42_09.pdf

Pierwsze kroki

Tranzystory

dla początkujących

część 16

Realizacje praktyczne

Po zapoznaniu się z właściwościami wzmacniacza ze wspólnym emiterem masz wszystkie informacje potrzebne do

samodzielnego zaprojektowania takiego wzmacniacza.

Dziś wspólnie wykonamy dwa przykłady. Co trzeba wiedzieć na wstępie i jekie przyjąć założenia.

Projektowanie

wzmacniacza OE

2.. Drugi, przeznaczony do jakiegoś

urządzenia sygnalizacyjnego ma wzmac−

niać przebiegi zmienne (akustyczne) zmi−

krofonu elektretowego jak najwięcej,

apoziom zniekształceń nie ma znaczenia.

Wkażdym przypadku musisz nie tylko

skupić się na wzmacniaczu, ale też

uwzględnić "co siedzi" na wyjściu i wej−

ściu.

zystancja wyjściowa naszego wzmacnia−

cza 5...10 razy mniejsza od rezystancji ob−

ciążenia. Rezystancja wyjściowa wzmac−

niacza OE jest równa rezystancji rezysto−

ra wkolektorze − awięc rezystor Rc powi−

nien mieć wartość 1...2,2k

Wpodręcznikach spotkasz różne sche−

maty i różne sposoby obliczeń. Nie ma

jednego, najlepszego schematu i sposo−

bu. Możesz na przykład wykorzystać

"przejrzysty" układ z rysunku 10 (EdW

4/99). Nie znaczy, że powinien się on stać

podstawą konstruowanych przez Ciebie

wzmacniaczy. Czasem wykorzystasz

któryś układ z rysunku 9. Ale w praktyce

i tak najczęściej będziesz wykorzystywał

wzmacniacze operacyjne (zajmiemy się

tym już niedługo). Tranzystory będziesz

stosował raczej tylko wukładzie wtórnika

(ze wspólnym kolektorem) oraz w ukła−

dach przełączających. Ale nie wypada,

byś nie potrafił wrazie potrzeby zaprojek−

tować wzmacniacza tranzystorowego.

Spróbujmy więc zaprojektować wspólnie

dwa wzmacniacze wukładzie OE.

1.. Pierwszy − wzmacniacz mikrofonu

dynamicznego − powinien mieć wzmoc−

nienie dla przebiegów zmiennych (aku−

stycznych) równe 20, a zniekształcenia

powinny być możliwie małe. Napięcie za−

silające wynosi 12V.

. Przyjmijmy

, by zmniejszyć prąd pobie−

rany przez nasz wzmacniacz. Jeśli

wzmocnienie ma być równe 20, wypad−

kowa "rezystancja emiterowa" musi wy−

nieść 110

Prrzzyykkłłaad 1

Niech w pierwszym przypadku mikro−

fon dynamiczny ma rezystancję wewnę−

trzną 200

. Aby zwiększyć stabilność

stałoprądowego punktu pracy, niech rezy−

stancja emiterowa dla prądu stałego R E1

wynosi na przykład R C /5, czyli około

470

, a wyjście projektowanego

wzmacniacza będzie obciążone rezystan−

cją następnego stopnia równą 10k

. Teraz należy jeszcze dobrać rezy−

story dzielnika wobwodzie bazy.

Przy dobieraniu rezystorów w obwo−

dzie bazy należy wziąć pod uwagę kilka

czynników. Dzielnik należy dobrać tak, by

napięcie stałe na kolektorze było ustawio−

ne "wpołowie zakresu roboczego". Ponie−

waż w tym przypadku wzmacniamy nie−

wielkie sygnały mikrofonowe, bez zasta−

nowienia możemy ustawić napięcie ko−

lektora równe połowie napięcia zasilają−

cego. Dzielnik R B1 ,R B2 w układzie z rryy−

ssunkku 24 ma dać na bazie takie napięcie

stałe, by na kolektorze napięcie stałe

wynosiło około 6V. Wynika stąd,

. Za−

stosujemy układ zrysunku 10. Aby sygnał

nie był niepo−

trzebnie tłu−

miony, rezy−

stancja wej−

ściowa nasze−

go wzmacnia−

cza powinna

być 5...10 razy

większa od re−

zystancji we−

wnętrznej mi−

krofonu, a re−

Ryyss.. 10

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99

wartość 2,2k

Pierwsze kroki

. Rezy−

stancja wejściowa całego

wzmacniacza dla przebiegów

zmiennych będzie równa rów−

noległemu połączeniu tej re−

zystancji wejściowej tranzy−

stora (min. 10k

czyli 10k

nienia i w razie potrzeby skorygować

wartość tego czy innego rezystora.

W każdym razie zawsze musisz

uwzględnić zarówno rezystancję źródła

sygnału − wzmacniacz musi mieć rezy−

stancję wejściową (kilkakrotnie) większą

niż rezystancja wewnętrzna źródła oraz

rezystancję obciążenia − rezystancja wyj−

ściowa (praktycznie wartość R C ) powinna

być mniejsza niż zewnętrzna rezystancja

obciążenia. W przypadku, gdy zewnętrz−

na rezystancja obciążenia jest mała, nale−

ży dodać na wyjściu wtórnik emiterowy.

) irezystancji

RB1, RB2 (6,8k

Nietrudno obliczyć, że wy−

niesie ona co najmniej

(10k

, 36k

Ryyss.. 24

To bardzo dobrze, bo rezystancja wejścio−

wa jest ponad 10 razy większa od rezy−

stancji wewnętrznej mikrofonu (mikrofon

200−omowy nie powinien być obciążony

rezystancją mniejszą niż 1k

||6,8k

||36k

) 3,6k

=2,7mA, a napięcie na rezysto−

rze R E1 1,27V. Stąd napięcie stałe na ba−

zie (i rezystorze R B2 powinno wynosić

mniej więcej 1,27V+0,6V=1,87V, ana R B1

około (12−1,87) 10,13V. Przy założeniu, że

nie zastosujemy jakiegoś archaicznego

tranzystora z odzysku, śmiało możemy

założyć, że współczynnik wzmocnienia

prądowego

Prrzzyykkłłaad 2

Drugi wzmacniacz ma wzmacniać

przebiegi z dwukońcówkowego mikrofo−

nu elektretowego (który możemy śmiało

traktować jako źródło prądowe), a obcią−

żeniem jest wejście bramki CMOS

(Schmitta). Tym samym rezystancja ob−

ciążenia tym razem jest bardzo duża iwy−

nosi setki megaomów. Zastosujemy

zmodyfikowany schemat z rysunku 9b −

ostatecznie układ będzie wyglądał jak na

rryyssunkku 25.

Ostatecznie układ będzie wyglądał jak

na rysunku 24.

Do pełni szczęścia brakuje jeszcze

wartości pojemności. Dla najniższych

częstotliwości roboczych (przyjmujemy

20Hz) reaktancja pojemnościowa powin−

na być mniejsza niż współpracująca z nią

rezystancja. Dla C1 będzie to re−

zystancja wejściowa (3,6k

nie będzie mniejszy niż

100. Tym samym prąd bazy nie będzie

większy niż 2,7mA/100=27

A. Prąd dziel−

nika wobwodzie bazy powinien być kilka−

krotnie większy od maksymalnego

spodziewanego prądu bazy. Niech będzie

10−krotnie większy: 10*27

dla C2 − rezystancja RE2 (120

A=0,27mA.

Suma rezystancji dzielnika (dla ułatwienia

pomijamy prąd bazy) wyniesie więc oko−

ło (12V/0,27mA) 44k

Skorzystamy ze wzoru

C= 0,16 / (fR)

pamiętając, że gdy podajemy

częstotliwość w hercach, a re−

zystancję w omach to, wynik

wychodzi wfaradach.

Stąd minimalne pojemności

C1 − 2,2

. W pierwszym

przybliżeniu (znów pomijając prąd bazy)

możemy przyjąć, że stosunek rezystancji

R B1 /R B2 musi być równy stosunkowi na−

pięć na nich występujących czyli, około

(10,13V/1,87V) 5,42 do 1. Nietrudno obli−

czyć, że rezystancja R B2 wyniesie mniej

więcej 44k

C2 − 67

/(5,42+1) czyli 6,8k

, a R B1

Zastosujemy wartości więk−

sze, na przykład:

C1 − 4,7

Ryyss.. 25

. W tych uproszczo−

nych obliczeniach pominąłem prąd bazy

(nie większy niż 27

) 36k

A). Nie zmieni to

w istotnym stopniu warunków pracy, ale

w praktycznym układzie można zmierzyć

rzeczywiste napięcie stałe na kolektorze

iewentualnie skorygować wartość które−

gokolwiek zrezystorów R B1 lub R B2 .

Aby wzmocnienie napięciowe wynio−

sło 20, wypadkowa rezystancja emitero−

wa dla przebiegów zmiennych powinna

być równa 110

Analizę zaczniemy tym razem od wej−

ścia. Mikrofon elektretowy, będący

wistocie źródłem prądowym (dzięki obe−

cności wbudowanego weń tranzystora

polowego) daje sygnał proporcjonalny do

wartości rezystora obciążenia. W roli ob−

ciążenia mikrofonu zastosujemy poten−

cjometr owartości 10k

C2 − 100

Wobliczeniach tych nie zajmowaliśmy

się poziomem zniekształceń i szumów.

Wiedza, którą już posiadłeś zapewne

podpowiada, że należałoby zastosować

stabilizację lub filtrację napięcia zasilają−

cego. Nie będę tego omawiał, ponieważ

to jest już wyższy stopień wtajemnicze−

nia i wymaga wielu dodatkowych infor−

macji. Nie będziemy się w to wgłębiać,

ponieważ dziś wzmacniacze o wysokich

parametrach budujemy z wykorzysta−

niem układów scalonych. Podany przy−

kład ma tylko pokazać, jak można w pro−

sty (wystarczający w praktyce) sposób

obliczyć elementy wzmacniacza. Pamię−

taj, że takie obliczenia nie uwzględniają

wszystkich szczegółów iże po zbudowa−

niu wzmacniacza warto sprawdzić napię−

cie stałe na kolektorze i wartość wzmoc−

, by móc regulo−

wać czułość układu. Rezystancja wejścio−

wa naszego wzmacniacza powinna być

większa od rezystancji potencjometru

i powinna wynosić co najmniej kilkadzie−

siąt kiloomów. Na razie pomińmy rezy−

stancję R B2 . Rezystancja wejściowa sa−

mego tranzystora wtakim układzie pracy

będzie równa wewnętrznej rezystancji re

pomnożonej przez wzmocnienie prądo−

we tranzystora. Ponieważ rezystancja

wejściowa tranzystora ma być duża, co

najmniej 50k

. Na tę rezystancję złożą

się wewnętrzna rezystancja emiterowa

r e , wynosząca około 10

(26mV/2,7mA)

i równoległe połączenie R E1 iR E2 (100

Ponieważ R E1 ma wartość 470

, R E2 mu−

si mieć wartość

R E2 = R E *R E1 / (R E1 −R E )

R E2 = 100

*470

/ (470

−100

) =

Ω.

W praktyce zastosujemy najbliższą

wartość zszeregu, czyli 120

, zastosujemy tranzystor

BC548 z grupy B lub C o wzmocnieniu

prądowym nie mniejszym niż 200. Przy

danych wartościach wewnętrzna rezy−

stancja tranzystora r e nie może być mniej−

Wypadałoby jeszcze sprawdzić, jaką

rezystancję wejściową będzie mieć nasz

wzmacniacz. Sam tranzystor (o wzmoc−

lub 130

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99

nieniu co najmniej 100) bę−

dzie miał rezystancję wejścio−

wą nie mniejszą niż

100*100

że prąd kolektora wyniesie około

6V/2,2k

dla C3 − RL (10k

C3 − 800

(5,42*6,8k

C3 − 4,7

47000/370 = 127

Pierwsze kroki

/200). Rezystancja re

zależy od prądu kolektora (r e =26mV/I C ).

Stąd prąd kolektora nie może być więk−

szy niż 0,1mA (26mV/250

(50k

na kolektorze tranzystora nie będzie

większe niż 1...1,1V(napięcie U BE tranzy−

stora plus spadek napięcia na rezystorach

R B1 , R B2 ). Tym samym napięcie na rezy−

storze R C (rysunek 25) wyniesie około 8V.

Prąd kolektora powinien być mniejszy niż

0,1mA, stąd wartość R C nie powinna być

mniejsza niż 80k

łych prądach tranzystor może mieć zde−

cydowanie mniejsze wzmocnienia. Po

drugie wzmocnienie napięciowe może

zostać ograniczone przez nieuwzględnio−

ne wobliczeniach właściwości tranzysto−

ra reprezentowane przez parametr h 22 .

Po trzecie należy pamiętać nie tylko ore−

zystancji, ale też o pojemności obciąże−

nia. Pojemność wejściowa bramki CMOS

wynosi 5...10pF. Przy częstotliwości

10kHz będzie to oporność (reaktancja) rzędu

Xc = 0,16 / (10kHz*10pF) = 1,6M

). Może być

mniejszy − wtedy rezystancja wejściowa

będzie jeszcze większa.

Przy wzmocnieniu prądowym powyżej

200 prąd bazy (płynący z kolektora przez

R B1 , R B2 ) będzie mniejszy niż 0,5

(8V/0,1mA). Przyjmie−

my "okrągłą" wartość 100k

Oczywiście wartości R B1 , R B2 powinny

być możliwie duże. Jeśli założymy ma−

ksymalny spadek napięcia na tych oporni−

kach równy 0,5V, to ich sumaryczna rezy−

stancja powinna wynosić około 1M

. Tak duża

wartość R C tym razem jest dopuszczalna,

ponieważ zewnętrznym obciążeniem jest

wejście bramki CMOS, mające ogromną

(pomijalnie wielką) rezystancję. W rezul−

tacie wzmocnienie wzmacniacza nie po−

winno być mniejsze niż 400

(100k

Ω

czyli mniejsza niż rezystancja R C . Jak

z tego widać, nadmierne zwiększanie R C

spowoduje obcięcie pasma od strony wy−

sokich częstotliwości. Lepszym, choć

bardziej kłopotliwym sposobem byłoby

zastosowanie obciążenia w postaci

źródła prądowego, ale to wymaga użycia

dodatkowych elementów.

Ito wszystko, co powinieneś wiedzieć

oukładzie OE. Upewnij się, czy wszystko

zrozumiałeś, jeśli nie − albo popytaj znajo−

mych, albo napisz do mnie.

W następnym odcinku zajmiemy się

króciutko wzmacniaczem ze wspólną ba−

zą i kilkoma innymi ciekawymi zagadnie−

niami.

A). Mogą to więc być dwa re−

zystory o wartości 470...510k

. Przy tak

dużych rezystancjach pojemność C3 nie

musi być duża − dla najmniejszych często−

tliwości użytecznych (powiedzmy 50Hz)

reaktancja tego kondensatora powinna

być kilkakrotnie mniejsza od wartości

tych rezystorów (powiedzmy Xc=100k

), co z powodzeniem po−

winno wystarczyć. Wpraktyce może być

zauważalnie mniejsze ze względu na

wpływ h 22 , ale itak zapewne wystarczy.

Ito wzasadzie koniec obliczeń.

Tym razem konieczne jest zastosowa−

nie obwodu R1C1 filtrującego napięcie

zasilające mikrofonu. Bez tego obwodu,

ze względu na duże wzmocnienie, układ

wpewnych warunkach mógłby się wzbudzać.

Ktoś mógłby jeszcze zaproponować

zwiększenie rezystancji R C do na przykład

4,7M

/250

*f*Xc) = 0,16 / (f*Xc)

C2min = 0,16 / (50Hz*0,1M

) =

F=33nF

My zwiększymy tę pojemność do

100nF. Taką też pojemność może mieć

kondensator C1.

Spadek napięcia na rezystorach R B1 ,

R B2 jest mniejszy niż 0,5V, stąd napięcie

) by jeszcze

zwiększyć rezystancję wejściową. Taka

operacja jest jednak ryzykowna z kilku

powodów. Po pierwsze przy bardzo ma−

(R B1 , R B2 do 22M

Piiottrr Górrecckkii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/99

sza niż 250

(0,5V/0,5

Stąd minimalna pojemność

C2min = 1 / (2*

0,033

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: