15.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

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

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

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

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

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: