ZESILOVAČE S TRANZISTORY STUPEŇ SE SPOLEČNÝM EMITOREM
R
b
+
R k
u
k
UA
ik
T ib
u b
UA
bo
C
i
b
uk ~0.3V
u b
_
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
u
b
1
Pracovní bod tranzistoru je vázán charakteristikami podle:
ub = h1 ( i b , u k ) i k = h2 ( i b , u k ) a rovnicí druhého Kirchhoffova zákona pro kolektorový obvod:
i k . R k + uk = U A V prostorovém třídimensionálním zobrazení představuje rovinu rovnoběžnou s osou ib, kolmou na rovinu kolektorových charakteristik (ik, uk). Ve výstupních charakteristikách se zobrazí jako zatěžovací přímka - sestrojíme ji z jejích průsečíků s osami, jsou to body:
[ uk = U A , i k = 0 ] UA [ uk = 0 , i k = ] Rk V převodních charakteristikách se zobrazí jako dynamická (proudová) převodní charakteristika, vyjadřující závislost:
i k = f( i b ) Sestrojení dynamické převodní charakteristiky: • přenesením průsečíků zatěžovací přímky s kolektorovými charakteristikami. Sestrojení napěťové převodní charakteristiky: • promítnutím bodů zatěžovací přímky a dynamické proudové charakteristiky přes vstupní charakteristiku do 4. kvadrantu Nastavení pracovního bodu: zařazením odporu Rb
Rb =
U A - ubo i bo
2
Početní řešení stupně: řešíme chování stupně pro malé změny veličin v okolí pracovního bodu soustava aproximačních rovnic charakteristik určených h-parametry rovnice vnějšího obvodu tranzistoru (aplikací Kirchhofových zákonů) Hledané řešení (závislost přírůstku jedné veličiny na druhé): • proudové zesílení βd • napěťové zesílení Au • vstupní odpor Rvst • výstupní odpor Rvyst atd. Rovnici vnějšího obvodu (pro UA = konst.) píšeme :
∆ u k + ∆ ik . Rk = 0
Soustava aproximačních rovnic charakteristik tranzistoru určených h-parametry
∆ u b = h11 ∆ ib + h12 ∆ u k ∆ i k = h21 ∆ ib + h22 ∆ u k Dosazením dostáváme hodnotu dynamického proudového zesílení βd a napěťového zesílení Au (pro h12 = 0):
βd= Au =
∆ ik h 21 = ∆ i b 1 + h 22 . R k
∆ uk R ∆i R =- k k =- k βd ∆ ub h11 ∆ i b h11
Stupeň se společným emitorem má napěťové zesílení úměrné proudovému zesílení použitého tranzistoru. Jeho vstupní odpor je poměrně malý.
R vst =
∆ ub = h11 ∆ ib
Rvyst =
1 h 22 +
1 Rk 3
STUPEŇ SE SPOLEČNÝM KOLEKTOREM - EMITOROVÝ SLEDOVAČ +
+ ik i
b
T
u
u
R
UA
b
1
R
ik+ ib = ik
u 1
ik
UA
bo
C
T ib
u E 2
b
u 1
-
i
b
R E
∆u 2
u 2
_
rovnice vnějšího obvodu (h21>> 1, proto ib << ik)
∆ u1 = ∆ u b + ∆ i k . R E ∆ uk + ∆ ik . RE = 0 lineární aproximace vstupních a kolektorových charakteristik tranzistoru
∆ u b = h11 .∆ ib ∆ i k = h21 .∆ ib + h22 .∆ u k
βd= Au =
∆ ik h21 = ∆ i b 1 + h22 . R E
∆ u2 ∆ ik . R E 1 = = ∆ u 1 h11 .∆ i b + ∆ i k . R E h11 1+ RE . β d pro ßd RE>> h11 je Au = 1
Napětí v emitoru je přibližně rovno napětí vstupnímu ⇒ emitorový sledovač stupeň napěťově nezesiluje, pouze proudově
4
Vstupní odpor emitorového sledovače určíme ze vztahu:
R vst =
∆ u1 = h11 + β d . R E ∆ ib
Rvýst tranzistoru =
∆ u 2 ∆ ib h11 + R g = ( h11 + R g ) = ∆ i2 ∆ ik βd
Určení výstupního odporu: - jako paralelní hodnota vlastního výstupního odporu stupně SK (u2 / i2 pro u1=O) a rezistoru RE (případný vnitřní odpor Rg zdroje signálu připočteme ke vstupnímu odporu tranzistoru h11)
Rvýstcelkový = R E || Rvýst tranzistoru = Rvýst =
1 1 RE
+
βd h11 + R g
Používá se pro svůj vysoký vstupní a nízký výstupní odpor, např. k impedančnímu přizpůsobení vstupů a výstupu zařízení.
5
TRANZISTOROVÝ STUPEŇ SE SPOLEČNÝM EMITOREM STABILIZOVANÝ ZÁPORNOU ZPĚTNOU VAZBOU V EMITORU
Napěťové zesílení Au - není příliš závislé na zesílení samotného tranzistoru ⇒ použití např. u sériově vyráběných přístrojů)
R
poměrně velký vstupní odpor Rvst.
bo ib
Au =
R k ik
C
u
1
h21 βd = 1 + h22 ( RE + RK )
b
+
u
1
i
b
u
b
UA
T
R E
uk
_
− Rk − Rk − Rk .β d = ≅ h11 Re h11 + β d . R E + RE
βd
R vst =
∆ u1 = h11 + β d . R E ∆ ib
6
STUPEŇ SE S UNIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM NMOS Grafický i početní postup řešení stupňů s polem řízenými tranzistory je stejný jako s bipolárními tranzistory:
K
10k
řešíme soustavu: - rovnice charakteristiky unipolárního tranzistoru - a rovnic vnějšího obvodu
+12V
R 1k5 k
R G
u g
UA
G2
G1 u g
ik
E
uk
4M7
-5V
33k
Rovnice vnějšího obvodu:
Rk ∆ i k + ∆ u k = 0 lineární aproximace kolektorové charakteristiky
∆ i k = y 21 .∆ u g + y 22 .∆ u k Dynamická strmost Sd (je analogická dyn. proud. zesílení):
Sd = Napěťové zesílení:
Au =
∆ ik y 21 = ] ∆ u g 1 + y 22 . R K
∆ u k - R K .∆ i k = = - R K .S d ∆ug ∆ug
7
ŘAZENÍ STUPŇŮ, LOGARITMICKÁ MÍRA ZESÍLENÍ Pro dosažení většího zesílení řadíme za sebou více stupňů. Vazba mezi stupni může být: a) přímá, stejnosměrná: • stupně vázány buď přímo nebo přes článek kmitočtově nezávislý (s přenosem tak, aby nebyly narušeny klidové pracovní body obou stupňů) • kmitočtová charakteristika celého zesilovače je konstantní od nulových kmitočtů • statický posuv pracovního bodu prvního stupně se přenáší přes celý zesilovač b) střídavá: • stupně jsou mezi sebou vázány přes prvek oddělující stejnosměrné klidové složky pracovního bodu (v nf zesilovačích zpravidla kondenzátor) • kondenzátor tvoří se vstupním odporem následujícího stupně derivační člen RC • derivační člen RC nepropouští kmitočty nižší než 1/(2πRC) • zesilovač zesiluje jen kmitočty vyšší až do horní mezní frekvence • horní mezní frekvence je dána horní mezní frekvencí aktivních prvků a parazitními kapacitami Napěťové zesílení zesilovače a jeho kmitočtová charakteristika se běžně udávají v tzv. logaritmické míře, jejíž jednotkou je 1 dB - decibel.
AdB = 20 log A [dB;-] Zesílení 10 x odpovídá 20 dB, 103 x odpovídá 60 dB Zesílení celého řetězce je dáno - v absolutní míře - součinem zesílení jednotlivých stupňů, - v logaritmické míře - jejich součtem.
A = A1 . A2 . A3 ...... An
AdB = A1dB + A2dB + A3dB ...... + AndB
8
