11.B
11.B
11.B
Tranzisztoros alapáramkörök – Erısítı áramkörök alapjellemzıi
Értelmezze az erısítı áramkörök alapjellemzıit: a feszültségerısítést, az áramerısítést, a teljesítményerısítést, a bemeneti ellenállást és a kimeneti ellenállást! Mutassa be a feszültség-, az áram- és a teljesítményerısítés közötti kapcsolatokat! Rajzolja le a közös emitteres alapkapcsolást és magyarázza el mőködését! Vezesse le a h-paraméteres helyettesítı kép alapján a közös emitteres alapkapcsolás váltakozó áramú jellemzıire vonatkozó összefüggéseket! A feszültségerısítés, az áramerısítés, a teljesítményerısítés, a bemeneti ellenállás és a kimeneti ellenállás fogalma Az erısítı fogalma Azokat az elektronikus áramköröket, amelyekkel egy jel (feszültségének, áramának illetve teljesítményének) erısítését érhetjük el, erısítıknek nevezzük. Az erısítı tehát egy olyan aktív négypólus, amelynek a bemeneti kapocspárjára a felerısítendı jelet kapcsoljuk, a kimeneti kapocspárján pedig a felerısített jelet kapjuk meg. Az ideális erısítı a kimenetén a bemenetére kapcsolt elektromos jellel megegyezı idıfüggvényő, de nagyobb teljesítményő elektromos jelet szolgáltat. Az erısítı a bemenetére kapcsolt jelet csak úgy tudja felerısíteni, ha más energiaforrás jelét alakítja át a bemeneti jel idıfüggvényének megfelelıen. Ezért kell egyenfeszültségő tápegységgel üzemeltetni, amelynek elektromos energiája fedezi a kimeneti teljesítménynövekedést valamint a fellépı veszteségeket. Az erısítıket leggyakrabban híradástechnikai, méréstechnikai és irányítástechnikai berendezésekben alkalmazzuk.
Erısítı tömbvázlata Erısítık osztályozása Az erısítés csak aktív félvezetı elemmel valósítható meg. Ez lehet: • bipoláris tranzisztor, vagy • térvezérléső tranzisztor. A megfelelı mőködés biztosítására (pl. a munkapont beállítására) szükség van passzív elemekre is: • ellenállás, • kondenzátor, stb. Üzemmódja szerint az erısítık lehetnek: • Kisjelő vagy lineáris erısítık. • Nagyjelő vagy teljesítményerısítık.
Az erısítı sávszélessége; határfrekvenciák Az erısítı bemenetére kapcsolt jelforrás által szolgáltatott feszültség jelalakja tetszıleges lehet. Az erısítendı jel típusa szerint megkülönböztetünk: • Váltakozó feszültségő erısítıt, amelynél a bemeneti jel váltakozófeszültség. • Egyen feszültségő erısítıt, amelynél a bemeneti jel egyenfeszültség. A váltakozó feszültségő erısítık csoportosítása: • Kisfrekvenciás erısítık. • Nagyfrekvenciás erısítık. • Szélessávú erısítık. • Szelektív (keskenysávú) erısítık. A váltakozó feszültségő erısítık csoportosításánál láthatjuk, hogy a megkülönböztetés a frekvencia alapján történik, mert az erısítés a gyakorlatban frekvenciafüggı. A kis- és a nagyfrekvenciás erısítık erısítése csak a nevükben szereplı frekvenciákon állandó. A szélessávú és a szelektív erısítık jellemzıje pedig egy fa alsó, és egy ff felsı határfrekvencia, ahol a határfrekvenciák közötti tartományt az erısítı sávszélességének nevezzük.
1
11.B
11.B
Az erısítıt jellemzı paraméterek Azt a két frekvenciát nevezzük az erısítı határfrekvenciáinak, amelyeken az erısítés az fk közepes frekvencián elért erısítés 0,7·Au-ad részére csökken (3 dB-lel csökken). Az alsó és felsı határfrekvenciát méréssel vagy számítással tudjuk meghatározni, az fk közepes frekvencia pedig ennek a két határfrekvenciának a mértani közepe. Például a hangfrekvenciás erısítıknél a közepes frekvencia általában fk = l kHz. Szélessávú erısítıknek a nagy sávszélességő, hangolt vagy szelektív erısítıknek pedig a kis sávszélességő erısítıket nevezzük. Az egyenfeszültségő erısítık bemeneti feszültsége nagyon lassan változik, ezért az alsó határfrekvenciájuknak fa = 0 Hz-nek kell lennie. A jó minıségő erısítık egyik legfontosabb jellemzıje, hogy az erısítés során a jelek idıbeli lefolyása (alakja) csak nagyon kis mértékben változik, mert ha a bemeneti és kimeneti jel idıfüggvénye különbözik, akkor az erısítı torzít. A torzítás mértékét kifejezhetjük a k torzítási tényezıvel, amely a torzítási termékek eredeti jelhez viszonyított, százalékban kifejezett értékét adja meg. Akkor tekinthetünk egy erısítıt jó minıségőnek, ha a torzítási tényezıje 0,01÷1% között van. Mivel az elektromos jelforrások idıben változó feszültséget állítanak elı, ezért elsısorban az ilyen jelek erısítésével foglalkozunk. A tranzisztor vezérlését például szinuszos váltakozó jel esetén vizsgáltuk, de a gyakorlatban az erısítık bemeneti jelének idıfüggvénye általában nem szinuszos. Matematikai mőveletekkel bebizonyítható, hogy minden nem szinuszos lefolyású feszültség elıállítható különbözı frekvenciájú, fázishelyzető és amplitúdójú szinuszos feszültségek összeadásával. Azoknak a szinuszos idıfüggvényő feszültségeknek az összességét, amelyeknek összeadásával a nem szinuszos jel elıállítható, az illetı jel spektrumának nevezzük. Ezért állapíthatjuk meg, hogy az erısítı bemeneti jele egy vagy több különbözı frekvenciájú, szinuszos lefolyású feszültség.
Erısítık jellemzıi Egy erısítıt a négy paraméterével jellemezhetjük, amelyek a bemeneti feszültség (u1), a bemeneti áramerısség (i1), a kimeneti feszültség (u2) és a kimeneti áramerısség (i2). Jelentsék ezek a paraméterek a szinuszos mennyiségek pillanatnyi értékét. Az erısítést jelöljük A betővel, és határozzuk meg az erısítı lehetséges erısítéseit: •
A feszültségerısítés értéke:
Au = •
u2 u1
Az áramerısítés értéke:
Ai = − •
i2 i1
A teljesítményerısítés értéke:
Ap =
p2 = Au ⋅ Ai p1
Mivel az erısítı be- és kimeneti jelei általában nincsenek azonos fázisban, ezért az csak két mennyiséggel írható le egyértelmően.
A
erısítés komplex szám, amely
Az erısítést egyértelmően meghatározó két mennyiség a következı: •
Az erısítés nagysága (A): a kimeneti és bemeneti jel amplitúdójának vagy effektív értékének hányadosa.
•
Az erısítés fázisszöge: ϕA a kimeneti jel fáziseltérése a bemeneti jelhez képest.
Az ábrán látható bemeneti és kimeneti jeleket megvizsgálva megállapíthatjuk, hogy az erısítés fázisszöge a ∆t idıeltérésnek megfelelı szögérték. Az erısítés nagyságát gyakran logaritmikus egységben, decibelben (dB) fejezzük ki: •
A feszültségerısítés: au = 20·lgAu
•
Az áramerısítés: ai = 20·lgAi
•
A teljesítményerısítés: ap = 10·lgAp
Egy erısítı tervezéséhez valamint felhasználásához ismernünk kell az erısítı jellemzıit. Ezek a jellemzık az erısítı paraméterei, amelyek közül az ábra jelöléseit használva a legfontosabbak a következık:
2
11.B
11.B
Az üzemi frekvenciatartomány, amely a szükséges sávszélességet határozza meg. Az erısítés, amely lehet feszültség-, áram- illetve teljesítményerısítés.
• • •
A bemeneti differenciális ellenállás rbe, a jelforrást terheli, ezért röviden bemeneti ellenállásnak nevezzük.
•
A kimeneti differenciális ellenállás rki, amelyet röviden kimeneti ellenállásnak nevezünk, mert az erısítı kimenete generátornak tekinthetı az Rt terheléssel lezárva. A torzítások, amelyek a k torzítási tényezıvel fejezhetık ki. A torzítás megmutatja, hogy a jel idıfüggvénye hogyan változik meg az erısítı bemenetétıl a kimenetéig. Az erısítı zajtényezıje, amely megmutatja az erısítendı jelhez adódó zavaró feszültségek nagyságrendjét. Az erısítı határértékadatai a karakterisztikákból határozhatók meg. Megmutatják, mekkora a bemeneti jel (feszültség, áram, teljesítmény) maximális értéke, amelyet az erısítı elegendıen kis torzítással képes fogadni és feldolgozni, valamint a kimeneti jel (feszültség, áram, teljesítmény) maximális értéke, amelyet az erısítı károsodás nélkül képes leadni.
• • •
A bipoláris tranzisztorok helyettesítı képei A bipoláris tranzisztor legfontosabb jellemzıje, hogy a bázisáramának változtatásával vezérelhetı. Kollektorárama a bázisáramának többszöröse, hányadosuk a h21 paraméterrel fejezhetı ki. Mivel a tranzisztor egy erısítı alkatrész, ezért négypólussá alakítva aktív négypólusként viselkedik. A tranzisztorok aktív négypólusként a helyettesítı képükben energiaforrást is tartalmaznak, és erısítıként mőködhetnek, de csak abban az esetben, ha a jelek amplitúdója kicsi. Vizsgáljuk meg, hogy milyen lineáris összefüggések teljesülnek a kimeneten és a bemeneten.
Erısítı általános belsı felépítése
Hibrid paraméteres és admittancia paraméteres helyettesítés A tranzisztor kisfrekvenciás, kisjelő viselkedését általános formában a hibrid paraméteres helyettesítı képpel modellezhetjük. A vizsgálathoz kapcsoljunk az erısítı bemenetére u1 feszültségő jelforrást. A helyettesítı képbıl a tranzisztor és az erısítı áramkör jellemzıi könnyebben kiszámíthatóak. A tranzisztor nagyfrekvenciás, kisjelő viselkedését pedig általános formában az admittancia paraméteres helyettesítı képpel modellezhetjük, ugyancsak az erısítı bemenetére kapcsolva az u1 feszültségő jelforrást. Ebbıl a helyettesítı képbıl is könnyebben kiszámíthatóak a tranzisztor és az erısítı áramkör jellemzıi. Határozzuk meg a tranzisztor kisjelő helyettesítı kapcsolásának segítségével a tranzisztor feszültség-, áram- és teljesítményerısítését. A helyettesítı képen látható, hogy a tranzisztoros erısítı váltakozó áramú bemeneti ellenállását az rbe, míg az erısítı váltakozó áramú kimeneti ellenállását az rki jelképezi. A bemenetre kapcsolt u1 feszültség hatására folyik a bemeneti i1 áram, amely a tranzisztort vezérli és értéke:
i1 =
u1 rbe
.
3
11.B
11.B
Erısítı alapkapcsolások FESZÜLTSÉGERİSÍTÉS:
Au =
u2 u1
Az erısítıkapcsolás feszültségerısítése általános formában a következı összefüggéssel határozható meg: A kimeneti feszültséget az áramerısítési paraméterbıl és a bemeneti jellemzıkbıl, valamint a kimeneti oldal ellenállásaiból kifejezve:
u 2 = − h21 ⋅ i1 ⋅ (rki × Rt ) = −h21 ⋅
u1 ⋅ (rki × Rt ) . rbe
A negatív elıjel azért szükséges, mert az u2 feszültség bejelölt iránya a i1 áram irányához képest ellentétes. Helyettesítsük be az u2 feszültség kifejezését a feszültségerısítés képletébe, így a következı összefüggéshez jutunk:
u 2 = − h21 ⋅
(rki × Rt ) rbe
.
Eszerint a feszültségerısítés a tranzisztor paraméterein kívül csak az erısítı ellenállásainak értékeitıl függ. Ha a terhelı ellenállás értéke elhanyagolható a kimeneti ellenálláshoz képest, vagyis Rt << rki, akkor a feszültségerısítés:
Au = − h21 ⋅
Rt rbe
ÁRAMERİSÍTÉS: Az erısítıkapcsolás áramerısítése általános formában a következı összefüggéssel határozható meg:
Ai = −
i2 i1
A kimeneti áramot az áramosztás törvényének segítségével felírva:
i 2 = −h21 ⋅ i1 ⋅
rki × Rt Rt
Helyettesítsük be a kimeneti áramra kapott összefüggést az áramerısítés képletébe, így a következı összefüggéshez jutunk:
Ai = h21 ⋅
rki × Rt Rt
Ha a terhelı ellenállás értéke elhanyagolható az erısítı kimeneti ellenállásához képest, vagyis: Rt≪rki, akkor az áramerısítés:
Ai = h21 TELJESÍTMÉNYERİSÍTÉS: Az erısítıkapcsolás teljesítményerısítése általános formában az áram és a feszültségerısítés szorzataként határozható meg:
A p = Au ⋅ Ai Az erısítések összefüggései általános érvényőek, ezért segítségükkel lehetıvé válik mindhárom bipoláris tranzisztoros alapkapcsolás • • •
közös emitteres kapcsolás (emitterkapcsolás), közös bázisú kapcsolás (báziskapcsolás), közös kollektoros kapcsolás (kollektorkapcsolás vagy emitterkövetı kapcsolás)
erısítésének kiszámítása. Már megállapítottuk, hogy a különbözı alapkapcsolások esetén a hibrid paraméterek számértéke különbözı, mert másmás mennyiséget tekintünk be- és kimeneti mennyiségnek. Emiatt a három alapkapcsolás áramerısítési tényezıje is különbözıképpen határozható meg. A tranzisztorok adatlapjai általában csak a közös emitteres paramétereket adják meg, ezért ebbıl fejezzük ki a közös kollektoros és a közös bázisú alapkapcsolás áramerısítési tényezıjét is:
4
11.B
11.B
iC ≅β iB i = E ≅ − h21e iB i = C ≅ −1 iE
h21e = h21c h21b
A tranzisztor munkapontját mindhárom alapkapcsolásban a jelleggörbe normál, aktív tartományába kell beállítanunk, ezért az egyszerőbb megértés miatt csak olyan frekvencián vizsgáljuk az erısítıt (pl. 1 kHz), amelyen minden eleme frekvenciafüggetlennek tekinthetı.
Közös emitteres erısítıfokozat A közös emitteres erısítıkapcsolás felépítését elemezve a következı jellemzıket fedezhetjük fel: a bázisosztós munkapont-beállítású közös emitteres alapkapcsolás esetén az erısítı négypólus bemenete a bázis-emitter, kimenete a kollektor-emitter, a közös elektróda pedig az emitter.
Erısítıkapcsolás A feszültségosztó terheletlenségének biztosítása A bemeneti feszültségosztó méretezését két alapvetı szempont figyelembevételével kell elvégeznünk: • •
Be kell állítanunk a segítségével a megfelelı nagyságú bázisfeszültséget, illetve figyelni kell arra is, hogy a feszültségosztó terheletlen legyen a mőködés közben. A feszültségosztó terheletlenségének biztosítása azt jelenti, hogy a bázisáramnak elhanyagolható nagyságúnak kell lennie a feszültségosztó áramához képest. Ez a legegyszerőbben úgy valósítható meg, ha nagyon kis értékő ellenállásokat alkalmazunk a feszültségosztóban, mert az osztó árama így a bázisáramhoz képest nagyon nagy lesz.
A kis ellenállásokkal megépített feszültségosztóval összeállított erısítınek viszont az áramfelvétele nagyon nagy. Mindkét feltételnek úgy tehetünk eleget, ha olyan értékő ellenállásokat választunk, amelyeknél a feszültségosztó árama a nyugalmi bázisáramnak csak 5-10-szerese, vagyis I0 = 5÷10·IB0.
A munkaegyenes és a munkapont értelmezése A munkaponti adatok meghatározásához a tápfeszültség és az ellenállások értékét kell pontosan ismernünk. Ezek segítségével már szerkesztéssel határozhatjuk meg az alkalmazott tranzisztor Ic=fUCE transzfer karakterisztikái alapján a munkaponti adatokat, az egyenáramú munkaegyenes segítségével. A torzításmentes mőködéshez az M munkapontot a szerkesztésnél a munkaegyenes közepén kell felvenni. Ez az A osztályú beállításnak felel meg.
A munkapont meghatározásának fontos szerepe A tápegység egyenáramú teljesítményét az erısítı alakítja át mőködés közben a vezérlı ug váltakozó feszültségő generátor által meghatározott ütemben váltakozó áramú teljesítménnyé. Az így felerısített áramot, vagy feszültséget az Rt terhelés használja fel. Ha az erısítı mőködése közben az ube bemeneti feszültség értéke növekszik, akkor ez a változás a tranzisztor bázisemitter diódájának az UBEO feszültségét és az IBO áramát is növeli. A tranzisztor ennek következtében egyre inkább nyitott állapotba kerül, ezért a bázisáram növekedése β-szorosára felerısítve jelentkezik a kollektorkörben, tehát ICO növekszik és ezzel arányosan növekszik az RC munkaellenállás feszültsége is. Az RC munkaellenállás feszültségének növekedése miatt csökken a kollektorpont feszültsége és az UCEO feszültség is. A Cki csatolókondenzátor által a kimenetre juttatott váltakozó feszültség tehát csökken. Mivel a közös emitteres erısítıfokozat kimeneti uki
5
11.B
11.B
feszültségének változása ellentétes irányú a bementére kapcsolt ube feszültség változásához képest, ezért az emitterkapcsolás fázist fordít. Az erısítı munkapontjának meghatározásához ismernünk kell a tranzisztor paramétereit és karakterisztikáit. Ezek alapján ismerhetjük meg az áramkör pontosabb mőködését és számíthatjuk ki az erısítı jellemzıit.
Munkapont meghatározása Az áramköri elemek számításai Vizsgáljuk meg, hogyan lehet a tranzisztor karakterisztikáinak és az áramköri elemek értékének ismeretében az erısítı munkaponti adatait meghatározni. Az erısítıkapcsolás egyenáramú munkaellenállása ebben a kapcsolásban RC+RE. értékő. Ha az UT tápfeszültség, RC a kollektor-ellenállás és az RE értékét ismerjük, akkor a tranzisztor négy munkaponti adata:
• • • •
az IC0 kollektor-áram, az UCE0 kollektor-emitter feszültség, az IB0 a bázisáram és az UBE0 bázis-emitter feszültség
a transzfer és a bemeneti karakterisztikákról leolvasható.
A kapcsolásban szereplı elemek szerepe A közös emitteres kapcsolásban szereplı alkatrészeknek a mőködés szempontjából a következı szerepük van:
•
R1 , R2 jelő ellenállás a munkapont-beállító feszültségosztót alkotja. Az RE jelő ellenállásnak munkapont-beállító és munkapont-stabilizáló szerepe van.
•
Az RC jelő ellenállás a munkaellenállás, de emellett munkapont-beállító szerepe is van.
•
A Cbe és a Cki jelő kondenzátorok a meghajtó illetve a terhelıfokozat egyenfeszültségő leválasztását, valamint a váltakozó feszültség csatolását végzik.
•
•
A CE jelő hidegítıkondenzátor rövidre zárja az RE jelő ellenállást váltakozó áramú szempontból.
• •
Az Rt jelő ellenállás az erısítı terhelı ellenállása. A T jelő tranzisztor az erısítı elem.
A tranzisztor munkapontjának felvétele A munkaponti adatok meghatározásához a tápfeszültség és az ellenállások értékét kell pontosan ismernünk. Ezek segítségével már szerkesztéssel határozhatjuk meg az alkalmazott tranzisztor
I C = f (U CE ) transzfer karakterisztikái alapján a munkaponti adatokat, az egyenáramú munkaegyenes segítségével. A torzításmentes mőködéshez az M munkapontot a szerkesztésnél a munkaegyenes közepén kell felvenni. Ez az A osztályú beállításnak felel meg.
6
11.B
11.B
Kapcsolás áramerısítése A KAPCSOLÁS ÁRAMERİSÍTÉSÉNEK MEGHATÁROZÁSA A kimeneti áram a hibrid paraméteres helyettesítı kép felhasználásával:
i ki = −
u ki Rt
alakban írható fel. A negatív elıjel a kimeneti feszültség és a kimeneti áram ellentétes iránya miatt szükséges. A bemeneti áram a bemeneti feszültség és három, a bemenetre párhuzamosan kapcsolódó ellenállás hányadosa:
ibe =
u be R1 × R2 × h11e
.
A ki- és a bemeneti áramra felírt összefüggések helyettesítésével a kapcsolás áramerısítése:
Aie =
i ki u R × R2 ⋅ h11e = − ki ⋅ 1 ibe u be Rt
.
Ismerjük fel a képletben a ki- és a bemeneti feszültségek hányadosát, a feszültségerısítést:
Aie = − Aue ⋅
R1 × R2 ⋅ h11e Rt
A be- és kimeneti ellenállás képzése
A be- és a kimenı feszültség
Kapcsolás teljesítményerısítése Határozzuk meg a közös emitteres erısítıfokozat teljesítményerısítésének kiszámítási módját. A teljesítményerısítésrıl tudjuk, hogy a feszültség- és az áramerısítés abszolút értékeinek a szorzatával egyenlı, ezért: Ape = Aue·Aie.
Közös emitteres kapcsolás váltakozó áramú és hibrid helyettesítı kapcsolása
Váltakozó áramú közös emitteres kapcsolás
Hibrid paraméteres közös emitteres kapcsolás
A KAPCSOLÁS FESZÜLTSÉGERİSÍTÉSÉNEK MEGHATÁROZÁSA A közös emitteres erısítıfokozat feszültségerısítése a hibrid paraméteres helyettesítı kép alapján határozható meg számítással. Figyeljük meg az ábrákon, milyen módszerek alkalmazásával készíthetı el a helyettesítı kép: Mivel közepes mőködési frekvencián (1 kHz-en) vizsgáljuk az erısítıt, ezért a kondenzátorok rövidzárnak tekinthetık. A tápfeszültséget (egyenfeszültséget) szolgáltató feszültséggenerátor váltakozó áramú szempontból szintén rövidzárnak tekinthetı. A hibrid paraméteres helyettesítı képben azt az egyszerősítést alkalmazzuk, hogy nem vesszük figyelembe a feszültségvisszahatást:ezzel a számítások egyszerősödnek, de a kapott összefüggések csak közelítı jelleggel lesznek érvényesek. A közös emitteres erısítıfokozat helyettesítı képében az áramgenerátor árama a vele párhuzamosan kapcsolt három ellenállás eredıjén hozza létre az uki kimeneti feszültséget. Mivel az áram iránya ellentétes a feszültség irányával, ezért
7
11.B
11.B
a kimeneti feszültség negatív elıjelő lesz, és a következı összefüggéssel számítható ki:
1 u ki = − h21e ⋅ i B ⋅ × RC × Rt . h22e Az ube bemeneti feszültséget az iB áram hozza létre a h11e jelő ellenálláson, ezért a kiszámítási módja:
u be = i B ⋅ h11e Az így kapott két kifejezést helyettesítsük be a feszültségerısítés általános képletébe, és végezzük el a lehetséges egyszerősítéseket:
Aue =
u ki u be
1 − h21e ⋅ i B ⋅ × RC × Rt h h22e = ⇒ Aue = − 21e i B ⋅h11e h11e
1 ⋅ × RC × Rt ⋅ h22e
Ha felhasználjuk, hogy az összefüggésben szereplı két h paraméter hányadosa a bipoláris tranzisztor meredeksége, akkor a feszültségerısítés:
S=
1 h21e ⇒ Aue = − S ⋅ × RC × Rt h11e h22e
Kapcsolás bemeneti ellenállása A bemeneti ellenállás általános meghatározása, hogy a bemeneti feszültség és a bemeneti áram hányadosa. Ha a meghajtó generátort nem vesszük figyelembe, akkor a bemeneti ellenállás az erısítı bemenetét lezáró ellenállás.
rbee =
u be ibe
A közös emitteres erısítıfokozat bemeneti ellenállása a hibrid paraméteres helyettesítı kép elemeinek felhasználásával:
rbee = R1 × R2 × h11e Kapcsolás kimeneti ellenállása A kimeneti ellenállás általános meghatározása, hogy az üresjárati kimeneti feszültség és a rövidzárlati kimeneti áram hányadosa. Ha a terhelı ellenállás nem terheli a kimenetet, akkor a kimeneti ellenállás az erısítı kimenetét lezáró ellenállás:
rki =
u kiü i kir
A közös emitteres erısítıfokozat kimeneti ellenállása a hibrid paraméteres helyettesítı kép elemeinek felhasználásával:
rkie =
1 h22e
× RC .
Bemeneti csatoló kondenzátor A váltakozó áramú helyettesítı kapcsolásban a csatoló kondenzátorokat – amelyek a bemeneten és a kimeneten végzik az egyenfeszültség leválasztását és a váltakozó feszültség csatolását – közepes frekvencián, vagyis 1 kHz-en váltakozó áramú szempontból rövidzárnak tekinthetjük. Ha az erısítıre kisebb frekvenciájú jel kerül, akkor a csatoló kondenzátorok a feszültségszint csökkenését okozzák, mert frekvenciafüggı feszültségosztót alkotnak az ıket terhelı ellenállással: • •
a bemeneti csatolókondenzátor az erısítı bemeneti ellenállásával, a kimeneti csatolókondenzátor az erısítı kimeneti ellenállásával.
Bemeneti csatoló kondenzátor
8
11.B
11.B
A csatolókondenzátorokat úgy méretezhetjük, hogy az erısítı fa alsó határfrekvenciáján a szintcsökkenés általában nem lehet nagyobb, mint 3 dB. Ez azt jelenti, hogy állandó bemeneti feszültség esetén ezen a frekvencián a kimeneti feszültség értéke 2 -ed részére csökken, vagyis az erısítés a 2 -ed részére csökken. Határozzuk meg a bemeneti csatolókondenzátor értékét, ha a megengedhetı maximális szintcsökkenés 3 dB. A feszültségerısítés képletébıl fejezzük ki a feszültségváltozás mértékét:
a u = 20 ⋅ lg
ug u
= 3dB ⇒
ug u
= 10 0,15 = 1,41 .
Alkalmazzuk a feszültségosztás törvényét az ábra átalakításának figyelembevételével:
ug u
2 (rbe + R g )2 + X Cbe
=
rbe + R g
(
= 1,41 ⇒ 2 ⋅ Rbe + R g
2 )2 = (Rbe + R g )2 + X Cbe .
Végezzük el a szükséges mőveleteket, és rendezzük át az egyenletet:
X Cbe = Rbr + R g . tudjuk, hogy a kapacitav reaktancia az
X Cbe =
1 2π ⋅ f a ⋅ C be
összefüggéssel határozható meg. Ebbıl fejezzük ki a csatolókondenzátor kapacitásának értékét:
C be =
1 2π ⋅ f a ⋅ rbe + R g
(
).
Ha a vezérlı generátor belsı ellenállása elhanyagolható (Rg = 0), akkor a bemeneti csatolókondenzátor kapacitásának értéke kisebb:
C be =
1 2π ⋅ f a ⋅ rbe
.
Kimeneti csatoló kondenzátor Határozzuk meg a kimeneti csatolókondenzátor értékét a bemeneti csatolókondenzátor számításához hasonlóan, ha a megengedhetı maximális szintcsökkenés a kimeneten is 3 dB. A kimeneti csatolókondenzátor az erısítı kimenetét és a terhelést kapcsolja össze. A Norton és a Thevenin helyettesítı képek egymásba átalakíthatók. Ennek szabályait felhasználva ha átalakítjuk az áramgenerátort feszültséggenerátorrá, akkor az így kapott áramkör felépítése hasonló lesz a bemeneti csatoló kondenzátor áramköréhez, ezért a kiszámítási módja is hasonló lesz:
C ki =
1 . 2π ⋅ f a ⋅ (rki + Rt )
A kimeneti csatoló kondenzátor Emitterkondenzátor hatása Határozzuk meg az emitterkondenzátor értékét is, amely az emitter és a földpont között az emitterellenállással párhuzamosan van elhelyezve, ezért hidegítıkondenzátornak is nevezik. Az emitterkondenzátor
X CE =
1 2π ⋅ f a ⋅ C E
reaktanciája nagyon kis frekvenciákon már nem rövidzárnak, hanem szakadásnak tekinthetı, ezért a fokozat erısítése akkora, amekkora emitterkondenzátor nélkül volna.
9
11.B
11.B
Az erısítés nagyságát a frekvencia függvényében törtvonalas közelítéssel adhatjuk meg:
Au[dB]
Erısítés emitterkondenzátorral
20lgAuI
+2 0d B /d ek ád
20lgAu 20lgAu-3 dB
Erısítés emitterkondenzátor nélkül
f
fa
A 20dB/dekád növekedés miatt fh annyiszorosa f-nek, amennyi a két erısítés hányadosa.
fa = f ⋅
Aue ' Aue
,
ahol
f =
1 2π ⋅ R E ⋅ C E
Aue = −
h21e h11e
' Aue = − h21e
10
1 ⋅ × RC × Rt h22e RC × Rt ⋅ h11e + (1 + h21e ) ⋅ R E
f[Hz]
