plik


ÿþPierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i Tranzystory dla pocztkujcych cz[ 15 UkBad ze wspólnym emiterem Przed miesicem podaBem Ci minimum wiedzy na temat wzmacniacza ze wspólnym emiterem (OE), niezbdne ka|demu elektronikowi. Doszli[my do dwóch wa|nych wniosków: 1. Zwikszanie wzmocnienia nastpuje kosztem zmniejszania rezystancji wej[ciowej 2. Rezystancja wyj[ciowa jest równa rezystancji RC umieszczonej w obwodzie kolektora. ObiecaBem, |e wspólnie zaprojektujemy dwa wzmacniacze OE i |e podam kilka dalszych ciekawych informacji. Je[li jeste[ zu- peBnym nowicjuszem, znaczna cz[ wiadomo[ci podanych w niniejszym odcinku nie jest Ci niezbdna, dlatego nie przera|aj si, je[li czego[ nie zrozumiesz. Zawsze mo|esz do tego wróci za jaki[ czas. Tylko dla ciekawskich uzna, |e nie ma tu |adnego rozrzutu kiem elektronu, staB Boltzmana) oraz By mo|e w poprzednim odcinku zo- midzy egzemplarzami - warto[ tej rezy- temperatur - w ksi|kach oznaczane jest staBe[ zaskoczony wnioskiem, |e w ukBa- stancji zale|y od dwóch czynników: UT, gdzie T wskazuje zale|no[ od tem- dzie OE wzmocnienie napiciowe nie jest przede wszystkim od prdu kolektora peratury (bezwzgldnej, wyra|onej w kel- wyznaczone warto[ci wzmocnienia pr- (tym samym w jaki[ sposób od prdu ba- winach). Je[li chcesz, to w podrczni- dowego tranzystora, tylko stosunkiem zy), oraz od tem- kach poszukaj szczegóBów. "oporno[ci kolektorowej" do "oporno[ci peratury struktu- Dla ukBadu z rysunku 15 prd kolektora emiterowej". ry. Nie musisz si wynosi 6mA, wic Teraz, nie wyprowadzajc zawiBych w to wgBbia. re = 26mV / 6mA = 4,33&! równaD, zastanowimy si nad maksymal- Podam tylko koD- a rezystancja wej[ciowa tranzystora n warto[ci wzmocnienia w ukBadach cowy wniosek. Ta bdzie ² razy wiksza, czyli wyniesie z rysunków 8 i 9 (z poprzedniego numeru "wewntrzna re- 100*4,33&!=433&!. EdW). Wyglda na to, |e tranzystor "od zystancja emite- Wzmocnienie napiciowe nie mo|e urodzenia" ma wbudowan jak[ wewn- rowa" re wynosi by wiksze ni| trzn rezystancj emiterow re  porów- w temperaturze Gmax = RC / re r y s u n e k 1 5 naj rysunek 15. O jakiej warto[ci? pokojowej mniej Gmax = 1000&! / 4,33&! = 231 A wBa[nie tu le|y caBa trudno[. Ta wicej: Przyjrzyjmy si temu bli|ej. W poprze- "wbudowana rezystancja" nie jest staBa. re = 26mV / IC dnim odcinku dowiedziaBe[ si, |e dobrze Ale uwa|aj - je[li chodzi o wzmocnienie Gdy wyrazisz Rys. 15 jest stosowa zewntrzn oporno[ ob- R y s . 1 5 prdowe (²), wystpuje bardzo du|y roz- prd kolektora ci|enia RL (nie pokazan na rysunku 15) rzut warto[ci wzmocnienia prdowego w miliamperach, oporno[ wyjdzie wiksz od rezystancji RC - porównaj midzy poszczególnymi egzemplarzami. w omach. rysunki 11 i 13 w poprzednim odcinku. W przypadku "wewntrznej rezystancji A skd te napicie 26mV? Zwizane No dobrze, a gdy oporno[ obci|enia, na emiterowej" re jest inaczej. Mo|emy jest z pewnymi staBymi fizycznymi (Badun- przykBad oporno[ wej[ciowa nastpnego 34 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99 Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i stopnia bdzie du|a, nawet bardzo du|a Sposób ze zródBem (np. dziki zastosowaniu wtórnika emite- prdowym ma jednak rowego czy tranzystora polowego), to czy specyficzn cech, mo|na zwiksza RC i tym samym która czsto jest wad: wzmocnienie napiciowe wzmacniacza zwykle chcieliby[my OE bez ograniczeD? Zwikszajc RC przy zachowa napicie okazji korzystnie zmniejszamy pobór pr- spoczynkowe na kolek- du i straty mocy. Nie masz chyba wtpli- torze naszego tranzy- wo[ci, |e w praktyce chcieliby[my mie stora zbli|one do poBo- wzmacniacz o du- wy napicia zasilajce- |ym wzmocnieniu go. Tymczasem zródBo i du|ej rezystancji prdowe daje prd sta- wej [ c i owej . By o [ci[le okre[lonej Zwi kszaj my warto[ci, wic nawet wic, uzyskujc niewielkie zmiany sta- Rys. 18 R y s . 1 8 r y s u n k u r y s u ukBad z rysunku Bego prdu kolektora spo- struje to rysu- 16. woduj albo nasycenie albo odcicie na- nek 18a. Lepiej to wida na rysunku 18b 1 6 n e k 1 8 a Stop! szego tranzystora (to jest oczywi[cie ce- - mo|emy tak narysowa, bo dla prze- Zwikszanie cha wszystkich wzmacniaczy o wielkim biegów zmiennych masa i plus zasilania rezystancji RC nie wzmocnieniu). Dlatego w praktyce obci- to przecie| to samo. zwikszy maksy- |enie kolektorowe w postaci zródBa pr- Znów niedoskonaBo[ tranzystora, re- malnego wzmoc- dowego nie jest stosowane w prostych prezentowana przez h22 ogranicza maksy- Rys. 16 R y s . 1 6 nienia napicio- wzmacniaczach jednotranzystorowych malne wzmocnienie, które we wspóBcze- wego. Zastanów (takich jak na rysunku 17c). Stosowane snych tranzystorach nawet przy zastoso- si nad tym  je[li zwikszasz RC, to mu- jest tylko w wielotranzystorowych waniu idealnego zródBa prdowego i nie- sisz zmniejszy staBy prd kolektora IC, by wzmacniaczach z zamknit ptl staBo- skoDczenie wielkiej rezystancji obci|e- tranzystor si nie nasyciB. Je[li zmniej- prdowego sprz|enia zwrotnego. Nie nia RL i tak nie przekroczy kilku tysicy. szasz prd IC, wzro[nie rezystancja re wiesz o co chodzi z t "zamknit ptl"? W ogromnej wikszo[ci przypadków sto- (re=26mV/60uA=433&!). Wyglda na to, Nie przejmuj si, na razie wystarczy ci sujemy w kolektorze nie zródBa prdowe, |e stosunek RC/re pozostaje staBy wiadomo[, |e taki sposób jest po- tylko zwykBe rezystory o warto[ci nie (w pierwszym przybli|eniu). wszechnie wykorzystywany w scalonych wikszej ni| kilka kiloomów. Taka rezy- A wic nie tdy droga do wikszego wzmacniaczach operacyjnych, a nie- stancja kolektorowa jest znacznie mniej- wzmocnienia. zmiernie rzadko w ukBadach budowanych sza ni| warto[ "równolegBej oporno[ci A mo|e wykorzysta zródBo prdowe z pojedynczych tranzystorów. W ka|dym wewntrznej" z rysunku 18, reprezento- (majce z definicji nieskoDczenie wielk razie pomysB ze zródBem prdowym jest wanej przez h22, wic wpByw h22 pomija- rezystancj dynamiczn) umieszczajc je godny uwagi. Idzmy dalej. my. I wtedy bez znaczcego bBdu mo|e- r y s u n e k 1 7 a w miejsce RC? Zobacz rysunek 17a. Tym Jak my[lisz, czy majc porzdne my powiedzie, |e rezystancja wyj[cio- razem pomysB jest [wietny! Wprawdzie zródBo prdowe o bardzo du|ej rezystan- wa wzmacniacza OE jest równa warto[ci rzeczywiste zródBo prdowe ma jak[ re- cji dynamicznej, mo|emy uzyska dowol- rezystora obci|enia RC. zystancj dynamiczn rd, ale ta rezystan- nie du|e wzmocnienie napiciowe Je[li za mn nad|asz, to wBa[nie zna- cja dynamiczna dla przebiegów zmien- wzmacniacza? lazBe[ odpowiedz na pytanie: jaka mo|e nych bdzie wynosi wiele kiloomów lub Niestety nie! by najwiksza teoretyczna warto[ nawet megaomów. Jednocze[nie zacho- Kolejny raz daj o sobie zna wBa[ci- wzmocnienia napiciowego tranzystora. wasz maB warto[ re, bo staBy prd tego wo[ci tranzystora reprezentowane przez Przy zaBo|eniu, |e obci|eniem kolektoro- zródBa mo|e by znaczny. parametr h22. Tak samo jak rzeczywiste wym jest zródBo prdowe o (pomijalnie) W ten chytry sposób mo|emy znacz- zródBo prdowe z rysunku 17a, tak samo wielkiej oporno[ci dynamicznej, wzmoc- nie zwikszy wzmocnienie - pojedynczy obwód kolektorowy nie jest idealnym nienie maksymalne okre[lone jest przez stopieD mo|e mie wzmocnienie napi- zródBem prdowym  jego rezystancja dy- stosunek rezystancji dynamicznej obwo- ciowe wynoszce nawet kilka tysicy. namiczna jest reprezentowana przez du kolektora (1/h22) i rezystancji emitero- Rysunek 17c pokazuje przykBad realizacji. omawiany wcze[niej parametr h22. Ilu- wej re - zobacz rysunek 18b. Czy naprawd do ciebie dociera, co wynika z tych rozwa|aD? A czy potrafiB- by[ komu[ wytBumaczy, na ile maksy- malne wzmocnienie napiciowe wzmac- niacza tranzystorowego wyznaczone jest warto[ci wzmocnienia prdowego ²? Prawdopodobnie jeste[ mocno zasko- czony! OkazaBo si, |e wzmocnienie pr- dowe ² i wzmocnienie napiciowe nie- wiele maj ze sob wspólnego! Wyglda na to, |e maksymalne wzmocnienie na- piciowe wzmacniacza OE mo|e by znacznie wiksze ni| wzmocnienie pr- dowe ². Natomiast warto[ wzmocnie- nia prdowego ² bdzie mie wpByw Rys. 17 R y s . 1 7 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99 35 Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i przede wszystkim na oporno[ wej[cio- Dopi ero napici na kolektorze bdzie wiksze od w. Czy| nie mówiBem, |e ten tranzystor co, stosujc napicia zasilajcego. Tu nie ma |adnych to kapry[ny i tajemniczy twór? zródBo prdo- tajemnic - ukBad z przekaznikiem ju| "wi- Hmm... Czy to jednak oznacza, |e tran- we uzyskali- czyli[my", a ukBadu z obwodem rezonan- zystor o wzmocnieniu prdowym [my du|e sowym w kolektorze nie bdziemy szcze- równym 10 (stare tranzystory germano- wzmocnie- góBowo analizowa. Powiniene[ po pro- we miewaBy jeszcze mniejsze wzmocnie- nie, radykal- stu wiedzie, |e co[ takiego si zdarza nie) mógBby da wzmocnienie napicio- nie zwik- i |e w niektórych ukBadach (stopnie we równe na przykBad 1000? szajc rezy- wzmacniaczy w.cz.) trzeba stosowa tran- Co o tym sdzisz? stancj dy- zystory, majce dopuszczalne napicie Teoretycznie tak, pod warunkiem, |e nami cz n UCE co najmniej dwukrotnie wiksze ni| rezystancja obci|enia (kolektorowa) b- w kolektorze napicie zasilajce, a w innych (niektóre dzie bardzo du|a (zastosujemy zródBo pr- do kilkudzie- przetwornice impulsowe) - jeszcze wy- Rys. 19 R y s . 1 9 dowe w roli obci|enia), a parametr h22 siciu czy |sze. u|ytego tranzystora bdzie miaB przyzwo- nawet kilkuset kiloomów. Pamitaj jed- Je[li ju| weszli- it warto[. MaBe wzmocnienie prdowe nak, |e rezystancja wyj[ciowa wzmacnia- [my w temat tak ² spowodowaBoby jednak, |e oporno[ cza OE jest wyznaczona przez oporno[ci daleko, zastanów re, a tym samym rezystancja wej[ciowa w kolektorze, które z konieczno[ci s bar- si jeszcze nad byByby koszmarnie maBa (rzdu pojedyn- dzo du|e. Tak jest - doBczenie maBej rezy- spraw pojemno- czych omów) co oznaczaBoby nie tylko stancji obci|enia radykalnie zmniejszy [ci kondensatora R y znaczny prd bazy, ale i wielkie znie- wzmocnienie napiciowe, z którego si wej[ciowego. Ry- s u n e k 2 1 ksztaBcenia nieliniowe. Tak to wyglda tak cieszyli[my. sunek 21 pokazu- w teorii - wcze[niej nale|aBoby jednak za- Mo|esz na to popatrze z dwóch je problem. Je[li pyta, czy obwód kolektora tranzystora stron, a wniosek i tak bdzie ten sam. rezystancja wej- o maBym wzmocnieniu prdowym bdzie 1. Je[li rezystancja wyj[ciowa jest bar- [ciowa tranzysto- Rys. 21 R y s . 2 1 si zachowywaB jak dobre zródBo prdo- dzo du|, to doBczenie niewielkiej rezy- ra w ukBadzie OE we. Czy jego rezystancja dynamiczna (re- stancji obci|enia znacznie zredukuje sy- jest maBa, to aby ukBad przenosiB tak|e ma- prezentowana przez parametr h22) bdzie gnaB wyj[ciowy - patrz rysunek 13 oraz ry- Be czstotliwo[ci, pojemno[ kondensato- odpowiednio du|a? Je[li si oka|e, |e sunek 12b w poprzednim odcinku. ra wej[ciowego musi by odpowiednio kiepski tranzystor o maBej warto[ci ² ma 2. Dodanie zewntrznej rezystancji ob- du|a. PrzykBadowo je[li dla ukBadu z rysun- jednocze[nie niekorzystn warto[ para- ci|enia spowoduje zmniejszenie caBko- ku 21 rezystancja wej[ciowa jest niewiel- metru h22, to wBa[nie warto[ parametru witej rezystancji kolektorowej i wzmoc- ka i wynosi okoBo 250&!, aby wzmacniacz h22 nie pozwoli uzyska tak du|ego nienia wyznaczonego przez stosunek wy- przenosiB czstotliwo[ci ju| od 20Hz, po- wzmocnienia. padkowej rezystancji kolektorowej do jemno[ CB nie mo|e by mniejsza ni| Nie musisz si w to wgBbia, zreszt emiterowej - porównaj rysunek 12a i ry- 32µF w podanych rozwa|aniach troszk upro- sunek 11. Oczywi[cie skorzystaBem ze znanego [cili[my sobie |ycie i pominli[my pew- Sam widzisz - nic za darmo! Zapami- wzoru ne subtelno[ci. Jak by nie byBo, ze wszy- taj wic raz na zawsze, |e zewntrzna C= 1 / (2 À f R) stkich rozwa|aD i tak wynika beznadziej- oporno[ obci|enia RL powinna by który zwykle stosujemy w postaci: nie prosty wniosek, powtarzajcy si wiksza, najlepiej wielokrotnie wiksza C = 0,16 / (f R) w kolejnych odcinkach jak refren: korzy- od rezystancji RC. Tylko wtedy doBczenie Projektujc jakiekolwiek wzmacniacze stnie jest stosowa tranzystory o jak naj- RL nie zmniejszy wzmocnienia w znacz- tranzystorowe zawsze musisz pamita wikszym wzmocnieniu prdowym. cym stopniu. o problemie pojemno[ci kondensatorów A teraz pytanie testowe dla sprawdze- sprzgajcych. nia, czy wszystko dobrze rozumiesz: co Dalsze zale|no[ci I kolejna sprawa wa|na w praktyce. r y s u n k u 2 2 si stanie z warto[ci wzmocnienia na- Jak my[lisz, czy napicie na kolektorze Który ukBad z rysunku 22 uznaBby[ za lep- piciowego po doBczeniu do naszego re- mo|e by wy|sze od napicia zasilajce- szy? welacyjnego wzmacniacza z rysunku 17 go? zewntrznej rezystancji obci|enia RL. Dziwne pytanie? r y s u n e k 1 9 Sytuacj pokazuje rysunek 19. Jak my- Tylko na pozór. r y s u n k u 2 0 [lisz? Na rysunku 20 znaj- dziesz ukBady, w których chwilowe Rys. 20 R y s . 2 0 36 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99 Pierwsze kroki P i e r w s z e k r o k i - przecie| napi- lania. Ju| prosty przykBad z rysunku 22 po- cie na rezystorze kazuje, |e skrótowe informacje o tranzy- obci|enia jest storach podawane w podrcznikach wyznaczone tyl- szkolnych to jeszcze nie wszystko. Aby ko przez prd ko- zosta prawdziwym konstruktorem trze- lektora (IC*RC), ba zdoby spor ilo[ rzetelnej wiedzy a nie przez napi- i do[wiadczenia. Podany przykBad nie wy- cie zasilajce. czerpuje oczywi[cie problemu wzmacnia- Zwró uwag, |e czy niskoszumnych. Dlatego nie zach- mas oscylosko- cam, by pocztkujcy zabierali si za takie pu podBczyBem tematy, tylko na pozór Batwe. Na margine- do plusa zasila- sie wspomn, |e analiza projektów nad- nia, przez co syBanych do Redakcji oraz cz[ci prac oscyloskop po- nadsyBanych Szkole Konstruktorów i in- kazuje napicie nych pokazuje, |e pewna cz[ naszych "ujemne" - ale to Czytelników ma zdecydowanie zbyt wy- drobiazg, w tej sokie mniemanie o wBasnych mo|liwo- chwili nie wa|ny. [ciach. Nie rozumiejc problemów takich Ale napicie jak pokazany przed chwil, bazujc tylko zasilajce nie na podstawowych informacjach jest "czyste" - za- z podrczników szkolnych, popeBniaj ele- wiera skBadow mentarne bBdy. W rezultacie ukBad zmienn. Oscy- wprawdzie jako tako dziaBa, ale nie nadaje loskop doBczony si do publikacji, stanowic wrcz przy- Rys. 23 R y s . 2 3 miedzy mas kBad, jak nie nale|y robi. WBa[nie z tego a plus zasilania powodu cz[ prac nadsyBanych do Fo- Nie widzisz istotnych ró|nic? pokazaBby przebieg jak na rysunku rum Czytelników czy dziaBu E-2000 nie Rzeczywi[cie, przy takich samych war- 23b (dla pokazania zasady narysowaBem mo|e by opublikowana. to[ciach elementów R, C i takim samym przebieg trójktny, w rzeczywisto[ci b- Tyle dygresji, a teraz dwa sBowa na te- wzmocnieniu prdowym tranzystorów, dzie to mieszanka ró|nych czstotliwo- mat projektowania wzmacniaczy OE. podstawowe parametry (wzmocnienie, [ci). Wreszcie rysunek 23c pokazuje prze- P i o t r G ó r e c k i oporno[ci wej[ciowa i wyj[ciowa) bd bieg wyj[ciowy wystpujcy midzy ma- Piotr Górecki jednakowe. Wic? s a kolektorem. SkBadowa zmienna Zdecydowanie ró|na jest jednak odpor- napicia zasilania dodaje si po prostu do no[ na ttnienia i wszelkie inne "[mieci" sygnaBu u|ytecznego i w caBo[ci przecho- przenoszce si z obwodu zasilania. Uwa- dzi na wyj[cie. Czy to jest jasne? Przeana- |aj - to s zagadnienia naprawd bardzo lizuj to dokBadnie - je[li masz wtpliwo[ci, wa|ne w praktyce i powiniene[ je dobrze przeanalizuj jeszcze raz rysunki 4 i 5 w po- rozumie. Napicie zasilajce nie jest nig- przednim odcinku. dy idealnie stabilizowane. Nawet w przy- Teraz ju| wiesz - ukBad z rysunku padku zastosowania dobrego stabilizato- 22a jest zdecydowanie lepszy od ukBadu ra, w obwodzie zasilania wystpi szumy z rysunku 22b. W tym drugim wszelkie (wBasne tego stabilizatora) oraz spadki na- [mieci z obwodu zasilania przenosz si pi na rezystancjach [cie|ek i przewo- na baz drugiego tranzystora i co gorsza, dów (w takt sygnaBów zmiennych). W re- s w tym drugim stopniu wzmacniane. zultacie w rzeczywistym obwodzie zasila- Potem na kolektor drugiego stopnia czyli nia na napicie staBe zawsze naBo|ony jest na wyj[cie, przechodz jeszcze raz te jaki[ niewielki przebieg zmienny (szumy [mieci z zasilania. W ukBadzie z rysunku i inne [mieci). Taki przebieg niewtpliwie 22a tego nie ma, bo obwód wej[ciowy mo|emy traktowa jako jaki[ sygnaB drugiego tranzystora "widzi" tylko czysty zmienny. Czy przedostanie si on z obwo- sygnaB z rezystora RC, a sygnaBem wyj- du zasilania na wyj[cie? [ciowym jest czysty sygnaB z drugiego re- Pamitaj, |e obwód kolektora to zródBo zystora kolektorowego. prdowe. Prd kolektora praktycznie nie WBa[nie nieuwzgldnienie tego zjawi- zale|y od napicia na kolektorze. A co ska jest najczstsz przyczyn kBopotów z napiciem na kolektorze? Jeszcze nie ze zbudowaniem niskoszumnego wzmac- widzisz problemu? niacza tranzystorowego. Mo|e ty sam, r y s u n e k 2 3 Pomo|e ci rysunek 23. W sumie wszy- lub koledzy, natknli[cie si ju| osobi[cie stko zale|y od punktu odniesienia. Prze- na ten problem. Jeden z moich przyjacióB bieg zmienny na rezystorze RC (mierzony opowiadaB, |e kiedy[ zbudowaB "nisko- w stosunku do dodatniego bieguna zasila- szumny" przedwzmacniacz z zastosowa- nia) jest "czysty" - jest to przebieg wyzna- niem naprawd porzdnych tranzystorów. czony jedynie przez prd IC oraz rezystan- Uzyskane parametry szumowe byBy bez- cj RC. Je[li doBczyBby[ oscyloskop mi- nadziejne, gorsze ni| najprostszego ukBa- dzy plus zasilania a wyj[cie, zobaczyBby[ du z archaiczna kostk 741. Przyczyn by- Rys. 22 R y s . 2 2 przebieg jak na rysunku 23a. Nic nowego By wBa[nie szumy przedostajce si z zasi- ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/99 37

Wyszukiwarka