwym elektronikiem, nie znając

podstawowych układów pracy tranzysto−

ra. Dlatego też dokładnie zapoznaj się

z przedstawionym materiałem.

Tranzystory

dla początkujących

część 14

Układ ze wspólnym emiterem

Z dotychczasowych opowieści o tran−

zystorze wiesz, że jest to twór kapryśny.

Masz podstawy sądzić, że równie kapry−

śny jest wzmacniacz z tranzystorem w

układzie wspólnego emitera, pokazany na

rysunku 1, znany z podręczników. Masz

świętą rację! Za chwilę sam się przeko−

nasz, że taki “podręcznikowy” układ

z rysunku 1 rzeczywiście jest kapryśny (i

nigdy go nie stosujemy w praktyce).

Nie bój się jednak, mam dla Ciebie

przyjemną niespodziankę. Zapoznawanie

z układem wzmacniacza o wspólnym

emiterze (oznaczenie OE lub WE) roz−

poczniemy od... przedstawionego w

dwóch poprzednich odcinkach wzmac−

niacza ze wspólnym kolektorem, który już

zdążyłeś polubić.

Na początek wyjaśnienie: w praktyce

układ ze wspólnym emiterem będziesz

stosował tylko do wzmacniania przebie−

gów zmiennych, więc nie będziemy zaj−

mować się żadnymi stałoprądowymi we−

rsjami wzmacniacza OE. Oczywiście tran−

zystor jest odpowiednio spolaryzowany i

przebiegi zmienne występują na tle spo−

czynkowych napięć i prądów stałych.

Na rysunku 2 do klasycznego wtórnika

emiterowego (OC) dodałem w obwodzie

kolektora rezystor R C o rezystancji zdecy−

dowanie (dziesięciokrotnie) mniejszej niż

rezystancja R E .

Czy obecność niewielkiego rezystora

R C coś zmieni? Nie! To nadal jest układ

OC, bo sygnał wyjściowy odbieramy z

emitera.

Powinieneś widzieć tu następującą ko−

lejność: Właściwości wejścia określone

są dokładnie tak, jak w układzie OC. Prąd

I E płynący przez R E jest określony przez

(stałe) napięcie bazy i rezystancję R E . W

układzie OE zupełnie nie zajmowaliśmy

się obwodem kolektora. Teraz potrzebna

jest tylko jedna informacja: jaki jest ten

prąd kolektora?

Oczywiście! Możemy przyjąć, że jest

on równy prądowi emitera, I C = I E .

Na razie pomińmy fakt, że prąd emite−

ra jest odrobinkę większy od prądu kolek−

tora (o prąd bazy) – przyjmujemy, że prąd

emitera i prąd kolektora są równe (I C =I E ),

co przy wzmocnieniu prądowym powyżej

100 jest bardzo bliskie prawdy. To jest

proste, prawda?

A więc przez R C płynie prąd I C =I E . Na

rezystorze R C wystąpi więc jakiś spadek

napięcia. Dotyczy to zarówno prądu stałe−

go (spoczynkowego), jak i przebiegów

zmiennych.

Wartość rezystora R C możemy zwięk−

szać, byleby spadek napięcia na nim nie

był zbyt duży i by tranzystor się nie nasy−

cił.

A jak będą wyglądać przebiegi zmien−

ne? Podobnie jak w układzie OC, napięcie

zmienne na emiterze będzie takie samo,

jak na bazie (porównaj rysunek 4b w EdW

2/99 str. 34). A ponieważ rezystory R E i R C

są równe – uważaj − spadki napięć na tych

rezystorach też będą jednakowe! Przykła−

dowe przebiegi w układzie z rysunku 3a

znajdziesz na rysunku 3b. Zauważ, że U RC

= U RE , bo I C =I E oraz R C =R E . Czy wszystko

się zgadza? Przebiegi zmienne na emite−

rze i kolektorze mają taką samą wielkość,

tyle że są “odwrócone” – fachowo mó−

wiąc mają przeciwną fazę. Zauważ, że te−

raz mamy dwa wyjścia: możemy pobrać

sygnał z kolektora, a nie tylko z emitera. I

tym oto prostym sposobem dochodzimy

do wzmacniacza OE, który na razie ma

wzmocnienie 1. Jak zwiększyć wzmoc−

nienie? Czy już się domyślasz?

Mamy dwie drogi.

1. Zmniejszamy rezystancję R E , a

zwiększamy R C . Żeby nie nasycić tranzy−

stora musimy też zmniejszyć napięcie

stałe na bazie, zmniejszając napięcie ba−

terii U B1 (na razie nie zastanawiaj się nad

tym, jakie powinno być napięcie baterii

Zwiększmy więc wartość R C by była

równa R E , ale aby tranzystor się nie nasy−

cił, obniżymy napięcie baterii B1, żeby

stałe napięcie na emiterze wynosiło, na

przykład 1/4 napięcia baterii B2. Sytuację

pokazuje rysunek 3a.

Rys. 2

Rys. 1

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

Pierwsze kroki

pięcie między

kolektorem a

emiterem jest

bliskie zeru) – na

rysunku są to

płaskie, sąsiadu−

jące części obu

przebiegów.

Oczywiście,

gdyby wzmac−

niane przebiegi

były mniejsze,

oba przebiegi

“zmieściłyby

się” i nie byłyby zniekształcone. W każ−

dym razie sytuacja z rysunku 5b sygnali−

zuje istotny warunek poprawnej pracy

wzmacniaczy OE – trzeba zapewnić dużo

“miejsca” dla wzmacnianego przebiegu.

Już chyba widzisz, że najlepiej byłoby

ustawić spoczynkowe napięcie kolektora

w połowie między napięciem zasilania, a

maksymalnym napięciem na emiterze.

Słusznie!

2. Teraz drugi sposób zwiększenia

wzmocnienia. Żeby Ci nie mącić w gło−

wie szczegółami, a pokazać główną ideę,

wykorzystam układ z rysunku 3, który

miał wzmocnienie równe 1. Aby zwięk−

szyć wzmocnienie, do rezystora R E z te−

go układu dodaję kondensator C E o dużej

pojemności i rezystor R E1 , o wartości

10k

) do rezystancji w obwodzie

emitera, która dla przebiegów zmiennych

wynosi właśnie 5k

. Czy to Cię przeko−

Rys. 3

nuje?

Jeśli nie, to wgłębimy się w problem.

Nadal kluczową sprawą jest to, że prąd

emitera jest równy prądowi kolektora.

Tylko teraz mamy dwie oddzielne spra−

wy: prądy i napięcia przebiegów stałych,

oraz dla przebiegów zmiennych.

Stały prąd emitera jest nadal wyzna−

czony przez R E (i napięcie stałe na bazie),

a stałe napięcia spoczynkowe na R E i R C

są równe – zobacz rysunki 3b i 6b.

Napięcie zmienne na emiterze cały

czas jest równe napięciu wejściowemu (z

generatora), a kondensator C E dla prze−

biegów zmiennych stanowi zwarcie,

więc napięcie zmienne na R E1 też jest

równe napięciu na emiterze, czyli napię−

ciu wejściowemu. Jeśli więc na R E1 wy−

stępuje takie napięcie zmienne, przez re−

zystor ten musi także płynąć prąd zmien−

ny.

B1 – to nie jest istotne). Stosowny układ

i przebiegi znajdziesz na rysunku 4. To

jest już najprawdziwszy wzmacniacz OE

Zauważ, że napięcie zmienne na emite−

rze nadal jest równe zmiennemu napięciu

wejściowemu. I nadal przez R C płynie ten

sam prąd, co przez R E (I C =I E ). Ponieważ

R C jest teraz trzykrotnie większe od R E ,

spadek napięcia na U RC jest trzykrotnie

większy niż na U RE . Popatrz uważnie na

rysunek 4. Czyli... nasz układ ma wzmoc−

nienie równe 3. To nie przypadek – war−

tość wzmocnienia określona jest przez

stosunek R C do R E. Przeanalizuj to!

Ponieważ w sytuacji z rysunku 4 przez

przypadek wyszło, że U C = U RC , możesz

mieć pewne wątpliwości. Jak to jest z ty−

mi napięciami? Czy może zmiana napię−

cia zasilania zmieni wzmocnienie?

. Nowy układ i przebiegi pokazane

są na rysunku 6.

Zwróć uwagę –

napięcia stałe są

takie same jak na

rysunku 3. Także

tym razem napię−

cie zmienne na

emiterze jest rów−

ne napięciu wej−

ściowemu. Zau−

waż, że teraz dla

przebiegów

zmiennych opor−

ność w emiterze

jest wypadkową

rezystancją równoległego połączenia R E i

R E1 (i wynosi 5k

Tu trochę uproszczę problem, żeby Ci

nie mącić w głowie − ten prąd, a ściślej ta

składowa zmienna skądś się musi wziąć −

płynie z baterii B2 przez rezystor R C , tran−

zystor, kondensator C E , rezystor R E1 i da−

lej z powrotem do baterii. (Tylko dla zaa−

wansowanych: Ściślej biorąc, kondensa−

tor C E ładuje się w tym obwodzie, a roz−

ładowuje w obwodzie R E , R1, ale to

szczegół, w tej chwili nieistotny.) Na ry−

sunku 7 możesz zobaczyć główną ideę −

różnymi kolorami pokazałem Ci te dwie

składowe prądu: jedna, płynąca przez R E

jest taka sama, jak w układzie z rysunku

3, druga związana jest z obwodem C E ,

R E1 . Sumują się one na rezystancji R C .

Właśnie dlatego napięcie na R C jest więk−

sze niż napięcie na emiterze.

Mam nadzieję, że zrozumiałeś tę ideę.

To na razie wystarczy. Nie chcę Cię wpro−

wadzać w szczegóły i rozważać wszyst−

kie możliwe przypadki i ewentualne ogra−

niczenia. Musimy natomiast zająć się ko−

lejną ważną sprawą.

Co z rezystancją wejściową?

Rys. 4

Na rysunku 5a pokazana jest sytuacja,

gdy w układzie z rysunku 4 podwyższy−

my napięcie zasilające do 15V. Zauważ,

że spadek napięcia na R C (U RC ) nadal wy−

nosi 6V. Prąd kolektora nie zmienił się, bo

cały czas jest równy prądowi emitera, a

ten jest wyznaczony przez napięcie na

bazie.

Rysunek 5b pokazuje sytuację, gdy

obniżymy napięcie zasilające do 10V.

Spoczynkowy spadek napięcia na rezy−

stancji kolektorowej (U RC ) nadal wynosi

6V, a na emiterowej (U RE ) 2V. Napięcia

emitera i kolektora, mierzone w stosunku

do masy, różnią się tylko o 2V. Okazuje

się, że jest tu mało “miejsca” na składo−

wą zmienną. W rezultacie tranzystor

okresowo wchodzi w stan nasycenia (na−

Czy jesteś przekonany, że ten układ

rzeczywiście wzmacnia przebiegi zmien−

ne dwukrotnie?

Najpro−

ściej rzecz

biorąc,

podobnie jak

w układzie z

rysunku 4,

także i tu

w z m o c n i e −

nie wyzna−

czone jest

stosunkiem

r e z y s t a n c j i

kolektorowej

Rys. 5

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

R C (10k

Pierwsze kroki

Rys. 6

wzmacniacza OE.

Tymczasem jest to

aż tak beznadziej−

nie proste! Może

jednak masz jakieś

pytania?

Pytasz dlaczego

w układzie z rysun−

ku 3 nie zreduko−

wać R E do zera,

uzyskując układ

jak na rysunku 8a

lub prościej

–”podręcznikowy” układ z rysunku 8b?

Nigdy tego nie rób! Nie bądź zbyt chy−

try! Spróbuj odpowiedzieć na dwa pytania:

1. Czy przez zredukowanie oporności

emiterowej dla przebiegów zmiennych

do zera uzyskasz wzmocnienie nieskoń−

czenie wielkie?

2. Jaka będzie wtedy rezystancja wej−

ściowa układu dla przebiegów zmien−

nych?

Słusznie uważasz, że wzmocnienie nie

może być nieskończenie wielkie, a jeśli

chodzi o rezystancję wejściową... nie bój

się – nie będzie równa zeru. Kiedyś już to

obliczaliśmy (w EdW 11/98 str. 67) i w

tamtym przykładzie wyszło nam około

100 omów. A czy pamiętasz, że tamte

rozważania wskazywały, iż rezystancja

wejściowa nie jest stała, tylko zmienia

się w zależności od prądu bazy i kolekto−

ra? Doszliśmy do wniosku, iż sygnał wyj−

ściowy w najprostszym układzie wzmac−

niacza tranzystorowego będzie bardzo

zniekształcony? Zobacz rysunki w

EdW4/98 na str. 76, 79. Zwróć uwagę, że

tamte rozważania tak naprawdę dotyczy−

ły właśnie wzmacniacza OE i dotyczą

również naszych układów z rysunku 8.

Mało tego! Przecież wtedy na stały

prąd bazy i prąd kolektora będą mieć

znaczny wpływ nawet maleńkie zmiany

stałego napięcia na bazie! Porównaj rysu−

nek 6 w EdW 11/98. Zmiana stałego na−

pięcia polaryzującego bazę o około 60mV

spowodowałaby dziesięciokrotną zmianę

wartości stałego prądu kolektora. Czyli

tranzystor albo by się nasycił (napięcie

kolektora bliskie masy, prąd ograniczony

wartością R C ), albo spadek napięcia na re−

zystorze kolektorowym byłby bardzo ma−

ły (napięcie kolektora bliskie dodatniemu

napięciu zasilania). W obu przypadkach

układ nie mógłby prawidłowo wzmacniać

przebiegów zmiennych, które przecież

muszą występować “na tle” napięcia

stałego (najlepiej około połowy napięcia

zasilającego). Czyżbyś też zapomniał o

wpływie temperatury na napięcie U BE

(−2,2mV/°C)?, w układzie z rysunku 8a.

Wzrost temperatury struktury tranzy−

stora tylko o 8°C (przy niezmiennym na−

pięciu bazy) zmieni prąd kolektora dwu−

krotnie, tym samym doprowadzi do nasy−

cenia i uniemożliwi pracę wzmacniacza.

Co prawda obecność rezystancji R B

(R B1 i R B2 ) znacznie poprawia sytuację,

jednak mimo wszystko stabilność cieplna

i napięciowa układów z rysunku 8 jest

bardzo słaba. Nie musisz rozumieć wszy−

stkich szczegółów, zapamiętaj tylko po−

dany właśnie wniosek.

Czy już zauważyłeś, że istnieje bardzo

prosty sposób na zmniejszenie wpływu

zmian temperatury i napięcia zasilające−

go? Oczywiście chodzi o obecność rezy−

stora emiterowego R E . Jeśli spoczynko−

we napięcie stałe na R E będzie wynosić

choćby tylko 0,3V, wpływ zmian napięcia

bazy i temperatury zostanie zredukowany

do około 20% podanych przed chwilą

wartości. Gdy napięcie stałe na R E wynie−

sie 1,2V ten wpływ zmniejszy się dwu−

dziestokrotnie. Nie musisz zapamiętywać

tych szczegółów – musisz tylko wiedzieć,

że czym większe napięcie stałe na R E ,

tym spoczynkowy prąd kolektora mniej

zależy od temperatury i wahań napięcia

polaryzującego bazę. Inaczej mówiąc,

zwiększanie wartości R E czyni układ bar−

dziej stabilnym, niezależnym od wielu

czynników, w tym temperatury.

Oczywiście jak zwykle nie można

przesadzić. Nadmierne zwiększanie rezy−

stancji R E zwiększa napięcie U RE i ograni−

cza zakres zmian napięcia kolektora – po−

równaj rysunki 3b, 4b, 5b i 6b.

Jeśli to rozumiesz, właśnie skutecznie

ominąłeś nudne podręcznikowe rozważa−

nia na temat sprzężenia zwrotnego w

tranzystorowym układzie OE. Nie twier−

dzę, że takie rozważania są niepotrzebne

– może kiedyś wrócisz do nich. Twierdzę

tylko stanowczo, że próba tłumaczenia

początkującym właściwości tranzystora

za pomocą zawiłych rozważań i wzorów

dotyczących różnych rodzajów sprzęże−

nia zwrotnego, przynosi więcej szkody

niż pożytku i niepotrzebnie ich stresuje.

Ty uzbrojony w świeżo zdobytą wiedzę,

być może zaproponujesz, żeby pozostać

przy stabilnym układzie z rysunku 6, a w

celu zwiększenia wzmocnienia zreduko−

wać R E1 do zera, uzyskując układ pokaza−

ny na rysunku 9a. Świetnie! Zrobiłeś spo−

ry postęp! Czasami rzeczywiście stosuje−

my taki układ. Niekiedy stosujemy rów−

nież układ z rysunku 9b. Dzięki dołączeniu

Rezystancja wejściowa

Wiesz, jak na dwa różne sposoby

zwiększać wzmocnienie. Okazuje się

jednak, że zwiększając wzmocnienie,

zmniejszasz rezystancje wejściową tran−

zystora (na razie pomijamy wpływ R B i

rozważamy oporność samego tranzysto−

ra).

Wracamy do układu OC z rysunku 2.

Jak w każdym układzie OC rezystancja

wejściowa dla przebiegów zmiennych sa−

mego tranzystora jest

−krotnie (ściślej

+1−krotnie) większa niż rezystancja R E .

Dokładnie tak samo jest w układzie z ry−

sunku 3.

W układzie z rysunku 4 zwiększyliśmy

wzmocnienie, zmniejszając rezystancję

R E do 3,3k

−krotnie

większa od R E .

Ale ponieważ re−

zystancja R E jest

trzykrotnie mniej−

sza, rezystancja

wejściowa też jest

trzykrotnie mniej−

sza.

To nie przypa−

dek, bo wzmoc−

nienie wynosi wła−

śnie 3.

Podobnie jest

w układzie z ry−

sunku 5. Dwukrotne wzmocnienie uzy−

skaliśmy zmniejszając rezystancję emite−

rową dla przebiegów zmiennych, i rezy−

stancja wejściowa jest

Rys. 7

−krotnie większa

od tej wypadkowej rezystancji emitero−

wej

(

I co, proste?

Występuje tu oczywista zależność:

zmniejszając rezystancję emiterową

zmniejszamy rezystancję wejściową tran−

zystora. Cóż, trudno. Coś za coś, nic za

darmo: większe wzmocnienie to mniej−

sza rezystancja wejściowa dla przebie−

gów zmiennych. Najważniejsze jednak,

że układ wzmacnia!

No i co? Wszystko poszło gładko, bez

żadnych problemów! A Ty tak bałeś się

* 5k

Rys. 8

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

. Uważaj! Nadal, podobnie

jak w układzie OC, rezystancja wejściowa

jest

Pierwsze kroki

rezystora R1 do kolektora, a nie do dodat−

niego bieguna zasilania, znacznie popra−

wia się stabilność stałoprądowego punk−

tu pracy. Jeśli z jakichkolwiek powodów

(np. zmiany temperatury) prąd stały ko−

lektora wzrośnie, to napięcie kolektora

obniży się, i tym samym obniży się napię−

cie na bazie. Spowoduje to zmniejszenie

prądu kolektora. W praktyce wahania sta−

łego napięcia kolektora pod wpływem

zmian temperatury nie będą większe niż

1V – wynik zupełnie wystarczający do

wielu zastosowań. Obliczanie wartości

elementów nie jest trudne. Zwykle chce−

my, żeby stałe napięcie na kolektorze by−

ło równe połowie napięcia zasilającego

wrócimy do tego tematu. Ale wcześniej

kolejna ogromnie ważna sprawa.

Oporność wyjściowa

wzmacniacza OE

Z dotychczasowych rozważań wynika

niedwuznacznie prosta zależność: zwięk−

szając wzmocnienie, zmniejszamy rezy−

stancję wejściową. A zmniejszanie rezy−

stancji wejściowej jest istotną wadą.

Czy jest to nieuniknione?

Może zaproponujesz po prostu, by

zwiększyć wszystkie rezystancje, na

przykład dziesięciokrotnie. Jeśli wszyst−

kie rezystancje wzrosną w takim samym

stopniu, napięcia w ukła−

dzie nie powinny się

zmienić – zmniejszą się

tylko prądy (ale to chyba

dobrze, bo układ będzie

zużywał mniej energii).

Rys. 11

. A więc spadek napięcia na rezy−

storze R C zmniejszył się dziesięciokrotnie,

czyli napięcie zmienne na kolektorze

zmniejszyło się dziesięciokrotnie. Nato−

miast napięcie stałe na kolektorze, mie−

rzone względem masy, zwiększyło się.

Nie pojawiły się zniekształcenia, ani nie

zmieniła się częstotliwość.

Tak na marginesie − te 200

to wypad−

kowa rezystancja równoległego połącze−

nia rezystancji 2k

Rzeczywiście, zwięk−

szenie rezystancji (w tym

rezystancji w emiterze)

korzystnie zwiększy rezy−

stancję wejściową.

Zwiększajmy więc...

Czy już widzisz problem? Nie?

To przeanalizuj podany przykład.

Na rysunku 11a pokazano fragment

wzmacniacza tranzystorowego. Załóżmy,

że bez zewnętrznego obciążenia, na wyj−

ściu występuje napięcie sinusoidalne

1kHz o wartości

skutecznej 2V. Co

się stanie, jeśli do

wyjścia dołączy−

my rezystor ob−

ciążenia o rezy−

stancji 220

i 220

. Ściśle biorąc,

− ale w elektro−

nice, inaczej niż w szkolnej matematyce,

nie musimy wykonywać idealnie precy−

zyjnych obliczeń, choćby dlatego, że rze−

czywiste elementy mają znaczny rozrzut

parametrów, przykładowo tolerancja ty−

powych rezystorów wynosi 5...10%, a

precyzyjne rezystory o tolerancji lepszej

niż 1% są dla amatorów praktycznie nie

do zdobycia. Dlatego zaokrąglenie warto−

ści rezystancji obliczonej w tym przykła−

dzie o mniej niż pół procenta nie ma naj−

mniejszego znaczenia.

A teraz wyobraź sobie, że dziesięcio−

krotnie zwiększyłeś wszystkie rezystan−

cje w układzie. Wszystkie prądy zmniej−

szą się dziesięciokrotnie. Bez zewnętrz−

nego obciążenia napięcie wyjściowe (na

rezystorze R C o wartości 20k

Rys. 9

(U RC =0,5Uzas). Zakładamy jakiś prąd ko−

lektora (zwykle od 1mA do kilku mA) i

obliczamy wartość R C = 0,5Uzas / Ic

Prąd dzielnika R B1 , R B2 powinien wy−

nosić około 0,1Ic, by był znacznie więk−

szy od prądu bazy. Napięcie na rezystorze

R B1 będzie wynosić około 0,6V.

Stąd R B1 = 0,6V / 0,1Ic = 6V / Ic

Ponieważ suma napięć na R B2 i R B3 ma

wynosić 0,5Uzas – 0,6V, a prąd dzielnika

wynosi 0,1Ic (pomijamy prąd bazy), więc

(R B2 +R B3 ) = (0,5Uzas – 0,6V) / 0,1Ic

Zamiast przeprowadzać obliczenia,

można przyjąć R2=R3=5Rc, a wartość

R B1 dobrać eksperymentalnie, by napięcie

na kolektorze wynosiło 0,5Uzas.

Do zastosowań audio pojemność kon−

densatora (elektrolitycznego CB) może

wynosić 100

, jak

pokazano na ry−

sunku 11b? Od−

powiedz na pyta−

nia:

1. Czy zmieni

się wartość

zmiennego napięcia wyjściowego?

2. Czy zmieni się napięcie stałe na ko−

lektorze tranzystora?

3. Czy pojawią się zniekształcenia sy−

gnału sinusoidalnego?

4. Czy zmieni się częstotliwość sygna−

łu?

Spróbuj odpowiedzieć sam!

Słusznie! Dodanie zewnętrznego ob−

ciążenia zmniejsza wypadkową rezystan−

cję dołączoną do źródła prądowego, jakim

jest obwód kolektora. Zgodnie z prawem

Ohma

U = I * R

Czym mniejsza dołączona rezystancja,

tym mniejsze napięcie wyjściowe. Prąd ko−

lektora się nie zmienił, natomiast rezystan−

cja obciążenia zmniejszyła się z 2k

) nadal jest

równe 2Vsk. Ale jeśli teraz do wyjścia do−

łączysz rezystancję obciążenia równą

220

, to...

No właśnie – ponieważ rezystancja ob−

ciążenia zmniejszy się z 20k

Zauważ, że duży kondensator CB dla

sygnałów zmiennych stanowi zwarcie.

Tym samym nie przepuszcza zmiennych

sygnałów (sprzężenia zwrotnego) z kolek−

tora na bazę. Dzięki temu dla przebiegów

zmiennych układ ma duże wzmocnienie,

ale małą rezystancję wejściową i duże

zniekształcenia. Natomiast spoczynkowy

(stałoprądowy) punkt pracy jest stabilizo−

wany dzięki (silnemu ujemnemu) sprzęże−

niu zwrotnemu z kolektora na bazę.

Oczywiście w układach z rysunku 9

można dodać niewielki rezystor emitero−

wy, by kosztem zmniejszenia wzmocnie−

nia zwiększyć rezystancję wejściową i po−

prawić liniowość.

I wychodzi na to, że w praktyce najczę−

ściej będziemy stosować układ pokazany

na rysunku 10. W następnym odcinku

Rys. 10

, a

prąd kolektora jest teraz dziesięciokrotnie

mniejszy, napięcie wyjściowe drastycz−

nie spadnie około 92 razy z 2Vsk do

21,7mV!

Czy teraz już wiesz, dlaczego zwięk−

szanie wszystkich rezystancji w układzie

(w tym rezystancji w kolektorze i emite−

rze) nie rozwiązuje problemu. Chcieliśmy

tym zwiększyć rezystancję wejściową i

zwiększyliśmy. Niestety, okazało się, że

po dołączeniu obciążenia napięcie wyj−

ściowe niedopuszczalnie się zmniejszyło.

Okazuje się, że nasz wzmacniacz w ukła−

dzie OE ma dużą rezystancję wyjściową.

Co prawda my zwykle traktujemy ob−

wód kolektora jako źródło prądowe pracu−

jące na obciążenie R C (sytuację dla prze−

biegów zmiennych pokazuje rysunek 12a),

do 217

do oko−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

ło 200

wynik obliczeń to198,2

Pierwsze kroki

2. Czy zmieni się napięcie stałe na ko−

lektorze tranzystora?

Odrobinę trudniejsze, prawda? Kon−

densator separujący dla przebiegów

zmiennych stanowi zwarcie, dla stałych

stanowi przerwę. Już wiesz:

1. Napięcie stałe na kolektorze tranzy−

stora nie zmieniło się, bo wskutek obe−

cności kondensatora rezystancja dla prą−

du stałego widziana od strony kolektora

nadal jest równa 2k

tranzystorem T2. Nie musisz liczyć dokła−

dnie, wystarczą wartości przybliżone.

Przy założeniu, że

, a po uwzględnieniu rezy−

stancji polaryzujących R3 i R4 wypadko−

wa rezystancja wejściowa wynosi około

20k

Rys. 12

Tym samym − uważaj – obciążeniem

tranzystora T1 będzie nie tylko rezystor

R C1 , ale rezystancja równoległego połą−

czenia R C1 (20k

ale śmiało możemy narysować schemat

zastępczy wzmacniacza OE w bardziej

zrozumiałej postaci, ze źródłem napięcio−

wym i szeregową rezystancją wyjściową

jak na rysunku 12b. Nasz wzmacniacz za−

chowuje się tak, jakby na wyjściu umie−

szczono jakąś szeregową rezystancję –

właśnie jego rezystancję wyjściową.

Oczywiście po dołączeniu zewnętrznego

obciążenia napięcie wyjściowe zmniejszy

się. Czym większa będzie wewnętrzna

rezystancja wyjściowa R WY w stosunku

do rezystancji obciążenia R L , tym napię−

cie wyjściowe będzie mniejsze.

A jaka jest wartość rezystancji wyj−

ściowej w układzie OE? Nie będziemy się

rozdrabniać, jeśli chcesz, sprawdź sam –

rezystancja wyjściowa układu OE jest

równa rezystancji opornika R C umie−

szczonego w kolektorze.

To zupełnie inaczej niż w układzie

wspólnego kolektora, gdzie (przy niezbyt

dużych sygnałach) dołączenie rezystancji

obciążenia R L przez kondensator prak−

tycznie nie zmieniało zmiennego napięcia

wyjściowego. Czyli rezystancja wyjścio−

wa była bardzo mała. Skąd taka różnica?

Tam była inna sytuacja – napięcie (sta−

łe i zmienne) na emiterze było wymuszo−

ne przez napięcie na bazie. Tu masz prak−

tyczny przykład właściwości źródła prądo−

wego. Napięcie na wyjściu jest wynikiem

przepływu prądu przez obciążenie kolek−

torowe. Czyli wszystko zależy od oporno−

ści w obwodzie kolektora. Zauważ, że de−

cydujący wpływ na wzmocnienie napię−

ciowe ma wypadkowa oporność (impe−

dancja) obciążenia. Do tego wątku wróci−

my w następnym odcinku.

Tymczasem przeanalizujmy kolejny

przykład. Wzmacniacz jest ten sam co na

rysunku 11, napięcia stałe i zmienne bez

obciążenia też takie same. Tylko teraz ze−

wnętrzny rezystor obciążenia (220

2. Wartość napięcia zmiennego po−

winna się zmniejszyć do 0,2Vsk, bo dla

prądów zmiennych rezystancja obciąże−

nia widziana od strony kolektora zmniej−

szyła się tak samo jak w poprzednim

przykładzie z 2k

) i obliczonej właśnie re−

zystancji wejściowej następnego stopnia

(około 20k

). Obciążenie w kolektorze

będzie więc mieć około 10k

, czyli

uwzględniając wartość R E1 wzmocnienie

pierwszego stopnia będzie równe nie 20,

tylko 10.

Przy podanych wartościach okazało

się, że wzmocnienie pierwszego stopnia

wyniesie 10 razy, wzmocnienie drugiego

4 razy, czyli wypadkowe wzmocnienie za−

miast spodziewanego 400 razy wyniesie

jedynie 40 razy.

Ma to bardzo ważne konsekwencje

praktyczne.

Przypuśćmy, że zaprojektowałeś

oszczędny wzmacniacz z rysunku 14a

(przypuśćmy, że rezystancje R1 i R3 mają

mieć po 430k

do 200

), który jak łatwo obliczyć,

ma wzmocnienie równe 20 razy. To trochę

za mało do Twoich

celów, więc do je−

go wyjścia dołą−

czasz drugi taki

sam stopień

wzmocnienia.

Układ wygląda jak

na rysunku 14b.

Czy wypadkowe

wzmocnienie wy−

niesie 20 x 20 =

400 razy?

Po stokroć nie!

Zrozum to i zapamiętaj raz na zawsze.

Niedoświadczeni elektronicy bardzo czę−

sto zapominają o wpływie oporności wej−

ściowej i wyjściowej we wzmacniaczu

OE. Zacznijmy od końca. Wzmocnienie

wzmacniacza z tranzystorem T2 będzie

równe 20 (R C2 /R E2 ) tylko wtedy, gdy

wzmacniacz nie będzie obciążony, a prak−

tycznie wtedy, gdy zewnętrzne obciąże−

nie R L będzie zdecydowanie większe niż

R C2 . Po obciążeniu wzmocnienie będzie

wyznaczone stosunkiem wypadkowej re−

zystancji kolektorowej i R E2 , czyli wynie−

sie (R C2 || R L ) / R E2 . Możesz obliczyć, że

drugi stopień będzie miał wzmocnienie

równe 4.

Ale to nie koniec. Oblicz, jaka jest

oporność wejściowa R WE2 wzmacniacza z

Rys. 14

W zasadzie to jeszcze nie wszystko. Ca−

ły układ ma rezystancję wejściową około

20k

, co może być istotnym obciążeniem

dla źródła sygnału i wtedy wypadkowe

wzmocnienie będzie jeszcze mniejsze.

Przeanalizuj dokładnie podany przy−

kład. Czy teraz już dokładnie rozumiesz,

że nie wolno zapominać o rezystancji

wyjściowej i wejściowej wzmacniacza

OE?

Umęczyłem Cię zależnościami wystę−

pującymi we wzmacniaczu ze wspólnym

emiterem. Co z tego koniecznie musisz

zapamiętać?

Najważniejsze są następujące wnioski:

1. Zwiększanie wzmocnienia następu−

je kosztem zmniejszania rezystancji wej−

ściowej

2. Rezystancja wyjściowa jest równa

rezystancji R C umieszczonej w obwodzie

kolektora.

W następnym odcinku zaprojektujemy

też wspólnie dwa wzmacniacze OE. A po−

nieważ wzmacniacz OE nadal kryje pew−

ne tajemnice, podam Ci kilka dalszych

ciekawych informacji.

) jest

dołączony nie wprost, tylko przez kon−

densator o bardzo dużej pojemności. Wy−

gląda to jak na rysunku 13a lub 13b. Czy

sposób dołączenia obciążenia coś zmie−

nia? Oczywiście nie! Dla przebiegów

zmiennych zupełnie nie ma różnicy, czy

obciążenie podłączone jest do plusa zasi−

lania czy do masy – przecież dla sygna−

łów zmiennych szyna zasilania to to sa−

mo co obwód masy.

Jeśli tak, to odpowiedz na pytania:

1. Czy zmieni się wartość zmiennego

napięcia wyjściowego?

Piotr Górecki

Rys. 13

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 4/99

Ω

rezystancja samego tranzystora wynosi

około 100k

=100 i R E2 =1k

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: