2. Közös-emitteres erősítő fokozat

Elektronika Lineáris erősítők

1

2. Közös-emitteres erősítő fokozat 2.1.

Munkapont a karakterisztikán

Kapcsoljunk a tranzisztor kollektor körével sorba egy ellenállást ( RC ) , és kapcsoljunk rájuk U t pozitív tápfeszültséget. A tranzisztoron átfolyó kollektoráram az ellenálláson is feszültségesést hoz létre. U t = U R + U CE = I C RC + U CE IC =

U t − U CE RC

A kollektor áram a bázisárammal lineárisan változtatható. ∆I C = β∆I B

a.) Ha az I B áram értéke nulla, a tranzisztor le van zárva. (Ekkor U CE ≅ U t ) ; b.) A bázisáram növelésével a tranzisztor egyre jobban nyit. A teljes nyitáskor folyó U maximális kollektoráramot az RC ellenállás korlátozza. (Ekkor I c = t és U CE ≈ 0 ) Rc c.) A fenti két szélső helyzet közötti állapotok egy egyenes mentén helyezkednek el, amelynek munkaegyenes a neve. d.) Az elektronikában a munkaegyenes három jellemző pontját munkapontnak nevezzük: 1.-2. pontokat a digitális technikai kapcsolásokban használjuk; 3. pontot az analóg erősítés technikában használjuk.

Készítette: Dr. Hegedűs János Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai - Elektronikai Tanszék 2007


2.2

2

Munkapont beállítás közös-emitteres analóg erősítőnél

A tranzisztor a normál aktív tartományában működik lineáris erősítőként. Az ideális alaphelyzet - a 3. munkapont - a munkaegyenes közepén helyezkedik el. Ennek biztosítása a megfelelő bázisáram beállításával történik, a bázisba kötött ellenállás(ok) segítségével. A beállítás menete: • a 3. munkapont kijelölése a munkaegyenesen; • a munkaponthoz tartozó I BM áram leolvasása; •

a bázisáramhoz tartozó U BEM leolvasása (a bementi karakterisztikán).

a.) A beállítás bázisárammal: U t = U CEM + RC I CM ⇒ RC =

U t − U CEM

U t = RB I BEM + U BEM ⇒ RB =

I CM U t − U BEM I BM

b.) A beállítás bázis-emitter feszültséggel. Stabilabb a munkapont beállítása feszültség osztóval:

U t = U CE M + R C I CM ⇒ R C = (R B1 + R B 2 ) =

R B2 =

U BE I0

Ut I0

U t − U CE M I CM

és legyen I 0 = 10I BM

és R B1 = (R B1 + R B 2 ) − R B 2

Figyelem! A PNP tranzisztor fordított polaritású tápfeszültséget igényel !



2.3.

3

Jelerősítés

Kapcsoljunk a közös emitteres tranzisztoros erősítőre u g jelfeszültséget, amely legyen példánkban szinuszos alakú. Vegyük észre, hogy így a rendszerben két feszültségforrás dolgozik: egy munkaponti egyenfeszültségeket biztosító U t tápfeszültség, és az erősítendő u g váltakozó jelfeszültség. A két jelforrás szétválasztását a C cs csatolókondenzátorok biztosítják.

Látható, hogy a tengelyszimmetrikus jel a csatolókondenzátor után a munkaponti egyenfeszültségekre (és egyenáramokra) szuperponálódik, így mindig pozitív. A jelről az egyen tartalmat a kimeneti csatoló kondenzátor választja le. Az ábrából az is kitűnik, hogy a közös-emitters fokozat fázist fordít, azaz u g és u ki között 180 0 -os fordítás történik.

2.4.

Kivezérelhetőség és torzítás

A tranzisztoros erősítő fontos paramétere a kivezérlési tartomány, amely egy torzítatlan szinuszos jel maximális amplitúdójával egyenlő. Az ennél nagyobb amplitúdójú szinuszos jel csúcsát már az erősítő levágja, tehát a jel alakja torzul. A alábbi ábrán látható, hogy: ˆ + =U −U U t CE M − ˆ U = U CE M − U CE ( sat ) Ebből a kivezérlési tartomány:

ˆ = min( U ˆ +,U ˆ −) U max



4

Könnyen belátható, hogy a kivezérlési tartomány akkor a legnagyobb, ha a munkapont a U t − U CE ( sat ) teljes tartomány közepén helyezkedik el: Uˆ + = Uˆ − = . Mivel U CE ( sat ) ≈ 0,2V a 2 tranzisztoroknál, ezért U t mellett rendszerint elhanyagolható. Ezért az ideális munkapont U beállítás esetén: U CEM ≈ t . 2

Torzítás azonban nemcsak a kimenten, hanem a bemeneten is felléphet, amennyiben a munkapont a bemeneti karakterisztika görbült szakaszára kerül.



5

2.5. Közös-emitteres feszültségerősítő fokozat jellemzői

A jellemzők a kisjelű helyettesítő kép segítségével határozhatók meg. Ehhez - alkalmazva a szuperpozíció tételét - ki kell kapcsolni az U t egyenfeszültségű feszültségforrást.

a. Feszültségerősítés: Au = −

u ki i (r xR xR ) r xR xR ≅ − C CE C t = − β CE C t u be i B rBE rBE

a. Áramerősítés:

Ai =

iki ≈β ibe

b. Bemeneti ellenállás:

Rbe =

ube ≅ R1 xR2 xrBE ibe

c. Kimenti ellenállás: Rki =

u ki (iki = 0) u ki (üres) = ≅ rCE xRC iki ( Rt = 0) iki (rövid )

d. Teljesítményerősítés: u ki2 2 Rt  u ki  Rbe R  Ap = Au Ai = 2 =  = Au2 be Rt u be  ube  Rt Rbe



6

Az erősítés logaritmikus léptékben (definíció):

a p = 10 log10 A p [dB]

a p = 20 log10 Au + 10 log10

Rbe [dB] Rt

Ebből a feszültségerősítés definíciója:

au = 20 log10 Au [dB] 2.6. Erősítőláncok illesztése

a. Illesztés feszültség átadásra

A jelforrás egy valóságos feszültséggenerátor. Az erősítő által felerősített jelfeszültség a terhelésre jut. u be = u g

Rt Rbe továbbá u ki = Au u be Rki + Rt R g + Rbe

így: u ki = A u u g

R be Rt R g + R be R ki + R t

tehát az illesztési veszteség miatt u ki ≠ Au u g Ezért a veszteségek csökkentése érdekében a helyes illesztés feltétele: Rbe >> R g és Rki << Rt

b. Illesztés áram átadásra A jelforrás egy valóságos áramgenerátor. Az erősítő által felerősített jeláram a terhelésre jut.



i ki = A i i g

Rg R g + R be

7

R ki R ki + R t

A helyes illesztés feltétele: Rbe << R g és Rki >> Rt

c. Illesztés teljesítmény átadásra Mivel a P = UI , továbbá a feszültség és áramillesztés feltétele egymással ellenkező, levezetés nélkül is belátható, hogy az illesztés feltétele: R g = R be és R ki = R t

d. Vegyes illesztés Végerősítő fokozatok bemenete feszültség-illesztéssel fogadja a jelet, de a viszonylag alacsony impedanciájú hangszóró miatt a kimenet már áram-illesztésű.

A helyes illesztés feltétele: Rbe >> R g és Rt << Rki 2.7. Lineáris erősítő fokozat erősítésének frekvencia függése 2.7.1 Az erősítés alsó határfrekvenciája

Két közös-emitteres erősítőfokozat közvetlen összekötése problémákkal jár: -

Az első fokozat kimenete és második fokozat bemenete nem azonos egyenfeszültség szinten van: U CEM 1 ≠ U BEM 2 .

-

A hőmérsékletváltozás munkapont változással jár, amely jelként terjed át a következő fokozatra. Hasonló hatást fejt ki az U t tápfeszültség ingadozás is.

-



8

Megoldás: az egyes fokozatok egyenáramú szétválasztása C cs csatolókondenzátorokkal.

Az erősítő helyettesítő képe a csatolókondenzátor hatásának vizsgálatához: 1 , és a jel jω C útjában sorban helyezkedik el, így kiszűri a jel alacsonyfrekvenciás összetevőit is:

Mint ismeretes a csatolókondenzátor impedanciája frekvenciafüggő Z C =

u be = u g

Rbe R g + Rbe +

1 jωC cs

= ug

jωC cs ( R g + Rbe ) Rbe R g + Rbe 1 + jωC cs ( R g + Rbe )

és

u ki = A0 ube

Rt Rki + Rt

Az alábbi kifejezés az erősítés alsó határfrekvenciája:

ω Ha =

1 C cs ( R g + Rbe )



9

Így az erősítés frekvencia függése az alábbiak szerint alakul:

ω u Rbe Rt ω Ha A(ω ) = ki = A0 ω u be R g + Rbe Rki + Rt 1+ j ω Ha j

Jelöljük Au -val az erősítés frekvencia független részét, így:

ω ω Ha A(ω ) = Au ω 1+ j ω Ha j

Az erősítés frekvenciafüggésének ábrázolásánál külön ábrában szerepel az erősítés abszolút értéke decibelben, és külön ábrában a fázisfüggvény (Bode-diagram).

Az erősítés abszolút értéke a frekvencia függvényében:

A(ω ) = Au

ω ω aH , ω 2 1+ ( ) ω Ha

ez decibelben:  ω ω a (ω ) = 20 lg Au + 20 lg − 20 lg 1 +  ω Ha  ω Ha

Az erősítés fázisa a frekvencia függvényében:

ϕ (ω ) =

π 2

− arctg

ω ω Ha


  

2


10

Az alábbi Bode-diagramon legyen: Au = 40dB és f Ha = 10 Hz :

A diagramból az alábbi igen fontos következtetések vonhatók le: • Az f Ha alsó határfrekvencián már az erősítő − 3dB -el kevesebbet erősít. Példánkban A( f = f Ha ) = 40 − 3 = 37dB -t. •

Az f Ha alsó határfrekvenciánál kisebb frekvenciákon az erősítő erősítése 20dB / Dekád meredekséggel csökken. Példánkban egy dekád frekvencia távolságra az erősítő erősítése már csak: A( f = 0,1 f Ha = 1Hz ) = 40 − 20 = 20dB.

2.7.2 Az erősítés felső határfrekvenciája

Az erősítőkben szereplő tranzisztorok belső rétegkapacitása ( CCB és CBE) úgy viselkednek, mint a jel útjával párhuzamosan kötött kapacitások A kisjelű helyettesítő képben Cbe ezek eredőjét jelöli.



11

Thevenin-tételt alkalmazva a bemenetre, határozzuk meg az alábbi változókat:

u g, = u g

Rbe R g + Rbe

és

R g, = R g xRbe

Fentiek felhasználásával:

1 jωCbe 1 , u be = u g, = u g, 1 1 + jωCbe R g, R g, + jωCbe Rt , u ki = A0 u be Rki + Rt Az alábbi kifejezés az erősítés felső határfrekvenciája:

ω Hf =

1 Cbe R g

Így az erősítés frekvencia függése az alábbiak szerint alakul:

A(ω ) =

Rbe Rt u ki 1 1 = Au = A 0 , ω ω R g + Rbe Rki + Rt u be 1+ j 1+ j

ω Hf

ω Hf

Ahol Au az erősítés frekvencia független részét jelöli. Az erősítés abszolút értéke a frekvencia függvényében:

1

A(ω ) = Au

1+ (

ω 2 ) ω Hf

 ω a (ω ) = 20 lg Au − 20 lg 1 +  ω  Hf

   

2

Az erősítés fázisa a frekvencia függvényében:

ϕ (ω ) = − arctg

ω ω Hf



12

Az alábbi Bode-diagramon legyen: Au = 40dB és f Hf = 10kHz :

A diagramból az alábbi igen fontos következtetések vonhatók le: • Az f Hf felső határfrekvencián már az erősítő − 3dB -el kevesebbet erősít. Példánkban A( f = f Hf ) = 40 − 3 = 37dB -t. •

Az

f Hf alsó határfrekvenciánál nagyobb frekvenciákon az erősítő erősítése

20dB / Dekád meredekséggel csökken. Példánkban egy dekád frekvencia távolságra az erősítő erősítése már csak: A( f = 10 f Hf = 1Hz ) = 40 − 20 = 20dB.

2.7.3 A közös-emitteres erősítő fokozat erősítésének frekvencia függvénye

Vonjuk össze az alsó- és felső határfrekvenciára érvényes erősítés változásokat, tehát egyfokozatú közös-emitteres tranzisztoros erősítő erősítése a frekvencia függvényében:

A(ω ) = Au

ω ω Ha  ω 1 +   ω Ha

1   

2

 ω 1+  ω  Hf

   

2

  ω   ω 2  ω    − 10 lg1 +  a(ω ) = 20 lg Au + 20 lg − 10 lg 1 +   ω   ω Ha   ω Ha  Hf 





   

2

   



ϕ (ω ) =

π 2

− arctg

13

ω ω − arctg ω Ha ω Hf

Az alábbi Bode-diagram egy feszültségerősítő amplitúdó és fáziskarakterisztikáját mutatja, amelynek adatai: • feszültség erősítés A = 100 , azaz + 40dB) • alsó határfrekvencia: 10 Hz , vágási meredekség: 20dB / Dekád • felső határfrekvencia: 10kHz, vágási meredekség: 20dB / Dekád

2.8 Végerősítő fokozatok

Az erősítő fokozatokon végig haladó feszültségjel egyre nagyobb amplitúdójú, miközben a jeláram alig nő, hogy minél kevesebb veszteségi hő keletkezzen. A végerősítő fokozatban történik a szükséges kimeneti jelteljesítmény elérése a jeláram hirtelen felerősítésével. Ezért a végerősítők tranzisztorai általában hűtőbordára vannak szerelve. A végerősítő fokozatok típusai: - kis teljesítmény esetén: A-osztályú fokozat; - nagy teljesítmény esetén: B-osztályú (ellenütemű) fokozat; A-osztályú végerősítők

Az aszimmetrikus végerősítő fokozatokat viszonylag kis teljesítmény igény esetén használják (pl. zsebrádiók végfoka) Készítette: Dr. Hegedűs János Miskolci Egyetem, Elektrotechnikai - Elektronikai Tanszék 2007


14

Jellemzője, hogy a végerősítő tranzisztor ideális munkapontja a tápfeszültség felénél van. A hasznos feszültség az Rt ellenálláson:

U kieff =

Ut U = 2 = t 2 2 2 2

Uˆ ki

A végfok kimeneti teljesítménye:

Pki max =

2 U kieff

Rt

=

U t2 8 Rt

A végfokozat felvett teljesítménye:

Pf = U t .I CM

Ut Rt U t2 = Ut = 2 2

Vegyük észre, hogy a felvett teljesítmény független a kivezérléstől! Az A-osztályú végfok maximális hatásfoka:

η max =

Pki max .100 = 25% Pf



15

B-osztályú (ellenütemű) végerősítő fokoztat

Az ellenütemű áramkörök általában szimmetrikus felépítésűek, egyik felük az egyik, másik felük az ellentétes polaritású szinuszos jelek kezelésére alkalmas. Szerepük a végerősítő fokozatokban van, vagyis ott, ahol nagyobb jeleket, teljesítményeket kell lehetőleg lineárisan, jó hatásfokkal erősíteni. Az alábbi ábrán pozitív és negatív félperiódusok átvitelére egyaránt alkalmas emitterkövető kombinációt látunk, komplementer tranzisztorokkal.

Az NPN tranzisztor a pozitív, a PNP a negatív félperiódusok esetén működik emitterkövető jelleggel, ahol

Rt rendszerint a hangszóró (ellenállása 4-20 ohm közötti).

Figyeljünk fel arra, hogy szinuszos vezérlőjel hiánya esetén gyakorlatilag nem folyik áram a tranzisztorokon keresztül, és ilyenkor gyakorlatilag felvett teljesítmény sincs. Tehát ez a kapcsolás igen takarékos üzemeltetést eredményez. (A karakterisztikák nonlinearitásából fakadó hibák csökkentésének számos módja ismeretes.) Levezetés nélkül:

η max =

Pki max .100 = 78% Pf


2. Közös-emitteres erősítő fokozat

Recommend Documents