Układ ze wspólnym kolektorem, Podstawy Elektroniki

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pierwsze kroki
część
13
dla początkujących
Tranzystory
Układ ze wspólnym kolektorem
W tym odcinku podam Ci garść dalszych istotnych informacji na temat wzmacniacza ze wspólnym kolektorem.
Skrajności
W naszych rozważaniach upraszczaliś−
my co się da, by wyciągnąć ogólne
wnioski. Pominęliśmy na przykład wszel−
kie pojemności wewnętrzne tranzystora.
Tymczasem te pominięte czynniki spo−
wodowałyby, że przy wysokich częstotli−
wościach i dużych rezystancjach nasz
układ mógłby w pewnych warunkach
stać się... generatorem – wzbudziłby się
na wysokich częstotliwościach. Zapomnij
więc o wtórniku emiterowym, mającym
jednocześnie wielką oporność wejściową
i przenoszącym szerokie pasmo częstotli−
wości. Możesz spełnić tylko jeden z tych
warunków . Przy niewielkich wartościach
rezystancji R
E
pasmo przenoszenia wtór−
nika sięgnie kilkuset megaherców! Ale za
to oporność wejściowa będzie sto−
sunkowo mała
Z kolei układ z rysunku 12 ma bardzo
dużą oporność wejściową − przez zasto−
sowanie kondensatora C1 napięcie
zmienne w punkcie połączenia R1, R2 i
R
B
jest praktycznie równe napięciu wej−
ściowemu i dzięki temu oporność wej−
ściowa jest wielokrotnie większa niż war−
tość rezystora R
B
. Może ci się to wyda
dziwne, ale tak jest – jeśli cały czas za
mną nadążasz, sam spróbuj zrozumieć
dlaczego. Podpowiem tylko: wypadkowa
oporność jest stosunkiem (zmiennego)
napięcia wejściowego do (zmiennego)
prądu wejściowego i gdyby (zmienne) na−
pięcie na emiterze było idealnie takie sa−
mo jak na bazie, układ miałby oporność
wejściową nieskończenie wielką. Wyko−
rzystuje się tu sposób, nazywany boot−
strap. Słowo bootstrap nie ma dobrego
polskiego odpowiednika − znaczy mniej
więcej tyle, co podciąganie się do góry
przez ciągnięcie za własne sznurówki lub
za włosy. W praktyce układ z rysunku 12
może przysparzać kłopotów w zakresie
wyższych częstotliwości i należałoby
ograniczyć pasmo przenoszenia. To oczy−
wiście jest zadanie dla bardziej zaawan−
sowanych, którzy nie zdziwią się, usły−
szawszy, że układ z rysunku 12 może
mieć w pewnych warunkach ujemną (!)
rezystancję wejściową.
Problemy, problemy,
problemy
Przy okazji leciutko “potrącę” pewien
ważny, a bardzo trudny temat. Z powyż−
szych rozważań wynika, iż pomijane
w obliczeniach subtelne właściwości
tranzystora mogą stać się powodem
ogromnych kłopotów, polegających naj−
częściej na wzbudzaniu się układów na
wysokich częstotliwościach. Przyczyny
samowzbudzenia układu mogą być
Teraz już wiesz bardzo dużo o wtórni−
ku emiterowym, czyli układzie ze wspól−
nym kolektorem.
Czy jednak uda się uzyskać oporność
wejściową rzędu kilku megaomów? Czy
na przykład starannie dobrany układ z ry−
sunku 7 (w poprzednim numerze EdW), z
selekcjonowanym tranzystorem o
wzmocnieniu 1000, indywidualnie dobra−
nymi rezystorami R
B
=1,2M
, R
E
=6,0k
, i czy tym samym nie będzie
się nadawał na wejście kanału oscylosko−
pu, który planujesz zbudować? Niestety,
muszę cię rozczarować!
Rys. 12
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99
63
Ω
nie będzie miał rezystancji wejściowej ró−
wnej 1M
Pierwsze kroki
Rys. 13
cyjność, a zbyt mały odstęp między
ścieżkami to znacząca pojemność. Przy
takich częstotliwościach najzwyklejszy
rezystor może zachowywać się jak induk−
cyjność, albo jak pojemność! Tak! A kon−
densator może zachowywać się jak in−
dukcyjność albo rezystancja, choćby ze
względu na indukcyjność wyprowadzeń
czy straty dielektryka.
Co z tego wynika?
Żeby nie natknąć się na bardzo przykre
niespodzianki, z którymi sobie nie pora−
dzisz, nie zaczynaj od prób zaprojektowa−
nia jakichś wyrafinowanych wzmacniaczy
tranzystorowych. Pozostaw to ludziom,
którzy mają duże doświadczenie w tym
zakresie. Ty na razie zdobywaj takie do−
świadczenie, zaczynając od układów naj−
prostszych, nie stosując elementów o
ekstremalnych wartościach i nie
próbując”wydusić” z tranzystora wszy−
stkiego, co wydaje ci się możliwe. Wtedy
nie napotkasz tych koszmarnych proble−
mów i pomału, ale bezstresowo będziesz
wgryzał się w ten temat.
o zniekształceniach rzędu tysięcznych
części procenta, nie stosuj takich zwyk−
łych wtórników.
Wspomniane dwie wady zwykłego
wtórnika można wyeliminować pracując
ze stałym prądem bazy (i stałym prądem
emitera). Jak?
Wystarczy zastosować obciążenie
w postaci źródła prądowego, jak na
rysunku 13a. Na rysunku 13b możesz zo−
baczyć praktyczną realizację takiego bar−
dziej precyzyjnego wtórnika. Dziś rzadko
stosujemy takie rozwiązania, bo w zakre−
sie niskich częstotliwości do, powie−
dzmy, 100kHz, stosuje się precyzyjne
wtórniki zbudowane w oparciu o jakikol−
wiek wzmacniacz operacyjny. Jeśli ci się
chce, zastanów się, jak na parametry
wtórnika wpływa obecność źródła prądo−
wego, które dla przebiegów zmiennych
ma bardzo dużą oporność – co oznacza, iż
rezystancja R
E
z rysunku 4 ma dla prze−
biegów zmiennych pomijalnie dużą war−
różne, na przykład błędnie zaprojektowa−
na płytka drukowana, czy niewłaściwe
prowadzenie przewodów połączenio−
wych. Ale niektóre problemy mają źródło
w tych pomijanych parametrach tranzy−
stora, głównie pojemnościach.
Albo już spotkałeś, albo spotkasz ukła−
dy, gdzie na wyprowadzenie bazy nakła−
dany jest mały koralik ferrytowy. To nie
żaden talizman – w ten sposób wprowa−
dza się w obwód bazy bardzo, bardzo
małą indukcyjność, i właśnie to chroni w
pewnych warunkach przed oscylacjami.
W innych układach spotkasz niewielki re−
zystor (10...100
) włączony szeregowo
w obwód bazy. Na pierwszy rzut oka tak
mała rezystancja nie ma żadnego znacze−
nia. Istotnie, dla prądu stałego i przebie−
gów małej częstotliwości nie ma, ale
chroni przez samowzbudzeniem na wy−
sokich częstotliwościach.
W uproszczeniu możesz to sobie wy−
obrazić, że dla wysokich częstotliwości
wyprowadzenie bazy jest nie tylko wej−
ściem, ale w pewnym sensie wyjściem,
dlatego zachowanie tranzystora zależy
wtedy od oporności obwodów bazy. Nie
jest o żadna przesada – odszukaj w EdW
11/98 rysunek 4 na stronie 65 i przekonaj
się, że jedną z przyczyn są pojemności,
przez które sygnał z wyjścia wraca na
wejście, czyli właśnie na bazę.
Początkujący zazwyczaj uważają, że
skuteczną metodą na problemy z samo−
wzbudzaniem jest ograniczenie od góry
pasma przenoszenia przez dodanie nie−
wielkich pojemności zwierających sygna−
ły w.cz. do masy. Czasem to rzeczywiście
pomaga, ale niekiedy jeszcze pogarsza
sprawę, właśnie ze względu na omówio−
ne zjawiska. Dlatego nie ma uniwersal−
nych, prostych recept na wszystkie pro−
blemy z samowzbudzeniem wzmacnia−
czy. Przecież na−
wet tak zwane
tranzystory małej
częstotliwości
mają częstotli−
wość graniczną
rzędu 150
...500MHz. Przy
tak dużych
częstotliwoś−
ciach zwykły ka−
wałek drutu to
znacząca induk−
Tylko dla ciekawskich
Podane informacje, dotyczące układu
OC w zupełności wystarczą na początek
elektronicznej kariery. Dla ciekawskich i
bardziej zaawansowanych mam jeszcze
kilka szczegółów. Zupełnie początkujący
mogą spokojnie pominąć ten śródtytuł.
Omawiając działanie wtórnika założy−
liśmy w uproszczeniu, że spadek napięcia
baza−emiter tranzystora jest stały i wyno−
si około 0,6V. W rzeczywistości ten spa−
dek napięcia zależy od prądu bazy – poró−
wnaj rysunek 6 w EdW 11/98 str. 66.
Prąd bazy zależy z kolei od prądu emitera,
a ten w sumie od napięcia, zarówno sta−
łego, jak i od wielkości przebiegu zmien−
nego. Czym większy sygnał zmienny,
tym większe zmiany napięcia baza−emiter
tranzystora.
I co z tego?
Po pierwsze spowoduje to, że zmien−
ne napięcie na wyjściu (emiterze) będzie
nieco mniejsze niż napięcie wejściowe
(na bazie). To znaczy, że wtórnik emitero−
wy ma wzmocnienie nieco mniejsze od
jedności. Nie jest to problemem, bo w
praktyce wynosi ono zwykle około 0,99 −
czym mniejszy sygnał, tym jest bliższe je−
dności.
Po drugie, napięcie baza−emiter nie
jest liniowo zależne od prądu bazy – jak
wiesz, jest to zależność logarytmiczna.
Powoduje to pewne niewielkie zniek−
ształcenia nieliniowe sygnału, tym mniej−
sze, im mniejszy jest sygnał zmienny.
W ogromnej większości przypadków ta−
kie zniekształcenia spokojnie pomijamy,
ale gdybyś budował jakiś superprecyzyj−
ny wzmacniacz czy przedwzmacniacz
Rys. 15
Rys. 14
tość, rzędu co najmniej kilkudziesięciu
kiloomów. Jak to wpłynie na transfor−
mację impedancji?
To jeden szczegół dla ciekawskich.
Teraz drugi.
Dowiedziałeś się, że napięcie stałe na
wyjściu (emiterze) różni się od napięcia
na bazie o około 0,6V. A jak to jest przy
zmianach temperatury? Oczywiście na−
pięcie to zmienia się, i to znacznie, ze
współczynnikiem około –2,2mV/°C. Tym−
czasem w pewnych sytuacjach, gdy
wtórnik ma przenosić nie tylko sygnały
zmienne, ale także stałe, powinien być
stabilny pod względem termicznym.
Czy to możliwe?
Rozwiązanie jest proste: zastosowa−
nie układu z rysunku 14 zapewnia, że na−
pięcie wyjściowe jest równe napięciu
wejściowemu, a wpływ zmian tempera−
tury radykalnie się zmniejsza, zwłaszcza
gdy tranzystory są podobnego typu, po−
zostają w jednakowej temperaturze,
a prądy emiterów są równe.
Teraz trzeci szczegół.
Poprzednie wyliczenia pokazały czarno
na białym, że oporność wyjściowa wtór−
nika jest znacznie mniejsza niż oporność
64
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99
Pierwsze kroki
= 99mV
Wynika z tego, że
wtórnik z rysunku 16a
może prawidłowo pra−
cować, ale tylko z syg−
nałami o amplitudzie
nie większej niż 99mV
(198mVpp). Przy wię−
kszych amplitudach
przebieg wyjściowy (je−
go ujemna część)
będzie koszmarnie
zniekształcony, jak po−
kazuje to rysunek 16b.
Jak temu zaradzić? Oczywiście wy−
starczy zmniejszyć R
E
. Ściślej biorąc,
wszystko zależy od dwóch czynników:
wymaganej wartości zmiennego napięcia
wyjściowego oraz maksymalnego prądu
“ujemnego”, wyznaczonego przez szere−
gowe połączenie R
E
i R
L
. Moglibyśmy tu
wyprowadzić od−
powiednie wzory,
ale nie są one ko−
nieczne. Powróć
do rysunku 15 i
zrozum istotę
problemu – aby
nie było zniek−
ształceń, wyma−
gana maksymal−
na (szczytowa)
wartość zmienne−
go prądu płynące−
go przez obciążenie musi być mniejsza
od połowy (stałego) spoczynkowego
prądu, płynącego przez R
E
. Sam zasta−
nów się, dlaczego “od połowy” – przy o−
kazji zrozumiesz, dlaczego w podręczni−
kach jest napisane, że oporność wyjścio−
99µA * 1k
wa wtórnika dla dużych sygnałów jest ró−
wna rezystancji R
E
.
Ściślej biorąc, przedstawiony wtórnik
ma małą oporność wyjściową dla prze−
biegów dodatnich, a dużą (równą R
E
) tyl−
ko dla dużych sygnałów ujemnych.
Jakie to ma konsekwencje prakty−
czne? Przy niewielkich opornościach ob−
ciążenia R
L
musisz stosować odpowie−
dnio małe wartości R
E
, czyli zwiększać
prąd spoczynkowy. Często jest to niepo−
żądane, bo chcemy utrzymać mały pobór
prądu, nie rezygnując z małej rezystancji
wyjściowej także przy dużych sygnałach.
Czy jest na to rada?
Dobrym, często stosowanym w prak−
tyce rozwiązaniem jest wykorzystanie
wtórnika komplementarnego. Oczy−
wiście nie takiego z rysunku 17a, bo ten
wprowadzałby ogromne zniekształcenia
“w strefie przejściowej”. Praktyczny
przykład wypróbowanego wtórnika kom−
plementarnego znajdziesz na rysunku
17b. Taki układ stosowany był w genera−
torze o częstotliwości do 1MHz, za−
pewniał stałą rezystancję wyjściową
równą 50
Rys. 16
wyjściowa źródła sygnału. Czy zauważy−
łeś, że zwiększenie rezystancji R
E
wydaje
się korzystne? Przy okazji zmniejszymy
radykalnie pobór prądu i straty mocy.
Przemyśl to!
Czy przykład ze źródłem prądowym w
obwodzie emitera (rysunek 13) przeko−
nał cię, że zwiększanie R
E
jest uzasadnio−
ne?
Jeśli tak, popatrz na rysunek 15. W
układzie z rysunku 4 zwiększyliśmy rezy−
stancje R
B
i R
E
do 60k
. Zamiast tranzystorów BC211
i BC313 można użyć jakichkolwiek innych
o mocy strat 1W i wzmocnieniu powyżej
100. Mogą to być popularne tranzystory
rodziny BD135...140, lub podobne śre−
dniej mocy, ale należy się upewnić, czy
mają wzmocnienie prądowe większe niż
60...70. Jeśli nie jest potrzebna tak mała
rezystancja wyjściowa (50
, bo
tym razem wpływ R
E
jest niewielki i decy−
dujący wpływ ma rezystancja R
L
. Ale czy
nie wydaje ci się podejrzane, że rezystan−
cja emiterowa jest tak duża, a rezystancja
obciążenia tak mała? Jeśli cię to trochę
niepokoi, masz rację!
Żeby pokazać ci problem i nie mącić
obrazu obecnością kondensatora wy−
jściowego, przeanalizujmy wtórnik z ry−
sunku 16a. Załóżmy, że zmienne napięcie
wyjściowe w układzie z rysunku 16 po−
winno wynosić 12Vpp, a konkretnie w
dodatnich szczytach +6V, w ujemnych
“dolinach” –6V. Przy oporności R
L
równej
1k
Rys. 17 a
) i układ
będzie obciążany większą rezystancją,
nie trzeba montować wyjściowego dziel−
nika i zamiast tranzystorów BC211 i
BC313 grupy 10 zastosować jakiekolwiek
tranzystory komplementarne małej mo−
cy, np. BC548B, BC558B.
, w tych szczytach przez obciążenie
powinien płynąć prąd o chwilowej war−
tości równej 6mA.
Przy sygnałach dodatnich względem
masy tranzystor się otwiera i to on do−
starcza potrzebnego prądu. Nie ma tu
ograniczeń – tranzystor dostarczy tyle
prądu, ile trzeba, by napięcie na emiterze
nadążało za napięciem bazy. Jasne?
Gorzej jest, gdy napięcie wejściowe
spada poniżej napięcia masy. Wtedy tran−
zystor się przytyka a może nawet całko−
wicie zatyka, a “ujemny” prąd obcią−
żenia płynie przez rezystor R
E.
I tu zaczy−
na się problem. Przy podanych napię−
ciach nawet gdy tranzystor zupełnie nie
przewodzi, maksymalny “ujemny” prąd
obciążenia jest ograniczony wartościami
R
E
i napięcia zasilającego do około 99µA.
Większy być nie może (Imax = −Uzas / (R
E
+ R
L
)), wobec tego największe ujemne
napięcie na obciążeniu RL wyniesie tylko:
Rys. 17 b
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99
65
. Niby wszystko
jest w porządku. Jaka będzie rezystancja
wejściowa całego wtórnika dla przebie−
gów zmiennych? Z podanych wyliczeń
wynikałoby, że wynosi około 30k
Pierwsze kroki
Na koniec roz−
ważań o wzmac−
niaczu OC podam
ci jeszcze kilka
wyjaśnień. Rysu−
nek 18 pokazuje
przykład wykorzy−
stania go w pro−
ściutkim stabiliza−
torze
Jeśli weźmiesz
schemat wzmacniacza mocy audio na
tranzystorach bipolarnych, to najprawdo−
podobniej tranzystory wyjściowe również
pracują tam w układzie OC.
W praktyce pojemność wejściowa nie
może być mniejsza niż:
C = 160 / f R
gdzie R − całkowita rezystancja wej−
ściowa (tranzystora i rezystorów polary−
zujących) w kiloomach, f − częstotliwość
graniczna w hercach, pojemność C wy−
chodzi w mikrofaradach.
W praktyce pojemność C powinna być
przynajmniej 3−krotnie większa, bo wzór
dotyczy spadku poziomu o 3dB.
To samo dotyczy pojemności wyjścio−
wej, oddzielającej R
E
od R
L
. Wymaganą
pojemność oblicza się z ostatniego wzo−
ru, podstawiając wartość R
L
. Te dwie po−
jemności ograniczają pasmo od dołu. Ale
często wtórniki przenoszą też przebiegi
stałe, jak układ z rysunku 17b.
Jeśli chodzi o górę pasma, to teorety−
cznie wtórnik mógłby pracować aż do
częstotliwości granicznej tranzystora
(tranzystorów), wynoszącej ponad sto
megaherców. W praktyce przy wię−
kszych amplitudach pasmo ogranicza od
góry pojemność obciążenia, dołączona
równolegle do R
L
, na rysunku 19 ozna−
czona C
L
. Składają się na nią pojemności
montażowe i pojemność samego obcią−
żenia. Konieczność przeładowania po−
jemności prądem płynącym przez R
E
po−
woduje takie same ograniczenia, jak przy
małej wartości R
L
(porównaj rysunki 15 i
16). Zresztą pojemność C
L
można trakto−
wać jako dodatkową oporność (reak−
tancję) malejącą ze wzrostem częstotli−
wości. Inaczej mówiąc, przy bardzo du−
żych częstotliwościach oporność (impe−
dancja) obciążenia maleje ze względu na
obecność pasożytniczych pojemności ob−
ciążających wyjście.
I tyle informacji mam dla ciebie na te−
mat układu OC.
W następnym odcinku przyjrzymy się
wzmacniaczowi tranzystorowemu w
układzie wspólnego emitera.
Jak widzisz, wzmacniacz OC jest wy−
korzystywany nie tylko w obwodach ma−
łych sygnałów stałych i zmiennych.
I jeszcze sprawa częstotliwości grani−
cznych.
W układach z kondensatorem na wej−
ściu (np. rysunki 1, 4, 15) pasmo przeno−
szenia jest ograniczone od dołu przez po−
jemność tego kondensatora wejściowe−
go. Pojemność ta tworzy z całkowitą re−
zystancją wejściową filtr górnoprzepusto−
wy o częstotliwości granicznej
f
(−3dB)
= 1 / 2
RC
Piiotr Góreckii
Rys. 19
66
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99
Rys. 18
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

  • zanotowane.pl
  • doc.pisz.pl
  • pdf.pisz.pl
  • emaginacja.xlx.pl

    •